功能MRI及其在微波辐射神经生物学效应研究中的应用进展

崔亮 左红艳 王德文

功能MRI及其在微波辐射神经生物学效应研究中的应用进展

崔亮 左红艳 王德文*

功能MRI技术能够提供脑内局部代谢产物和血氧变化水平等医学成像信息，该技术已在神经、认知科学领域得到了广泛应用。同时，随着微波等电磁技术的普遍使用，对微波辐射生物效应的关注度也越来越高，但是现有微波辐射生物效应还缺乏医学成像证据。通过综述功能MRI和微波辐射神经生物学效应研究的进展，提出了微波辐射神经生物学效应研究亟待解决的问题，并对功能MRI技术应用于微波辐射所致神经损伤研究的可行性进行展望。

功能磁共振成像；血氧水平依赖；微波辐射；神经生物学效应；海马

Int J Med Radiol，2016，39（6）：661-665

近年来MRI技术不断发展，已经从单纯的大脑结构成像发展到脑功能成像，可提供详细和动态的组织结构、物质代谢以及认知活动神经功能变化等相关的直接医学成像信息[1-2]，并已在神经、认知科学等多个领域得到了广泛应用。

随着科学技术的不断进步，微波等电磁技术在众多领域得到了广泛的应用，但人类健康也受到其辐射的影响，微波可穿透生命体，其能量被组织吸收后引起一系列生物效应，其中脑、心血管、生殖等器官系统为其主要靶部位，尤其脑神经系统最为敏感，它不仅见于高功率微波辐射条件下[3]，也发生在如手机等日常生活和低强度长期慢性辐射动物实验研究中[4]。

然而，现有的微波辐射生物效应研究还缺乏临床影像学的直接证据，亦尚未见到将微波辐射生物效应与MRI结合的相关文献报道，因此如何将其微观的组织生化信息与宏观的组织形态变化连接起来已成为新的关注点和研究方向。本文就MRI技术进展及其应用于微波辐射致脑神经系统（特别是最敏感的海马脑区）损伤特点和机制研究的现状予以综述。

1 功能MRI技术进展及其应用

MR设备于20世纪80年代进入临床应用，由于其成像具有较高的分辨力，且对神经系统及软组织成像优于CT，故在投入临床应用后得到了广泛的

认可和快速的发展。目前MRI已从开始的一般结构成像发展到更多成像技术，这些新技术在神经系统疾病研究和临床应用中备受青睐，其中用于神经系统研究的主要有基于血氧水平依赖（blood oxygenation level dependent，BOLD）效应的脑功能MRI（functional MRI，fMRI）、MR波谱（MRS）成像、扩散加权成像（diffusion weighted imaging，DWI）、动脉自旋标记（arterial spin labeling，ASL）技术等。这些新技术在神经、认知领域中的应用极大推进了人们对神经系统结构和功能之间相互关系的研究，尤其在揭示大脑不同结构区域的功能方面提供了强有力的技术支持和影像学依据。

1.1 MRSMRS是一种用于观察组织代谢变化的成像技术，具有无创性的特点。其基本原理是利用不同奇数核子的原子核的旋磁比，如1H、31P等，在外加磁场中产生MRS信号，由于1H的旋磁比最大，产生的MRS最强，因此1H-MRS的应用也最广泛、最方便。1H-MRS在脑内所检测到的代谢物质均与三羧酸循环有关。代谢物质主要包括N-乙酰天门冬氨酸（NAA）、胆碱化合物（Cho）、肌酸（Cr）/磷酸肌酸、谷氨酸类化合物（Glx）、肌醇（mI）等。Jozefovicova等[5]利用1H-MRS技术，在亨廷顿病（Huntington’s disease，HD）小型猪模型的大脑皮质、海马和丘脑内均发现Cho/Cr比值升高，在海马内还发现mI/Cr的比值也显著升高。阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease，AD）是一种以乙酰胆碱含量降低为主要特征的疾病，Wang等[6]应用meta分析方法，分析了38篇有关1H-MRS技术在AD中的应用类文章，结果显示MRS采集到的数据中NAA、mI以及NAA/Cr的比值改变可能是AD脑功能缺陷的生物标志物，此外Cho/Cr和mI/NAA的变化可能也有助于AD的诊断。孙等[7]对轻度认知功能障碍（mild cognitive impairment，MCI）病人海马区进行MRS扫描后，发现MCI病人海马体积减小，且NAA/Cr值降低、mI/Cr值升高，并认为MRS可用于检测MCI病人的病情变化。

1.2 DWIDWI是一种依赖于水分子运动的成像手段，组织内水分子可以被MRI控制其磁化状态，但不影响其扩散，因此可应用MRI来检测水分子的扩散方向。其中常用参数为表观扩散系数（apparent diffusion coefficient，ADC），ADC可以用来描述DWI中分子扩散运动的不同方向。Bartsch等[8]利用DWI技术对脑缺血缺氧大鼠模型扫描后发现，大鼠海马CA1区ADC值下降，并伴随大量胶质细胞增生和明显的神经细胞死亡，表明ADC值的降低与细胞缺血损伤相关。Zhao等[9]研究老年高血压认知障碍病人时发现，认知功能下降伴随着ADC值的升高，皮质和海马的ADC值升高最为显著。脑胆碱能神经元的损失是AD的关键特征之一，Zimny等[10]发现AD病人和MCI病人的海马萎缩程度与ADC值升高相关。Fu等[11]也在AD病人的颞叶、海马等区域发现各向异性分数（fractional anisotropy，FA）值较低，但ADC值则较高。

此外，扩散张量成像（diffusion tensor imaging，DTI）是DWI技术的延续，是描述水分子扩散方向特征的一项技术。常用的参数为FA、相对各向异性（relative anisotropy，RA）和容积比（volume ratio，VR），其中FA值较敏感。根据各个梯度方向水分子的运动情况，可以反映脑内白质纤维束的完整性、走行方向和髓鞘化等信息[12]。Kerbler等[13]利用DTI技术对AD模型大鼠进行扫描，发现在基底前脑区FA值与AD大鼠脑内胆碱乙酰转移酶阳性神经元数量呈负相关。

1.3 基于BOLD效应的脑fMRI基于血液中的脱氧血红蛋白具有顺磁性的特点，可以缩短组织T2或T2*，而氧合血红蛋白则具有轻度反磁性，能够延长T2或T2*，因此氧合血红蛋白增多的组织，其T2WI或T2*WI信号强度升高，这种信号可被高场强的MRI所捕捉，经过对数据的处理可以显示出兴奋的脑区，利用BOLD-fMRI可对认知、运动、语言等脑功能进行研究。BOLD-fMRI主要有静息态和任务态两种应用模式。静息态模式要求受试者清醒、安静状态，尽量不进行任何思考；任务态模式则给予受试者特定任务以刺激引发神经元活动，在不同的模式下对受试者进行功能成像。Jin等[14]在对遗忘型MCI病人的任务态模式BOLD-fMRI数据分析中发现，MCI病人的海马区、扣带回皮质区等脑区的BOLD信号改变呈显著的线性正相关，而健康对照组并不显著，从而表明在认知障碍病人的海马区可以检测到阳性改变的BOLD信号。de Rover等[15]在对MCI的任务态模式BOLD-fMRI对比分析中进一步发现，MCI病人海马区的激活与学习载荷相关，低负载时海马区激活较对照组明显增加，高负载时海马区激活却较对照组明显减少，并且海马的功能缺陷伴随有相同位置的结构差异。

1.4 ASLASL是一种将血液中的质子作为内源性

示踪剂的MR灌注加权成像（perfusion weighted imaging，PWI）技术。ASL一般分为连续式ASL技术（CASL）和脉冲式ASL技术（PASL）两类。ASL技术既可以标记所有流入的血流，也可以选择性地标记特定血管，显示特定脑区的灌注状况。Xu等[16]应用ASL技术和15O-水PET灌注成像分别对AD病人和MCI病人脑血流进行对比研究后发现，两种方法所测结果一致，即AD和MCI病人大脑灰质/白质灌注血流比均为最低。陈等[17]将AD病人同健康人群的ASL扫描数据进行对比后发现，AD病人双侧海马区、额叶、颞叶等区域的脑血流量较健康对照者显著下降。

2 微波辐射的神经生物学效应及其机制的研究进展

2.1 微波辐射对生物体的基本效应微波辐射的生物学效应从总体上可以分为热效应和非热效应两类，其中连续微波照射以热效应为主，脉冲波照射则以非热效应为主[18]。

热效应的本质是组织吸收微波能量导致组织温度逐渐升高而产生的生物效应。通常认为温度升高改变了细胞膜中蛋白质分子与类脂分子的组成，并且其排列发生变化，同时温度升高还能影响血液循环以及细胞分裂和增殖，此外亲水蛋白质分子和DNA的构象或状态及其生化反应过程也会受到温度升高的影响。热效应存在明显的剂量-效应关系，即损伤程度同功率密度的大小及辐射时间成正比，同辐射距离成反比。

非热效应是除热效应以外的其他由微波辐射引起的生物效应，其变化主要发生在细胞和分子水平，即主要由微波引起细胞产生的电场振荡和细胞转动、细胞膜结构破坏与功能紊乱（膜穿孔、通透性增高）、自由基损伤、细胞内信号转导障碍、DNA损伤及细胞周期阻滞、突触可塑性变化等造成机体的生理、生化、病理过程变化的效应[3]。非热效应尚缺乏明确的剂量-效应关系，其中低强度的微波辐射不造成组织细胞的明显损伤，但可造成学习记忆能力下降，老年痴呆发生率增多、生殖障碍、肿瘤发病率升高等；高强度微波辐射可以产生较严重损害，并具有“窗效应”特点（“频率窗”、“功率窗”）。综上大量研究表明，微波辐射生物学效应的主要靶器官依次为中枢神经系统、心血管系统、生殖系统、免疫系统、视觉系统、内分泌系统，其中神经系统敏感性极高。

2.2 微波辐射神经生物学效应的研究进展

2.2.1 行为认知功能改变微波辐射致神经系统损伤可累及所有脑区，微波辐射后学习和记忆能力的改变主要表现为空间参考记忆、短时记忆、长时记忆及运动性学习记忆能力下降，其中学习记忆中枢的海马脑区损伤更为突出，可导致其相关功能的下降以及组织结构乃至蛋白质组学的改变[19-20]。人体长期受到低剂量的微波辐射会产生失眠、学习记忆力下降，神经衰弱等症状[21-22]。更进一步的研究显示，微波可以引起认知功能下降，大脑氧化应激、炎症反应[23]，还能够升高大脑热休克蛋白70（HSP70）水平，造成DNA损伤[24]。

2.2.2 海马神经元形态学变化海马神经元在受到微波辐射后可观察到的形态学变化主要为变性、坏死、凋亡、细胞水肿[25]。Shahin等[26]发现受到2.45 GHz短期和长期低剂量微波辐射后，小鼠海马组织都提高了氧化/硝化应激水平，促进了海马内p53依赖/非依赖神经元的凋亡，从而造成空间记忆能力损伤。Wang等[27]使用高功率微波照射大鼠后发现，海马神经元存在不同程度的变性，并且突触后密度升高、突触间隙模糊。Saikhedkar等[28]使用900 MHz微波对大鼠照射15 d后，可以观察到大鼠海马神经元退行性改变以及明显的行为变化。Igarashi等[29]则用3.0 kW的微波照射大鼠0.1 s，制成大脑损伤模型，在其海马CA1区观察到明显的神经细胞减少，而CA2区无明显改变。

2.3 微波辐射神经生物学效应机制的研究

2.3.1 神经递质变化海马区在受到微波辐射后其内的神经递质含量会发生明显变化。海马区内的主要神经递质有：乙酰胆碱（Ach）、γ-氨基丁酸（GABA）、谷氨酸（Glu）、甘氨酸（Gly）、5-羟色胺（5-HT）和去甲肾上腺素（NA）。其中Ach是在神经细胞内由胆碱和乙酰辅酶A在胆碱乙酰转移酶（Choline acetyltransferase,ChAT）的催化作用下合成的，是一种重要的神经递质，脑内Ach含量与学习记忆和认知能力密切相关[30]。聂等[31]使用频率为2 450 MHz、微波照射1 h后，观察到小鼠脑内Ach含量、ChAT活性均明显下降。此外Testylier等[32]采用高功率密度（200 mW/cm2）的微波源照射大鼠，结果引起海马Ach分泌量锐减40%。Qiao等[33]发现微波辐射暴露后导致大鼠GABA含量减少，并认为GABA的减少与大鼠空间记忆能力受损相关。Wang等[34]观察到长时间接受微波辐射后，大鼠海马内Glu和集落刺激因子（CSF）含量升高。魏等[35]使用功率密度为30 mW/cm2的微波源辐射大鼠后，发现海马组织内

Glu、Gly及天门冬氨酸3种氨基酸类神经递质含量减少。

2.3.2 脑细胞信号通路改变脑内Ach的含量是由海马胆碱能神经刺激肽（Hippocampal cholinergic neurostimulating peptide,HCNP）通过增减海马ChAT的数量而调控的，HCNP的前体蛋白是迅速加速纤维肉瘤(rapidly accelerated fibrosarcoma,Raf)激酶抑制蛋白（raf-1 kinase inhibitor protein,RKIP），Giovannini等[36]发现细胞外信号调节蛋白激酶（extracellular regulated protein kinases，ERK）等信号通路激活与Ach合成释放与增加相互影响，参与多种记忆的形成。左等[37-38]发现微波辐射以后RKIP的表达下调，从而通过Raf/有丝分裂原激活的蛋白激酶（mitogen activated protein kinase，MEK）/ERK信号通路参与海马神经元的凋亡调控，在辐射所致海马神经元凋亡中发挥重要调节作用。Wang等[39]发现微波辐射后，大鼠异常的蛋白和mRNA的表达，以及在NMDAR-PSD95-CaMKII通路中相关部件的翻译后修饰。Zhao等[40]将PC12细胞暴露于30 mW/cm2微波后发现，琥珀酸脱氢酶（SDH）和还原的细胞色素C氧化酶（COX）活性下降，并且有ERK和磷酯酰肌醇3激酶（phosphoinositide-3-kinase，PI3K）信号通路的激活。

3 小结与展望

一些研究已经证实，微波辐射后会发生Ach、Glu等神经递质的变化[31-32,35]，微波辐射所致脑损伤以认知能力受损为主，在大鼠水迷宫测试中表现为逃避潜伏期显著延长[33]。在此基础上电磁辐射神经生物学效应的机制仍需要进一步阐明，但目前实验室研究手段除传统病理方法外，在分子水平动态观察微波照射后中枢神经系统组织代谢以及脑功能区活动变化尚缺乏较好的影像学研究手段，微波所致神经损伤的临床影像学证据还是空白。

MRI技术由早期的器官水平成像发展到能对脑的微观（如细胞、大分子、神经递质等）变化和功能代谢变化进行检测，其分辨力不断提高，可检测和成像的内容与目标不断拓展，临床应用不断扩大。目前采用fMRI技术对脑内功能性指标的无创检测已成为可能。如MRS能够无创地检测到脑内多种代谢物质的相对浓度变化，同时MRS在具有认知障碍疾病中应用，也已成功地检测到了神经递质的变化[4]。DWI和DTI技术在应用于多种伴有认知障碍的疾病中[8-10]，均能够发现ADC或FA值的变化，显示出认知障碍与ADC和FA值变化之间有一定相关性。BOLD-fMRI技术是fMRI的新技术之一，BOLD-fMRI可以发现认知障碍病人海马中的异常信号；血流灌注方面，对于认知障碍病人的特定脑区行ASL扫描后发现，此类病人特定脑区灌注下降。由此可见，如果能够将现有的损伤机制研究同临床影像学方法相结合，必将更有效地揭示大脑宏观及微观的变化，并建立起结构和功能的变化关系，从而实现功能、影像和解剖的完整结合，大大提高实验研究对临床应用的指导意义。

综上所述，如果将MRI技术应用于微波辐射致神经系统损伤的研究，将可建立起从微观损伤机制到宏观损伤影像学依据之间的关联，如果能将MRI技术应用于微波辐射损伤的临床研究并提供直接的影像学支持，进而为临床诊断提供影像学依据，不但可以填补临床诊断的空白，也能够扩大和完善对微波辐射致海马损伤分子机制的研究，为探寻微波辐射致海马认知功能损害诊断的分子标志物和防治靶点奠定基础。因此，将MRI技术应用于微波辐射致神经损伤效应的研究既具有广阔的应用前景，同时也具有重要的理论意义。

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（收稿2016－04－11）

Research progress of functional magnetic resonance imaging on microwave radiation neurobiology effects

CUI Liang,ZUO Hongyan,WANG Dewen.
Department of Experimental Pathology,Institute of Radiation Medicine,Academy of Military Medical Sciences,Beijing 100850,China

Functional magnetic resonance imaging（fMRI）can provide information of the cerebral metabolism and blood oxygen levels,and has been widely used in the field of neural and cognitive science.Meanwhile,with the widespread use of microwave technology,the injury due to exposure under microwave radiation has been got more and more attention,but the injury was lack of imageologic evidence.In this paper we reviewed the research progresses of fMRI on microwave radiation neurobiological effects,proposed the problem in the research of microwave radiation injury,and put the feasibility of fMRI in studying the microwave radiation injury into perspective.

Functional magnetic resonance imaging;Blood oxygenation level dependent;Microwave radiation; Neurobiological effects;Hippocampus

10.19300/j.2016.Z4263

R445.2

A

军事医学科学院放射与辐射医学研究所，北京100850

通迅作者:王德文，E-mail:wangdewen1938@126.com

*审校者

国家自然科学基金面上项目（81472951）