Une méthode FMRI à respiration libre pour étudier la fonction olfactive humaine

Summary

Nous présentons les défis techniques et les solutions pour obtenir des données fiables d'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMF) à partir du système olfactif central humain. Cela inclut des considérations spéciales dans la conception olfactive du paradigme fMRI, des descriptions de l'acquisition de données fMRI avec un olfactomètre compatible avec l'IRM, une sélection d'odorant et un outil logiciel spécial pour le post-traitement des données.

Abstract

L'étude de l'olfaction humaine est un domaine très complexe et précieux avec des applications allant de la recherche biomédicale à l'évaluation clinique. Actuellement, l'évaluation des fonctions du système olfactif central humain avec imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMF) est toujours un défi en raison de plusieurs difficultés techniques. Il existe des variables importantes à prendre en considération lorsqu'on envisage une méthode efficace pour cartographier la fonction du système olfactif central en utilisant l'IRMF, y compris la sélection appropriée des odeurs, l'interaction entre la présentation des odeurs et la respiration, et l'anticipation potentielle ou l'habituation des odorants. Une technique d'IRFF olfactif déclenchée par l'événement et activée par la respiration peut administrer avec précision des odorants pour stimuler le système olfactif tout en minimisant les interférences potentielles. Il peut effectivement capturer les signaux précis des signaux de fMRI dans le cortex olfactif primaire en utilisant notre méthode de post-traitement de données. La technique préIci fournit un moyen efficace et pratique de générer des résultats olfactifs fMRI fiables. Une telle technique peut finalement être appliquée dans le domaine clinique comme outil de diagnostic pour les maladies associées à la dégénérescence olfactive, y compris la maladie d'Alzheimer et la maladie de Parkinson, alors que nous commençons à mieux comprendre les complexités du système olfactif humain.

Introduction

Le système olfactif humain est bien plus qu'un système sensoriel car l'olfaction joue également un rôle important dans la régulation et les émotions homéostatiques. Cliniquement, le système olfactif humain est connu pour être vulnérable aux attaques de nombreuses maladies neurologiques et de troubles psychiatriques prévalents, tels que la maladie d'Alzheimer, la maladie de Parkinson, le syndrome de stress post-traumatique et la dépression ^{1 , 2 , 3 , 4 , 5} . À l'heure actuelle, l'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) avec un contraste sang-oxygène-dépendant (BOLD) est la technique la plus précieuse pour la cartographie des fonctions du cerveau humain. Une connaissance significative des fonctions spécifiques des structures olfactives centrales ( p . Ex . Cortex piriforme, cortex orbitofrontal, amygdale et cortex insulaire) a été acquise avec cette technologieIque ^{6 , 7 , 8 , 9 , 10} .

L'application de l'IRMF aux études du système olfactif central humain et des maladies associées a cependant été entravée par deux obstacles majeurs: l'accouplement rapide du signal BOLD et la modulation variable par la respiration. Dans la vie quotidienne, lorsqu'ils sont exposés à une odeur pendant un certain temps, nous habitons rapidement au parfum. En effet, lorsqu'il a été étudié à l'aide d'IRMF olfactif, le signal de fMRI induit par les odeurs est rapidement atténué par l'accoutumance, ce qui pose un défi sur les modèles de paradigme de stimulation ^{8 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14} . Le signal BOLD significatif initial dans le cortex olfactif primaire ne persisteS pendant plusieurs secondes après l'apparition odorante. Par conséquent, les paradigmes olfactifs fMRI devraient éviter des stimulations prolongées ou fréquentes des odeurs dans un court laps de temps. Pour réduire l'effet d'habituation, certaines études ont tenté de présenter des odeurs alternées dans un paradigme d'IRMF. Cependant, cette approche peut compliquer l'analyse des données car chaque odorant peut être traité comme un événement de stimulation indépendant.

Un autre problème technique se pose avec la variabilité des schémas respiratoires des sujets; L'inhalation ne se synchronise pas toujours avec l'administration d'odeurs pendant un paradigme de synchronisation fixe. L'apparition et la durée de la stimulation olfactive sont modulées par la respiration de chaque individu, ce qui confond la qualité et l'analyse des données de l'IRMF. Certaines études ont tenté d'atténuer ce problème avec des indices visuels ou auditifs pour synchroniser la respiration et l'apparition odorante, mais la conformité des sujets est variable, en particulier dans la population clinique. Les activations cérébrales associées wiCes indices pourraient également compliquer l'analyse des données dans certaines applications. Ainsi, la synchronisation de l'inhalation avec une distribution odorante peut être cruciale pour les études olfactives sur l'IRFF ¹⁵ .

Une considération supplémentaire essentielle à l'IRMF olfactif, en particulier dans le processus d'analyse des données, est une sélection odorante. Trouver une concentration odorante appropriée par rapport à l'intensité perçue est important pour la quantification et la comparaison des niveaux d'activation dans le cerveau dans diverses conditions ou maladies expérimentales. La sélection de l'odorant doit également tenir compte de la valence des odeurs ou de l'agrément. Ceci est connu pour provoquer des profils temporels divergents dans l'apprentissage olfactif ^{16 , 17} . L'odeur de lavande a été choisie pour cette démonstration en partie pour cette raison. Selon le but d'une étude spécifique, différents odorants peuvent être de meilleurs choix. En outre, la stimulation du trijumeau doit être minimisée pour réduireE activation non directement liée à l'olfaction ¹⁸ .

Dans ce rapport, nous démontrons une technique fMRI pour mettre en place et exécuter un paradigme déclenché par la respiration à l'aide d'un olfactomètre dans l'environnement de résonance magnétique. Nous présentons également un outil de post-traitement qui peut diminuer certaines erreurs de synchronisation qui peuvent avoir eu lieu lors de l'acquisition de données dans le but d'améliorer encore l'analyse des données.

Protocol

Le protocole expérimental suivant a suivi les lignes directrices du Conseil d'examen institutionnel du Collège de médecine de l'Université d'État de Pennsylvanie, et le sujet humain a donné son consentement éclairé par écrit avant de participer à l'étude.

Remarque: Aux fins de la démonstration, un paradigme de stimulation de l'odeur simple en utilisant un olfactomètre compatible avec l'IRM disponible dans le commerce est présenté. Ce paradigme s'est révélé efficace pour réduire l'effet d'habituation et a produit des données fiables sur l'IRFF olfactives ¹⁵ . Certaines étapes décrites dans ce protocole peuvent être spécifiques au type d'olfactomètre utilisé. Cependant, tout type d'équipement, fabriqué à la maison ou disponible dans le commerce avec des capacités similaires, peut être utilisé de manière analogue. L'olfactomètre doit être capable de surveiller la respiration ainsi que de présenter une séquence d'odorants avec un chronométrage précis. Assurez-vous que le système de livraison d'odeurs complet (y compris leOlfactomètre) est construit avec des matériaux inerte à des produits chimiques odorants ( p . Ex . Verre et polytétrafluoroéthylène), et la voie des odeurs est lisse et étanche à l'air avec un espace mort minimal.

1. Paradigm Design

1. Créez un nouveau paradigme en spécifiant la séquence de la soupape d'écoulement sur un olfactomètre programmable.
   REMARQUE: La séquence de soupape est l'ordre et le moment de l'ouverture et de la fermeture de canaux d'air spécifiques qui contiennent différentes concentrations ou types d'odorants. Dans cette démonstration, chacune des vannes pour les six canaux a été ouverte deux fois pour un total de douze livraisons d'odeurs. Chaque fois qu'une soupape était ouverte, toutes les autres vannes étaient fermées et chaque soupape ne s'ouvrait que lorsque toutes les autres soupapes avaient déjà été ouvertes une fois.
   1. Affectez la durée pour le stimulus (l'ouverture d'un canal spécifique) ainsi que la durée pour que le canal soit fermé.
      NOTE: Dans cette démonstration, la durée de la présentation des odeurs était de 6 s, alors queLa durée de fermeture des chaînes variait de 22 s à 38 s.
   2. Réglez le nombre de répétitions pour la séquence de la soupape s'ouvre et se ferme. Ici, le nombre de répétitions est de 1.
   3. Interlelez chaque présentation odorante avec une présentation d'air inodore au même débit. Par exemple, livrer le flux d'air au sujet avec ou sans odeur à un débit de 6 L / min dans 50% d'humidité relative et la température ambiante à 22 ° C.
      NOTE: Ceci est important car les variations du flux d'air peuvent provoquer une sensation tactile.

2. Préparation de l'odorant

1. Choisissez un odorant approprié pour le paradigme de la stimulation des odeurs en considérant la valence, l'agrément, l'intensité, la familiarité et le composant trigéminique d'odeur (voir tableau 1 ).
   Note: Le tableau 1 énumère quelques odorants couramment utilisés. L'odeur de lavande a été choisie pour cette démonstration parce qu'elle a une stimulation trigéminaire minimale à faible à modéréNcentrations et est généralement perçu comme agréable et familier.
2. Choisissez un solvant approprié ( p . Ex. , Eau, huile minérale, 1,2-propanediol, éthanol) pour préparer les solutions odorantes.
   REMARQUE: Ici, le 1,2-propanediol a été utilisé comme solvant pour la préparation de la solution odorante.
3. Choisissez une bonne concentration d'odorant pour le paradigme de stimulation des odeurs. Par exemple, l'huile de lavande diluée dans le 1,2-propanediol à une concentration de 0,10% (volume / volume) pour la stimulation olfactive ¹⁹ .
   NOTE: Cela peut être fait par une évaluation psychophysique d'une série de concentrations différentes par un groupe de sujets normaux.
4. Mettez les solutions odorantes appropriées dans les récipients odorants. Assurez-vous que tous les conteneurs ont la même quantité d'espace, la même quantité de solution et la même surface pour la solution. Par exemple, utilisez six bouteilles en verre de 300 mL comme les récipients odorants avec chaque bouteille contenant 50 ml d'une solution d'huile de lavande à 0,10%.
5. Connectez-vousLes contenants odorants aux canaux appropriés pour la livraison des odeurs.

3. Mise en place de l'olfactomètre

1. Vérifiez les connexions pour s'assurer que tous les conteneurs odorants sont correctement attachés au support odorant. Ne pas trop serrer, car cela peut endommager le joint. Une étanchéité appropriée est assurée dans une étape ultérieure en vérifiant le débit d'air dans chaque contenant odorant.
2. Placez le support odorant dans la chambre magnétique et connectez chaque tube à l'olfactomètre en dehors de la pièce, car l'unité principale n'est pas compatible avec le MR. Vérifiez visuellement tous les plis dans le tube, car cela affectera le débit d'air. Le flux d'air de chaque canal sera vérifié dans une étape ultérieure.
3. Connectez solidement tous les tubes de l'olfactomètre au support odorant en faisant correspondre les nombres aux ports corrects. Pour la précision, codez les tubes, de sorte que le rose pour le canal 1, le bleu pour le canal 2, etc.
4. Assurez-vous que le flux d'air à travers tous les canaux est cohérent en fixant un débitMètre à l'extrémité de sortie du tube. Ouvrez manuellement chaque canal sur le panneau de commande de l'olfactomètre, ajustez le flux d'air total ainsi que les débits de chaque canal et la ligne de chasse jusqu'à ce que le débit de chaque canal soit cohérent.
5. Connectez le masque facial ou le nez au support odorant avec un tube de polytétrafluoroéthylène (PTFE). Assurez-vous que le débit d'air ( par exemple , 6 L / min) délivré au sujet est cohérent lorsque les canaux sont commutés.
6. Connectez le déclencheur radiofréquence du système IRM au port "déclencheur" sur l'olfactomètre pour synchroniser le paradigme de stimulation des odeurs et l'acquisition d'image fMRI. Un convertisseur de signal optique-électrique peut être nécessaire.
7. Réglez le débit total d'air et les débits pour chaque canal et la ligne de chasse sur les montants conçus. Par exemple, un débit d'air total de 6 L / min et les débits pour chaque canal et la ligne de chasse d'eau sont de 3 L / min.
8. Raccorder le sens respiratoire pneumatiqueR dans le port de réponse de l'olfactomètre via le convertisseur de signal pneumatique-électrique.
9. Si une réponse subjective est nécessaire, connectez le pad de réponse pneumatique au port de réponse de l'olfactomètre via le convertisseur de signal pneumatique-électrique.

4. Procédure expérimentale

1. Effectuer un pré-dépistage pour s'assurer que la procédure d'IRM est sûre pour le sujet.
   1. Demandez au sujet de l'histoire médicale, y compris les implants potentiels, la claustrophobie ou d'autres conditions préexistantes qui peuvent entraver la capacité du sujet à participer en toute sécurité à l'étude de l'IRMF. En outre, effectuez un test de seuil d'odeur des odorants pour s'assurer que le sujet puisse sentir les odorants pendant l'expérience.
2. Demandez au sujet de se situer en position couchée sur le lit d'examen IRM. Placez le masque facial ou le morceau de nez correctement sur le sujet afin de s'assurer que l'air souffle dans les narines. Placez le capteur respiratoire sur soit tLe coffre ou l'abdomen. Demandez au sujet de respirer normalement. Régler manuellement l'étanchéité et le placement de la courroie tenant le capteur respiratoire en fonction du schéma de respiration observé sur l'affichage de l'olfactomètre.
3. Créez un dossier de données pour enregistrer les données respiratoires dans l'olfactomètre. Cliquez sur "gestionnaire de fichiers", entrez l'ID de sujet assignée au sujet actuel, puis "confirmez" l'entrée.
4. Utilisez l'option «contrôle par paradigme» pour tester la synchronisation de la distribution d'odeurs et de l'inhalation sans impliquer la délivrance de stimulus et, si nécessaire, ajuster manuellement le délai de «retournement de soupape» pour s'assurer que le début de la livraison d'odeur est synchronisé avec la phase d'inhalation du sujet.
5. Réglez la synchronisation entre la stimulation des odeurs et l'acquisition d'image fMRI en sélectionnant le mode "trigg-in" sur l'unité de commande de l'olfactomètre.
   Remarque: Cela permet de démarrer le paradigme de stimulation des odeurs avec un déclencheur externe sur le "; Déclencher en "port provenant du système d'IRM. Ainsi, le paradigme ne fonctionnera pas tant que le déclencheur externe du scanner n'est pas reçu. Notez quel type de impulsion de déclenchement (électrique ou lumineuse) que le scanner MRI envoie. Un convertisseur de signal peut être nécessaire pour relier les deux systèmes.
6. Activez le déclencheur respiratoire en sélectionnant "resp trigger start" sur l'unité de commande de l'olfactomètre.
   Remarque: Lorsqu'il est activé, le début de chaque élément de séquence de paradigme est synchronisé avec l'inhalation. Ceci peut être obtenu de manière empirique en retardant la livraison d'odeurs environ la moitié d'un cycle de respiration dès le début de la phase d'expiration.
7. Démarrez l'acquisition d'image fMRI sur la console MRI; Le paradigme de stimulation des odeurs débutera dès l'acquisition de l'image. Surveiller le modèle de respiration pour toute activité respiratoire irrégulière.
   Remarque: L'activité respiratoire irrégulière peut se présenter sous la forme de plateaux, de cycles plus larges et plus longs, ouOndes erratiques. Ici, une séquence _T2 * pondérées en imagerie écho-planaire signal sensible BOLD a été utilisé pour l' acquisition d'images IRMf avec 2.000 ms temps de répétition, le temps d' écho de 30 ms, 90 ° angle de bascule, 220 mm x champ de 220 mm de vue, 80 × 80 matrice d'acquisition, 30 tranches axiales de 4 mm d'épaisseur et facteur d'accélération de 2 pour les techniques intégrées d'imagerie parallèle.
8. À la fin du protocole d'image, déplacez le sujet hors de l'aimant et enlevez le masque facial / nez.

5. Nettoyage d'olfactomètres

1. Éteignez la pompe à air. Détachez les conteneurs odorants du support odorant et remplacez-les par des produits propres et vides.
2. Mise sous tension de la pompe à air. Rincer chaque canal avec de l'air inodore pendant 5 minutes pour éliminer les odorants résiduels dans la ligne d'air.
3. Arrêtez l'olfatomètre.
4. Désinfectez le nez ou le masque facial avec des lingettes d'alcool. Rincez le masque facial ou le nez avec de l'eau chaude puis séchez à l'air.

6. Analyse des données

1. Pour traiter les données, chargez le fichier de données de respiration sur le logiciel open source Olfactory Network Stimulation Editing Tool (ONSET) (www.pennstatehershey.org/web/nmrlab/resources/software/onset) ¹⁵
   Remarque: Le logiciel ONSET a été développé par Xiaoyu Sun. On peut détecter automatiquement les engins de stimulation des odeurs basés sur le calendrier de la trajectoire de paradigme et de respiration. Le vecteur de stimulation réel est défini comme l'heure de début de chaque inhalation efficace pendant l'administration d'odeur.
   1. Mesurez et comparez le taux de respiration et le volume (la zone sous chaque paire de phase d'inhalation et d'expiration) entre les températures odorantes et inodores ¹⁵ .
      NOTE: Il ne devrait pas y avoir de différence significative dans ces paramètres respiratoires entre l'odeur et les périodes inodores.
   2. Traiter les données fMRI avec les vecteurs de début et de durée réels de ONSET pour l'activation de l'olfac centralSystème public ¹⁵ .

Results

La figure 1 démontre la mise en place de fMRI olfactif à l'intérieur et à l'extérieur de la salle magnétique, en tenant compte de la compatibilité MR. La figure 2a démontre un paradigme de synchronisation fixe standard, tandis que la figure 2b démontre un paradigme où le "déclencheur de respiration" permet la synchronisation de la distribution d'odeurs et de l'inhalation.

Discussion

Les procédures expérimentales devraient être soigneusement examinées et exécutées correctement pour la collecte de données d'activation olfactive fiables. Les étapes critiques du protocole comprennent la mise en place d'un paradigme déclenché par la respiration pour synchroniser la distribution des odeurs avec l'acquisition de l'image, préparer des concentrations appropriées d'odorants pour contrôler les réponses psychophysiques, mettre en place l'olfactomètre avec un signal de respiration stable...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Scanner IRM 3T	Siemens		Tout scanner IRM est acceptable.  ;
Olfactomètre	Emerging Tech Trans, LLC		Tout olfactomètre ayant des capacités similaires est acceptable.
Transporteur d’odorant à 6 canaux	Emerging Tech Trans, LLC
Embout nasal/applicateur	Emerging Tech Trans, LLC
Tube PTFE	Emerging Tech Trans, LLC
Boîtier de conversion TTL	Emerging Tech Trans, LLC
Ceinture de capteur respiratoire	Emerging Tech Trans, LLC
Huile de	lavandeGivaudan 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, Londres, Royaume-Uni.