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，....

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. ....

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