本文介绍了一种通过数字照片测量菌状乳头密度的实验方案。该方法在Miller & Reedy(1990年)对菌状乳头的原始描述性研究基础上,引入了优先级划分和客观特征指标。
本文介绍了一种通过数字照片测量菌状乳头密度的实验方案。该方法在Miller & Reedy(1990年)对菌状乳头的原始描述性研究基础上,引入了优先级划分和客观特征指标。
丹佛乳头检测方案的目标是利用二分检索表来定义和优先排序菌状乳头(FP)的特征,以确保不同评分者之间评分的一致性。该方案源于过去二十年味觉研究中将FP作为味孔密度替代指标所产生的实际需求。历史上,FP密度的分析主要依据Miller & Reedy于1990年提出的形态学特征描述:圆形、染色较浅、体积较大且隆起明显。在该研究中,作者曾预先警示,必须对FP形态学特征制定更严格明确的定义。尽管如此呼吁,后续相关文献仍十分匮乏,大多数研究仍继续引用Miller & Reedy的原始工作。因此,FP密度的报告结果差异显著,加之样本量普遍较小,可能导致了关于FP在味觉敏感性中作用的研究结论不一致。遗传与味觉实验室探讨了这种计数上的明显不一致性,发现评分者各自对上述特征的重要性赋予不同的权重,且在面对某个乳头仅具备部分FP特征时缺乏统一的判断指导。这种主观性导致对同一舌部图像的FP计数结果差异极大。丹佛乳头检测方案通过采用二分检索表,进一步明确并排序Miller & Reedy所提出特征的相对重要性,以纠正上述问题。该建议方法有望为味觉与营养学领域的研究人员提供一种标准化的FP定量方式。
乳头是舌表面可见的突起结构。乳头有四种类型:菌状乳头(FP)、叶状乳头、轮廓乳头和丝状乳头。丝状乳头分布于舌表面,轮廓乳头仅位于舌后部,叶状乳头则分布在舌两侧。相比之下,菌状乳头位于舌前部。菌状乳头、叶状乳头和轮廓乳头被视为味觉乳头,因其可能含有味蕾,而丝状乳头则不含味蕾。味蕾是由细胞组成的簇状结构,负责检测化学味觉刺激物,并将这些刺激转化为大脑中的味觉信号。唾液和食物分子通过称为味孔的开口进入味蕾,在此处味觉分子可能激活味觉细胞。
有趣的是,味蕾密度存在显著的个体差异,这一现象最早在一项针对18具尸体舌头的组织学研究中被观察到(Miller,1988)1。味蕾本身在舌头表面不可见,但在使用适当的放大、照明和染色技术时,可以观察到味孔,这促使Miller & Reedy(1990)开发出一种通过视频显微镜在活体人类中识别味孔和菌状乳头的方法2。多个实验室对原始的视频显微技术进行了改良,采用静态摄影且几乎不使用放大或仅使用低倍放大。然而,由于使用这些改良技术时,菌状乳头比味孔更容易观察,因此实验室转而计数菌状乳头以替代味孔。在此过程中,研究者假设菌状乳头密度可作为味孔密度的合理替代指标,尽管许多菌状乳头并不含有味孔或味蕾3;菌状乳头不仅比轮廓乳头和叶状乳头更易观察和接近,而且其图像采集比通过视频显微镜分析味孔更为省时2,4。1990年,Miller & Reedy利用该技术发现味孔密度与菌状乳头密度之间存在相关性3,这一结果随后在Bartoshuk et al.5的研究中得到进一步证实。除了这种解剖学上的关联外,Miller & Reedy还发现,在味孔密度分布较高的8名个体中,他们对蔗糖、NaCl和丙硫氧嘧啶(PROP)的味觉强度评分显著高于另外8名个体3。Bartoshuk et al.(1994)后续在42名受试者中的研究也观察到,高于阈值的PROP味觉强度与菌状乳头密度以及味孔密度均存在相关性5。这种便捷的方法推动了一系列具有影响力的研究,报告指出舌头上乳头数量较多的受试者对多种呈味物质(包括苦味物质苯硫脲(PTC)和PROP)会产生更强的味觉反应6,7。
PTC 和 PROP 是研究较为充分的味觉刺激物,常因其与个体味觉敏感表型和基因型之间的明确关联而被使用。群体研究表明,TAS2R38 基因纯合隐性单倍型个体对 PROP 的敏感性显著低于该基因显性或杂合变异携带者8-10。这一可遗传的现象最早于 1932 年被报道,当时 Arthur L. Fox 宣布发现了对 PTC 的“味盲”现象11。在能够感知这些苦味化合物的人群中,所报告的味觉强度差异很大,从轻微不适到极其苦涩不等6。为解释 TAS2R38 无法说明的变异,有理论提出这种差异可能归因于舌头上菌状乳头(FP)的密度4。
随着味觉研究的进展,学界围绕菌状乳头(FP)与苦味敏感性关系的这一理论形成了两种不同的观点。尽管许多研究支持最初的结论,即FP密度是影响PROP敏感性的因素之一4,6,12,13,但也存在一小部分但重要的研究得出了相反的证据,报告未能重复验证该作用10,14,15,16。Delwiche et al.(2001)指出,这种趋势具有高度变异性;FP密度并不能一致地解释不同个体间苦味敏感性的差异,且仅在对PROP具有中等及以上敏感性的受试者中才可观察到该关联7。此外,除了普遍采用的Miller & Reedy方法在量化FP方面定义不够严格外,还需注意的是,除Fischer et al. 开展的Beaver Dam后代研究15外,上述大多数研究的样本量较小,这可能也是导致关于FP在味觉中作用的研究结果不一致的原因之一。
简而言之,在 Miller & Reedy 的开创性方法学论文(1990年)中,作者将舌部染成蓝色以定量味蕾(FP),因为味蕾保持粉红色,而丝状乳头吸收染料后变为蓝色。他们将味蕾分类为“直径约0.5 mm的圆形粉红色结构”2尽管作者建议,在将该方法用于进一步的分析工作之前,应更严格地界定荧光蛋白(FP)的特性,并指出文献中已观察到的变异“可能归因于不同的受试人群、不同的方法以及不同的研究者”2,他们的研究得出了FP通常具有的公认特征,即呈圆形17,18,大2,粉红色或染色较浅2,以及升高的4从表面来看,这些特征似乎非常直观。然而,在味觉遗传学实验室(GoT Lab 或 Lab)中,当部分而非全部上述特征同时存在时,评分人员在对这些特征进行定性并判断其重要性时存在个体差异,从而使该方法的应用变得复杂。这些复杂情况包括:在较大的乳头之间出现较小且呈粉红色的乳头;整个舌头吸收了蓝色染料,导致无法依据颜色差异进行分类;乳头呈椭圆形而非圆形;以及舌头表面无明显的高低起伏变化。这些因素均导致不同评分人员对同一图像报告的菌状乳头(FP)数量存在显著差异。
这些分析方法的差异促使我们回顾文献,以明确其中的主观性,识别出与普遍接受的指纹特征不符的例外情况,并最终制定出一种能够准确且客观地定义和评分指纹的方案。
首先,文献中将菌状乳头(FP)的形态描述为圆形、蘑菇状结构17,18。然而,也提到了显著的例外情况。Miller 强调,“菌状”一词具有误导性,许多 FP 并非蘑菇形,其大小和形态可存在广泛变异18。Melis 等.(2013)也描述了若干被归类为“畸形”的乳头,其 FP 在某一方向上的直径比另一方向长至少两个标准差19。此外,Cheng & Robinson 发现,在通过染色标记 FP 时,其外观从平坦顶部到细长形态均有呈现20。鉴于上述例外情况,将 FP 定义为圆形且蘑菇状的特征描述显得过于局限。
其次,在用蓝色染料对舌部进行染色后,菌状乳头(FP)的颜色被描述为“蓝色背景上的粉红色圆点”7。尽管在整个文献中,染色较浅是识别菌状乳头最一致的标准,但它仍不是一个统一的判定依据。Cheng & Robinson 观察到,菌状乳头并不总是呈现浅染,这使得其识别变得困难且不确定20。由此可见,不同舌部对染料的吸收存在差异,虽然在许多舌部上对比明显,但有些舌部会完全变为蓝色而无法区分,而另一些则会迅速失去蓝色染料的任何痕迹21。
第三个特征即FP的大小,在各研究之间相对一致,范围从0.5 mm到0.97 mm6,18。Miller在文献中指出,舌背前部存在两种尺寸的乳头结构。直径较大的乳头主要为菌状乳头和锥形乳头,而直径较小的乳头则多为丝状乳头18。然而,除比弗大坝后代研究21外,文献中并未将尺寸作为判断结构是否为菌状乳头(FP)的依据,而是仅对已被归类为“菌状乳头"的乳头提供尺寸数据。
最后,高度被列为第四种菌状乳头(FP)特征4,尽管Miller指出,当使用该标准评估舌缘附近的菌状乳头和丝状乳头时,两者之间的区分较为困难。他给出了两个在高度上差异显著的FP实例,其中一个高度为0.8 mm,而另一个高度不足0.1 mm,但仍清晰观察到两个味孔18。这一观察结果也得到了Shahbake et al.4的后续研究和证实。
这些定义及其报道的例外情况表明,味觉研究领域早已认识到在描述菌状乳头(FP)时存在不一致性,以及 Miller & Reedy 常用方案的局限性。事实上,Miller & Reedy 曾呼吁该领域进一步明确 FP 的特征2。我们推测,当乳头未能满足所有判定标准时(例如乳头体积较大且呈蘑菇状,但染色呈蓝色),评分者会对不同特征赋予不同的权重,并对各特征的重要性做出不同排序。可以推断,以往已发表研究中的研究者可能也采用了类似做法,再结合样本量较小的因素,这或许可以解释使用该方法所得结果存在差异的原因。
GoT 实验室通过制定一项指南,弥补了菌状乳头(FP)研究方法学上的这一空白。该指南采用客观测量指标来定义每一项特征,并对这些特征进行优先级排序,以指明在分析过程中应优先考虑哪些特征。这一方法被称为丹佛乳头分类法(Denver Papillae Protocol, DPP),它是一种双歧分类钥匙,包含明确且可区分的FP特征,旨在通过对舌部数码照片进行准确且可重复的计数。DPP 是对先前使用的 Miller & Reedy 方法的标准化改进方案,从而消除了个体主观判断的差异,确保在分析 FP 密度时获得更一致的结果。通过这种方式,DPP 可更可靠地用于确定 FP 在味觉中的作用。
由实验室的公民科学家(评分员)对受试者的舌象图像进行分析,这些公民科学家才是本研究的真正主体。该实验室的公民科学家核心团队由来自社区的成员组成,年龄范围从16岁至80多岁。博物馆于2012年委托编写的一份总结性评估报告指出,这些公民科学家普遍对科学具有浓厚兴趣,其中三分之二的人曾在科学领域获得大学学位22。目前,候选公民科学家主要通过口碑推荐招募,必须成功通过博物馆资深志愿者的面试流程,并在博物馆常设健康展览“健康探险”(Expedition Health)中完成试用期后,才有资格申请加入实验室。一旦被实验室录取,公民科学家需接受为期12周的培训,以获得招募人类受试者的资格认证。获得认证后,他们可进一步参加实验室各类技术的培训模块(例如 菌状乳头计数、DNA提取),并在通过额外认证及定期质量控制考核后,有机会积极参与数据分析工作。公民科学家自愿贡献其时间,博物馆不对其为博物馆所做的贡献提供报酬。
本研究中评分的图像来自丹佛自然与科学博物馆(简称“博物馆”)遗传味觉实验室开展的一项更大规模的味觉研究10。该大规模研究的受试者为博物馆参观者(n = 1195),年龄范围为18至93岁。尽管受试者来自七大洲中的六个,但参与者主要为欧洲血统。每位受试者的数据均在一次30分钟的实验室内完成采集。本研究方案已获得西方机构审查委员会批准,所有受试者均签署知情书面同意书,并自愿参与研究,未获得任何报酬。
1. 数据收集
图1:图像采集姿势。 此照片在GoT实验室中展示给受试者,以指导其正确伸出舌头进行拍摄。
图 2:拷贝 A 和拷贝 B。 拷贝 A(左侧)与细胞计数窗口关联,为保持不同评分者之间的一致性,始终维持在 50% 放大倍率;而拷贝 B(右侧)可根据个人偏好进行缩放。
2. 使用丹佛乳头分级方案双歧检索表对FP进行评分
图3:味蕾与被拒乳头状突起。图3a 是一种具有多个限定性FP的舌状结构,而 3b-3e 已圈出违反每条规则的区域。3b)区域为非晶态;(3c)乳头过小;3d)乳头呈蓝色,与周围乳头不同,(3e) 乳头较周围乳头凹陷。3. 培训评分员使用 DPP
以下是使用常用的Miller & Reedy方法对固定标准(圆形、较大、粉红色或染色较浅、隆起)进行固定片(FP)鉴定时,由两名独立评分者评分的一张代表性照片;以及同一张照片使用DPP方法由两名评分者进行评分的结果。所示计数结果代表了使用原始方法观察到的高变异度,与使用DPP方法观察到的较低变异度之间的对比。

图4:Miller与Reedy定量法与DPP定量法的比较。 左侧图像代表两位评分者使用Miller与Reedy方法进行计数的结果。右侧图像代表两位评分者使用DPP方法进行计数的结果。红色为评分者1,黄色为评分者2,绿色为评分者1与评分者2的重叠计数。
先前使用混合线性模型评估了DPP的统计可靠性,以分析其变异性10。简而言之,为生成用于评估DPP在评分一致性中作用的数据,共对15张图像进行了两次评分。在第一轮评分中,未接受DPP培训的评分者采用Miller & Reedy方法2进行评分。随后,对评分者进行DPP使用培训,并在不执行第2.7节所述质量控制中的最终共识步骤的情况下,对图像逐一重新评分(图5)。然后将FP评分数据集用于混合模型中,以评估由评分方案(图6)、评分者内部变异性和两者交互作用共同引起的综合差异。该模型显示,使用Miller & Reedy方法与使用DPP相比,评分存在显著差异(p值 <1 × 10-6),DPP的评分平均高出6.99(标准误SE = 0.99);评分变异性的5.2%归因于培训,25.9%归因于评分者个体差异,其余变异则源于图像本身的特异性10。接下来,为生成用于确定评分者内部变异性的数据,由11名个体以随机顺序对一组共30张图像进行评分。评分者不知情的是,该组图像中包含3张重复图像。我们观察到,在不同图像与重复图像之间的评分变异性上存在显著差异。

图5:DPP-未培训者与DPP培训后评分对比。 各子图展示了15张图像在丹佛乳头评估方案(Denver Papillae Protocol)培训前和培训后评审评分的箱线图。在每个箱线图中,实心圆圈表示均值,空心圆圈表示离群值。

图6:评分者方差的变化。 灰色表示评分者在接受DPP培训前的个体方差。黑色表示同一评分者在完成DPP培训后的方差。
使用DPP方法后,不同独立评分者之间以及同一评分者内部的图像计数变异显著降低。尽管该方法使得无需视频显微镜即可进行的味觉乳头(FP)密度视觉分析的主观性减少,但需注意的是,该方法仅对FP进行计数。DPP无法确保被归类为FP的结构具有味孔,因而不能确认其为真正的味觉乳头,也无法保证计数结果能真实反映味蕾密度20,23。该方法的本质是通过一致性和精确性来建立可靠性;然而,它可能在一致的方向上引入偏差。若要相对于其他方法验证其准确性,并以味蕾密度的真实测量标准(例如,视频显微镜)作为参照,则超出了本研究的范围。然而,通过更严格地表征FP的形态并建立二分检索表,该方法回应了Miller & Reedy对该领域提出的呼吁,即需要对FP进行更多形态学表征,以在FP的形态和定量方面达成共识2。此外,他们指出,此类表征或许能够“澄清个体间的部分差异,并解释不同研究者之间出现的部分不一致结果2”。通过提供一种统一的定量方法,有关FP在味觉及营养相关研究中作用的诸多争议可能得以解决。
二分检索表可根据不同的图像采集技术进行调整。测量尺度的已知距离可轻松设置为各实验室所使用的直径,若在舌面覆盖了保鲜膜或玻璃进行图像采集,则可忽略距离的回缩。在GoT实验室中发现,中性状态下的舌头能最清晰地显示乳头结构。这可能是由于实验室内的光照强度导致保鲜膜或玻璃将光线反射回相机,产生眩光,从而增加了评估难度。一些实验室表示使用染料计数更具挑战性,但GoT实验室发现,将蓝色食用染料稀释至1:36的浓度,可在大多数舌面上为菌状乳头与丝状乳头提供理想的对比度。
为指纹乳突结构表征建立二分检索表,将使不同实验室的研究人员即使采用多种图像采集方法,也能对舌部结构进行一致性的分析,并对其结果报告具有充分信心。最后,二分检索表的应用可能还适用于其他科学研究方法领域,特别是在因结构或物体特征判定导致各研究间数据不一致的情况下。
作者声明不存在任何竞争性经济利益。
本工作部分由美国国立卫生研究院(National Institutes of Health)与国家研究资源中心(National Center for Research Resources)于2008至2012年间资助的科学教育合作伙伴奖(Science Education Partnership Award, SEPA)R25 RR025066项目支持。感谢味觉研究领域的同行们就文献、我们的研究成果以及DPP在不同实验场景中的应用所进行的深入讨论和反馈:John Hayes、Sue Coldwell、Paul Breslin、Carla Schubert。同时感谢丹佛自然与科学博物馆(Denver Museum of Nature & Science)的管理层以及“探索健康”(Expedition Health)项目中“味觉遗传学实验室”(Genetics of Taste Lab)支持公民科学工作的全体工作人员。最后,感谢所有参与本研究的志愿公民科学家们在本方案开发与实施过程中所付出的时间与奉献,包括:Bear Aragon、Mike Archer、Su Ataman、Michael Bagley、A’nette Bertrand、Diana Boyles、Wendy Covert、Sasha Dooley、Patty Drever、Jessica Ern、Laura Harmacek、Sean Hibbard、Joyce Hutchens、Matt Joo、Leta Keane、Willem Leenhouts、Stephania Lukjan、Ashley Matthews、Mike Mauser、Stephanie Miller、Hallie Morgan-Rodriguez、Griffin Scherma、Alyssa Schickedanz、Terri Simon、Dylan Thomas、Rudy Torres、Tyler Wilson、Diane Woltkamp。
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