研究人员使用功能性磁共振成像 (fMRI) 来研究麻醉人类、长尾猕猴、普通狨猴和大鼠大脑同步工作区域的精确空间分布。科学家们能够证明，在灵长类动物和啮齿动物中，爆发抑制明显的区域存在显着差异。
现代麻醉是最重要的医学成就之一。以前，患者在每次手术中都必须忍受地狱般的痛苦，而今天，麻醉可以实现完全无痛的手术。一个人什么都感觉不到，事后什么也记不起来。从对患者的脑电图 (EEG) 研究中已经知道，在麻醉期间，大脑会进入类似深度睡眠的状态，在这种状态下，有节奏的电活动时期与完全不活动的时期交替出现。这种状态称为突发抑制。到目前为止，尚不清楚这种状态究竟发生在大脑的哪个位置以及涉及哪些大脑区域。
然而，这个问题对于更好地理解这一现象以及大脑在麻醉下如何运作很重要。来自德国灵长类动物中心 (DPZ) - 哥廷根莱布尼茨灵长类动物研究所功能成像部门的研究人员使用功能性磁共振成像 (fMRI) 来研究麻醉人类长尾同步工作大脑区域的精确空间分布猕猴、普通狨猴和老鼠。他们首次能够证明，在灵长类动物和啮齿动物中，爆发抑制明显的区域存在显着差异。虽然大鼠大脑皮层的大部分同时显示爆发抑制模式，但灵长类动物的个别感觉区域，如视觉皮层，被排除在外。
“当我们醒着时，我们的大脑可以被认为是一个完整的足球场，”功能成像部门的科学家、该研究的主要作者 Nikoloz Sirmpilatze 解释说。“我们活跃的神经元就像数以万计的观众同时说话。然而，在麻醉下，神经元活动是同步的。你可以使用脑电图作为均匀波来测量这种活动，就好像体育场里的所有观众都在唱同一首歌一样. 在深度麻醉中，这首歌反复被静默期打断。这被称为爆发抑制。麻醉越深，均匀活动的阶段越短，爆发，周期性重复的非活动阶段越长，所以称为*压镇**。”
这种现象是由许多不同的麻醉剂引起的，其中一些麻醉剂的作用机制不同。在昏迷患者中也可以检测到爆发抑制。然而，尚不清楚这种情况是大脑的保护性反应还是功能受损的迹象。目前还不清楚大脑爆发抑制发生在哪里以及涉及哪些大脑区域，因为仅通过 EEG 进行定位是不可能的。
为了回答这个问题，Nikoloz Sirmpilatz 研究团队使用了 fMRI 的成像技术。该方法使大脑中的血流变化可见。大脑特定区域的神经元活动增加导致新陈代谢增加，随后该位置的血液和氧气供应增加，这最终可在 fMRI 图像中观察。
在研究的第一部分，研究人员建立了一个系统，使用相同的方法以标准化的方式评估人类、猴子和啮齿动物的 fMRI 数据。为此，他们使用了来自麻醉患者的同时测量的脑电图和功能磁共振成像数据，这些数据是在之前在慕尼黑工业大学进行的一项研究中产生的。“我们首先查看在脑电图中检测到的爆发抑制是否在 fMRI 数据中也可见，以及它是否显示出某种模式，”Nikoloz Sirmpilatze 说。“基于此，我们开发了一种新算法，允许使用 fMRI 检测实验动物的爆发抑制事件，而无需额外的 EEG 测量。”
然后，研究人员对麻醉的长尾猕猴、普通狨猴和大鼠进行了 fMRI 测量。在所有动物中，他们都能够检测并精确定位爆发抑制作为麻醉剂浓度的函数。爆发抑制的空间分布表明，在人类和猴子物种中，某些感觉区域，如视觉皮层，都被排除在外。相反，在大鼠中，整个大脑皮层都受到爆发抑制的影响。
“目前，我们只能推测原因，”因工作获得德国灵长类动物中心 2021 年博士论文奖的 Nikoloz Sirmpilatz 说。“灵长类动物主要通过视觉来定位自己。因此，视觉皮层是一个高度专业化的区域，与其他大脑区域的不同之处在于特殊的细胞类型和结构。在大鼠中，情况并非如此。在未来的研究中，我们将调查麻醉期间这些区域究竟发生了什么，最终了解为什么用 fMRI 无法检测到爆发抑制。”
功能成像部门负责人、该研究的资深作者 Susann Boretius 补充说：“这项研究不仅提出了一个问题，即啮齿动物在多大程度上适合人类大脑研究的许多领域，尤其是在麻醉方面，而且这些结果对神经科学和神经网络的一般进化也有很多影响。”