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脑fMRI技术及其在嗅觉刺激相关脑功能的研究

更新时间:2020-08-26 08:23点击:

   [摘要]嗅觉是一种最基本的感觉,嗅觉的发生与大脑皮层的许多部位密切相关。近年来由于脑功能磁共振成像( fMRI)技术在嗅觉系统的应用,使我们对嗅觉中枢的定位、嗅觉相关行为的脑机制方面的研究取得了一定的进展。在本文中作者在简单介绍嗅觉知识的基础上,着重对嗅觉刺激、fMRI应用、嗅觉相关的脑功能活动等方面的研究进行综述。
 
   [关键词]嗅觉;嗅觉系统;嗅觉刺激;功能磁共振成像;文献综述
 
嗅觉是生物最基本的感觉之一,对动物和人类都有重要的作用。动物通过嗅觉来寻找食物、求偶交配、躲避天敌等; 人类利用嗅觉来辨别气味、增进食欲、识别危险环境等。另外,通过中枢神经系统,嗅觉还可以影响人的情绪、调节生命周期。长期以来人们孜孜不倦地尝试用多种方法对嗅觉进行相关研究,应用较多的技术有嗅觉脑磁图、嗅觉事件相关电位( olfactoryevent-related potentials,OERP) 、嗅觉系统结构成像和正电子发射断层成像( PET) 等,但对嗅觉的研究仍处于初级阶段。近年来,由于脑功能磁共振成像( functionalmagnetic resonance imaging,fMRI) 技术具有相对高的时间和空间分辨率,可以观测到大脑的神经元活动而被广泛应用。到目前为止,已经有不少学者利用 fMRI来研究嗅觉功能机制,国外学者对嗅觉通路在脑区的定位、年龄及性别对嗅觉功能的影响、真实与幻想气味的异同、嗅觉适应等方面进行了大量的研究。在本文中作者在简单介绍嗅觉知识的基础上,着重对脑fMRI 技术及其在嗅觉刺激相关的脑功能活动方面的研究进行综述。
 
  1 嗅觉及嗅觉系统的概述
 
  1. 1 嗅觉系统相关结构
 
  嗅觉系统主要包括嗅上皮、嗅球嗅束和嗅皮质。嗅上皮内主要含嗅觉感受神经元,感受并传导嗅觉信息。嗅觉感受神经元传出的信息汇聚到嗅球,在嗅球中经过处理与编码,然后通过嗅束投射到嗅皮质。嗅皮质包括梨状皮质、杏仁核、内嗅皮质、海马、眶额皮质、前扣带回、颞回、基底核、丘脑和岛回等结构。嗅球为嗅觉的低级中枢,是嗅觉通路的第一中转站; 嗅皮质为嗅觉的高级中枢,受两侧大脑皮层的支配。
 
  1. 2 嗅觉的功能评价
 
  嗅觉是五种感觉之一,较之其他感觉,嗅觉具有情绪性并受多种因素影响。影响正常人嗅觉功能的主要因素包括性别、年龄、嗅觉适应、吸烟史。此外,头部外伤、上呼吸道感染、鼻部疾病、神经退行性疾病及环境因素等也可以对嗅觉功能产生影响。
  嗅觉功能检查包括主观和客观检测。主观检测是一种心理物理检查方法,包括气味识别、嗅觉分辨和嗅觉记忆,特点是比较随意,结果不够可靠。客观检测包括嗅觉脑磁图、OERP、嗅觉系统结构成像和嗅觉功能成像。客观检测的特点是更灵敏、更可靠。本文综述涉及的是客观检测中的 fMRI 方法。
 
  2 嗅觉刺激相关的研究
 
  人类的嗅觉灵敏度很高,能够在很低的浓度下辨别出多种气味,长期以来人们应用不同的方法,从不同的角度对嗅觉功能进行研究,先后提出了多种嗅觉刺激理论,如酶理论、化学理论、振动理论等,企图寻找一种对气味和嗅觉的合理解释,但到目前为止仍没有阐明有关嗅觉辨别与嗅觉感受的最终机制。
  嗅觉刺激大体可以分为 3 大类: 化学性物质对嗅黏膜的刺激、针灸法对特定穴位的刺激、针药合用的方法。其中,人们用化学性物质对嗅黏膜刺激的研究较多,并总结出了一些注意点,如嗅觉刺激时不能有触觉、视觉、听觉或温度变化,嗅觉刺激时需要严格控制刺激剂释放的周期、强度和持续时间,嗅觉刺激需与呼吸同步,刺激呈现与结束需快速切换等。
  近年来,有不少学者利用嗅觉刺激的方法对嗅觉进行相关的研究。如应用计算机叠加技术予以嗅觉刺激,可以在头皮特定部位记录到特异性脑电位; 应用fMRI 技术,可以研究大脑对不同嗅觉刺激的反应,记录到嗅觉相关的脑功能活动。通过许多动物和人的实验,嗅觉刺激的作用被广泛的研究和探讨。有文献报道,予以嗅觉剂刺激嗅黏膜,嗅觉信息逐级传递到中枢后,能够兴奋中枢神经系统功能、改善脑组织代谢、影响情绪。廖凯等利用大鼠研究嗅觉刺激对学习和记忆的影响,发现丰富嗅觉刺激能改变情感记忆和空间学习记忆能力: 厌恶气味的嗅觉短期刺激损伤情感记忆能力,厌恶气味的长期嗅觉刺激也损伤情感记忆,但提高空间记忆能力; 喜好气味的嗅觉刺激能促进情感记忆和空间学习记忆能力。孙萌等报道,经过一次流感疫苗非条件刺激与樟脑气味条件刺激的结合训练后,单独的条件刺激能够诱导动物出现条件反射的抗体增强反应。在疾病诊疗方面,也有一些研究报道,如嗅觉刺激可以防止早产儿发生呼吸暂停,嗅觉刺激对昏迷病人有促醒作用,用嗅觉刺激可成功控制癫痫发作等。
 
  3 嗅觉 fMRI 研究的技术及特点
 
  3. 1 fMRI 技术的原理
 
  fMRI 是 20 世纪 90 年代初逐步发展起来的一种全新的 MRI 技术,应用比较广泛的是 BOLD 成像,BOLD 信号可敏感反映局部脑区的血流和氧代谢变化。BOLD 技术没有生物学侵袭性,在分析脑功能活动方面有较高的的灵敏度,使用起来较为灵活。
  fMRI 技术应用于实验中主要包括两种模式,即任务相关和静息态。其中任务相关包括: ( 1) 组块设计,其特点是以组块的形式呈现刺激,在每一个组块内同一类型的刺激反复、连续呈现,常用于功能定位;( 2) 事件相关设计,其特点是随机化设计,常用于对行为事件的研究。静息态指在数据扫描时参与者不需要执行任何复杂的认知任务,只需保持全身放松、头脑清醒的状态即可,常用于静息状态下脑功能病理生理变化的研究。对于嗅觉刺激的 fMRI 研究,许多学者采用组块设计的方法,其可以提高信号强度变化,探测效率高。但是,近来也有一些学者采用事件相关设计的方法,其减少了嗅觉刺激的总时间,降低了嗅觉适应。
 
  3. 2 嗅觉系统 fMRI 技术的优势及局限
 
  与其他嗅觉系统成像比较,fMRI 技术显示出特定的优势。其具有更高的空间分辨率和时间分辨率,可以无创、重复地检测嗅觉相关的脑功能活动,是一种客观、灵敏的检查技术。但是,嗅觉系统的 fMRI 技术也存在着一定的局限。嗅球、嗅束,乃至嗅觉相关皮层都位于额叶及颞叶的底部,这些区域在磁共振的 EPI 序列中常有明显的伪影,会对检测结果产生一定的影响。
  可以采取一些方法来降低磁敏感性伪影,如: ( 1) 序列的优化; ( 2) 冠状面成像; ( 3) 设计特殊的扫描序列;( 4) 采用磁性物质纠正磁场的不均匀性。除了存在磁敏感性伪影外,还存在着其他一些缺点,如任何原因导致局部血氧含量增加均可误认为是激活区; 所得到的信号并非是直接的大脑神经信号,存在失真的问题; 主要反映脑皮质情况,而对于脑白质情况的反映比较有限等。
 
  4 嗅觉刺激 fMRI 研究的现状及进展
 
  4. 1 嗅觉脑功能活化区的定位
 
  嗅觉刺激的 fMRI 不仅能够定位嗅觉相关的脑功能区,还能够显示不同的嗅觉刺激引起的脑功能活化的差异。这与嗅觉刺激的特征如熟悉度、刺激强度、舒适度等有关。嗅觉中枢有弥散分布的特点,嗅觉刺激可引起脑内多个区域的激活,主要包括前嗅核和嗅结节、梨状皮质、杏仁体、内嗅皮质、海马、眶额回、岛回、扣带回、额回、颞回、基底核、丘脑、枕叶以及小脑等。
  关于嗅觉优势半球的定位,目前仍存在争议。有学者发现,气味刺激的 fMRI 的活化区域大体相同,双侧多呈对称分布; 也有嗅觉刺激的 fMRI 文献报道,大脑双侧半球对嗅觉刺激的敏感性具有不对称性,右侧大脑半球活化区域多于左侧,活化强度也高于左侧。个人认为嗅觉刺激的两半球活化区可能存有差异,原因如下: 一方面,人类的鼻中隔很少有完全居中的,两侧鼻腔的容积存在差异,气味刺激时,两侧鼻腔接受的气味量不同,从而可能导致最终传入到大脑中的嗅觉信息存在差异,这是双侧半球活化不对称的外周因素; 另一方面,在长期的发育和进化过程中,双侧大脑半球发育不完全一样,这是双侧半球活化不对称的中枢因素。
 
  4. 2 愉快及非愉快气味刺激
 
  一些研究发现用不同“快乐度”的气体行嗅觉刺激时,fMRI 脑功能的激活区存在差异。Rolls 等利用 fMRI 研究发现,愉快气体、非愉快气体及混合气体可以在大脑功能区域引起不同的激活,非愉快气体主要在眶额回外侧激活明显,愉快气体主要在眶额回内侧激活明显,混合气体可以同时激活愉快气体和非愉快气体脑区,但是激活的程度不同。有学者研究表明,愉快气体主要引起右侧大脑半球激活,非愉快气体主要引起左侧大脑半球激活。Savic研究发现,不同“欢乐度”气体在大脑诱发不同的激活模式,其中令人厌恶的气味可以在杏仁核有较强的激活,而杏仁核也是加工情绪的主要结构,说明嗅觉刺激与情绪反应有关联。
  诸多学者研究的结果不尽相同,可能与被试者情况、数据分析技术、嗅觉刺激特征等因素相关。另外,通过不同“欢乐度”气体诱发大脑不同区域激活的差异,可以从神经生物学、情感情绪等方面对人脑高级功能进行进一步探索。
 
  4. 3 嗅觉系统年龄与性别差异
 
  人类的嗅觉敏感度会随着年龄的增长而呈下降趋势: 在 30 岁之前嗅觉敏感度持续增强并达到一个相对稳定的平稳期; 在 40 ~ 50 岁之后嗅觉敏感度开始衰减; 70 岁以后嗅觉敏感度显着下降。Cerf-Ducastel等对正常的青年人和中老年行嗅觉刺激的相关研究,发现青年组和老年组有类似脑区的活化,但是老年组在初级嗅觉皮质处的活化显着低于青年组,这与导致帕金森病嗅觉减退的主要原因是处理嗅觉信息脑区的异常或退变这一研究结果相符合。近来有学者对嗅觉记忆活动方面进行研究,以不同年龄段的正常人为研究对象,其结果是,年轻人在执行嗅觉记忆活动时,大脑中的嗅觉处理区域和记忆相关区域的活化程度都较强,而老年人的小脑区域活化程度强于年轻人,这也与老年人嗅觉记忆功能的减弱相符,小脑区域活化程度较强,表示需要更多的注意力来完成记忆任务。
  性别不同,嗅觉敏感度是否有差异? 有研究报道,不同的性别有不同的嗅觉敏感度,女性一般比男性高,并且与女性的月经周期相关,嗅觉敏感度在月经期最低、排卵期最高; Bengtsson 等的相关研究显示,男性与女性相比,他们的嗅觉敏感度无明显差异。学者们的研究结果不一,而在嗅觉的相关研究中,仍考虑把性别作为一个影响因素。
 
  4. 4 嗅觉系统适应性
 
  适应是感觉系统对持续或重复刺激反应的一种应激性表现,也是一种感觉疲劳现象。较长时间地受同种气味刺激可引起嗅觉适应现象,即暂时对该种气味不再敏感,停止嗅觉刺激后嗅觉敏感性逐渐恢复。
  有研究发现产生嗅觉适应和嗅觉恢复的时间相同,但嗅觉中枢的不同区域对嗅觉刺激的适应情况不同。
  肖伟等对嗅觉适应恢复后早期大脑皮层活化的fMRI 研究发现,大脑的嗅觉适应比主观感觉落后,有明显的“延时现象”; 予以重复嗅觉刺激时,嗅觉中枢在嗅觉的高级处理及气味的感知方面起到的作用有限,这对进一步深入研究嗅觉中枢有显着意义。由于有嗅觉适应现象,行嗅觉刺激的 fMRI 研究时可以采取一些措施减轻嗅觉适应,如采用不同的气味予以嗅觉刺激、缩短嗅觉刺激的时间与次数、控制嗅觉刺激的强度等。
 
  4. 5 嗅觉记忆
 
  一种气味如果被闻到过,就可以被“记忆”。有研究表明,被“记忆”的气味可以被幻想到,一旦再次幻想起某种气味,可以诱发相应脑区的激活; 与真实气味相比,幻想的气味可以引起相似脑区的活化,但活化强度弱于真实气味。Djordjevic 等对嗅觉功能的研究发现,真实气味与幻想气味有部分重叠的激活区,二者可活化左侧梨状皮质、左侧眶额回后部、双侧岛回尾部。Bensafi 等用不愉快的气味、愉快气味以及让被试者幻想这些气味行嗅觉研究发现,真实气味和幻觉气味能表现出相同的情绪反应,并能激活相同的嗅觉脑区。诸多学者研究的结果大致相似,我们知道幻想气味给予过程中并未予以真实气味刺激,而受试者相应的嗅觉脑区仍有激活,这可能是“记忆”在处理嗅觉信息时发挥了作用。
 
  4. 6 嗅觉刺激 fMRI 的临床应用
 
  正常嗅觉功能的建立有赖于嗅觉传导通路的完整及其生理机能的正常。任何原因引起传导通路或生理机能的异常,都可以导致嗅觉异常,而引起嗅觉异常的原因很多,利用嗅觉相关的脑功能检查有助于查找嗅觉异常的病因及病灶定位。
  Henkin 等对正常人、先天性嗅觉减退病人、获得性嗅觉减退病人行 fMRI 研究发现,相同的嗅觉刺激活化相同的脑区,但是三者的活化程度不同,即正常人> 获得性嗅觉减退病人 > 先天性嗅觉减退病人。获得性嗅觉减退病人的激活程度大于先天性嗅觉减退病人的可能原因是前者具有嗅觉“记忆”,因气味刺激后诱发了嗅觉“记忆”,从而引起较高程度的激活。Levy等将嗅觉刺激的 fMRI 用于临床研究,发现一型嗅觉下降病人( 能察觉气味但不能识别气味) 和二型嗅觉下降病人( 能识别气味但阈值升高) 的嗅觉刺激脑活化区少于正常人的活化区。另外,一型嗅觉下降的病人的脑活化区少于二型嗅觉下降的病人。刘剑锋等对嗅觉正常者与失嗅者嗅觉刺激的 fMRI 研究,发现嗅觉正常受试者能得到嗅觉刺激的脑功能活化区,完全失嗅患者无脑活化区。
  根据以上相关研究,可以得出 fMRI 是一种能客观反映嗅觉功能的检查方法,具有肯定的临床应用价值,可以用于客观诊断嗅觉功能异常,同时对于揭示嗅觉中枢处理机制也有一定的意义。
 
  5 结语与展望
 
  嗅觉是一种特殊的内在感觉,相对于听觉和视觉等其他感觉,人们对嗅觉的研究相对较少,其原因之一是嗅觉的特殊性使人们对嗅觉的研究异常艰难,所以直至今天对嗅觉的研究仍处于基础阶段; 其二可能是人们认为嗅觉没有其他感觉那么重要,从而对嗅觉的研究有限。
  fMRI 技术相对于其他功能成像具有明显的优势,其优越性成了人类嗅觉研究尤其是高级嗅觉中枢研究的一个重要手段。目前对嗅觉方面的研究,fMRI 技术主要集中在嗅觉系统相关结构、嗅觉通路的定位、嗅觉功能活化等基础研究方面,在临床应用中尚未得到充分发展。随着人们对嗅觉作用的逐渐重视以及 fMRI技术的不断改进,人们对嗅觉相关的研究将会有更深入的进展,最终也将从基础发展到临床,使 fMRI 技术在嗅觉异常的诊断、疗效监测等临床应用中充分发挥作用。
 
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