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。}

しかしながら、ヒトの中枢嗅覚系および関連疾患の研究へのfMRIの適用は、BOLDシグナルの迅速な慣れと呼吸による可変調節という2つの主要な障害によって妨げられている。日常生活では、一定期間において匂いに曝されると、すぐに香りに慣れます。嗅覚のfMRIを用いて調べたときに、実際には、臭い誘発性のfMRI信号が急速に刺激パラダイムデザイン^{8、10、11、12、13、14}上の課題を提起慣れによって減衰されます。一次嗅覚野の初期の有意なBOLDシグナルは持続するだけである臭いが発症してから数秒間。したがって、嗅覚的fMRIパラダイムは、短期間で長期または頻繁な匂い刺激を避けるべきである。習慣化効果を減少させるために、fMRIパラダイムに交互の臭気を提示する試みがいくつかなされている。しかしながら、このアプローチは、各付臭剤が独立した刺激事象として扱われることができるので、データ解析を複雑にする可能性がある。

被験者の呼吸パターンにばらつきがある場合、別の技術的問題が生じる。固定タイミングのパラダイムの間に、匂いの投与と吸入が常に同期するとは限りません。嗅覚刺激の発症および持続時間は、個々の呼吸によって調節され、fMRIデータの質および分析を混乱させる。いくつかの研究では、呼吸と匂いの発症を同期させるための視覚的または聴覚的手がかりを用いてこの問題を緩和しようと試みたが、被験者のコンプライアンスは特に臨床集団において変動する。 wiに関連する脳活性化特定のアプリケーションでは、これらの手がかりもデータ分析を複雑にする可能性があります。したがって、臭気物質送達と吸入を同期させることは、嗅覚fMRI研究¹⁵にとって重要であり得る。

嗅覚fMRIに不可欠な追加の考慮事項、特にデータ分析プロセスでは、匂い選択が重要です。認識された強度に関して適切なニオイ物質の濃度を見つけることは、様々な実験条件または疾患の下での脳における活性化レベルの定量化および比較のために重要である。また、匂いの選択は、匂いの価数や心地よさを考慮しなければならない。これは嗅覚学習^16、17で発散時間プロファイルを引き起こすことが知られています。この理由から、このデモンストレーションではラベンダーの香りが部分的に選択されました。特定の研究の目的に応じて、異なる匂い物質がより良い選択肢になる可能性があります。さらに、三叉神経刺激を最小限に抑えて、直接的に嗅覚に関連しない活性化¹⁸ 。

この報告では、磁気共鳴環境において嗅覚計を用いて呼吸によって引き起こされるパラダイムを設定し実行するためのfMRI技術を実証する。また、データ収集中に発生したタイミングエラーを減らし、データ分析をさらに改善するためのポスト処理ツールも提供しています。

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、さまざまな濃度またはタイプの付臭剤を保持する特定のエアチャネルの開閉の順序とタイミングです。このデモンストレーションでは、6チャンネルのバルブをそれぞれ2回開き、合計12回の臭気の配達を行った。 1つのバルブが開かれたときはいつでも、他のすべてのバルブは閉じられ、他のすべてのバルブが既に1回開いた後にのみ、各バルブが再び開かれた。
   1. 刺激の持続時間（特定のチャネルの開口部）と、チャネルを閉じる時間を割り当てます。
      注：このデモンストレーションでは、臭いの提示時間は6秒でしたが、閉鎖されるチャンネルの持続時間は22秒から38秒まで変化した。
   2. バルブの開閉シーケンスの繰り返し回数を設定します。ここで、繰り返し回数は1回である。
   3. 臭気のない空気を同じ流量で呈示して、各匂いの提示をインターリーブする。例えば、空気流を、相対湿度50％、室温22℃で6L /分の流速で臭気の有無にかかわらず送達する。
      注：気流の変化が触感を引き起こす可能性があるため、これは重要です。

2.臭気物質の調製

1. 匂いの価数、快適性、強度、親密度、および三叉神経成分を考慮して、匂い刺激パラダイムのための適切な匂い物質を選択する（ 表1参照）。
   注： 表1は、一般的に使用されるいくつかの臭気物質をリストしています。このデモンストレーションのために、ラベンダーの臭いが選択されました。これは、低〜中程度の共同体で、三叉神経刺激が最小限であるためです一般的には快適で親しみやすいと認識されています。
2. 付臭剤溶液を調製するために適切な溶媒（ 例えば 、水、鉱油、1,2-プロパンジオール、エタノール）を選択する。
   注記：ここでは、1,2-プロパンジオールをニオイ溶液の調製のための溶媒として使用した。
3. 臭気刺激パラダイムのための適切な臭気物質濃度を選択する。例えば、1,2-プロパンジオール中のラベンダー油を、嗅覚刺激^19の 0.10％（体積/体積）濃度で希釈する。
   注：これは、正常な被験者のグループによる一連の異なる濃度の心理物理的評価によって行うことができる。
4. 臭気物質の容器に適切な臭気物質溶液を入れる。すべての容器に同じ量のスペース、同じ量の溶液、同じ表面積があることを確認します。例えば、香り容器には300mLのガラス瓶6本を使用し、0.10％のラベンダーオイル溶液50mLを入れます。
5. 接続する臭いを運ぶための適切な経路に臭い容器を着ける。

3.オルファクトメーターのセットアップ

1. すべての臭気物質の容器が臭気物質の担体に正しく取り付けられていることを確認してください。締め付けすぎると、シールが破損する可能性があります。適切な気密性は、後のステップで、各付臭剤容器を通る空気の流れをチェックすることによって保証される。
2. 臭いキャリアを磁石室に置き、各管を室内外の嗅覚器に接続します。本体はMR互換性がありません。空気の流れに影響するので、チューブ内のねじれを目で確認します。各チャンネルの気流は後のステップでチェックされます。
3. 番号を正しいポートに合わせることによって、オルファクトメーターのすべてのチューブをニオイホルダーに確実に接続します。精度のために、カラーコードチューブ、チャネル1のようにピンクなどチャンネル2、青色。
4. フローを接続することによって、すべてのチャネルを通る空気の流れが一貫していることを確認してくださいチューブの出力端に接続します。オルファクトメーターのコントロールパネルの各チャンネルを手動で開き、各チャンネルの流速と一貫性が保たれるまで、全チャンネル流量と各チャンネルとフラッシュラインの流量を調整します。
5. ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）チューブを使用して、フェイスマスクまたはノーズピースを付臭剤キャリアに接続します。チャンネルが切り替わるときに、被験者に送達される空気流量（ 例えば 、6L /分）が一定であることを確認する。
6. 興奮刺激パラダイムとfMRI画像取得を同期させるために、オルファクトメーターの「トリガーイン」ポートにMRIシステムからのラジオ周波数トリガーを接続します。光電気信号変換器が必要とされることがある。
7. 各チャンネルおよびフラッシュラインの総空気流量および流量を設計された量に調整します。例えば、全空気流量は6L /分であり、各流路およびフラッシュラインの流量は3L /分である。
8. 空気呼吸器を接続する空気圧電気信号変換器ボックスを介して嗅覚計の応答ポートに接続する。
9. 主観的な応答が必要な場合は、空気圧電気信号変換器ボックスを介して空気圧応答パッドを嗅覚計の応答ポートに接続します。

4.実験手順

1. 被験者にとってMRI手順が安全であることを確認するために事前スクリーニングを行う。
   1. 潜在的なインプラント、閉塞性恐怖症、またはfMRI研究に安全に参加する被験者の能力を妨げる可能性がある他の既存の状態を含む、病歴について被験者に質問する。さらに、匂い物質の匂い閾値試験を実施して、実験中に被験者が匂い物質を嗅ぐことができることを確実にする。
2. 被験者はMRI検査ベッドで仰臥位になる。フェイスマスクまたはノーズピースを被験者に適切に配置して、空気が鼻孔に吹き込むようにします。呼吸センサーをいずれかのt彼は胸や腹部。正常に呼吸するように被験者に指示してください。オルファクトメータディスプレイに表示されている呼吸パターンに従って、呼吸センサを保持しているベルトの締め付けと配置を手動で調整します。
3. オルファクトメーターに呼吸データを記録するデータフォルダを作成します。 "ファイルマネージャー"をクリックし、現在のサブジェクトに割り当てられているサブジェクトIDを入力し、入力を "確認"します。
4. 「パラダイムチェック」オプションを使用して、刺激の送達を伴わずに臭気の送達と吸入の同期をテストし、必要に応じて手動で「弁遅延」時間を調整して、臭気の送達が被験者の吸入段階と同期するようにする。
5. オルファクトメーターのコントロールユニットで「トリガーイン」モードを選択することにより、匂い刺激とfMRI画像取得との同期を設定します。
   注意：これにより、臭い刺激のパラダイムが外部トリガーで開始され、;「MRIシステムに由来するポート」でトリガーする。したがって、パラダイムはスキャナからの外部トリガが受信されるまで実行されません。 MRIスキャナーがどのような種類のトリガーパルス（電気または光）を送信するか注意してください。 2つのシステムをリンクするために信号変換器が必要になることがあります。
6. オルファクトメーターのコントロールユニットで "resp trigger start"を選択して、呼吸トリガーをアクティブにします。
   注：活性化されると、各パラダイム配列要素の開始は吸入と同期する。これは、呼気フェーズの開始から呼吸サイクルの約半サイクルを臭気送出を遅らせることによって経験的に達成することができる。
7. MRIコンソールでfMRI画像取得を開始します。画像収集が始まるとすぐに臭い刺激のパラダイムが始まる。不規則な呼吸活動がないか、呼吸パターンを監視する。
   注意：不規則な呼吸器の活動は、プラトーの形、より長い、より長いサイクル、または不安定な波。ここでは、2000ms反復時間、30msエコー時間、90°フリップ角、220mm×220mm視野、80°Fの視野でfMRI画像取得のために、BOLD信号感受性T ₂ *強調エコー - 平面撮像シーケンスを使用した×80収集マトリ​​ックス、厚さ4mmの軸方向スライス30枚、統合平行イメージング技術の加速係数2である。
8. イメージングプロトコルの完了時に、磁石から被写体を移動させ、顔マスク/鼻の部分を取り除く。

5.オルファクトメータークリーンアップ

1. エアーポンプの電源を切ってください。臭気物質の容器から臭気物質の容器を取り外し、きれいな空の物質と交換する。
2. エアーポンプの電源を入れます。各チャンネルを無臭の空気で5分間フラッシュして、エアライン内の残留臭気物質を除去する。
3. オルファクトメーターをシャットダウンします。
4. ノーズピースまたはフェースマスクをアルコールワイプで消毒します。暖かい水で顔のマスクやノーズピースをすすぎ、その後風乾してください。

データ解析

1. データを処理するために、オープンソースソフトウェア嗅覚ネットワーク刺激編集ツール（開始）（www.pennstatehershey.org/web/nmrlab/resources/software/onset）に呼吸データファイルをロードする¹⁵
   注：ONSETソフトウェアはXiaoyu Sunによって開発されました。パラダイムと呼吸の跡のタイミングに基づく臭い刺激の開始が自動的に検出される。実際の刺激ベクトルは、臭気送達中の各有効吸入の開始時間として定義される。
   1. 臭気と無臭の間の呼吸数と容量（各吸入相と呼気相の下の面積）を測定し、比較する¹⁵ 。
      注：これらの呼吸パラメータには、匂いと無臭の間に有意差はないはずです。
   2. 中心olfacの活性化のためにONSETからの実際の開始および持続時間ベクトルを用いてfMRIデータを処理するシステム¹⁵ 。

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