ヒトの嗅覚機能を研究する自由呼吸fMRI法

Summary

我々は、人間の中心嗅覚系から信頼できる機能的磁気共鳴イメージング（fMRI）データを得るための技術的課題と解決策を提示する。これには、嗅覚fMRIパラダイム設計における特別な考慮事項、MRI適合オルファクトメーターによるfMRIデータ収集、匂い選択、およびデータ後処理のための特別なソフトウェアツールの記述が含まれる。

Abstract

ヒトの嗅覚の研究は、生物医学的研究から臨床評価までの応用分野を持つ非常に複雑で貴重な分野です。現在、機能的磁気共鳴イメージング（fMRI）を用いたヒト中心嗅覚システムの機能の評価は、いくつかの技術的困難のために依然として課題である。適切な匂い選択、匂い提示と呼吸との相互作用、および匂い物質への潜在的期待または慣れを含む、fMRIを用いた中枢嗅覚システムの機能をマッピングするための効果的な方法を検討する際に考慮すべきいくつかの重要な変数がある。事象に関連した、呼吸によって誘発される嗅覚fMRI技術は、潜在的な干渉を最小限に抑えながら臭い物質を正確に投与して嗅覚系を刺激することができる。我々のデータ後処理法を用いて、原発性嗅覚野におけるfMRI信号の正確なオンセットを効果的に捕捉することができる。テクニック・プレ信頼できる嗅覚fMRIの結果を得るための効率的で実用的な手段を提供する。そのような技術は、アルツハイマー病およびパーキンソン病を含む嗅覚変性に関連する疾患の診断ツールとして臨床領域で最終的に適用することができ、ヒトの嗅覚系の複雑さをさらに理解し始める。

Introduction

人間の嗅覚系は、嗅覚が恒常性の調節および感情においても重要な役割を果たすため、感覚系以上のものであると理解されている。臨床的には、人間の嗅覚系は、アルツハイマー病、パーキンソン病、心的外傷後ストレス障害、およびうつ病^{1、2、3、4、5}のように多くの流行の神経疾患や精神疾患の攻撃に対して脆弱であることが知られています。現在、血液酸素レベル依存性（BOLD）コントラストを有する機能的磁気共鳴イメージング（fMRI）は、人間の脳の機能をマッピングするための最も貴重な技術である。この技術により、中心嗅覚構造（ 例えば 、梨状皮質、眼窩前頭皮質、扁桃体、膵島皮質）の特定の機能に関する重要な知識が得られているIQUE ^{6、7、8、9、10。}

Protocol

以下の実験プロトコールは、ペンシルバニア州立大学医科大学のInstitutional Review Boardのガイドラインに従っており、ヒト被験者は研究に参加する前に書面による同意を得た。

注意：デモンストレーションの目的のために、市販のMRIコンパチブルオルファクトメーターを用いた簡単な臭い刺激のパラダイムを提示する。このパラダイムは習慣化効果を低下させるのに有効であることが証明されており、信頼できる嗅覚fMRIデータが得られている¹⁵ 。このプロトコルで概説されているいくつかのステップは、使用されるオルファクトメーターのタイプに特有のものであってもよい。しかし、同様の機能を備えた家庭用または市販のあらゆるタイプの機器を同様の方法で使用することができます。嗅覚計は、正確なタイミングで付臭剤のシーケンスを提示するだけでなく、呼吸を監視することができなければならない。すべての臭気伝達システム（オルファクトメーター）は、臭気物質（ 例えばガラスやポリテトラフルオロエチレン）に不活性な物質で作られており、臭いの経路は最小のデッドスペースで滑らかで気密です。

1.パラダイムデザイン

1. プログラマブルオルファクトメーターで気流バルブのシーケンスを指定することにより、新しいパラダイムを作成します。
   注記：バルブシーケンスは、さまざまな濃....

Results

図1は、MR-適合性を考慮して、磁石室の内部および外部の嗅覚fMRIのセットアップを示す。 図2aは標準的な固定タイミングパラダイムを示し、 図2bは「呼吸トリガ」が臭気の送達と吸入の同期を可能にするパラダイムを示す 。

明確な吸入ピークを有する定期的な呼吸パターンは、正確な呼吸誘発パラダイムの実施にとって不可欠である。したがって、呼吸センサの調整は、実験セットアップにおける重要なステップである。 図3は、呼吸センサーが正しく設定されていない場合（ 図3a ）、正しく（

Discussion

実験手順は、信頼できる嗅覚活性化データを収集するために慎重に検討し、適切に実施すべきである。プロトコル内の重要なステップには、臭気の伝達を画像取得と同期させるための呼吸トリガのパラダイムの実装、精神物理応答の制御のための臭気物質の適切な濃度の準備、安定した呼吸信号と一定の空気流を伴う嗅覚器の設定、 ONSETを使用して臭気開始ベクトルを遡及的に調整するための臭気管理タイミングデータを含む。パラダイムを設計し、データを分析する際には、習慣化、精神物理学的応答、呼吸パターンなどの混乱する変数を考慮する必要があります。被験者が長期間の匂いにさらされた場合、原発性嗅覚野の活性化は、曝露から数秒以内に減少し、一連の短時間の投与でイベント関連のパラダイムを利用する必要がある臭気物質のそれも臭い⁸なし梨状皮質の活性化を誘発する可能性があるのでスニッフィングも注意深く監視する必要があります。最も重要なことに、呼吸は、ニオイ剤投与と同期していない場合、大きな交絡変数である。私たちは、吸入と臭いが呼吸によって誘発されるパラダイムと同期することにより、より信頼性の高い活性化がもたらされることを示しました

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
3T MRスキャナー	シーメン		どんなMRスキャナーでも構いません。
嗅覚計	Emerging Tech Trans, LLC		同様の機能を備えた嗅覚計であれば、どれでも構いません。
6チャンネルニオイトラントキャリア	Emerging Tech Trans, LLC
ノーズピース/アプリケーター	Emerging Tech Trans, LLC
PTFEチューブ	Emerging Tech Trans, LLC
TTLコンバーターボックス	Emerging Tech Trans, LLC
呼吸センサーベルト	Emerging Tech Trans, LLC
ラベンダーオイル	ジボダン・フレーバーズ・コーポレーション
1,2 プロパンジオール	Σ	P6209
発症			www.pennstatehershey.org/web/nmrlab/resources/software/onset
SPM8	ウェルカム・トラスト・センター・フォー・ニューロイメージング、ユニバーシティ・カレッジ・ロンドン、ロンドン、英国