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人嗅性诱发电位
[关键词] 嗅觉系统

嗅性诱发电位(olfactory evoked potentials, OEP)作为一项客观而灵敏的
电生理指标,对于嗅觉系统及其相关疾病的诊断具有重要的临床应用价值。现从嗅
觉的解剖、生理,嗅性诱发电位的波形、影响因素及其临床应用等方面加以阐述。

定义和研究历史

  嗅性诱发电位系由气味剂(odrants)或电脉冲刺激嗅粘膜,应用计算机叠加
技术,按国际标准10/20法在头皮特定部位记录到的特异性脑电位。由气味剂刺激
诱发者亦称嗅性相关电位(olfactory event-related potentials, OERP)。

  嗅觉是最原始的感觉功能之一,起着识别、报警、增进食欲、影响情绪等作用
,对于一些从事特殊职业者,如香精师、美食家、侦察员、化学师、医师、公安消
防人员等,灵敏的嗅觉更是必不可少。

  长期以来,对于嗅觉能力的检测或嗅觉疾病的诊断,主要依赖患者的主诉和一
些主观的检查方法,如常用的标准微胶囊嗅功能检查法(University of Pennsyl
vania Smell Identification Test, UPSIT)、T&T嗅觉计和静脉性嗅觉试验等,
它们的主观随意性大,结果不够可靠。因此,人们一直致力于寻找一种客观的嗅觉
检查方法。

  本世纪五十年代,人们以电刺激动物嗅粘膜,在头皮特定部位记录到稳定的特
异性脑电位变化,称之为嗅性诱发电位。1966年Finkenzeller等[1]用气味剂刺
激人类嗅粘膜,同样在头皮特定部位记录到了嗅性诱发电位,亦即嗅性相关电位。
但在当时的实验条件下,不能排除三叉神经受刺激诱发的电位的影响。1978年Kob
al等[2]研制了一种嗅觉刺激装置,其在刺激嗅区粘膜的同时不会引起呼吸区粘
膜的温度和体感变化。后来,人们又发现了仅能兴奋嗅觉系统而不兴奋三叉神经系
统的化学物质,如香草醛(3-甲氧基-4-羟基甲醛)、硫化氢等[3]。从此,嗅性
诱发电位的研究得到了较快的发展。与电刺激相比较,应用化学刺激更接近嗅觉生
理,近年来的研究也主要集中于OERP。

嗅觉系统的解剖通路

  嗅觉系统主要由嗅上皮、嗅球和嗅皮层三部分组成[4]。
  每侧鼻腔嗅区粘膜总面积约1~5 cm2,由假复层柱状上皮构成。嗅上皮内主要
含嗅觉感受细胞(olfactory receptor cells)、支持细胞和基底细胞。嗅觉感受
细胞为双极神经元,周围突伸向粘膜表面,末端形成带纤毛(10~30根)的嗅泡;
中枢突无髓鞘,融合成嗅丝后穿过筛板止于嗅球。支持细胞规则排列于粘膜浅表嗅
感觉细胞的树突间,起着支持作用,而不直接参与嗅觉处理。基底细胞位于粘膜最
底层,能分化为嗅觉感受细胞和支持细胞。
  嗅球位于前颅窝底,是嗅觉通路的第一中转站。嗅球呈层状结构,由外向内依
次为嗅神经层(olfactory nerve layer)、突触球层(glomerular layer)、外
丛状层(external plexiform layer)、僧帽细胞层(mitral cell layer)、颗
粒细胞层(granule cell layer)和前嗅核层(anterior olfactory nucleus la
yer),其中颗粒细胞层亦称内丛状层(internal plexiform layer)。分布于其
间的神经元有僧帽细胞(mitral cells)、丛状细胞(tufted cells)、球周细胞
(periglomerular cells)、颗粒细胞(granule cells)和短轴突细胞(short
axon cells)等。僧帽细胞的胞体直径15~30 μm,顶树突垂直穿过外丛状层,与
突触球形成树形复合体,二级树突分深、浅二类,平行分布于外丛状层。丛状细胞
根据其位置分内丛状细胞、中丛状细胞和外丛状细胞,树突分布于突触球层,内、
外丛状细胞和僧帽细胞的轴突一起参与嗅束的构成,而中丛状细胞的轴突则分叉后
分布于颗粒细胞层。球周细胞位于突触球周围,轴突参与球周局部神经元回路的形
成。颗粒细胞无轴突,有大量树突嵴。浅层颗粒细胞的树突在外丛状层浅部与丛状
细胞的二级树突形成突触回路,深层颗粒细胞则在外丛状层深部与僧帽细胞的二级
树突形成局部突触回路。由此可见,嗅觉系统内存在两种平行的嗅觉信号处理机制
的观点是有一定道理的。另外,在各突触球、两侧嗅球、嗅中枢神经元之间均有着
广泛的神经联系,起着相互影响和反馈的作用。嗅束主要由僧帽细胞、丛状细胞的
轴突纤维及嗅皮质投射到嗅球颗粒细胞的纤维构成,还包括一些对侧嗅球与前嗅核
的传出纤维,为嗅信息的传入与抑制性的传出通路。
  对于深层嗅中枢的解剖结构,目前尚无定论。大多数学者认为[5]:嗅束接
近前穿质处形成嗅三角,其底部两侧发出两条灰质带:即外侧嗅回和内侧嗅回。前
者移行于梨状叶,其内侧缘的纤维束(外侧嗅纹)至岛回,终止于杏仁核周区;后
者移行于大脑半球内侧面隔区,通过内侧嗅纹中的纤维束连接终板旁回、胼胝体下
回和前海马残体,部分内侧嗅纹经前连合与对侧嗅球联系。嗅皮质为嗅高级中枢,
分为初级嗅皮质和次级嗅皮质。前者包括前梨状区和杏仁周区,直接接受来自嗅球
和前嗅核的纤维;后者指内嗅区,接受来自初级嗅皮质的纤维,而不直接接受嗅球
或嗅束来的纤维,发出纤维主要投射到海马。嗅觉的较高级中枢受两侧皮质支配。

嗅觉生理

  气味分子经高而窄的鼻通道到达嗅区后,必须通过亲水的粘液层才能与嗅觉感
受细胞发生作用。鼻粘膜内的可溶性气味结合蛋白(odrant binding proteins)
有粘合和运输气味分子、增加气味分子的溶解度的作用,促进气味分子接近嗅觉感
受器,并使嗅细胞周围的气味分子浓度比外周空气中的浓度提高数千倍。嗅粘膜内
还具有高浓度的药物代谢酶,其中包括细胞色素P-450,谷胱苷肽及尿苷二磷酸转
移酶,这些酶具有将气味物质转化为代谢产物的能力。气味分子一旦溶解于粘膜,
嗅觉转导即刻启动。目前认为嗅觉转导是通过嗅上皮的特异性G蛋白激活细胞内第
二信使系统环磷酸腺苷(cyclic adenosine monophosphate, cAMP)和/或三磷酸
肌醇(inositol 1, 4, 5-triphosphate, IP3),直接影响纤毛中的离子通道,使
感觉神经元去极化[5,6 ]。嗅觉感受器及中枢神经系统对各种各样的气味刺激如
何编码与识别,目前还不清楚。有人认为嗅上皮可被分为一系列特定表达区域,这
或许是将嗅信息传递到大脑嗅球的初期粗略的特异性基因定位。嗅觉的信息处理部
位主要位于嗅球内,并于该处进一步将初级嗅信息提纯。另外,有人发现人类两侧
大脑的嗅觉能力不一样,多数认为右侧为优势侧,因为观察到在左侧中枢、周边及
后脑切除的患者仍保持嗅觉识别能力[7],而右侧顶、额、颞叶损害的患者出现
单侧气味识别障碍[8]。嗅觉具有明显的适应现象,有人认为这是细胞内Ca2+/钙
调蛋白通过对核苷酸闸门性嗅觉通道的负反馈作用,调节其对cAMP的亲合力的结果


嗅觉障碍及其检查方法

  据文献报道,有200多种疾病和40多种药物可引起嗅觉障碍,包括先天性感受
器神经元发育不良及后天性的外伤、肿瘤、感染、血管病变、内分泌和神经系统疾
病、职业暴露以及维生素和微量元素缺乏等诸多疾患。而在临床以鼻部疾患、上呼
吸道病毒感染和头部外伤为最常见。嗅觉障碍的分类方法很多,按其表现形式可分
为:嗅觉缺失、嗅觉减退、嗅觉过敏、嗅觉倒错和幻嗅。按发病部位又可分为:呼
吸性嗅觉障碍、感受性嗅觉障碍、颅内神经性嗅觉障碍和精神性嗅觉障碍。嗅觉障
碍的检查方法主要为主观嗅觉功能检查法和客观嗅觉功能检查法两大类。前者主要
有标准微胶囊嗅功能检查法、T&T嗅觉计和静脉性嗅觉试验。后者主要有嗅性诱发
电位、嗅电图(electro-olfactogram, EOG)和伴发负电改变(contingent nega
tive variation)等[5]。主观法测试方法简便,但结果误差大。客观法技术要
求较高,但结果客观、准确且灵敏。另外,影象学检查及嗅粘膜活组织检查等方法
对嗅觉障碍的诊断也有重要意义。
OERP的测试

  受检者镇静、放松,经口呼吸,尽量减少转头、动眼、吞咽等动作。一定浓度
和湿度的气味剂以恒温恒流速平稳地流向鼻腔嗅区,反复、间断作用数十次,按国
际标准10/20法在头皮Fz、Cz、Pz、C3、C4等处分别记录到脑电位后,再依次经放
大和滤波,得到稳定的OERP波形。参考电极置于A1、A2,地极连于左乳突或前额部
。实验一般要求气味剂温度约36.5 ℃,流速5~9 l/min。刺激持续40~200 ms,
间隔30~150 s,分析时间为2~4 s。记录电极的电阻小于5 KΩ,带通滤波为0.1
~100 Hz[9]。整个操作在屏蔽室内进行,用50~65 dB SPL的白噪声掩盖操作时
发生的异响。由眨眼等动作引起的电位必须排除在外。一般以Pz处记录到的波形为
最佳。Kobal等[9]还要求受检者通过计算机执行“跟踪任务(tracking task)
”,以使其集中注意力。
  一、OERP各波的命名
  OERP各波根据其正负极性和出现顺序分别命名为P1、N1、P2、N2[10],有时
还可记录到第三个正向波P3。
  二、OERP各波的产生源
  由于嗅觉系统的解剖、生理较为复杂,尤其对深层嗅觉中枢的具体定位尚无定
论,OERP各波的具体来源目前尚不清楚。有学者认为N1和P2主要与外源性嗅感觉有
关,而P3则主要反映内源性嗅觉处理[11]。
  三、OERP的影响因素
  各波的振幅和潜伏期与受检者的年龄、性别及气味剂的种类、浓度等有关。
  1.与受检者年龄的关系:Hummel等[12]、Evans等、Murphy等、Morgan等[
13]的研究表明,各波的振幅随年龄增加而减小。不过也有例外,对女性而言,老
年组的振幅明显大于中年和青年,中年组的振幅最小。对于潜伏期,其意见并不统
一。Hummel等[12]和Morgan等[13]认为各波的潜伏期随年龄增加而增大,Eva
ns等研究发现P2、N2的潜伏期随年龄增加而增加,且前者的变化具有显著性,成年
人大致每增加1岁潜伏期平均增加2.5 ms。而P1、N1的潜伏期未见明显变化。Humm
el等[12]还发现,对于同一年龄段,振幅和潜伏期的个体差异以老年组最大。
  2.与受检者性别的关系:研究表明[12,14]女性各波的振幅普遍高于男性,
可高出60%~90%,这可能与性激素水平有关。文献报道嗅觉系统的外周和中枢均
与雌二醇的代谢有联系。老年男性各波的振幅还与刺激间隔有关[13],当刺激间
隔为90 s时,其振幅并不比同龄女性小。
  3.与气味剂种类的关系:对比不同学者的研究结果[9,15]不难发现,不同气
味剂诱发的OERP各波的振幅和潜伏期不同,这可能首先与嗅区粘液对不同化学物质
的吸收性高低不同有关;其次,有些化学物质如醋酸戊酯(amyl acetate)在兴奋
嗅觉系统的同时也能兴奋三叉神经系统,从而诱发出三叉神经性体感诱发电位;再
者,还可能与不同学者的具体实验条件不同有关。
  4.与气味剂浓度的关系:研究表明随着浓度增加,所有峰及峰间振幅均增大
,但只有P3达显著性。各波潜伏期都减小,以N1、P1最显著[10,16]。对此也有
不同意见,Pause等研究认为,随着气味剂浓度增加,N1的潜伏期缩短,而振幅无
变化。
  5.其它: 如吸毒、嗜酒,可致N1波的振幅明显减小[17]。

电刺激诱发的OEP

  电刺激诱发OEP的研究从1959年就已开始,早先的研究均以动物作模型。1996
年Masanori等[18]首次将其用于临床。他们用1~7 mA的方波电脉冲刺激全身麻
醉行经前颅窝开颅术的脑瘤患者的嗅粘膜,持续0.1 ms,频率为0.1~5 Hz,在嗅
束处记录到OEP。该波根据其极性(负电位)和潜伏期(约27 ms),命名为N27,
振幅为5~25 μV。N27具有很高的可重复性和稳定性,不受肌肉松驰剂的影响,且
当频率由1 Hz增至5 Hz时,其振幅约减小60%。另有学者刺激侧额部头皮也成功记
录到电刺激诱发的OEP,其潜伏期为19.4 ms。

嗅性诱发电位的临床应用

  1.嗅觉障碍的诊断:嗅性诱发电位对诊断嗅觉缺失的意义是不言而喻的,它
与伴发负电改变结合还可以诊断嗅觉减退、嗅觉倒错。嗅性诱发电位对于婴幼儿、
脑损伤患者的嗅觉水平的检查,更是具有不可替代的重要作用。
  2.嗅觉水平的监测和评价:嗅觉系统邻近区域的手术,尤其是前颅窝和某些
鼻部手术,很容易伤及嗅觉系统,引起嗅觉功能障碍。如果应用嗅性诱发电位对嗅
觉水平作术中监测,可以降低这一并发症的发生率。术后应用嗅性诱发电位检查嗅
觉水平,可以客观评价手术效果,促进术式的改进。
  3.某些临床疾病的辅助诊断:嗅觉系统疾病如嗅神经母细胞瘤,另外如帕金
森病、老年性痴呆、Kallmann综合征、多发性硬化、颞叶癫痫等疾病早期往往伴有
嗅觉水平的下降[19-21],故嗅性诱发电位可用于该些疾病早期诊断的参考。
  4.其它:如诈病,应用嗅性诱发电位是目前最理想的检测方法。

目前所存问题及研究前景

  嗅觉系统的解剖复杂,深层嗅觉中枢的具体定位尚无定论。嗅觉生理具有特殊
性,许多理论和技术问题(如嗅觉系统与三叉神经系统之间的关系,刺激气的数量
、强度和频率的控制等)尚待解决。嗅性诱发电位各波的具体来源及其与疾病间的
相互关系还不清楚,目前尚不能用于嗅性系统疾病的定位、定性诊断。
  但是,越来越符合自然嗅机制的刺激器不断研制产生,嗅觉通路的解剖和嗅觉
生理正在不断得到阐明。随着对嗅性诱发电位研究的不断深入,它必将得到更加广
泛的应用。另外,CT、MRI等影像学检查主要反映组织结构的改变,而嗅性诱发电
位主要用于反映感觉径路功能和大脑高级中枢的认知水平,两者相互结合,必将大
大提高临床诊断及病情预估的质量。且已有研究表明,应用嗅性诱发电位检查嗅觉
障碍比应用主观的嗅觉功能检查方法更灵敏[13,19,20]。
  综上所述,嗅性诱发电位作为一项客观而灵敏的电生理指标,具有广阔的科研
前景和重要的临床应用价值。

参 考 文 献

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