Eine frei atmende fMRI-Methode zur Untersuchung der menschlichen olfaktorischen Funktion

Summary

Wir stellen die technischen Herausforderungen und Lösungen für den Erhalt zuverlässiger funktioneller Magnetresonanztomographie (fMRI) Daten aus dem menschlichen zentralen olfaktorischen System vor. Dazu gehören besondere Überlegungen im olfaktorischen fMRI-Paradigmen-Design, Beschreibungen der fMRI-Datenerfassung mit einem MRI-kompatiblen Olfaktometer, Odorant-Auswahl und einem speziellen Software-Tool für die Daten-Nachbearbeitung.

Abstract

Das Studium der menschlichen Olfusion ist ein hochkomplexes und wertvolles Feld mit Anwendungen von der biomedizinischen Forschung bis zur klinischen Evaluation. Derzeit ist die Auswertung der Funktionen des menschlichen zentralen olfaktorischen Systems mit funktioneller Magnetresonanztomographie (fMRI) aufgrund vieler technischer Schwierigkeiten immer noch eine Herausforderung. Es gibt einige signifikante Variablen, die bei der Betrachtung einer wirksamen Methode zur Abbildung der Funktion des zentralen olfaktorischen Systems unter Verwendung von fMRI berücksichtigt werden, einschließlich der richtigen Odorantauswahl, der Wechselwirkung zwischen Geruchsdarstellung und Atmung und der möglichen Vorwegnahme oder Gewöhnung an Geruchsstoffe. Eine ereignisbezogene, atmungsgesteuerte olfaktorische fMRI-Technik kann die Geruchsstoffe genau anregen, um das olfaktorische System zu stimulieren und gleichzeitig mögliche Störungen zu minimieren. Es kann effektiv die genauen Onsets von fMRI-Signalen in der primären olfaktorischen Kortex mit unserer Daten nach der Verarbeitung Methode zu erfassen. Die Technik vorHier finden Sie ein effizientes und praktisches Mittel zur Erstellung zuverlässiger olfaktorischer fMRI-Ergebnisse. Eine solche Technik kann letztlich im klinischen Bereich als diagnostisches Werkzeug für Krankheiten angewendet werden, die mit einer olfaktorischen Degeneration, einschließlich der Alzheimer- und Parkinson-Krankheit, verbunden sind, da wir beginnen, die Komplexität des menschlichen Geruchsystems weiter zu verstehen.

Introduction

Das menschliche olfaktorische System wird viel mehr als ein sensorisches System verstanden, da die Orangenheit auch eine wichtige Rolle bei der homöostatischen Regulation und Emotionen spielt. Klinisch ist bekannt, dass das menschliche olfaktorische System anfällig für Angriffe vieler vorherrschender neurologischer Erkrankungen und psychiatrischer Erkrankungen wie Alzheimer-Krankheit, Parkinson-Krankheit, posttraumatischer Belastungsstörung und Depression ^{1 , 2 , 3 , 4 , 5 ist} . Derzeit ist die funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRI) mit dem Blut-Sauerstoff-Niveau-abhängigen (BOLD) -Kontrast die wertvollste Technik für die Abbildung von Funktionen des menschlichen Gehirns. In dieser Technik wurde ein erheblicher Wissenswert über spezifische Funktionen zentraler olfaktorischer Strukturen ( zB piriforme Kortex, orbitofrontale Kortex, Amygdala und Inselrinde) erworbenIque ^{6 , 7 , 8 , 9 , 10}

Die Anwendung von fMRI auf Studien des menschlichen zentralen olfaktorischen Systems und damit verbundenen Krankheiten wurde jedoch durch zwei große Hindernisse behindert: schnelle Gewöhnung des BOLD-Signals und variable Modulation durch Atmung. Im Alltag, wenn sie für einen Zeitraum von einem Riechstoff ausgesetzt sind, haben wir schnell den Duft gewohnt. In der Tat, wenn man mit olfaktorischem fMRI studiert, wird das geruchsinduzierte fMRI-Signal durch Gewöhnung schnell abgeschwächt, was eine Herausforderung für die Stimulations-Paradigmen-Designs ^{8 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 darstellt} . Das anfängliche signifikante BOLD-Signal im primären olfaktorischen Kortex bleibt nur bestehenS für einige Sekunden nach dem geruchlichen Beginn. Daher sollten olfaktorische fMRI-Paradigmen längere oder häufige Geruchsstimulationen in kurzer Zeit vermeiden. Um den Gewöhnungseffekt zu reduzieren, haben einige Studien versucht, abwechselnde Gerüche in einem fMRI-Paradigma zu präsentieren. Dieser Ansatz kann jedoch die Datenanalyse erschweren, da jedes Odorant als ein unabhängiges Stimulationsereignis behandelt werden kann.

Ein weiteres technisches Problem ergibt sich aus der Variabilität der Atmungsmuster der Subjekte; Inhalation synchronisiert sich nicht immer mit einer geruchlosen Verabreichung während eines Festzeit-Paradigmas. Der Beginn und die Dauer der olfaktorischen Stimulation werden durch die Atmung jedes Individuums moduliert, was die Datenqualität und -analyse von fMRI verwechselt. Einige Studien haben versucht, dieses Problem mit visuellen oder auditiven Stichwörtern zu mildern, um Atmung und Geruchsbefall zu synchronisieren, aber die Einhaltung von Themen ist variabel, vor allem in der klinischen Population. Die Gehirnaktivierungen assoziiert wiDiese Cues könnten auch die Datenanalyse in bestimmten Anwendungen komplizieren. Somit kann die Synchronisierung Inhalation mit Riechstoff Lieferung von entscheidenden Bedeutung seines für olfaktorischen fMRI ¹⁵ Studien.

Eine zusätzliche Betrachtung, die für das olfaktorische fMRI entscheidend ist, insbesondere im Datenanalyseverfahren, ist eine Geruchsauswahl. Die Suche nach einer geeigneten Odorierungskonzentration in Bezug auf die wahrgenommene Intensität ist wichtig für die Quantifizierung und den Vergleich von Aktivierungsniveaus im Gehirn unter verschiedenen experimentellen Bedingungen oder Krankheiten. Die Geruchsauswahl muss auch die Geruchsvalenz oder die Annehmlichkeit berücksichtigen. Dies ist bekannt, um divergierende zeitliche Profile im olfaktorischen Lernen ^{16 , 17 zu verursachen} . Lavendelgeruch wurde für diese Demonstration teilweise aus diesem Grund gewählt. Je nach dem Zweck einer bestimmten Studie können verschiedene Geruchsstoffe bessere Entscheidungen treffen. Darüber hinaus muss die Trigeminusstimulation minimiert werden, um zu reduzierenE Aktivierung nicht direkt mit der Auflösung verknüpft ¹⁸ .

In diesem Bericht zeigen wir eine fMRI-Technik zur Einrichtung und Durchführung eines respirationsgesteuerten Paradigmas mit einem Olfaktometer in der Magnetresonanzumgebung. Wir stellen auch ein Nachbearbeitungswerkzeug vor, das einige Zeitfehler beeinträchtigen kann, die bei der Datenerfassung aufgetreten sind, um die Datenanalyse weiter zu verbessern.

Protocol

Das folgende experimentelle Protokoll folgte den Richtlinien des Institutional Review Board der Pennsylvania State University College of Medicine, und das menschliche Subjekt gab schriftlich informierte Zustimmung vor der Teilnahme an der Studie.

Anmerkung: Zur Demonstration wird ein einfaches Geruchsstimulations-Paradigma mit einem handelsüblichen MRI-kompatiblen Olfaktometer vorgestellt. Dieses Paradigma hat sich bewährt bei der Verringerung der Gewöhnungseffekt und hat zuverlässige olfaktorische fMRI Daten ^{15 produziert} . Bestimmte Schritte, die in diesem Protokoll beschrieben werden, können spezifisch für die Art des verwendeten Olfaktometers sein. Jedoch kann jede Art von Ausrüstung, die selbstgemacht oder im Handel mit ähnlichen Fähigkeiten erhältlich ist, in analoger Weise verwendet werden. Das Olfaktometer muss in der Lage sein, die Atmung zu überwachen und eine Sequenz von Gerüchten mit präzisen Timing zu präsentieren. Stellen Sie sicher, dass das gesamte Geruchsabgabesystem (einschließlich derOlfaktometer) besteht aus Materialien, die gegenüber geruchshemmenden Chemikalien ( z. B. Glas und Polytetrafluorethylen) inert sind, und der Geruchsweg ist glatt und luftdicht mit minimalem Totraum.

1. Paradigma Design

1. Erstellen Sie ein neues Paradigma, indem Sie die Luftstromventilsequenz auf einem programmierbaren Olfaktometer angeben.
   HINWEIS: Die Ventilsequenz ist die Reihenfolge und das Timing des Öffnens und Schließens von spezifischen Luftkanälen, die unterschiedliche Konzentrationen oder Arten von Geruchsstoffen enthalten. Bei dieser Demonstration wurde jedes der Ventile für die sechs Kanäle zweimal für insgesamt zwölf Geruchslieferungen geöffnet. Immer wenn ein Ventil offen war, wurden alle anderen Ventile geschlossen, und jedes Ventil wurde erst wieder geöffnet, nachdem alle anderen Ventile schon einmal geöffnet hatten.
   1. Zuordnen der Dauer für den Stimulus (das Öffnen eines bestimmten Kanals) sowie die Dauer des zu schließenden Kanals.
      HINWEIS: Bei dieser Demonstration war die Dauer für die Geruchsdarstellung 6 s, währendDie Dauer für die zu schließenden Kanäle variiert von 22 s bis 38 s.
   2. Legen Sie die Anzahl der Wiederholungen für die Reihenfolge des Ventils öffnet und schließt. Hier ist die Anzahl der Wiederholungen 1.
   3. Interleave jede Duft-Präsentation mit einer Präsentation von geruchloser Luft bei der gleichen Durchflussrate. Zum Beispiel den Luftstrom mit oder ohne Geruch bei einer Durchflussmenge von 6 l / min bei 50% relativer Feuchtigkeit und Raumtemperatur bei 22 ° C abgeben.
      HINWEIS: Dies ist wichtig, da Variationen im Luftstrom zu taktiler Empfindung führen können.

2. Odorant Vorbereitung

1. Wählen Sie ein richtiges Geruch für das Geruchsstimulations-Paradigma, indem Sie die Geruchsvalenz, die Annehmlichkeit, die Intensität, die Vertrautheit und die Trigeminuskomponente berücksichtigen (siehe Tabelle 1 ).
   Anmerkung: Tabelle 1 listet einige häufig verwendete Geruchsstoffe auf. Lavendel Geruch wurde für diese Demonstration gewählt, weil es minimale trigeminale Stimulation bei niedrigen bis mäßigen co hatNcentrations und wird allgemein als angenehm und vertraut empfunden.
2. Wählen Sie ein geeignetes Lösungsmittel ( z. B. Wasser, Mineralöl, 1,2-Propandiol, Ethanol), um die Geruchslösungen herzustellen.
   HINWEIS: Hier wurde 1,2-Propandiol als Lösungsmittel für die Geruchslösung verwendet.
3. Wählen Sie eine richtige Duftstoffkonzentration für das Geruchsstimulations-Paradigma. Zum Beispiel verdünntes Lavendelöl in 1,2-Propandiol bei 0,10% (Volumen / Volumen) Konzentration für die olfaktorische Stimulation ¹⁹ .
   ANMERKUNG: Dies kann durch eine psychophysische Bewertung einer Reihe von verschiedenen Konzentrationen durch eine Gruppe von normalen Themen erfolgen.
4. Setzen Sie die richtigen Geruchslösungen in die Duftstoffbehälter. Stellen Sie sicher, dass alle Behälter die gleiche Menge an Platz haben, gleiche Menge an Lösung und die gleiche Oberfläche für die Lösung. Verwenden Sie zum Beispiel sechs Trinkflaschen mit 300 ml Größe als Duftstoffbehälter, wobei jede Flasche 50 ml 0,10% Lavendelöllösung enthält.
5. Verbinden Sie aLl die Duftstoffbehälter zu den richtigen Kanälen zur Geruchslieferung.

3. Olfaktometer Aufstellung

1. Überprüfen Sie die Anschlüsse, um sicherzustellen, dass alle Riechstoffbehälter ordnungsgemäß am Riechstoffträger befestigt sind. Nicht zu fest anziehen, da dies die Dichtung beschädigen kann. Die richtige Dichtheit wird in einem späteren Schritt gewährleistet, indem der Luftstrom durch jeden Riechstoffbehälter überprüft wird.
2. Legen Sie den Duftstoffträger in den Magnetraum und verbinden Sie jeden Schlauch mit dem Olfaktometer außerhalb des Raumes, da das Hauptgerät nicht MR-kompatibel ist. Achten Sie auf eventuelle Knicke im Schlauch, da dies den Luftstrom beeinflusst. Der Luftstrom jedes Kanals wird in einem späteren Schritt überprüft.
3. Sichern Sie alle Röhren vom Olfaktometer an den Riechstoffträger, indem Sie die Nummern an die richtigen Anschlüsse anpassen. Für die Genauigkeit, Farb-Code die Röhren, so dass rosa für Kanal 1, blau für Kanal 2, etc.
4. Vergewissern Sie sich, dass der Luftstrom durch alle Kanäle durch den Anschluss eines Durchflusses beständig istMeter zum Ausgangsende des Schlauches. Manuell öffnen Sie jeden Kanal auf dem Bedienfeld des Olfaktometers, stellen Sie den gesamten Luftstrom sowie die Durchflussraten jedes Kanals und der Spülleitung ein, bis die Durchflussrate jedes Kanals konsistent ist.
5. Verbinden Sie die Gesichtsmaske oder das Nasenstück mit dem Duftstoffträger mit Polytetrafluorethylen (PTFE) -Röhrchen. Vergewissern Sie sich, dass der Luftstrom ( zB 6 L / min), der an das Motiv geliefert wird, bei der Umschaltung der Kanäle konsistent ist.
6. Verbinden Sie den Hochfrequenz-Trigger vom MRI-System mit dem "Trigger in" -Anschluss am Olfaktometer, um das Geruchsstimulations-Paradigma und die fMRI-Bildaufnahme zu synchronisieren. Ein optisch-elektrischer Signalwandler kann erforderlich sein.
7. Stellen Sie den gesamten Luftstrom und die Durchflussraten für jeden Kanal und die Spülleitung auf die ausgelegten Mengen ein. Beispielsweise beträgt ein Gesamtluftstrom von 6 l / min und die Durchflussraten für jeden Kanal und die Spülleitung 3 l / min.
8. Verbinden Sie die pneumatische respiratorische SensoR-Riemen an den Ansprechport des Olfaktometers über die pneumatisch-elektrische Signalwandlerbox.
9. Wenn eine subjektive Antwort erforderlich ist, schließen Sie das pneumatische Ansprechfeld über die pneumatisch-elektrische Signalwandlerbox an den Ansprechanschluss des Olfaktometers an.

4. Experimentelles Verfahren

1. Führen Sie eine Vor-Screening durch, um sicherzustellen, dass das MRT-Verfahren für das Thema sicher ist.
   1. Fragen Sie das Thema über die Anamnese, einschließlich potenzieller Implantate, Klaustrophobie oder andere vorbestehende Zustände, die die Fähigkeit des Subjekts beeinträchtigen können, sich sicher an der fMRI-Studie zu beteiligen. Zusätzlich führen Sie einen Geruchsschwellen-Test der Geruchsstoffe durch, um sicherzustellen, dass das Subjekt die Geruchsstoffe während des Experiments riechen kann.
2. Lassen Sie das Thema auf dem MRI-Untersuchungsbett liegen. Legen Sie die Gesichtsmaske oder das Nasenstück richtig auf das Motiv, um Luft in die Nasenlöcher zu bringen. Stellen Sie den Atmungssensor entweder auf tEr Brust oder Bauch. Fragen Sie das Thema, um normal zu atmen. Manuelles Einstellen der Dichtheit und Platzierung des Gürtels, der den Atemsensor hält, entsprechend dem Atmungsmuster, das auf dem Olfaktometer-Display zu sehen ist.
3. Erstellen Sie einen Datenordner, um die Atemdaten im Olfaktometer aufzuzeichnen. Klicken Sie auf "Dateimanager", geben Sie die Betreff-ID ein, die dem aktuellen Betreff zugewiesen ist, und bestätigen Sie dann die Eingabe.
4. Verwenden Sie die Option "Paradigmenprüfung", um die Synchronisation von Geruchsabgabe und Inhalation ohne Stimulusabgabe zu testen und ggf. die "Ventilverzögerungszeit" manuell einzustellen, um sicherzustellen, dass der Beginn der Geruchsabgabe mit der Inhalationsphase des Patienten synchronisiert wird.
5. Setzen Sie die Synchronisation zwischen Geruchsstimulation und fMRI-Bilderfassung durch Auswahl von "Trigg-In" -Modus auf der Steuereinheit des Olfaktometers.
   Hinweis: Damit kann das Geruchsstimulations-Paradigma mit einem externen Trigger über die "Trigger in "Port aus dem MRI-System stammt. So wird das Paradigma nicht laufen, bis der externe Trigger vom Scanner empfangen wird. Bitte beachten Sie, welche Art von Trigger-Puls (elektrisch oder Licht), die der MRT-Scanner aussendet. Zur Verknüpfung der beiden Systeme kann ein Signalwandler benötigt werden.
6. Aktivieren Sie den Atmungsauslöser, indem Sie auf der Steuereinheit des Olfaktometers "resp trigger start" wählen.
   Hinweis: Wenn aktiviert, wird der Start jedes Paradigmensequenzelements mit dem Inhalieren synchronisiert. Dies kann empirisch erreicht werden, indem die Geruchsabgabe etwa die Hälfte eines Atomzyklus vom Beginn der Ausatmungsphase verzögert wird.
7. Starten Sie die fMRI-Bilderfassung auf der MRI-Konsole. Das Geruchsstimulations-Paradigma beginnt, sobald die Bildaufnahme beginnt. Überwachen Sie das Atmungsmuster für jede unregelmäßige Atmungsaktivität.
   Anmerkung: Unregelmäßige Atmungsaktivität kann in Form von Plateaus, breiter und längerer Zyklen vorliegen, oderUnregelmäßige Wellen Hier wurde für die fMRI-Bilderfassung mit 2.000 ms Wiederholungszeit, 30 ms Echozeit, 90 ° Flipwinkel, 220 mm × 220 mm Sichtfeld, eine BOLD-signalempfindliche T ₂ * -gewichtete Echoplanar-Bildsequenz verwendet × 80 Erfassungsmatrix, 30 4 mm dicke Axialscheiben und Beschleunigungsfaktor von 2 für integrierte parallele Bildgebungsverfahren.
8. Nach Beendigung des Imaging-Protokolls, bewegen Sie das Motiv aus dem Magneten und entfernen Sie die Gesichtsmaske / Nase Stück.

5. Olfaktometer Aufräumen

1. Schalten Sie die Luftpumpe aus. Die Duftstoffbehälter vom Duftstoffträger abziehen und mit sauberen, leeren ersetzen.
2. Schalten Sie die Luftpumpe ein. Spülen Sie jeden Kanal mit geruchloser Luft für 5 min, um restliche Geruchsstoffe in der Luftleitung zu entfernen.
3. Schalte das Olfaktometer herunter.
4. Desinfizieren Sie das Nasenstück oder die Gesichtsmaske mit Alkoholtüchern. Spülen Sie die Gesichtsmaske oder Nase Stück mit warmem Wasser und dann lufttrocknen.
6. Datenanalyse
1. Um die Daten zu verarbeiten, laden Sie die Atmungsdatendatei in die Open-Source-Software. Olfactory Network Stimulation Editing Tool (ONSET) (www.pennstatehershey.org/web/nmrlab/resources/software/onset) ¹⁵
   Hinweis: Die ONSET Software wurde von Xiaoyu Sun entwickelt. Onsets der Geruchsstimulation, die auf dem Timing des Paradigmas und der Atmungsspur basiert, wird automatisch erkannt. Der eigentliche Stimulationsvektor ist definiert als die Startzeit jeder effektiven Inhalation während der Geruchsabgabe.
   1. Messen und vergleichen Sie die Atmungsrate und das Volumen (die Fläche unter jedem Inhalations- und Ausatmungsphasenpaar) zwischen Geruch und geruchlosen Perioden ¹⁵ .
      HINWEIS: Es sollte kein signifikanter Unterschied in diesen Atemparametern zwischen Geruch und geruchlosen Perioden bestehen.
   2. Verarbeiten Sie die fMRI-Daten mit den tatsächlichen Einsetz- und Dauervektoren von ONSET für die Aktivierung des zentralen olfacTory system ¹⁵

Results

Abbildung 1 zeigt den Aufbau von olfaktorischen fMRI innerhalb und außerhalb des Magnetraums unter Berücksichtigung der MR-Kompatibilität. Abbildung 2a zeigt ein standardmäßiges Festzeit-Paradigma, während Abbildung 2b ein Paradigma zeigt, in dem der "Atmungsauslöser" die Synchronisation der Geruchsabgabe und des Inhalierens ermöglicht.

E...

Discussion

Experimentelle Verfahren sollten sorgfältig geprüft und ordnungsgemäß für die Erfassung von zuverlässigen olfaktorischen Aktivierungsdaten durchgeführt werden. Die kritischen Schritte innerhalb des Protokolls beinhalten die Implementierung eines respirationsgesteuerten Paradigmas zur Synchronisation der Geruchsabgabe mit der Bilderfassung, die Vorbereitung geeigneter Konzentrationen von Geruchsstoffen zur Kontrolle psychophysikalischer Reaktionen, die Einrichtung des Olfaktometers mit zuverlässigem stabilen Atmungssigna...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
3T MR-Scanner	Siemens		Jeder MR-Scanner ist akzeptabel.
Olfaktometer	Emerging Tech Trans, LLC		Jedes Olfaktometer mit ähnlichen Fähigkeiten ist akzeptabel.
6-Kanal-Odorstoffträger	Emerging Tech Trans, LLC
Objektivrevolver/Applikator	Emerging Tech Trans, LLC
PTFE-Schlauch	Emerging Tech Trans, LLC
TTL-Konverterbox	Emerging Tech Trans, LLC
Atemsensorgürtel	Emerging Tech Trans, LLC
Lavendelöl	Givaudan Flavors Corporation
1,2 Propandiol	Sigma	P6209
ONSET			www.pennstatehershey.org/web/nmrlab/resources/software/onset
SPM8	Wellcome Trust Center für Neuroimaging, University College London, London, Vereinigtes Königreich