Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Neuroscience
Click here for the English version

Neuroscience

Combinatie van een ademgesynchroniseerde olfactometer met hersensimulatie om de impact van geuren op corticospinale prikkelbaarheid en effectieve connectiviteit te bestuderen

Published: January 19, 2024 doi: 10.3791/65714
Automatic Translation
1,2, 1,2, 1,2, 3, 3, 3, 1,2
1PSYR2, Centre de Recherche en Neurosciences de Lyon, Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale U1028, Centre National de la Recherche Scientifique UMR5292, Université Claude Bernard Lyon 1, 2Centre Hospitalier Le Vinatier, 3NEUROPOP, Centre de Recherche en Neurosciences de Lyon, Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale U1028, Centre National de la Recherche Scientifique UMR5292, Université Claude Bernard Lyon 1

Summary

Dit artikel beschrijft het gebruik van een ademgesynchroniseerde olfactometer om single- en dual-coil transcraniële magnetische stimulatie (TMS) te activeren tijdens de presentatie van geurstof gesynchroniseerd met menselijke neusademhaling. Deze combinatie stelt ons in staat om objectief te onderzoeken hoe aangename en onaangename geuren de corticospinale prikkelbaarheid en herseneffectieve connectiviteit bij een bepaald individu beïnvloeden.

Abstract

Het is algemeen aanvaard dat olfactorische stimulatie motorisch gedrag uitlokt, zoals het benaderen van aangename geurstoffen en het vermijden van onaangename geurstoffen, bij dieren en mensen. Onlangs hebben studies met behulp van elektro-encefalografie en transcraniële magnetische stimulatie (TMS) een sterk verband aangetoond tussen verwerking in het reuksysteem en activiteit in de motorische cortex bij mensen. Om de interacties tussen de reuk- en het motorische systeem beter te begrijpen en om enkele van de eerdere methodologische beperkingen te overwinnen, hebben we een nieuwe methode ontwikkeld die een olfactometer combineert die de willekeurige volgorde van geurstoffen synchroniseert met verschillende hedonische waarden en de TMS (single- en dual-coil) triggering met neusademhalingsfasen. Deze methode maakt het mogelijk om de modulaties van corticospinale prikkelbaarheid en effectieve ipsilaterale connectiviteit tussen de dorsolaterale prefrontale cortex en de primaire motorische cortex te onderzoeken die kunnen optreden tijdens aangename en onaangename geurperceptie. De toepassing van deze methode maakt het mogelijk om objectief de aangenaamheidswaarde van een geurstof bij een bepaalde deelnemer te onderscheiden, wat de biologische impact van de geurstof op de effectieve connectiviteit en prikkelbaarheid van de hersenen aangeeft. Bovendien zou dit de weg kunnen vrijmaken voor klinisch onderzoek bij patiënten met neurologische of neuropsychiatrische aandoeningen die mogelijk geurhedonische veranderingen en onaangepast benaderingsvermijdingsgedrag vertonen.

Introduction

Het is algemeen aanvaard dat olfactorische stimulatie automatische reacties en motorisch gedrag uitlokt. Bij mensen is bijvoorbeeld onlangs het bestaan aangetoond van een ontwijkende motorische reactie (wegleunen van de geurbron) die 500 ms na het begin van de negatieve geur optreedt1. Chalençon et al. (2022) toonden aan dat motorisch gedrag (d.w.z. snelheid van nadering van de neus en terugtrekking van de kolf met de geurstof) nauw verband houdt met geurhedonisme2. Bovendien is onlangs bij mensen een nauw verband aangetoond tussen verwerking in het reuksysteem en activiteit in de motorische cortex met behulp van elektro-encefalografie1. In het bijzonder werd ongeveer 350 ms na het begin van negatieve geuren een specifieke mu-ritmedesynchronisatie, waarvan bekend is dat deze actievoorbereidingsprocessen weerspiegelt, waargenomen boven en in de primaire motorische cortex (M1), kort gevolgd door een gedragsmatige achterwaartse beweging1. Een andere recente studie versterkte het idee van een relatie tussen het reuk- en motorische systeem en toonde aan dat blootstelling aan een aangename geurstof de corticospinale prikkelbaarheid verhoogde in vergelijking meteen geurloze aandoening. In deze studie werd single-pulse transcraniële magnetische stimulatie (spTMS) toegepast op M1 om een motorisch opgewekte potentiaal (MEP) op te roepen in een doelhandspier, perifeer geregistreerd met elektromyografie (EMG) tijdens geurperceptie. Blootstelling aan de aangename geurstof werd passief verzorgd door papieren stroken doordrenkt met pure etherische olie van bergamot en op een metalen houder onder de neus geplaatst3. In deze context blijft het onduidelijk of de facilitering van de corticospinale prikkelbaarheid te wijten is aan de aangename geurprikkeling of aan niet-specifieke gedragseffecten zoals snuiven en tanden op elkaar klemmen 4,5. Bovendien is het nog onbekend hoe een onaangename geurstof de door TMS onderzochte M1-prikkelbaarheid moduleert.

Samenvattend benadrukt dit de noodzaak om een methode te ontwikkelen die de volgende voordelen biedt ten opzichte van bestaande technieken die in eerdere studies werden gebruikt 3,6: (1) randomisatie van de presentatie van verschillende geurcondities (aangenaam/onaangenaam/geen-geur) binnen dezelfde experimentele fase, (2) nauwkeurige synchronisatie van geurstofpresentatie en TMS-timing volgens de menselijke neusademhalingsfasen (inspiratie en uitademing) bij het bestuderen van het motorische systeem.

TMS kan ook worden gebruikt als een hulpmiddel om cortico-corticale interacties, ook wel effectieve connectiviteit genoemd, tussen meerdere corticale gebieden en M1 te onderzoeken met een hoge temporele resolutie 7,8,9,10,11,12. Hier gebruiken we een dual-site TMS (dsTMS)-paradigma, waarbij een first-conditioning stimulatie (CS) een doelcorticaal gebied activeert, en een second-test stimulatie (TS) wordt toegepast op M1 met behulp van een andere spoel om een MEP op te roepen. Het effect van de CS wordt geëvalueerd door de amplitude van de geconditioneerde MEP (dsTMS-conditie) te normaliseren naar de amplitude van de ongeconditioneerde MEP (spTMS-conditie)13. Vervolgens duiden negatieve ratiowaarden op onderdrukkende cortico-corticale interacties, terwijl positieve ratiowaarden duiden op faciliterende cortico-corticale interacties tussen de twee gestimuleerde gebieden. Het dsTMS-paradigma biedt dus een unieke kans om de aard (d.w.z. faciliterend of onderdrukkend), de sterkte en de modulaties van de effectieve connectiviteit tussen het vooraf geactiveerde gebied en M1 te identificeren. Belangrijk is dat cortico-corticale interacties een complexe balans van facilitering en onderdrukking weerspiegelen die kan worden gemoduleerd in verschillende timing en mentale toestanden of taken 7,14.

Voor zover wij weten, is het relatief nieuwe dsTMS-paradigma nooit gebruikt om cortico-corticale interacties tijdens geurperceptie met verschillende hedonische waarden te onderzoeken. Neuroimaging-onderzoeken hebben echter aangetoond dat blootstelling aan aangename en onaangename geurstoffen connectiviteitsveranderingen induceert in gebieden die betrokken zijn bij emotie, besluitvorming en actiecontrole, waaronder het aanvullende motorische gebied, de cortex cingularis anterior en de dorsolaterale prefrontale cortex (DLPFC)15,16. De DLPFC is inderdaad een belangrijk knooppunt dat emotionele controle, sensorische verwerking en aspecten van motorische controle op een hoger niveau bemiddelt, zoals voorbereidende processen 17,18,19. Bovendien hebben zowel studies bij mensen als bij dieren aangetoond dat de DLPFC verschillende neuronale projecties heeft naar M1 17,18,20,21,22. Afhankelijk van de context kunnen deze DLPFC-projecties de M1-activiteit vergemakkelijken of remmen 7,19,20. Het lijkt dus mogelijk dat de effectieve connectiviteit tussen DLPFC en M1 wordt gemoduleerd tijdens geurpresentatie en dat aangename en onaangename geurstoffen gescheiden corticale netwerken rekruteren, wat leidt tot een differentieel effect op DLPFC-M1-connectiviteit.

Hier stellen we een nieuwe methode voor die geschikt is voor de methodologisch rigoureuze studie van de modulaties van corticospinale prikkelbaarheid en effectieve connectiviteit die kunnen optreden tijdens de perceptie van aangename en onaangename geuren, allemaal synchroon met de menselijke neusademhaling.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Alle experimentele procedures die in de volgende paragrafen worden beschreven, zijn goedgekeurd door een ethische commissie (CPP Ile de France VII, Parijs, Frankrijk, protocolnummer 2022-A01967-36) in overeenstemming met de Verklaring van Helsinki. Alle deelnemers gaven schriftelijke geïnformeerde toestemming voordat ze zich inschreven voor het onderzoek.

1. Werving van deelnemers

  1. Inclusie-/exclusiecriteria.
    1. Inclusief volwassen (> 18 jaar) deelnemers. Screen alle deelnemers op eventuele contra-indicaties voor TMS volgens internationale richtlijnen van deskundigen23.
    2. Sluit deelnemers uit met geïmplanteerde medische apparaten (bijv. cochleair implantaat, pacemaker, enz.), een persoonlijke of familiegeschiedenis van epileptische aanvallen, hoofdpijn, hersentrauma en neuroactieve medicatie. Sluit deelnemers uit die volgens de European Test of Olfactory Capabilities als "anosmisch" worden beschouwd24.
  2. Handigheid: Controleer op rechtshandigheid zoals beoordeeld door de Edinburgh Handedness Inventory-vragenlijst25.
    NOTITIE. Het wordt ten zeerste aanbevolen om alleen rechtshandige deelnemers te rekruteren in onderzoeken die de prikkelbaarheid van corticospinale en effectieve connectiviteit in het motorische systeem beoordelen26,27.
  3. Informatie en geïnformeerde toestemming: Geef alle deelnemers basisinformatie over de onderzoeksdoelstellingen, procedures en risico's die zijn goedgekeurd door de ethische commissie en vraag hen om schriftelijke geïnformeerde toestemming te ondertekenen.

2. Experimentele procedure

  1. Installatie van de patiënt: Vraag de deelnemer om op een comfortabele stoel (type tandartsstoel) te gaan zitten met beide handen ontspannen en geprononceerd. Plaats het hoofd van de deelnemer op een kinsteun om hoofdbewegingen tijdens stimulatie te minimaliseren.
  2. Elektromyografie opnames
    1. Bereid de huid van de deelnemer voor op het aanbrengen van de elektroden met behulp van een exfoliërende scrub om de gebieden lichtjes te schuren en reinig de gebieden met alcoholdoekjes waar elektroden zullen worden aangebracht.
    2. Breng twee zilver/zilverchloride wegwerp opname-elektroden aan met een buikpeesmontage van de eerste dorsale interossale (FDI) spier. Voeg de aardelektrode toe aan de processus styloides van de ellepijp (Figuur 1).
    3. Sluit de elektroden aan op de versterker met kabels en het data-acquisitiesysteem.
    4. Neem het EMG-signaal op met behulp van een analoog-naar-digitaal (AD) conversiesysteem. Versterk en filter EMG-signalen (gain = 1000) met behulp van een bandbreedtefrequentie tussen 10 Hz en 1 kHz. Digitaliseer met een bemonsteringsfrequentie van 2.000 Hz en sla elk EMG-bestand op voor offline analyse.
    5. Controleer de kwaliteit van het signaal dat wordt weergegeven op het computerscherm dat is aangesloten op het data-acquisitiesysteem.
  3. TMS-spoelM1-positie .
    1. Sluit deze spoel aan op de A-stimulator (Figuur 1).
    2. Plaats een nauwsluitende pet over het hoofd van de deelnemer. Gebruik een meetlint om nasion-inion-, tragus-tragus- en hoofdomtrekmetingen uit te voeren op basis van standaard schedeloriëntatiepunten. Identificeer en markeer met een pen het hoekpunt van de hoofdhuid op het snijpunt van de mid-sagittale (nasion-inion) en interaurale (tragus-tragus) lijnen28.
    3. Plaats tangentieel ten opzichte van de hoofdhuid de eerste kleine spoel in de vorm van een acht (binnendiameter: 40 mm) over het veronderstelde handoppervlak van de linker M1 (spoelM1), dat zich 5 cm lateraal van de top bevindt, met het handvat naar achteren en lateraal gericht in een hoek van 45° ten opzichte van de midsagittale lijn, wat resulteert in een posterieure-anterieure stroom (monofasische stroomgolfvorm). Deze oriëntatie komt overeen met een maximale geïnduceerde stroom die binnen M1 binnen M129 vloeit.
    4. Zorg ervoor dat de plaatsing van de spoelM1 optimaal is, in overeenstemming met de meest recente internationale aanbevelingen30. Begin met het toedienen van een paar enkele pulsen op 30% van de maximale stimulatoroutput (%MSO) en controleer of de stimulatie een MEP produceert zoals geregistreerd door het EMG-systeem en weergegeven op het computerscherm dat is aangesloten op het data-acquisitiesysteem.
      1. Als er geen zichtbare reacties zijn, verhoog dan geleidelijk de stimulatie-intensiteit (stappen van 5 %MSO) totdat de leden van het Europees Parlement worden waargenomen. Test vervolgens vier plekken rond de eerste locatie door meerdere pulsen af te geven. Bepaal de gemiddelde piek-tot-piek MEP-amplitude voor elke locatie.
      2. Selecteer de locatie waar de gemiddelde piek-tot-piek MEP-amplitude het hoogst is. Dit is de zogenaamde hotspot locatie voor de deelnemer30. Markeer de locatie van de spoelM1 op de dop om ervoor te zorgen dat de spoel tijdens het experiment correct wordt geplaatst.
  4. Motorische drempel in rust (rMT) en TMS-intensiteiten
    1. Bepaal de rustmotordrempel (rMT) gedefinieerd als de TMS-intensiteit die een kans van 50% oplevert om een MEP23,30 uit te lokken.
      1. Gebruik de beschikbare online freeware (TMS Motor Threshold Assessment Tool, MTAT 2.1), die is gebaseerd op een schatting van de maximale waarschijnlijkheid van parameters met behulp van een sequentiële teststrategie29. De stimulatiesequentie begint altijd met een intensiteit van 37 %MSO.
      2. Laat de ene onderzoeker de spoelM1 vasthouden terwijl een andere aangeeft of de MEP-amplitude > 0,05 mV is. Het voorspellende algoritme bepaalt vervolgens de volgende stimulatie-intensiteit die moet worden toegediend en wordt gestopt na 20 stimulaties, wat voldoende nauwkeurigheid biedt voor de rMT-schatting volgens eerdere studies31-34.
    2. Stel de %MSO in voor de conditionering en de stimulatie van de testpuls. Gebruik de vooraf bepaalde rMT-waarde van de deelnemer.
      OPMERKING: Hier werd de intensiteit voor de eerste conditioneringsstimulatie (coilDLPFC) ingesteld op 110% van de rMT19,20. De intensiteit van de teststimulatie (spoelM1) werd vastgesteld op 120% van de rMT, een intensiteit die enigszins afwijkt van eerdere studies die een TS-intensiteit gebruikten die bij alle deelnemers een MEP van ~1 mV opriep19,20 . Deze vaste piek-tot-piekintensiteit doet zich voor op zeer verschillende punten op de input-output-rekruteringscurven als gevolg van de hoge variabiliteit tussen proefpersonen in motoroutput35. Daarom kan de stimulatie-intensiteit worden geoptimaliseerd met behulp van 120% RMT-intensiteit bij individuen.
  5. TMS-spoelDLPFC-positionering
    1. Sluit deze spoel aan op de B-stimulator (Figuur 1).
    2. Gebruik de onlangs bijgewerkte hoofdhuidheuristiek om het gebied van de hoofdhuid te lokaliseren dat overeenkomt met de linker DLPFC36,37 om de positie van de tweede kleine achtvormige spoel (interne diameter: 40 mm) over de DLPFC (spoelDLPFC) te schatten. Download de online Excel Spreadsheet Calculation Tool36 en voer de nasion-inion- en tragus-tragus-afstanden en de hoofdomtrek in centimeters in als invoer. Rapporteer de XLA en de YLA afstanden direct op het hoofd van de deelnemer.
    3. Plaats de spoelDLPFC tangentieel op de hoofdhuid boven de veronderstelde linker DLPFC-locatie, met het handvat naar beneden en lateraal in een hoek van -45° ten opzichte van de middensagittale lijn. Markeer de plaatsing van deDLPFC-spoel op de dop om ervoor te zorgen dat de spoel tijdens het experiment correct wordt geplaatst.
      OPMERKING: Deze op de hoofdhuid gebaseerde targetingmethode voor zowel coilM1 - als coilDLPFC-locaties is niet optimaal. Het is zelfs bekend dat het minder nauwkeurig is dan de neuronavigatiemethode die wordt gebruikt om de interessegebieden van de hersenen aan te pakken op basis van individuele T1 anatomische magnetische resonantiebeeldvorming (MRI)38.
  6. Vertraging tussen de conditionerings- en testpulsen: Stel deze vertraging in op 10 ms op het pulsgeneratorapparaat.
    OPMERKING: Hier is de vertraging vastgesteld op 10 ms op basis van eerdere studies die een remmende invloed van de linker DLPFC naar de linker M1 aantonen bij dit interval19,20. Dit remmende effect dat na 10 ms wordt waargenomen, is waarschijnlijk het gevolg van de activering van de basale ganglia via de DLPFC-projecties naar de pre-SMA, waardoor een indirecte invloed wordt uitgeoefend op M139. De vertraging kan in de code worden aangepast aan de behoeften van de gebruiker. Een langer interstimulatie-interval (d.w.z. 25 ms) kan bijvoorbeeld worden gebruikt om polysynaptische indirecte cortico-subcorticaal-corticale circuits te onderzoeken die DLPFC verbinden met M119. Bovendien zijn differentiële faciliterende/remmende invloeden aangetoond met behulp van dual-site ppTMS tussen meerdere corticale gebieden, met intervallen variërend van 1 ms tot 150 ms40,41. Het feit dat het interval kan worden aangepast, opent dus de weg naar een breed scala aan mogelijkheden voor toekomstige onderzoeksstudies.
  7. Olfactometer-instellingen
    1. Kies geurstoffen met aangename en onaangename hedonistische waarden. Verdun de geurstoffen vooraf afzonderlijk in minerale olie om een iso-intense perceptie te creëren.
      OPMERKING: Hier waren de selectie en concentratie van geurstoffen (d.w.z. isoamylacetaat en boterzuur verdund tot respectievelijk 0,6% en 0,11% vol/vol-concentraties) gebaseerd op eerdere studies door onze groep met dezelfde olfactometeropstelling en geurstoffen42,43. Een pilotstudie bevestigt dat de positieve en de negatieve geuren niet verschilden in termen van intensiteit, maar tegengesteld waren in hedonische waarde. In de controletoestand (d.w.z. geen geurstof) wordt alleen luchtstroom aan de deelnemer geleverd.
    2. Schrijf de code om de geurstoffen af te leveren. Vermeld voor elke proef de totale duur van de proef, de toe te dienen geurstof, het debiet van de geurstofregelaar (in milliliter per minuut), het debiet van de luchtregelaar van de drager (in milliliter per minuut) en het debiet van de zuigregelaar.
      NOTITIE: De volgorde van de geleverde geurstof kan worden gerandomiseerd tussen positief, negatief en geurloos. Hier heeft elke proef een duur van 12 seconden. De volgorde van de geleverde geur was pseudo-willekeurig. Bovendien werd op basis van een pilotexperiment het debiet van de geurregelaar ingesteld op 200 ml/min, het debiet van de luchtregelaar van de drager op 500 ml/min en het debiet van de zuigregelaar op 100 ml/min.
    3. Plaats de neuscanule in de buurt van de neusgaten van de deelnemer om de neusademhaling te meten. Instrueer de deelnemer om normaal door de neus te ademen.
    4. Schakel de draagbare luchtcompressor, de olfactometerbehuizing en de pc met de software in. Controleer alle kabelaansluitingen (Figuur 1).
      OPMERKING: De olfactometer die in de huidige studie wordt gebruikt, is in detail beschreven in een eerdere publicatie44 , maar is hier aangepast om TMS-activering mogelijk te maken met variabele vertragingen na detectie van het begin van de inspiratie. In het kort bestaat het apparaat uit verschillende modules, waaronder 1) een luchtbron en luchtbehandelingssysteem afkomstig van een draagbare luchtcompressor, 2) een stimulatiesysteem met elektronische en pneumatische apparaten, 3) een zelfgemaakte mengkop gekoppeld aan een afgiftesysteem dat de diffusie van geurstoffen in de neus van de deelnemer mogelijk maakt, 4) een respiratoir sensorisch systeem dat de olfactometer activeert volgens de neusademhalingsmeting met een neuscanule en 5) een software Controlesysteem44.
    5. Kalibratie: Ga verder met de kalibratiefase (ongeveer 20 s.), die het mogelijk maakt om het ademhalingssignaal van de deelnemer te kalibreren en de detectiedrempels van de expiratoire en inspiratoire fasen aan te passen. In deze software is de uitademingsfase positief en de inademingsfase negatief.
    6. Geurhedonische en intensiteitsbeoordelingen: Lever de twee geurstoffen in een willekeurige volgorde en vraag de deelnemers om de hedonische waarde en intensiteit van elke geurstof te beoordelen op visuele analoge schalen variërend van 1 "helemaal niet aangenaam" tot 9 "extreem aangenaam" en van 1 "helemaal niet intens" tot "extreem intens".
  8. Combinatie van olfactometer en TMS: Stel de vertraging tussen de detectie van de inspiratiefase en de trigger voor het verzenden van de TMS in op 600 ms.
    OPMERKING: De instelling van de vertraging is belangrijk en moet worden bepaald aan de hand van de literatuur en de behoeften van de gebruiker. In dit protocol werd de vertraging vastgesteld op 600 ms, waarvan is aangetoond dat dit de maximale bewuste perceptuele weergave van geurenis 45. Voor TMS-toestand met één puls activeert deze trigger onmiddellijk de A-stimulator en wordt een puls afgegeven door de spoel die op de linker M1 is geplaatst om een ongeconditioneerde MEP op te roepen. Voor een TMS-toestand met dubbele spoel wordt deze trigger naar twee verschillende apparaten gestuurd (via twee coaxkabels die met elkaar zijn verbonden door een T-aansluiting): de eerste activeert onmiddellijk de B-stimulator en een conditioneringspuls wordt afgegeven door de spoel die zich op de linker DLPFC bevindt; de tweede wordt ontvangen door een pulsgenerator die het mogelijk maakt een vaste vertraging te induceren voordat de A-stimulator wordt geactiveerd, waardoor een teststimulatie wordt afgegeven via de spoel die op de linker M1 is geplaatst om een geconditioneerde MEP op te roepen (Figuur 1).

Figure 1
Figuur 1: Experimentele opstelling. De vetgedrukte lijnen staan voor pneumatische verbindingen. Op de olfactometer is een luchtcompressor aangesloten om verschillende luchtstromen te genereren. Een regelaar regelt de druk en de toevoerluchtstroom wordt naar 3 kanalen geleid (via 3 massaregelaars): één voor de luchttransporteur (blauwe lijn), één voor het aspiratiesysteem (bruine lijn) om te reinigen en de stimulatietijd te helpen regelen en de laatste voor de geurstoffen44. Twee U-vormige buizen bevatten de geurstoffen (groen: aangenaam; rood: onaangenaam) waarin ze onder druk worden geconditioneerd in de verzadigde stoomtoestand, waardoor een geodoriseerde luchtstroom met een stabiele intensiteit in de loop van de tijd wordt gegarandeerd. De mengkop wordt gebruikt om de schone en geodoriseerde luchtstromen te mengen. De luchtstroom (geodoriseerd of zuiver) wordt aan de neusgaten afgegeven via twee buizen (grijze lijnen) die zijn bevestigd aan een neuscanule, die ook wordt gebruikt om neusademhaling te registreren (paarse lijn). Op basis van het ademhalingssignaal wordt, zodra de inhalatiefase wordt gedetecteerd, voor de spTMS-conditie een trigger gestuurd naar een pulsgenerator die wordt gebruikt om een vertraging in te stellen (hier: 10 ms), vervolgens naar een TMS-stimulator A die is aangesloten op spoelM1 die wordt toegepast op de linker M1-handspierrepresentatie, terwijl de TMS-stimulator B wordt uitgeschakeld. Voor de dsTMS-conditie wordt onmiddellijk een trigger verzonden naar de TMS-stimulator B die is aangesloten op de spoelDLPFC die over de linker DLPFC wordt toegepast, en het pulsgeneratorapparaat wordt gebruikt om een vertraging in te stellen (hier: 10 ms) voordat de TMS-stimulator A wordt geactiveerd die is aangesloten op de spoelM1. Het ademhalingssignaal en de MEP-amplitude die door het EMG-systeem worden verkregen, worden geregistreerd door software die op een pc is geïnstalleerd. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

3. Afmetingen

  1. Voer het op maat gemaakte coderingsscript uit in de olfactometersoftware (zie stap 2.7.2) om alle combinaties van spTMS en dsTMS met aangename en onaangename geuren en geen geuren in willekeurige volgorde te leveren.
    OPMERKING: Hier werden 20 onderzoeken geregistreerd voor elke aandoening (120 onderzoeken in totaal). Het experiment was verdeeld in 6 blokken van elk 20 proeven. Het aantal proeven voor elke aandoening kan worden gewijzigd op basis van de behoeften van de gebruiker.

4. Data-analyse

  1. Extraheer voor elke deelnemer, aandoening en proef de piek-tot-piek MEP-amplitude. Dit kan worden gedaan met behulp van een van de open-source Toolboxes die online beschikbaar zijn46,47.
  2. Normaliseer de gegevens door een MEP-ratio te berekenen die MEP's uitdrukt die zijn opgewekt door de teststimulatie in dsTMS-onderzoeken ten opzichte van MEP's die zijn opgewekt door de teststimulatie in spTMS-onderzoeken12. Doe dit afzonderlijk voor elke deelnemer en voor elke geuraandoening (d.w.z. geen geur, positieve geur en negatieve geur). Interpreteer na deze procedure de resultaten als volgt: MEP-ratio's boven 1 duiden op een faciliterende invloed van de DLPFC op M1, terwijl MEP-ratio's onder 1 duiden op een remmende invloed van de DLPFC op M1.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

De representatieve gegevens die hier worden gepresenteerd, weerspiegelen opnames van deelnemers na het voltooien van het bovenstaande stapsgewijze protocol om een voorlopig inzicht te geven in wat we kunnen verwachten.

Figuur 2 toont een voorbeeld van de ademhalingssignalen van een representatieve deelnemer die zijn geregistreerd met de olfactometersoftware. De expiratoire en inspiratoire fasen worden goed gedetecteerd wanneer de drempels worden overschreden. De geurstof wordt onmiddellijk na de drempel van de uitademingsfase geactiveerd en diffundeert gedurende 5 s. De TMS-puls wordt geactiveerd met een vertraging (600 ms) na de drempel van de inspiratiefase.

Dit resultaat toont aan dat de hier ontwikkelde methode de diffusie van geurstoffen en TMS-timing nauwkeurig kan synchroniseren op basis van de menselijke neusademhalingsfasen.

Figure 2
Figuur 2: Voorbeeld van ruwe gegevens van ademhalingsopnames voor een representatieve deelnemer. De expiratiefase wordt gedetecteerd wanneer een drempel (weergegeven door de rode lijn) wordt overschreden. De inspiratiefase wordt gedetecteerd wanneer een drempel (weergegeven door de blauwe lijn) wordt overschreden. De geurstof wordt onmiddellijk na de drempel van de uitademingsfase geactiveerd en diffundeert gedurende 5 s, zoals aangegeven door de groene lijn. De TMS-puls wordt geactiveerd met een vertraging (600 ms) na de drempel van de inspiratiefase. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 3 illustreert de resultaten verkregen uit EMG-data-opnames van de rechter FDI-spier (MEP-opnames), volgens de omstandigheden (spTMS en dsTMS) en de geurhedonische waarden (geen-geurstof, positieve geurstof en negatieve geurstoffen) voor een representatieve deelnemer. De piek-tot-piekamplitude van de EP-leden die door spTMS (figuur 3A) en door dsTMS (figuur 3B) wordt opgeroepen, varieerde afhankelijk van de hedonistische waarde van de geurstof. Wanneer de resultaten worden genormaliseerd (Figuur 3C), zijn alle MEP-ratio's lager dan 1, wat wijst op een onderdrukkend effect van de linker DLPFC op de linker M1. Dit resultaat toont aan dat de hier ontwikkelde methode het mogelijk maakt om modulaties van corticospinale prikkelbaarheid en effectieve connectiviteit te onderzoeken die optreden tijdens aangename en onaangename geurperceptie, allemaal geleverd op een gesynchroniseerde manier met menselijke neusademhaling. Deze resultaten zijn voorlopig en verdienen verder onderzoek om conclusies te trekken over de specifieke effecten van geuren, hedonische waarden op corticospinale prikkelbaarheid en effectieve connectiviteit.

Figure 3
Figuur 3: Voorbeeld van typische onbewerkte opnames van de rechter FDI-spier van een deelnemer. (A) spTMS-conditie met positieve geurstof (groen), negatieve geurstof (oranje) en de niet-geurende condities (grijs). (B) dsTMS-conditie, met positieve geurstof (groen), negatieve odorant (oranje) en de niet-geurende condities (grijs). (C) MEP-ratio's verkregen na de normalisatieprocedure voor een representatieve deelnemer. De drie MEP-ratio's liggen onder de 1, wat wijst op een remmende invloed van de DLPFC op M1. Ruwe MEP-sporen vertegenwoordigen een enkele proefopname. Staafdiagrammen tonen het gemiddelde, de standaarddeviatie en de individuele MEP-waarde van de 20 onderzoeken die in elke aandoening zijn verkregen. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Het bovenstaande protocol beschrijft een nieuwe methode die het gebruik van een ademgesynchroniseerde olfactometer combineert met TMS met één en twee spoelen om veranderingen in corticospinale prikkelbaarheid en effectieve connectiviteit te onderzoeken, afhankelijk van de hedonische waarde van de geurstoffen. Deze opstelling maakt het mogelijk om objectief de aangenaamheidswaarde van een geurstof bij een bepaalde deelnemer te onderscheiden, wat de biologische impact van de geurstof op de effectieve connectiviteit en reactiviteit van de hersenen aangeeft. De kritische stappen in dit protocol omvatten zowel TMS-parameters (plaatsing, intensiteiten) als olfactometerparameters (geurkeuze, timing ten opzichte van ademhalingsfasen).

Deze combinatie van spTMS en dsTMS met een olfactometer kan op vele manieren worden aangepast, afhankelijk van de behoeften van de gebruiker, en heeft duidelijke methodologische voordelen. Zoals in de inleiding vermeld, leken twee methodologische aspecten cruciaal voor een meer diepgaand onderzoek naar de mechanistische basis van de interacties tussen het reuk- en motorische systeem. De eerste was de mogelijkheid om verschillende geurcondities (aangenaam/onaangenaam/geen geur) te presenteren binnen dezelfde experimentele fase. Dit is nu haalbaar omdat het mogelijk is om per proef aan te geven welke geurstof met een constante intensiteit aan de proefpersoon zal worden toegediend. Dit is een cruciaal punt, omdat het ons in staat stelt om de systematische intra-individuele veranderingen in de amplitude van MEP's binnen en tussen stimulusblokken die in eerdere studies zijn waargenomen, te elimineren, zelfs bij relatief lange interstimulusintervallen48,49.

Inderdaad, de toepassing van een TMS-puls op M1 maakt het mogelijk om de waargenomen veranderingen in corticospinale prikkelbaarheid te kwantificeren met onmiskenbare temporele nauwkeurigheid. Een zeer groot aantal factoren kan de corticospinale prikkelbaarheid echter moduleren, en deze moeten zoveel mogelijk onder controle worden gehouden. Het simpele feit van vrijwillige inspiratie of uitademing (een motorische handeling) wijzigt bijvoorbeeld de corticospinale prikkelbaarheid van niet-respiratoire vingerspieren50.

De tweede was de mogelijkheid om verschillende factoren te controleren en te synchroniseren met de ademhalingsfasen. Deze omvatten de precieze duur en timing van geurverspreiding naar de deelnemers en de timing van de TMS-puls. Wat nog belangrijker is, deze verschillende parameters kunnen worden aangepast aan de behoeften van de gebruiker, wat de weg vrijmaakt voor toekomstige studies.

De hier gepresenteerde methode opent de weg voor een breed scala aan toekomstig onderzoek en bredere vragen op het gebied van reukzin. Ten eerste heeft nog geen enkele studie de temporele precisie onderzocht van de modulatie van corticospinale prikkelbaarheid als reactie op een olfactorische stimulus. Is deze modulatie erg vroeg (d.w.z. vóór het ontstaan van perceptuele geurrepresentaties, geschat tussen 300 ms en 500 ms na het begin van de geur45) of later (d.w.z. wanneer geurrepresentaties worden uitgebreid naar grotere gebieden die verband houden met emotionele, semantische en geheugenverwerking45)? Is de timing van veranderingen in corticospinale prikkelbaarheid hetzelfde, afhankelijk van de hedonische waarde van de geur? Onaangename geuren, zoals pijn, signaleren vaak potentieel gevaar, lokken een snellere reactie uit om negatieve situaties snel te vermijden of eraan te ontsnappen51,52, en moduleren zo de corticospinale prikkelbaarheid eerder dan positieve geuren. Dit blijft echter speculatief. Door de TMS-puls op verschillende tijdstippen na het begin van zowel positieve als negatieve geuren af te geven en de veranderingen in corticospinale prikkelbaarheid te vergelijken, kan het huidige protocol deze vraag beantwoorden. Bovendien, hoewel de focus van het huidige protocol lag op de modulatie van corticospinale prikkelbaarheid door zich te richten op M1, kan de TMS-techniek, vanwege de hoge temporele resolutie, ook worden gebruikt om de causale hersengedragsrelaties en het tijdsverloop van andere gebieden tijdens olfactorische processen te onderzoeken, vanwege de hoge temporele resolutie53. Evenzo hebben we in het huidige protocol de effectieve connectiviteit tussen de DLPFC en M1 geëvalueerd omdat er in de literatuur aanwijzingen zijn dat modulaties van deze connectiviteit kunnen optreden tijdens geurperceptie. Andere cortico-corticale of cortico-subcorticaal-corticale netwerken kunnen echter worden gemoduleerd tijdens reuk- of motorische controleprocessen, en de connectiviteit binnen deze netwerken kan gemakkelijk worden beoordeeld met deze nieuwe methode. De enige verandering zou dan de locatie van de spoelen in de richting van de beoogde corticale gebieden zijn. Er is bijvoorbeeld aangetoond dat de orbitofrontale cortex betrokken is bij het coderen voor de hedonische waarde van de geur en de perceptie van de geur54, en een recente TMS-studie op twee locaties toonde aan dat dit gebied een remmende invloed heeft op M1 in rust12. Het onderzoeken van veranderingen in de effectieve connectiviteit tussen de orbitofrontale cortex en M1 tijdens de perceptie van positieve en negatieve geuren is een interessante studierichting voor een beter begrip van de mechanismen achter de interacties tussen olfactorische en motorische systemen.

Bovendien stelt deze methode een nieuwe manier voor om geurhedonische waarneming op een non-verbale of bewuste manier betrouwbaar te beoordelen. Dit zou de weg kunnen vrijmaken voor klinisch onderzoek dat gericht is op het begrijpen van abnormale interacties tussen verwerking in het reuk- en motorsysteem. De huidige methode zou bijvoorbeeld kunnen worden gebruikt bij patiënten met neuropsychiatrische stoornissen zoals depressieve stoornis (MDD), die in verband is gebracht met veranderingen in de reukfunctie, waaronder hedonische perceptie van geuren en onaangepaste benadering en vermijdingsgedrag. Bovendien, aangezien is aangetoond dat de linker DLPFC hypoactief is bij MDD-patiënten56 en de DLPFC-M1-connectiviteit wordt gemoduleerd tijdens benaderingsvermijdingsgedrag19, kan de combinatie van TMS en een olfactometer een veelbelovend potentieel hulpmiddel zijn om neurofysiologische indicatoren van disfunctionele connectiviteit tussen DLPFC en M1 bij MDD-patiënten op te helderen. Neurofysiologische bevindingen kunnen vervolgens worden gecorreleerd met klinische symptomatologie, zoals de ernst van de depressie of de olfactorische anhedoniescore, gedefinieerd als het verminderde vermogen om plezier te ervaren, gevonden bij patiënten met MDD57. Ten slotte, als bij deze patiënten afwijkingen in effectieve connectiviteit worden onthuld met behulp van de hier gepresenteerde methode en correleren met klinische symptomen, kan TMS op twee plaatsen herhaaldelijk worden gebruikt om de DLPFC-M1-connectiviteit te neuromoduleren en klinische symptomen te verbeteren, een protocol dat gepaarde associatieve cortico-corticale stimulatiewordt genoemd 58,59.

Hoewel de huidige methode en resultaten een proof of concept bieden voor toekomstig onderzoek naar de neurale mechanismen die ten grondslag liggen aan de interacties tussen het reuk- en motorische systeem, moeten enkele beperkingen en overwegingen worden vermeld. Ten eerste, om de betrouwbaarheid en reproduceerbaarheid van de metingen te vergroten, moeten de beoogde hersengebieden precies gebaseerd zijn op anatomische en functionele gebieden (dit geldt met name voor het DLPFC-doel). Ten tweede, zoals hierboven vermeld en zoals aangetoond door E-field computationele modellering, is de op de hoofdhuid gebaseerde targetingmethode die wordt gebruikt om de spoelen te positioneren suboptimaal in vergelijking met MRI-richtlijnen60. Om de nauwkeurigheid en precisie van TMS-positionering te maximaliseren, moet een neuronavigatiesysteem worden gebruikt dat de hoofd- en MRI-scan (Structural Magnetic Resonance Imaging) van de patiënt registreert en real-time feedback geeft over de positie van de spoel38. Bovendien is aangetoond dat computationele E-velddosimetrie een efficiëntere en gerichtere stimulatie biedt door de individuele plaatsing van de spoel te bepalen die de afgifte van het E-veld aan een specifiek hersendoel maximaliseert61. Een derde punt om rekening mee te houden bij het interpreteren van de resultaten had betrekking op de amplitude van de MEP's. Het is inderdaad bekend dat de amplitude van MEP de intrinsieke verschillende neurale inputs naar de corticospinale cellen weerspiegelt, inclusief transcorticale elementen, en de activiteit van de spinale motoneuronpool 62,63,64. Daarom geeft de modulatie van corticospinale prikkelbaarheid en effectieve connectiviteit waargenomen tijdens de blootstelling aan een aangename geur een gedeeltelijk beeld van de complexere supraspinale en spinale netwerken die waarschijnlijk betrokken zijn bij de modulatie van de MEP-amplitude. Resultaten moeten met de nodige voorzichtigheid worden geïnterpreteerd.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

JB is bestuurslid van de Brain Stimulation Section (STEP) van de Franse Vereniging voor Biologische Psychiatrie en Neuropsychofarmacologie (AFPBN), van de European Society of Brain Stimulation (ESBS), en rapporteert academische onderzoekssubsidies op het gebied van hersenstimulatie van CIHR (Canada), ANR en PHRC (Frankrijk). Andere auteurs hebben niets te onthullen.

Acknowledgments

Dit werk werd ondersteund door de Fondation de France, Grant N°: 00123049/WB-2021-35902 (een subsidie ontvangen door J.B. en N.M.). De auteurs danken de Fondation Pierre Deniker voor haar steun (subsidie ontvangen door C.N.) en de medewerkers van het Neuro-Immersion platform voor hun waardevolle hulp bij het ontwerpen van de opstelling.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Acquisition board (8 channels)  National Instrument NI USB-6009 
Air compressor Jun-Air  Model6-15
Alcohol prep pads Any
Butyric acid Sigma-Aldrich B103500 Negative odorant
Desktop computer Dell Latitude 3520
EMG system Biopac System MP150
Isoamyl acetate Sigma-Aldrich W205508 Positive odorant
Nasal cannula SEBAC France O1320
Programmable pulse generator A.M.P.I  Master-8
Surface electrodes Kendall Medi-trace FS327
TMS coil (X2) MagStim D40 Alpha B.I. coil 
TMS machine MagStim Bistim2
Tube 6 mm x 20 m Radiospare 686-2671 Pneumatic connection
USB-RS232 Radiospare 687-7806
U-shaped tubes VS technologies VS110115

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Iravani, B., Schaefer, M., Wilson, D. A., Arshamian, A., Lundström, J. N. The human olfactory bulb processes odor valence representation and cues motor avoidance behavior. Proceedings of the National Academy of Sciences. 118 (42), e2101209118 (2021).
  2. Chalençon, L., Thevenet, M., Noury, N., Bensafi, M., Mandairon, N. Identification of new behavioral parameters to assess odorant hedonic value in humans: A naturalistic approach. Journal of Neuroscience Methods. 366, 109422 (2022).
  3. Infortuna, C., et al. Motor cortex response to pleasant odor perception and imagery: The differential role of personality dimensions and imagery ability. Frontiers in Human Neuroscience. 16, 943469 (2022).
  4. Ozaki, I., Kurata, K. The effects of voluntary control of respiration on the excitability of the primary motor hand area, evaluated by end-tidal CO2 monitoring. Clinical Neurophysiology. 126 (11), 2162-2169 (2015).
  5. Boroojerdi, B., Battaglia, F., Muellbacher, W., Cohen, L. G. Voluntary teeth clenching facilitates human motor system excitability. Clinical Neurophysiology. 111 (6), 988-993 (2000).
  6. Rossi, S., et al. Distinct olfactory cross-modal effects on the human motor system. PLOS One. 3 (2), e1702 (2008).
  7. Neige, C., Rannaud Monany, D., Lebon, F. Exploring cortico-cortical interactions during action preparation by means of dual-coil transcranial magnetic stimulation: A systematic review. Neuroscience and Biobehavioral Reviews. 128 (October 2020), 678-692 (2020).
  8. Koch, G. Cortico-cortical connectivity: the road from basic neurophysiological interactions to therapeutic applications. Experimental Brain Research. 238 (7-8), 1677-1684 (2020).
  9. Derosiere, G., Vassiliadis, P., Duque, J. Advanced TMS approaches to probe corticospinal excitability during action preparation. NeuroImage. 213 (November 2019), 116746 (2020).
  10. Goldenkoff, E. R., Mashni, A., Michon, K. J., Lavis, H., Vesia, M. Measuring and manipulating functionally specific neural pathways in the human motor system with transcranial magnetic stimulation. Journal of Visualized Experiments JoVE. 156, 60706 (2020).
  11. Malderen, S. V., Hehl, M., Verstraelen, S., Swinnen, S. P., Cuypers, K. Dual-site TMS as a tool to probe effective interactions within the motor network: a review. Reviews in the Neurosciences. 34 (2), 129-221 (2023).
  12. Neige, C., et al. Connecting the dots: Harnessing dual-site transcranial magnetic stimulation to assess the causal influence of medial frontal areas on the motor cortex. Cerebral Cortex. , bhad370 (2023).
  13. Ferbert, A., Priori, A., Rothwell, J. C., Day, B. L., Colebatch, J. G., Marsden, C. D. Interhemispheric inhibition of the human motor cortex. The Journal of physiology. 453, 525-546 (1992).
  14. Rothwell, J. C. Using transcranial magnetic stimulation methods to probe connectivity between motor areas of the brain. Human Movement Science. 30 (5), 906-915 (2011).
  15. Carlson, H., Leitão, J., Delplanque, S., Cayeux, I., Sander, D., Vuilleumier, P. Sustained effects of pleasant and unpleasant smells on resting state brain activity. Cortex. 132, 386-403 (2020).
  16. Farruggia, M. C., Pellegrino, R., Scheinost, D. Functional connectivity of the chemosenses: A review. Frontiers in Systems Neuroscience. 16, 865929 (2022).
  17. Hasan, A., Galea, J. M., Casula, E. P., Falkai, P., Bestmann, S., Rothwell, J. C. Muscle and timing-specific functional connectivity between the dorsolateral prefrontal cortex and the primary motor cortex. Journal of Cognitive Neuroscience. 25 (4), 558-570 (2013).
  18. Brown, M. J. N., Goldenkoff, E. R., Chen, R., Gunraj, C., Vesia, M. Using dual-site transcranial magnetic stimulation to probe connectivity between the dorsolateral prefrontal cortex and ipsilateral primary motor cortex in humans. Brain Sciences. 9 (8), 177 (2019).
  19. Xia, X., et al. Connectivity from ipsilateral and contralateral dorsolateral prefrontal cortex to the active primary motor cortex during approaching-avoiding behavior. Cortex. 157, 155-166 (2022).
  20. Wang, Y., Cao, N., Lin, Y., Chen, R., Zhang, J. Hemispheric differences in functional interactions between the dorsal lateral prefrontal cortex and ipsilateral motor cortex. Frontiers in Human Neuroscience. 14, 1-6 (2020).
  21. Gabbott, P. L. A., Warner, T. A., Jays, P. R. L., Salway, P., Busby, S. J. Prefrontal cortex in the rat: Projections to subcortical autonomic, motor, and limbic centers. Journal of Comparative Neurology. 492 (2), 145-177 (2005).
  22. Yeterian, E. H., Pandya, D. N., Tomaiuolo, F., Petrides, M. The cortical connectivity of the prefrontal cortex in the monkey brain. Cortex. 48 (1), 58-81 (2012).
  23. Rossi, S., et al. Safety and recommendations for TMS use in healthy subjects and patient populations, with updates on training, ethical and regulatory issues: Expert guidelines. Clinical Neurophysiology. 132 (1), 269-306 (2021).
  24. Joussain, P., et al. Application of the European Test of Olfactory Capabilities in patients with olfactory impairment. European Archives of Oto-Rhino-Laryngology. 273 (2), 381-390 (2016).
  25. Oldfield, R. C. The assessment and analysis of handedness: The Edinburgh inventory. Neuropsychologia. 9 (1), 97-113 (1971).
  26. Daligadu, J., Haavik, H., Yielder, P. C., Baarbe, J., Murphy, B. Alterations in cortical and cerebellar motor processing in subclinical neck pain patients following spinal manipulation. Journal of Manipulative and Physiological Therapeutics. 36 (8), 527-537 (2013).
  27. Andersen, K. W., Siebner, H. R. Mapping dexterity and handedness: recent insights and future challenges. Current Opinion in Behavioral Sciences. 20, 123-129 (2018).
  28. Fried, P. J., et al. Training in the practice of noninvasive brain stimulation: Recommendations from an IFCN committee. Clinical Neurophysiology. 132 (3), 819-837 (2021).
  29. Mills, K. R., Boniface, S. J., Schubert, M. Magnetic brain stimulation with a double coil: the importance of coil orientation. Electroencephalography and Clinical Neurophysiology. 85 (1), 17-21 (1992).
  30. Rossini, P. M., et al. Non-invasive electrical and magnetic stimulation of the brain, spinal cord, roots and peripheral nerves: Basic principles and procedures for routine clinical and research application. An updated report from an I.F.C.N. Committee. Clinical Neurophysiology. 126 (6), 1071-1107 (2015).
  31. Awiszus, F. TMS and threshold hunting. Supplements to Clinical Neurophysiology. 56, 13-23 (2003).
  32. Awiszus, F. Using relative frequency estimation of transcranial magnetic stimulation motor threshold does not allow to draw any conclusions about true threshold. Clinical Neurophysiology. 125 (6), 1285-1286 (2014).
  33. Ah Sen, C. B., Fassett, H. J., El-Sayes, J., Turco, C. V., Hameer, M. M., Nelson, A. J. Active and resting motor threshold are efficiently obtained with adaptive threshold hunting. PLoS One. 12 (10), 1-9 (2017).
  34. Neige, C., Rannaud Monany, D., Stinear, C. M., Byblow, W. D., Papaxanthis, C., Lebon, F. Unravelling the modulation of intracortical inhibition during motor imagery: An adaptive threshold-hunting study. Neuroscience. 434, 102-110 (2020).
  35. Burke, D., Pierrot-Deseilligny, E. Caveats when studying motor cortex excitability and the cortical control of movement using transcranial magnetic stimulation. Clinical Neurophysiology. 121 (2), 121-123 (2010).
  36. Mir-Moghtadaei, A., et al. Updated scalp heuristics for localizing the dorsolateral prefrontal cortex based on convergent evidence of lesion and brain stimulation studies in depression. Brain Stimulation. 15 (2), 291-295 (2022).
  37. Siddiqi, S. H., et al. Brain stimulation and brain lesions converge on common causal circuits in neuropsychiatric disease. Nature Human Behaviour. 5 (12), 1707-1716 (2021).
  38. Caulfield, K. A., Fleischmann, H. H., Cox, C. E., Wolf, J. P., George, M. S., McTeague, L. M. Neuronavigation maximizes accuracy and precision in TMS positioning: Evidence from 11,230 distance, angle, and electric field modeling measurements. Brain Stimulation. 15 (5), 1192-1205 (2022).
  39. Cao, N., et al. Plasticity changes in dorsolateral prefrontal cortex associated with procedural sequence learning are hemisphere-specific. NeuroImage. 259, 119406 (2022).
  40. Brown, M. J. N., et al. Somatosensory-motor cortex interactions measured using dual-site transcranial magnetic stimulation. Brain Stimulation. 12 (5), 1229-1243 (2019).
  41. Fiori, F., Chiappini, E., Candidi, M., Romei, V., Borgomaneri, S., Avenanti, A. Long-latency interhemispheric interactions between motor-related areas and the primary motor cortex: a dual site TMS study. Scientific reports. 7 (1), 14936 (2017).
  42. Fournel, A., Ferdenzi, C., Sezille, C., Rouby, C., Bensafi, M. Multidimensional representation of odors in the human olfactory cortex. Human Brain Mapping. 37 (6), 2161-2172 (2016).
  43. Midroit, M., et al. Neural processing of the reward value of pleasant odorants. Current Biology. 31 (8), 1592-1605.e9 (2021).
  44. Sezille, C., Messaoudi, B., Bertrand, A., Joussain, P., Thévenet, M., Bensafi, M. A portable experimental apparatus for human olfactory fMRI experiments. Journal of Neuroscience Methods. 218 (1), 29-38 (2013).
  45. Kato, M., et al. Spatiotemporal dynamics of odor representations in the human brain revealed by EEG decoding. Proceedings of the National Academy of Sciences. 119 (21), e2114966119 (2022).
  46. Jackson, N., Greenhouse, I. VETA: An open-source Matlab-based toolbox for the collection and analysis of electromyography combined with transcranial magnetic stimulation. Frontiers in Neuroscience. 13, 975 (2019).
  47. Cunningham, D., Zhang, B., Cahn, A. Transcranial magnetic stimulation (TMS) analysis toolbox: A user friendly open source software for basic and advanced analysis and data sharing of TMS related outcomes. Brain Stimulation: Basic, Translational, and Clinical Research in Neuromodulation. 14 (6), 1641-1642 (2021).
  48. Julkunen, P., Säisänen, L., Hukkanen, T., Danner, N., Könönen, M. Does second-scale intertrial interval affect motor evoked potentials induced by single-pulse transcranial magnetic stimulation. Brain Stimulation. 5 (4), 526-532 (2012).
  49. Pellicciari, M. C., Miniussi, C., Ferrari, C., Koch, G., Bortoletto, M. Ongoing cumulative effects of single tms pulses on corticospinal excitability: An intra- and inter-block investigation. Clinical Neurophysiology. 127 (1), 621-628 (2016).
  50. Li, S., Rymer, W. Z. Voluntary breathing influences corticospinal excitability of nonrespiratory finger muscles. Journal of Neurophysiology. 105 (2), 512-521 (2011).
  51. Boesveldt, S., Frasnelli, J., Gordon, A. R., Lundström, J. N. The fish is bad: Negative food odors elicit faster and more accurate reactions than other odors. Biological Psychology. 84 (2), 313-317 (2010).
  52. Neige, C., Mavromatis, N., Gagné, M., Bouyer, L. J., Mercier, C. Effect of movement-related pain on behaviour and corticospinal excitability changes associated with arm movement preparation. Journal of Physiology. 596 (14), 2917-2929 (2018).
  53. Bergmann, T. O., Hartwigsen, G. Inferring causality from noninvasive brain stimulation in cognitive neuroscience. Journal of Cognitive Neuroscience. 33 (2), 195-225 (2021).
  54. Kulason, S., et al. A comparative neuroimaging perspective of olfaction and higher-order olfactory processing: on health and disease. Seminars in Cell & Developmental Biology. 129, 22-30 (2022).
  55. Athanassi, A., Dorado Doncel, R., Bath, K. G., Mandairon, N. Relationship between depression and olfactory sensory function: a review. Chemical Senses. 46, bjab044 (2021).
  56. Grimm, S., et al. Imbalance between left and right dorsolateral prefrontal cortex in major depression is linked to negative emotional judgment: An fmri study in severe major depressive disorder. Biological Psychiatry. 63 (4), 369-376 (2008).
  57. Naudin, M., El-Hage, W., Gomes, M., Gaillard, P., Belzung, C., Atanasova, B. State and trait olfactory markers of major depression. PLOS One. 7 (10), e46938 (2012).
  58. Guidali, G., Roncoroni, C., Bolognini, N. Modulating frontal networks' timing-dependent-like plasticity with paired associative stimulation protocols: Recent advances and future perspectives. Frontiers in Human Neuroscience. 15, 658723 (2021).
  59. Hernandez-Pavon, J. C., San Agustín, A., Wang, M. C., Veniero, D., Pons, J. L. Can we manipulate brain connectivity? A systematic review of cortico-cortical paired associative stimulation effects. Clinical Neurophysiology. 154, 169-193 (2023).
  60. Deng, Z. -D., Robins, P. L., Dannhauer, M., Haugen, L. M., Port, J. D., Croarkin, P. E. Optimizing TMS coil placement approaches for targeting the dorsolateral prefrontal cortex in depressed adolescents: An electric field modeling study. Biomedicines. 11 (8), 2320 (2023).
  61. Gomez, L. J., Dannhauer, M., Peterchev, A. V. Fast computational optimization of TMS coil placement for individualized electric field targeting. NeuroImage. 228, 117696 (2021).
  62. Derosiere, G., Duque, J. Tuning the corticospinal system: How distributed brain circuits shape human actions. The Neuroscientist. 26 (4), 359-379 (2020).
  63. Bestmann, S., Krakauer, J. W. The uses and interpretations of the motor-evoked potential for understanding behaviour. Experimental Brain Research. 233 (3), 679-689 (2015).
  64. Reis, J., et al. Contribution of transcranial magnetic stimulation to the understanding of cortical mechanisms involved in motor control. Journal of Physiology. 586 (2), 325-351 (2008).

Tags

Deze maand in JoVE reukzin geurhedonisme primaire motorische cortex dorsolaterale prefrontale cortex connectiviteit hersenstimulatie
Combinatie van een ademgesynchroniseerde olfactometer met hersensimulatie om de impact van geuren op corticospinale prikkelbaarheid en effectieve connectiviteit te bestuderen
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Neige, C., Imbert, L., Dumas, M.,… More

Neige, C., Imbert, L., Dumas, M., Athanassi, A., Thévenet, M., Mandairon, N., Brunelin, J. Combining a Breath-Synchronized Olfactometer with Brain Simulation to Study the Impact of Odors on Corticospinal Excitability and Effective Connectivity. J. Vis. Exp. (203), e65714, doi:10.3791/65714 (2024).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter