Un método fMRI de respiración libre para estudiar la función olfativa humana

Summary

Presentamos los desafíos técnicos y las soluciones para la obtención de datos fiables de imágenes de resonancia magnética funcional (fMRI) del sistema olfativo central humano. Esto incluye consideraciones especiales en el diseño del paradigma fMRI olfativo, descripciones de la adquisición de datos de fMRI con un olfatómetro compatible con MRI, selección de odorantes y una herramienta de software especial para el post-procesamiento de datos.

Abstract

El estudio del olfato humano es un campo altamente complejo y valioso con aplicaciones que van desde la investigación biomédica hasta la evaluación clínica. Actualmente, la evaluación de las funciones del sistema olfatorio central humano con resonancia magnética funcional (IRMf) sigue siendo un desafío debido a varias dificultades técnicas. Hay algunas variables significativas a tener en cuenta cuando se considera un método eficaz para cartografiar la función del sistema olfativo central usando fMRI, incluyendo la selección apropiada de odorantes, la interacción entre la presentación del olor y la respiración, y la anticipación potencial o la habituación a los odorantes. Una técnica fMRI olfativa relacionada con el evento y la respiración puede administrar con precisión los olorantes para estimular el sistema olfativo mientras se minimiza la interferencia potencial. Puede capturar con eficacia los onsets exactos de las señales de fMRI en la corteza olfativa primaria usando nuestro método del posprocesamiento de los datos. La técnica preSenta aquí un medio eficaz y práctico para generar resultados fMRI olfativos confiables. Tal técnica puede aplicarse en última instancia en el ámbito clínico como una herramienta de diagnóstico para enfermedades asociadas con la degeneración olfativa, incluyendo el Alzheimer y la enfermedad de Parkinson, a medida que comenzamos a comprender mejor las complejidades del sistema olfativo humano.

Introduction

Se entiende que el sistema olfativo humano es mucho más que un sistema sensorial porque el olfato también juega un papel importante en la regulación y las emociones homeostáticas. Clínicamente, se sabe que el sistema olfativo humano es vulnerable a los ataques de muchas enfermedades neurológicas prevalentes y trastornos psiquiátricos, como la enfermedad de Alzheimer, la enfermedad de Parkinson, el trastorno de estrés postraumático y la depresión ^{1 , 2 , 3 , 4 , 5} . En la actualidad, la resonancia magnética funcional (IRMf) con contraste de nivel de sangre-oxígeno (BOLD) es la técnica más valiosa para cartografiar las funciones del cerebro humano. Se ha adquirido una cantidad significativa de conocimiento sobre las funciones específicas de las estructuras olfativas centrales ( por ejemplo , la corteza piriforme, la corteza orbitofrontal, la amígdala y la corteza insular) con este tecIque ^{6 , 7 , 8 , 9 , 10} .

Sin embargo, la aplicación de la fMRI a estudios del sistema olfatorio central humano y enfermedades asociadas se ha visto obstaculizada por dos obstáculos importantes: la rápida habituación de la señal BOLD y la modulación variable por la respiración. En la vida cotidiana, cuando se expone a un olor por un período de tiempo, rápidamente nos habituamos al olor. De hecho, cuando se estudia usando fMRI olfativa, la señal fMRI inducida por el olor se atenúa rápidamente por la habituación, lo que plantea un reto en los diseños de paradigma de estimulación ^{8 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14} . La señal significativa BOLD inicial en la corteza olfatoria primaria sólo persisteS durante varios segundos después del inicio del olor. Por lo tanto, los paradigmas olfatorios de fMRI deben evitar estímulos de olor prolongados o frecuentes en un corto período de tiempo. Para reducir el efecto de la habituación, algunos estudios han intentado presentar olores alternantes en un paradigma fMRI. Sin embargo, este enfoque puede complicar el análisis de los datos ya que cada odorante puede ser tratado como un evento de estimulación independiente.

Otra cuestión técnica surge con la variabilidad en los patrones de respiración de los sujetos; La inhalación no siempre se sincroniza con la administración de olor durante un paradigma de tiempo fijo. El inicio y la duración de la estimulación olfativa son modulados por la respiración de cada individuo, lo que confunde la calidad de los datos de la fMRI y su análisis. Algunos estudios han intentado mitigar este problema con señales visuales o auditivas para sincronizar la respiración y el inicio del olor, pero el cumplimiento de los sujetos es variable, especialmente en la población clínica. Las activaciones cerebrales asociadas wiEstas señales también podrían complicar el análisis de datos en ciertas aplicaciones. Por lo tanto, la sincronización de la inhalación con odorante entrega puede ser crucial para olfactory fMRI estudios [ ^15] .

Una consideración adicional vital para la fMRI olfativa, especialmente en el proceso de análisis de datos, es la selección de odorantes. Encontrar una concentración apropiada de odorante con respecto a la intensidad percibida es importante para la cuantificación y la comparación de los niveles de activación en el cerebro bajo diversas condiciones o enfermedades experimentales. La selección del olor debe tomar también en consideración la valencia del olor, o el agrado. Se sabe que esto causa perfiles temporales divergentes en el aprendizaje olfatorio ^{16 , 17} . El olor de lavanda fue elegido para esta demostración parcialmente por esta razón. Dependiendo del propósito de un estudio específico, los diferentes olores pueden ser mejores opciones. Además, la estimulación del trigémino debe reducirse al mínimo paraE la activación no está directamente relacionada con el olfato ¹⁸ .

En este informe, se demuestra una técnica fMRI para configurar y ejecutar un paradigma de respiración-desencadenado utilizando un olfatómetro en el entorno de resonancia magnética. También presentamos una herramienta de post-procesamiento que puede disminuir algunos errores de tiempo que pueden haber ocurrido durante la adquisición de datos en un intento de mejorar aún más el análisis de datos.

Protocol

El siguiente protocolo experimental siguió las directrices de la Junta de Revisión Institucional del Colegio de Medicina de la Universidad Estatal de Pensilvania, y el sujeto humano dio su consentimiento informado por escrito antes de participar en el estudio.

Nota: Para fines de demostración, se presenta un paradigma simple de estimulación de olores utilizando un olfatómetro compatible con MRI comercialmente disponible. Este paradigma ha demostrado ser eficaz en la reducción del efecto habituación y ha producido fiables fMRI olfatorio datos [ ^15] . Algunas etapas descritas en este protocolo pueden ser específicas para el tipo de olfatómetro utilizado. Sin embargo, cualquier tipo de equipo - hecho en casa o disponible comercialmente con capacidades similares - puede ser utilizado de manera análoga. El olfatómetro debe ser capaz de controlar la respiración, así como presentar una secuencia de odorantes con tiempo preciso. Asegúrese de que todo el sistema de suministro de olores (incluidoOlfactómetro) está construido con materiales inertes a sustancias químicas olorosas ( por ejemplo , vidrio y politetrafluoroetileno), y la ruta del olor es suave y hermética con un mínimo espacio muerto.

1. Diseño Paradigmático

1. Crear un nuevo paradigma especificando la secuencia de la válvula de flujo de aire en un olfatómetro programable.
   NOTA: La secuencia de válvulas es el orden y la sincronización de la apertura y el cierre de canales de aire específicos que contienen diferentes concentraciones o tipos de odorantes. En esta demostración, cada una de las válvulas para los seis canales se abrió dos veces para un total de doce entregas de olor. Cada vez que una válvula estaba abierta, todas las otras válvulas estaban cerradas y cada válvula se abría de nuevo sólo después de que todas las otras válvulas ya se habían abierto una vez.
   1. Asignar duración para el estímulo (la apertura de un canal específico), así como la duración del canal que se va a cerrar.
      NOTA: En esta demostración, la duración de la presentación del olor fue de 6 s, mientras queLa duración de los canales a cerrar variaba de 22 s a 38 s.
   2. Establezca el número de repeticiones para la secuencia de la válvula se abre y se cierra. Aquí, el número de repeticiones es 1.
   3. Intercalar cada presentación odorante con una presentación de aire inodoro a la misma velocidad de flujo. Por ejemplo, suministre el flujo de aire al sujeto con o sin olor a un caudal de 6 l / min en humedad relativa del 50% y temperatura ambiente a 22 ° C.
      NOTA: Esto es importante, ya que las variaciones en el flujo de aire pueden causar sensación táctil.

2. Preparación del olor

1. Elija un olor apropiado para el paradigma de estimulación del olor, considerando la valencia, la agradableza, la intensidad, la familiaridad y el componente trigeminal del olor (ver Tabla 1 ).
   Nota: La Tabla 1 enumera algunos de los odorantes usados ​​comúnmente. El olor de lavanda fue elegido para esta demostración porque tiene una estimulación trigeminal mínima a baja a moderada coY generalmente se percibe como agradable y familiar.
2. Elija un disolvente adecuado ( por ejemplo , agua, aceite mineral, 1,2-propanodiol, etanol) para preparar las soluciones de olor.
   NOTA: En este caso, se usó 1,2-propanodiol como disolvente para la preparación de la solución odorante.
3. Elija una concentración adecuada de olor para el paradigma de estimulación de olores. Por ejemplo, diluir el aceite de lavanda en 1,2-propanodiol a una concentración de 0,10% (volumen / volumen) para la estimulación olfativa ¹⁹ .
   NOTA: Esto puede hacerse mediante una evaluación psicofísica de una serie de diferentes concentraciones por un grupo de sujetos normales.
4. Coloque las soluciones de olor adecuadas en los recipientes de olor. Asegúrese de que todos los contenedores tengan la misma cantidad de espacio, la misma cantidad de solución y la misma superficie para la solución. Por ejemplo, utilice seis botellas de vidrio de tamaño de 300 ml como contenedores de olor, conteniendo cada botella 50 ml de solución de aceite de lavanda al 0,10%.
5. Conectar unLl los recipientes de olor a los canales adecuados para la entrega de olor.

3. Ajuste del Olfactómetro

1. Compruebe las conexiones para asegurarse de que todos los recipientes de olor se unen apropiadamente al portador de olor. No apriete demasiado, ya que esto puede dañar el sello. La estanqueidad apropiada se asegura en un paso posterior comprobando el flujo de aire a través de cada recipiente de olor.
2. Coloque el portador de olor en la sala del imán y conecte cada tubo al olfatómetro fuera de la sala, ya que la unidad principal no es compatible con MR. Compruebe visualmente si hay alguna torcedura en el tubo, ya que esto afectará el flujo de aire. El flujo de aire de cada canal se comprobará en un paso posterior.
3. Conecte firmemente todos los tubos del olfatómetro al soporte de olor, haciendo coincidir los números con los puertos correctos. Para la exactitud, coloree los tubos, tal que el color de rosa para el canal 1, azul para el canal 2, etc.
4. Asegúrese de que el flujo de aire a través de todos los canales es consistente uniendo un flujoMetro hasta el extremo de salida de la tubería. Abra manualmente cada canal en el panel de control del olfatómetro, ajuste el caudal total de aire así como los caudales de cada canal y la línea de descarga hasta que el caudal de cada canal sea consistente.
5. Conecte la máscara facial o la pieza de nariz al soporte odorante con tubo de politetrafluoroetileno (PTFE). Asegúrese de que el flujo de aire ( por ejemplo , 6 L / min) entregado al sujeto es consistente cuando se cambian los canales.
6. Conecte el disparador de radiofrecuencia desde el sistema de MRI al puerto "trigger in" del olfactómetro para sincronizar el paradigma de estimulación de olores y la adquisición de imágenes fMRI. Puede ser necesario un convertidor de señal óptico-eléctrico.
7. Ajuste el flujo total de aire y los caudales de cada canal y la línea de descarga a las cantidades diseñadas. Por ejemplo, un caudal de aire total de 6 l / min y los caudales de cada canal y la línea de descarga de 3 L / min.
8. Conecte el sensor respiratorio neumáticoR al puerto de respuesta del olfactómetro a través de la caja convertidora de señales neumática-eléctrica.
9. Si se necesita una respuesta subjetiva, conecte la almohadilla de respuesta neumática al puerto de respuesta del olfactómetro a través de la caja convertidora de señal neumática-eléctrica.

4. Procedimiento Experimental

1. Realizar un pre-screening para asegurar que el procedimiento de RM es seguro para el sujeto.
   1. Pregúntele al paciente acerca del historial médico, incluyendo posibles implantes, claustrofobia u otras condiciones preexistentes que puedan interferir con la capacidad del sujeto de participar con seguridad en el estudio fMRI. Además, realice una prueba de umbral de olor de los odorantes para asegurar que el sujeto pueda oler los olorantes durante el experimento.
2. Haga que el sujeto se encuentre en decúbito supino en la cama de examen de resonancia magnética. Coloque la máscara facial o pieza de nariz correctamente en el sujeto para asegurar que el aire sopla en las fosas nasales. Coloque el sensor respiratorio enEl pecho o el abdomen. Pida al sujeto que respire normalmente. Ajuste manualmente la estanqueidad y la colocación de la correa que sostiene el sensor respiratorio de acuerdo con el patrón de respiración visto en la pantalla del olfatómetro.
3. Cree una carpeta de datos para registrar los datos respiratorios en el olfatómetro. Haga clic en "Administrador de archivos", ingrese la ID de la asignatura asignada al sujeto actual, luego "confirme" la entrada.
4. Utilice la opción de "comprobación de paradigma" para probar la sincronización del suministro de olor y la inhalación sin involucrar el suministro de estímulo y, si es necesario, ajustar manualmente el tiempo de "retardo de la válvula" para asegurar que el inicio del suministro de olor se sincroniza con la fase de inhalación del sujeto.
5. Establezca la sincronización entre la estimulación del olor y la adquisición de imágenes fMRI seleccionando el modo "trigg-in" en la unidad de control del olfatómetro.
   Nota: Esto permite que el paradigma de estimulación de olores se inicie con un disparador externo sobre el "; Gatillo en "puerto originado del sistema de MRI. Por lo tanto, el paradigma no se ejecutará hasta que se reciba el disparo externo del escáner. Tenga en cuenta qué tipo de pulso de disparo (eléctrico o de luz) que el escáner MRI envía. Puede ser necesario un convertidor de señal para conectar los dos sistemas.
6. Active el disparador respiratorio seleccionando "arranque del disparador" en la unidad de control del olfatómetro.
   Nota: Cuando se activa, el inicio de cada elemento de secuencia de paradigma se sincroniza con la inhalación. Esto puede lograrse empíricamente retrasando el suministro de olor aproximadamente la mitad de un ciclo de respiración desde el comienzo de la fase de exhalación.
7. Iniciar la adquisición de imágenes fMRI en la consola MRI; El paradigma de la estimulación del olor comenzará tan pronto como comience la adquisición de la imagen. Supervise el patrón de respiración para cualquier actividad respiratoria irregular.
   Nota: La actividad respiratoria irregular puede ser en forma de mesetas, ciclos más largos yOndas erráticas. En este sentido, se utilizó una secuencia de imágenes planas echo-planares T ₂ * sensibles a la señal de BOLD para la adquisición de imágenes fMRI con tiempo de repetición de 2000 ms, tiempo de eco de 30 ms, ángulo de giro de 90º, campo de visión de 220 mm x 220 mm, 80 × 80 matriz de adquisición, 30 rodajas axiales de 4 mm de espesor y factor de aceleración de 2 para las técnicas de imágenes paralelas integradas.
8. Al completar el protocolo de imagen, mueva el sujeto fuera del imán y retire la máscara facial / pieza de nariz.

5. Limpieza del Olfactómetro

1. Apague la bomba de aire. Separar los contenedores de olor de la portadora de olor y reemplazarlos por otros limpios y vacíos.
2. Encienda la bomba de aire. Enjuague cada canal con aire inodoro durante 5 minutos para eliminar los olores residuales en la línea de aire.
3. Apague el olfatómetro.
4. Desinfecte la pieza de nariz o máscara facial con toallitas de alcohol. Enjuague la mascarilla o pieza de la nariz con agua tibia y luego seque al aire.

6. Análisis de datos

1. Para procesar los datos, cargue el archivo de datos de respiración en el software de código abierto Olfactory Network Stimulation Editing Tool (ONSET) (www.pennstatehershey.org/web/nmrlab/resources/software/onset) ¹⁵
   Nota: El software ONSET fue desarrollado por Xiaoyu Sun. Onsets de estimulación de olor basada en el momento del paradigma y la respiración rastreo será detectado automáticamente. El vector de estimulación real se define como el tiempo de inicio de cada inhalación eficaz durante el suministro de olor.
   1. Mida y compare la frecuencia respiratoria y el volumen (el área bajo cada par de inhalación y fase de exhalación) entre el olor y los períodos sin olor ¹⁵ .
      NOTA: No debe haber diferencias significativas en estos parámetros respiratorios entre el olor y los períodos sin olor.
   2. Procesar los datos fMRI con los vectores reales de inicio y duración de ONSET para la activación del olfac centralTory ¹⁵ .

Results

La figura 1 muestra la configuración de la fMRI olfativa dentro y fuera de la sala del imán, teniendo en cuenta la compatibilidad con MR. La Figura 2a muestra un paradigma estándar de tiempo fijo, mientras que la Figura 2b demuestra un paradigma en el que el "disparador de respiración" permite la sincronización del suministro de olor y la inhalación.

Discussion

Los procedimientos experimentales deben ser considerados cuidadosamente y ejecutados correctamente para la recolección de datos fiables de activación olfativa. Los pasos críticos dentro del protocolo incluyen la implementación de un paradigma impulsado por la respiración para sincronizar el suministro de olor con la adquisición de imágenes, la preparación de concentraciones adecuadas de odorantes para controlar las respuestas psicofísicas, la configuración del olfatómetro con una señal de respiración estable y estable y...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Escáner de resonancia magnética 3T	Siemens		Cualquier escáner de resonancia magnética es aceptable.
Olfatómetro	Emerging Tech Trans, LLC		Cualquier olfatómetro con capacidades similares es aceptable.
Portador de odorante de 6 canales	Emerging Tech Trans, LLC
Revólver/aplicador	Emerging Tech Trans, LLC
Tubo de PTFE	Emerging Tech Trans, LLC
Caja convertidora TTL	Emerging Tech Trans, LLC
Cinturón sensor respiratorio	Emerging Tech Trans, LLC
Aceite de	lavandaGivaudan Flavors Corporation
1,2 propanodiol	Sigma	P6209
ONSET			www.pennstatehershey.org/web/nmrlab/resources/software/onset
SPM8	Centro Wellcome Trust de Neuroimagen, University College London, Londres, Reino Unido