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

Das übergeordnete Ziel dieses Videos ist es, eine effiziente und leicht anpassbare Methode der fMRT vorzustellen und zu erklären, um die Kartierung des menschlichen Geruchssystems ohne Beeinträchtigung der natürlichen Atmung effektiv zu erforschen. Ein Hindernis bei der Verwendung von olfaktorischer fMRT zur Untersuchung der Gehirnaktivierung, die auf Geruch und Stimulation reagiert, ist die Inkonsistenz der wiederholten Geruchsstimulation, die durch die Asynchronität von Atmung und Geruchsabgabe verursacht wird. Wie hier dargestellt, kann die wiederholte Geruchsstimulation in verschiedenen Phasen der Atmung stattfinden, wenn die Geruchspräsentation in einem Paradigma der Geruchsstimulation mit einem festen Zeitpunkt nicht mit der Atmung synchronisiert ist.

Eine Lösung für dieses Problem besteht darin, ein atmungsgesteuertes olfaktorisches fMRT-Paradigma einzurichten. Eine effektive olfaktorische fMRT-Datenerfassung wird erreicht, indem zunächst ein ereignisbezogenes, durch die Atmung ausgelöstes olfaktorisches Stimulationsparadigma auf dem Olfaktometer entworfen wird, das resistent gegen Gewöhnung und inkonsistente Inhalationsmuster ist. Der zweite Schritt besteht darin, Geruchsstoffe für die olfaktorische Stimulation vorzubereiten, wobei darauf geachtet wird, Geruchsstoffe zu verwenden, die die trigeminale Stimulation und die Gewöhnungseffekte minimieren.

Der dritte Schritt besteht darin, das Experiment in der MRT-Umgebung einzurichten und durchzuführen, indem das Olfaktometer so zusammengebaut wird, dass es in der Lage ist, ein atmungsgesteuertes Paradigma durchzuführen. Der letzte Schritt besteht darin, die Daten mit dem Programm ONSET zu verarbeiten, um den tatsächlichen Beginn und die Dauervektoren der Reize zu definieren. Letztendlich hat diese Technik das Potenzial, eine sensiblere Erforschung und Verbindung des menschlichen Geruchssystems zu ermöglichen.

Hier zeigen wir, wie man ein atmungsgesteuertes olfaktorisches fMRT-Experiment mit einem ETT-Olfaktometer aufbaut. Um ein Paradigma zu erstellen, ordnen Sie die Odormittelkanäle bestimmten Odormitteln zu. In diesem Olfaktometersystem stehen sechs Odormittelkanäle zur Verfügung.

Geben Sie die Reihenfolge und das Timing des Öffnens und Schließens dieser Kanäle ein und bearbeiten Sie sie. Drücken Sie die Paradigmeneinstellungstaste auf dem Touchscreen. Um die Reihenfolge des Öffnens und Schließens der Odormittelkanäle einzugeben oder zu bearbeiten, drücken Sie die Bearbeiten-Taste für die Ventilsequenz.

Wenn Sie fertig sind, drücken Sie die Schaltfläche Bearbeiten erneut, um den Bearbeitungsmodus zu verlassen. Um die Timing-Parameter für das Öffnen und Schließen der Odormittelkanäle einzugeben oder zu bearbeiten, drücken Sie die Set-Taste für Time Sequence. Wenn Sie fertig sind, drücken Sie die Set-Taste erneut, um den Bearbeitungsmodus zu verlassen.

Nachdem Sie die Paradigmeneinstellung abgeschlossen haben, drücken Sie die Eingabetaste, um zum Hauptfenster zurückzukehren. In diesem Video wird ein einfaches Stimulationsparadigma des gleichen Geruchsstoffs in der gleichen Konzentration demonstriert. Jede Odormittelpräsentation ist mit der Präsentation von Frischluft verschachtelt.

In diesem Paradigma wird derselbe Geruch 12 Mal präsentiert. Jedes Mal dauert die Odormittelpräsentation sechs Sekunden mit unterschiedlichen Zeitabständen zwischen den Geruchspräsentationen. Stellen Sie die Dauern für das Öffnen des Ventils und das Schließen des Ventils entsprechend ein.

In dieser Demonstration wird eine Konzentration Lavendelöl hergestellt. Wir verwenden Lavendelöl wegen seiner minimalen trigeminalen Stimulation und Aktivierung bestimmter Gehirnbereiche. Die Odormittelkonzentrationen können je nach gewähltem Odormittel variiert werden.

Wählen Sie die Konzentrationen basierend auf der idealen Wahrnehmungsschwelle des Geruchs. Durch die Variation der Konzentration verringern wir die Wahrscheinlichkeit, dass Sie sich an ein Geruchsmittel gewöhnen. Um die Konzentrationen vorzubereiten, mischen Sie das Lavendelöl mit Propylenglykol.

Propylenglykol ist ein häufig verwendetes Lösungsmittel für Odoriermittel und ist stabil und nahezu geruchlos. Nachdem Sie alle Lösungen wie im Paradigmendesign beschrieben gemischt haben, gießen Sie die gleiche Menge Odoriermittel in jede Behälterflasche. Befestigen Sie dann die Flaschen in der richtigen Reihenfolge auf dem Odormittelträger.

Um das Olfaktometer im MRT einzurichten, platzieren Sie den Odormittelträger im Magnetraum neben dem Gerät. Führen Sie die Röhren durch den Wellenleiter, um sie mit dem Träger zu verbinden, und achten Sie darauf, dass die Reihenfolge der Röhren mit der Reihenfolge übereinstimmt, die mit dem Olfaktometer verbunden ist. Der Einfachheit halber kennzeichnen wir unsere Schläuche farblich so, dass sie zu den Odorierkanälen passen.

Schalten Sie die Maschine ein. Passen Sie bei Bedarf den Hauptluftstrom sowie die individuellen Volumenströme für den Träger und die Spülung an. Verbinden Sie dann das Atemband mit dem Olfaktometer und führen Sie das Band durch den Wellenleiter.

Der Gürtel zeichnet die Atmungsaktivität des Probanden sowie die Nutzung des Atmungsauslösers auf. Bringen Sie das Motiv in den Magnetraum und legen Sie die Gesichtsmaske auf das Motiv. Wenn die Person liegt, legen Sie den Atemgurt um die Brust oder den Bauch, wo ein deutliches Atmungsereignis vorliegt.

Überprüfen Sie das Atmungsmuster auf dem Bildschirm des Olfaktometers. Wenn die Wellen stagnieren, ist der Gurt zu fest angezogen und der Atemauslöser funktioniert nicht richtig. Stellen Sie den Gurt so lange ein, bis eine vollständige Atmungsspur zu sehen ist, da klare Signale für die Atmungsspitze entscheidend für eine erfolgreiche Ausführung eines durch die Atmung ausgelösten Paradigmas sind.

Erstellen Sie einen Datenordner auf dem Olfaktometer, um die Atmungsdaten zu speichern. Die Synchronität der Geruchspräsentation mit der Atmung sollte auf ihre Genauigkeit getestet werden, indem der Paradigm Check verwendet und die Auslöseverzögerungszeit bei Bedarf angepasst wird. Drücken Sie die Paradigm Check-Taste auf dem Touchscreen und überwachen Sie, ob die Geruchsabgabe während der Inhalationsphase des Atmungszyklus erfolgt.

Die Geruchsabgabezeit ist auf der Atmungsspur in der Farbe Rosa hervorgehoben. Wenn die Geruchsabgabe während der Ausatmungsphase beginnt, stellen Sie die Triggerverzögerung in der Zeitsequenz ein und wiederholen Sie dann den Paradigmencheck, um zur Paradigmeneinstellung zurückzukehren. Stellen Sie das Paradigma auf den Trigger-In-Modus ein, sodass die Ausführung des Geruchsstimulationsparadigmas durch MRT-Scans ausgelöst wird.

Wählen Sie dann die Funktion Respiration Trigger Start. Das Paradigma ist nun bereit, ausgeführt zu werden. Sobald das Paradigma der Geruchsstimulation abgeschlossen ist, überprüfen Sie die im Olfaktometer gespeicherten Atmungsdaten.

Diese Datei enthält die Atmungsspur und den Zeitstempel jedes funktionellen MRT-Bildes, den Atmungsauslöser, das Öffnen und Schließen jedes Geruchskanals und die Reaktion des Probanden mit einem Reaktionsgerät. Es kann mit dem Programm ONSET verarbeitet werden, um die tatsächlichen Vektoren und Dauern des Stimulationsbeginns für die fMRT-Datenverarbeitung zu erfassen. ONSET kann in der IDL Virtual Machine ausgeführt werden.

Um die Vektoren und die Dauer des Beginns der Geruchsstimulation abzurufen, klicken Sie auf Atmungsvalidierung. Laden Sie die Atmungsdatendatei, die vom Olfaktometer gespeichert wird, und legen Sie die Nachbearbeitungsparameter für die ONSET-Verarbeitung fest. Führen Sie ONSET aus.

Die tatsächlichen Stimulations-Onset-Vektoren, der Beginn jeder Inhalation während der Geruchsabgabe, werden automatisch auf der Grundlage des Zeitpunkts der Geruchspräsentation und der Atmungsspur erkannt. Die Ergebnisse, einschließlich der Vektoren für den Beginn und die Dauer, können in der fMRT-Datenverarbeitung verwendet werden. Verarbeiten Sie die fMRT-Daten nach Standardverfahren.

Hier ist ein Beispiel für die Datenverarbeitung mit SPM8. Verwenden Sie entweder die Bildnummern oder die Vektoren und Dauern des Beginns in Sekunden nach der Ausgabe des Beginns, abhängig von der für das SPM-Paradigmendesign gewählten Zeiteinheit. Generieren Sie eine statistisch-parametrische Karte auf individueller Ebene, indem Sie das Stimulationsparadigma unter Verwendung der tatsächlichen Vektoren für den Beginn und die Dauer an die funktionellen Daten mit der kanonischen hämodynamischen Reaktionsfunktion anpassen.

Hier ist ein Beispiel für die Aktivierung der primären olfaktorischen Rinde, die auf die Geruchsstimulation reagiert. Im Gegensatz zum respirationsgesteuerten Geruchsstimulationsparadigma, einem festen Timing-Paradigma, das wir hier am selben Probanden sehen können, wird die Geruchsabgabe nicht durch die Atmungsaktivität ausgelöst. Da es keine Kontrolle über die Atmung des Probanden gibt, gibt es eine erhebliche Variabilität in der Menge des Geruchsstoffs, die eingeatmet wird.

Nach dem Standardverfahren, diese fMRT-Daten mit dem gleichen statistischen Schwellenwert zu verarbeiten, der für die vorherigen atmungsgesteuerten fMRT-Daten verwendet wurde, wurde keine signifikante Aktivierung im primären olfaktorischen Kortex festgestellt. Wenn jedoch ein Atmungsauslöser implementiert wird, wird die Odoriermittelpräsentation immer mit der Inhalation synchronisiert, wodurch die Konsistenz und Genauigkeit der Geruchsstimulation verbessert wird. Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis für die aktuelle Praxis der olfaktorischen fMRT unter Verwendung eines ereignisbezogenen atmungsgesteuerten Paradigmas haben.

Sobald die in diesem Video demonstrierte Technik beherrscht wird, können weitere Paradigmendesign- und Analysemethoden für die olfaktorische Stimulation angewendet werden, um die Funktionen des zentralen Geruchssystems des Menschen zu kartieren und die olfaktorischen Defizite bei neurodegenerativen Erkrankungen weiter zu erforschen.