嗅觉脑功能磁共振成像应用进展

冯 勇 张金峰

天津市第四中心医院耳鼻咽喉头颈外科 天津 300140

人类的嗅觉系统是与气味特性有关的感觉系统，在稳态调节和情绪方面嗅觉也起着重要的作用，嗅觉记忆是最古老的记忆，伴随终生[1]。嗅觉障碍临床较常见，约20%的人群嗅觉灵敏度下降，约5%的人嗅觉缺失[2]。已知人类嗅觉系统容易受到许多神经性、精神性疾病的影响，例如帕金森病(Parkinson disease，PD)、阿尔茨海默病阿尔茨海默病(Alzheimer disease，AD)、多发性硬化症(multiple sclerosis，MS)、焦虑抑郁和精神分裂症等，因此，嗅觉障碍的评估受到越来越多的关注。目前，对嗅觉障碍机制的研究仍处于初级阶段，各种客观检查均其有局限性。近年来具有血氧水平依赖(BOLD)对比度的功能磁共振成像(fMRI)技术因其无创性、相对高的时空分辨率、可显示脑内特定功能区的状态而在嗅觉脑科学研究领域取得迅速发展。

1 嗅觉系统及功能评价

1.1嗅觉神经传导通路 嗅脑是与嗅觉纤维有直接联系的脑部，在进化过程中相当于旧皮质的部分。嗅觉是人体一种基本感觉，在识别有毒气味、影响食欲和情绪、警觉危险情况等方面影响人们的生活；其产生十分复杂，依赖嗅神经、三叉神经和舌咽神经等多组脑神经传送，而且还可能受到生理及社会、心理等多方面影响。鼻腔通过嗅神经传递嗅觉信息，同时由三叉神经负责协调感觉冷热等刺激信息；而进食则由嗅觉和味觉神经共同调节完成[3]。嗅觉自下而上的途径是指通过嗅觉信息从感受器到嗅球再到大脑皮层区域的流动来感知气味。嗅球是嗅觉的低级中枢，在皮层水平上，气味信息首先在初级嗅觉区(primary olfactory cortex，POC)进行处理，包括梨状皮层、内嗅皮层和杏仁核。此后，嗅觉信息在二级和三级嗅觉区进行处理，包括眶额皮层、岛叶、前扣带皮层、纹状体区、丘脑、颞上回和海马[4]；嗅觉自上而下路线的神经基础已经用脑成像技术进行了研究，例如阅读具有强烈嗅觉关联的单词已被证明可诱发脑区嗅觉活动[5]。嗅觉传导通路与各个中枢系统的明确联系尚未完全明确，但目前fMRI为研究嗅觉通路提供了可行的重要手段。

1.2嗅觉功能评估 嗅觉障碍越来越受到人们的重视，随着研究的不断深入，嗅觉功能的临床评价成为必需。目前嗅觉的主观检测常分为主观评估和心理物理测试，而客观检查方法常见的有事件相关电位(event-related potentials，ERPs)的电生理学检测和嗅觉系统结构MRI、嗅觉脑功能磁共振成像和正电子发射计算机断层显像(PET-CT)等影像学手段[6]。由于主观检测受多种因素影响，其结果受到一定影响；而客观检查中嗅觉脑功能成像由于其无创性、高时空分辨率成为目前研究的热点。

2 嗅觉脑功能磁共振成像的发展、局限及前景

2.1发展史 在1990年由Ogawa等提出应用梯度平面回波成像技术(EPI)，利用其对BOLD相关磁化率差别的高度的敏感性，在活体实现对全脑微血流图像的采集。从而同时获取解剖和功能双方面的影像信息[7]。在1994年，嗅觉脑功能磁成像正式开展，应用人工气味作为嗅素，刺激嗅觉，进行磁共振扫描成像，分析成像后的体素激活数量进行对比，来分析嗅觉中枢激活情况[8]。随着研究的深入，嗅觉脑功能磁共振成像已经从正常人群嗅觉分析发展到对先天性疾病、精神及神经系统疾病的诊断探索，逐渐积累对嗅觉相关疾病的早期诊断及预防的数据[9]。

2.2局限 在脑组织中的某些特定区域，尤其是两种具有不同磁敏性组织的交界层面，易造成信号缺失、图像扭曲、信噪比(SNR)下降。而由于处于额叶、颞叶底部，临近颅骨及含气间隙等因素，致使嗅球、嗅束乃至嗅觉相关皮层等在磁共振的EPI序列中常有明显的伪影，而影响检测结果[10]。人类易出现嗅觉适应，且个体之间差异较大，记忆、情绪等影响因素较多，可能导致脑局部血氧含量增加而误认为是激活区。比如在受试者吸气时开始给予气味刺激和随机给予气味刺激，其结果并不一致[11]，可见不同的嗅觉刺激模式会影响嗅觉fMRI结果的正确分析。另外根据BOLD效应的fMRI主要反映脑皮质情况，对于脑白质情况的反映有限。

2.3前景 随着电子程控系统发展，与磁共振兼容的嗅觉刺激仪出现，并且嗅觉刺激精确到毫秒级别，提升了嗅觉刺激精度[12]。临床及实验室应用的磁共振机也由0.5T发展到3.0T、7.0T[13]。磁共振机器的进步及嗅觉刺激仪不断改进，使得嗅觉脑功能成像的气味刺激更加精准，成像信噪比大大提高，在分析嗅觉中枢激活区域时，显得更加准确。目前嗅觉脑功能磁共振成像系统，从分析独立的嗅觉中枢到整个嗅觉中枢网络化，动态化过程远未实现[14]。其中原因之一是现有嗅觉刺激仪与磁共振成像系统精准匹配，是难点之一。进一步展望，实现嗅觉刺激与嗅觉功能成像及体素激活同时出现，呈现脑激活体素实现其按时间顺序进行脑激活网络分析，嗅觉脑功能成像就可以建立嗅觉脑功能图谱。

3 不同人群嗅觉脑fMRI应用

3.1正常人嗅觉脑fMRI fMRI提供了一种非侵入性的嗅觉客观评估方法，有研究显示嗅觉中枢在皮层水平上具有多个区位激活、弥散分布的特点，如包括初级嗅觉区(POC)的梨状皮质、内嗅皮质和杏仁核以及次级嗅觉区域如眶额皮质(OFC)、脑岛、前扣带回皮质(ACC)、纹状体区域、丘脑、颞上回和海马[15]。最近有研究者提出嗅觉进化来帮助导航，与这一假设一致，嗅觉识别和空间记忆力可能存在关联，与其共同受到重叠的大脑区域的控制有关，包括眶额皮质和海马。不过，这些证据尚未得到直接验证。对人类嗅觉识别与空间记忆共变性的探索展现了嗅觉脑功能磁共振成像广阔应用空间[16]。同时也有研究显示基于气味诱导的嗅觉脑功能区的激活，虽然嗅觉正常与嗅觉障碍组间相比，正常组的初级嗅区和岛叶皮质的激活程度更强；但个体功能磁共振参数与心理物理测试得分之间并无关联，且存在较大的个体差异，无法根据其来自初级嗅觉区、眶额皮质或岛叶皮质的BOLD信号与正常组进行区分，所以为个体受试者研发功能磁共振生物标记物是将来需要面对的问题[17]。我们未来的嗅觉脑功能研究可以从简单的相关性转向疾病预测，随着更高分辨率成像技术的进步，可以通过规范性的大样本统计数据，精确嗅觉加工的大脑结构功能区位置，以便为个性化治疗提供更好的基础。

3.2神经疾病领域应用

3.2.1PD PD是一种神经退行性疾病，发病广泛，其中70%～90%的患者可能存在嗅觉障碍。嗅觉损害通常早于运动症状，被认为是PD前驱临床表现，但对前驱期嗅觉障碍的神经基础知之甚少[18]。有静息态fMRI研究显示包含部分嗅觉中枢的前额叶皮质激活区域ReHo值PD组较正常组明显降低，出现多模态感觉信息的整合异常，导致PD患者出现失嗅、情绪抑郁及痴呆等。PD患者同时存在激活增高的脑区如海马旁回及梭状回，它们属于与嗅觉、调节内脏活动及情绪相关的边缘系统，并且与边缘系统内的嗅觉中心毗邻，其ReHo值 增强考虑与嗅觉障碍后邻近脑区代偿反应有关[19]。可见通过fMRI分析能够发现PD患者脑神经活动的早期改变，对于早期预防、评估及机制发展研究有重要价值。

3.2.2AD 随着人口老龄化严重，AD的发病率显著增加。新近研究显示主观认知下降(subjective cognitive decline，SCD)可能成为AD的最早期阶段表现，嗅觉障碍可能早于认知和记忆功能障碍，而被视为SCD向AD转归的重要标记物。目前POC区的fMRI逐渐成为研究的热点，POC是由双侧梨状皮层及杏仁核等组成的重要嗅觉中枢，影响气味的察觉、辨别和气味导致的情感反应。除嗅觉高级中枢之外，嗅觉的传入纤维经嗅球、嗅束至POC，某些病理改变导致该区的神经元代谢水平降低，从而出现嗅觉障碍。SCD患者与健康组最主要的差异位于双侧POC的激活显著降低。POC的激活程度和功能连接以及嗅觉阈值与记忆、执行和语言认知相关，可能作为一种AD高风险的早期诊断标志物[20]。Vasavada 等通过fMRI研究发现MCI 组与 AD 组相似，POC区和海马的嗅觉激活容积明显大幅度下降。在 MCI阶段，较行为学测试，容积测量下降表现的更显著，说明嗅觉 fMRI可以提供更早、更敏感的证据[21]。

3.2.3MS MS是一种慢性炎症性疾病，可通过中枢神经脱髓鞘导致身体致残。目前能够预测MS进展的功能性标记物仍然缺乏，有组织病理学研究表明，大约70%的MS研究是针对大脑中嗅觉和嗅球脱髓鞘，研究还表明，嗅觉功能障碍与额叶和颞叶脑区MS相关斑块的数量和活动有关，嗅觉功能障碍可能是MS的早期症状[22]。fMRI可帮助我们前瞻性地跟踪MS患者嗅觉功能的不同质量，并将这些指标与临床数据相关联，以调查其与病程的关系。近期一项fMRI研究显示MS患者与对照组相比，激活脑区不仅数量上减少，而且激活区域的活化体素及激活强度减弱。[23]。但具体各脑区间的激活差异所涉及的病理生理机制及临床改变，值得进一步联合嗅觉事件相关电位、结构影像、生化免疫标记等进一步探索。

3.3其他 嗅觉脑功能成像对于精神疾病、鼻腔鼻窦疾患及肿瘤等，同样有重要价值，在认知领域及其嗅觉相关疾病的诊断中将发挥越来越重要作用。

4 嗅觉脑fMRI的实验模式及问题

4.1静息态设计 静息态 fMRI不需要给予特殊的任务指令，应用相对简单的实验设计及相关设备来记录大脑的运行机制。不仅无创实用，还可以避免由于实验设计或执行情况差异对实验结果可靠性的影响。目前，低频振幅(ALFF)、比率低频振幅(fALFF)、局部一致性、功能连接、有向连接等能够反映静息状态下脑自发性神经元活动，已经成为多种疾病的病理状态下脑功能改变研究的主要成像方法。

4.2任务依赖设计 常见的设计方法有：组块实验设计，其特点是嗅觉刺激稳定，容易铺捉到嗅觉刺激脑激活信号，目前临床应用较多，但是精确度差，不能形成良好的时间-空间-激活区域设计，对嗅觉脑功能区网络形成分析不利。另外事件相关实验设计是用单个刺激形成控制的最小单元，实验刺激时间、种类、顺序的变化，这些组合形成了事件相关模式设计的多样性。如把组块设计与事件相关设计联合应用，则有利于实验中脑激活区的获得，又有利于实现脑空间、网络、时间的实现，这是发展方向之一。

4.3嗅觉刺激模式存在的问题 嗅觉刺激引起的嗅觉神经元活动所形成的血流改变，起效迅速，但持续时间极短。目前我们在研究及临床应用fMRI时经常遇到两个阻碍：BOLD信号的快速适应和呼吸的可变调节。人类的嗅觉容易出现嗅觉适应，当暴露在气味中一段时间后习惯了这种气味。应用中我们发现初级嗅觉皮层中最初的显著BOLD信号仅在气味开始后持续几秒钟，因此应避免在短时间内长时间或频繁的气味刺激，以减少习惯化效应。第二个阻碍是受试者呼吸模式的可变性，刺激时间与呼吸时相是否同步，呼吸的幅度和频率的不同都会产生相应的生理改变，影响脑血流量和血氧含量的变化，导致BOLD信号变化[24]。但嗅觉刺激如采用呼吸触发模式需要更久的扫描时间，且部分受试者会由于呼吸触发不敏感而无法完成嗅觉fMRI检查，我们目前经验还是经常选用定时模式。但随着具有实时控制能力的多模态MR兼容嗅觉仪的出现，这些问题会得到改善[25]。嗅觉脑功能磁共振成像的另一个重要考虑因素是气味的选择。各种实验条件或疾病下，找到与感知强度相关的合适气味浓度对于量化和比较大脑中的激活水平非常重要。气味剂的选择还必须考虑气味的效价或愉快度。同时应尽量减少三叉神经刺激，以减少与嗅觉没有直接关系的激活。

5 嗅觉fMRI展望

嗅觉脑fMRI的快速发展使得嗅觉影像学检查不仅仅局限于对组织解剖、病理等形态学特征的显示，而是向着揭示细胞甚至分子水平的功能、代谢特征迈进，其已经在认知、嗅觉相关精神、心理、神经疾病及药效评估等领域广泛展开。其中超高磁场核磁共振机、高精度嗅觉刺激仪等硬件基础的提升，脑fMRI应用软件的开发都促进影响着这一领域的发展。嗅觉脑fMRI有赖于多学科的创新与合作，形成新的学科优势，促进这一检查的发展与完善。