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Methodenartikel

Kombination eines atemsynchronisierten Olfaktometers mit Gehirnsimulation, um den Einfluss von Gerüchen auf die kortikospinale Erregbarkeit und effektive Konnektivität zu untersuchen

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DOI:

10.3791/65714

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19. Januar 2024

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1PSYR2, Centre de Recherche en Neurosciences de Lyon, Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale U1028, Centre National de la Recherche Scientifique UMR5292, Université Claude Bernard Lyon 1, 2Centre Hospitalier Le Vinatier, 3NEUROPOP, Centre de Recherche en Neurosciences de Lyon, Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale U1028, Centre National de la Recherche Scientifique UMR5292, Université Claude Bernard Lyon 1

In diesem Artikel

Zusammenfassung

In dieser Arbeit wird die Verwendung eines atemsynchronisierten Olfaktometers beschrieben, um eine transkranielle Magnetstimulation (TMS) mit einer und zwei Spulen während der Geruchsstoffpräsentation auszulösen, die mit der menschlichen Nasenatmung synchronisiert ist. Diese Kombination ermöglicht es uns, objektiv zu untersuchen, wie sich angenehme und unangenehme Gerüche auf die kortikospinale Erregbarkeit und die gehirneffektive Konnektivität bei einem bestimmten Individuum auswirken.

Zusammenfassung

Es ist allgemein anerkannt, dass die olfaktorische Stimulation bei Tieren und Menschen motorische Verhaltensweisen hervorruft, wie z. B. die Annäherung an angenehme Gerüche und das Vermeiden unangenehmer Gerüche. In jüngster Zeit haben Studien mit Elektroenzephalographie und transkranieller Magnetstimulation (TMS) einen starken Zusammenhang zwischen der Verarbeitung im olfaktorischen System und der Aktivität im motorischen Kortex beim Menschen gezeigt. Um die Wechselwirkungen zwischen dem olfaktorischen und dem motorischen System besser zu verstehen und einige der bisherigen methodischen Einschränkungen zu überwinden, haben wir eine neue Methode entwickelt, die ein Olfaktometer kombiniert, das die zufällige Präsentation von Geruchsstoffen mit unterschiedlichen hedonischen Werten synchronisiert, und die TMS-Auslösung (Single- und Dual-Coil) mit nasalen Atemphasen kombiniert. Diese Methode ermöglicht es, die Modulationen der kortikospinalen Erregbarkeit und der effektiven ipsilateralen Konnektivität zwischen dem dorsolateralen präfrontalen Kortex und dem primären motorischen Kortex zu untersuchen, die während der angenehmen und unangenehmen Geruchswahrnehmung auftreten können. Die Anwendung dieser Methode ermöglicht es, den Angenehmheitswert eines Geruchsstoffs bei einem bestimmten Teilnehmer objektiv zu unterscheiden, was auf die biologische Wirkung des Geruchsstoffs auf die effektive Konnektivität und Erregbarkeit des Gehirns hinweist. Darüber hinaus könnte dies den Weg für klinische Studien bei Patienten mit neurologischen oder neuropsychiatrischen Erkrankungen ebnen, die hedonische Geruchsveränderungen und maladaptives Annäherungsvermeidungsverhalten aufweisen können.

Einleitung

Es ist allgemein anerkannt, dass olfaktorische Stimulation automatische Reaktionen und motorisches Verhalten hervorruft. Zum Beispiel wurde beim Menschen kürzlich die Existenz einer vermeidungsmotorischen Reaktion (Weglehnen von der Geruchsquelle) nachgewiesen, die 500 ms nach dem negativen Geruchsbeginn auftritt1. Chalençon et al. (2022) zeigten durch die Aufzeichnung frei beweglicher menschlicher Teilnehmer, die Gerüche untersuchten, die von Kolben ausgehen, dass motorische Verhaltensweisen (d. h. die Geschwindigkeit der Annäherung an die Nase und das Zurückziehen des Kolbens, der das Geruchsmittel enthält) eng mit der Geruchshedonik verbunden sind2. Darüber hinaus wurde kürzlich ein enger Zusammenhang zwischen der Verarbeitung im olfaktorischen System und der Aktivität im motorischen Kortex beim Menschen mit Hilfe der Elektroenzephalographie nachgewiesen1. Insbesondere wurde etwa 350 ms nach dem Auftreten negativer Gerüche eine spezifische mu-Rhythmus-Desynchronisation beobachtet, von der bekannt ist, dass sie Prozesse der Aktionsvorbereitung widerspiegelt, über und innerhalb des primären motorischen Kortex (M1), kurz gefolgt von einer verhaltensbezogenen Rückwärtsbewegung1. Eine weitere kürzlich durchgeführte Studie untermauerte die Idee einer Beziehung zwischen dem olfaktorischen und motorischen System und zeigte, dass die Exposition gegenüber einem angenehmen Geruchsstoff die kortikospinale Erregbarkeit im Vergleich zu einem geruchlosen Zustand erhöhte3. In dieser Studie wurde die transkranielle Einzelpuls-Magnetstimulation (spTMS) auf M1 angewendet, um ein motorisch evoziertes Potential (MEP) in einem Zielhandmuskel hervorzurufen, das peripher mit Elektromyographie (EMG) während der Geruchswahrnehmung aufgezeichnet wurde. Die Exposition gegenüber dem angenehmen Geruchsstoff erfolgte passiv durch Papierstreifen, die mit reinem ätherischem Bergamotteöl getränkt und auf einem Metallhalter unter der Nase platziert wurden3. In diesem Zusammenhang bleibt unklar, ob die Erleichterung der kortikospinalen Erregbarkeit auf die angenehme Geruchsstimulation oder auf unspezifische Verhaltenseffekte wie Schnüffeln und Zähnepressen zurückzuführen ist 4,5. Darüber hinaus ist noch unbekannt, wie ein unangenehmer Geruchsstoff die Erregbarkeit von M1 moduliert, die durch TMS untersucht wird.

Zusammenfassend unterstreicht dies die Notwendigkeit, eine Methode zu entwickeln, die die folgenden Vorteile gegenüber bestehenden Techniken bietet, die in früheren Studien verwendet wurden 3,6: (1) Randomisierung der Präsentation verschiedener Geruchszustände (angenehm/unangenehm/kein Geruch) innerhalb derselben Versuchsphase, (2) präzise Synchronisierung der Geruchspräsentation und des TMS-Timings entsprechend den menschlichen Nasenatmungsphasen (Inspiration und Exspiration) bei der Untersuchung des motorischen Systems.

TMS kann auch als Werkzeug verwendet werden, um kortiko-kortikale Interaktionen, auch effektive Konnektivität genannt, zwischen mehreren kortikalen Arealen und M1 mit einer hohen zeitlichen Auflösungzu untersuchen 7,8,9,10,11,12. Hier verwenden wir ein Dual-Site-TMS-Paradigma (dsTMS), bei dem eine erste konditionierende Stimulation (CS) ein kortikales Zielareal aktiviert und eine zweite Teststimulation (TS) über M1 mit einer anderen Spule angewendet wird, um einen MEP hervorzurufen. Der Effekt des CS wird bewertet, indem die Amplitude des konditionierten MEP (dsTMS-Bedingung) auf die Amplitude des unkonditionierten MEP (spTMS-Bedingung) normalisiert wird13. Dann deuten negative Verhältniswerte auf unterdrückende kortiko-kortikale Interaktionen hin, während positive Verhältniswerte auf unterstützende kortiko-kortikale Interaktionen zwischen den beiden stimulierten Arealen hinweisen. Das dsTMS-Paradigma bietet somit eine einzigartige Gelegenheit, die Art (d.h. erleichternd oder unterdrückend), die Stärke und die Modulationen der effektiven Konnektivität zwischen dem voraktivierten Bereich und M1 zu identifizieren. Wichtig ist, dass kortiko-kortikale Interaktionen ein komplexes Gleichgewicht von Erleichterung und Unterdrückung widerspiegeln, das in verschiedenen Zeitpunkten und mentalen Zuständen oder Aufgaben moduliert werden kann 7,14.

Unseres Wissens wurde das relativ neue dsTMS-Paradigma noch nie verwendet, um kortiko-kortikale Interaktionen während der Geruchswahrnehmung mit unterschiedlichen hedonischen Werten zu untersuchen. Neuroimaging-Studien haben jedoch gezeigt, dass die Exposition gegenüber angenehmen und unangenehmen Geruchsstoffen Konnektivitätsveränderungen in Bereichen hervorruft, die an Emotionen, Entscheidungsfindung und Handlungskontrolle beteiligt sind, einschließlich des ergänzenden motorischen Bereichs, des anterioren cingulären Kortex und des dorsolateralen präfrontalen Kortex (DLPFC)15,16. In der Tat ist der DLPFC ein Schlüsselknoten, der emotionale Kontrolle, sensorische Verarbeitung und übergeordnete Aspekte der motorischen Kontrolle, wie z. B. vorbereitende Prozesse, vermittelt 17,18,19. Darüber hinaus haben sowohl Human- als auch Tierstudien den Nachweis erbracht, dass der DLPFC verschiedene neuronale Projektionen zu M1aufweist 17,18,20,21,22. Je nach Kontext können diese DLPFC-Projektionen die M1-Aktivität erleichtern oder hemmen 7,19,20. Daher scheint es möglich, dass die effektive Konnektivität zwischen DLPFC und M1 während der Geruchspräsentation moduliert wird und dass angenehme und unangenehme Geruchsstoffe getrennte kortikale Netzwerke rekrutieren, was zu einem differentiellen Effekt auf die DLPFC-M1-Konnektivität führt.

Hier schlagen wir eine neue Methode vor, die sich für die methodisch strenge Untersuchung der Modulationen der kortikospinalen Erregbarkeit und der effektiven Konnektivität eignet, die während der Wahrnehmung angenehmer und unangenehmer Gerüche auftreten können, die alle synchron mit der menschlichen Nasenatmung abgegeben werden.

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Protokoll

Alle in den folgenden Abschnitten beschriebenen experimentellen Verfahren wurden von einer Ethikkommission (CPP Ile de France VII, Paris, Frankreich, Protokollnummer 2022-A01967-36) in Übereinstimmung mit der Deklaration von Helsinki genehmigt. Alle Teilnehmer gaben vor der Aufnahme in die Studie eine schriftliche Einverständniserklärung ab.

1. Rekrutierung von Teilnehmern

  1. Ein-/Ausschlusskriterien.
    1. Schließen Sie erwachsene Teilnehmer (> 18 Jahre) ein. Untersuchen Sie alle Teilnehmer auf Kontraindikationen für TMS gemäß den internationalen Expertenrichtlinien23.
    2. Schließen Sie Teilnehmer mit implantierten medizinischen Geräten (z. B. Cochlea-Implantat, Herzschrittmacher usw.), einer persönlichen oder familiären Vorgeschichte von Krampfanfällen, Kopfschmerzen, Hirntraumata und neuroaktiven Medikamenten aus. Ausschluss von Teilnehmern, die gemäß dem European Test of Olfactory Capabilities24 als "anomisch" gelten.
  2. Händigkeit: Überprüfen Sie die Rechtshändigkeit, wie sie mit dem Fragebogen25 zum Edinburgh Handedness Inventory bewertet wurde.
    ANMERKUNG. Es wird dringend empfohlen, nur rechtshändige Teilnehmer in Studien zu rekrutieren, die die kortikospinale Erregbarkeit und die effektive Konnektivität im motorischen System beurteilen26,27.
  3. Information und Einwilligungserklärung: Geben Sie allen Teilnehmenden grundlegende Informationen über die von der Ethikkommission genehmigten Studienziele, -verfahren und -risiken und bitten Sie sie, eine schriftliche Einverständniserklärung zu unterschreiben.

2. Experimenteller Ablauf

  1. Patienteninstallation: Bitten Sie den Teilnehmer, sich mit beiden Händen entspannt und proniert auf einen bequemen Stuhl (Zahnarztstuhltyp) zu setzen. Positionieren Sie den Kopf des Teilnehmers auf einer Kinnstütze, um die Kopfbewegung während der Stimulation zu minimieren.
  2. Elektromyographie-Aufzeichnungen
    1. Bereiten Sie die Haut des Teilnehmers vor dem Auftragen der Elektroden mit einem Peeling vor, um die Bereiche leicht abzuschleifen, und reinigen Sie die Bereiche mit Alkoholpads, auf denen die Elektroden angebracht werden.
    2. Wenden Sie zwei Silber/Silberchlorid-Einweg-Aufzeichnungselektroden mit einer Bauch-Sehnen-Montage des ersten dorsalen interossären (FDI) Muskels an. Fügen Sie die Erdungselektrode zum Processus styloideus der Ulna hinzu (Abbildung 1).
    3. Verbinden Sie die Elektroden mit Kabeln und dem Datenerfassungssystem mit dem Verstärker.
    4. Zeichnen Sie das EMG-Signal mit einem Analog-Digital-Wandlersystem (AD) auf. Verstärken und filtern Sie EMG-Signale (Verstärkung = 1000) mit einer Bandbreitenfrequenz zwischen 10 Hz und 1 kHz. Digitalisieren Sie mit einer Abtastrate von 2.000 Hz und speichern Sie jede EMG-Datei für die Offline-Analyse.
    5. Überprüfen Sie die Qualität des Signals, das auf dem Computerbildschirm angezeigt wird, der an das Datenerfassungssystem angeschlossen ist.
  3. TMS-SpuleM1 Position.
    1. Schließen Sie diese Spule an den A-Stimulator an (Abbildung 1).
    2. Setzen Sie dem Teilnehmer eine eng anliegende Mütze über den Kopf. Verwenden Sie ein Maßband, um Nasen-Inion-, Tragus-Tragus- und Kopfumfangsmessungen auf der Grundlage von Standard-Schädel-Landmarken durchzuführen. Identifizieren und markieren Sie mit einem Stift den Scheitelpunkt der Kopfhaut am Schnittpunkt der mittleren sagittalen (Nasion-Inion) und interauralen (Tragus-Tragus)Linie 28.
    3. Die erste kleine Achter-Spule (Innendurchmesser: 40 mm) wird tangential zur Kopfhaut über den vermuteten Handbereich des linken M1 (SpuleM1) gelegt, der 5 cm seitlich vom Scheitelpunkt liegt, wobei der Griff in einem Winkel von 45° zur mittleren sagittalen Linie nach hinten und seitlich zeigt, was zu einem posterior-anterioren Stromfluss führt (monophasische Stromwellenform). Diese Orientierung entspricht einem maximalen induzierten Strom, der innerhalb von M129 fließt.
    4. Stellen Sie sicher, dass die SpuleM1 in Übereinstimmung mit den neuesten internationalen Empfehlungen30 optimal platziert ist. Beginnen Sie mit der Abgabe einiger einzelner Impulse bei 30 % der maximalen Stimulatorleistung (%MSO) und überprüfen Sie, ob die Stimulation einen MEP erzeugt, der vom EMG-System aufgezeichnet und auf dem Computerbildschirm angezeigt wird, der mit dem Datenerfassungssystem verbunden ist.
      1. Wenn keine sichtbaren Reaktionen auftreten, erhöhen Sie die Stimulationsintensität schrittweise (5 %MSO-Schritte), bis MEPs beobachtet werden. Testen Sie dann vier Stellen um die erste Stelle, indem Sie mehrere Impulse abgeben. Bestimmen Sie die mittlere Spitze-zu-Spitze-MEP-Amplitude für jeden Standort.
      2. Wählen Sie die Position aus, an der die durchschnittliche Spitze-zu-Spitze-MEP-Amplitude am höchsten ist. Hierbei handelt es sich um den sogenannten Hotspot-Standort für den Teilnehmer30. Markieren Sie die Position derSpule M1 auf der Kappe, um sicherzustellen, dass die Spule während des gesamten Experiments richtig platziert ist.
  4. Ruhemotorische Schwelle (rMT) und TMS-Intensitäten
    1. Bestimmen Sie die motorische Schwelle für den Ruhezustand (rMT), definiert als die TMS-Intensität, die eine Wahrscheinlichkeit von 50 % ergibt, einen MEP23,30 auszulösen.
      1. Verwenden Sie die verfügbare Online-Freeware (TMS Motor Threshold Assessment Tool, MTAT 2.1), die auf einer Maximum-Likelihood-Parameterschätzung unter Verwendung einer sequentiellen Teststrategie29 basiert. Die Stimulationssequenz beginnt immer mit einer Intensität, die auf 37 % MSO eingestellt ist.
      2. Lassen Sie einen Experimentator die SpuleM1 halten, während ein anderer angibt, ob die MEP-Amplitude > 0,05 mV beträgt. Der prädiktive Algorithmus bestimmt dann die nächste zu verabreichende Stimulationsintensität und wird nach 20 Stimulationen gestoppt, was eine ausreichende Genauigkeit für die rMT-Schätzung gemäß früheren Studien31-34 bietet.
    2. Stellen Sie den %MSO für die Konditionierung und die Testimpulsstimulation ein. Verwenden Sie den zuvor ermittelten rMT-Wert des Teilnehmers.
      HINWEIS: Hier wurde die Intensität für die erste Konditionierungsstimulation (Coil DLPFC) auf 110% der rMT19,20 eingestellt. Die Intensität der Teststimulation (SpuleM1) wurde auf 120% der rMT festgelegt, eine Intensität, die sich geringfügig von früheren Studien unterscheidet, die eine TS-Intensität verwendeten, die bei allen Teilnehmern eine MEP von ~1 mV hervorrief19,20 . Diese feste Spitze-zu-Spitze-Intensität tritt aufgrund der hohen Variabilität der motorischen Leistung35 an sehr unterschiedlichen Punkten auf den Input-Output-Rekrutierungskurven auf. Daher konnte die Stimulationsintensität mit einer RMT-Intensität von 120 % für alle Individuen optimiert werden.
  5. DLPFC-Positionierung der TMS-Spule
    1. Schließen Sie diese Spule an den B-Stimulator an (Abbildung 1).
    2. Verwenden Sie die kürzlich aktualisierte Kopfhautheuristik, um den Bereich der Kopfhaut zu lokalisieren, der dem linken DLPFC36,37 entspricht, um die Position der zweiten kleinen Achterspule (Innendurchmesser: 40 mm) über der DLPFC (Spulen-DLPFC) zu schätzen. Laden Sie das Online-Excel-Tabellenkalkulationstool36 herunter und geben Sie die Nasion-Inion- und Tragus-Tragus-Abstände sowie den Kopfumfang in Zentimetern als Eingaben ein. Melden Sie die Abstände XLA und YLA direkt auf dem Kopf des Teilnehmers.
    3. Platzieren Sie dieSpirale DLPFC tangential zur Kopfhaut über der vermuteten linken DLPFC-Stelle, wobei der Griff nach unten und seitlich in einem Winkel von -45° zur mittleren sagittalen Linie zeigt. Markieren Sie dieDLPFC-Platzierung der Spule auf der Kappe, um die korrekte Platzierung der Spule während des gesamten Experiments sicherzustellen.
      HINWEIS: Diese kopfhautbasierte Targeting-Methode ist sowohl für die Position derSpule M1 als auch fürdie DLPFC-Position der Spule nicht optimal. Tatsächlich ist bekannt, dass sie weniger genau ist als die Neuronavigationsmethode, die verwendet wird, um die interessierenden Hirnareale auf der Grundlage der individuellen anatomischen T1-Magnetresonanztomographie (MRT) anzuvisieren38.
  6. Verzögerung zwischen den Konditionierungs- und Testimpulsen: Stellen Sie diese Verzögerung am Impulsgenerator auf 10 ms ein.
    ANMERKUNG: Hier wird die Verzögerung auf 10 ms festgelegt, basierend auf früheren Studien, die einen hemmenden Einfluss vom linken DLPFC auf den linken M1 in diesem Intervall zeigen19,20. Dieser bei 10 ms beobachtete inhibitorische Effekt ist wahrscheinlich auf die Aktivierung der Basalganglien über die DLPFC-Projektionen auf die Prä-SMA zurückzuführen und übt dadurch einen indirekten Einfluss auf M139 aus. Die Verzögerung kann im Code nach den Bedürfnissen des Benutzers angepasst werden. Zum Beispiel könnte ein längeres Interstimulationsintervall (d.h. 25 ms) verwendet werden, um polysynaptische indirekte kortiko-subkortikal-kortikale Schaltkreise zu untersuchen, die DLPFC mit M119 verbinden. Darüber hinaus wurden differentielle fazilitatorische/inhibitorische Einflüsse unter Verwendung von Dual-Site-ppTMS zwischen mehreren kortikalen Arealen mit Intervallen von 1 ms bis 150 ms nachgewiesen40,41. Die Tatsache, dass das Intervall angepasst werden kann, eröffnet den Weg zu einer Vielzahl von Möglichkeiten für zukünftige Forschungsstudien.
  7. Olfaktometer-Einstellungen
    1. Wählen Sie Geruchsstoffe mit angenehmen und unangenehmen hedonischen Werten. Verdünnen Sie die Geruchsstoffe vorab einzeln in Mineralöl, um eine isointensive Wahrnehmung zu erzeugen.
      ANMERKUNG: Hier basierten die Auswahl und Konzentration der Geruchsstoffe (d. h. Isoamylacetat und Buttersäure, verdünnt auf 0,6 % bzw. 0,11 % vol/vol) auf früheren Studien unserer Gruppe unter Verwendung des gleichen Olfaktometer-Aufbaus und der gleichen Geruchsstoffe42,43. Eine Pilotstudie bestätigt, dass sich die positiven und negativen Gerüche nicht in der Intensität unterschieden, sondern im hedonischen Wert gegensätzlich waren. In der Kontrollbedingung (d. h. kein Geruchsmittel) wird nur der Luftstrom an den Teilnehmer abgegeben.
    2. Schreiben Sie den Code, um die Geruchsstoffe zu liefern. Geben Sie für jeden Versuch die Gesamtdauer der Prüfung, das abzugebende Odorierungsmittel, die Durchflussrate des Odorierungsmittelreglers (in Milliliter pro Minute), die Durchflussrate des Trägerluftreglers (in Milliliter pro Minute) und die Durchflussrate des Saugreglers an.
      HINWEIS: Die Reihenfolge des abgegebenen Geruchsmittels kann nach dem Zufallsprinzip zwischen positiv, negativ und geruchsfrei gewählt werden. Hier hat jeder Versuch eine Dauer von 12 s. Die Reihenfolge der abgegebenen Gerüche war pseudo-randomisiert. Darüber hinaus wurde auf der Grundlage eines Pilotversuchs die Durchflussrate des Geruchsreglers auf 200 ml/min, die Durchflussrate des Trägerluftreglers auf 500 ml/min und die Durchflussrate des Saugreglers auf 100 ml/min eingestellt.
    3. Positionieren Sie die Nasenkanüle in der Nähe der Nasenlöcher des Teilnehmers, um die Nasenatmung zu messen. Weisen Sie den Teilnehmer an, normal durch die Nase zu atmen.
    4. Schalten Sie den tragbaren Luftkompressor, das Olfaktometergehäuse und den PC mit der Software ein. Überprüfen Sie alle Kabelverbindungen (Abbildung 1).
      ANMERKUNG: Das in der aktuellen Studie verwendete Olfaktometer wurde in einer früheren Veröffentlichung44 ausführlich beschrieben, wurde hier jedoch modifiziert, um eine TMS-Auslösung mit variablen Verzögerungen nach der Erkennung des Inspirationsbeginns zu ermöglichen. Kurz gesagt, das Gerät besteht aus mehreren Modulen, darunter 1) eine Luftquelle und ein Luftaufbereitungssystem, das von einem tragbaren Luftkompressor kommt, 2) ein Stimulationssystem mit elektronischen und pneumatischen Geräten, 3) ein selbstgebauter Mischkopf, der mit einem Abgabesystem gekoppelt ist, das die Diffusion von Geruchsstoffen in der Nase des Teilnehmers ermöglicht, 4) ein respiratorisches sensorisches System, das das Olfaktometer gemäß der Messung der Nasenatmung mit einer Nasenkanüle auslöst, und 5) eine Software Steuerungssystem44.
    5. Kalibrierung: Fahren Sie mit der Kalibrierungsphase (ca. 20 Sekunden) fort, die es ermöglicht, das Atemsignal des Teilnehmers zu kalibrieren und die Detektionsschwellen der exspiratorischen und inspiratorischen Phase anzupassen. In dieser Software ist die Exspirationsphase positiv und die Inspirationsphase negativ.
    6. Hedon- und Intensitätsbewertungen des Geruchs: Geben Sie die beiden Geruchsstoffe in einer zufälligen Reihenfolge ab und bitten Sie die Teilnehmer, den hedonischen Wert und die Intensität jedes Geruchsmittels auf visuellen Analogskalen zu bewerten, die von 1 "überhaupt nicht angenehm" bis 9 "extrem angenehm" und von 1 "überhaupt nicht intensiv" bis "extrem intensiv" reichen.
  8. Kombination von Olfaktometer und TMS: Stellen Sie die Verzögerung zwischen der Detektion der Inspirationsphase und dem Trigger für das Senden des TMS auf 600 ms ein.
    HINWEIS: Die Einstellung der Verzögerung ist wichtig und muss entsprechend der Literatur und den Bedürfnissen des Benutzers festgelegt werden. In diesem Protokoll wurde die Verzögerung auf 600 ms festgelegt, was sich als die maximale bewusste Wahrnehmungsrepräsentation von Gerüchenerwiesen hat 45. Bei einer TMS-Störung mit einem Impuls aktiviert dieser Trigger sofort den A-Stimulator, und die Spule auf der linken Seite M1 gibt einen Impuls ab, um einen unkonditionierten MEP hervorzurufen. Bei einem TMS-Zustand mit zwei Spulen wird dieser Trigger an zwei verschiedene Geräte gesendet (über zwei Koaxialkabel, die über eine T-Verbindung verbunden sind): Das erste aktiviert sofort den B-Stimulator und ein Konditionierungsimpuls wird von der Spule auf dem linken DLPFC abgegeben; der zweite wird von einem Impulsgenerator empfangen, der es ermöglicht, eine feste Verzögerung zu induzieren, bevor der A-Stimulator aktiviert wird, wodurch eine Teststimulation durch die auf der linken Seite M1 positionierte Spule abgegeben wird, um einen konditionierten MEP hervorzurufen (Abbildung 1).

figure-protocol-1
Abbildung 1: Versuchsaufbau. Die fett gedruckten Linien stellen pneumatische Verbindungen dar. Ein Luftkompressor wird an das Olfaktometer angeschlossen, um unterschiedliche Luftströme zu erzeugen. Ein Regler steuert den Druck, und der zugeführte Luftstrom wird auf 3 Kanäle (durch 3 Massenregler) geleitet: einen für den Luftförderer (blaue Linie), einen für das Aspirationssystem (braune Linie) zum Reinigen und zur Steuerung der Stimulationszeit und den letzten für die Geruchsstoffe44. Zwei U-förmige Rohre enthalten die Geruchsstoffe (grün: angenehm; rot: unangenehm), in denen sie unter Druck im Sattdampfzustand konditioniert werden, wodurch ein geruchsneutraler Luftstrom mit stabiler Intensität über die Zeit gewährleistet wird. Der Mischkopf dient zum Mischen der sauberen und odorierten Luftströme. Der Luftstrom (odoriert oder rein) wird durch zwei Schläuche (graue Linien) in die Nasenlöcher geleitet, die an einer Nasenkanüle befestigt sind, die auch zur Aufzeichnung der Nasenatmung (violette Linie) verwendet wird. Basierend auf dem Atemsignal wird, sobald die Inhalationsphase erkannt wird, für den spTMS-Zustand ein Trigger an ein Impulsgeneratorgerät gesendet, mit dem eine Verzögerung (hier: 10 ms) eingestellt wird, dann an einen TMS-Stimulator A, der mit der SpuleM1 verbunden ist, die über die linke M1-Handmuskeldarstellung angelegt wird, während der TMS-Stimulator B ausgeschaltet wird. Für die dsTMS-Bedingung wird sofort ein Trigger an den TMS-Stimulator B gesendet, der mit derSpule DLPFC verbunden ist, die über die linke DLPFC angelegt ist, und das Impulsgeneratorgerät wird verwendet, um eine Verzögerung (hier: 10 ms) einzustellen, bevor der TMS-Stimulator A ausgelöst wird, der mit der SpuleM1 verbunden ist. Das vom EMG-System erfasste Atemsignal und die MEP-Amplitude werden von einer auf einem PC installierten Software aufgezeichnet. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

3. Messungen

  1. Führen Sie das benutzerdefinierte Codierungsskript in der Olfaktometer-Software aus (siehe Schritt 2.7.2), um alle Kombinationen von spTMS und dsTMS mit angenehmen und unangenehmen Gerüchen und Nicht-Gerüchen in zufälliger Reihenfolge zu liefern.
    HINWEIS: Hier wurden 20 Versuche für jede Erkrankung aufgezeichnet (insgesamt 120 Studien). Das Experiment wurde in 6 Blöcke zu je 20 Versuchen unterteilt. Die Anzahl der Versuche für jede Bedingung kann je nach den Bedürfnissen des Benutzers geändert werden.

4. Datenanalysen

  1. Extrahieren Sie für jeden Teilnehmer, jede Bedingung und jeden Versuch die MEP-Amplitude von Spitze zu Spitze. Dies kann mit einer der online verfügbaren Open-Source-Toolboxen46,47 erfolgen.
  2. Normalisieren Sie die Daten, indem Sie ein MEP-Verhältnis berechnen, das die durch die Teststimulation in dsTMS-Studien hervorgerufenen MEPs im Vergleich zu den MEPs ausdrückt, die durch die Teststimulation in spTMS-Studien hervorgerufen werden12. Tun Sie dies separat für jeden Teilnehmer und für jeden Geruchszustand (d. h. geruchlos, positiver Geruch und negativer Geruch). Nach dieser Prozedur interpretieren Sie die Ergebnisse wie folgt: MEP-Verhältnisse über 1 deuten auf einen unterstützenden Einfluss des DLPFC auf M1 hin, während MEP-Verhältnisse unter 1 auf einen hemmenden Einfluss des DLPFC auf M1 hinweisen.

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Ergebnisse

Die hier präsentierten repräsentativen Daten spiegeln Aufzeichnungen von Teilnehmern wider, nachdem sie das obige Schritt-für-Schritt-Protokoll abgeschlossen haben, um einen ersten Einblick in das zu geben, was wir erwarten könnten.

Abbildung 2 zeigt ein Beispiel für die Atemsignale eines repräsentativen Teilnehmers, die mit der Olfaktometer-Software aufgezeichnet wurden. Die exspiratorische und inspiratorische Phase werden gut erkannt, wenn die Schwellenwerte übe...

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Diskussion

Das obige Protokoll beschreibt eine neuartige Methode, die die Verwendung eines atemsynchronisierten Olfaktometers mit einer und zwei Spulen TMS kombiniert, um Veränderungen der kortikospinalen Erregbarkeit und der effektiven Konnektivität in Abhängigkeit vom hedonischen Wert der Geruchsstoffe zu untersuchen. Dieser Aufbau ermöglicht es, den Angenehmheitswert eines Geruchsstoffs bei einem bestimmten Teilnehmer objektiv zu unterscheiden, was den biologischen Einfluss des Geruchsstoffs auf die effektive Konnektivität und R...

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Offenlegungen

JB ist Vorstandsmitglied der Sektion Hirnstimulation (STEP) der französischen Vereinigung für biologische Psychiatrie und Neuropsychopharmakologie (AFPBN), der Europäischen Gesellschaft für Hirnstimulation (ESBS) und berichtet über akademische Forschungsstipendien auf dem Gebiet der Hirnstimulation von CIHR (Kanada), ANR und PHRC (Frankreich). Andere Autoren haben nichts zu offenbaren.

Danksagungen

Diese Arbeit wurde unterstützt von der Fondation de France, Stipendium Nr.: 00123049/WB-2021-35902 (ein Stipendium von J.B. und N.M.). Die Autoren danken der Fondation Pierre Deniker für die Unterstützung (Zuschuss von C.N.) und den Mitarbeitern der Neuro-Immersion-Plattform für ihre wertvolle Hilfe bei der Gestaltung des Setups.

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Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
Erfassungskarte (8 Kanäle)  National InstrumentNI USB-6009
LuftkompressorJun-Air Modell6-15
AlkoholvorbereitungspadsBeliebig
ButtersäureSigma-AldrichB103500Negativer Geruchsstoff
Desktop-ComputerDellLatitude 3520
EMG-SystemBiopac SystemMP150
IsoamylacetatSigma-AldrichW205508Positiver Geruchsstoff
NasenkanüleSEBAC FranceO1320
Programmierbarer ImpulsgeneratorA.M.P.I  Master-8
OberflächenelektrodenKendall Medi-traceFS327
TMS Spule (X2)MagStimD40 Alpha B.I. Spule 
TMS-MaschineMagStimBistim2
Rohr 6 mm x 20 mRadiospare686-2671Pneumatischer Anschluss
USB-RS232Radiospare687-7806
U-förmige RohreVS TechnologienVS110115

Referenzen

  1. Iravani, B., Schaefer, M., Wilson, D. A., Arshamian, A., Lundström, J. N. The human olfactory bulb processes odor valence representation and cues motor avoidance behavior. Proceedings of the National Academy of Sciences. 118 (42), e2101209118(2021).
  2. Chalençon, L., Thevenet, M., Noury, N., Bensafi, M., Mandairon, N. Identification of new behavioral parameters to assess odorant hedonic value in humans: A naturalistic approach. Journal of Neuroscience Methods. 366, 109422(2022).
  3. Infortuna, C., et al. Motor cortex response to pleasant odor perception and imagery: The differential role of personality dimensions and imagery ability. Frontiers in Human Neuroscience. 16, 943469(2022).
  4. Ozaki, I., Kurata, K. The effects of voluntary control of respiration on the excitability of the primary motor hand area, evaluated by end-tidal CO2 monitoring. Clinical Neurophysiology. 126 (11), 2162-2169 (2015).
  5. Boroojerdi, B., Battaglia, F., Muellbacher, W., Cohen, L. G. Voluntary teeth clenching facilitates human motor system excitability. Clinical Neurophysiology. 111 (6), 988-993 (2000).
  6. Rossi, S., et al. Distinct olfactory cross-modal effects on the human motor system. PLOS One. 3 (2), e1702(2008).
  7. Neige, C., Rannaud Monany, D., Lebon, F. Exploring cortico-cortical interactions during action preparation by means of dual-coil transcranial magnetic stimulation: A systematic review. Neuroscience and Biobehavioral Reviews. 128 (October 2020), 678-692 (2020).
  8. Koch, G. Cortico-cortical connectivity: the road from basic neurophysiological interactions to therapeutic applications. Experimental Brain Research. 238 (7-8), 1677-1684 (2020).
  9. Derosiere, G., Vassiliadis, P., Duque, J. Advanced TMS approaches to probe corticospinal excitability during action preparation. NeuroImage. 213 (November 2019), 116746(2020).
  10. Goldenkoff, E. R., Mashni, A., Michon, K. J., Lavis, H., Vesia, M. Measuring and manipulating functionally specific neural pathways in the human motor system with transcranial magnetic stimulation. Journal of Visualized Experiments JoVE. 156, 60706(2020).
  11. Malderen, S. V., Hehl, M., Verstraelen, S., Swinnen, S. P., Cuypers, K. Dual-site TMS as a tool to probe effective interactions within the motor network: a review. Reviews in the Neurosciences. 34 (2), 129-221 (2023).
  12. Neige, C., et al. Connecting the dots: Harnessing dual-site transcranial magnetic stimulation to assess the causal influence of medial frontal areas on the motor cortex. Cerebral Cortex. , bhad370(2023).
  13. Ferbert, A., Priori, A., Rothwell, J. C., Day, B. L., Colebatch, J. G., Marsden, C. D. Interhemispheric inhibition of the human motor cortex. The Journal of physiology. 453, 525-546 (1992).
  14. Rothwell, J. C. Using transcranial magnetic stimulation methods to probe connectivity between motor areas of the brain. Human Movement Science. 30 (5), 906-915 (2011).
  15. Carlson, H., Leitão, J., Delplanque, S., Cayeux, I., Sander, D., Vuilleumier, P. Sustained effects of pleasant and unpleasant smells on resting state brain activity. Cortex. 132, 386-403 (2020).
  16. Farruggia, M. C., Pellegrino, R., Scheinost, D. Functional connectivity of the chemosenses: A review. Frontiers in Systems Neuroscience. 16, 865929(2022).
  17. Hasan, A., Galea, J. M., Casula, E. P., Falkai, P., Bestmann, S., Rothwell, J. C. Muscle and timing-specific functional connectivity between the dorsolateral prefrontal cortex and the primary motor cortex. Journal of Cognitive Neuroscience. 25 (4), 558-570 (2013).
  18. Brown, M. J. N., Goldenkoff, E. R., Chen, R., Gunraj, C., Vesia, M. Using dual-site transcranial magnetic stimulation to probe connectivity between the dorsolateral prefrontal cortex and ipsilateral primary motor cortex in humans. Brain Sciences. 9 (8), 177(2019).
  19. Xia, X., et al. Connectivity from ipsilateral and contralateral dorsolateral prefrontal cortex to the active primary motor cortex during approaching-avoiding behavior. Cortex. 157, 155-166 (2022).
  20. Wang, Y., Cao, N., Lin, Y., Chen, R., Zhang, J. Hemispheric differences in functional interactions between the dorsal lateral prefrontal cortex and ipsilateral motor cortex. Frontiers in Human Neuroscience. 14, 1-6 (2020).
  21. Gabbott, P. L. A., Warner, T. A., Jays, P. R. L., Salway, P., Busby, S. J. Prefrontal cortex in the rat: Projections to subcortical autonomic, motor, and limbic centers. Journal of Comparative Neurology. 492 (2), 145-177 (2005).
  22. Yeterian, E. H., Pandya, D. N., Tomaiuolo, F., Petrides, M. The cortical connectivity of the prefrontal cortex in the monkey brain. Cortex. 48 (1), 58-81 (2012).
  23. Rossi, S., et al. Safety and recommendations for TMS use in healthy subjects and patient populations, with updates on training, ethical and regulatory issues: Expert guidelines. Clinical Neurophysiology. 132 (1), 269-306 (2021).
  24. Joussain, P., et al. Application of the European Test of Olfactory Capabilities in patients with olfactory impairment. European Archives of Oto-Rhino-Laryngology. 273 (2), 381-390 (2016).
  25. Oldfield, R. C. The assessment and analysis of handedness: The Edinburgh inventory. Neuropsychologia. 9 (1), 97-113 (1971).
  26. Daligadu, J., Haavik, H., Yielder, P. C., Baarbe, J., Murphy, B. Alterations in cortical and cerebellar motor processing in subclinical neck pain patients following spinal manipulation. Journal of Manipulative and Physiological Therapeutics. 36 (8), 527-537 (2013).
  27. Andersen, K. W., Siebner, H. R. Mapping dexterity and handedness: recent insights and future challenges. Current Opinion in Behavioral Sciences. 20, 123-129 (2018).
  28. Fried, P. J., et al. Training in the practice of noninvasive brain stimulation: Recommendations from an IFCN committee. Clinical Neurophysiology. 132 (3), 819-837 (2021).
  29. Mills, K. R., Boniface, S. J., Schubert, M. Magnetic brain stimulation with a double coil: the importance of coil orientation. Electroencephalography and Clinical Neurophysiology. 85 (1), 17-21 (1992).
  30. Rossini, P. M., et al. Non-invasive electrical and magnetic stimulation of the brain, spinal cord, roots and peripheral nerves: Basic principles and procedures for routine clinical and research application. An updated report from an I.F.C.N. Committee. Clinical Neurophysiology. 126 (6), 1071-1107 (2015).
  31. Awiszus, F. TMS and threshold hunting. Supplements to Clinical Neurophysiology. 56, 13-23 (2003).
  32. Awiszus, F. Using relative frequency estimation of transcranial magnetic stimulation motor threshold does not allow to draw any conclusions about true threshold. Clinical Neurophysiology. 125 (6), 1285-1286 (2014).
  33. Ah Sen, C. B., Fassett, H. J., El-Sayes, J., Turco, C. V., Hameer, M. M., Nelson, A. J. Active and resting motor threshold are efficiently obtained with adaptive threshold hunting. PLoS One. 12 (10), 1-9 (2017).
  34. Neige, C., Rannaud Monany, D., Stinear, C. M., Byblow, W. D., Papaxanthis, C., Lebon, F. Unravelling the modulation of intracortical inhibition during motor imagery: An adaptive threshold-hunting study. Neuroscience. 434, 102-110 (2020).
  35. Burke, D., Pierrot-Deseilligny, E. Caveats when studying motor cortex excitability and the cortical control of movement using transcranial magnetic stimulation. Clinical Neurophysiology. 121 (2), 121-123 (2010).
  36. Mir-Moghtadaei, A., et al. Updated scalp heuristics for localizing the dorsolateral prefrontal cortex based on convergent evidence of lesion and brain stimulation studies in depression. Brain Stimulation. 15 (2), 291-295 (2022).
  37. Siddiqi, S. H., et al. Brain stimulation and brain lesions converge on common causal circuits in neuropsychiatric disease. Nature Human Behaviour. 5 (12), 1707-1716 (2021).
  38. Caulfield, K. A., Fleischmann, H. H., Cox, C. E., Wolf, J. P., George, M. S., McTeague, L. M. Neuronavigation maximizes accuracy and precision in TMS positioning: Evidence from 11,230 distance, angle, and electric field modeling measurements. Brain Stimulation. 15 (5), 1192-1205 (2022).
  39. Cao, N., et al. Plasticity changes in dorsolateral prefrontal cortex associated with procedural sequence learning are hemisphere-specific. NeuroImage. 259, 119406(2022).
  40. Brown, M. J. N., et al. Somatosensory-motor cortex interactions measured using dual-site transcranial magnetic stimulation. Brain Stimulation. 12 (5), 1229-1243 (2019).
  41. Fiori, F., Chiappini, E., Candidi, M., Romei, V., Borgomaneri, S., Avenanti, A. Long-latency interhemispheric interactions between motor-related areas and the primary motor cortex: a dual site TMS study. Scientific reports. 7 (1), 14936(2017).
  42. Fournel, A., Ferdenzi, C., Sezille, C., Rouby, C., Bensafi, M. Multidimensional representation of odors in the human olfactory cortex. Human Brain Mapping. 37 (6), 2161-2172 (2016).
  43. Midroit, M., et al. Neural processing of the reward value of pleasant odorants. Current Biology. 31 (8), 1592-1605.e9 (2021).
  44. Sezille, C., Messaoudi, B., Bertrand, A., Joussain, P., Thévenet, M., Bensafi, M. A portable experimental apparatus for human olfactory fMRI experiments. Journal of Neuroscience Methods. 218 (1), 29-38 (2013).
  45. Kato, M., et al. Spatiotemporal dynamics of odor representations in the human brain revealed by EEG decoding. Proceedings of the National Academy of Sciences. 119 (21), e2114966119(2022).
  46. Jackson, N., Greenhouse, I. VETA: An open-source Matlab-based toolbox for the collection and analysis of electromyography combined with transcranial magnetic stimulation. Frontiers in Neuroscience. 13, 975(2019).
  47. Cunningham, D., Zhang, B., Cahn, A. Transcranial magnetic stimulation (TMS) analysis toolbox: A user friendly open source software for basic and advanced analysis and data sharing of TMS related outcomes. Brain Stimulation: Basic, Translational, and Clinical Research in Neuromodulation. 14 (6), 1641-1642 (2021).
  48. Julkunen, P., Säisänen, L., Hukkanen, T., Danner, N., Könönen, M. Does second-scale intertrial interval affect motor evoked potentials induced by single-pulse transcranial magnetic stimulation. Brain Stimulation. 5 (4), 526-532 (2012).
  49. Pellicciari, M. C., Miniussi, C., Ferrari, C., Koch, G., Bortoletto, M. Ongoing cumulative effects of single tms pulses on corticospinal excitability: An intra- and inter-block investigation. Clinical Neurophysiology. 127 (1), 621-628 (2016).
  50. Li, S., Rymer, W. Z. Voluntary breathing influences corticospinal excitability of nonrespiratory finger muscles. Journal of Neurophysiology. 105 (2), 512-521 (2011).
  51. Boesveldt, S., Frasnelli, J., Gordon, A. R., Lundström, J. N. The fish is bad: Negative food odors elicit faster and more accurate reactions than other odors. Biological Psychology. 84 (2), 313-317 (2010).
  52. Neige, C., Mavromatis, N., Gagné, M., Bouyer, L. J., Mercier, C. Effect of movement-related pain on behaviour and corticospinal excitability changes associated with arm movement preparation. Journal of Physiology. 596 (14), 2917-2929 (2018).
  53. Bergmann, T. O., Hartwigsen, G. Inferring causality from noninvasive brain stimulation in cognitive neuroscience. Journal of Cognitive Neuroscience. 33 (2), 195-225 (2021).
  54. Kulason, S., et al. A comparative neuroimaging perspective of olfaction and higher-order olfactory processing: on health and disease. Seminars in Cell & Developmental Biology. 129, 22-30 (2022).
  55. Athanassi, A., Dorado Doncel, R., Bath, K. G., Mandairon, N. Relationship between depression and olfactory sensory function: a review. Chemical Senses. 46, bjab044(2021).
  56. Grimm, S., et al. Imbalance between left and right dorsolateral prefrontal cortex in major depression is linked to negative emotional judgment: An fmri study in severe major depressive disorder. Biological Psychiatry. 63 (4), 369-376 (2008).
  57. Naudin, M., El-Hage, W., Gomes, M., Gaillard, P., Belzung, C., Atanasova, B. State and trait olfactory markers of major depression. PLOS One. 7 (10), e46938(2012).
  58. Guidali, G., Roncoroni, C., Bolognini, N. Modulating frontal networks' timing-dependent-like plasticity with paired associative stimulation protocols: Recent advances and future perspectives. Frontiers in Human Neuroscience. 15, 658723(2021).
  59. Hernandez-Pavon, J. C., San Agustín, A., Wang, M. C., Veniero, D., Pons, J. L. Can we manipulate brain connectivity? A systematic review of cortico-cortical paired associative stimulation effects. Clinical Neurophysiology. 154, 169-193 (2023).
  60. Deng, Z. -D., Robins, P. L., Dannhauer, M., Haugen, L. M., Port, J. D., Croarkin, P. E. Optimizing TMS coil placement approaches for targeting the dorsolateral prefrontal cortex in depressed adolescents: An electric field modeling study. Biomedicines. 11 (8), 2320(2023).
  61. Gomez, L. J., Dannhauer, M., Peterchev, A. V. Fast computational optimization of TMS coil placement for individualized electric field targeting. NeuroImage. 228, 117696(2021).
  62. Derosiere, G., Duque, J. Tuning the corticospinal system: How distributed brain circuits shape human actions. The Neuroscientist. 26 (4), 359-379 (2020).
  63. Bestmann, S., Krakauer, J. W. The uses and interpretations of the motor-evoked potential for understanding behaviour. Experimental Brain Research. 233 (3), 679-689 (2015).
  64. Reis, J., et al. Contribution of transcranial magnetic stimulation to the understanding of cortical mechanisms involved in motor control. Journal of Physiology. 586 (2), 325-351 (2008).

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