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                                                              English | 中文版 | 手機(jī)版 企業(yè)登錄 | 個(gè)人登錄 | 郵件訂閱
                                                              當(dāng)前位置 > 首頁(yè) > 技術(shù)文章 > 文獻(xiàn)解讀:超聲波破解鎮(zhèn)痛密碼探究阿片類(lèi)止痛藥如何“改造”大腦

                                                              文獻(xiàn)解讀:超聲波破解鎮(zhèn)痛密碼探究阿片類(lèi)止痛藥如何“改造”大腦

                                                              瀏覽次數(shù):141 發(fā)布日期:2025-4-17  來(lái)源:本站 僅供參考,謝絕轉(zhuǎn)載,否則責(zé)任自負(fù)
                                                              功能性超聲(functional ultrasound, fUS)技術(shù)是一種新型的腦功能成像技術(shù),其最關(guān)鍵的革新在于能夠方便地實(shí)現(xiàn)清醒活動(dòng)動(dòng)物的腦功能成像,突破了傳統(tǒng)技術(shù)的局限,為各種行為范式下的全腦功能檢測(cè)提供了新的可能性。此外,該技術(shù)具有更高的信噪比與時(shí)空分辨率,這些優(yōu)點(diǎn)使得基于fUS的藥理學(xué)檢測(cè)成為一種強(qiáng)大的研究手段。

                                                              我們往期的公眾號(hào)已經(jīng)介紹了fUS藥理學(xué)的很多相關(guān)內(nèi)容:
                                                              fUS腦功能成像技術(shù)在藥物研究中的應(yīng)用(點(diǎn)擊鏈接,查看內(nèi)容)
                                                              ◾ 在清醒動(dòng)物上用fUS技術(shù)開(kāi)展藥理學(xué)實(shí)驗(yàn)(點(diǎn)擊鏈接,查看內(nèi)容)

                                                              這次我們繼續(xù)介紹一篇采用fUS技術(shù)來(lái)研究神經(jīng)藥理的文章,文章標(biāo)題是“Opioid-Induced Inter-regional Dysconnectivity Correlates with Analgesia in Awake Mouse Brains”,來(lái)自法國(guó)國(guó)家健康與醫(yī)學(xué)研究院(INSERM)的Zsolt Lenkei教授和Andrea Kliewer教授團(tuán)隊(duì)。

                                                               
                                                              在這篇文章中作者提出的“功能連接指紋”這一概念,從這個(gè)角度可以更好地解讀fUS所提供的龐雜信息,相信能夠給未來(lái)藥理學(xué)的全腦功能研究提供新的啟迪。

                                                              研究背景
                                                              由于對(duì)藥物如何影響大腦功能的理解不足,難以開(kāi)發(fā)高效且低副作用的鎮(zhèn)痛藥和抗精神病藥。傳統(tǒng)功能磁共振成像(functional magnetic resonance imaging, fMRI)雖能通過(guò)血氧信號(hào)間接反映腦活動(dòng)與功能連接(functional connectivity, FC),但需麻醉動(dòng)物,而麻醉劑(如美托咪定)會(huì)干擾皮質(zhì)-丘腦連接,影響鎮(zhèn)痛研究。
                                                              為此,研究者引入fUS技術(shù),其具備亞秒級(jí)時(shí)間分辨率和100微米空間分辨率,可在清醒小鼠中無(wú)創(chuàng)監(jiān)測(cè)腦血流(cerebral blood volume, CBV)和FC。研究以μ-阿片受體(mu-opioid receptor, MOP)激動(dòng)劑(嗎啡、芬太尼等)為模型,通過(guò)單冠狀腦片高靈敏度成像,發(fā)現(xiàn)阿片類(lèi)藥物能夠顯著引發(fā)新皮層-海馬-丘腦網(wǎng)絡(luò)功能連接重組(劑量與時(shí)間依賴(lài)性),且這種“功能連接指紋”與鎮(zhèn)痛效果及MOP激活同步,但與呼吸抑制等副作用無(wú)關(guān)。慢性用藥后,功能連接變化與鎮(zhèn)痛耐受一致。研究結(jié)合行為學(xué)(運(yùn)動(dòng)、鎮(zhèn)痛)和分子指標(biāo)(MOP磷酸化),驗(yàn)證了功能連接作為藥效標(biāo)志物的可靠性,為開(kāi)發(fā)精準(zhǔn)神經(jīng)精神藥物提供了新策略。

                                                              研究結(jié)果
                                                              清醒小鼠中嗎啡的藥理fUS特征

                                                              為了研究阿片類(lèi)藥物對(duì)大腦功能的影響,作者利用fUS在清醒未處理顱骨小鼠上進(jìn)行腦功能成像,這一工作在ICONEUS fUS成像系統(tǒng)氣浮籠上完成,后者為頭部固定的小鼠提供易于適應(yīng)的活動(dòng)空間和穩(wěn)定的成像效果,最大程度地保證清醒小鼠fUS的實(shí)驗(yàn)效果。

                                                              在給藥前,記錄20分鐘作為基線,注射藥物后記錄60分鐘觀察藥物作用,基線和給藥后的時(shí)間都以10分鐘來(lái)劃分區(qū)段,BP1-2為兩個(gè)給藥前時(shí)間段,SP1-6是給藥后的6個(gè)時(shí)間段。對(duì)記錄到的信號(hào)進(jìn)行經(jīng)典的功能連接分析,這一方法在fMRI中被廣泛采用,檢測(cè)的是腦區(qū)之間自發(fā)波動(dòng)的相關(guān)性強(qiáng)弱,這一指標(biāo)和大腦的功能狀態(tài)密切相關(guān),在藥理學(xué)研究中,給藥前后的功能連接變化可以反應(yīng)藥物對(duì)大腦功能狀態(tài)的改變。

                                                               
                                                               
                                                              圖1. 清醒動(dòng)物中的藥理fUS方法和嗎啡的檢測(cè)結(jié)果。(A-C)
                                                               
                                                               
                                                              圖1. 清醒動(dòng)物中的藥理fUS方法和嗎啡的檢測(cè)結(jié)果。(D-H) 
                                                               
                                                               
                                                              圖1. 清醒動(dòng)物中的藥理fUS方法和嗎啡的檢測(cè)結(jié)果。(I) ROI功能連接相關(guān)性/顯著性矩陣。方框標(biāo)注四個(gè)元區(qū)域(皮層、海馬、丘腦和下丘腦)。左下三角顯示(藍(lán)色-紅色)給藥后平均相關(guān)性矩陣,右上三角展示(綠色-紫色)顯著性差異的ROI對(duì)的功能連接改變量。(J) 顯著性相關(guān)圖展示矩陣中顯著變化部分:節(jié)點(diǎn)編碼各ROI的全局連接性,綠色-紫色邊表示相關(guān)性顯著變化的邊。

                                                               
                                                              圖1. 清醒動(dòng)物中的藥理fUS方法和嗎啡的檢測(cè)結(jié)果。(K) 幾個(gè)特征性腦區(qū)的seedmap分析圖。上行(藍(lán)色-紅色)代表給藥后各腦區(qū)平均的seedmap功能連接,下行(綠色-紫色)代表seedmap上有顯著性差異的位置的功能連接變化量。

                                                              功能連接的分析通常有兩種不同的方式,一種為matrix分析(圖1. I J),一種為seed map分析(圖1. K),前者反應(yīng)成像范圍中所有目標(biāo)腦區(qū)兩兩間的相關(guān)性,后者反應(yīng)一個(gè)特定腦區(qū)與圖像中其它部分之間的相關(guān)性強(qiáng)弱。 

                                                              接下來(lái),作者首先對(duì)代表性的阿片類(lèi)止痛藥物嗎啡做了藥理fUS檢測(cè)。在圖1中我們可以清楚地看到,在注射后40分鐘,皮層-皮層區(qū)域和海馬-丘腦之間的功能連接增強(qiáng),而皮層與皮下結(jié)構(gòu)之間的功能連接則減少(圖1. I J K)。

                                                               
                                                               
                                                              圖2. 嗎啡功能連接(FC)特征的劑量與時(shí)間依賴(lài)性。
                                                               
                                                              隨后,作者進(jìn)一步檢測(cè)了不同劑量和不同時(shí)間點(diǎn)嗎啡引起的功能連接改變。圖2中我們可以看到,注射生理鹽水對(duì)各時(shí)間點(diǎn)(給藥前BP1-2,給藥后SP1-6)的功能連接沒(méi)有影響。相比之下,隨著嗎啡劑量的增加,功能連接變化出現(xiàn)得更早,可能反映出更早達(dá)到MOP占據(jù)的關(guān)鍵水平,而較高劑量導(dǎo)致更強(qiáng)的FC變化。

                                                              這些結(jié)果表明,在清醒小鼠大腦中,嗎啡顯著重塑了區(qū)域內(nèi)和區(qū)域間的功能連接模式,其主要特征為皮層與皮下結(jié)構(gòu)之間出現(xiàn)負(fù)相關(guān)。
                                                               
                                                              多種阿片類(lèi)藥物的功能連接指紋特征
                                                              在這里作者提到了一個(gè)重要的概念:功能連接指紋特征(FC fingerprints),有助于我們更好地理解藥理fUS的結(jié)果。從嗎啡的檢測(cè)結(jié)果可以看到,fUS提供的是大范圍多腦區(qū)的功能連接檢測(cè)結(jié)果,其中包含的信息量巨大,我應(yīng)該如何解讀這樣的結(jié)果?在這里,作者將藥物引起的大量腦區(qū)的功能連接改變作為一個(gè)整體來(lái)考察,不同藥物的作用可以看作一個(gè)獨(dú)特的功能連接指紋,不同指紋在模式上的異同可以反應(yīng)藥物效應(yīng)的差異性和近似性。

                                                              因此,作者檢測(cè)了多種不同的阿片類(lèi)藥物,包括芬太尼、甲苯咪唑和丁丙諾啡,得到了不同藥物的功能連接指紋。

                                                               
                                                               
                                                              圖3. 不同阿片類(lèi)藥物對(duì)功能連接影響的特征
                                                               
                                                              圖3結(jié)果顯示,類(lèi)似于嗎啡,芬太尼劑量升高引發(fā)的功能連接變化更早更顯著,呈現(xiàn)出與嗎啡相似的腦區(qū)間功能失連模式。甲苯咪唑(完全激動(dòng)劑)也表現(xiàn)出類(lèi)似模式,而丁丙諾啡(部分激動(dòng)劑)雖有類(lèi)似模式但強(qiáng)度較弱,這一結(jié)果整體表明功能連接模式的變化強(qiáng)度與MOP激動(dòng)劑的效能密切相關(guān)。
                                                               
                                                               
                                                              圖4. 阿片類(lèi)受體耐受情況中的功能連接指紋特征
                                                               
                                                              阿片類(lèi)藥物的行為效應(yīng)(如鎮(zhèn)痛、欣快和鎮(zhèn)靜)在重復(fù)給藥后會(huì)產(chǎn)生耐受性。因此,患者或藥物使用者需要更高劑量才能獲得相同效果,這也帶來(lái)了呼吸抑制、便秘、成癮和過(guò)量等副作用風(fēng)險(xiǎn)的增加。作者希望研究嗎啡和芬太尼誘導(dǎo)的FC變化是否也表現(xiàn)出耐受性特征。為此,作者使用植入的滲透泵對(duì)小鼠進(jìn)行為期一周的慢性嗎啡或芬太尼給藥處理,結(jié)果顯示鎮(zhèn)痛效應(yīng)已顯著減弱。值得注意的是,該方案在單次注射后所引起的功能連接顯著變化也減少了,表明與未慢性處理動(dòng)物相比,其響應(yīng)減弱(圖4)。

                                                              這些結(jié)果顯示,主要的阿片類(lèi)藥物會(huì)引發(fā)一種高度一致的功能失連模式,作者稱(chēng)之為阿片指紋”(opioid fingerprint),藥物耐受的實(shí)驗(yàn)更強(qiáng)有力地支持了阿片類(lèi)藥物誘導(dǎo)的、MOP特異性的功能連接指紋在功能上的重要性,也進(jìn)一步突顯其在響應(yīng)不同MOP作用配體中的意義。

                                                              功能連接指紋與腦血容量、行為和MOP激活水平的相關(guān)性
                                                              除了前文提到用fUS來(lái)檢測(cè)給藥前后功能連接的改變,藥理學(xué)fUS另一個(gè)常用的方式是直接檢測(cè)藥物引起的各腦區(qū)灌注(CBV)的改變。清醒小鼠上的檢測(cè)發(fā)現(xiàn),注射嗎啡或芬太尼(但非生理鹽水)后的CBV變化表現(xiàn)為典型的先期區(qū)域性高灌注,隨后是較長(zhǎng)時(shí)間的低灌注,其振幅和動(dòng)態(tài)與劑量和MOP激動(dòng)劑效能密切相關(guān)(圖5. A)。

                                                               
                                                               
                                                              圖5. 嗎啡誘導(dǎo)的功能連接(FC)變化與灌注、MOP激活和行為的相關(guān)性。
                                                               
                                                              接下來(lái),作者希望進(jìn)一步理解之前發(fā)現(xiàn)的MOP特異性FC變化與腦灌注改變及阿片類(lèi)藥物誘導(dǎo)的行為之間的關(guān)系。分析結(jié)果顯示,各腦區(qū)CBV的改變與動(dòng)物注射阿片類(lèi)藥物短時(shí)間內(nèi)活動(dòng)的增加相關(guān),但也并非完全由活動(dòng)增加引起,而藥物引起的呼吸抑制(阿片類(lèi)藥物重要的臨床副作用)也與CBV變化在時(shí)間上相關(guān)。值得強(qiáng)調(diào)的是,這些血管和行為事件在時(shí)間上與FC變化的相關(guān)性較低,雖然運(yùn)動(dòng)、呼吸和CBV的變化快速且同步,但嗎啡誘導(dǎo)的功能連接重組相對(duì)較慢(圖5. A B)。

                                                              為驗(yàn)證這些觀察結(jié)果,作者對(duì)70 mg/kg 嗎啡實(shí)驗(yàn)中除呼吸抑制外的所有生理指標(biāo)進(jìn)行了PCA分析(圖6C-E)。結(jié)果顯示,僅兩個(gè)主成分即可解釋大部分變量變化:第一個(gè)主成分(PC1)與FC指數(shù)、鎮(zhèn)痛和MOP磷酸化高度相關(guān);第二個(gè)主成分(PC2)與運(yùn)動(dòng)和CBV最相關(guān)(圖5D)。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:阿片類(lèi)藥物引起的FC變化具有重要藥理學(xué)意義,因?yàn)樗鼈兪荕OP特異性的,體現(xiàn)了時(shí)間依賴(lài)性、劑量依賴(lài)性以及耐受性的發(fā)展。更重要的是,與局部灌注變化不同,FC的改變與鎮(zhèn)痛效應(yīng)這一臨床重要行為輸出高度相關(guān),而與呼吸抑制這一嚴(yán)重副作用無(wú)明顯相關(guān)。

                                                              總結(jié)
                                                              這篇工作給我們提供了一個(gè)非常好的實(shí)例,如何利用fUS來(lái)進(jìn)行神經(jīng)藥理學(xué)的研究
                                                              1. fUS非常適合在清醒活動(dòng)的動(dòng)物上進(jìn)行大范圍的腦功能檢測(cè),并且具有極佳的敏感性和時(shí)空分辨率,并且可以透過(guò)顱骨成像,非侵入性地進(jìn)行成像,是小動(dòng)物藥理學(xué)研究中一個(gè)非常重要的新工具。
                                                              2. 功能連接指紋:由于fUS能供提供大量腦區(qū)的巨量信息,因此我們可以從“功能指紋”的角度理解這些信息。在這篇文章中,作者發(fā)現(xiàn)多種阿片類(lèi)藥物引起的功能連接改變具有高度的一致性,這種共有的變化模式被作者稱(chēng)為“阿片指紋”,進(jìn)一步的研究表明這種阿片指紋由MOP介導(dǎo),并與鎮(zhèn)痛效果高度相關(guān)。因此這種“指紋”可以作為一種關(guān)鍵性的biomarker,用于鎮(zhèn)痛藥物的開(kāi)發(fā)與評(píng)估。
                                                              3. 藥理學(xué)fUS可以提供兩種不同的檢測(cè)方式:
                                                              a) 功能連接,即檢測(cè)給藥前后不同時(shí)間段的多腦區(qū)功能連接改變
                                                              b) 局部腦灌注,即給藥前后各腦區(qū)CBV的改變
                                                              在這篇工作中,通過(guò)與分子學(xué),行為學(xué)的相關(guān)檢測(cè)數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn),FC改變與鎮(zhèn)痛效果高度相關(guān),而與活動(dòng)的增多無(wú)關(guān);而CBV的快速改變則與給藥后動(dòng)物活動(dòng)的增加有高相關(guān)性,但也有部分CBV的改變并非由動(dòng)物的活動(dòng)增加引起,提示可能與神經(jīng)活動(dòng)的增加有關(guān)。
                                                               
                                                              參考文獻(xiàn)
                                                              英文原文鏈接:https://doi.org/10.1101/2024.07.30.604249

                                                              歡迎廣大師生來(lái)禮智體驗(yàn)fUS技術(shù)
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                                                              禮智生物科技是ICONEUS在中國(guó)的獨(dú)家授權(quán)經(jīng)銷(xiāo)商,積累了豐富的fUS及ULM技術(shù)的手術(shù)、實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析經(jīng)驗(yàn),歡迎廣大師生攜動(dòng)物來(lái)禮智神經(jīng)影像中心體驗(yàn)fUS技術(shù)�。�(lián)系方式見(jiàn)文末)

                                                               
                                                               
                                                               
                                                              禮智生物介紹
                                                              禮智生物科技有限公司成立于2011年,是神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域專(zhuān)業(yè)的科研儀器及技術(shù)服務(wù)供應(yīng)商,在香港、上海、北京、廣州、南京、沈陽(yáng)等地均設(shè)有分公司。
                                                              公司擁有獨(dú)家代理的和自研開(kāi)發(fā)的多款神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域前沿高科技產(chǎn)品
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                                                              • 唯一可構(gòu)建體外AI的單細(xì)胞分辨率MEA細(xì)胞電生理成像
                                                              • 家喻戶(hù)曉的Neuropixels數(shù)字神經(jīng)電極在體多通道電生理
                                                              • 大空間、快掃描、可結(jié)合電生理記錄的雙光子顯微鏡
                                                              • 無(wú)線光遺傳、無(wú)線光纖記錄、無(wú)線在體多通道、無(wú)線EEG等多款特色無(wú)線記錄系統(tǒng)
                                                              • 多色多通道光纖記錄、Miniscope、雙色大視野熒光顯微鏡等多款在體鈣成像系統(tǒng)
                                                              • 超高性?xún)r(jià)比的在體多通道電生理系統(tǒng)及配套電極
                                                              • 在體化學(xué)物質(zhì)及神經(jīng)遞質(zhì)實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)
                                                              • 全自動(dòng)腦片膜片鉗、迷你膜片鉗、人工脂雙層等電生理系統(tǒng)
                                                              • 軟、硬組織透明化、光片顯微鏡
                                                              • 氣浮籠、隔音箱、任務(wù)訓(xùn)練等行為學(xué)設(shè)備
                                                              • 桌面式及大空間PET/CT系統(tǒng)
                                                              • 人工授精及胚胎自動(dòng)注射系統(tǒng)
                                                              • 立體定位儀、麻醉機(jī)、自動(dòng)化顱骨開(kāi)窗等小動(dòng)物手術(shù)設(shè)備
                                                              聯(lián)系我們
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