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

El objetivo general de este video es presentar y explicar un método eficiente y fácilmente adaptable de fMRI para explorar de manera efectiva el mapeo del sistema olfativo humano sin interferencia de la respiración natural. Un obstáculo del uso de la resonancia magnética funcional olfativa para estudiar la activación cerebral que responde al olor y la estimulación, es la inconsistencia de la estimulación repetitiva del olor, que es causada por la asincronía de la respiración y la entrega del olor. Como se ilustra aquí, cuando la presentación del olor en un paradigma de estimulación de olores de tiempo fijo no está sincronizada con la respiración, la estimulación repetitiva del olor puede ocurrir en diferentes fases de la respiración.

Una solución a este problema es establecer un paradigma de resonancia magnética funcional olfativa desencadenada por la respiración. La recopilación efectiva de datos de fMRI olfativo se logra diseñando primero un paradigma de estimulación olfativa desencadenado por la respiración relacionada con eventos en el olfatómetro que resista la habituación y los patrones de inhalación inconsistentes. El segundo paso es preparar odorantes para la estimulación olfativa, teniendo cuidado de utilizar odorantes que minimicen la estimulación del trigémino y los efectos de habituación.

El tercer paso es configurar y ejecutar el experimento en el entorno de resonancia magnética mediante el ensamblaje del olfatómetro con la capacidad de ejecutar un paradigma activado por la respiración. El paso final es procesar los datos utilizando el programa ONSET para definir el inicio real y los vectores de duración de los estímulos. En última instancia, esta técnica tiene el potencial de facilitar una exploración y conexiones más sensibles del sistema olfativo humano.

Aquí, demostraremos cómo configurar un experimento de resonancia magnética funcional olfativa desencadenado por la respiración utilizando un olfatómetro ETT. Para crear un paradigma, asigne los canales de odorante a odorantes específicos. Hay seis canales de odorante disponibles en este sistema de olfatómetro.

Introduzca y edite la secuencia y el tiempo de apertura y cierre de estos canales. Presione el botón Configuración de paradigma en la pantalla táctil. Para ingresar o editar la secuencia de apertura y cierre de los canales de odorante, presione el botón Editar para la secuencia de válvulas.

Cuando termine, vuelva a pulsar el botón Editar para salir del modo de edición. Para ingresar o editar los parámetros de tiempo para la apertura y el cierre de los canales de odorante, presione el botón Establecer para Secuencia de tiempo. Cuando termine, vuelva a pulsar el botón Establecer para salir del modo de edición.

Después de finalizar la configuración del paradigma, presione el botón Regresar para volver a la ventana principal. En este video se demuestra un paradigma de estimulación simple del mismo odorante en la misma concentración. Cada presentación de odorante se intercala con la presentación de aire fresco.

En este paradigma, el mismo olor se presenta 12 veces. Cada vez, la presentación del odorante dura seis segundos con cantidades variables de tiempo entre las presentaciones de olor. Establezca las duraciones de Válvula abierta y Válvula cerrada, según corresponda.

En esta demostración, se prepara una concentración de aceite de lavanda. Utilizamos el aceite de lavanda debido a su mínima estimulación del trigémino y la activación de ciertas áreas del cerebro. Las concentraciones de odorante pueden variar en función del odorante seleccionado.

Elija las concentraciones en función del umbral de percepción ideal del olor. Al variar la concentración, disminuimos la probabilidad de habituación a un odorante. Para preparar las concentraciones, mezcle el aceite de lavanda con propilenglicol.

El propilenglicol es un solvente de uso común para odorantes y es estable y casi inodoro. Después de mezclar todas las soluciones como se describe en el diseño del paradigma, vierta la misma cantidad de odorantes en cada botella contenedora. Luego, coloque las botellas en el portador de odorante en el orden correcto.

Para configurar el olfatómetro en la resonancia magnética, coloque el portador de odorante en la sala de imanes junto a la máquina. Pase los tubos a través de la guía de onda para conectarlos al portador, teniendo cuidado de que el orden de los tubos coincida con el orden de conexión al olfatómetro. Para mayor facilidad, codificamos por colores nuestros tubos para que coincidan con los canales de odorante.

Encienda la máquina. Ajuste el caudal de aire principal, según sea necesario, así como los caudales individuales para el portador y la descarga. A continuación, conecte el cinturón de respiración al olfatómetro y pase el cinturón por la guía de ondas.

El cinturón registrará la actividad respiratoria del sujeto, así como la utilización del desencadenante de respiración. Lleve el sujeto a la sala de imanes y coloque la mascarilla sobre el sujeto. Cuando el sujeto esté acostado, coloque el cinturón respiratorio alrededor de su pecho o abdomen donde haya un evento de respiración clara.

Compruebe el patrón de respiración en la pantalla del olfatómetro. Si las olas se estabilizan, el cinturón está demasiado apretado y el gatillo de respiración no funcionará correctamente. Ajuste el cinturón hasta que se pueda ver un rastro completo de la respiración, ya que las señales claras de los picos de respiración son fundamentales para una ejecución exitosa de un paradigma desencadenado por la respiración.

Cree una carpeta de datos en el olfatómetro para almacenar los datos de respiración. La sincronía de la presentación del olor con la respiración debe probarse para verificar su precisión mediante el uso de la verificación de paradigma y el ajuste del tiempo de retardo del disparador, según sea necesario. Presione el botón Paradigm Check en la pantalla táctil y controle si la entrega de olores ocurre durante la fase de inhalación del ciclo de respiración.

El período de entrega de olor se resalta en el color rosa en el rastro de respiración. Si la entrega de olores comienza durante la fase de exhalación, para volver a la configuración del paradigma, ajuste el retraso del disparo en la secuencia de tiempo y luego vuelva a realizar la verificación del paradigma. Establezca el paradigma en el modo Desencadenar en modo para que la ejecución del paradigma de estimulación de olores se desencadene mediante la resonancia magnética.

A continuación, seleccione la función de inicio del activador de respiración. El paradigma ya está listo para ser ejecutado. Una vez completado el paradigma de estimulación de olores, compruebe los datos de respiración guardados en el olfatómetro.

Este archivo incluye el rastro de la respiración y la marca de tiempo de cada imagen de resonancia magnética funcional, el desencadenante de la respiración, la apertura y el cierre de cada canal de olor y la respuesta del sujeto, utilizando un dispositivo de respuesta. Se puede procesar utilizando el programa ONSET para adquirir los vectores de inicio de estimulación reales y las duraciones para el procesamiento de datos de fMRI. ONSET se puede ejecutar en la máquina virtual IDL.

Para obtener los vectores de inicio y la duración de la estimulación del olor, haga clic en Validación de la respiración. Cargue el archivo de datos de respiración que se guarda del olfatómetro y establezca los parámetros de posprocesamiento para el procesamiento ONSET. Ejecute ONSET.

Los vectores de inicio de estimulación reales, el inicio de cada inhalación durante la entrega de olor, se detectarán automáticamente en función del momento de la presentación del olor y el rastro de la respiración. Los resultados, incluidos los vectores de inicio y duración, se pueden utilizar en el procesamiento de datos de fMRI. Procese los datos de fMRI siguiendo los procedimientos estándar.

A continuación, se muestra un ejemplo de procesamiento de datos con SPM8. Utilice los números de imagen o los vectores de inicio y las duraciones en segundos desde la salida de inicio, dependiendo de la unidad de tiempo elegida para el diseño del paradigma SPM. Generar un mapa estadístico paramétrico a nivel individual ajustando el paradigma de estimulación utilizando los vectores de inicio y duración reales a los datos funcionales con la función de respuesta hemodinámica canónica.

Aquí hay un ejemplo de la activación primaria de la corteza olfativa que responde a la estimulación del olor. En contraste con el paradigma de estimulación de olores desencadenado por la respiración, por ejemplo, un paradigma de tiempo fijo que podemos ver aquí del mismo sujeto, la entrega de olores no se desencadena por la actividad de la respiración. Dado que no hay control de la respiración del sujeto, existe una variabilidad significativa en la cantidad de odorante que se inhala.

Siguiendo el procedimiento estándar para procesar estos datos de resonancia magnética funcional con el mismo umbral estadístico que el utilizado para los datos de resonancia magnética funcional anteriores desencadenados por la respiración, no se detectó una activación significativa en la corteza olfativa primaria. Sin embargo, cuando se implementa un desencadenante de respiración, la presentación del odorante siempre se sincroniza con la inhalación, lo que mejora la consistencia y la precisión de la estimulación del olor. Después de ver este video, debería tener una buena comprensión de la práctica actual de la resonancia magnética funcional olfativa utilizando un paradigma desencadenado por la respiración relacionado con eventos.

Una vez que se ha dominado la técnica demostrada en este video, se pueden aplicar más métodos de diseño y análisis del paradigma de estimulación olfativa para mapear las funciones del sistema olfativo central humano y explorar más a fondo los déficits olfativos en las enfermedades neurodegenerativas.