一种免费呼吸功能磁共振成像方法研究人类嗅觉功能

Summary

我们介绍从人类中心嗅觉系统获得可靠的功能磁共振成像（fMRI）数据的技术挑战和解决方案。这包括嗅觉fMRI范式设计中的特殊考虑，使用MRI兼容嗅觉仪的fMRI数据采集描述，气味选择以及用于数据后处理的专用软件工具。

Abstract

人类嗅觉的研究是一个非常复杂和有价值的领域，应用范围从生物医学研究到临床评估。目前，功能磁共振成像（fMRI）的人体中枢嗅觉系统的功能评估仍然是一个挑战，因为有几个技术难点。在考虑使用fMRI映射中心嗅觉系统的功能的有效方法时，需要考虑一些重要的变量，包括适当的气味选择，气味呈现和呼吸之间的相互作用以及对气味剂的潜在预期或习惯。与事件相关的呼吸引发的嗅觉功能磁共振成像技术可以精确地管理气味，以刺激嗅觉系统，同时最大限度地减少潜在的干扰。使用我们的数据后处理方法，可以有效地捕获原始嗅觉皮质中fMRI信号的精确定位。技术前这里提供了一种有效和实用的方法来产生可靠的嗅觉功能磁共振成像。随着我们开始进一步了解人类嗅觉系统的复杂性，这种技术最终可以应用于临床领域，作为与嗅觉退化有关的疾病的诊断工具，包括阿尔茨海默病和帕金森病。

Introduction

人类嗅觉系统被认为远远超过感觉系统，因为嗅觉也在稳态调节和情绪中起重要作用。临床上，人的嗅觉系统已知是易受许多流行的神经疾病和精神疾病，如阿尔茨海默氏病，帕金森氏病，创伤后应激障碍和抑郁症^{1，2，3，4，5}的攻击。目前，具有血氧水平依赖性（BOLD）对比度的功能磁共振成像（fMRI）是映射人脑功能的最有价值的技术。已经获得了关于中心嗅觉结构（ 例如梨状皮层，眶额叶皮质，杏仁核和岛状皮层）的特定功能的大量知识神游^{6，7，8，9，10。}

然而，fMRI在人类中枢嗅觉系统及相关疾病研究中的应用受到两个主要障碍的阻碍:BOLD信号的快速习惯和呼吸可变调制。在日常生活中，当一段时间暴露于气味时，我们很快就习惯了香味。事实上，使用嗅觉功能磁共振成像研究的情况下，气味引起的磁共振成像信号迅速被习惯化，这对上刺激范例设计^{8，10，11，12，13，14}是一个挑战衰减。原始嗅皮层初始显着的BOLD信号仅持续存在在发臭后几秒钟。因此，嗅觉fMRI范例应避免在短时间内长时间或频繁的气味刺激。为了减少习惯效应，一些研究试图在fMRI范式中呈现交替气味。然而，这种方法可能使数据分析复杂化，因为每种气味剂都可以被视为独立的刺激事件。

另一个技术问题出现在受试者呼吸模式的变异性;在固定时间范式下，吸入并不总是与加臭剂给药同步。嗅觉刺激的发作和持续时间由每个人的呼吸调节，这混淆了fMRI数据质量和分析。一些研究尝试通过视觉或听觉线索来缓解这个问题，以使呼吸和气味发作同步，但受试者的依从性是可变的，特别是在临床人群中。大脑激活相关联在某些应用中，这些线索也可能使数据分析复杂化。因此，同步吸入与气味输送对于嗅觉功能磁共振成像研究至关重要¹⁵ 。

对嗅觉功能磁共振成像，特别是在数据分析过程中至关重要的另外一个考虑因素是气味选择。相对于感知强度找到合适的加味剂浓度对于在各种实验条件或疾病下的大脑中的活化水平的定量和比较是重要的。气味选择还必须考虑到气味价格或愉悦度。这就是所谓的嗅觉学习^16，17，以引起不同时间轮廓。为此，选择薰衣草气味进行部分验证。根据具体研究的目的，不同的气味剂可能是更好的选择。此外，三叉神经刺激必须最小化以减少e激活与嗅觉没有直接关系¹⁸ 。

在本报告中，我们展示了在磁共振环境中使用嗅觉仪设置和运行呼吸触发范式的fMRI技术。我们还提供一个后处理工具，可以减少在数据采集期间可能发生的一些时序错误，以进一步改进数据分析。

Protocol

以下实验方案遵循宾夕法尼亚州立大学医学院机构审查委员会的指导方针，人体受试者在参加研究之前给予书面知情同意书。

注意:为了演示的目的，提出了一种使用市售的MRI兼容嗅觉计的简单气味刺激范例。已经证明这一范例有效降低了习惯效应，并产生了可靠的嗅觉功能磁共振成像数据¹⁵ 。本协议中概述的某些步骤可能特定于使用的嗅觉仪的类型。然而，可以以类似的方式使用任何类型的具有类似能力的家用或可商购的设备。嗅觉仪必须能够监测呼吸，以及提供精确定时的气味剂序列。确保整个气味递送系统（包括嗅觉测量仪）采用对气味化学物质（ 如玻璃和聚四氟乙烯）无惰性的物质构成，气味通道光滑，气密，死区最小。

范式设计

1. 通过在可编程嗅觉计上指定气流顺序来创建新的范例。
   注意:阀门序列是保持不同浓度或类型气味剂的特定空气通道的打开和关闭的顺序和时间。在这个示范中，六个通道的每个阀门打开两次，共十二个气味输送。每当一个阀门打开时，所有其他阀门关闭，并且只有在所有其他阀门已经打开一次后，每个阀门再次打开。
   1. 分配刺激的持续时间（特定通道的打开）以及要关闭通道的持续时间。
      注意:在本示范中，气味呈现的持续时间为6秒，而通道关闭的持续时间从22秒变化到38秒。
   2. 设置阀门打开和关闭顺序的重复次数。这里重复次数为1次。
   3. 以相同的流速交替显示每种气味呈现，呈现无臭的空气。例如，在50％相对湿度和22°C的室温下，以6L / min的流速将气流传送到具有或没有气味的对象。
      注意:这很重要，因为气流的变化可能会引起触觉。

2.气味准备

1. 通过考虑气味价格，愉悦度，强度，熟悉度和三叉分量来选择适合气味刺激范例的气味剂（ 见表1 ）。
   注意: 表1列出了一些常用的气味剂。选择薰衣草气味用于此示范，因为它在低至中等程度上具有最小的三叉神经刺激浓度通常被认为是愉快和熟悉的。
2. 选择合适的溶剂（ 例如 ，水，矿物油，1,2-丙二醇，乙醇）中以制备臭气物质的解决方案。
   注意:这里，使用1,2-丙二醇作为加臭剂溶液的溶剂。
3. 为气味刺激范式选择合适的气味浓度。例如，稀释的薰衣草油在1,2-丙二醇中的浓度为0.10％（体积/体积），用于嗅觉刺激¹⁹ 。
   注意:这可以通过一组正常受试者对一系列不同浓度的心理物理学评估来完成。
4. 将适当的气味溶液放入加味剂容器中。确保所有容器具有相同的空间，相同量的溶液和溶液的相同表面积。例如，使用六个300毫升尺寸的玻璃瓶作为加臭剂容器，每个瓶子保持50毫升0.10％的薰衣草油溶液。
5. 连接一个将气味容器放入适当的通道进行气味输送。

嗅觉仪设置

1. 检查连接是否确保所有加臭剂容器均正确连接到加味剂载体上。不要过紧，因为这可能会损坏密封。通过检查通过每个加臭剂容器的气流，在后续步骤中确保适当的密封性。
2. 将气味载体放置在磁体室中，并将每个管连接到室外的嗅觉计，因为主机不兼容MR。目视检查管道中的任何扭结，因为这将影响气流。将在以后的步骤中检查每个通道的气流。
3. 通过将数字与正确的端口相匹配，将所有管从嗅觉仪安全地连接到加味剂载体。为了准确性，对管进行颜色编码，使得通道1的粉红色，通道2的蓝色等 。
4. 确保通过所有通道的气流通过连接流动是一致的米到管道的输出端。手动打开嗅觉仪控制面板上的每个通道，调整每个通道和冲洗管线的总空气流量以及流量，直到每个通道的流量一致。
5. 用聚四氟乙烯（PTFE）管将面罩或鼻片连接到加味剂载体上。当切换通道时，确保传送到被摄体的气流（ 例如 6 L / min）一致。
6. 将射频触发从MRI系统连接到嗅觉仪上的"触发"端口，以同步气味刺激范式和fMRI图像采集。可能需要光电信号转换器。
7. 将每个通道和冲洗管线的总空气流量和流量调整到设计量。例如，6L / min的总空气流量和每个通道和冲洗管线的流量为3L / min。
8. 连接气动呼吸系统r带通过气动电信号转换器盒到嗅觉计的响应端口。
9. 如果需要主观响应，请通过气动电气信号转换箱将气动响应垫连接到嗅觉计的响应端口。

4.实验程序

1. 进行预筛选，以确保MRI程序对于受试者是安全的。
   1. 询问病史，包括潜在的种植体，幽闭恐惧症或其他可能干扰受试者安全参与功能磁共振成像研究的能力的预先存在的病症。另外，进行气味的气味阈值测试，以确保受试者在实验过程中可闻到气味。
2. 使患者仰卧在MRI检查床上。将面罩或鼻片妥善放置在受试者身上，以确保空气吹入鼻孔。将呼吸传感器放在t上他的胸部或腹部。要求受试者正常呼吸。根据嗅觉计显示屏上看到的呼吸模式手动调节保持呼吸传感器的皮带的紧度和位置。
3. 创建一个数据文件夹来记录嗅觉计数器中的呼吸数据。单击"文件管理器"，输入分配给当前主题的主题ID，然后"确认"输入。
4. 使用"范例检查"选项来测试异味递送和吸入的同步，而不需要刺激输送，如果需要，可以手动调整"气门延迟"时间，以确保气味传播的开始与受试者的吸入阶段同步。
5. 通过在嗅觉计的控制单元上选择"触发"模式，设置气味刺激和fMRI图像采集之间的同步。
   注意:这允许气味刺激范例从外部触发开始，通过";触发"源自MRI系统的端口。因此，在接收到来自扫描仪的外部触发之前，范例将不会运行。请注意MRI扫描仪发出什么样的触发脉冲（电或光）。可能需要信号转换器来链接这两个系统。
6. 通过在嗅觉计的控制单元上选择"resp trigger start"来激活呼吸触发。
   注意:激活时，每个范例序列元素的开始与吸入同步。这可以通过从呼气阶段开始延迟大约呼吸周期的一半的气味来经验地实现。
7. 在MRI控制台上启动fMRI图像采集;一旦图像采集开始，气味刺激范式就会开始。监测任何不规则呼吸活动的呼吸模式。
   注意:不规则的呼吸活动可能是高原，更长和更长周期的形式，或波涛汹涌这里，使用BOLD信号敏感的T ₂ *加权回波平面成像序列用于具有2,000ms重复时间，30ms回波时间，90°翻转角，220mm×220mm视野的fMRI图像采集，80 ×80采集矩阵，30 4 mm厚轴向切片，加速因子为2，用于集成并行成像技术。
8. 完成成像协议后，将物体从磁铁上移开，然后取下面罩/鼻片。

嗅觉清洁

1. 关闭空气泵。将加味剂容器从气味载体中分离出来，并用干净的空的容器代替。
2. 打开气泵。用无味的空气冲洗每个通道5分钟，以除去空气管线中的残留气味物质。
3. 关闭嗅觉仪。
4. 用酒精擦拭液消毒鼻子或面罩。用温水冲洗面罩或鼻子，然后风干。

数据分析

1. 要处理数据，将呼吸数据文件加载到开源软件嗅觉网络刺激编辑工具（ONSET）（www.pennstatehershey.org/web/nmrlab/resources/software/onset） ¹⁵
   注意:ONSET软件是由孙晓宇开发的。将自动检测基于范式和呼吸痕迹时间的气味刺激开始。实际刺激矢量被定义为气味递送期间每次有效吸入的开始时间。
   1. 测量和比较气味和无味周期之间的呼吸速率和体积（每个吸入和呼出相位下的面积） ¹⁵ 。
      注意:这些呼吸参数在气味和无味期间间无显着差异。
   2. 使用来自ONSET的实际起始和持续时间向量处理fMRI数据以激活中心olfac系统¹⁵ 。

Results

图1显示了考虑MR兼容性的磁体室内外的嗅觉功能磁共振成像的设置。 图2a示出了标准固定时间范例，而图2b展示了一个范例，其中"呼吸触发"允许气味输送和吸入的同步。

具有清晰吸入峰值的常规呼吸模式对于实施准确的呼吸触发范式至关重要。因此，呼吸传感器的调整是实验设置中的重要一步。 图3显示了呼吸传感器设置不正确（ 图3a ）和正确（ 图3b ）时的样品呼吸痕迹。如果呼吸嗅觉模式不规则或呼吸信号平稳，嗅觉仪将无法准确确定呼吸模式，并且气味呈现不能与被摄体吸入同步。

Discussion

应仔细考虑实验程序，并妥善执行收集可靠的嗅觉激活数据。协议中的关键步骤包括实施呼吸引发的范例，使气味传递与图像采集同步，制备适当浓度的气味来控制心理物理反应，用可靠稳定的呼吸信号和恒定气流设置嗅觉仪，以及后处理呼吸和使用ONSET的气味施用定时数据追溯调整气味发起向量。在设计范例和分析数据时，需要考虑诸如习惯，心理物理反应和呼吸模式等混淆因素。当受试者暴露于长时间的气味时，主要嗅皮质的激活在接触的几秒钟内降低，这使得有必要利用具有简短施用顺序的事件相关范例的气味剂。嗅觉也应该密切监测，因为它可以诱发梨形皮质的激活，甚至没有气味⁸ 。最重要的是，呼吸是一个主要的混杂变量，如果它不与加味剂管理同步。我们已经表明，吸入和气味发作与呼吸触发范式的同步产生更可靠的活化¹⁵ 。

自由呼吸fMRI方法最常见的问题是气味传播和吸入事件之间的差异同步，这可能是由实验设置中的三个缺陷引起的。首先，最常见的呼吸传感器设置不正确。当胸带过紧时，呼吸信号将会平稳，导致同​​步不良。第二，"阀门延迟"时间校准不佳，...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
3T MR 扫描仪	Siemens		Any MR 扫描仪都是可以接受的。
嗅觉计	Emerging Tech Trans， LLC		任何具有类似功能的嗅觉计都是可以接受的。
6通道加臭剂载体	Emerging Tech Trans， LLC
物镜转换器/涂抹器	Emerging Tech Trans， LLC
PTFE管	Emerging Tech Trans， LLC
TTL转换盒	Emerging Tech Trans， LLC
呼吸传感器带	Emerging Tech Trans， LLC
薰衣草油	奇华顿香料公司
1,2丙二醇	Sigma	P6209
			www.pennstatehershey.org/web/nmrlab/resources/software/onset
SPM8	英国伦敦大学学院 Wellcome Trust Center for Neuroimaging