Summary
我々は、人間の中心嗅覚系から信頼できる機能的磁気共鳴イメージング（fMRI）データを得るための技術的課題と解決策を提示する。これには、嗅覚fMRIパラダイム設計における特別な考慮事項、MRI適合オルファクトメーターによるfMRIデータ収集、匂い選択、およびデータ後処理のための特別なソフトウェアツールの記述が含まれる。
Abstract
ヒトの嗅覚の研究は、生物医学的研究から臨床評価までの応用分野を持つ非常に複雑で貴重な分野です。現在、機能的磁気共鳴イメージング（fMRI）を用いたヒト中心嗅覚システムの機能の評価は、いくつかの技術的困難のために依然として課題である。適切な匂い選択、匂い提示と呼吸との相互作用、および匂い物質への潜在的期待または慣れを含む、fMRIを用いた中枢嗅覚システムの機能をマッピングするための効果的な方法を検討する際に考慮すべきいくつかの重要な変数がある。事象に関連した、呼吸によって誘発される嗅覚fMRI技術は、潜在的な干渉を最小限に抑えながら臭い物質を正確に投与して嗅覚系を刺激することができる。我々のデータ後処理法を用いて、原発性嗅覚野におけるfMRI信号の正確なオンセットを効果的に捕捉することができる。テクニック・プレ信頼できる嗅覚fMRIの結果を得るための効率的で実用的な手段を提供する。そのような技術は、アルツハイマー病およびパーキンソン病を含む嗅覚変性に関連する疾患の診断ツールとして臨床領域で最終的に適用することができ、ヒトの嗅覚系の複雑さをさらに理解し始める。
Introduction
人間の嗅覚系は、嗅覚が恒常性の調節および感情においても重要な役割を果たすため、感覚系以上のものであると理解されている。臨床的には、人間の嗅覚系は、アルツハイマー病、パーキンソン病、心的外傷後ストレス障害、およびうつ病1、2、3、4、5のように多くの流行の神経疾患や精神疾患の攻撃に対して脆弱であることが知られています。現在、血液酸素レベル依存性（BOLD）コントラストを有する機能的磁気共鳴イメージング（fMRI）は、人間の脳の機能をマッピングするための最も貴重な技術である。この技術により、中心嗅覚構造（ 例えば 、梨状皮質、眼窩前頭皮質、扁桃体、膵島皮質）の特定の機能に関する重要な知識が得られているIQUE 6、7、8、9、10。
しかしながら、ヒトの中枢嗅覚系および関連疾患の研究へのfMRIの適用は、BOLDシグナルの迅速な慣れと呼吸による可変調節という2つの主要な障害によって妨げられている。日常生活では、一定期間において匂いに曝されると、すぐに香りに慣れます。嗅覚のfMRIを用いて調べたときに、実際には、臭い誘発性のfMRI信号が急速に刺激パラダイムデザイン8、10、11、12、13、14上の課題を提起慣れによって減衰されます。一次嗅覚野の初期の有意なBOLDシグナルは持続するだけである臭いが発症してから数秒間。したがって、嗅覚的fMRIパラダイムは、短期間で長期または頻繁な匂い刺激を避けるべきである。習慣化効果を減少させるために、fMRIパラダイムに交互の臭気を提示する試みがいくつかなされている。しかしながら、このアプローチは、各付臭剤が独立した刺激事象として扱われることができるので、データ解析を複雑にする可能性がある。
被験者の呼吸パターンにばらつきがある場合、別の技術的問題が生じる。固定タイミングのパラダイムの間に、匂いの投与と吸入が常に同期するとは限りません。嗅覚刺激の発症および持続時間は、個々の呼吸によって調節され、fMRIデータの質および分析を混乱させる。いくつかの研究では、呼吸と匂いの発症を同期させるための視覚的または聴覚的手がかりを用いてこの問題を緩和しようと試みたが、被験者のコンプライアンスは特に臨床集団において変動する。 wiに関連する脳活性化特定のアプリケーションでは、これらの手がかりもデータ分析を複雑にする可能性があります。したがって、臭気物質送達と吸入を同期させることは、嗅覚fMRI研究15にとって重要であり得る。
嗅覚fMRIに不可欠な追加の考慮事項、特にデータ分析プロセスでは、匂い選択が重要です。認識された強度に関して適切なニオイ物質の濃度を見つけることは、様々な実験条件または疾患の下での脳における活性化レベルの定量化および比較のために重要である。また、匂いの選択は、匂いの価数や心地よさを考慮しなければならない。これは嗅覚学習16、17で発散時間プロファイルを引き起こすことが知られています。この理由から、このデモンストレーションではラベンダーの香りが部分的に選択されました。特定の研究の目的に応じて、異なる匂い物質がより良い選択肢になる可能性があります。さらに、三叉神経刺激を最小限に抑えて、直接的に嗅覚に関連しない活性化18 。
この報告では、磁気共鳴環境において嗅覚計を用いて呼吸によって引き起こされるパラダイムを設定し実行するためのfMRI技術を実証する。また、データ収集中に発生したタイミングエラーを減らし、データ分析をさらに改善するためのポスト処理ツールも提供しています。
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Protocol
以下の実験プロトコールは、ペンシルバニア州立大学医科大学のInstitutional Review Boardのガイドラインに従っており、ヒト被験者は研究に参加する前に書面による同意を得た。
注意：デモンストレーションの目的のために、市販のMRIコンパチブルオルファクトメーターを用いた簡単な臭い刺激のパラダイムを提示する。このパラダイムは習慣化効果を低下させるのに有効であることが証明されており、信頼できる嗅覚fMRIデータが得られている15 。このプロトコルで概説されているいくつかのステップは、使用されるオルファクトメーターのタイプに特有のものであってもよい。しかし、同様の機能を備えた家庭用または市販のあらゆるタイプの機器を同様の方法で使用することができます。嗅覚計は、正確なタイミングで付臭剤のシーケンスを提示するだけでなく、呼吸を監視することができなければならない。すべての臭気伝達システム（オルファクトメーター）は、臭気物質（ 例えばガラスやポリテトラフルオロエチレン）に不活性な物質で作られており、臭いの経路は最小のデッドスペースで滑らかで気密です。
1.パラダイムデザイン
- プログラマブルオルファクトメーターで気流バルブのシーケンスを指定することにより、新しいパラダイムを作成します。
注記：バルブシーケンスは、さまざまな濃度またはタイプの付臭剤を保持する特定のエアチャネルの開閉の順序とタイミングです。このデモンストレーションでは、6チャンネルのバルブをそれぞれ2回開き、合計12回の臭気の配達を行った。 1つのバルブが開かれたときはいつでも、他のすべてのバルブは閉じられ、他のすべてのバルブが既に1回開いた後にのみ、各バルブが再び開かれた。- 刺激の持続時間（特定のチャネルの開口部）と、チャネルを閉じる時間を割り当てます。
注：このデモンストレーションでは、臭いの提示時間は6秒でしたが、閉鎖されるチャンネルの持続時間は22秒から38秒まで変化した。 - バルブの開閉シーケンスの繰り返し回数を設定します。ここで、繰り返し回数は1回である。
- 臭気のない空気を同じ流量で呈示して、各匂いの提示をインターリーブする。例えば、空気流を、相対湿度50％、室温22℃で6L /分の流速で臭気の有無にかかわらず送達する。
注：気流の変化が触感を引き起こす可能性があるため、これは重要です。
- 刺激の持続時間（特定のチャネルの開口部）と、チャネルを閉じる時間を割り当てます。
2.臭気物質の調製
- 匂いの価数、快適性、強度、親密度、および三叉神経成分を考慮して、匂い刺激パラダイムのための適切な匂い物質を選択する（ 表1参照）。
注： 表1は、一般的に使用されるいくつかの臭気物質をリストしています。このデモンストレーションのために、ラベンダーの臭いが選択されました。これは、低〜中程度の共同体で、三叉神経刺激が最小限であるためです一般的には快適で親しみやすいと認識されています。 - 付臭剤溶液を調製するために適切な溶媒（ 例えば 、水、鉱油、1,2-プロパンジオール、エタノール）を選択する。
注記：ここでは、1,2-プロパンジオールをニオイ溶液の調製のための溶媒として使用した。 - 臭気刺激パラダイムのための適切な臭気物質濃度を選択する。例えば、1,2-プロパンジオール中のラベンダー油を、嗅覚刺激19の 0.10％（体積/体積）濃度で希釈する。
注：これは、正常な被験者のグループによる一連の異なる濃度の心理物理的評価によって行うことができる。 - 臭気物質の容器に適切な臭気物質溶液を入れる。すべての容器に同じ量のスペース、同じ量の溶液、同じ表面積があることを確認します。例えば、香り容器には300mLのガラス瓶6本を使用し、0.10％のラベンダーオイル溶液50mLを入れます。
- 接続する臭いを運ぶための適切な経路に臭い容器を着ける。
3.オルファクトメーターのセットアップ
- すべての臭気物質の容器が臭気物質の担体に正しく取り付けられていることを確認してください。締め付けすぎると、シールが破損する可能性があります。適切な気密性は、後のステップで、各付臭剤容器を通る空気の流れをチェックすることによって保証される。
- 臭いキャリアを磁石室に置き、各管を室内外の嗅覚器に接続します。本体はMR互換性がありません。空気の流れに影響するので、チューブ内のねじれを目で確認します。各チャンネルの気流は後のステップでチェックされます。
- 番号を正しいポートに合わせることによって、オルファクトメーターのすべてのチューブをニオイホルダーに確実に接続します。精度のために、カラーコードチューブ、チャネル1のようにピンクなどチャンネル2、青色。
- フローを接続することによって、すべてのチャネルを通る空気の流れが一貫していることを確認してくださいチューブの出力端に接続します。オルファクトメーターのコントロールパネルの各チャンネルを手動で開き、各チャンネルの流速と一貫性が保たれるまで、全チャンネル流量と各チャンネルとフラッシュラインの流量を調整します。
- ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）チューブを使用して、フェイスマスクまたはノーズピースを付臭剤キャリアに接続します。チャンネルが切り替わるときに、被験者に送達される空気流量（ 例えば 、6L /分）が一定であることを確認する。
- 興奮刺激パラダイムとfMRI画像取得を同期させるために、オルファクトメーターの「トリガーイン」ポートにMRIシステムからのラジオ周波数トリガーを接続します。光電気信号変換器が必要とされることがある。
- 各チャンネルおよびフラッシュラインの総空気流量および流量を設計された量に調整します。例えば、全空気流量は6L /分であり、各流路およびフラッシュラインの流量は3L /分である。
- 空気呼吸器を接続する空気圧電気信号変換器ボックスを介して嗅覚計の応答ポートに接続する。
- 主観的な応答が必要な場合は、空気圧電気信号変換器ボックスを介して空気圧応答パッドを嗅覚計の応答ポートに接続します。
4.実験手順
- 被験者にとってMRI手順が安全であることを確認するために事前スクリーニングを行う。
- 潜在的なインプラント、閉塞性恐怖症、またはfMRI研究に安全に参加する被験者の能力を妨げる可能性がある他の既存の状態を含む、病歴について被験者に質問する。さらに、匂い物質の匂い閾値試験を実施して、実験中に被験者が匂い物質を嗅ぐことができることを確実にする。
- 被験者はMRI検査ベッドで仰臥位になる。フェイスマスクまたはノーズピースを被験者に適切に配置して、空気が鼻孔に吹き込むようにします。呼吸センサーをいずれかのt彼は胸や腹部。正常に呼吸するように被験者に指示してください。オルファクトメータディスプレイに表示されている呼吸パターンに従って、呼吸センサを保持しているベルトの締め付けと配置を手動で調整します。
- オルファクトメーターに呼吸データを記録するデータフォルダを作成します。 "ファイルマネージャー"をクリックし、現在のサブジェクトに割り当てられているサブジェクトIDを入力し、入力を "確認"します。
- 「パラダイムチェック」オプションを使用して、刺激の送達を伴わずに臭気の送達と吸入の同期をテストし、必要に応じて手動で「弁遅延」時間を調整して、臭気の送達が被験者の吸入段階と同期するようにする。
- オルファクトメーターのコントロールユニットで「トリガーイン」モードを選択することにより、匂い刺激とfMRI画像取得との同期を設定します。
注意：これにより、臭い刺激のパラダイムが外部トリガーで開始され、;「MRIシステムに由来するポート」でトリガーする。したがって、パラダイムはスキャナからの外部トリガが受信されるまで実行されません。 MRIスキャナーがどのような種類のトリガーパルス（電気または光）を送信するか注意してください。 2つのシステムをリンクするために信号変換器が必要になることがあります。 - オルファクトメーターのコントロールユニットで "resp trigger start"を選択して、呼吸トリガーをアクティブにします。
注：活性化されると、各パラダイム配列要素の開始は吸入と同期する。これは、呼気フェーズの開始から呼吸サイクルの約半サイクルを臭気送出を遅らせることによって経験的に達成することができる。 - MRIコンソールでfMRI画像取得を開始します。画像収集が始まるとすぐに臭い刺激のパラダイムが始まる。不規則な呼吸活動がないか、呼吸パターンを監視する。
注意：不規則な呼吸器の活動は、プラトーの形、より長い、より長いサイクル、または不安定な波。ここでは、2000ms反復時間、30msエコー時間、90°フリップ角、220mm×220mm視野、80°Fの視野でfMRI画像取得のために、BOLD信号感受性T 2 *強調エコー - 平面撮像シーケンスを使用した×80収集マトリックス、厚さ4mmの軸方向スライス30枚、統合平行イメージング技術の加速係数2である。 - イメージングプロトコルの完了時に、磁石から被写体を移動させ、顔マスク/鼻の部分を取り除く。
5.オルファクトメータークリーンアップ
- エアーポンプの電源を切ってください。臭気物質の容器から臭気物質の容器を取り外し、きれいな空の物質と交換する。
- エアーポンプの電源を入れます。各チャンネルを無臭の空気で5分間フラッシュして、エアライン内の残留臭気物質を除去する。
- オルファクトメーターをシャットダウンします。
- ノーズピースまたはフェースマスクをアルコールワイプで消毒します。暖かい水で顔のマスクやノーズピースをすすぎ、その後風乾してください。 データ解析
- データを処理するために、オープンソースソフトウェア嗅覚ネットワーク刺激編集ツール（開始）（www.pennstatehershey.org/web/nmrlab/resources/software/onset）に呼吸データファイルをロードする15
注：ONSETソフトウェアはXiaoyu Sunによって開発されました。パラダイムと呼吸の跡のタイミングに基づく臭い刺激の開始が自動的に検出される。実際の刺激ベクトルは、臭気送達中の各有効吸入の開始時間として定義される。- 臭気と無臭の間の呼吸数と容量（各吸入相と呼気相の下の面積）を測定し、比較する15 。
注：これらの呼吸パラメータには、匂いと無臭の間に有意差はないはずです。 - 中心olfacの活性化のためにONSETからの実際の開始および持続時間ベクトルを用いてfMRIデータを処理するシステム15 。
- 臭気と無臭の間の呼吸数と容量（各吸入相と呼気相の下の面積）を測定し、比較する15 。
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Representative Results
図1は、MR-適合性を考慮して、磁石室の内部および外部の嗅覚fMRIのセットアップを示す。 図2aは標準的な固定タイミングパラダイムを示し、 図2bは「呼吸トリガ」が臭気の送達と吸入の同期を可能にするパラダイムを示す 。
明確な吸入ピークを有する定期的な呼吸パターンは、正確な呼吸誘発パラダイムの実施にとって不可欠である。したがって、呼吸センサの調整は、実験セットアップにおける重要なステップである。 図3は、呼吸センサーが正しく設定されていない場合（ 図3a ）、正しく（ 図3b ）設定されている場合の呼吸トレースの例を示しています。もしrespiraオルファクトメーターが呼吸パターンを正確に判定することができず、臭いの提示を被験者の吸入と同期させることができない。
呼吸によって誘発される匂い刺激パラダイムでは、匂い刺激の開始および持続時間ベクトルは被験者によって異なる。嗅覚fMRIデータを分析するために、ONSETを用いて実際の開始および持続時間ベクトルを決定することができ、fMRIデータは、これらのベクターを用いて標準的な手順に従って処理することができる。 図4は、オープンソースソフトウェアSPM8（www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm）によって処理された呼吸誘発匂い刺激に応答するサンプル脳活性化マップを、標準的な処理手順に従って実際の匂い発症および持続時間ベクトルとともに示す。顕著な臭気関連活性化は、二次側の一次嗅覚野、右傍神経奇形/角膜回、左尾状核、左後胸囲/傍神経麻痺（家族ごとの誤り訂正、p <0.05、エクステント閾値= 6ボクセル）。
図1 ：実験セットアップの模式図磁石室に配置されたMRI適合要素は、2室を隔てる壁に導波管を有する貫通パネルを介して制御室に収容されたMRIコンソールおよびオルファクトメーターボックスに接続される。 この図の拡大版を見るには、ここをクリックしてください。
図2
図3 ：サンプル呼吸図。 （a）呼吸センサが適切に設定されていない場合の呼吸トレースの一例。呼吸パターンが不安定になります。 （b）適切に配置された呼吸センサを用いて記録された代表的な定期呼吸パターン。この場合、respi排泄パターンはレベルのピークと一致し、匂いの送達は吸入と同期させることができる。 この図の拡大版を見るには、ここをクリックしてください。
図4 ： 脳活性化マップの例健康な被験者は、呼吸によって誘発されたラベンダー臭のシミュレーションに反応した（家族単位の誤り訂正、p <0.05、エクステント閾値= 6ボクセル）。 （POC、MNI座標はx = 20、y = 6、z = -14）、左POC（x = -22、y = 4、z = -10）、右島皮質（x =左말頭核（x = -14、y = 6、z = 10）、右脊髄前角核（x = 66、y = -48、z =後腰部/上顎骨l回（x = -66、y = -24、z = 20）。 この図の拡大版を見るには、ここをクリックしてください。
| 匂い | 臭いのような | 化合物 | 三叉神経刺激 | 溶媒 |
| アセトアルデヒド29 | グリーン、甘い | シンプル | いいえ | 水 |
| アンモニア29 | 辛味、きれい | シンプル | はい | 水 |
| アミルアセテート30 | バナナ、りんご | シンプル | 一部 | 水 |
| n-ブタノール31,32 | 軽度のアルコール性シンプル | いいえ | 水 | |
| n-ブチルアセテート31 | 甘くてフルーティーな | シンプル | はい | 水 |
| 酪酸33 | 酸っぱい、酸っぱい | シンプル | はい | 水 |
| シトラール30,33 | レモン | シンプル | 一部 | 水 |
| 二酸化炭素34,35 | 無臭 | シンプル | はい | N / A |
| エチルブチレート30 | パイナップル | シンプル | はい | 水 |
| ユーカリプトール35 | ユーカリ | シンプル | はい | エタノール |
| Eugenol 33,36 | クローブ、スパイシー | シンプル | いいえ | エタノール |
ゲラニオール| スウィートバラ、花 | シンプル | いいえ | エタノール | |
| 水硫黄酸34,36 | 腐った卵 | シンプル | いいえ | 水 |
| ラベンダー24,37 | ラベンダー | コンプレックス | いいえ | エタノール |
| メンソール33 | ペパーミント | シンプル | はい | エタノール |
| サリチル酸メチル33 | ウィンターグリーンミント | シンプル | はい | エタノール |
| パチュリー38 | 湿潤土壌 | コンプレックス | はい | エタノール |
| 1-プロパノール31 | 消毒用アルコール | シンプル | はい | エタノール |
| フェネチルアルコール36,39 | ローズ | シンプル | No | エタノール |
| ローズマリーオイル38 | ローズマリー | コンプレックス | はい | エタノール |
| 二酸化硫黄29 | 刺激性、辛味 | シンプル | はい | 水 |
| 吉草酸33 | Rancidチーズ | シンプル | はい | 水 |
| バニリン29 | バニラ | シンプル | いいえ | エタノール |
| イランイラン38 | フローラル香水 | コンプレックス | はい | エタノール |
| ***参照のための原稿の終わりを見なさい | ||||
表1：嗅覚fMRI研究に用いられる一般的な臭気物質 。
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Discussion
実験手順は、信頼できる嗅覚活性化データを収集するために慎重に検討し、適切に実施すべきである。プロトコル内の重要なステップには、臭気の伝達を画像取得と同期させるための呼吸トリガのパラダイムの実装、精神物理応答の制御のための臭気物質の適切な濃度の準備、安定した呼吸信号と一定の空気流を伴う嗅覚器の設定、 ONSETを使用して臭気開始ベクトルを遡及的に調整するための臭気管理タイミングデータを含む。パラダイムを設計し、データを分析する際には、習慣化、精神物理学的応答、呼吸パターンなどの混乱する変数を考慮する必要があります。被験者が長期間の匂いにさらされた場合、原発性嗅覚野の活性化は、曝露から数秒以内に減少し、一連の短時間の投与でイベント関連のパラダイムを利用する必要がある臭気物質のそれも臭い8なし梨状皮質の活性化を誘発する可能性があるのでスニッフィングも注意深く監視する必要があります。最も重要なことに、呼吸は、ニオイ剤投与と同期していない場合、大きな交絡変数である。私たちは、吸入と臭いが呼吸によって誘発されるパラダイムと同期することにより、より信頼性の高い活性化がもたらされることを示しました15 。
自由呼吸fMRI法の最も一般的な問題は、臭いの送達と吸入の事象の間の同期が不十分であり、これは実験装置の3つの不完全性によって引き起こされる可能性がある。第1に、そして最も一般的には、呼吸センサが適切に設定されていない。胸ベルトが締め過ぎると、呼吸信号がプラトーになり、同期不良が起こります。第2に、「弁遅延」時間は十分に較正されておらず、これは呼吸サイクルにおいて臭気送達が早すぎるか遅すぎる原因となり得るcle。第3に、被験者の呼吸パターンは、「弁遅延」時間の較正の後に一貫していない。したがって、被験者が磁石で正常に呼吸するための事前スキャン訓練およびfMRIスキャン中の呼吸パターンの密接な監視が重要である。
これらの変数が異なるタイプの心理物理的応答および関連するfMRI活性化を引き起こす可能性があるので、研究のために匂い物質を選択する際には、強度、価数および三叉神経刺激を考慮することが重要である。例えば、強度が弱いと、嗅ぎ易い傾向があり、強い強度の場合は、意識しない息の保持またはより迅速な慣れが生じる。匂いの強さはまた、脳における活性化と相関することが示されている20 。別のパラダイムは実験を通して強度を増して提示されたラベンダーの4つの濃度から成り、習慣化を効果的に減少させた21 。オドラの価ntはまた、脳の異なる領域を活性化するが、これはデータ解釈のために考慮されなければならない22 。例えば、1つの研究では、臭気価数による異なる時間プロファイルが示されました16 。さらに、多くの臭気物質は、様々な度合いの三叉神経刺激を考慮する必要があります。
この自由な呼吸パラダイムは必ずしもすべての嗅覚fMRI研究に適しているわけではないことを認識することが重要です。それは、嗅覚fMRI研究にとって重要な特別な考慮事項の例のみを提供する。また、この報告書で実証された実験手順は、使用されるオルファクトメーターに特有ではないことに注意することも重要です。この装置は、類似の機能を備えた任意の嗅覚器で置き換えることができる。例えば、オルファクトメーターは、複数の臭い源を備えた呼吸誘発パラダイムを実行する能力と同様に、呼吸監視機能を備えていなければならない。アディダラベンダーを用いてこの実験を行ったが、三叉刺激や匂いの濃度などの交絡変数を最小にすることは重要であるが、ラベンダーを用いて提示したが、他の匂い物質を研究者に代用することもできる。
この自由呼吸fMRI法は、中心嗅覚系のプレコンディショニングを除去し、匂い刺激の反復事象間の不一致を低減することを目的とする。中枢嗅覚系のプレコンディショニングは、主嗅覚構造における活性化の変動を引き起こすことがある被験者によって異なる場合がある。中枢嗅覚系の活性化を引き起こすような反復事象、 例えば匂い刺激の一貫性は、事象関連fMRIプロトコルの首尾よく行われるために重要である。さらに、自由呼吸法では、嗅覚fMRIパラダイムの実行中に被験者に手掛かりやタスクがないことがあります。機能的な間に被験者から最小限の労力を要するためデータ収集は、それはいくつかの人気の神経変性障害および疾患、 例えば 、アルツハイマー病における嗅覚障害を研究するための貴重なツールになることができます。
最近の研究では、神経変性疾患における脳活性化パターンを探索するために嗅覚fMRIが用いられている。神経変性疾患、特にアルツハイマー病やパーキンソン病における嗅覚赤字は、臭気検出、認識、および識別3、23との難しさがあります。嗅覚赤字は、疾患発症の初期段階で明確な指標である一方、しかし、嗅覚機能の喪失は、しばしば見過ごさ行くか、通常の年齢関連の下落1、23に起因しています。したがって、このような疾患における嗅覚機能障害に関連する別個の活性化パターンをさらに探索して、より良好に診断することが重要である早い段階で裾を引きます。アルツハイマー病では、正常な年齢の対照と比較して、原発性嗅覚野ならびに海馬および膵島における活性化パターンが有意に減少する24 。さらに、研究者らは、パーキンソン病患者において、扁桃体および視床は健康な対照よりも活性化が少なく、左の下前頭回などの領域では対照2よりも活性化が高いことを見出した2 。さらなる研究は、パーキンソン病患者の梨状および眼窩前頭皮質における過活性化を示す25 。このような明確な活性化パターンは、構造病理を超えているようであり、神経変性疾患の理解と診断における機能的データ獲得の重要性を証明し、嗅覚神経fMRIの精度と感度の革新を必要とする。
このため、fMRIによるヒトの嗅覚系の死亡は、神経変性疾患の早期診断のためのバイオマーカーの開発の可能性を秘めている可能性がある。実際には、研究では、すでに正常な老化とアルツハイマー病患者24、26間の活性化レベルに対する感度のデモンストレーションを含め、進んでいます。そのような研究の1つは、認知障害が一部の神経変性疾患に現れる前でさえも、神経回路網の破壊がしばしば検出可能であることを示した27 。これは、そのような疾患の早期診断のための潜在的ツールとしての嗅覚fMRI研究の重要性をさらに強調する。エビデンスはまた、特定の嗅覚領域に見られる変化に加えて、アルツハイマー病における大規模な嗅覚ネットワーク処理の変化の存在を示唆し、嗅覚28の機能的連結性へのさらなる探究の重要性を強調している。 Sensバイオマーカーとしての嗅覚活性化レベルの反復性は、匂い刺激に対する感受性および実験的な再現性に依存し、嗅覚系のマッピングにおける信頼性の重要性が強調される。まとめると、この論文で紹介した例は、嗅覚のfMRIが中枢の嗅覚系の複雑さとこの理解の臨床的重要性を理解するために効果的に使用される方法を垣間見るものです。
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Disclosures
著者は何も開示することはない。
Acknowledgments
著者には謝辞はありません。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 3T MR scanner | Siemens | Any MR scanner is acceptable. | |
| Olfactometer | Emerging Tech Trans, LLC | Any olfactometer with similar capabilities is acceptable. | |
| 6-channel odorant carrier | Emerging Tech Trans, LLC | ||
| Nosepiece/applicator | Emerging Tech Trans, LLC | ||
| PTFE tubing | Emerging Tech Trans, LLC | ||
| TTL convertor box | Emerging Tech Trans, LLC | ||
| Respiratory sensor belt | Emerging Tech Trans, LLC | ||
| Lavender oil | Givaudan Flavors Corporation | ||
| 1,2 propanediol | Sigma | P6209 | |
| ONSET | www.pennstatehershey.org/web/nmrlab/resources/software/onset | ||
| SPM8 | Wellcome Trust Center for Neuroimaging, University College London, London, UK |
References
- Doty, R. L., Reyes, P. F., Gregor, T. Presence of both odor identification and detection deficits in Alzheimer's disease. Brain Res Bull. 18 (5), 597-600 (1987).
- Hummel, T., et al. Olfactory FMRI in patients with Parkinson's disease. Front Integr Neurosci. 4, 125 (2010).
- Mesholam, R. I., Moberg, P. J., Mahr, R. N., Doty, R. L. Olfaction in neurodegenerative disease: a meta-analysis of olfactory functioning in Alzheimer's and Parkinson's diseases. Arch Neurol. 55 (1), 84-90 (1998).
- Pause, B. M., Miranda, A., Göder, R., Aldenhoff, J. B., Ferstl, R. Reduced olfactory performance in patients with major depression. J Psychiatr Res. 35 (5), 271-277 (2001).
- Vasterling, J. J., Brailey, K., Sutker, P. B. Olfactory identification in combat-related posttraumatic stress disorder. J Trauma Stress. 13 (2), 241-253 (2000).
- Anderson, A. K., et al. Dissociated neural representations of intensity and valence in human olfaction. Nat Neurosci. 6 (2), 196-202 (2003).
- Gottfried, J. A., Deichmann, R., Winston, J. S., Dolan, R. J. Functional heterogeneity in human olfactory cortex: an event-related functional magnetic resonance imaging study. J Neurosci. 22 (24), 10819-10828 (2002).
- Sobel, N., et al. Sniffing and smelling: separate subsystems in the human olfactory cortex. Nature. 392 (6673), 282-286 (1998).
- Sun, X., Wang, J., Weitekamp, C. W., Yang, Q. X. A Novel Data Processing Method for Olfactory fMRI Examinations. Proc Intl Soc Mag Res Med. 18 (2010), 1161 (2010).
- Zatorre, R. J., Jones-Gotman, M., Evans, A. C., Meyer, E. Functional localization and lateralization of human olfactory cortex. Nature. 360 (6402), 339-340 (1992).
- Boley, J. C., Pontier, J. P., Smith, S., Fulbright, M. Facial changes in extraction and nonextraction patients. Angle Orthod. 68 (6), 539-546 (1998).
- Furman, J. M., Koizuka, I. Reorientation of poststimulus nystagmus in tilted humans. J Vestib Res. 4 (6), 421-428 (1994).
- Loevner, L. A., Yousem, D. M. Overlooked metastatic lesions of the occipital condyle: a missed case treasure trove. Radiographics. 17 (5), 1111-1121 (1997).
- Tabert, M. H., et al. Validation and optimization of statistical approaches for modeling odorant-induced fMRI signal changes in olfactory-related brain areas. Neuroimage. 34 (4), 1375-1390 (2007).
- Wang, J., Sun, X., Yang, Q. X. Methods for olfactory fMRI studies: Implication of respiration. Hum Brain Mapp. 35 (8), 3616-3624 (2014).
- Gottfried, J. A., O'Doherty, J., Dolan, R. J. Appetitive and aversive olfactory learning in humans studied using event-related functional magnetic resonance imaging. J Neurosci. 22 (24), 10829-10837 (2002).
- Popp, R., Sommer, M., Müller, J., Hajak, G. Olfactometry in fMRI studies: odor presentation using nasal continuous positive airway pressure. Acta Neurobiol Exp (Wars). 64 (2), 171-176 (2004).
- Wang, J., et al. Olfactory Habituation in the Human Brain. Proc Intl Soc Mag Res Med. 20, 2150 (2012).
- Grunfeld, R., et al. The responsiveness of fMRI signal to odor concentration). Proc. 27th Annual Meeting ACHEMS, , A237-A238 (2005).
- Jia, H., et al. Functional MRI of the olfactory system in conscious dogs. PLoS One. 9 (1), e86362 (2014).
- Karunanayaka, P., et al. Networks involved in olfaction and their dynamics using independent component analysis and unified structural equation modeling. Hum Brain Mapp. 35 (5), 2055-2072 (2014).
- Royet, J. P., et al. Functional neuroanatomy of different olfactory judgments. Neuroimage. 13 (3), 506-519 (2001).
- Doty, R. L. Influence of age and age-related diseases on olfactory function. Ann N Y Acad Sci. 561, 76-86 (1989).
- Wang, J., et al. Olfactory deficit detected by fMRI in early Alzheimer's disease. Brain Res. 1357, 184-194 (2010).
- Moessnang, C., et al. Altered activation patterns within the olfactory network in Parkinson's disease. Cereb Cortex. 21 (6), 1246-1253 (2011).
- Vasavada, M. M., et al. Olfactory cortex degeneration in Alzheimer's disease and mild cognitive impairment. J Alzheimers Dis. 45 (3), 947-958 (2015).
- Jacobs, H. I., Radua, J., Lückmann, H. C., Sack, A. T. Meta-analysis of functional network alterations in Alzheimer's disease: toward a network biomarker. Neurosci Biobehav Rev. 37 (5), 753-765 (2013).
- Murphy, C., Cerf-Ducastel, B., Calhoun-Haney, R., Gilbert, P. E., Ferdon, S. ERP, fMRI and functional connectivity studies of brain response to odor in normal aging and Alzheimer's disease. Chem Senses. 30 Suppl 1, i170-i171 (2005).
- Hummel, T., Kobal, G. Differences in human evoked potentials related to olfactory or trigeminal chemosensory activation. Electroen Clin Neuro. 84 (1), 84-89 (1992).
- Cerf-Ducastel, B., Murphy, C. FMRI brain activation in response to odors is reduced in primary olfactory areas of elderly subjects. Brain Res. 986 (1-2), 39-53 (2003).
- Cain, W. S. Contribution of the trigeminal nerve to perceived odor magnitude. Ann NY Acad Sci. 237, 28-34 (1974).
- Murphy, C., Gilmore, M. M., Seery, C. S., Salmon, D. P., Lasker, B. R. Olfactory thresholds are associated with degree of dementia in Alzheimer's disease. Neurobiol Aging. 11 (4), 465-469 (1990).
- Doty, R. L., Brugger, W. E., Jurs, P. C., Orndoff, M. A., Snyder, P. J., Lowry, L. D. Intranasal trigeminal stimulation from odorous volatiles: Psychometric responses from anosmic and normal humans. Physiol Behav. 20 (2), 175-185 (1978).
- Kobal, G., Hummel, T. Olfactory and intranasal trigeminal event-related potentials in anosmic patients. Laryngoscope. 108 (7), 1033-1035 (1998).
- Frasnelli, J., Lundström, J. N., Schöpf, V., Negoias, S., Hummel, T., Lepore, F. Dual processing streams in chemosensory perception. Front Hum Neurosci. 6, Article 288 (2012).
- Yousem, D. M., et al. Gender effects on odor-stimulated functional magnetic resonance imaging. Brain Res. 818 (2), 480-487 (1999).
- Koulivand, P. H., Ghadiri, M. K., Gorji, A.
- Yousem, D. M., et al. Functional MR imaging during odor stimulation: Preliminary data. Neuroradiology. 204 (3), 833-838 (1997).
- Hummel, T., Doty, R. L., Yousem, D. M. Functional MRI of intranasal chemosensory trigeminal activation. Chem Senses. 30 (suppl. 1), i205-i206 (2005).
