目的和意义:近年来随着电子设备在军事、通讯、医疗等领域的广泛应用,微波等电磁技术也随之渗透到生活的各个领域,与此同时人类健康也不可避免地受到其辐射的影响。微波能够穿透人体组织,其能量被组织吸收后可引起一系列生物效应,其中中枢神经系统、心血管系统、生殖系统等为主要靶部位,尤其以中枢神经系统最为敏感,其损伤不仅见于高功率微波辐射情况下,也发生在日常手机使用等低强度慢性辐射中,特别是长期受到微波辐射可导致学习记忆能力下降,甚至造成海马脑区结构改变以及海马内乙酰胆碱(Ach)等神经递质的代谢变化,从而对认知功能造成影响。然而,现有的微波损伤及其机制研究大多采用病理学、生理学、生物化学等基础学科的方法从组织和分子水平加以阐明,迄今未见应用影像学研究的报道。磁共振成像技术由于其无创、组织成像分辨力高、尤其对神经系统具有良好的成像效果,从诞生伊始就受到了高度的重视,成像技术发展也十分迅速。目前已经从传统的大脑结构成像发展到脑功能成像,不仅能够对大脑组织结构成像,还可详细提供物质代谢以及认知活动等脑功能活动的影像学信息。然而如何将磁共振成像技术应用于微波辐射生物效应及其机制的研究(尤其损伤机制同磁共振成像相结合的研究)迄今仍属空白,导致难以甚至无法将微观的组织生化信息同宏观的组织形态结构及其变化联系起来;同时,现有的微波致海马损伤的研究结果亦缺乏临床影像学的直接证据与支持,其中微波致海马损伤的分子机制更需进一步阐明。综上,将磁共振成像技术应用于微波辐射生物效应及其机制的研究已成为当前电磁辐射损伤研究领域和医学影像学研究领域共同关注和亟待解决的重要课题之一。本研究拟通过对比性观察磁共振成像技术获取的微波辐射后大鼠海马影像学表征参数与行为认知能力损伤以及海马脑区病理结构、乙酰胆碱代谢改变之间的关联性,探讨将磁共振成像技术应用于微波辐射致脑损伤效应研究的可行性,为微波辐射致脑损伤的分子机制提供直观的临床影像学依据,并期望藉此为微波辐射损伤的临床诊断方法提供新思路。材料与方法:(1)实验动物采用二级雄性Wistar大鼠87只,体重200±20g,由军事医学科学院实验动物中心提供。随机分为微波辐射组(45只)和假辐射组(42只)。(2)辐照条件采用军事医学科学院自建高功率微波辐射模拟源,中心频率2856MHz,平均功率密度30mW/cm2,将微波辐照组动物置于有机玻璃盒内,全身均匀辐照,辐照时间15min,对照组置于相同的有机玻璃盒内15min,行同等条件伪辐照。(3)生理功能检测采用Morris水迷宫(MWM)检测大鼠行为认知能力,观察时间点分别于辐照后6h、1d、2d、3d、7d、14d、28d。(4)病理学观测分别于辐射后6h、3d、7d、14d、28d每个时间点断头处死大鼠,断头后取出大脑,分离海马组织,常规制作石蜡切片,HE染色后在光学显微镜下观察海马组织结构变化并拍照,于辐射后3d、14d取海马CA3、CA4区组织制作超薄切片,在透射电镜下观察海马组织超微结构改变并拍照。(5)磁共振成像应用首都医科大学医学实验与测试中心的高场强小动物活体磁共振成像系统(7.0T/300MHz,德国Bruker公司),分别于照前1d,辐射后6h、3d、7d、14d四个时间点行磁共振扫描。扫描方式选取扩散加权成像(DWI)、动脉自旋标记(ASL)、磁共振波谱(MRS)成像。(6)乙酰胆碱(Ach)、乙酰胆碱酯酶(AchE)和胆碱乙酰转移酶(ChAT)检测分别于微波辐射后6h、3d、7d、14d、28d剥离海马组织,-80℃低温冻存,采用ELISA实验检测大鼠海马组织ChAT、AchE及Ach的含量变化,采用生化比色法试剂盒及紫外光分光光度计检测ChAT和AchE的酶活性。(7)大鼠海马磁共振影像学特征性参数与行为认知及Ach代谢相关性分析采用spss18.0软件,将微波辐射后大鼠海马磁共振特征参数与行为认知改变以及Ach代谢相关指标进行Pearson相关性分析,以阐明其相关系数和显著性。实验结果:(1)大鼠行为认知能力改变Morris水迷宫(MWM)定位航行实验结果显示,微波辐射后大鼠平均逃避潜伏期(AEL)较对照组呈延长趋势,其中辐射后1d-3d差别显著(P<0.05 or P<0.01)。(2)组织学病理变化与对照组相比,30mW/cm2功率密度微波辐射后,海马神经元变性、坏死,主要表现为核固缩,锥体细胞胞体皱缩,血管周间隙略增宽,偶见毛细血管充血,海马CA3和CA4区均可见上述病变,上述改变在辐射后6h即可观察到,3d和7d较为明显,其中尤以3d最为多见和严重,14d减轻,28d明显恢复。(3)超微结构变化与对照组相比,30mW/cm2功率密度微波辐射后,部分海马神经元核染色质凝聚、边集,核型不整,核膜边界不清,凋亡发生;线粒体肿胀、空化、嵴断裂或减少,甚至消失,内质网扩张,同时可见突触双层膜部分融合、结构模糊,血管周间隙及细胞间连接增宽,内皮细胞核形不整,染色质凝聚、边集。(4)扩散加权成像(DWI)所见微波辐照后3d右侧顶叶脑区及海马CA4区的表观扩散系数(ADC值)显著增加(P<0.05),照后3d、7d及14d右侧海马CA4区ADC值均显著升高(P<0.01 or P<0.05);照后14d左侧海马CA4区ADC值显著升高(P<0.05)。(5)动脉自旋标记(ASL)成像所见微波辐照后7d左侧海马CA1区血流灌注(CBF)显著减少(P<0.05);14d时右侧海马CA3区血流灌注显著减少(P<0.05);左侧海马CA4区血流灌注先于6h时显著减少(P<0.01)、后于3d时显著增加(P<0.01)、继之于7d、14d呈逐渐恢复的趋势;然CA2区血流灌注未见显著性改变。(6)磁共振波谱(MRS)所见神经递质N-乙酰天门冬氨酸(NAA)与肌酸(Cr)的比值(NAA/Cr),在照后3d、7d及14d于左侧海马均显著升高(P<0.05 or P<0.01)并呈逐渐升高趋势;右侧无显著性差异。谷氨酸类化合物(Glx)与Cr的比值(Glx/Cr),在照后3d、14d于左侧海马显著升高(P<0.05 or P<0.01);右侧无显著性差异。肌醇(Ins)与Cr比值(Ins/Cr),在照后3d、7d于右侧海马显著降低(P<0.05 or P<0.01),但14d时于左侧海马显著升高(P<0.01)。总胆碱(Cho)与Cr的比值(Cho/Cr),在照后3d于右侧海马显著降低(P<0.05),但14d时于左侧海马显著升高(P<0.05)。(7)海马ChAT、AchE及Ach含量变化微波辐照后6h和3d海马ChAT、AchE及Ach含量均显著升高(P<0.05 or P<0.01),7d均未见明显变化,14d仅见ChAT含量显著下降(P<0.01)。(8)海马AchE和ChAT的活性变化微波辐照后6h~7d,大鼠海马组织ChAT活性下降,以辐照后3d较为显著(P<0.05)。微波辐照后6h~28d,大鼠海马组织AchE活性均未见明显改变。(9)海马磁共振影像学特征性参数与行为认知及Ach代谢相关性分析海马磁共振影像学参数NAA含量与行为认知能力参数AEL显著相关(P<0.05),ADC、FA、ASL及MRS其他磁共振参数与Ach代谢相关指标均可见显著相关性(P<0.05)。结论:本研究初步发现,微波辐射致海马损伤的磁共振影像学特征参数与行为认知、组织病理及Ach代谢方面多个指标具有良好的关联性。其关联性具体表现在以下五个方面:一、微波辐射后大鼠海马MRI特征性参数变化同认知功能障碍以及组织结构发生改变的时相具有高度的一致性;二、MRI所检测到的微波辐射后大鼠海马病变参数同病理学观测的海马病变基本一致;三、MRI所检测到的微波辐射后大鼠海马代谢复合物的改变同海马内Ach及其关键酶改变的时相具有一致性;四、微波辐射后大鼠MRI三种成像技术所检测的MRI特征性参数改变与具有认知功能障碍疾病的磁共振结果具有相似性;五、微波辐射后大鼠MRI三种成像技术所检测的多个MRI特征性参数与行为认知及Ach代谢具有显著相关性。本研究结果提示,采用磁共振影像学技术研究微波辐射致海马损伤效应具有良好的应用前景,并为探索微波辐射后损伤的MRI诊断和研究提供了新的思路和途径,同时,对进一步揭示微波辐射生物效应分子机制具有一定的参考价值和理论意义。然需指出,本研究中动物数量尚待扩增,并且少数递质改变与文献报道的不尽完全一致,均有待进一步深入研究。