一种免费呼吸功能磁共振成像方法研究人类嗅觉功能
2017年7月30日
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。
本视频的总体目标是介绍和解释一种有效且易于适应的 fMRI 方法，以便在不受自然呼吸干扰的情况下有效探索人类嗅觉系统的映射。使用嗅觉 fMRI 研究大脑激活对气味和刺激的反应的一个障碍是重复气味刺激的不一致，这是由呼吸和气味传递的异步引起的。如此处所示，当固定时间气味刺激范式中的气味呈现与呼吸不同步时，重复的气味刺激可能发生在呼吸的不同阶段。
解决这个问题的方法是建立一个呼吸触发的嗅觉 fMRI 范式。有效的嗅觉 fMRI 数据收集是通过首先在嗅觉计上设计一个与事件相关的呼吸触发的嗅觉刺激范式来完成的，该范式对习惯和不一致的吸入模式有抵抗力。第二步是准备用于嗅觉刺激的加臭剂，注意使用尽量减少三叉神经刺激和习惯化影响的加臭剂。
第三步是通过组装具有运行呼吸触发范式能力的嗅觉计，在 MRI 环境中设置和运行实验。最后一步是使用 ONSET 程序处理数据，以定义刺激的实际开始和持续时间向量。最终，这项技术有可能促进对人类嗅觉系统进行更敏感的探索和连接。
在这里，我们将演示如何使用 ETT 嗅觉计设置呼吸触发的嗅觉 fMRI 实验。要创建范例，请将加臭剂通道分配给特定的加臭剂。该嗅觉计系统中有六个气味剂通道可用。
输入并编辑这些通道的打开和关闭的顺序和时间。按下触摸屏上的 Paradigm Setting 按钮。要输入或编辑加臭剂通道的打开和关闭顺序，请按下 Valve Sequence 的 Edit（编辑）按钮。
完成后，再次按下 Edit 按钮退出编辑模式。要输入或编辑气味剂通道打开和关闭的时序参数，请按下 Time Sequence 的 Set 按钮。完成后，再次按下 Set 按钮退出编辑模式。
完成 Paradigm 设置后，按下 Return 按钮返回主窗口。本视频中演示了相同浓度的相同气味剂的简单刺激范例。每个加臭剂的呈现都与新鲜空气的呈现交错。
在这个范式中，相同的气味出现了 12 次。每次，气味呈现持续 6 秒，气味呈现之间的时间长短不一。相应地设置 Valve Open 和 Valve Close 持续时间。
在这个演示中，准备了一种浓度的薰衣草油。我们使用薰衣草油，因为它对某些大脑区域的三叉神经刺激和激活最小。加臭剂浓度可以根据所选的加臭剂而变化。
根据气味的理想感知阈值选择浓度。通过改变浓度，我们降低了对气味剂习惯的可能性。为了制备浓度，将薰衣草油与丙二醇混合。
丙二醇是常用于加臭剂的溶剂，稳定且几乎无味。按照范例设计中概述的所有溶液混合后，将相同量的加臭剂倒入每个容器瓶中。然后，按正确的顺序将瓶子连接到加臭剂载体上。
要在 MRI 中设置嗅觉计，请将气味剂载体放在机器旁边的磁铁室中。将管子穿过波导以连接到载体，注意管子的顺序与连接到嗅觉计的顺序相匹配。为方便起见，我们对管子进行颜色编码以匹配加臭剂通道。
启动本机。根据需要调整主气流，以及载体和冲洗的各个流速。然后，将呼吸带连接到嗅觉计，并将呼吸带穿过波导。
腰带将记录受试者的呼吸活动，以及呼吸触发器的使用情况。将被摄体带入磁化室，并将面罩放在被摄体上。当受试者躺下时，将呼吸带放在他们的胸部或腹部有明显呼吸事件的地方。
检查嗅觉计屏幕上的呼吸模式。如果波浪停滞不前，则皮带系得太紧，呼吸触发器将无法正常工作。调整皮带，直到可以看到完整的呼吸轨迹，因为清晰的呼吸峰值信号对于成功执行呼吸触发范式至关重要。
在嗅觉计上创建一个数据文件夹来存储呼吸数据。应使用 Paradigm Check 并根据需要调整 Trigger Delay 时间来测试气味呈现与呼吸的同步性的准确性。按下触摸屏上的 Paradigm Check 按钮，监测气味是否发生在呼吸循环的吸入阶段。
气味传递期在呼吸轨迹上以粉红色突出显示。如果气味传递在呼气阶段开始，要返回 Paradigm Setting，请调整时序中的 Trigger Delay，然后重做 Paradigm Check。将范例设置为 Trigger In 模式，以便 MRI 扫描触发气味刺激范式的执行。
然后选择 Respiration Trigger Start 功能。该范例现在可以运行了。气味刺激范式完成后，检查嗅觉计中保存的呼吸数据。
该文件包括呼吸轨迹和每个功能性 MRI 图像的时间戳、呼吸触发器、每个气味通道的打开和关闭以及使用响应设备的受试者反应。可以使用 ONSET 程序对其进行处理，以获取用于 fMRI 数据处理的实际刺激开始向量和持续时间。ONSET 可以在 IDL 虚拟机中运行。
要获取气味刺激开始向量和持续时间，请单击 Respiration Validation。加载从嗅觉计保存的呼吸数据文件，并设置 ONSET 处理的后处理参数。运行 ONSET。
实际的刺激开始向量，即气味传递过程中每次吸入的开始，将根据气味出现的时间和呼吸轨迹自动检测。结果，包括起始和持续时间向量，可用于 fMRI 数据处理。按照标准程序处理 fMRI 数据。
以下是使用 SPM8 进行数据处理的示例。使用 onset 输出中的 image numbers 或 onset vectors 和 duration（以秒为单位），具体取决于为 SPM 范式设计选择的 timing unit。通过使用实际开始和持续时间向量将刺激范式拟合到具有典型血流动力学反应函数的功能数据，在个体水平上生成统计参数图。
这是一个初级嗅觉皮层激活对气味刺激做出反应的例子。与呼吸触发的气味刺激范式相比，例如，我们可以从同一主题中看到的固定时间范式，气味传递不是由呼吸活动触发的。由于无法控制受试者的呼吸，因此吸入的气味剂量存在显着差异。
按照标准程序，使用与先前呼吸触发的 fMRI 数据相同的统计阈值处理这些 fMRI 数据，在初级嗅觉皮层中未检测到显着激活。然而，当实施呼吸触发器时，气味的呈现总是与吸入同步，从而提高了气味刺激的一致性和准确性。看完这个视频后，你应该对当前使用事件相关呼吸触发范式的嗅觉 fMRI 的实践有一个很好的了解。
一旦掌握了本视频中演示的技术，就可以应用进一步的嗅觉刺激范式设计和分析方法来绘制人类中枢嗅觉系统的功能，并进一步探索神经退行性疾病中的嗅觉缺陷。
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概览
本文讨论了从人类中枢嗅觉系统获取可靠的fMRI数据的技术挑战和解决方案。它强调了同步气味递送与呼吸以提高数据质量的重要性。
关键研究组成部分
科学领域
- 神经科学
- 功能性磁共振成像（fMRI）
- 嗅觉系统
背景
- 嗅觉fMRI研究由于呼吸和气味递送的非同步而面临挑战。
- 不一致的气味刺激可能影响大脑激活测量。
- 适应和三叉神经刺激可能使嗅觉fMRI结果复杂化。
- 有效设计嗅觉fMRI范式对于可靠的数据收集至关重要。
研究目的
- 提出一种使用fMRI映射人类嗅觉系统的方法。
- 解决气味呈现与呼吸同步的挑战。
- 提高嗅觉研究中fMRI数据收集的可靠性。
使用的方法
- 设计一个呼吸触发的嗅觉fMRI范式。
- 使用MRI兼容的嗅觉计进行气味递送。
- 选择能最小化三叉神经刺激的气味物质。
- 实施数据后处理的软件工具。
主要结果
- 呼吸触发的范式有效地同步气味递送与呼吸。
- 选择的气味物质减少了fMRI会话期间的适应效应。
- 数据后处理提高了fMRI结果的可靠性。
- 总的来说，该方法增强了嗅觉系统的研究。
结论
- 同步气味递送与呼吸对于嗅觉fMRI至关重要。
- 精心选择气味物质可以减轻嗅觉研究中的常见挑战。
- 这种方法为未来的嗅觉fMRI研究提供了一个稳健的框架。
常见问题
Executive Industry Relevance
Accurate mapping of the human olfactory system is critical for early detection of neurodegenerative diseases such as Alzheimer's and Parkinson's, where olfactory dysfunction serves as a biomarker. Respiration-triggered fMRI enhances data reliability by synchronizing odor delivery with inhalation, reducing variability in stimulus exposure. This methodological advance supports target validation and mechanistic de-risking in CNS drug discovery by enabling consistent, quantitative assessment of olfactory pathway function.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of olfactory pathway activation to validate targets involved in sensory processing and neurodegeneration.
- Operational Value: Provides a reproducible fMRI paradigm for assessing target engagement in preclinical models of olfactory dysfunction.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Supports assay standardization by minimizing respiratory variability in odorant delivery, improving signal consistency.
- Operational Value: Facilitates high-fidelity screening of compounds intended to modulate olfactory function or delay neurodegeneration.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Bridges discovery and clinical translation by enabling cross-species comparison of olfactory system responses.
- Operational Value: Supports longitudinal tracking of olfactory decline in preclinical models, aiding risk-adjusted advancement decisions.
Pipeline & Workflow Integration
This method integrates into the discovery continuum from target validation through preclinical evaluation, offering a quantitative neuroimaging readout for olfactory pathway modulation.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing by linking odorant exposure to measurable cortical activation in the primary olfactory cortex.
- Screening: Enhances assay readiness through respiration-triggered precision, reducing false variability in dose-response assessments.
- Analytics: Generates onset and duration vectors via ONSET processing, enabling precise modeling of hemodynamic responses in fMRI analysis.
- Translational Research: Connects mechanistic findings to clinical relevance by mapping olfactory deficits associated with neurodegenerative disease progression.
- Enterprise Reuse: Establishes a standardized, adaptable platform for repeated use across olfactory-targeted discovery programs.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in target validation by reducing mechanistic ambiguity in olfactory pathway studies.
- Operational Value: Ensures reproducibility and scalability across sites through synchronized stimulus delivery and validated post-processing.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions by providing reliable neurobiological readouts for CNS-targeted therapeutics.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of compounds based on objective olfactory function metrics.
Implementation Considerations
- Requires expertise in fMRI experimental design, olfactometer operation, and respiratory physiology monitoring.
- Dependent on MRI-compatible olfactometry systems and respiratory triggering hardware.
- Necessitates cross-team standardization between neuroscience, imaging, and pharmacology units for consistent protocol execution.
- Adaptation across model systems requires validation of odorant delivery and respiratory synchronization in non-human subjects.
- Practical limitations include subject compliance with respiration monitoring and potential interference from nasal airflow variations.
