一种无需屏气的fMRI方法研究人类嗅觉功能

摘要

我们介绍了获取人类中枢嗅觉系统可靠功能磁共振成像（fMRI）数据所面临的技术挑战及相应解决方案。内容包括嗅觉fMRI实验范式设计的特殊考虑、使用磁共振兼容嗅觉刺激仪进行fMRI数据采集的描述、气味剂的选择，以及用于数据后处理的专用软件工具。

摘要

人类嗅觉研究是一个高度复杂且极具价值的领域，其应用范围涵盖从生物医学研究到临床评估的多个方面。目前，由于存在多种技术难题，利用功能性磁共振成像（fMRI）评估人类中枢嗅觉系统功能仍面临挑战。在考虑采用fMRI技术对中枢嗅觉系统功能进行 Mapping 时，需重点关注若干关键变量，包括合适的嗅质选择、嗅质呈现与呼吸之间的相互作用，以及受试者对嗅质可能产生的预期或适应效应。一种基于事件相关、呼吸触发的嗅觉fMRI技术能够精确递送嗅质以刺激嗅觉系统，同时最大限度地减少潜在干扰。结合我们的数据后处理方法，该技术可有效捕捉初级嗅觉皮层中fMRI信号的精确起始时间。本文介绍的技术为获得可靠的嗅觉fMRI结果提供了一种高效且实用的手段。随着我们对人类嗅觉系统复杂性的进一步理解，该技术最终可应用于临床领域，作为阿尔茨海默病和帕金森病等与嗅觉退化相关疾病的诊断工具。

引言

人类嗅觉系统被认为远不止是一个感觉系统，因为嗅觉在体内稳态调节和情绪中也发挥着重要作用。临床上，人类嗅觉系统已知容易受到多种常见神经系统疾病和精神障碍的侵害，例如阿尔茨海默病、帕金森病、创伤后应激障碍和抑郁症^1,2,3,4,5。目前，基于血氧水平依赖（BOLD）对比的功能性磁共振成像（fMRI）是绘制人脑功能最有价值的技术。利用该技术，研究人员已获得了大量关于中枢嗅觉结构（例如，梨状皮层、眶额皮层、杏仁核和岛叶皮层）特定功能的知识^6,7,8,9,10。

然而，将功能性磁共振成像（fMRI）应用于人类中枢嗅觉系统及其相关疾病的研究受到两个主要障碍的限制：血氧水平依赖信号（BOLD）的快速适应以及呼吸带来的可变性调节。....

方案

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南，人体受试者在参与研究前已签署书面知情同意书。

注意：为演示目的，本文介绍了一种使用市售磁共振成像兼容嗅觉刺激仪的简单气味刺激范式。该范式已证明可有效减少习惯化效应，并获得可靠的嗅觉功能磁共振成像数据¹⁵本方案中所述的某些步骤可能与所使用的嗅觉仪类型有关。然而，任何类型的设备——自制或市售且具备类似功能的设备——均可以类似方式使用。嗅觉仪必须能够监测呼吸，并能以精确的时间顺序递送一系列气味剂。确保整个气味递送系统（包括嗅觉仪）均采用对气味化学物质惰性的材料制成例如，玻璃和聚四氟乙烯），且气味传递路径通畅、密闭，死腔体积最小。

1. 范式设计

1. 通过在可编程嗅觉仪上设定气流阀序列来创建新的实验范式。
   注意：阀序列是指承载不同浓度或类型气味物质的特定气道开启与关闭的顺序和时序。在本演示中，六个通道的每个阀门均开启两次，共进行十二次气味递送。每当一个阀门开启时，其余所有阀门均处于关闭状态，且每个阀门只有在其他所有阀门均已开启一次后才会再次开启。
   1. 设定刺激（即特定通道开启）的持续时间，以及通道关闭的持续时间。
      注意：在本演示中，气味呈现的持续时间为 6 s，而通道关闭的持续时间则在 22 s 至 38 s 之间变化。
   ....

结果

图1展示了在磁体室内外进行嗅觉fMRI实验的装置设置，同时考虑了磁共振兼容性。图2a展示了一种标准的固定时序范式，而图2b展示了一种采用“呼吸触发”模式的范式，可实现气味释放与吸气的同步化。

规律的呼吸模式并具有清晰的吸气峰，对于实现精确的呼吸触发范式至关重要。因此，在实验设置过程中，调整呼吸传感器是一个重要步骤。图3展示了呼吸传感器安装不正确（图3a）和正确（图3b）时的典型呼吸信号轨迹。如果呼吸模式不规则或呼吸信号出现平台期，嗅觉刺激仪将无法准确识别呼吸模式，气味呈现也就无法与受试者的吸气过程同.......

讨论

为了获得可靠的嗅觉激活数据，应仔细考虑并正确执行实验步骤。本方案中的关键步骤包括：采用呼吸触发范式，以使气味递送与图像采集同步；配制适当浓度的气味剂，以控制心理物理学反应；搭建嗅觉仪系统，确保获得稳定可靠的呼吸信号和恒定的气流；以及使用ONSET软件对呼吸和气味递送的时间数据进行后处理，以回顾性地校正气味起始时间向量。在实验范式设计和数据分析过程中，需考虑诸如适应、心理物理学反应和呼吸模式等混杂因素。当受试者长时间暴露于气味刺激时，初级嗅觉皮层的激活会在数秒内减弱，因此有必要采用事件相关范式，通过一系列短暂的气味刺激递送来避免此问题。此外，还应密切监测 sniffing（ sniffing ）行为，因为即使在无气味条件下，sniffing 本身也可能引起梨状皮层的激活⁸。最重要的是，若呼吸与气味递送不同步，则呼吸将成为主要的混杂变量。我们已证明，采用呼吸触发范式实现吸气与气味起始的同步，可产生更为可靠的脑激活信号¹⁵。

自由呼吸fMRI方法最常见的问题是气味递送事件与吸气之间的同步性较差.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
3T 磁共振扫描仪	Siemens		任何型号的磁共振扫描仪均可接受。
嗅觉仪	Emerging Tech Trans, LLC		任何具备类似功能的嗅觉仪均可接受。
6通道气味输送装置	Emerging Tech Trans, LLC
鼻部接口/施加器	Emerging Tech Trans, LLC
聚四氟乙烯管	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	奇华顿香精香料公司
1,2-丙二醇	Sigma	P6209
ONSET			www.pennstatehershey.org/web/nmrlab/resources/software/onset
SPM8	英国伦敦大学学院惠康神经影像中心，伦敦，英国