Un metodo fMRI a respirazione libera per studiare la funzione olfattiva umana

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.

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

1. 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.
   1. 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.
   2. Impostare il numero di ripetizioni per la sequenza di valvola che si apre e si chiude. Qui il numero di ripetizioni è 1.
   3. 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.

2. Preparazione odorante

1. 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.
2. 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.
3. 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.
4. 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%.
5. Collegare unI contenitori odoranti ai canali appropriati per la consegna dell'odore.

3. Impostazione olfattometro

1. 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.
2. 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.
3. 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 .
4. 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.
5. 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.
6. 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.
7. 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.
8. Collegare il senso respiratorio pneumaticoR alla porta di risposta dell'olfattometro tramite la scatola convertitore pneumatico-elettrico.
9. 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

1. Eseguire una pre-screening per assicurare che la procedura MRI sia sicura per il soggetto.
   1. 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.
2. 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.
3. 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.
4. 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.
5. 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.
6. 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.
7. 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.
8. Al termine del protocollo di imaging, spostare l'oggetto dal magnete e rimuovere la maschera / naso.

5. Pulpa di olfattometro

1. Spegnere la pompa dell'aria. Staccare i contenitori odoranti dal portasciante e sostituirli con quelli puliti e vuoti.
2. Accendere la pompa dell'aria. Lavare ogni canale con aria inodore per 5 minuti per rimuovere gli odoranti residui nella linea aria.
3. Chiudi l'olfattometro.
4. 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

1. 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.
   1. 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.
   2. Processare i dati fMRI con i vettori di onset e durata attuali da ONSET per l'attivazione dell'olfac centrale¹⁵ .

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.

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...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Scanner MR 3T	Siemens		Qualsiasi scanner MR è accettabile.
Olfattometro	Emerging Tech Trans, LLC		Qualsiasi olfattometro con capacità simili è accettabile.
Portaodorante a 6 canali	Emerging Tech Trans, LLC
Revolver/applicatore	Emerging Tech Trans, LLC
Tubo in PTFE	Emerging Tech Trans, LLC
Scatola di conversione TTL	Emerging Tech Trans, LLC
Cintura per sensori respiratori	Emerging Tech Trans, LLC
Olio	di lavandaGivaudan Flavors Corporation
1,2 propandiolo	Sigma	P6209
ONSET			www.pennstatehershey.org/web/nmrlab/resources/software/onset
SPM8	Wellcome Trust Center for Neuroimaging, University College London, Londra, Regno Unito