Functional plasticity of the olfactory network following functional septorhinoplasty in persistent COVID-19-related olfactory dysfunction: an fMRI study

人間の嗅覚は、他の感覚が通過しなければならない通常のフィルターを回避し、脳へと直接つながる経路である。吸い込むとき、臭分子は鼻を通って嗅上皮と呼ばれる特殊な組織のパッチへと移動し、そこで神経信号を誘発して、脳の処理センターへと直行する。これらのセンターは単に香りを登録するだけでなく、それを記憶、感情、そして自分が何を嗅いでいるのかを特定するという複雑な作業へと織り込んでいく。ほとんどの人にとってこのシステムは円滑に機能しているが、SARS-CoV-2ウイルスの生存者のかなりの数において、この接続は断たれてしまった。嗅覚を完全に失う人もいれば、数年間にわたって歪んだり減退したりした状態が続く人もいる。この「持続的なCOVID-19関連嗅覚機能障害」として知られる状態は、単なる不便さではない。それは食べ物の風味を、危険を知らせる警告を、そして慣れ親しんだ香りの心地よさを奪い、日常生活に深刻な痕跡を残すものである。損傷は多くの場合、鼻の中で始まるが、科学者たちは、嗅覚の喪失に反応して脳自体がその配線を変えているのではないかと以前から疑ってきた。つまり、音のない世界を理解しようとして、脳がそのネットワークを再構築（リワイヤリング）しているのではないかという疑念である。

ユニバーシティ・カレッジ・ロンドンの研究チームは、この再構築が具体的にどのように起こるのか、そしてそれが可逆的なものなのかを理解するために着手した。彼らは、感染後2年以上経過しても嗅覚障害が続いている患者グループに焦点を当てた。これらの個人は、機能的鼻中隔形成術と呼ばれる特定の外科手術を受けた。この処置は、鼻の中の構造的な閉塞（鼻中隔湾曲症や狭い弁など）を修正するように設計されており、空気の流れ、すなわち、より多くの臭分子が損傷した嗅覚組織に到達できるように気道を広げる効果がある。研究者たちは、単に空気の流れを回復させるだけで、鼻だけでなく脳の活動における回復を誘発できるかどうかを確認したいと考えた。これを行うために、彼らは機能的磁気共鳴画像法（fMRI）を用いた。これは脳の活動を捉える高速カメラのような技術であり、人が何かを嗅いだときにどの領域が活性化するかを捉えるものである。彼らは手術前と、手術から6ヶ月後の時点で、患者にバナナの香りと刈り取った芝生の香りの2種類の異なる匂いに曝露させながら、患者の脳をスキャンした。

研究には、全プロセスを完了した8人の患者を含む小規模なグループが参加した。手術前、研究者たちは、これらの患者の脳が予想とは異なる働きをしていることを発見した。匂いに曝露された際、脳の特定の領域が異常な活動パターンを示した。通常であれば匂いを処理するために活性化する領域が、活性の低下（デアクティベーション）を示したり、逆に他の領域が活性化したりしたのである。例えば、記憶や感情に関与する脳の一部である左海馬は活性の低下を示した一方で、両側の小脳の領域では活性の増加が見られた。また、研究者たちは、これらの脳信号の強さが、患者が鼻を通してどれだけの空気を押し出せるかに結びついていることにも気づいた。気道が狭い患者は、空気の流れが比較的良好な患者とは異なる脳の反応を示しており、空気の物理的な制限がすでに脳の嗅覚処理に影響を与えていることが示唆された。

手術の6ヶ月後、状況は大きく変化していた。手術は鼻腔を広げることに成功し、患者たちは改善を感じたと報告した。しかし、脳のスキャンはさらに深い事実を明らかにした。脳が物理的に再編成されていたのである。手術前に見られた異常な活性化と脱活性化のパターンは変化していた。嗅覚の認識や特定に不可欠な島（インスラ）や前頭前野といった領域において、脳の反応はよりバランスの取れたものになった。研究者たちは、患者の呼吸能力が改善するにつれて、匂いの意味を理解するための鍵となる領域である眼窩前頭皮質における脳の活動が、より強固になるのを観察した。この活動の増加は、鼻腔内の空気流量の改善と直接結びついていた。患者が鼻を通してより多くの空気を動かせるほど、脳はその匂いに深く関与していたのである。

しかし、回復の物語は、脳のすべてを単に「オン」にするという単純なケースではなかった。その変化は複雑で、双方向的なものであった。いくつかの領域では、手術後に脳の活動が実際に減少した。例えば、嗅覚を他の感覚や感情へとつなぐ中心的なハブとして機能する領域である島（インスラ）では、手術前に見られた激しい活動が減少していた。研究者たちは、これが治癒の兆候である可能性を示唆している。手術前、脳は匂いの欠如を補うために、匂いを推測したり思い出したりするために余分な精神的努力を使い、過剰に働いていた可能性がある。鼻が修復され、嗅覚信号が戻ると、脳はもはやそれほど懸命に働く必要がなくなり、より効率的で自然な状態へと落ち着くことができた。この「高負荷な代償状態」から「よりリラックスした機能的な状態」への移行は、経験に応じて脳が適応し、自らを再構築する能力である「神経可塑性」の明確な証拠である。

また、この結果は、嗅覚の文脈においてしばら見過ごされがちな脳の一部である小脳の役割を浮き彫りにした。手術前、この領域は活性の増加を示したが、術後には特定の亜領域である左小脳第II部において、タスクに基づく脱活性化が観察された。この変化は、患者が異なる臭いを識別し区別する能力の向上と相関していた。これは、運動を調整する小脳が、嗅ぐという微妙な運動動作や、嗅覚の化学信号を他の感覚入力と統合することにおいて、何らかの役割を果たしている可能性を示唆している。研究では、スイッチをオンまたはオフにするような単一の「嗅覚スイッチ」は見つからなかった。代わりに、ネットワーク全体で行われている「対話」が回復している様子が明らかになった。脳は再び鼻からの信号を信頼することを学び、よりクリアになった気道という新しい現実に合わせて、自身の内部マップを調整していたのである。

この研究は、わずか8人の参加者による小規模なものであったが、その結果は人間の脳の持つ回復力についての説得力のある一端を示している。研究者たちは、今回の知見はあくまで出発点であり、詳細を確認するためにはより大きなグループで検証されるべき仮説であると慎重に述べている。彼らは、長年の嗅覚障害の謎を解明したと主張したわけではない。しかし、彼らは、嗅覚を司る神経ネットワークが、長年の機能障害を経てもなお、変化する能力を保持していることを証明した。手術は、脳を直接的に「修理」したのではなく、脳が自らの修復作業を開始するために必要な「物理的な入力」を回復させることで、触媒として機能したのである。鼻を広げることで、外科医たちは脳がこれまで欠いていたデータを受け取れるようにし、その反応として、脳は世界を再び理解するために自らを再構築した。

この研究の意義は、手術室の枠を超えて広がっている。それは、長期的な嗅覚喪失が、損傷が確定し脳が諦めてしまった「静的な状態」であるという考えに異を唱えるものである。むしろ、脳は再び関与するための適切な条件を待ちながら、流動的な状態にあることを示唆している。空気の流れという物理的な流れと、脳の電気的活動との間には、直接的かつ強力なつながりがある。鼻が詰まれば脳は奇妙な適応を見せるが、その閉塞が取り除かれれば、脳は再び適応し、新たな平衡状態を見出す。本研究は、単純な機械的な修復がいかにして深遠な生物学的回復を引き起こし得るかを示す具体的な例を提供しており、治癒への道は、しばしば私たちの感覚が依存している基本的な入力を回復することにあると証明している。この研究の患者たちにとって、嗅覚の回帰は単に呼吸が楽になったということではなく、彼らの脳が、再び思い出し、認識し、そして世界をありのままに感じる準備ができているという信号であった。