1.天津醫(yī)科大學(xué)一中心臨床學(xué)院(天津 300192)

2.河北省青縣人民醫(yī)院(河北 滄州 062650)

3.天津市第一中心醫(yī)院放射科，天津市影像醫(yī)學(xué)研究所(天津 300192)

張 慧1 孫海珍1 趙延通2倪紅艷3 沈 文3 尹建忠3

論 著

不同嗅覺(jué)刺激模式對(duì)嗅覺(jué)fMRI的影響研究＊

1.天津醫(yī)科大學(xué)一中心臨床學(xué)院(天津 300192)

2.河北省青縣人民醫(yī)院(河北 滄州 062650)

3.天津市第一中心醫(yī)院放射科，天津市影像醫(yī)學(xué)研究所(天津 300192)

張 慧1孫海珍1趙延通2倪紅艷3沈 文3尹建忠3

目的通過(guò)觀察嗅覺(jué)中樞的激活情況，探討不同的嗅覺(jué)刺激模式是否會(huì)影響嗅覺(jué)fMRI結(jié)果。方法分別選擇兩種不同的嗅覺(jué)刺激模式對(duì)同一受試者進(jìn)行嗅覺(jué)fMRI檢查，選擇雙側(cè)初級(jí)嗅覺(jué)皮層區(qū)為ROI，觀察其在兩種模式下的激活情況以及BOLD信號(hào)強(qiáng)度的變化，比較兩者之間是否有所差別。結(jié)果16名正常志愿者兩種嗅覺(jué)刺激模式下的ROI區(qū)激活體素?cái)?shù)無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(定時(shí)模式為69．00±80.23，觸發(fā)模式為102.81±151.44，P值=0.42)，且平均BOLD時(shí)間-信號(hào)強(qiáng)度變化曲線也無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(P值=0.167)。結(jié)論無(wú)論是定時(shí)模式還是觸發(fā)模式，在刺激持續(xù)時(shí)間內(nèi)均存在至少一次的有效的吸氣相，嗅覺(jué)中樞的激活反應(yīng)也是沒(méi)有差異的，因此不同嗅覺(jué)刺激模式對(duì)嗅覺(jué)fMRI結(jié)果是沒(méi)有影響的。

嗅覺(jué)；功能性磁共振成像；初級(jí)嗅覺(jué)皮層

功能性磁共振成像(functional magnetic resonance imaging，fMRI)作為一種具有較高時(shí)間和空間分辨率的非創(chuàng)傷性神經(jīng)影像檢查手段[1-2]，目前已被廣泛應(yīng)用于檢測(cè)腦神經(jīng)元的功能。嗅覺(jué)fMRI是利用外界的嗅覺(jué)刺激，觀察嗅覺(jué)中樞神經(jīng)元活動(dòng)的一種任務(wù)態(tài)fMRI檢查方法，由于其可以反應(yīng)嗅覺(jué)相關(guān)腦區(qū)的激活情況，可被用于會(huì)累及嗅覺(jué)神經(jīng)中樞的疾病的研究，如阿爾茨海默病，原發(fā)性帕金森等[3-4]。但是，受試者呼吸頻率及幅度個(gè)體差異較大，而且氣味刺激的時(shí)間與呼吸頻率是否同步不可控制，這可能會(huì)影響到嗅覺(jué)fMRI結(jié)果的評(píng)估。一些研究認(rèn)為，在受試者吸氣時(shí)開(kāi)始給予氣味刺激和隨機(jī)給予氣味刺激，其結(jié)果是不一致的[5]。本研究分別選擇兩種不同的氣味刺激模式，一種為定時(shí)模式，即刺激開(kāi)始的時(shí)間是固定的，可發(fā)生在呼吸周期的任何一個(gè)時(shí)相，另一種為觸發(fā)模式，即僅在感應(yīng)到受試者吸氣相開(kāi)始時(shí)給予氣味刺激，通過(guò)觀察嗅覺(jué)中樞的激活情況，來(lái)比較不同的嗅覺(jué)刺激模式是否會(huì)對(duì)嗅覺(jué)fMRI的結(jié)果產(chǎn)生影響。

1 材料和方法

1.1 研究對(duì)象本研究招募無(wú)嗅覺(jué)障礙的健康志愿者20名，均為右利手，且無(wú)頭部外傷、腦腫瘤、呼吸系統(tǒng)疾病及精神疾病等影響神經(jīng)心理和嗅覺(jué)的疾病，并無(wú)吸煙史、精神藥物服用史。所有受試者均簽署知情同意書(shū)。

1.2 嗅覺(jué)刺激方式嗅覺(jué)刺激過(guò)程應(yīng)用嗅覺(jué)刺激器V2(Emerging Tech Trans，LLC)完成?？刂葡到y(tǒng)采用儀器自帶的設(shè)定系統(tǒng)，通過(guò)編制不同程序控制在6種不同氣味源之間進(jìn)行自由切換，在MR檢查時(shí)同時(shí)按下開(kāi)關(guān)鍵，即可在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)完成嗅覺(jué)刺激?？刂葡到y(tǒng)末端連接放置氣味源的1-6號(hào)玻璃瓶及一個(gè)放置超純水的玻璃瓶。氣味源的終末端連接一個(gè)小型的塑料面罩，戴在受試者鼻前。每名受試者均在劍突水平佩戴呼吸傳感器，通過(guò)刺激器記錄受試者的呼吸頻率及幅度，以及每次刺激的起始和結(jié)束時(shí)間。刺激器可設(shè)定的模式分兩種，一種定時(shí)模式，一種觸發(fā)模式。

本研究氣味源采用可引起較顯著的嗅覺(jué)中樞神經(jīng)元活動(dòng)且基本不會(huì)產(chǎn)生對(duì)三叉神經(jīng)的額外刺激的薰衣草溶液[6]，但溶液濃度有所不同，分別為0.10%、0.33% 和1.00%。嗅覺(jué)刺激采用事件相關(guān)設(shè)計(jì)，刺激持續(xù)時(shí)間為6s，定時(shí)模式刺激間隔時(shí)間為固定的36s，而觸發(fā)模式會(huì)在經(jīng)過(guò)設(shè)定的間隔36s后通過(guò)感應(yīng)到的吸氣相觸發(fā)下一次的刺激。氣味源按照濃度由低到高的順序依次呈遞，每種濃度連續(xù)刺激5次，共計(jì)15次?？偟目諝饬魉倏刂圃?L/min。

在正式開(kāi)始檢查前，對(duì)受試者進(jìn)行呼吸訓(xùn)練，讓其平靜呼吸。在檢查時(shí)，讓受試者手握觸發(fā)氣囊，囑其在聞到味道的同時(shí)按一下氣囊，每次按下氣囊的時(shí)間也通過(guò)刺激儀記錄。

1.3 嗅覺(jué)fMRI掃描采用Siemens Trio Tim 3.0 T MR掃描儀和32通道頭線圈。受試者取仰臥位，固定頭部，囑其閉眼，并保持均勻呼吸。嗅覺(jué)功能像采用EPI序列，TR=3000ms，TE=30ms，反轉(zhuǎn)角(FA)=90°，視野(FOV)=220 mm×220mm，矩陣64×64，層厚4mm，層間距0.8mm，層數(shù)25層。定時(shí)模式采集250幀圖像，共12分38秒，觸發(fā)模式采集350幀圖像，共17分38秒。同時(shí)掃描薄層矢狀面T1WI結(jié)構(gòu)像，TR=1900ms，TE=2.5ms，F(xiàn)A=30°，F(xiàn)OV=250 mm×250mm，矩陣=256×256，層厚1.0mm，無(wú)間隔掃描，層數(shù)176層。為減少嗅覺(jué)適應(yīng)對(duì)本實(shí)驗(yàn)的影響，每名受試者兩次掃描均分成兩天進(jìn)行。

1.4 數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計(jì)分析fMRI數(shù)據(jù)采用Matlab 2010版本的SPM8軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。首先進(jìn)行預(yù)處理，之后，建立模型，選擇雙側(cè)初級(jí)嗅覺(jué)皮層(primary olfactory cortex，POC)區(qū)為感興趣區(qū)(region of interest，ROI)(圖1)，分別對(duì)兩組進(jìn)行單樣本t檢驗(yàn)(P＜0.05，體素閾值為0)，獲得兩組POC區(qū)的激活圖。

采用REST軟件提取每名受試者雙側(cè)POC區(qū)的血氧濃度水平(blood oxygen level dependent，BOLD)信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行平均，分別獲得15次刺激的時(shí)間-信號(hào)強(qiáng)度變化曲線，再對(duì)16名受試者進(jìn)行平均。然后對(duì)兩組的雙側(cè)POC區(qū)平均BOLD時(shí)間-信號(hào)強(qiáng)度變化曲線進(jìn)行配對(duì)t檢驗(yàn)。

2 結(jié) 果

2.1 基本情況本研究最終納入受試者16名，排除了頭動(dòng)過(guò)大者2名(三維旋轉(zhuǎn)均超過(guò)1°)，以及嗅覺(jué)觸發(fā)感應(yīng)不靈敏者2名(在觸發(fā)模式的350幀掃描內(nèi)未能完成預(yù)先設(shè)定的15次嗅覺(jué)刺激)。其中男7名，女9名，年齡23～28歲，平均年齡(25.4±1.4)歲。受試者在接受MR掃描過(guò)程中，均保持清醒、平靜呼吸，且能在主觀聞到味道后按下氣囊配合。

2.2 兩種模式POC區(qū)激活情況選擇雙側(cè)POC區(qū)為ROI，包括主要包括嗅核、梨狀皮層、嗅結(jié)節(jié)、杏仁核、杏仁核周圍皮層及內(nèi)嗅皮層等[7,8]，分別觀察兩種模式的POC區(qū)激活情況(圖2，3)，均可見(jiàn)明顯激活。然后，分別提取每名受試者兩種模式下雙側(cè)POC區(qū)激活體素?cái)?shù)，計(jì)算16名受試者的均值和標(biāo)準(zhǔn)差，并進(jìn)行配對(duì)t檢驗(yàn)，可以發(fā)現(xiàn)，兩種模式結(jié)果并無(wú)差異(P＞0.05)(表1)。

表1 兩種模式雙側(cè)POC區(qū)激活體素?cái)?shù)

2.3 兩種模式雙側(cè)POC區(qū)平均BOLD時(shí)間-信號(hào)強(qiáng)度變化曲線繪制兩種模式時(shí)雙側(cè)POC區(qū)的平均BOLD信號(hào)強(qiáng)度隨時(shí)間變化的曲線，對(duì)其進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，兩者之間無(wú)差異(P＞0.05)(圖4)。

3 討 論

由于多種神經(jīng)系統(tǒng)退行性變?cè)缙诰鶗?huì)出現(xiàn)嗅覺(jué)受累，嗅覺(jué)fMRI也逐漸成為研究的熱點(diǎn)。但是人類對(duì)嗅覺(jué)的反應(yīng)不如視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)等其他感覺(jué)敏感，極易出現(xiàn)嗅覺(jué)適應(yīng)，且個(gè)體之間差異較大，影響因素較多，因此，如何提高嗅覺(jué)fMRI結(jié)果的敏感性及可靠性一直困擾著我們。其中最為重要的是，呼吸會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生什么樣的影響，以及刺激時(shí)間與呼吸時(shí)相是否同步能否會(huì)造成結(jié)果的不一致性，這些問(wèn)題都影響對(duì)嗅覺(jué)fMRI結(jié)果的正確分析。

人類感覺(jué)到氣味的強(qiáng)弱與其呼吸的幅度和頻率都是密切相關(guān)的，而由于呼吸幅度和頻率的不同也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的一些生理學(xué)的改變，如腦血流量和血氧含量的變化，進(jìn)而引起B(yǎng)OLD信號(hào)的改變[9]。為了最大限度地減少這些因素的影響，本研究在開(kāi)始進(jìn)行磁共振檢查前都會(huì)對(duì)受試者進(jìn)行呼吸訓(xùn)練。但是，Wang等[5]的研究認(rèn)為，即使是平靜呼吸的情況下，在不同的呼吸時(shí)相給予氣味刺激，也會(huì)對(duì)嗅覺(jué)fMRI結(jié)果產(chǎn)生影響，且在吸氣相開(kāi)始時(shí)給予氣味刺激得到的結(jié)果是最理想的。

本研究設(shè)定的每次氣味刺激持續(xù)時(shí)間為6s，在這一段時(shí)間內(nèi)，每名受試者都可以至少完成一個(gè)呼吸周期，也就是說(shuō)，無(wú)論是對(duì)于定時(shí)模式還是觸發(fā)模式而言，每次刺激都是確定有效的，只要在這6s時(shí)間內(nèi)有吸氣相產(chǎn)生，受試者都是可以接收到嗅覺(jué)刺激，產(chǎn)生反應(yīng)的，而刺激器記錄到的受試者的主觀反應(yīng)也證明，其在刺激時(shí)間內(nèi)有效吸氣相的末端能夠聞到氣味。這就證明了，在我們?cè)O(shè)定6s的刺激時(shí)間內(nèi)，定時(shí)模式和觸發(fā)模式下受試者接收到的嗅覺(jué)刺激并沒(méi)有差別。在吸氣相時(shí)，氣味分子撞擊鼻腔黏膜，其內(nèi)的嗅細(xì)胞發(fā)出嗅絲，到達(dá)嗅球，再通過(guò)嗅束至POC 區(qū)[10]，使相應(yīng)區(qū)域神經(jīng)元活動(dòng)增加，這一過(guò)程是在氣味分子通過(guò)吸氣進(jìn)入鼻腔黏膜時(shí)開(kāi)始的，與刺激的開(kāi)始時(shí)間并無(wú)相關(guān)，因而得到的嗅覺(jué)中樞的激活情況也是沒(méi)有差異的。

POC區(qū)是初級(jí)嗅覺(jué)中樞，其直接接受來(lái)自嗅球傳導(dǎo)的嗅覺(jué)刺激，與嗅覺(jué)功能密切相關(guān)[11]，一些中樞神經(jīng)系統(tǒng)退行性變?nèi)鏏D早期最易累及POC區(qū)[12]，因此本研究選擇POC區(qū)為ROI，獲得受試者嗅覺(jué)刺激的反應(yīng)情況，其在接受刺激后早期有強(qiáng)烈地反應(yīng)，而在隨后的30-40s逐漸減弱。但是當(dāng)給予同一種氣味連續(xù)刺激時(shí)，POC區(qū)會(huì)產(chǎn)生嗅覺(jué)適應(yīng)[13]，因此，本研究選擇三種不同濃度的薰衣草制劑由低到高依次呈遞，最大限度減小嗅覺(jué)適應(yīng)對(duì)結(jié)果的影響。

總之，在進(jìn)行嗅覺(jué)fMRI檢查時(shí)，應(yīng)當(dāng)盡量避免呼吸幅度和頻率、嗅覺(jué)適應(yīng)等因素的干擾，而對(duì)于不同的嗅覺(jué)刺激模式，只要保證受試者在氣味刺激持續(xù)時(shí)間內(nèi)至少有一個(gè)有效的吸氣相，POC區(qū)的激活反應(yīng)是沒(méi)有差別的。同時(shí)，考慮到觸發(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(jué)fMRI檢查，筆者推薦在進(jìn)行嗅覺(jué)fMRI檢查時(shí)，首選定時(shí)模式。

[1]張洪英,高歌軍,滕皋軍.阿爾茨海默病的情影記憶fMRI研究[J].中國(guó)CT 和MRI雜志.2007.5(3):38-40.

[2]黎元,馮曉源,湯偉軍,等.漢字詞組語(yǔ)義辨別腦功能區(qū)定位的fMRI研究[J].中國(guó)CT和MRI雜志.2004.2(2)：1-4.

[3] Barresi M, Ciurleo R, Giacoppo S, et al. Evaluation of olfactory dysfunction in neurodegenerative diseases[J]. J Neurol Sci, 2012, 323(1-2): 16-24.

[4] Wang J, Eslinger P J, Doty R L, et al. Olfactory deficit detected by fMRI in early Alzheimer's disease[J]. Brain Res, 2010, 1357: 184-194.

[5] Wang J, Sun X, Yang Q X. Methods for olfactory fMRI studies: Implication of respiration[J]. Hum Brain Mapp, 2014, 35(8): 3616-3624.

[6] Patton HD. Taste, olfaction and visceral sensation[J]. Medical Physiology and Biophysics Philadelphia: Saunders,1960:374-377.

[7] Toledano A, Borromeo S, Luna G, et al. Objective assessment of olfactory function using functional magnetic resonance imaging[J]. Acta Otorrinolaringol Esp, 2012, 63(4): 280-285.

[8] Zelano C, Montag J, Johnson B, et al. Dissociated representations of irritation and valence in human primary olfactory cortex[J]. J Neurophysiol, 2007, 97(3): 1969-1976.

[9] Raj D, Anderson A W, Gore J C. Respiratory effects in human functional magnetic resonance imaging due to bulk susceptibility changes[J]. Phys Med Biol, 2001, 46(12): 3331-3340.

[10]Smejkal V, Druga R, Tintera J. Olfactory activity in the human brain identified by fMRI[J]. Bratisl Lek Listy, 2003, 104(6): 184-188.

[11]Howard J D, Plailly J, Grueschow M, et al. Odor quality coding and categorization in human posterior piriform cortex[J]. Nat Neurosci, 2009, 12(7): 932-938.

[12]Christen-Zaech S, Kraftsik R, Pillevuit O, et al. Early olfactory involvement in Alzheimer's disease[J]. Can J Neurol Sci, 2003, 30(1): 20-25.

[13]Yousem D M, Williams S C, Howard R O, et al. Functional MR imaging during odor stimulation: preliminary data[J]. Radiology, 1997, 204(3): 833-838.

(本文編輯: 張嘉瑜)

The Effects of Different Odor Stimulation Paradigms On Olfactory fMRI Study*

ZHANG Hui, SUN Hai-zhen, ZHAO Yan-tong,et al., The First Central Clinical College of Tianjin Medical University, Tianjin 300192, China

ObjectiveTo study the effects of different odor stimulation paradigms on olfactory fMRI results by observing the activation of olfactory central system.MethodsTwo different olfactory stimulation paradigms olfactory fMRI were executed on the same subjects,and extracted bilateral primary olfactory cortex area as ROI, observing its activation responding and BOLD signal intensity changes, to see whether there are any differences between the two paradigms.ResultsThe ROI area activation responding of both two odor stimulation paradigms of 16 normal volunteers showed no statistical differences (fixed paradigm were 69.00±80.23, trigger paradigm were 102.81±151.44, P values=0.42), and there was no statistical differences between the two average time of BOLD signal intensity curve (P values=0.167).ConclusionNo matter what the paradigm is, there should be at least one effective inspiratory phase in the duration of odor stimulation,it should cause the same activation response in the olfactory center. Therefore, different paradigms of olfactory stimulation do not effect on the result of olfactory fMRI.

Olfaction; Functional Magnetic Resonance Imaging; Primary Olfactory Cortex

R339.12

A

天津市衛(wèi)生局攻關(guān)課題(13 KG107)；天津市科委支撐計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(15ZCZDSY00520)

10.3969/j.issn.1672-5131.2016.04.001

尹建忠

2016-03-08