Summary
Vi presenterar tekniska utmaningar och lösningar för att erhålla pålitlig funktionell magnetisk resonansbildningsdata (fMRI) från det mänskliga centrala olfaktoriska systemet. Detta inkluderar speciella överväganden i olfaktorisk fMRI-paradigmdesign, beskrivningar av fMRI-datainsamling med en MRI-kompatibel olfaktometer, luktarval och ett specialverktyg för datapostbehandling.
Abstract
Studien av mänsklig olfaction är ett mycket komplext och värdefullt fält med tillämpningar från biomedicinsk forskning till klinisk utvärdering. För närvarande är utvärdering av funktionerna hos det mänskliga centrala luktfyllda systemet med funktionell magnetisk resonansavbildning (fMRI) fortfarande en utmaning på grund av flera tekniska svårigheter. Det finns några signifikanta variabler att ta hänsyn till när man överväger en effektiv metod för att kartlägga funktionen hos det centrala olfaktoriska systemet med användning av fMRI, inklusive lämpligt luktämneval, interaktionen mellan luktpresentation och andning och potentiell förväntan på eller upptagning av luktämnen. En händelsesrelaterad, respirationsutlösad olfaktorisk fMRI-teknik kan noggrant administrera luktämnen för att stimulera det olfaktiva systemet samtidigt som potentiell störning minimeras. Det kan effektivt fånga de exakta startarna av fMRI-signalerna i den primära luktskärmen med hjälp av vår databehandling. Tekniken föreSkickad här ger ett effektivt och praktiskt sätt för att generera tillförlitliga olfaktoriska fMRI-resultat. En sådan teknik kan i slutändan appliceras i det kliniska riket som ett diagnostiskt verktyg för sjukdomar förknippade med olfaktorisk degenerering, inklusive Alzheimers och Parkinsons sjukdom, då vi börjar förstå komplexiteten hos det mänskliga olfaktoriska systemet.
Introduction
Det mänskliga olfaktoriska systemet är uppfattat som mycket mer än ett sensoriskt system, eftersom olfaction också spelar en viktig roll i homeostatisk reglering och känslor. Kliniskt är det mänskliga olfaktoriska systemet känt att vara sårbart för attacker av många framträdande neurologiska sjukdomar och psykiatriska störningar, såsom Alzheimers sjukdom, Parkinsons sjukdom, posttraumatisk stressstörning och depression 1 , 2 , 3 , 4 , 5 . För närvarande är funktionell magnetisk resonansavbildning (fMRI) med blodsubstansberoende (BOLD) kontrast den mest värdefulla tekniken för kartläggning av den mänskliga hjärnans funktioner. En betydande mängd kunskaper om specifika funktioner hos centrala olfaktoriska strukturer ( t.ex. piriform cortex, orbitofrontal cortex, amygdala och insulär cortex) har förvärvats med denna teknikIque 6 , 7 , 8 , 9 , 10 .
Tillämpningen av fMRI på studier av det centrala centrala nervsystemet och tillhörande sjukdomar har emellertid hindrats av två stora hinder: snabb utnyttjande av BOLD-signalen och variabel modulering genom andning. I vardagen, när vi utsätts för en luktare under en tidsperiod, kommer vi snabbt till doften. Faktum är att när den studeras med hjälp av olfaktorisk fMRI, dämpas den luktinducerade fMRI-signalen snabbt genom att bli upptagen, vilket utgör en utmaning på stimuleringsmodellmönster 8 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 . Den initiala signifikanta BOLD-signalen i den primära olfaktiska cortexen kvarstår baraS i flera sekunder efter luktans början. Därför bör olfaktoriska fMRI-paradigmer undvika långvariga eller frekventa luktstimuleringar på kort tid. För att minska habitueringseffekten har vissa studier försökt presentera alternerande lukt i ett fMRI-paradigm. Detta tillvägagångssätt kan emellertid komplicera dataanalys eftersom varje luktämne kan behandlas som en självständig stimuleringshändelse.
Ett annat tekniskt problem uppstår med variation i ämnenas andningsmönster. Inhalation synkroniseras inte alltid med lukteradministration under ett fast-timingparadigm. Uppkomsten och varaktigheten av olfaktorisk stimulering moduleras av varje individs andning, vilket förknippar fMRI datakvalitet och analys. Vissa studier har försökt att mildra detta problem med visuella eller auditiva signaler för att synkronisera andning och luktuppträdande, men patienternas överensstämmelse är variabel, särskilt i den kliniska populationen. Hjärnaktiveringen associerad med wiTh dessa ledtrådar kan också komplicera dataanalys i vissa applikationer. Sålunda kan synkronisering av inhalation med luktmedlet vara avgörande för olfaktoriska fMRI-studier 15 .
En ytterligare övervägning som är avgörande för olfaktorisk fMRI, speciellt i dataanalysprocessen, är lukterval. Att hitta en lämplig luktkonsentration med avseende på uppfattad intensitet är viktig för kvantifiering och jämförelse av aktiveringsnivåer i hjärnan under olika experimentella tillstånd eller sjukdomar. Val av luktmedel måste också ta hänsyn till luktvalens eller behaglighet. Detta är känt för att orsaka divergerande tidsmässiga profiler i olfaktoriskt lärande 16 , 17 . Lavendel lukt valdes för denna demonstration delvis av denna anledning. Beroende på syftet med en specifik studie kan olika luktämnen vara bättre val. Dessutom måste trigeminastimulering minimeras för att minskaE-aktivering som inte är direkt relaterad till olfaction 18 .
I denna rapport demonstrerar vi en fMRI-teknik för att skapa och driva ett andningsutlösat paradigm med hjälp av en olfaktometer i magnetisk resonansmiljö. Vi presenterar också ett efterbehandlingsverktyg som kan minska vissa tidsfel som kan ha inträffat vid dataöverföring i syfte att ytterligare förbättra dataanalysen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Följande försöksprotokoll följde riktlinjerna för Institutional Review Board of Pennsylvania State University College of Medicine, och det mänskliga ämnet gav skriftligt informerat samtycke innan de deltog i studien.
Obs! För demonstrationens syfte presenteras ett enkelt luktstimuleringsparadigm med en kommersiellt tillgänglig, MR-kompatibel olfaktometer. Detta paradigm har visat sig vara effektivt för att minska habitueringseffekten och har producerat tillförlitlig olfaktorisk fMRI-data 15 . Vissa steg som beskrivs i detta protokoll kan vara specifika för typen av olfaktometer som används. Emellertid kan vilken typ av utrustning som helst, som är hemgjord eller kommersiellt tillgänglig med liknande egenskaper, användas på ett analogt sätt. Olfaktometern måste kunna övervaka andningen samt presentera en luktsekvens med exakt timing. Se till att hela ljuvleveranssystemet (inklusiveOlfaktometer) är byggd med material som är inerta mot luktkemikalier ( t.ex. glas och polytetrafluoretylen), och luktvägen är jämn och lufttät med minimal dödutrymme.
1. Paradigm Design
- Skapa ett nytt paradigm genom att ange luftflödesventilsekvensen på en programmerbar olfaktometer.
OBS: Ventilsekvensen är order och tidpunkt för öppnande och stängning av specifika luftkanaler som håller olika koncentrationer eller typer av luktmedel. I denna demonstration öppnades var och en av ventilerna för de sex kanalerna två gånger för totalt tolv luktleveranser. När en ventil var öppen stängdes alla andra ventiler, och varje ventil öppnades igen endast efter att alla andra ventiler redan hade öppnats en gång.- Tilldela varaktighet för stimulansen (öppnandet av en specifik kanal) samt varaktigheten för den kanal som ska stängas.
OBS! I denna demonstration var varaktigheten för luktpresentationen 6 s, medanVaraktigheten för kanalerna som ska stängas varierar från 22 s till 38 s. - Ställ in antalet repeteringar för sekvensen av ventilen öppnas och stängs. Här är antalet repetitioner 1.
- Interleave varje luktande presentation med en presentation av luktfri luft med samma flödeshastighet. Till exempel leverera luftflödet till motivet med eller utan lukt vid en flödeshastighet av 6 liter / min i 50% relativ fuktighet och rumstemperatur vid 22 ° C.
OBS: Detta är viktigt, eftersom variationer i luftflödet kan orsaka taktil känsla.
- Tilldela varaktighet för stimulansen (öppnandet av en specifik kanal) samt varaktigheten för den kanal som ska stängas.
2. Luktmedelberedning
- Välj en riktig luktämne för luktstimuleringsparadigmet genom att beakta luktvalensen, behagligheten, intensiteten, förtrogen och trigeminalkomponenten (se tabell 1 ).
Obs! Tabell 1 visar några vanliga luktämnen. Lavendel lukt valdes för denna demonstration eftersom den har minimal trigeminastimulering vid låg till måttlig koNcentrationer och uppfattas allmänt som trevligt och välbekant. - Välj ett lämpligt lösningsmedel ( t.ex. vatten, mineralolja, 1,2-propandiol, etanol) för att förbereda luktlösningarna.
OBS: Här användes 1,2-propandiol som lösningsmedel för beredning av luktmedel. - Välj en riktig luktkonsentration för luktstimuleringsparadigmet. Till exempel utspädd lavendelolja i 1,2-propandiol vid 0,10% (volym / volym) koncentration för olfaktorisk stimulering 19 .
OBS: Detta kan göras genom en psykofysisk utvärdering av en serie olika koncentrationer av en grupp normala ämnen. - Sätt rätt luktlösning i luktbehållarna. Se till att alla behållare har lika mycket utrymme, samma mängd lösning och samma ytarea för lösningen. Använd till exempel sex glasflaskor med 300 ml storlek som luktarbehållarna med varje flaska som håller 50 ml 0,10% lavendeloljelösning.
- Anslut aLl luktarbehållarna till rätt kanaler för luktleverans.
3. Olfactometer Set-up
- Kontrollera anslutningarna för att säkerställa att alla luktarbehållare är ordentligt fastsatta på luktbäraren. Krossa inte, eftersom det kan skada tätningen. Korrekt täthet säkerställs i ett senare steg genom att kontrollera luftflödet genom varje luktbehållare.
- Placera luktbäraren i magnetrummet och anslut varje rör till olfaktometern utanför rummet, eftersom huvudenheten inte är MR-kompatibel. Visuellt kontrollera eventuella kinks i röret, eftersom detta kommer att påverka luftflödet. Luftflödet för varje kanal kommer att kontrolleras i ett senare steg.
- Anslut alla slangar från olfaktometern till luktbäraren genom att matcha siffrorna till rätt port. För noggrannhet, färgkod rören, så att rosa för kanal 1, blå för kanal 2, etc.
- Kontrollera att luftflödet genom alla kanaler är konsekvent genom att fästa ett flödeMeter till utloppsänden av röret. Öppna manuellt varje kanal på olfaktometerns kontrollpanel, justera det totala luftflödet såväl som flödena för varje kanal och spollinjen tills flödeshastigheten för varje kanal är konsekvent.
- Anslut ansiktsmasken eller näsan till luktbäraren med polytetrafluoreten (PTFE) slang. Se till att luftflödet ( t.ex. 6 L / min) som levereras till motivet är konsekvent när kanalerna byts.
- Anslut radiofrekvensutlösaren från MR-systemet till "trigger in" -porten på olfaktometern för att synkronisera luktstimuleringsparadigm och fMRI-bildförvärv. En optisk-elektrisk signalomvandlare kan behövas.
- Justera totalt luftflöde och flödeshastigheter för varje kanal och spollinjen till de konstruerade mängderna. Till exempel kan ett totalt luftflöde på 6 L / min och flödeshastigheterna för varje kanal och spollinjen vara 3 L / min.
- Anslut den pneumatiska respiratoriska sensornR bältet till olfaktometerets svarport via den pneumatiska / elektriska signalkonverteringsboxen.
- Om det behövs ett subjektivt svar, anslut den pneumatiska reaktionsplattan till olfaktometerns svarport via den pneumatiska / elektriska signalkonverteringsboxen.
4. Experimentellt förfarande
- Gör en förhandsgranskning för att säkerställa att MR-proceduren är säker för ämnet.
- Fråga ämnet om medicinsk historia, inklusive potentiella implantat, klaustrofobi eller andra existerande tillstånd som kan störa motivets förmåga att säkert delta i fMRI-studien. Dessutom utföra lukttesttest av luktämnena för att säkerställa att ämnet kan lukta luktarna under experimentet.
- Låt ämnet ligga liggande på MR-undersökningsbädden. Placera ansiktsmasken eller nässtycket ordentligt på motivet för att säkerställa att luften blåser in i näsborrarna. Placera respiratoriska sensorn på antingen tHan bröst eller buk. Fråga ämnet att andas normalt. Manuell justering av täthet och placering av bältet som håller andningsgivaren i enlighet med andningsmönstret som ses på olfaktometerns display.
- Skapa en datakatalog för att registrera andningsdata i olfaktometern. Klicka på "Filhanteraren", ange ämnes-ID som är tilldelat det aktuella ämnet, och bekräfta sedan inmatningen.
- Använd alternativet "paradigmkontroll" för att testa synkroniseringen av luktleverans och inandning utan att involvera stimulansleverans och vid behov manuellt justera "ventilfördröjningstiden" för att säkerställa att ljussändningen börjar synkroniseras med patientens inandningsfas.
- Ställ in synkroniseringen mellan luktstimulering och fMRI-bildförvärv genom att välja "trig-in" -läget på olfaktometerns styrenhet.
Obs! Det här gör att luktstimuleringsparadigmet kan startas med en extern trigger över "; Utlösare i "port som härstammar från MR-systemet. Således går paradigmet inte fram tills den yttre utlösaren från skannern är mottagen. Observera vilken typ av triggerpuls (elektrisk eller ljus) som MR-scannern sänder ut. En signalomvandlare kan behövas för att länka de två systemen. - Aktivera respiratoriska utlösaren genom att välja "resp trigger start" på olfaktometerns styrenhet.
Obs! När det är aktiverat, synkroniseras början av varje paradigmsekvenselement med inandning. Detta kan uppnås empiriskt genom att fördröja luktleveransen ungefär hälften av en respirationscykel från början av utandningsfasen. - Starta fMRI-bildköpet på MR-konsolen; Luktstimuleringsparadigmet startar så snart bildförvärv startar. Övervak respirationsmönstret för oregelbunden andningsaktivitet.
OBS: Oregelbunden andningsaktivitet kan vara i form av platåer, större och längre cykler ellerOregelbundna vågor. Här, en BOLD signal känsligt T 2 * -viktade echo-planar-avbildningssekvens användes för fMRI bildförvärv med 2.000 ms repetitionstid, 30 ms ekotid, 90 ° flip-vinkel, 220 mm x 220 mm synfält, 80 × 80 förvärvsmatris, 30 4 mm tjocka axiella skivor och accelerationsfaktor 2 för integrerade parallella bildtekniker. - Vid slutförandet av bildningsprotokollet, rör motivet ut ur magneten och ta bort ansiktsmasken / näsan.
5. Olfactometer Clean-up
- Stäng av luftpumpen. Lossa luktbehållarna från luktbäraren och byt ut dem med rena, tomma.
- Sätt på luftpumpen. Spola varje kanal med luktfri luft i 5 minuter för att avlägsna resterande luktmedel i luftledningen.
- Stäng av olfaktometern.
- Desinficera näsan eller ansiktsmasken med alkoholtorkar. Skölj ansiktsmasken eller näsan med varmt vatten och lufttorka sedan. 6. Dataanalys
- För att bearbeta data, ladda andningsdatafilen till öppen källkodsprogram Olfactory Network Stimulation Editing Tool (ONSET) (www.pennstatehershey.org/web/nmrlab/resources/software/onset) 15
Obs! ONSET-mjukvaran utvecklades av Xiaoyu Sun. Påbörjande av luktstimulering baserad på tidpunkten för paradigm och andningspåverkan kommer automatiskt att detekteras. Den aktuella stimuleringsvektorn definieras som starttiden för varje effektiv inhalation under luktavgivning.- Mät och jämför andningsfrekvensen och volymen (området under varje inhalations- och utandningsfaspar) mellan lukt och luktfria perioder 15 .
OBS! Det ska inte finnas någon signifikant skillnad i dessa luftvägsparametrar mellan lukt och luktfria perioder. - Bearbeta fMRI-data med de faktiska start- och varaktighetsvektorerna från ONSET för aktivering av den centrala olfacenSystem 15 .
- Mät och jämför andningsfrekvensen och volymen (området under varje inhalations- och utandningsfaspar) mellan lukt och luktfria perioder 15 .
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Figur 1 visar uppställningen av olfaktorisk fMRI inuti och utanför magnetrummet med hänsyn till MR-kompatibilitet. Figur 2a visar ett standard fix-timing-paradigm, medan Figur 2b visar ett paradigm där "respiration trigger" möjliggör synkronisering av luktleverans och inandning.
Ett vanligt respirationsmönster med tydliga inandningstoppar är avgörande för genomförandet av ett exakt respirationsutlösat paradigm. Således är justering av andningssensorn ett viktigt steg i experimentinställningen. Figur 3 visar provluftsspår när andningsdetektorn är felaktigt inställd ( Figur 3a ) och korrekt ( Figur 3b ). Om respiraMönstret är oregelbundet eller respirationssignalplattorna, olfaktometern kan inte bestämma andningsmönstret korrekt och luktpresentationen kan inte synkroniseras med patientens inandning.
Med ett respirationsutlösat luktstimuleringsparadigm varierar start- och varaktighetsvektorerna för luktstimuleringen mellan ämnen. För att analysera olfaktoriska fMRI-data kan de faktiska start- och varaktighetsvektorerna bestämmas med ONSET, och fMRI-data kan behandlas enligt standardprocedurer med dessa vektorer. Figur 4 visar en provhjälpaktörskarta som svarar mot respirationsutlösad luktstimulering bearbetad av programvaran SPM8 med öppen källkod (www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm) med verkliga luktinställnings- och varaktighetsvektorer enligt standardbehandlingsförfaranden. Signifikant luktrelaterad aktivering detekterades i den bilaterala primära luktkroppen, högra inuLar cortex, höger supramarginal / vinkelgyrus, vänster caudatkärna och vänster postcentral / supramarginal gyrus (familjevis felkorrigerad, p <0,05, utsträckningströskel = 6 voxlar).
Figur 1 : Schematiskt diagram för experimentell inställning. MRI-kompatibla element som placeras i magnetrummet är anslutna till MR-konsolen och olfaktometerboxen inrymd i kontrollrummet genom en penetrationspanel med en vågledare i väggen som skiljer de två rummen. Vänligen klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 2
Figur 3 : Provluftsdiagram. (A) Ett exempel på andningsspår när andningssensorn inte är korrekt inställd. Andningsplattorna och blir oregelbundna. (B) Ett representativt regelbundet andningsskyddsmönster registrerat med en korrekt placerad andningsgivare; I detta fall respiRationmönster överensstämmer med nivåtoppar och luktleverans kan synkroniseras med inandning. Vänligen klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 4 : Exempel på hjärnaktiveringskarta. Ett friskt ämne svarade på andningsutlösad lavendel luktsimulering (familjevis felkorrigerad, p <0,05, utsträckningströskel = 6 voxlar). Signifikant aktivering innefattar rätt primärlumfektorkortex (POC, MNI-koordinater x = 20, y = 6, z = -14), vänster POC (x = -22, y = 4, z = -10) 46, y = 20, z = -10), höger supramarginal / vinkelgyrus (x = 66, y = -48, z = 28), vänster caudatkärna (x = -14, y = 6, z = 10) Och vänster postcentral / supramarginaL gyrus (x = -66, y = -24, z = 20). Vänligen klicka här för att se en större version av denna figur.
| luktämne | Luktar som | Förening | Trigeminal stimulering | Lösningsmedel |
| Acetaldehyd 29 | Grön, söt | Enkel | Nej | Vatten |
| Ammoniak 29 | Skarp, renare | Enkel | Ja | Vatten |
| Amylacetat 30 | Banan, äpple | Enkel | Några | Vatten |
| N- butanol 31,32 | Mjög alkoholisk Enkel | Nej | Vatten | |
| N-butylacetat 31 | Söt och fruktig | Enkel | Ja | Vatten |
| Smörsyra 33 | Sur, rancid | Enkel | Ja | Vatten |
| Citral 30,33 | Citron | Enkel | Några | Vatten |
| Koldioxid 34,35 | Luktfri | Enkel | Ja | N / A |
| Etylbutyrat 30 | Ananas | Enkel | Ja | Vatten |
| Eucalyptol 35 | Eukalyptus | Enkel | Ja | Etanol |
| Eugenol 33,36 | Kotlett, kryddigt | Enkel | Nej | Etanol |
geraniol | Söt ros, blommig | Enkel | Nej | Etanol | |
| Hydrosvavelsyra 34,36 | Ruttna ägg | Enkel | Nej | Vatten |
| Lavendel 24,37 | Lavendel | Komplex | Nej | Etanol |
| Menthol 33 | pepparmynta | Enkel | Ja | Etanol |
| Metylsalicylat 33 | Wintergreen mint | Enkel | Ja | Etanol |
| Patchouli 38 | Våt mark | Komplex | Ja | Etanol |
| 1-propanol 31 | Rengöringssprit | Enkel | Ja | Etanol |
| Fenetylalkohol 36,39 | Reste sig | Enkel | No | Etanol |
| Rosemary Oil 38 | Rosmarin | Komplex | Ja | Etanol |
| Svaveldioxid 29 | Irriterande, skarp | Enkel | Ja | Vatten |
| Valerinsyra 33 | Rancid ost | Enkel | Ja | Vatten |
| Vanillin 29 | Vanilj | Enkel | Nej | Etanol |
| Ylang Ylang 38 | Blom parfym | Komplex | Ja | Etanol |
| *** Se slutet av manuskriptet för referenser | ||||
Tabell 1: Vanliga luktämnen som används i olfaktoriska fMRI-studier .
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Experimentella förfaranden bör övervägas noggrant och exekveras korrekt för insamling av tillförlitliga olfaktoriska aktiveringsdata. De kritiska stegen inom protokollet innefattar att implementera ett respirationsutlösat paradigm för att synkronisera luktleverans med bildförvärv, förbereda lämpliga koncentrationer av luktmedel för att styra psykofysiska svar, ställa in olfaktometern med tillförlitlig stabil andningssignal och konstant luftflöde och efterbehandlingens andning Och luktadministrations timingdata med ONSET för att retroaktivt justera luktinställningsvektorerna. Konfliktvariabler, såsom omvårdnad, psykofysisk respons och andningsmönster måste beaktas vid utformning av ett paradigm och analys av data. När ett ämne utsätts för långvarig lukt minskar aktiveringen av den primära olfaktoriska cortexen inom några sekunder av exponeringen vilket gör det nödvändigt att använda ett händelsesrelaterat paradigm med en rad korta administrationerAv luktämnen. Sniffing bör också övervakas noggrant eftersom det kan inducera aktivering i piriform cortex även utan lukt 8 . Viktigast är andning en stor konfounderingsvariabel om den inte synkroniseras med luktantadministration. Vi har visat att synkroniseringen av inandning och luktuppträdande med ett respirationsutlösat paradigm ger mer tillförlitlig aktivering 15 .
Det vanligaste problemet med fMRI-metoden med fritt andning är den dåliga synkroniseringen mellan lukleverans och inandning, vilket kan orsakas av tre felaktigheter vid experimentell inställning. För det första, och oftast är andningssensorn inte korrekt inställd. När bröstbältet är för hårt, kommer andningssignalen att vara platå, vilket medför dålig synkronisering. För det andra är "ventilfördröjningstiden" inte välkalibrerad, vilket kan orsaka att lukttillförseln är för tidig eller för sent i respirationscykelncle. För det tredje är ämnets andningsmönster inte konsekvent efter kalibrering av "ventilfördröjning" -tid. Således är en förskanningsutbildning för patienten att andas normalt i magneten och en noggrann övervakning av andningsmönstret under fMRI-skanningen viktigt.
Det är viktigt att överväga intensitet, valens och trigeminastimulering vid val av luktämnen för studien, eftersom dessa variabler kan orsaka olika typer av psykofysiska svar och associerad fMRI-aktivering. Till exempel kan en svag intensitet orsaka en tendens att sniffa, medan en stark intensitet kan orsaka ofrivilligt andetagshållning eller snabbare uppkomst. Luktintensitet visar sig också vara korrelerad med aktivering i hjärnan 20 . Ett alternativt paradigm bestod av fyra koncentrationer av lavendel som presenterades i ökande intensitet under experimentet, vilket effektivt reducerade förhållandet 21 . Valansen av en odoraNt aktiverar också olika delar av hjärnan, vilket måste beaktas för datatolkning 22 . En studie visade exempelvis divergerande temporala profiler genom luktvalens 16 . Dessutom har många luktmedel varierande grader av trigeminalt stimulering, vilket bör övervägas.
Det är viktigt att erkänna att detta paradigm för fritt andning inte nödvändigtvis är lämpligt för alla olfaktoriska fMRI-studier. Det ger endast ett exempel på speciella överväganden som är viktiga för olfaktoriska fMRI-studier. Det är också viktigt att notera att de experimentella procedurer som visas i denna rapport inte är specifika för den använda olfaktometern. Denna utrustning kan ersättas med någon olfaktometer med liknande egenskaper. Till exempel måste olfaktometern ha respirationsövervakningsförmåga, liksom förmågan att utföra ett andningsutlösat paradigm med flera luktkällor. Ytterligare bekvämligheterLly, medan detta experiment presenterades med lavendel, kan andra luktämnen ersättas av utredaren, fastän det är viktigt att minimera konfronterande variabler, såsom trigeminastimulering och luktantkoncentration.
Denna fritt andnings-fMRI-metod syftar till att avlägsna förkonditioneringen av det centrala olfaktoriska systemet och minska inkonsekvensen bland upprepade händelser av luktstimulering. Förkonditioneringen av det centrala olfaktoriska systemet kan variera från individ till ämne, vilket kan orsaka variationer av aktivering i de primära luktstrukturerna. Konsistensen av de repetitiva händelserna, t ex luktstimuler för att utlösa aktiveringen av centrala olfaktoriska system, är avgörande för framgångsrikt utförande av händelsesrelaterade fMRI-protokoll. Dessutom kan med fritt andningsteknik det inte finnas några signaler eller uppgifter för ämnena under utförandet av olfaktoriska fMRI-paradigmer. Eftersom det kräver minimal ansträngning från ämnet under funktionellDatainsamling, kan det bli ett värdefullt verktyg för att studera olfaktoriska underskott i några populära neurodegenerativa störningar och sjukdomar, t ex Alzheimers sjukdom.
Nya studier har använt olfaktorisk fMRI för att utforska hjärnaktiveringsmönstren i neurodegenerativa störningar. Olfaktoriska underskott i neurodegenerativa störningar, särskilt Alzheimers sjukdom och Parkinsons sjukdom, innefattar svårighet med luktdetektering, igenkänning och identifiering 3 , 23 . Men medan olfaktoriska underskott är en distinkt indikator i de tidigaste skeden av sjukdomsutbrott, går förlusten av luktfunktionen ofta obemärkt eller hänför sig till normal åldersrelaterad nedgång 1 , 23 . Därför är det viktigt att vidare utforska de distinkta aktiveringsmönstren som hör samman med olfaktorisk dysfunktion i sådana sjukdomar för att bättre diagnostisera tHem tidigt. I Alzheimers sjukdom minskar aktiveringsmönstret signifikant i den primära olfaktiva cortexen, liksom hippocampus och insula jämfört med friska, åldersmatchade kontroller 24 . Dessutom har forskare funnit att patienter med Parkinsons sjukdom visar amygdala och talamus mindre aktivering än i friska kontroller, medan högre aktivering ses i områden som den vänstra, underlägsna frontala gyrus jämfört med kontroller 2 . Ytterligare studier visar hyperaktivering i piriform och orbitofrontala kortikoner hos patienter med Parkinsons sjukdom 25 . Sådana distinkta aktiveringsmönster verkar sträcka sig bortom strukturell patologi och på så sätt bevisa vikten av funktionellt datainsamling vid förståelse och diagnostisering av neurodegenerativa störningar och nödvändiggörande av innovationer i olfaktorisk fMRIs noggrannhet och känslighet.
Av denna anledning, ytterligare stuDör på det mänskliga olfaktoriska systemet med fMRI kan ha potential att utveckla en biomarkör för tidig diagnos för neurodegenerativa sjukdomar. Faktum är att studier redan utvecklas, inklusive demonstration av känslighet för aktiveringsnivåer mellan normal åldrande och Alzheimers sjukdomspatienter 24 , 26 . En sådan studie visade att förstörelse av det neurala nätverket ofta är detekterbart även innan kognitiva underskott presenterar sig i vissa neurodegenerativa sjukdomar 27 . Detta belyser vidare vikten av olfaktorisk fMRI-undersökning som ett potentiellt verktyg för tidigare diagnos av sådana sjukdomar. Bevis föreslår också förekomsten av storskaliga olfaktoriska nätverksbearbetningsändringar i Alzheimers sjukdom utöver de förändringar som ses i specifika olfaktoriska regioner och betonar vikten av ytterligare undersökning av funktionell anslutning av olfaction 28 . SensDetektiviteten hos luktaktiva aktiveringsnivåer som biomarkör är beroende av lukthöjning och experimentell reproducerbarhet, vilket framhäver betydelsen av tillförlitlighet vid kartläggning av luktsystemet. Sammanfattningsvis ger det exemplar som presenteras i detta dokument en inblick i de sätt på vilka olfaktorisk fMRI effektivt kan användas för att förstå komplexiteten hos det centrala olfaktoriska systemet och den kliniska betydelsen av denna förståelse.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna har ingenting att avslöja.
Acknowledgments
Författarna har inga bekräftelser.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 3T MR scanner | Siemens | Any MR scanner is acceptable. | |
| Olfactometer | Emerging Tech Trans, LLC | Any olfactometer with similar capabilities is acceptable. | |
| 6-channel odorant carrier | Emerging Tech Trans, LLC | ||
| Nosepiece/applicator | Emerging Tech Trans, LLC | ||
| PTFE tubing | Emerging Tech Trans, LLC | ||
| TTL convertor box | Emerging Tech Trans, LLC | ||
| Respiratory sensor belt | Emerging Tech Trans, LLC | ||
| Lavender oil | Givaudan Flavors Corporation | ||
| 1,2 propanediol | Sigma | P6209 | |
| ONSET | www.pennstatehershey.org/web/nmrlab/resources/software/onset | ||
| SPM8 | Wellcome Trust Center for Neuroimaging, University College London, London, UK |
References
- Doty, R. L., Reyes, P. F., Gregor, T. Presence of both odor identification and detection deficits in Alzheimer's disease. Brain Res Bull. 18 (5), 597-600 (1987).
- Hummel, T., et al. Olfactory FMRI in patients with Parkinson's disease. Front Integr Neurosci. 4, 125 (2010).
- Mesholam, R. I., Moberg, P. J., Mahr, R. N., Doty, R. L. Olfaction in neurodegenerative disease: a meta-analysis of olfactory functioning in Alzheimer's and Parkinson's diseases. Arch Neurol. 55 (1), 84-90 (1998).
- Pause, B. M., Miranda, A., Göder, R., Aldenhoff, J. B., Ferstl, R. Reduced olfactory performance in patients with major depression. J Psychiatr Res. 35 (5), 271-277 (2001).
- Vasterling, J. J., Brailey, K., Sutker, P. B. Olfactory identification in combat-related posttraumatic stress disorder. J Trauma Stress. 13 (2), 241-253 (2000).
- Anderson, A. K., et al. Dissociated neural representations of intensity and valence in human olfaction. Nat Neurosci. 6 (2), 196-202 (2003).
- Gottfried, J. A., Deichmann, R., Winston, J. S., Dolan, R. J. Functional heterogeneity in human olfactory cortex: an event-related functional magnetic resonance imaging study. J Neurosci. 22 (24), 10819-10828 (2002).
- Sobel, N., et al. Sniffing and smelling: separate subsystems in the human olfactory cortex. Nature. 392 (6673), 282-286 (1998).
- Sun, X., Wang, J., Weitekamp, C. W., Yang, Q. X. A Novel Data Processing Method for Olfactory fMRI Examinations. Proc Intl Soc Mag Res Med. 18 (2010), 1161 (2010).
- Zatorre, R. J., Jones-Gotman, M., Evans, A. C., Meyer, E. Functional localization and lateralization of human olfactory cortex. Nature. 360 (6402), 339-340 (1992).
- Boley, J. C., Pontier, J. P., Smith, S., Fulbright, M. Facial changes in extraction and nonextraction patients. Angle Orthod. 68 (6), 539-546 (1998).
- Furman, J. M., Koizuka, I. Reorientation of poststimulus nystagmus in tilted humans. J Vestib Res. 4 (6), 421-428 (1994).
- Loevner, L. A., Yousem, D. M. Overlooked metastatic lesions of the occipital condyle: a missed case treasure trove. Radiographics. 17 (5), 1111-1121 (1997).
- Tabert, M. H., et al. Validation and optimization of statistical approaches for modeling odorant-induced fMRI signal changes in olfactory-related brain areas. Neuroimage. 34 (4), 1375-1390 (2007).
- Wang, J., Sun, X., Yang, Q. X. Methods for olfactory fMRI studies: Implication of respiration. Hum Brain Mapp. 35 (8), 3616-3624 (2014).
- Gottfried, J. A., O'Doherty, J., Dolan, R. J. Appetitive and aversive olfactory learning in humans studied using event-related functional magnetic resonance imaging. J Neurosci. 22 (24), 10829-10837 (2002).
- Popp, R., Sommer, M., Müller, J., Hajak, G. Olfactometry in fMRI studies: odor presentation using nasal continuous positive airway pressure. Acta Neurobiol Exp (Wars). 64 (2), 171-176 (2004).
- Wang, J., et al. Olfactory Habituation in the Human Brain. Proc Intl Soc Mag Res Med. 20, 2150 (2012).
- Grunfeld, R., et al. The responsiveness of fMRI signal to odor concentration). Proc. 27th Annual Meeting ACHEMS, , A237-A238 (2005).
- Jia, H., et al. Functional MRI of the olfactory system in conscious dogs. PLoS One. 9 (1), e86362 (2014).
- Karunanayaka, P., et al. Networks involved in olfaction and their dynamics using independent component analysis and unified structural equation modeling. Hum Brain Mapp. 35 (5), 2055-2072 (2014).
- Royet, J. P., et al. Functional neuroanatomy of different olfactory judgments. Neuroimage. 13 (3), 506-519 (2001).
- Doty, R. L. Influence of age and age-related diseases on olfactory function. Ann N Y Acad Sci. 561, 76-86 (1989).
- Wang, J., et al. Olfactory deficit detected by fMRI in early Alzheimer's disease. Brain Res. 1357, 184-194 (2010).
- Moessnang, C., et al. Altered activation patterns within the olfactory network in Parkinson's disease. Cereb Cortex. 21 (6), 1246-1253 (2011).
- Vasavada, M. M., et al. Olfactory cortex degeneration in Alzheimer's disease and mild cognitive impairment. J Alzheimers Dis. 45 (3), 947-958 (2015).
- Jacobs, H. I., Radua, J., Lückmann, H. C., Sack, A. T. Meta-analysis of functional network alterations in Alzheimer's disease: toward a network biomarker. Neurosci Biobehav Rev. 37 (5), 753-765 (2013).
- Murphy, C., Cerf-Ducastel, B., Calhoun-Haney, R., Gilbert, P. E., Ferdon, S. ERP, fMRI and functional connectivity studies of brain response to odor in normal aging and Alzheimer's disease. Chem Senses. 30 Suppl 1, i170-i171 (2005).
- Hummel, T., Kobal, G. Differences in human evoked potentials related to olfactory or trigeminal chemosensory activation. Electroen Clin Neuro. 84 (1), 84-89 (1992).
- Cerf-Ducastel, B., Murphy, C. FMRI brain activation in response to odors is reduced in primary olfactory areas of elderly subjects. Brain Res. 986 (1-2), 39-53 (2003).
- Cain, W. S. Contribution of the trigeminal nerve to perceived odor magnitude. Ann NY Acad Sci. 237, 28-34 (1974).
- Murphy, C., Gilmore, M. M., Seery, C. S., Salmon, D. P., Lasker, B. R. Olfactory thresholds are associated with degree of dementia in Alzheimer's disease. Neurobiol Aging. 11 (4), 465-469 (1990).
- Doty, R. L., Brugger, W. E., Jurs, P. C., Orndoff, M. A., Snyder, P. J., Lowry, L. D. Intranasal trigeminal stimulation from odorous volatiles: Psychometric responses from anosmic and normal humans. Physiol Behav. 20 (2), 175-185 (1978).
- Kobal, G., Hummel, T. Olfactory and intranasal trigeminal event-related potentials in anosmic patients. Laryngoscope. 108 (7), 1033-1035 (1998).
- Frasnelli, J., Lundström, J. N., Schöpf, V., Negoias, S., Hummel, T., Lepore, F. Dual processing streams in chemosensory perception. Front Hum Neurosci. 6, Article 288 (2012).
- Yousem, D. M., et al. Gender effects on odor-stimulated functional magnetic resonance imaging. Brain Res. 818 (2), 480-487 (1999).
- Koulivand, P. H., Ghadiri, M. K., Gorji, A.
- Yousem, D. M., et al. Functional MR imaging during odor stimulation: Preliminary data. Neuroradiology. 204 (3), 833-838 (1997).
- Hummel, T., Doty, R. L., Yousem, D. M. Functional MRI of intranasal chemosensory trigeminal activation. Chem Senses. 30 (suppl. 1), i205-i206 (2005).
