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

L'obiettivo generale di questo video è quello di presentare e spiegare un metodo efficiente e facilmente adattabile di fMRI al fine di esplorare efficacemente la mappatura del sistema olfattivo umano senza interferenze della respirazione naturale. Un ostacolo all'utilizzo della risonanza magnetica funzionale olfattiva per studiare l'attivazione cerebrale che risponde all'odore e alla stimolazione, è l'incoerenza della stimolazione ripetitiva degli odori, che è causata dall'asincronia della respirazione e dell'erogazione degli odori. Come illustrato qui, quando la presentazione dell'odore in un paradigma di stimolazione degli odori a tempo fisso non è sincronizzata con la respirazione, la stimolazione ripetitiva dell'odore può avvenire in diverse fasi della respirazione.

Una soluzione a questo problema è quella di impostare un paradigma fMRI olfattivo attivato dalla respirazione. Un'efficace raccolta di dati fMRI olfattivi si ottiene progettando prima un paradigma di stimolazione olfattiva innescata dalla respirazione correlata all'evento sull'olfattometro che resiste all'assuefazione e ai modelli di inalazione incoerenti. Il secondo passo è quello di preparare gli odorizzanti per la stimolazione olfattiva, avendo cura di utilizzare odorizzanti che minimizzino la stimolazione del trigemino e gli effetti dell'assuefazione.

Il terzo passo consiste nell'impostare ed eseguire l'esperimento nell'ambiente di risonanza magnetica assemblando l'olfattometro con la capacità di eseguire un paradigma attivato dalla respirazione. Il passaggio finale consiste nell'elaborare i dati utilizzando il programma ONSET per definire l'effettiva insorgenza e i vettori di durata degli stimoli. In definitiva, questa tecnica ha il potenziale per facilitare l'esplorazione e le connessioni più sensibili del sistema olfattivo umano.

Qui, dimostreremo come impostare un esperimento di fMRI olfattiva attivata dalla respirazione utilizzando un olfattometro ETT. Per creare un paradigma, assegna i canali degli odori a odori specifici. Ci sono sei canali odorizzanti disponibili in questo sistema olfattometrico.

Inserisci e modifica la sequenza e la temporizzazione di apertura e chiusura di questi canali. Premere il pulsante Impostazione paradigma sul touchscreen. Per inserire o modificare la sequenza di apertura e chiusura dei canali dell'odorizzante, premere il pulsante Modifica per la sequenza della valvola.

Al termine, premere nuovamente il pulsante Modifica per uscire dalla modalità di modifica. Per inserire o modificare i parametri di temporizzazione per l'apertura e la chiusura dei canali dell'odorizzante, premere il pulsante Set per la sequenza temporale. Al termine, premere nuovamente il pulsante Set per uscire dalla modalità di modifica.

Dopo aver terminato l'impostazione del paradigma, premere il pulsante Invio per tornare alla finestra principale. In questo video viene dimostrato un semplice paradigma di stimolazione dello stesso odorante nella stessa concentrazione. Ogni presentazione di odorante è intercalata con la presentazione di aria fresca.

In questo paradigma, lo stesso odore viene presentato 12 volte. Ogni volta, la presentazione dell'odorante dura sei secondi con periodi di tempo variabili tra le presentazioni dell'odore. Impostare le durate di apertura e chiusura della valvola, di conseguenza.

In questa dimostrazione viene preparata una concentrazione di olio di lavanda. Usiamo l'olio di lavanda per la sua minima stimolazione trigeminale e l'attivazione di alcune aree cerebrali. Le concentrazioni di odorizzante possono variare a seconda dell'odorizzante selezionato.

Scegliere le concentrazioni in base alla soglia di percezione ideale dell'odore. Variando la concentrazione, riduciamo la probabilità di assuefazione a un odorante. Per preparare le concentrazioni, mescolare l'olio di lavanda con il glicole propilenico.

Il glicole propilenico è un solvente comunemente usato per gli odorizzanti ed è stabile e quasi inodore. Dopo aver mescolato tutte le soluzioni come indicato nel design del paradigma, versare la stessa quantità di odoranti in ogni flacone contenitore. Quindi, attacca i flaconi al supporto dell'odorizzante nell'ordine corretto.

Per impostare l'olfattometro nella risonanza magnetica, posizionare il vettore dell'odorizzante nella stanza del magnete accanto alla macchina. Far passare i tubi attraverso la guida d'onda per collegarli al vettore, facendo attenzione che l'ordine dei tubi corrisponda all'ordine di collegamento all'olfattometro. Per facilità, codifichiamo a colori i nostri tubi in modo che corrispondano ai canali degli odori.

Accendere la macchina. Regolare il flusso d'aria principale, se necessario, nonché le singole portate per il supporto e il risciacquo. Quindi, collegare la cintura respiratoria all'olfattometro e far passare la cintura attraverso la guida d'onda.

La cintura registrerà l'attività respiratoria del soggetto, nonché l'utilizzo del grilletto della respirazione. Portare il soggetto nella stanza dei magneti e posizionare la maschera facciale sul soggetto. Quando il soggetto è sdraiato, posizionare la cintura respiratoria intorno al torace o all'addome dove c'è un chiaro evento di respirazione.

Controllare il modello di respirazione sullo schermo dell'olfattometro. Se le onde si stabilizzano, la cintura è allacciata troppo strettamente e il grilletto della respirazione non funzionerà correttamente. Regolare la cintura fino a quando non è possibile vedere una traccia di respirazione completa, poiché i segnali chiari del picco di respirazione sono fondamentali per un'esecuzione di successo di un paradigma attivato dalla respirazione.

Creare una cartella di dati sull'olfattometro per memorizzare i dati respiratori. La sincronia della presentazione dell'odore con la respirazione deve essere testata per verificarne l'accuratezza utilizzando il Paradigm Check e regolando il tempo di ritardo del trigger, se necessario. Premi il pulsante Paradigm Check sul touchscreen e monitora se l'erogazione di odori avviene durante la fase di inalazione del ciclo respiratorio.

Il periodo di erogazione dell'odore è evidenziato nel colore rosa sulla traccia di respirazione. Se l'erogazione dell'odore inizia durante la fase di espirazione, per tornare all'impostazione del paradigma, regolare il ritardo di attivazione nella sequenza temporale e quindi ripetere il controllo del paradigma. Impostare il paradigma sulla modalità Trigger In in modo che l'esecuzione del paradigma di stimolazione degli odori venga attivata dalla scansione MRI.

Quindi selezionare la funzione Trigger Start per la respirazione. Il paradigma è ora pronto per essere eseguito. Una volta completato il paradigma di stimolazione degli odori, controllare i dati di respirazione salvati nell'olfattometro.

Questo file include il tracciato respiratorio e il timestamp di ciascuna immagine MRI funzionale, l'innesco della respirazione, l'apertura e la chiusura di ciascun canale olfattivo e la risposta del soggetto, utilizzando un dispositivo di risposta. Può essere elaborato utilizzando il programma ONSET per acquisire i vettori effettivi di insorgenza della stimolazione e la durata per l'elaborazione dei dati fMRI. ONSET può essere eseguito nella macchina virtuale IDL.

Per ottenere i vettori e la durata dell'insorgenza della stimolazione degli odori, fare clic su Convalida della respirazione. Caricare il file dei dati respiratori salvato dall'olfattometro e impostare i parametri di post-elaborazione per l'elaborazione ONSET. Eseguire ONSET.

I vettori di insorgenza della stimolazione effettiva, l'inizio di ogni inalazione durante l'erogazione dell'odore, verranno rilevati automaticamente in base ai tempi di presentazione dell'odore e al tracciato respiratorio. I risultati, compresi i vettori di insorgenza e durata, possono essere utilizzati nell'elaborazione dei dati fMRI. Elaborare i dati fMRI seguendo le procedure standard.

Di seguito è riportato un esempio di elaborazione dei dati con SPM8. Utilizzare i numeri dell'immagine o i vettori di insorgenza e le durate in secondi dall'output di insorgenza, a seconda dell'unità di temporizzazione scelta per la progettazione del paradigma SPM. Generare una mappa parametrica statistica a livello individuale adattando il paradigma di stimolazione utilizzando i vettori di insorgenza e durata effettivi ai dati funzionali con la funzione di risposta emodinamica canonica.

Ecco un esempio di attivazione primaria della corteccia olfattiva che risponde alla stimolazione dell'odore. A differenza del paradigma di stimolazione degli odori innescato dalla respirazione, ad esempio, un paradigma di temporizzazione fissa che possiamo vedere qui dallo stesso soggetto, l'erogazione degli odori non è innescata dall'attività respiratoria. Poiché non c'è controllo della respirazione del soggetto, c'è una significativa variabilità nella quantità di odorante che viene inalato.

Seguendo la procedura standard per elaborare questi dati fMRI con la stessa soglia statistica utilizzata per i precedenti dati fMRI attivati dalla respirazione, non è stata rilevata alcuna attivazione significativa nella corteccia olfattiva primaria. Tuttavia, quando viene implementato un trigger respiratorio, la presentazione dell'odore è sempre sincronizzata con l'inalazione, migliorando la consistenza e l'accuratezza della stimolazione degli odori. Dopo aver visto questo video, dovresti avere una buona comprensione dell'attuale pratica della risonanza magnetica funzionale olfattiva utilizzando un paradigma attivato dalla respirazione correlata agli eventi.

Una volta padroneggiata la tecnica dimostrata in questo video, è possibile applicare ulteriori metodi di progettazione e analisi del paradigma di stimolazione olfattiva per mappare le funzioni del sistema olfattivo centrale umano e per esplorare ulteriormente i deficit olfattivi nelle malattie neurodegenerative.