Summary
Presentiamo le sfide e le soluzioni tecniche per ottenere dati affidabili di risonanza magnetica (fMRI) dal sistema olfattivo centrale umano. Ciò include considerazioni particolari nel design del paradigma fMRI olfattivo, descrizioni dell'acquisizione dati fMRI con olfattometro compatibile con MRI, selezione di odori e uno speciale strumento software per la successiva elaborazione dei dati.
Abstract
Lo studio dell'olfazione umana è un campo altamente complesso e prezioso con applicazioni che vanno dalla ricerca biomedica alla valutazione clinica. Attualmente, la valutazione delle funzioni del sistema olfattivo centrale umano con la risonanza magnetica funzionale (fMRI) è ancora una sfida a causa di numerose difficoltà tecniche. Ci sono alcune variabili significative da prendere in considerazione quando si considera un metodo efficace per mappare la funzione del sistema olfattivo centrale usando la fMRI, compresa la corretta selezione di odori, l'interazione tra la presentazione dell'odore e la respirazione e la potenziale anticipazione o l'abitudine agli odoranti. Una tecnica fMRI olfattiva a trigger respiratorio può accuratamente amministrare odoranti per stimolare il sistema olfattivo, minimizzando la potenziale interferenza. Può catturare efficacemente i precisi onseti dei segnali fMRI nella corteccia olfattiva primaria usando il nostro metodo di post-elaborazione dei dati. La tecnica preTrasmesso qui fornisce un mezzo efficace e pratico per generare risultati affidabili di olfattivi fMRI. Tale tecnica può infine essere applicata nel campo clinico come strumento diagnostico per le malattie associate alla degenerazione olfattiva, tra cui la malattia di Alzheimer e di Parkinson, mentre cominciamo a comprendere ulteriormente le complessità del sistema olfattivo umano.
Introduction
Il sistema olfattivo umano è inteso come molto più di un sistema sensoriale perché l'olfatto svolge un ruolo importante nella regolazione e nelle emozioni omeostatiche. Clinicamente, il sistema olfattivo umano è noto per essere vulnerabile agli attacchi di molte malattie neurologiche prevalenti e disturbi psichiatrici, come la malattia di Alzheimer, la malattia di Parkinson, il disturbo post-traumatico e la depressione 1 , 2 , 3 , 4 , 5 . Attualmente, la funzione di risonanza magnetica funzionale (fMRI) con il contrasto a livello di sangue-ossigeno (BOLD) è la tecnica più preziosa per le funzioni di mappatura del cervello umano. Una quantità significativa di conoscenze sulle funzioni specifiche delle strutture olfattive centrali ( ad es. , Corteccia piriforme, corteccia orbitofrontale, amigdala e corteccia insulare) è stata acquisita con questa tecnicaIque 6 , 7 , 8 , 9 , 10 .
L'applicazione di fMRI a studi sul sistema olfattivo centrale umano e le malattie associate, tuttavia, è stata ostacolata da due ostacoli principali: la rapida abitudine del segnale BOLD e la modulazione variabile per respirazione. Nella vita quotidiana, quando esposti ad un odorante per un certo periodo di tempo, siamo rapidamente abituati al profumo. Infatti, quando studiato utilizzando olfactory fMRI, il segnale fMRI indotto da odori viene attenuato rapidamente da abitudine, che rappresenta una sfida sui modelli di paradigma di stimolazione 8 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 . Il segnale iniziale significativo BOLD nella corteccia olfattiva primaria persiste soloS per alcuni secondi dopo l'inizio odorante. Pertanto, i paradigmi olfattivi fMRI dovrebbero evitare prolungate o frequenti stimoli odore in un breve periodo di tempo. Per ridurre l'effetto di abitudine, alcuni studi hanno tentato di presentare odori alternanti in un paradigma fMRI. Tuttavia, questo approccio può complicare l'analisi dei dati in quanto ogni odorante può essere trattato come un evento di stimolazione indipendente.
Un altro problema tecnico si presenta con variabilità nei modelli respiratori dei soggetti; L'inalazione non è sempre sincronizzata con l'amministrazione odorante durante un paradigma a tempo determinato. L'insorgenza e la durata della stimolazione olfattiva sono modulati dalla respirazione di ogni individuo, che confonde la qualità e l'analisi dei dati fMRI. Alcuni studi hanno cercato di mitigare questo problema con indicazioni visive o uditive per sincronizzare la respirazione e l'insorgenza odorante, ma la conformità dei soggetti è variabile, soprattutto nella popolazione clinica. Le attivazioni cerebrali associate wiQuesti suggerimenti potrebbero anche complicare l'analisi dei dati in determinate applicazioni. Quindi, sincronizzare l'inalazione con la distribuzione odorante può essere cruciale per gli studi olfattivi fMRI 15 .
Un'ulteriore considerazione fondamentale per la fMRI olfattiva, specialmente nel processo di analisi dei dati, è la selezione odorosa. Trovare una appropriata concentrazione odorante rispetto all'intensità percepita è importante per quantificare e confrontare i livelli di attivazione nel cervello in varie condizioni sperimentali o malattie. La selezione di sangue deve anche tenere conto della odorosa valenza o della piacevolezza. Questo è noto per provocare divergenti profili temporali nell'apprendimento olfattivo 16 , 17 . L'odore di lavanda è stato scelto per questa manifestazione in parte per questo motivo. A seconda dello scopo di uno studio specifico, diversi odoranti possono essere scelte migliori. Inoltre, la stimolazione trigemina deve essere ridotta al minimoAttivazione non direttamente correlata all'odore 18 .
In questo rapporto, dimostriamo una tecnica fMRI per impostare ed eseguire un paradigma innescato dalla respirazione utilizzando un olfattometro nell'ambiente di risonanza magnetica. Inoltre, presentiamo uno strumento di post-elaborazione che può ridurre alcuni errori di temporizzazione che potrebbero verificarsi durante l'acquisizione dei dati nel tentativo di migliorare ulteriormente l'analisi dei dati.
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Protocol
Il seguente protocollo sperimentale seguiva le linee guida del consiglio di revisione istituzionale del Pennsylvania State University College of Medicine e il soggetto umano ha dato consenso informato scritto prima di partecipare allo studio.
Nota: allo scopo di dimostrare, viene presentato un semplice paradigma di stimolazione dell'odore utilizzando un olfattometro compatibile con MRI in commercio. Questo paradigma si è dimostrato efficace nel ridurre l'effetto di abitudine e ha prodotto dati olfattivi fMRI affidabili 15 . Alcuni passaggi descritti in questo protocollo possono essere specifici per il tipo di olfattometro utilizzato. Tuttavia, qualunque tipo di apparecchiatura, casalinga o commercialmente disponibile con funzionalità simili, può essere utilizzato in modo analogo. L'olfattometro deve essere in grado di monitorare la respirazione e presentare una sequenza di odori con una precisa tempistica. Assicurarsi che l'intero sistema di distribuzione dell'odore (compreso ilOlfattometro) è costruito con materiali inerti a sostanze chimiche odoranti ( ad es . Vetro e politetrafluoroetilene) e il percorso dell'odore è liscia e tenuta all'aria con uno spazio morto minimo.
1. Progettazione del paradigma
- Creare un nuovo paradigma specificando la sequenza della valvola di flusso dell'aria su un olfattometro programmabile.
NOTA: La sequenza della valvola è l'ordine e la tempistica dell'apertura e della chiusura di canali di aria specifici che dispongono di diverse concentrazioni o tipi di odoranti. In questa dimostrazione, ciascuna delle valvole per i sei canali è stata aperta due volte per un totale di dodici consegne odore. Ogni volta che una valvola era aperta, tutte le altre valvole erano chiuse, e tutte le valvole sono state riaperte solo dopo che tutte le altre valvole avevano già aperto una sola volta.- Assegnare la durata dello stimolo (apertura di un canale specifico) e la durata del canale da chiudere.
NOTA: In questa dimostrazione, la durata della presentazione dell'odore era di 6 s, mentreLa durata dei canali da chiudere variava da 22 s a 38 s. - Impostare il numero di ripetizioni per la sequenza di valvola che si apre e si chiude. Qui il numero di ripetizioni è 1.
- Interleave ogni presentazione odorante con una presentazione di aria inodore alla stessa portata. Ad esempio, portare il flusso d'aria al soggetto con o senza odore con una portata di 6 L / min in umidità relativa del 50% e temperatura ambiente a 22 ° C.
NOTA: questo è importante, in quanto variazioni nel flusso d'aria possono causare sensazioni tattili.
- Assegnare la durata dello stimolo (apertura di un canale specifico) e la durata del canale da chiudere.
2. Preparazione odorante
- Scegliere un odorante appropriato per il paradigma di stimolazione odore considerando la valenza odorosa, la piacevolezza, l'intensità, la familiarità e la componente trigemina (vedere tabella 1 ).
Nota: La Tabella 1 elenca alcuni odoranti comunemente utilizzati. L'odore di lavanda è stato scelto per questa dimostrazione perché ha stimolazione trigeminale minimale a basso a moderato coÈ generalmente percepita come piacevole e familiare. - Scegliere un solvente appropriato ( ad es . Acqua, olio minerale, 1,2-propandiolo, etanolo) per preparare le soluzioni odoranti.
NOTA: Qui 1,2-propandiolo è stato usato come solvente per la preparazione di soluzione odorante. - Scegli una concentrazione di odori appropriata per il paradigma di stimolazione dell'odore. Ad esempio, diluire l'olio di lavanda in 1,2-propanediol a 0,10% (volume / volume) per la stimolazione olfattiva 19 .
NOTA: Questo può essere fatto da una valutazione psicofisica di una serie di diverse concentrazioni da parte di un gruppo di soggetti normali. - Mettere le soluzioni appropriate odoranti nei contenitori odoranti. Assicurarsi che tutti i contenitori abbiano la stessa quantità di spazio, la stessa quantità di soluzione e la stessa superficie per la soluzione. Ad esempio, utilizzare sei bottiglie di vetro di 300 ml come contenitori odoranti con ciascuna bottiglia contenente 50 ml di soluzione olio di lavanda 0,10%.
- Collegare unI contenitori odoranti ai canali appropriati per la consegna dell'odore.
3. Impostazione olfattometro
- Controllare i collegamenti per accertarsi che tutti i contenitori odoranti siano correttamente collegati al portadorore. Non sovraccaricare, in quanto ciò può danneggiare la guarnizione. Una stretta tenuta è assicurata in un passaggio successivo controllando il flusso d'aria attraverso ogni contenitore odorante.
- Posizionare il portadorore nella stanza magnetica e collegare ogni tubo all'olfattometro esterno, poiché l'unità principale non è compatibile con MR. Verificare visivamente che i tubi del tubo siano danneggiati, in quanto ciò influirà sul flusso d'aria. Il flusso d'aria di ciascun canale sarà controllato in un passaggio successivo.
- Collegare saldamente tutti i tubi dal olfattometro al portamento odorante associando i numeri alle porte corrette. Per precisione, codificare il colore i tubi, tali che rosa per il canale 1, blu per il canale 2, ecc .
- Assicurarsi che il flusso d'aria attraverso tutti i canali sia coerente collegando un flussoMetro alla estremità di uscita del tubo. Aprire manualmente ogni canale sul pannello di controllo dell'olfattometro, regolare il flusso totale dell'aria e le portate di ciascun canale e la linea di filo fino a che la portata di ciascun canale non sia coerente.
- Collegare la maschera o il naso con il tubo politetrafluoroetilene (PTFE). Assicurarsi che il flusso d'aria ( es . 6 L / min) consegnato al soggetto sia coerente quando i canali sono commutati.
- Collegare il trigger di radiofrequenza dal sistema MRI alla porta "trigger in" sul olfattometro per sincronizzare il paradigma di stimolazione dell'odore e l'acquisizione di immagini fMRI. Potrebbe essere necessario un convertitore di segnale ottico-elettrico.
- Regolare il flusso d'aria totale e le portate per ciascun canale e la linea di flusso alle quantità progettate. Ad esempio, un flusso d'aria totale di 6 L / min e le portate per ciascun canale e la linea di flusso a 3 L / min.
- Collegare il senso respiratorio pneumaticoR alla porta di risposta dell'olfattometro tramite la scatola convertitore pneumatico-elettrico.
- Se è necessaria una risposta soggettiva, collegare il rilievo pneumatico alla porta di risposta dell'olfattometro tramite la scatola convertitore pneumatico-elettrico.
4. Procedura sperimentale
- Eseguire una pre-screening per assicurare che la procedura MRI sia sicura per il soggetto.
- Chiedere al soggetto la storia medica, inclusi i potenziali impianti, la claustrofobia o altre condizioni preesistenti che potrebbero interferire con la capacità del soggetto di partecipare in sicurezza allo studio fMRI. Inoltre, eseguire un test di soglia di odore degli odoranti per assicurare che il soggetto possa odorare gli odoranti durante l'esperimento.
- Mettete il soggetto supino sul letto di esame MRI. Posizionare correttamente la maschera o il naso sul soggetto per assicurare l'innesco dell'aria nelle narici. Posizionare il sensore respiratorio su tPetto o addome. Chiedere al soggetto di respirare normalmente. Regolare manualmente la tenuta e il posizionamento della cintura che detiene il sensore respiratorio secondo il modello di respirazione visualizzato sul display olfattometro.
- Creare una cartella dati per registrare i dati respiratori nel olfattometro. Fare clic su "file manager", immettere l'ID soggetto assegnato al soggetto corrente, quindi "confermare" l'input.
- Utilizzare l'opzione "controllo del paradigma" per verificare la sincronizzazione dell'erogazione e dell'alimentazione senza coinvolgere la trasmissione dello stimolo e, se necessario, regolare manualmente il tempo di "ritardo della valvola" per assicurare che l'inizio della distribuzione dell'odore sia sincronizzato con la fase di inalazione del soggetto.
- Impostare la sincronizzazione tra la stimolazione odore e l'acquisizione di immagini fMRI selezionando la modalità "trigg-in" sulla centralina del olfattometro.
Nota: questo consente di avviare il paradigma di stimolazione dell'odore con un trigger esterno sulla "; Trigger in "porta originata dal sistema MRI. Così, il paradigma non funzionerà finché non viene ricevuto il trigger esterno dello scanner. Si prega di notare quale tipo di impulso di trigger (elettrico o leggero) che lo scanner MRI invia. Un convertitore di segnale può essere necessario per collegare i due sistemi. - Attivare il grilletto respiratorio selezionando "start trigger trigger" sulla centralina del olfattometro.
Nota: quando attivato, l'inizio di ogni elemento di sequenza paradigma viene sincronizzato con l'inalazione. Ciò può essere raggiunto empiricamente ritardando la distribuzione dell'odore circa la metà di un ciclo di respirazione dall'inizio della fase di espirazione. - Avviare l'acquisizione di immagini fMRI sulla console MRI; Il paradigma di stimolazione dell'odore inizierà non appena inizia l'acquisizione di immagini. Monitorare il pattern di respirazione per qualsiasi attività respiratoria irregolare.
Nota: l 'attività respiratoria irregolare può essere sotto forma di plateau, cicli più ampi e lunghi, oOnde erratiche. Qui, un segnale T-sensitive BOLD 2 * pesate echo-planare-imaging è stato utilizzato per l'acquisizione delle immagini fMRI con 2.000 ms tempo di ripetizione, 30 ms tempo di eco, angolo di 90 ° vibrazione 220 mm x 220 millimetri campo di vista, 80 × 80 matrice di acquisizione, 30 fili assiali spesse 4 mm e fattore di accelerazione pari a 2 per le tecniche di imaging integrate parallele. - Al termine del protocollo di imaging, spostare l'oggetto dal magnete e rimuovere la maschera / naso.
5. Pulpa di olfattometro
- Spegnere la pompa dell'aria. Staccare i contenitori odoranti dal portasciante e sostituirli con quelli puliti e vuoti.
- Accendere la pompa dell'aria. Lavare ogni canale con aria inodore per 5 minuti per rimuovere gli odoranti residui nella linea aria.
- Chiudi l'olfattometro.
- Disinfettare il naso o la maschera viso con salviette alcoliche. Sciacquare la maschera o il naso con acqua calda e asciugare all'aria. 6. Analisi dei dati
- Per elaborare i dati, caricare il file di dati sulla respirazione nel software open source Olfactory Network Stimulation Editing Tool (ONSET) (www.pennstatehershey.org/web/nmrlab/resources/software/onset) 15
Nota: Il software ONSET è stato sviluppato da Xiaoyu Sun. Gli onsi di stimolazione dell'odore basati sul timing del paradigma e della traccia di respirazione saranno automaticamente rilevati. Il vettore di stimolazione effettivo è definito come l'ora di inizio di ogni efficace inalazione durante la somministrazione di odori.- Misurare e confrontare il tasso di respirazione e il volume (l'area sotto ogni coppia di inalazione e fase di espirazione) tra odore e periodi inodori 15 .
NOTA: non ci dovrebbe essere alcuna differenza significativa in questi parametri respiratori tra l'odore ei periodi inodori. - Processare i dati fMRI con i vettori di onset e durata attuali da ONSET per l'attivazione dell'olfac centrale15 .
- Misurare e confrontare il tasso di respirazione e il volume (l'area sotto ogni coppia di inalazione e fase di espirazione) tra odore e periodi inodori 15 .
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Representative Results
La Figura 1 mostra la messa a punto di fMRI olfattiva all'interno e all'esterno della sala magnetica, tenendo conto della compatibilità MR. La Figura 2a mostra un paradigma di fermo temporale standard, mentre la Figura 2b mostra un paradigma in cui il "trigger di respirazione" consente la sincronizzazione della consegna dell'olfatto e dell'inalazione.
Un modello regolare di respirazione con picchi di inalazione chiari è fondamentale per l'attuazione di un paradigma accurato di respirazione. Pertanto, la regolazione del sensore di respirazione è un passo importante nella configurazione di esperimenti. La Figura 3 mostra tracce di respirazione campione quando il sensore di respirazione è stato impostato in modo errato ( Figura 3a ) e correttamente ( Figura 3b ). Se la respiraO il piatto di segnalazione respiratoria, l'olfattometro non sarà in grado di determinare con precisione il pattern di respirazione e la presentazione dell'odore non può essere sincronizzata con l'inalazione del soggetto.
Con un paradigma di stimolazione dell'odore innescato dalla respirazione, i vettori di insorgenza e durata della stimolazione dell'odore variano tra soggetti. Per analizzare i dati fMRI olfattivi, i vettori di avvio e durata effettivi possono essere determinati con ONSET e i dati fMRI possono essere elaborati secondo procedure standard con questi vettori. La figura 4 mostra una mappa di attivazione del cervello campione che risponde alla stimolazione di odori innescata dalla respirazione elaborata dal software open source SPM8 (www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm) con vettori di insorgenza e durata di odori effettivi seguendo le procedure di elaborazione standard. L'attivazione significativa dell'odore è stata rilevata nella corteccia olfattiva primaria bilaterale, a destra insuLa corteccia larga, il destro supramarginale / angolare gyrus, il nucleo del caudato sinistro e sinistra gyrus postcentrale / supramarginale (errore familiare saggiato, p <0,05, soglia di estensione = 6 voxels).
Figura 1 : Diagramma schema per la configurazione sperimentale. Gli elementi compatibili con la MRI, collocati nella sala magnetica, sono collegati alla consolle MRI e alla scatola olfattometrica alloggiata nella sala di controllo attraverso un pannello di penetrazione con una guida d'onda nella parete che separa le due stanze. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
figura 2
Figura 3 : Schemi respiratorie di esempio. (A) Un esempio di traccia respiratoria quando il sensore di respirazione non è impostato correttamente; Le forme respiratorie sovrastano e diventano irregolari. B) un regolare schema respiratorio rappresentativo registrato con un sensore di respirazione correttamente posizionato; In questo caso, le respiI modelli di razione sono coerenti con i picchi di livello e la consegna dell'odore può essere sincronizzata con l'inalazione. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 4 : Campione di attivazione cerebrale campione. Un soggetto sano ha risposto alla simulazione di odore della lavanda innescata dalla respirazione (errore familiare saggiato, p <0.05, soglia di estensione = 6 voxels). L'attivazione significativa comprende corteccia olfattiva primaria (POC, coordinate MNI x = 20, y = 6, z = -14), POC sinistra (x = -22, y = 4, z = -10), destra corteccia insulare (x = (X = -14, y = 6, z = 10), il nucleo del caudato sinistro (x = -14, y = 6, z = 10), destra supramarginale / angolare gyrus (x = 66, y = E lasciato postcentral / supramarginaL gyrus (x = -66, y = -24, z = 20). Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
| odorizzante | Odora di | Composto | Stimolazione trigeminale | Solvente |
| Acetaldeide 29 | Verde, dolce | Semplice | No | acqua |
| Ammoniaca 29 | Pungente, più pulito | Semplice | sì | acqua |
| Amil Acetato 30 | Banana, mela | Semplice | Alcuni | acqua |
| N-butanolo 31,32 | Leggermente alcolizzato Semplice | No | acqua | |
| N-butile acetato 31 | Dolce e fruttato | Semplice | sì | acqua |
| Acido butirrico 33 | Sour, rancido | Semplice | sì | acqua |
| Citral 30,33 | Limone | Semplice | Alcuni | acqua |
| Diossido di carbonio 34,35 | inodoro | Semplice | sì | N / A |
| Etile butirrato 30 | ananas | Semplice | sì | acqua |
| Eucalipto 35 | Eucalipto | Semplice | sì | etanolo |
| Eugenolo 33,36 | Clove, piccante | Semplice | No | etanolo |
Geraniol | Rosa dolce, floreale | Semplice | No | etanolo | |
| Acido Idrosulfurico 34,36 | Uova marce | Semplice | No | acqua |
| Lavanda 24,37 | Lavanda | Complesso | No | etanolo |
| Mentolo 33 | Menta piperita | Semplice | sì | etanolo |
| Metil salicilato 33 | Menta Wintergreen | Semplice | sì | etanolo |
| Patchouli 38 | Terreno bagnato | Complesso | sì | etanolo |
| 1-Propanolo 31 | Strofinando l'alcool | Semplice | sì | etanolo |
| Alcool Phenethyl 36,39 | Rosa | Semplice | No | etanolo |
| Olio di Rosmarino 38 | Rosmarino | Complesso | sì | etanolo |
| Diossido di zolfo 29 | Irritante, pungente | Semplice | sì | acqua |
| Acido valerico 33 | Formaggio rancido | Semplice | sì | acqua |
| Vanillina 29 | Vaniglia | Semplice | No | etanolo |
| Ylang Ylang 38 | Profumo floreale | Complesso | sì | etanolo |
| *** Vedere la fine del manoscritto per i riferimenti | ||||
Tabella 1: Odori comuni utilizzati negli studi olfattivi fMRI .
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Discussion
Le procedure sperimentali devono essere considerate con attenzione e eseguite correttamente per la raccolta di dati di attivazione olfattivi affidabili. I passi critici del protocollo includono l'implementazione di un paradigma innescato dalla respirazione per sincronizzare l'erogazione con l'acquisizione di immagini, la preparazione di adeguate concentrazioni di odoranti per il controllo delle risposte psicofisiche, l'impostazione dell'olfattometro con un segnale di respirazione stabile affidabile e il flusso continuo dell'aria e la respirazione post-trattamento E dati di temporizzazione dell'amministrazione dell'odore usando ONSET per regolare retrospettivamente i vettori di insorgenza dell'odore. Le variabili confuse come l'abitudine, la risposta psicofisica e le forme di respirazione devono essere prese in considerazione quando si progetta un paradigma e analizza i dati. Quando un soggetto è esposto a odore prolungato, l'attivazione della corteccia olfattiva primaria diminuisce in pochi secondi dall'esposizione, rendendo necessaria l'utilizzo di un paradigma correlato all'evento con una sequenza di brevi amministrazioniDi odoranti. Il colpo deve anche essere monitorato da vicino perché potrebbe indurre l'attivazione nella corteccia piriforme anche senza odore 8 . La cosa più importante, la respirazione è una grande variabile confondente se non è sincronizzata con l'odorante somministrazione. Abbiamo mostrato che la sincronizzazione dell'insorgenza di inalazione e odore con un paradigma innescato dalla respirazione produce un'attivazione più affidabile 15 .
Il problema più comune con il metodo fMRI a respirazione libera è la cattiva sincronizzazione tra l'evento di erogazione e inalazione, che può essere causato da tre imperfezioni nella configurazione sperimentale. In primo luogo, e più comunemente, il sensore di respirazione non è impostato correttamente. Quando la cintura del petto è troppo stretto, il segnale di respirazione sarà piatto, che causerà una cattiva sincronizzazione. In secondo luogo, il tempo di "ritardo della valvola" non è ben calibrato, il che può causare la dispersione dell'odore troppo presto o troppo tardi nel ciclo della respirazionecle. In terzo luogo, il pattern di respirazione del soggetto non è coerente dopo la calibrazione del tempo di ritardo della valvola. Pertanto, è importante una formazione di pre-scansione per il soggetto a respirare normalmente nel magnete e un monitoraggio stretto del modello di respirazione durante la scansione fMRI.
È importante considerare l'intensità, la valenza e la stimolazione trigeminale quando si selezionano gli odori per lo studio, poiché queste variabili possono causare diversi tipi di risposte psicofisiche e attivazione fMRI associata. Ad esempio, un'intensità debole può provocare una tendenza a sniffare, mentre una forte intensità può causare una respirazione involontaria o una più rapida abitudine. Anche l'intensità dell'odore è correlata all'attivazione nel cervello 20 . Un paradigma alternativo consisteva di quattro concentrazioni di lavanda presentate in intensità crescente durante l'esperimento, che riducono efficacemente l'abitudine 21 . La valenza di un'odoraNt attiva anche diverse regioni del cervello, che devono essere prese in considerazione per l'interpretazione dei dati 22 . Ad esempio, uno studio ha dimostrato profili temporali divergenti attraverso la valenza di odore 16 . Inoltre, molti odoranti hanno gradi diversi di stimolazione trigeminale, che dovrebbero essere considerati.
È importante riconoscere che questo paradigma di libera respirazione non è necessariamente adatto a tutti gli studi fMRI olfattivi. Fornisce solo un esempio per le considerazioni particolari che sono importanti per gli studi fMRI olfattivi. È inoltre importante notare che le procedure sperimentali dimostrate nella presente relazione non sono specifiche del olfattometro utilizzato. Questa apparecchiatura può essere sostituita con qualsiasi olfattometro con capacità simili. Ad esempio, l'olfattometro deve avere capacità di monitoraggio della respirazione, nonché la capacità di eseguire un paradigma innescato dalla respirazione con molteplici sorgenti di odore. additionaMentre questo esperimento è stato presentato utilizzando la lavanda, altri odoranti possono essere sostituiti dall'investigatore, anche se è importante minimizzare le variabili confondenti come la stimolazione trigeminale e la concentrazione di odori.
Questo metodo di fMRI a libera respirazione mira a rimuovere il precondizionamento del sistema olfattivo centrale e ridurre l'incoerenza tra eventi ripetitivi di stimolazione odore. Il precondizionamento del sistema olfattivo centrale può variare da soggetto a soggetto, che può causare variazioni di attivazione nelle strutture olfattive primarie. La coerenza degli eventi ripetitivi, ad esempio gli stimoli di odore per attivare l'impianto di olfattivo centrale, è fondamentale per la corretta esecuzione di protocolli fMRI correlati all'evento. Inoltre, con la tecnica di respirazione libera, non ci possono essere segnali o compiti per i soggetti durante l'esecuzione di paradigmi olfattivi fMRI. Poiché richiede sforzo minimo dall'argomento durante il funzionamentoL'acquisizione di dati, può diventare uno strumento prezioso per studiare i deficit olfattivi in alcuni disturbi e malattie neurodegenerative popolari, ad esempio la malattia di Alzheimer.
Studi recenti hanno utilizzato olfattivo fMRI per esplorare i pattern di attivazione del cervello nei disturbi neurodegenerativi. I disordini olfattivi nei disturbi neurodegenerativi, in particolare la malattia di Alzheimer e la malattia di Parkinson, comprendono difficoltà di rilevazione od odore, riconoscimento e identificazione 3 , 23 . Tuttavia, mentre i deficit olfattivi sono un indicatore distinto nelle prime fasi dell'insorgenza di malattie, la perdita di funzione olfattiva spesso va inosservata o viene attribuita alla normale diminuzione dell'età 1 , 23 . Pertanto, è importante esplorare ulteriormente i diversi modelli di attivazione associati alla disfunzione olfattiva in tali malattie per diagnosticare meglioOrecchio presto. Nella malattia di Alzheimer, i pattern di attivazione sono significativamente ridotti nella corteccia olfattiva primaria, così come l'ippocampo e l'insula rispetto ai controlli sani e adatti all'età 24 . Inoltre, i ricercatori hanno scoperto che nei pazienti affetti da Parkinson, l'amigdala e il talamo mostrano una minore attivazione rispetto ai controlli sani, mentre l'attivazione più elevata si osserva in aree come il gyrus frontale inferiore sinistro rispetto ai controlli 2 . Ulteriori studi dimostrano l'iperattivazione nei cortici piriformi e orbitofrontali nei pazienti affetti da Parkinson 25 . Tali pattern di attivazione distinti sembrano estendersi oltre la patologia strutturale, dimostrando così l'importanza dell'acquisizione funzionale di dati nella comprensione e nella diagnosi di disturbi neurodegenerativi e che necessitano di innovazioni nell'accuratezza e nella sensibilità dell'MMR olfattivo.
Per questo motivo, ulteriori stuMuore sul sistema olfattivo umano con fMRI può avere un potenziale per sviluppare un biomarker per la diagnosi precoce delle malattie neurodegenerative. Infatti, gli studi stanno già progredendo, compresa la dimostrazione della sensibilità ai livelli di attivazione tra il normale invecchiamento e i pazienti affetti da Alzheimer 24 , 26 . Uno di questi studi ha dimostrato che la distruzione della rete neurale è spesso rilevabile anche prima che i deficit cognitivi si presentino in alcune malattie neurodegenerative 27 . Ciò sottolinea ulteriormente l'importanza dell'indagine olfattiva fMRI come strumento potenziale per la diagnosi precoce di tali malattie. L'evidenza suggerisce anche l'esistenza di cambiamenti di elaborazione di rete olfattiva su larga scala nella malattia di Alzheimer, oltre ai cambiamenti osservati in specifiche regioni olfattive, sottolineando l'importanza di ulteriori esplorazioni nella connettività funzionale dell'olfatto 28. SensL'efficacia dei livelli di attivazione olfattiva come biomarker dipende dalla sensibilità alla stimolazione odore e alla riproducibilità sperimentale, che evidenzia l'importanza dell'affidabilità nel mappare il sistema olfattivo. Considerati insieme, l'esempio illustrato in questo documento fornisce una panoramica dei modi in cui l'olfattivo fMRI può essere efficacemente usato per comprendere le complessità del sistema olfattivo centrale e l'importanza clinica di questa comprensione.
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Disclosures
Gli autori non hanno niente da rivelare.
Acknowledgments
Gli autori non hanno alcun riconoscimento.
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).
