馮 勇 張金峰

天津市第四中心醫(yī)院耳鼻咽喉頭頸外科 天津 300140

人類的嗅覺系統(tǒng)是與氣味特性有關(guān)的感覺系統(tǒng)，在穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)和情緒方面嗅覺也起著重要的作用，嗅覺記憶是最古老的記憶，伴隨終生[1]。嗅覺障礙臨床較常見，約20%的人群嗅覺靈敏度下降，約5%的人嗅覺缺失[2]。已知人類嗅覺系統(tǒng)容易受到許多神經(jīng)性、精神性疾病的影響，例如帕金森病(Parkinson disease，PD)、阿爾茨海默病阿爾茨海默病(Alzheimer disease，AD)、多發(fā)性硬化癥(multiple sclerosis，MS)、焦慮抑郁和精神分裂癥等，因此，嗅覺障礙的評(píng)估受到越來(lái)越多的關(guān)注。目前，對(duì)嗅覺障礙機(jī)制的研究仍處于初級(jí)階段，各種客觀檢查均其有局限性。近年來(lái)具有血氧水平依賴(BOLD)對(duì)比度的功能磁共振成像(fMRI)技術(shù)因其無(wú)創(chuàng)性、相對(duì)高的時(shí)空分辨率、可顯示腦內(nèi)特定功能區(qū)的狀態(tài)而在嗅覺腦科學(xué)研究領(lǐng)域取得迅速發(fā)展。

1 嗅覺系統(tǒng)及功能評(píng)價(jià)

1.1嗅覺神經(jīng)傳導(dǎo)通路 嗅腦是與嗅覺纖維有直接聯(lián)系的腦部，在進(jìn)化過(guò)程中相當(dāng)于舊皮質(zhì)的部分。嗅覺是人體一種基本感覺，在識(shí)別有毒氣味、影響食欲和情緒、警覺危險(xiǎn)情況等方面影響人們的生活；其產(chǎn)生十分復(fù)雜，依賴嗅神經(jīng)、三叉神經(jīng)和舌咽神經(jīng)等多組腦神經(jīng)傳送，而且還可能受到生理及社會(huì)、心理等多方面影響。鼻腔通過(guò)嗅神經(jīng)傳遞嗅覺信息，同時(shí)由三叉神經(jīng)負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)感覺冷熱等刺激信息；而進(jìn)食則由嗅覺和味覺神經(jīng)共同調(diào)節(jié)完成[3]。嗅覺自下而上的途徑是指通過(guò)嗅覺信息從感受器到嗅球再到大腦皮層區(qū)域的流動(dòng)來(lái)感知?dú)馕?。嗅球是嗅覺的低級(jí)中樞，在皮層水平上，氣味信息首先在初級(jí)嗅覺區(qū)(primary olfactory cortex，POC)進(jìn)行處理，包括梨狀皮層、內(nèi)嗅皮層和杏仁核。此后，嗅覺信息在二級(jí)和三級(jí)嗅覺區(qū)進(jìn)行處理，包括眶額皮層、島葉、前扣帶皮層、紋狀體區(qū)、丘腦、顳上回和海馬[4]；嗅覺自上而下路線的神經(jīng)基礎(chǔ)已經(jīng)用腦成像技術(shù)進(jìn)行了研究，例如閱讀具有強(qiáng)烈嗅覺關(guān)聯(lián)的單詞已被證明可誘發(fā)腦區(qū)嗅覺活動(dòng)[5]。嗅覺傳導(dǎo)通路與各個(gè)中樞系統(tǒng)的明確聯(lián)系尚未完全明確，但目前fMRI為研究嗅覺通路提供了可行的重要手段。

1.2嗅覺功能評(píng)估 嗅覺障礙越來(lái)越受到人們的重視，隨著研究的不斷深入，嗅覺功能的臨床評(píng)價(jià)成為必需。目前嗅覺的主觀檢測(cè)常分為主觀評(píng)估和心理物理測(cè)試，而客觀檢查方法常見的有事件相關(guān)電位(event-related potentials，ERPs)的電生理學(xué)檢測(cè)和嗅覺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)MRI、嗅覺腦功能磁共振成像和正電子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層顯像(PET-CT)等影像學(xué)手段[6]。由于主觀檢測(cè)受多種因素影響，其結(jié)果受到一定影響；而客觀檢查中嗅覺腦功能成像由于其無(wú)創(chuàng)性、高時(shí)空分辨率成為目前研究的熱點(diǎn)。

2 嗅覺腦功能磁共振成像的發(fā)展、局限及前景

2.1發(fā)展史 在1990年由Ogawa等提出應(yīng)用梯度平面回波成像技術(shù)(EPI)，利用其對(duì)BOLD相關(guān)磁化率差別的高度的敏感性，在活體實(shí)現(xiàn)對(duì)全腦微血流圖像的采集。從而同時(shí)獲取解剖和功能雙方面的影像信息[7]。在1994年，嗅覺腦功能磁成像正式開展，應(yīng)用人工氣味作為嗅素，刺激嗅覺，進(jìn)行磁共振掃描成像，分析成像后的體素激活數(shù)量進(jìn)行對(duì)比，來(lái)分析嗅覺中樞激活情況[8]。隨著研究的深入，嗅覺腦功能磁共振成像已經(jīng)從正常人群嗅覺分析發(fā)展到對(duì)先天性疾病、精神及神經(jīng)系統(tǒng)疾病的診斷探索，逐漸積累對(duì)嗅覺相關(guān)疾病的早期診斷及預(yù)防的數(shù)據(jù)[9]。

2.2局限 在腦組織中的某些特定區(qū)域，尤其是兩種具有不同磁敏性組織的交界層面，易造成信號(hào)缺失、圖像扭曲、信噪比(SNR)下降。而由于處于額葉、顳葉底部，臨近顱骨及含氣間隙等因素，致使嗅球、嗅束乃至嗅覺相關(guān)皮層等在磁共振的EPI序列中常有明顯的偽影，而影響檢測(cè)結(jié)果[10]。人類易出現(xiàn)嗅覺適應(yīng)，且個(gè)體之間差異較大，記憶、情緒等影響因素較多，可能導(dǎo)致腦局部血氧含量增加而誤認(rèn)為是激活區(qū)。比如在受試者吸氣時(shí)開始給予氣味刺激和隨機(jī)給予氣味刺激，其結(jié)果并不一致[11]，可見不同的嗅覺刺激模式會(huì)影響嗅覺fMRI結(jié)果的正確分析。另外根據(jù)BOLD效應(yīng)的fMRI主要反映腦皮質(zhì)情況，對(duì)于腦白質(zhì)情況的反映有限。

2.3前景 隨著電子程控系統(tǒng)發(fā)展，與磁共振兼容的嗅覺刺激儀出現(xiàn)，并且嗅覺刺激精確到毫秒級(jí)別，提升了嗅覺刺激精度[12]。臨床及實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用的磁共振機(jī)也由0.5T發(fā)展到3.0T、7.0T[13]。磁共振機(jī)器的進(jìn)步及嗅覺刺激儀不斷改進(jìn)，使得嗅覺腦功能成像的氣味刺激更加精準(zhǔn)，成像信噪比大大提高，在分析嗅覺中樞激活區(qū)域時(shí)，顯得更加準(zhǔn)確。目前嗅覺腦功能磁共振成像系統(tǒng)，從分析獨(dú)立的嗅覺中樞到整個(gè)嗅覺中樞網(wǎng)絡(luò)化，動(dòng)態(tài)化過(guò)程遠(yuǎn)未實(shí)現(xiàn)[14]。其中原因之一是現(xiàn)有嗅覺刺激儀與磁共振成像系統(tǒng)精準(zhǔn)匹配，是難點(diǎn)之一。進(jìn)一步展望，實(shí)現(xiàn)嗅覺刺激與嗅覺功能成像及體素激活同時(shí)出現(xiàn)，呈現(xiàn)腦激活體素實(shí)現(xiàn)其按時(shí)間順序進(jìn)行腦激活網(wǎng)絡(luò)分析，嗅覺腦功能成像就可以建立嗅覺腦功能圖譜。

3 不同人群嗅覺腦fMRI應(yīng)用

3.1正常人嗅覺腦fMRI fMRI提供了一種非侵入性的嗅覺客觀評(píng)估方法，有研究顯示嗅覺中樞在皮層水平上具有多個(gè)區(qū)位激活、彌散分布的特點(diǎn)，如包括初級(jí)嗅覺區(qū)(POC)的梨狀皮質(zhì)、內(nèi)嗅皮質(zhì)和杏仁核以及次級(jí)嗅覺區(qū)域如眶額皮質(zhì)(OFC)、腦島、前扣帶回皮質(zhì)(ACC)、紋狀體區(qū)域、丘腦、顳上回和海馬[15]。最近有研究者提出嗅覺進(jìn)化來(lái)幫助導(dǎo)航，與這一假設(shè)一致，嗅覺識(shí)別和空間記憶力可能存在關(guān)聯(lián)，與其共同受到重疊的大腦區(qū)域的控制有關(guān)，包括眶額皮質(zhì)和海馬。不過(guò)，這些證據(jù)尚未得到直接驗(yàn)證。對(duì)人類嗅覺識(shí)別與空間記憶共變性的探索展現(xiàn)了嗅覺腦功能磁共振成像廣闊應(yīng)用空間[16]。同時(shí)也有研究顯示基于氣味誘導(dǎo)的嗅覺腦功能區(qū)的激活，雖然嗅覺正常與嗅覺障礙組間相比，正常組的初級(jí)嗅區(qū)和島葉皮質(zhì)的激活程度更強(qiáng)；但個(gè)體功能磁共振參數(shù)與心理物理測(cè)試得分之間并無(wú)關(guān)聯(lián)，且存在較大的個(gè)體差異，無(wú)法根據(jù)其來(lái)自初級(jí)嗅覺區(qū)、眶額皮質(zhì)或島葉皮質(zhì)的BOLD信號(hào)與正常組進(jìn)行區(qū)分，所以為個(gè)體受試者研發(fā)功能磁共振生物標(biāo)記物是將來(lái)需要面對(duì)的問(wèn)題[17]。我們未來(lái)的嗅覺腦功能研究可以從簡(jiǎn)單的相關(guān)性轉(zhuǎn)向疾病預(yù)測(cè)，隨著更高分辨率成像技術(shù)的進(jìn)步，可以通過(guò)規(guī)范性的大樣本統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，精確嗅覺加工的大腦結(jié)構(gòu)功能區(qū)位置，以便為個(gè)性化治療提供更好的基礎(chǔ)。

3.2神經(jīng)疾病領(lǐng)域應(yīng)用

3.2.1PD PD是一種神經(jīng)退行性疾病，發(fā)病廣泛，其中70%～90%的患者可能存在嗅覺障礙。嗅覺損害通常早于運(yùn)動(dòng)癥狀，被認(rèn)為是PD前驅(qū)臨床表現(xiàn)，但對(duì)前驅(qū)期嗅覺障礙的神經(jīng)基礎(chǔ)知之甚少[18]。有靜息態(tài)fMRI研究顯示包含部分嗅覺中樞的前額葉皮質(zhì)激活區(qū)域ReHo值PD組較正常組明顯降低，出現(xiàn)多模態(tài)感覺信息的整合異常，導(dǎo)致PD患者出現(xiàn)失嗅、情緒抑郁及癡呆等。PD患者同時(shí)存在激活增高的腦區(qū)如海馬旁回及梭狀回，它們屬于與嗅覺、調(diào)節(jié)內(nèi)臟活動(dòng)及情緒相關(guān)的邊緣系統(tǒng)，并且與邊緣系統(tǒng)內(nèi)的嗅覺中心毗鄰，其ReHo值 增強(qiáng)考慮與嗅覺障礙后鄰近腦區(qū)代償反應(yīng)有關(guān)[19]?？梢娡ㄟ^(guò)fMRI分析能夠發(fā)現(xiàn)PD患者腦神經(jīng)活動(dòng)的早期改變，對(duì)于早期預(yù)防、評(píng)估及機(jī)制發(fā)展研究有重要價(jià)值。

3.2.2AD 隨著人口老齡化嚴(yán)重，AD的發(fā)病率顯著增加。新近研究顯示主觀認(rèn)知下降(subjective cognitive decline，SCD)可能成為AD的最早期階段表現(xiàn)，嗅覺障礙可能早于認(rèn)知和記憶功能障礙，而被視為SCD向AD轉(zhuǎn)歸的重要標(biāo)記物。目前POC區(qū)的fMRI逐漸成為研究的熱點(diǎn)，POC是由雙側(cè)梨狀皮層及杏仁核等組成的重要嗅覺中樞，影響氣味的察覺、辨別和氣味導(dǎo)致的情感反應(yīng)。除嗅覺高級(jí)中樞之外，嗅覺的傳入纖維經(jīng)嗅球、嗅束至POC，某些病理改變導(dǎo)致該區(qū)的神經(jīng)元代謝水平降低，從而出現(xiàn)嗅覺障礙。SCD患者與健康組最主要的差異位于雙側(cè)POC的激活顯著降低。POC的激活程度和功能連接以及嗅覺閾值與記憶、執(zhí)行和語(yǔ)言認(rèn)知相關(guān)，可能作為一種AD高風(fēng)險(xiǎn)的早期診斷標(biāo)志物[20]。Vasavada 等通過(guò)fMRI研究發(fā)現(xiàn)MCI 組與 AD 組相似，POC區(qū)和海馬的嗅覺激活容積明顯大幅度下降。在 MCI階段，較行為學(xué)測(cè)試，容積測(cè)量下降表現(xiàn)的更顯著，說(shuō)明嗅覺 fMRI可以提供更早、更敏感的證據(jù)[21]。

3.2.3MS MS是一種慢性炎癥性疾病，可通過(guò)中樞神經(jīng)脫髓鞘導(dǎo)致身體致殘。目前能夠預(yù)測(cè)MS進(jìn)展的功能性標(biāo)記物仍然缺乏，有組織病理學(xué)研究表明，大約70%的MS研究是針對(duì)大腦中嗅覺和嗅球脫髓鞘，研究還表明，嗅覺功能障礙與額葉和顳葉腦區(qū)MS相關(guān)斑塊的數(shù)量和活動(dòng)有關(guān)，嗅覺功能障礙可能是MS的早期癥狀[22]。fMRI可幫助我們前瞻性地跟蹤MS患者嗅覺功能的不同質(zhì)量，并將這些指標(biāo)與臨床數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)，以調(diào)查其與病程的關(guān)系。近期一項(xiàng)fMRI研究顯示MS患者與對(duì)照組相比，激活腦區(qū)不僅數(shù)量上減少，而且激活區(qū)域的活化體素及激活強(qiáng)度減弱。[23]。但具體各腦區(qū)間的激活差異所涉及的病理生理機(jī)制及臨床改變，值得進(jìn)一步聯(lián)合嗅覺事件相關(guān)電位、結(jié)構(gòu)影像、生化免疫標(biāo)記等進(jìn)一步探索。

3.3其他 嗅覺腦功能成像對(duì)于精神疾病、鼻腔鼻竇疾患及腫瘤等，同樣有重要價(jià)值，在認(rèn)知領(lǐng)域及其嗅覺相關(guān)疾病的診斷中將發(fā)揮越來(lái)越重要作用。

4 嗅覺腦fMRI的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ郊皢?wèn)題

4.1靜息態(tài)設(shè)計(jì) 靜息態(tài) fMRI不需要給予特殊的任務(wù)指令，應(yīng)用相對(duì)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及相關(guān)設(shè)備來(lái)記錄大腦的運(yùn)行機(jī)制。不僅無(wú)創(chuàng)實(shí)用，還可以避免由于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)或執(zhí)行情況差異對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可靠性的影響。目前，低頻振幅(ALFF)、比率低頻振幅(fALFF)、局部一致性、功能連接、有向連接等能夠反映靜息狀態(tài)下腦自發(fā)性神經(jīng)元活動(dòng)，已經(jīng)成為多種疾病的病理狀態(tài)下腦功能改變研究的主要成像方法。

4.2任務(wù)依賴設(shè)計(jì) 常見的設(shè)計(jì)方法有：組塊實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，其特點(diǎn)是嗅覺刺激穩(wěn)定，容易鋪?zhàn)降叫嵊X刺激腦激活信號(hào)，目前臨床應(yīng)用較多，但是精確度差，不能形成良好的時(shí)間-空間-激活區(qū)域設(shè)計(jì)，對(duì)嗅覺腦功能區(qū)網(wǎng)絡(luò)形成分析不利。另外事件相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是用單個(gè)刺激形成控制的最小單元，實(shí)驗(yàn)刺激時(shí)間、種類、順序的變化，這些組合形成了事件相關(guān)模式設(shè)計(jì)的多樣性。如把組塊設(shè)計(jì)與事件相關(guān)設(shè)計(jì)聯(lián)合應(yīng)用，則有利于實(shí)驗(yàn)中腦激活區(qū)的獲得，又有利于實(shí)現(xiàn)腦空間、網(wǎng)絡(luò)、時(shí)間的實(shí)現(xiàn)，這是發(fā)展方向之一。

4.3嗅覺刺激模式存在的問(wèn)題 嗅覺刺激引起的嗅覺神經(jīng)元活動(dòng)所形成的血流改變，起效迅速，但持續(xù)時(shí)間極短。目前我們?cè)谘芯考芭R床應(yīng)用fMRI時(shí)經(jīng)常遇到兩個(gè)阻礙：BOLD信號(hào)的快速適應(yīng)和呼吸的可變調(diào)節(jié)。人類的嗅覺容易出現(xiàn)嗅覺適應(yīng)，當(dāng)暴露在氣味中一段時(shí)間后習(xí)慣了這種氣味。應(yīng)用中我們發(fā)現(xiàn)初級(jí)嗅覺皮層中最初的顯著BOLD信號(hào)僅在氣味開始后持續(xù)幾秒鐘，因此應(yīng)避免在短時(shí)間內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間或頻繁的氣味刺激，以減少習(xí)慣化效應(yīng)。第二個(gè)阻礙是受試者呼吸模式的可變性，刺激時(shí)間與呼吸時(shí)相是否同步，呼吸的幅度和頻率的不同都會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的生理改變，影響腦血流量和血氧含量的變化，導(dǎo)致BOLD信號(hào)變化[24]。但嗅覺刺激如采用呼吸觸發(fā)模式需要更久的掃描時(shí)間，且部分受試者會(huì)由于呼吸觸發(fā)不敏感而無(wú)法完成嗅覺fMRI檢查，我們目前經(jīng)驗(yàn)還是經(jīng)常選用定時(shí)模式。但隨著具有實(shí)時(shí)控制能力的多模態(tài)MR兼容嗅覺儀的出現(xiàn)，這些問(wèn)題會(huì)得到改善[25]。嗅覺腦功能磁共振成像的另一個(gè)重要考慮因素是氣味的選擇。各種實(shí)驗(yàn)條件或疾病下，找到與感知強(qiáng)度相關(guān)的合適氣味濃度對(duì)于量化和比較大腦中的激活水平非常重要。氣味劑的選擇還必須考慮氣味的效價(jià)或愉快度。同時(shí)應(yīng)盡量減少三叉神經(jīng)刺激，以減少與嗅覺沒(méi)有直接關(guān)系的激活。

5 嗅覺fMRI展望

嗅覺腦fMRI的快速發(fā)展使得嗅覺影像學(xué)檢查不僅僅局限于對(duì)組織解剖、病理等形態(tài)學(xué)特征的顯示，而是向著揭示細(xì)胞甚至分子水平的功能、代謝特征邁進(jìn)，其已經(jīng)在認(rèn)知、嗅覺相關(guān)精神、心理、神經(jīng)疾病及藥效評(píng)估等領(lǐng)域廣泛展開。其中超高磁場(chǎng)核磁共振機(jī)、高精度嗅覺刺激儀等硬件基礎(chǔ)的提升，腦fMRI應(yīng)用軟件的開發(fā)都促進(jìn)影響著這一領(lǐng)域的發(fā)展。嗅覺腦fMRI有賴于多學(xué)科的創(chuàng)新與合作，形成新的學(xué)科優(yōu)勢(shì)，促進(jìn)這一檢查的發(fā)展與完善。