王亞玲 孫寶賓

·綜 述·

嗅覺的錳增強磁共振成像研究

王亞玲 孫寶賓

嗅覺系統(tǒng)是一種基本感覺系統(tǒng)，對人的日常生活和動物的生存都有重要的作用。目前，人們對嗅覺生理知識的了解還比較有限，對嗅覺系統(tǒng)神經(jīng)通路的認識也不夠深入。錳增強磁共振成像 (MEMRI)技術(shù)用于嗅覺系統(tǒng)的研究具有獨特的優(yōu)勢，近年來，人們應(yīng)用MEMRI技術(shù)對嗅覺中樞定位、神經(jīng)通路追蹤、嗅覺信息編碼等方面的研究取得了一定的進展。本文就MEMRI技術(shù)在嗅覺系統(tǒng)相關(guān)方面的研究進展做一綜述。

在哺乳動物的繁殖和學習中，嗅覺起著重要的作用。理解氣味在中樞神經(jīng)系統(tǒng)的處理和編碼過程很關(guān)鍵，因為理解后可以確定一些行為的神經(jīng)基礎(chǔ)。要充分理解這些高級腦區(qū)的氣味編碼，揭示嗅球和嗅覺皮質(zhì)的氣味代表區(qū)域的方法就需要加以改進。一些方法[1-3]已經(jīng)被用于嗅覺方面的研究：如2 -脫氧葡萄糖熒光顯影、c-Fos蛋白的免疫檢測、雙光子鈣成像(2-photon calcium imaging)和正電子發(fā)射斷層掃描，但這些方法因存在檢測區(qū)域局限、空間分辨率低等不足，在很大程度上限制了人們對嗅覺中樞的研究。功能磁共振成像(functional magnetic resonance imaging, fMRI)似乎比較合適，但fMRI是一種間接的表現(xiàn)，不能直接反映神經(jīng)細胞本身的改變。有一些研究[4-5]證明，放射性Mn2+可以被神經(jīng)元攝取并運輸。以錳(Mn2+)為造影劑的磁共振成像技術(shù)(manganese enhanced MRI，MEMRI)是可以直接反映神經(jīng)元功能和聯(lián)系的一種新方法，具有較高的空間分辨率，可以在活體、動態(tài)地研究神經(jīng)傳導(dǎo)通路和大腦功能成像，對嗅覺系統(tǒng)的研究具有獨特的優(yōu)勢。本文在簡單介紹嗅覺知識、Mn2+生物特性的基礎(chǔ)上，著重對近年來MEMRI在嗅覺系統(tǒng)方面的應(yīng)用進行綜述。

1 嗅覺神經(jīng)系統(tǒng)

1.1 嗅覺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及機制 哺乳動物的嗅覺系統(tǒng)主要包括主嗅覺系統(tǒng)(main olfactory system)和副嗅覺系統(tǒng)(accessory olfactory system)[6]。主嗅覺系統(tǒng)由鼻腔中的嗅上皮、主嗅球及其投射皮質(zhì)組成；副嗅覺系統(tǒng)由外周犁鼻器中的嗅覺感受器、副嗅球及其投射皮質(zhì)組成。雖然這2個通路具有一定的交叉，但大多數(shù)學者認為，主嗅覺系統(tǒng)針對一般氣味的識別、分辨和檢測，而副嗅覺系統(tǒng)與信息素處理功能有關(guān)。其他如三叉神經(jīng)末梢、終神經(jīng)末梢、馬賽若鼻中隔器(septal organ of Masera)也與嗅覺有關(guān)，但它們作為化學感受器具有哪些功能、如何影響動物行為和生理的機制目前尚不清楚[7]。

對于嗅覺產(chǎn)生的機制，目前認為是氣味分子與鼻腔嗅上皮的敏感嗅細胞結(jié)合，通過主要的嗅神經(jīng)將氣味信息傳遞到嗅球，氣味信息在嗅球中經(jīng)過空間和時間編碼后再傳遞到嗅覺皮質(zhì)，最后經(jīng)過解碼形成不同的化學感覺。

1.2 嗅覺系統(tǒng)功能 嗅覺系統(tǒng)是感覺神經(jīng)系統(tǒng)的一個重要組成部分，對動物和人類都有重要的作用。動物通過嗅覺來覓食、識別、報警等。例如，貓通過嗅覺來尋找到魚蝦、老鼠等食物；警犬依靠靈敏的嗅覺在緝毒、軍事等方面發(fā)揮作用。人類利用嗅覺來辨別氣味、增進食欲、識別危險環(huán)境等。例如發(fā)生火災(zāi)時，人們通過嗅覺聞到煙味，就可以盡早采取搶救和逃生措施。另外，嗅覺還在人類生理和心理反應(yīng)中發(fā)揮重要的作用，如影響人的情緒、調(diào)節(jié)生命周期等。對于一些從事特殊職業(yè)的人，靈敏的嗅覺更是必不可少，例如香水調(diào)劑師，他們對氣味的分辨能力很強，嗅覺比正常人靈敏很多。

2 Mn2+的生物特性

2.1 Ca2+類似物 Mn2+是一種Ca2+的類似物，Mn2+的離子半徑與Ca2+的離子半徑類似，生理作用也與Ca2+類似。在神經(jīng)細胞去極化時Mn2+可以通過電壓門控的Ca2+通道進入細胞，Mn2+進入神經(jīng)細胞后，被微管運輸系統(tǒng)運輸?shù)捷S突突觸，此處，Mn2+隨神經(jīng)遞質(zhì)釋放，然后被突觸后膜攝取[8]。由此可知Mn2+可以作為Ca2+的示蹤劑，通過跨突觸方式來映射整個神經(jīng)信號傳導(dǎo)通路。另外，有實驗[9]表明，Ca2+通道的阻斷劑可阻止Mn2+在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的正常運輸，進一步證明了Mn2+是Ca2+類似物的特性。

2.2 Mn2+的順磁性 順磁性離子能使水的快速弛豫時間縮短，而Mn2+具有順磁性，這就導(dǎo)致Mn2+無論在什么組織中積累，都將會在T1加權(quán)MR圖像上有陽性的對比增強。也就是說，Mn2+積累的區(qū)域，在TlWI上表現(xiàn)為白色的高信號[9]。Mn2+作為強順磁性Ca2+競爭劑，可以直接反映活體神經(jīng)元活動引起的Ca2+活動，并能通過軸突、突觸運輸，在MR TlWI圖像上反映出來。因此，Mn2+可以用來追蹤嗅覺神經(jīng)通路。

2.3 Mn2+生物利用的局限性 有研究[10]報道，外源性Mn2+被神經(jīng)細胞吸收后，可以引起一定的生物毒性，并且Mn2+濃度越高，神經(jīng)毒性越明顯。所以進行嗅覺研究時，注入Mn2+的劑量必須盡量減少。有研究[11]報道，大鼠鼻腔給錳時，0.3 μmol劑量的錳是一種最佳選擇，既不會達到錳中毒，又能得到足夠的成像對比度。此外，Mn2+在神經(jīng)元中代謝非常慢，滯留時間也較長[12]，從而在大腦功能活動中的時間分辨率不高。同時Mn2+在神經(jīng)系統(tǒng)中的傳遞和積累是比較慢的，并且只有積累到一定的量才可被MRI檢測到，所以MEMRI需要一定的時間才能完成。

3 MEMRI在嗅覺系統(tǒng)的應(yīng)用

3.1 MEMRI在嗅覺系統(tǒng)應(yīng)用的優(yōu)勢 MEMRI用于嗅覺系統(tǒng)的研究具有獨特的優(yōu)勢，主要表現(xiàn)為以下幾點：①MEMRI技術(shù)利用的是T1加權(quán)成像方法，對磁場的不均勻度不敏感；②MEMRI成像的空間分辨率受成像系統(tǒng)的硬件條件及成像序列的限制比較小，可以得到高空間分辨率的圖像；③成像質(zhì)量受生理噪聲的影響較??；④Mn2+的順磁性，能縮短周圍組織T1弛豫時間，在TlWI上對比信號明顯；⑤MEMRI并不依賴于血流動力學的變化，無BOLD腦功能成像中血管效應(yīng)的影響。因此具有空間分辨率高、信噪比高、對比度強、易于操作等優(yōu)點。利用MEMRI技術(shù)可以在體、無創(chuàng)、動態(tài)地研究嗅覺系統(tǒng)，不僅可以幫助我們更深入了解生物的嗅覺機制，而且對于理解其他感覺神經(jīng)系統(tǒng)和腦的信息處理機制等方面也有很重要的價值。

3.2 MEMRI在嗅覺系統(tǒng)中的研究進展

3.2.1 嗅覺系統(tǒng)通路的研究 MEMRI具有較高的空間分辨率，可以精細地觀察到嗅覺系統(tǒng)通路的相關(guān)結(jié)構(gòu)。Pautler等[9]是較早應(yīng)用Mn2+造影來研究小鼠嗅覺系統(tǒng)通路的，其研究發(fā)現(xiàn)小鼠鼻腔中滴入的Mn2+可以沿嗅覺神經(jīng)傳導(dǎo)通路運輸。Mn2+的運輸徑路為：嗅上皮、嗅神經(jīng)、嗅球、嗅束及嗅皮質(zhì)，并且Mn2+有選擇性地沉積在嗅覺功能活躍的區(qū)域，如嗅球的嗅小球?qū)?。方可等[13]應(yīng)用MEMRI技術(shù)對大鼠嗅覺神經(jīng)傳導(dǎo)的研究發(fā)現(xiàn)，高分辨的MEMRI可以清晰顯示出嗅球的層狀結(jié)構(gòu)，包括嗅神經(jīng)層、嗅小球?qū)?、外網(wǎng)叢層、顆粒細胞層和皮下區(qū)域。另外，Mn2+不僅在嗅上皮和嗅球中沉積，還能隨嗅覺神經(jīng)傳導(dǎo)通路到達嗅覺皮質(zhì)，這與Pautler等的研究結(jié)果一致。Lehallier等[11]研究發(fā)現(xiàn)，不同濃度Mn2+溶液體外試管MRI掃描，隨濃度增強，信號增強；MEMRI示蹤活體大鼠嗅覺通路神經(jīng)纖維束的傳導(dǎo)，按照嗅神經(jīng)、嗅球、嗅覺中樞的順序，隨時間逐漸強化。

Chuang等[14]在研究嚙齒類動物嗅覺系統(tǒng)時發(fā)現(xiàn)，高分辨的MEMRI可以顯示出嗅球的單個嗅小球結(jié)構(gòu)，并提出優(yōu)化表面線圈的選擇及關(guān)注心率和呼吸門控對減少潛在的偽影和改善嗅小球的檢測有一定的作用。Gutman等[8]用MEMRI和彌散張量成像(diffusion tensor imaging ，DTI)2種技術(shù)來映射小鼠的嗅覺系統(tǒng)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，DTI 和MEMRI 2種技術(shù)可以清楚地顯示嗅球、杏仁核、梨狀皮質(zhì)和尾狀殼核，2種方法顯示的結(jié)構(gòu)有很大程度的一致性，但兩者之間最顯著的差異是在嗅覺通路末端的一些連接，如到內(nèi)嗅皮質(zhì)的連接，DTI顯示了連接而MEMRI沒有顯示。這可能與Mn2+滴入的劑量不足等有關(guān)。

這些研究說明Mn2+能很好地用于追蹤嗅覺系統(tǒng)通路，Mn2+的跨突觸運輸具有時間依賴性以及劑量依賴性，并且MEMRI技術(shù)需依靠完整的嗅覺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及完善的功能性突觸傳遞。

3.2.2 嗅覺刺激誘導(dǎo)的MEMRI研究 近年來，有不少學者通過不同的嗅覺刺激進行嗅覺系統(tǒng)的MEMRI研究。Lehallier等[15]在大鼠腦對不同生物學氣味處理的MEMRI研究中發(fā)現(xiàn)，Mn2+可增強大鼠嗅覺相關(guān)皮質(zhì)，并且Mn2+增強對不同氣味刺激有不同的敏感度。含捕食者信息的氣味可以引起更強的刺激，同時可引起情緒相關(guān)腦區(qū)的激活。Chuang等[16]對小鼠嗅覺的研究發(fā)現(xiàn)，Mn2+可以顯示從嗅上皮到嗅小球的嗅覺傳導(dǎo)通路，其傳導(dǎo)通路的顯示與嗅小球Ca2+通道的狀態(tài)、有無氣味刺激相關(guān)；有味刺激的小鼠嗅覺皮質(zhì)比無味對照有更明顯的強化，不同的氣味刺激嗅覺皮質(zhì)的強化區(qū)域及程度有明顯差異。還有學者[9]通過嗅覺刺激的MEMRI研究發(fā)現(xiàn)，一種特定的氣味可以引起嗅覺特定區(qū)域的激活；富含信息素的氣味可以引起副嗅覺系統(tǒng)特定部位的激活。這些區(qū)域的激活同先前用2 -脫氧葡萄糖和BOLD-fMRI在大鼠嗅覺系統(tǒng)研究的結(jié)果一致。這些嗅覺刺激的MEMRI研究表明，Mn2+在嗅覺通路的運輸依賴于激活的神經(jīng)元的存在，即有活動依賴性。應(yīng)用MEMRI技術(shù)，可以較好地映射多種不同的氣味，便于進一步分析大腦對不同生物學信息氣味的處理。

3.2.3 嗅覺異常的MEMRI研究 Kivity等[17]對實驗性神經(jīng)精神狼瘡小鼠的嗅覺MEMRI研究發(fā)現(xiàn)，與對照組小鼠相比，神經(jīng)精神狼瘡小鼠組嗅覺結(jié)構(gòu)的Mn2+增強程度顯著下降，嗅覺通路上的幾個區(qū)域，如嗅球、嗅結(jié)節(jié)、梨狀皮質(zhì)的功能Mn2+增強比例明顯減低。Stepens等[18]研究發(fā)現(xiàn)，帕金森病模型組伴有嗅覺功能異常，Mn2+在其嗅覺傳導(dǎo)通路的運輸速率較正常組顯著減慢。目前對嗅覺系統(tǒng)方面的MEMRI研究，主要集中在對正常嗅覺結(jié)構(gòu)的解剖定位及嗅覺通路的追蹤，對嗅覺異常方面的研究還比較少見。

根據(jù)以上相關(guān)研究，我們可以得出MEMRI在研究嗅覺系統(tǒng)中，不但可以觀察嗅覺相關(guān)精細結(jié)構(gòu)，而且可以追蹤嗅覺系統(tǒng)通路，可以映射嗅覺相關(guān)大腦區(qū)的激活，對進一步了解有關(guān)嗅覺編碼和連接方面有重要作用，為深入理解嗅覺處理的分子機制提供影像學基礎(chǔ)。另外，對嗅覺異常腦區(qū)的檢測也是一種客觀的檢查方法。

3.3 MEMRI在嗅覺系統(tǒng)應(yīng)用的注意事項

3.3.1 Mn2+給藥方式 Mn2+應(yīng)用于嗅覺系統(tǒng)研究，主要分為全身給藥和鼻腔給藥2種方式，其中全身給藥包括皮下注射、腹膜內(nèi)給藥及靜脈注射3種。全身給藥涉及開放血-腦屏障的問題，另外，全身給Mn2+，除了長期公認的外周作用外，已被證明還對運動功能相關(guān)的腦結(jié)構(gòu)有影響[19]。但到目前為止，全身給藥是否會對嗅覺感知產(chǎn)生影響還沒有相關(guān)報道。

由于Mn2+易于被鼻腔嗅上皮的嗅細胞吸收，鼻腔給藥時就無需破壞血-腦屏障。但Mn2+注入鼻腔后，會有漏到呼吸道和(或)消化道的可能，也會間接到達腦結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一些行為效應(yīng)。另外，有研究[11]報道，鼻腔滴入的Mn2+過量可以引起嗅覺感知的改變。所以對于鼻腔給藥，Mn2+劑量很重要，合適的劑量既可以檢測到嗅覺通路上信號，又可以保持嗅覺感知。

3.3.2 麻醉的問題 對于嗅覺刺激的MEMRI研究，合適的麻醉深度既可以抑制全腦的基礎(chǔ)活動，又不阻礙嗅覺刺激腦區(qū)的活化。一個穩(wěn)定的麻醉水平易于檢測嗅覺通路的激活，也可以減少呼吸運動偽影對MRI的干擾。另外，許多嗅覺研究中使用異氟烷氣麻藥，此麻醉劑有很強的氣味，可能會激活嗅覺神經(jīng)元并改變Mn2+的吸收和嗅球的增強模式。因此，保持實驗過程中麻醉水平的相似性，比較不同的實驗組，可以減少麻醉劑這種背景氣味的干擾[16]。

3.3.3 MEMRI的處理 目前組間圖像分析的后處理技術(shù)已經(jīng)比較成熟，通過圖像標準化，與安靜狀態(tài)下的動物腦區(qū)圖進行相減，就可以得到比較可靠腦區(qū)的激活圖像[20]。圖像的標準化是由多個動物激活腦圖的平均激活圖得來的，因此，可以比較真實地反映動物腦區(qū)的激活狀態(tài)。另外，由不同的實驗對象獲得空間和強度標準化的MEMRI圖像也是很關(guān)鍵的，目前還沒有一個廣為認可的圖像空間和強度標準化的方法，但最近有相關(guān)研究提出了一種新的方法[21]，表現(xiàn)為在一個迭代的過程中空間和強度的歸一化，沒有參考圖像的隨意選擇，這個迭代過程有益于空間和強度的標準化。

總之，MEMRI是一項很有前景的技術(shù)，有利于小動物嗅覺功能的研究，其顯示腦區(qū)激活的可靠性得到認同，是研究嗅覺系統(tǒng)正常和病理狀態(tài)的理想工具。需要改善的地方是尋找一種更好的Mn2+注入方法，以確保更均勻、更快速的大腦生物利用度，這將能夠縮短Mn2+注入和成像之間的延遲，從而降低Mn2+的神經(jīng)毒性。由于Mn2+的生物毒性作用，MEMRI實驗?zāi)壳爸饕谛游镉绕涫菄X類動物如小鼠、大鼠上進行，還沒有應(yīng)用于人類嗅覺研究的報道。但有關(guān)Mn2+螯合物用于臨床上肝臟和其他臟器的對比成像已有報道[22]。目前，MEMRI的發(fā)展趨勢是在克服其局限性和不足之處的同時聯(lián)合應(yīng)用其他檢查技術(shù)來彌補自身缺陷。隨著MEMRI技術(shù)的不斷發(fā)展及新型Mn2+增強對比劑的研發(fā)，其將會在臨床上有廣泛的應(yīng)用前景，尤其是在嗅覺相關(guān)疾病的診斷、療效監(jiān)測等方面發(fā)揮重要作用。

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(本文編輯 楊美琴)

東南大學附屬中大醫(yī)院耳鼻咽喉頭頸外科 南京 210009

孫寶賓(Email: sbbys@sina.com)

現(xiàn)為東南大學醫(yī)學院研究生

2013-07-14)