大鼠腦電位信號分佈與MicroPET功能性影像之相關性研究

行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

大鼠腦電位信號分佈與 MicroPET 功能性影像之相關性研究

計畫類別： 個別型計畫

計畫編號： NSC93-2213-E-002-066-

執行期間： 93 年 08 月 01 日至 94 年 10 月 31 日

執行單位： 國立臺灣大學醫學工程學研究所

計畫主持人： 趙福杉

計畫參與人員： 陳君熒, 施彥宇

報告類型： 精簡報告

處理方式： 本計畫可公開查詢

中 華 民 國 95 年 1 月 11 日

大鼠腦電位信號分佈與 microPET 功能性影像之相關性研究

計畫編號：NSC 93-2213-E-005-066

執行期限：93 年 8 月 1 日至 94 年 7 月 31 日

主持人：趙福杉

台灣大學醫學工程學研究所

兼任助理：陳君熒、施彥宇

一、中文摘要

本計畫以功能性影像的方法來量測大腦 神經活化時相關生理反應的時間及空間分佈 情形。我們發現此種實驗模型在基礎神經科學 研究上提供了相當有價值的訊息。本研究使用 正子電腦斷層掃描與功能性磁振造影分別量 測神經活化時大腦對於葡萄糖的代謝以及血 氧濃度的變化。實驗結果不僅提供了大鼠後跂 及尾部在痛覺刺激時，大腦體感覺拓譜圖及其 動態反應，也使我們發現此分佈與電生理方法 所量測到結果大致吻合。 關鍵詞：微型正子電腦斷層掃描、功能性磁振 造影、大腦皮質、視丘、福馬林、大鼠

Abstract

The techniques of functional imaging were used to provide 3D spatial-temporal mapping of nociceptive responses during specific neural activation in brain. We find that the results could provide invaluable information for basic neuroscience research. For image experiments, we do in vivo brain mapping studies with 18_{F-FDG (Fluorodeoxyglucose) PET (Positron} Emission Tomography) to measure relative cerebral metabolic rate of glucose (rCMRglc) and BOLD (Blood Oxygenation Level Dependent) fMRI (Functional Magnetic Resonance Imaging) to measure hemodynamic response. The results not only show the global somatotopic organization of noxious stimulation on hindquarters in rats, but also find that the activated positions were well correlated with electrophysiological experiments.

Keywords: microPET; fMRI; cerebral cortex;

thalamus; formalin, rat

二、前言

在各種感覺形式的研究中，痛覺是生物 維持生命不可或缺的感覺，雖然疼痛常令人苦 不堪言，但也在生命過程中提供警訊並拌演著 相當重要的角色。在電生理上，由於痛覺的反 應不易區分清楚，因此在神經科學的研究中屬 於較困難的一環，相對的也一直受到研究學者 的重視。目前雖已知傳遞痛覺的周邊神經種 類，但在中樞神經的調控及分佈則尚未明確清 楚。 在神經科學的研究上，電生理技術提供 了極佳的時間解析度，使其得以偵測到毫秒等 級的神經動作電位反應。但對於大腦幾百億個 神經細胞相互連接運作所表現出的訊號，電生 理方法便無法提供空間上大範圍的神經活性 表現。因此，功能性影像技術是唯一可在有限 時間內觀察到大腦整體功能性訊號分佈的方 法。本研究的主要目的為觀察大鼠腦部對於後 跂及尾部的疼痛反應，並將功能性造影與電生 理記錄之結果作進一步的整合與分析。

三、方法

正 子 電 腦 斷 層 造 影 (Positron Emission Tomography)是一種非侵入性的核子醫學造影 技術，它藉由正子放射性核醫藥物為標幟在體 內的示蹤劑，並利用偵檢器接收互毀效應發生 後所產生的伽馬光子對，再經由數學方法進行

影 像 重 建 而 成 像 。 若 使 用 18F-FDG (Fluorodeoxyglucose)藥物，則重建後的影像可 以表現出葡萄糖在體內代謝與分佈的情形，並 提供相對的生理代謝狀況。此實驗使用台北榮 總迴旋加速器中心之微型正子電腦斷層造影 系統(microPET)。大鼠(Wistar, male, 250-350 g) 經由 ketamine麻醉後(100 mg/kg, i.p.)，於尾靜 處脈注射2 mCi的FDG，並使用本實驗室開發 與此系統相符之大鼠專用頭部定位儀做精確 的頭部定位。本實驗使用兩種造影流程：(1) 注射FDG後，再將福馬林溶液注射於左後跂腳 掌做為痛覺刺激，以避免引發其他種類的神經 活 化 ， 並 做 1 小 時 之 動 態 腦 部 造 影 (5 min/frame)；(2) FDG 注射 40 分鐘後，待藥物 攝取達平衡時造影(5 min/frame)，並在造影時 間達一半時施以痛覺刺激。 功 能 性 磁 振 造 影 (Functional Magnetic

Resonance Imaging, fMRI) 利用 BOLD (Blood Oxygenation Level Dependent) 的對比概念，觀 察血氧濃度的改變。在神經活化之區塊由於氧 的需求量增加，使得局部腦血流帶來更多的充 氧血，利用去氧血紅素存在造成區域磁場擾動 而降低訊號的特性，而在活化區便可得到較強 的訊號。根據強主磁場將組織磁化後，使用適 當的脈衝序列造影，即可在梯度編碼與計算其 感 應電流 後重 建成像 。此 實驗使 用中 研院 Bruker Biospec BMT 47/40 4.7T 之微型磁振造 影系統(microMRI)。大鼠(Wistar, male, 250-350 g)在經由 α-chloralose 麻醉(80 mg/kg, i.p.) 與 定位後，實驗初步以中矢狀面之T2 影像做為 參考，則可依照anterior commisure 所通過之 處，定出精確的結構位置。本實驗選定Bregma -0.8 mm, -2.8 mm, -4.8 mm 及 -6.8 mm 四處， 以快速自旋迴訊脈衝序列(Fast spin echo pulse sequence)取得鼠腦冠狀面之高解析度 T2 解剖

影像，所使用之造影參數為TR = 4000 ms, TE

= 80 ms, FOV = 4 cm, SLTH = 2 mm , NEX = 2,

acquisition matrix = 256

×

128 (輸出影像重建

為 256

×

256)。在功能性影像上，選擇在相同

位置以梯度迴訊脈衝序列(Gradient echo pulse sequence)做動態造影，所使用之造影參數為 TR = 215 ms, TE = 20 ms, flip angle = 22.5°, FOV = 4 cm, SLTH = 2 mm, NEX = 2, acquisition matrix = 256

×

128 (輸出影像重建 為 256

×

256)，造影重複 40 次，並於第 21 次 取像時，將福馬林溶液注射於左後跂腳掌做為 痛覺刺激。

四、結果

Digital image processing GUI

在資料處理上，本計畫開發了一套適用 於數種醫學影像格式之軟體。此圖形使用者介

面(GUI)，除了可做基本的影像讀取與處理

外，尚可計算ROI (Region of Interest)及 VOI

(Volume of Interest)內各種統計參數、時間活性

曲 線(Time Activity Curve)分 析、 參數影 像

(Parametric Image Analysis)運算、統計式圖形 (Statistical Map) 運算、刺激相關係數分析 (Cross-Correlation Analysis)、三維表面描繪(3D Surface Rendering)、影像對位與融合(Image Registration & Fusion)等等，並可與大鼠腦圖 譜(Paxinos and Watson, 1998)做精準的對位與 評估(圖 1)。 FDG microPET experiments 在microPET 的實驗上，我們發現當 FDG 於腦中代謝達動態平衡時，若圈選 ROI 持續 觀察同一腦區在各個時間點的活性反應，則在 左後跂福馬林刺激後，主要會使 thalamus、

primary somatosensory cortex (SI)、secondary somatosensory cortex (SII) 以 及 anterior cingulated cortex (ACC)處相對放射性活度上 升(圖 2)。若使用參數影像分析的方式，計算 刺激前後影像上相對活性的比值，則可發現計

分鐘的影像來做計算，則反應區域將比刺激後 10 分鐘的參數影像更集中於 cortex 處(圖 3)。

BOLD fMRI experiments

實驗結果顯示，在microPET 影像中對痛

覺有較大反應的thalamus、SI、ACC 等腦區，

在 fMRI 實驗亦觀察到高度的相關性，且

secondary somatosensory cortex (SII) 、 periaqueductal gray (PAG)、superior colliculus、 motor cortex 也有明顯的刺激反應曲線(圖 4、

圖5)。其中，利用 MRI 空間解析度較高的特

性，我們在影像與圖譜做校準與融合後發現 thalamus 反應的區域較集中於 medial dorsal thalamus (圖 6)。此結果與使用電生理記錄到 的反應相符。此外，利用動態影像序列顯示的 方法也可觀察到相同的現象，並可更清楚的顯 示鼠腦血氧濃度對於痛覺刺激後時間與空間 上的整體性反應 (圖 7)。

五、討論

18_{F-FDG藥物是利用迴旋加速器所產生} 的放射性同位素氟-18 標定於去氧葡萄糖分子 上，在經由靜脈注射後，將與體內原有的葡萄 糖分子競爭，而聚集於代謝旺盛的器官組織 中。由於在實驗過程中已儘量排除其他可能影 響實驗結果之因素，因此在microPET影像上所 看到的相對訊號強度改變，可推論為此區域由 於局部腦神經活化的緣故，而增加了葡萄糖的 代謝。且藉由計算TAC所得到的事件誘發反應 (event-related response)，可協助我們斷定前述 腦區與痛覺的相關性較高。 圖 3 的參數影像 在與圖譜對照後可發現圖譜中所定義之SI尾 部腦區在後跂痛覺激刺時亦有活化。由此再度 驗証了後跂與尾部在大鼠大腦皮層的體感覺 拓譜圖上有重疊的現象。 在BOLD fMRI實驗上，所觀察到的活性 反應是一種綜合cerebral blood flow (CBF)、 cerebral blood volume (CBV) 及 cerebral

metabolic rate of oxygen (CMRO2)的生理現

象。在fMRI的實驗中，我們觀察到在spinal

thalamic tract (STT)路徑上所通過的區域有顯 著的活化，且本研究也證明了相關區域在血氧 濃度的代謝反應與電生理方法所記錄到的神 經訊號一致。除了主要的痛覺傳導路徑之外， 本實驗在motor cortex及superior colliculus也觀 察到活化的現象。 從這些結果顯示了功能性影像之長處， 即在很短的時間內得知腦部各個位置或層級 對於某種特定感覺的反應區域。這個特點是電 理技術所無法提供的，這也印證了本計畫當初 之構想是深具價值。但是如前言所述，功能性 影像由於成像時間之限制，所以無法具有足夠 的時間解析度來觀察神經系統如何處理特定 的感覺信號，因此尚待電生埋記錄來彌補此項 功能，換句話說，藉由功能性影像之分析我們 得知了腦中那些負責福馬林所引起持續疼痛 的位置，而今後可針對這些位置之電生理反應 作功能性的驗証與判定。 在本計畫執行的過程中我們共發表了五 篇研討會論文，而期刊論文有一篇在審查中亦 有一篇正在撰寫中，預定在第二年的計畫結束 時會有更多的成果可以發表，並預計其後的一 年間可經由本計畫之支持而完成一份博士學 位之論文，在此十分感謝國科會之支持，使得 實驗得以順利進行。 本計畫之成果發表：

1. Jen-Yu Li, Jin-Kae Jang, Chien-Ya

Hung, Tsung Hsien Su,

Shih-Chiang Lee, Te-Son Kuo and

Fu-Shan Jaw, “Implementation of

a microprocessor-based system for

real-time monitoring of vital signs

and feedback control of depth of

anesthesia,” The Fourth IASTED

International Conference on

Biomedical Engineering (IASTED

BioMed), Innsbruck, Austria,

February 15–17, 2006.

2. Jen-Yu Li, Te-Son Kuo and

Fu-Shan Jaw, “Normalization of

the effect of sampling rate on the

computational complexity of

electroencephalograph for

evaluation of depth of anesthesia,”

The Fourth IASTED International

Conference on Biomedical

Engineering (IASTED BioMed),

Innsbruck, Austria, February 15–17,

2006.

3. Chien-ya Hung, Jen-Yu Li, Te-Son

Kuo, Fu-Shan Jaw, “Analyzing

effects of sodium pentobarbital on

hemodynamic responses by using a

graphic control system,” 27th IEEE

EMBS Annual International

Conference, Shanghai, China,

September 1-4, 2005.

4. P.-L. Lu, C.-P. Chen, F.-S. Jaw,

“Study of noxious responses in rat

medial thalamus,” Chinese

biomedical engineering society

annual meeting, December, 2005.

5. C.-P. Chen, P.-L.Lu, F.-S. Jaw,

“Investigating lateral thalamus of

rat with nociceptive stimuli,”

Chinese biomedical engineering

society annual meeting, December,

2005.

圖

1. 本實驗室所開發之數位影像處理圖形使用者介面

圖

2. FDG-microPET 影像之時間活性曲線，橫軸為時間，縱軸為相對活性。每組

影像造影

5 分鐘，共取 6 組。第 21 組影像開始造影時在左後跂給予福馬林痛覺

刺激。(a)到(d)分別為 primary somatosensory cortex、secondary somatosensory

cortex、medial thalamus 以及 anterior cingulated cortex。

1 2 3 4 5 6 3000 4000 5000 6000 7000 Time Frames Si gn al In te ns ity 1 2 3 4 5 6 4000 5000 6000 7000 Time Frames Si gn al In te ns ity 1 2 3 4 5 6 4000 5000 6000 7000

(a) (b)

8000 Time Frames S ign al I nt ens ity 1 2 3 4 5 6 5000 6000 7000 8000 9000 Time Frames S ign al I nt ens ity Stimulation Stimulation SII Cortex SI Cortex

(d)

(c)

Stimulation _Stimulation ACC medial Thalamus

5 10 15 20 25 30 35 40 5 10 15 20 25 30 0.9 0.95 1 1.05 1.1 1.15 1.2 1.25 1.3 1.35 1.4 5 10 15 20 25 30 35 40 5 10 15 20 25 30 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4

(a)

(b)

L

R

SI Cortex

5 10 15 20 25 30 35 40 5 10 15 20 25 30 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 5 10 15 20 25 30 35 40 5 10 15 20 25 30 _1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8

L

R

SI Cortex

(d)

(c)

圖

3. (a)將刺激後 10 分鐘之影像與未刺激之影像點對點相除並設定適當閾值去除

非腦部之區域。(b)相除之結果再刪去 95%訊號強度以下之值，以表示出變化最

明顯之區域。(c)、(d)將刺激後 20 分鐘之影像做相同之處理，發現反應更集中於

cortex 處。

圖

4. fMRI 影像之相關係數分析結果，(a)~(d)分別是位於 bregma -0.8 mm、-2.8

mm、-4.8 mm、-6.8mm 之冠狀切面。

Correlation Coefficient 0.96 +/-0.8 -0.99 Correlation Coefficient 0.97 +/-0.8 -0.94 Correlation Coefficient 0.96 +/-0.8 -0.94 Correlation Coefficient 0.97 +/-0.8 -0.98

(d)

(c)

(b)

(a)

圖

5. fMRI 影像之時間活性曲線，橫軸為時間，縱軸為訊號強度。每組影像造影

27 秒，共取 40 組。第 21 組影像開始造影時在左後跂給予福馬林痛覺刺激。(a)

到(h)分別為 primary somatosensory cortex、secondary somatosensory cortex、medial

dorsal thalamus、anterior cingulated cortex、periaqueductal gray、superior colliculus、

posterior thalamic nuclei group 以及 motor cortex。

5 10 15 20 25 30 35 40 1.4 1.45 1.5 1.55 1.6x 10 4 Time Frames Si gn al In te ns ity 5 10 15 20 25 30 35 40 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 0 4 x 1 Time Frames S ign al I nt ens ity 5 10 15 20 25 30 35 40 4000 4200 4400 4600 4800 5000 Time Frames S ig na l In te ns ity 5 10 15 20 25 30 35 40 1 1.1 1.2 1.3 1.4 0 4

(a)

(b)

x 1 Time Frames S ign al I nt ens ity 5 10 15 20 25 30 35 40 1.14 1.16 1.18 1.2 1.22 1.24x 10 4 Time Frames S ign al I nt ens ity 5 10 15 20 25 30 35 40 1.85 1.9 1.95 2 2.05 0 4 x 1 Time Frames S ign al I nt ens ity 5 10 15 20 25 30 35 40 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6x 10 4 Time Frames S ign al I nt ens ity

(c)

(d)

(e)

(f)

SI Cortex SII Cortex

MD Thalamus ACC PAG SC Stimulation Stimulation Stimulation Stimulation Stimulation Stimulation

(g)

Po Stimulation 5 10 15 20 25 30 35 40 8000 8200 8400 8600 8800 9000 Time Frames S ign al I nt ens ity

(h)

Stimulation MI&MII

(a)

Correlation Coefficient 0.96 +/-0.8 -0.95

(b)

_Dorsal

Ventral

VPL

(left side)

圖

6. (a)與大鼠腦圖譜做影像對位與融合之結果。(b)利用 MRI 影像與鼠腦圖譜分

別做出三維重建之結果，在校準後可提供更多三度空間之解剖資訊。

圖

7. 動態影像序列顯示 40 組 MR 影像。每張影像皆與未刺激前的二十張影像平

均值相減，時間序列依左至右、上至下。