Method Article

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

DOI:

10.3791/65714

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January 19th, 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 This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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.

Introduction

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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.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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).

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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.

Results

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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 überschritten werden. Der Odorant wird unmittelbar nach der Schwelle der Exspirationsphase getriggert und diffundiert für 5 s. Der TMS-Impuls wird mit einer Verzögerung (600 ms) nach der Schwelle der Inspirationsphase ausgelöst.

Dieses Ergebnis zeigt, dass die hier entwickelte Methode die Geruchsdiffusion und das TMS-Timing entsprechend den menschlichen Nasenatmungsphasen präzise synchronisieren kann.

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Abbildung 2: Beispiel für Rohdaten aus Atemwegsaufzeichnungen für einen repräsentativen Teilnehmer. Die Ablaufphase wird erkannt, wenn ein Schwellenwert (dargestellt durch die rote Linie) überschritten wird. Die Inspirationsphase wird erkannt, wenn ein Schwellenwert (dargestellt durch die blaue Linie) überschritten wird. Das Odorierungsmittel wird unmittelbar nach der Schwelle der Exspirationsphase ausgelöst und diffundiert für 5 s, wie durch die grüne Linie dargestellt. Der TMS-Impuls wird mit einer Verzögerung (600 ms) nach der Schwelle der Inspirationsphase ausgelöst. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 3 zeigt die Ergebnisse der EMG-Datenaufzeichnungen des rechten FDI-Muskels (MEP-Aufzeichnungen) in Abhängigkeit von den Bedingungen (spTMS und dsTMS) und den hedonischen Geruchswerten (geruchsneutral, positiver Geruchsstoff und negativer Geruchsstoff) für einen repräsentativen Teilnehmer. Die Spitze-zu-Spitze-Amplitude der MEPs, die durch spTMS (Abbildung 3A) und dsTMS (Abbildung 3B) hervorgerufen wurde, variierte je nach hedonischem Wert des Geruchsstoffs. Wenn die Ergebnisse normalisiert werden (Abbildung 3C), liegen alle MEP-Verhältnisse unter 1, was auf eine unterdrückende Wirkung des linken DLPFC auf das linke M1 hindeutet. Dieses Ergebnis zeigt, dass die hier entwickelte Methode die Untersuchung von Modulationen der kortikospinalen Erregbarkeit und der effektiven Konnektivität ermöglicht, die während der angenehmen und unangenehmen Geruchswahrnehmung auftreten, und zwar synchron mit der menschlichen Nasenatmung. Diese Ergebnisse sind vorläufig und verdienen weitere Untersuchungen, um Rückschlüsse auf die spezifischen Auswirkungen von Hedonwerten von Gerüchen auf die kortikospinale Erregbarkeit und effektive Konnektivität zu ziehen.

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Abbildung 3: Beispiel für typische Rohaufnahmen des rechten FDI-Muskels eines Teilnehmers. (A) spTMS-Zustand mit positivem Geruchsstoff (grün), negativem Geruchsstoff (orange) und geruchsneutralem Zustand (grau). (B) dsTMS-Zustand mit positivem Geruchsstoff (grün), negativem Geruchsstoff (orange) und geruchsneutralem Zustand (grau). (C) MEP-Quoten, die nach dem Normalisierungsverfahren für einen repräsentativen Teilnehmer ermittelt wurden. Die drei MEP-Verhältnisse liegen unter 1, was auf einen hemmenden Einfluss des DLPFC auf M1 hindeutet. Die rohen MEP-Leiterbahnen stellen eine einzelne Versuchsaufzeichnung dar. Balkendiagramme zeigen den Mittelwert, die Standardabweichung und den individuellen MEP-Wert der 20 Versuche, die unter jeder Bedingung erhalten wurden. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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 Reaktivität des Gehirns anzeigt. Die kritischen Schritte in diesem Protokoll umfassen sowohl TMS-Parameter (Platzierung, Intensitäten) als auch Olfaktometer-Parameter (Auswahl des Geruchsstoffs, Zeitpunkt in Bezug auf die Atemphasen).

Diese Kombination von spTMS und dsTMS mit einem Olfaktometer kann je nach Bedarf des Anwenders vielfältig angepasst werden und hat klare methodische Vorteile. Wie in der Einleitung erwähnt, schienen zwei methodische Aspekte für eine tiefergehende Untersuchung der mechanistischen Grundlagen der Wechselwirkungen zwischen dem olfaktorischen und dem motorischen System entscheidend zu sein. Die erste war die Möglichkeit, innerhalb derselben Versuchsphase unterschiedliche Geruchszustände (angenehm/unangenehm/kein Geruch) darzustellen. Dies ist nun möglich, da es möglich ist, versuchsweise festzulegen, welches Geruchsmittel mit konstanter Intensität an den Probanden abgegeben wird. Dies ist ein entscheidender Punkt, da er es uns ermöglicht, die systematischen intraindividuellen Änderungen der MEP-Amplitude innerhalb und zwischen den Stimulusblöcken, die in früheren Studien beobachtet wurden, selbst bei relativ langen Interstimulusintervallen zu eliminieren48,49.

In der Tat ermöglicht die Anwendung eines TMS-Pulses auf M1 die Quantifizierung der beobachteten Veränderungen der kortikospinalen Erregbarkeit mit unbestreitbarer zeitlicher Genauigkeit. Es gibt jedoch eine sehr große Anzahl von Faktoren, die die kortikospinale Erregbarkeit modulieren können, und diese müssen so weit wie möglich kontrolliert werden. Zum Beispiel modifiziert die einfache Tatsache der willkürlichen Inspiration oder des Ausatmens (ein motorischer Akt) die kortikospinale Erregbarkeit von nicht-atmenden Fingermuskeln50.

Die zweite war die Möglichkeit, mehrere Faktoren mit den Atemphasen zu kontrollieren und zu synchronisieren. Dazu gehören die genaue Dauer und der Zeitpunkt der Geruchsdiffusion zu den Teilnehmern und der Zeitpunkt des TMS-Impulses. Noch wichtiger ist, dass diese verschiedenen Parameter je nach den Bedürfnissen des Benutzers modifiziert werden können, was den Weg für zukünftige Studien ebnet.

Die hier vorgestellte Methode ebnet den Weg für ein breites Spektrum zukünftiger Forschungen und allgemeiner Fragestellungen auf dem Gebiet des Geruchssinns. Erstens hat noch keine Studie die zeitliche Präzision der Modulation der kortikospinalen Erregbarkeit als Reaktion auf einen olfaktorischen Reiz untersucht. Ist diese Modulation sehr früh (d. h. vor dem Auftreten von Wahrnehmungsrepräsentationen, die schätzungsweise zwischen 300 ms und 500 ms nach Beginn des Geruchs liegen45) oder später (d. h. wenn Geruchsrepräsentationen auf größere Bereiche ausgedehnt werden, die mit emotionaler, semantischer und Gedächtnisverarbeitung verbunden sind45)? Ist der Zeitpunkt der Veränderungen der kortikospinalen Erregbarkeit in Abhängigkeit vom hedonischen Wert des Geruchs derselbe? Unangenehme Gerüche, wie z. B. Schmerzen, signalisieren oft potenzielle Gefahren, rufen eine schnellere Reaktion hervor, um negative Situationen schnell zu vermeiden oder ihnen zu entkommen51,52 und modulieren somit die kortikospinale Erregbarkeit früher als positive Gerüche. Dies bleibt jedoch spekulativ. Durch die Abgabe des TMS-Impulses zu unterschiedlichen Zeitpunkten nach dem Auftreten positiver und negativer Gerüche und den Vergleich der Veränderungen der kortikospinalen Erregbarkeit kann das aktuelle Protokoll diese Frage beantworten. Obwohl der Fokus des vorliegenden Protokolls auf der Modulation der kortikospinalen Erregbarkeit durch das Targeting von M1 lag, kann die TMS-Technik aufgrund ihrer hohen zeitlichen Auflösung aufgrund ihrer hohen zeitlichen Auflösung auch zur Untersuchung der kausalen Hirn-Verhaltens-Beziehungen und des zeitlichen Verlaufs anderer Bereiche während olfaktorischer Prozesse verwendet werden53. In ähnlicher Weise haben wir im aktuellen Protokoll die effektive Konnektivität zwischen DLPFC und M1 evaluiert, da es in der Literatur Hinweise darauf gibt, dass Modulationen dieser Konnektivität während der Geruchswahrnehmung auftreten können. Andere kortiko-kortikale oder kortiko-subkortikal-kortikale Netzwerke können jedoch während der Geruchs- oder motorischen Kontrollprozesse moduliert werden, und die Konnektivität innerhalb dieser Netzwerke kann mit dieser neuen Methode leicht beurteilt werden. Die einzige Änderung wäre dann die Lage der Spulen in Richtung der anvisierten kortikalen Bereiche. Zum Beispiel wurde gezeigt, dass der orbitofrontale Kortex an der Kodierung des hedonischen Geruchswerts und der Geruchswahrnehmung beteiligt ist54, und eine kürzlich durchgeführte TMS-Studie an zwei Standorten zeigte, dass dieser Bereich einen hemmenden Einfluss auf M1 im Ruhezustand hat12. Die Untersuchung von Veränderungen in der effektiven Konnektivität zwischen dem orbitofrontalen Kortex und M1 während der Wahrnehmung positiver und negativer Gerüche ist ein interessanter Studienansatz, um die Mechanismen hinter den Interaktionen zwischen olfaktorischen und motorischen Systemen besser zu verstehen.

Darüber hinaus bietet diese Methode einen neuen Weg, um die hedonische Geruchswahrnehmung auf nonverbale oder bewusste Weise zuverlässig zu bewerten. Dies könnte den Weg für klinische Studien ebnen, die darauf abzielen, abnormale Wechselwirkungen zwischen der Verarbeitung im olfaktorischen und motorischen System zu verstehen. Zum Beispiel könnte die derzeitige Methode bei Patienten mit neuropsychiatrischen Störungen wie der schweren depressiven Störung (MDD) eingesetzt werden, die mit Veränderungen der olfaktorischen Funktion in Verbindung gebracht wurde, einschließlich hedonischer Wahrnehmung von Gerüchen und maladaptivem Annäherungs- und Vermeidungsverhalten55. Da sich der linke DLPFC bei MDD-Patienten als hypoaktiv erwiesen hat56 und die DLPFC-M1-Konnektivität während des Annäherungsvermeidungsverhaltens19 moduliert ist, könnte die Kombination von TMS und einem Olfaktometer ein vielversprechendes potenzielles Werkzeug sein, um neurophysiologische Indikatoren für eine dysfunktionale Konnektivität zwischen DLPFC und M1 bei MDD-Patienten aufzuklären. Neurophysiologische Befunde können dann mit der klinischen Symptomatik korreliert werden, wie z. B. dem Schweregrad der Depression oder dem olfaktorischen Anhedonie-Score, definiert als die verminderte Fähigkeit, Freude zu empfinden, der bei Patienten mit MDD57 gefunden wird. Wenn schließlich bei diesen Patienten mit der hier vorgestellten Methode Anomalien in der effektiven Konnektivität festgestellt werden und mit klinischen Symptomen korrelieren, könnte die Dual-Site-TMS wiederholt eingesetzt werden, um die DLPFC-M1-Konnektivität zu neuromodulieren und die klinischen Symptome zu verbessern, ein Protokoll, das als paar-assoziative kortiko-kortikale Stimulation bezeichnet wird58,59.

Obwohl die vorliegende Methode und die Ergebnisse einen Proof of Concept für zukünftige Untersuchungen der neuronalen Mechanismen liefern, die den Interaktionen zwischen dem olfaktorischen und motorischen System zugrunde liegen, müssen einige Einschränkungen und Überlegungen erwähnt werden. Erstens, um die Zuverlässigkeit und Reproduzierbarkeit der Messungen zu erhöhen, sollten die anvisierten Hirnareale genau auf anatomische und funktionelle Bereiche abgestimmt sein (dies gilt insbesondere für das DLPFC-Target). Zweitens ist, wie oben erwähnt und wie durch E-Feld-Computermodellierung demonstriert, die kopfhautbasierte Targeting-Methode, die zur Positionierung der Spulen verwendet wird, im Vergleich zur MRT-Führung60 suboptimal. Um die Genauigkeit und Präzision der TMS-Positionierung zu maximieren, sollte ein Neuronavigationssystem verwendet werden, das den Kopf des Patienten und den strukturellen Magnetresonanztomographie-Scan (MRT) gemeinsam registriert und Echtzeit-Feedback über die Spulenposition liefert38. Darüber hinaus hat sich gezeigt, dass die computergestützte E-Feld-Dosimetrie eine effizientere und fokussiertere Stimulation bietet, indem sie die Platzierung der einzelnen Spulen bestimmt, die die E-Feld-Abgabe an ein spezifisches Gehirnziel61 maximiert. Ein dritter Punkt, der bei der Interpretation der Ergebnisse zu berücksichtigen ist, bezieht sich auf die MEP-Amplitude. In der Tat ist bekannt, dass die MEP-Amplitude intrinsisch unterschiedliche neuronale Eingänge zu den kortikospinalen Zellen, einschließlich transkortikaler Elemente, und die Aktivität des spinalen Motoneuronpools widerspiegelt 62,63,64. Daher liefert die Modulation der kortikospinalen Erregbarkeit und der effektiven Konnektivität, die während der Exposition gegenüber einem angenehmen Geruch beobachtet wurde, ein Teilbild der komplexeren supraspinalen und spinalen Netzwerke, die wahrscheinlich an der Modulation der MEP-Amplitude beteiligt sind. Die Ergebnisse sollten mit Vorsicht interpretiert werden.

Disclosures

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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.

Acknowledgements

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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.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
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

References

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