ヒトの嗅覚機能を研究する自由呼吸fMRI法
2017年7月30日
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。
このビデオの全体的な目標は、自然な呼吸の干渉なしに人間の嗅覚系のマッピングを効果的に探索するために、効率的で簡単に適応できるfMRIの方法を提示し、説明することです。嗅覚fMRIを使用して匂いや刺激に反応する脳の活性化を研究する際の障害の1つは、呼吸と匂いの伝達の非同期性によって引き起こされる反復的な匂い刺激の不一致です。ここに示すように、固定タイミングの臭気刺激パラダイムでの臭気の提示が呼吸と同期していない場合、反復的な臭気刺激は呼吸のさまざまな段階で発生する可能性があります。
この問題の解決策は、呼吸によって引き起こされる嗅覚fMRIパラダイムを設定することです。効果的な嗅覚fMRIデータ収集は、まず、慣れや一貫性のない吸入パターンに抵抗する嗅覚計上のイベント関連の呼吸誘発嗅覚刺激パラダイムを設計することによって達成されます。2番目のステップは、嗅覚刺激用の匂い物質を準備することですが、三叉神経刺激と慣れ効果を最小限に抑える匂い物質を使用するように注意します。
3番目のステップは、呼吸トリガーパラダイムを実行する機能を備えた嗅覚計を組み立てることにより、MRI環境で実験をセットアップして実行することです。最後のステップは、プログラムONSETを使用してデータを処理し、刺激の実際の開始ベクトルと持続時間ベクトルを定義することです。最終的に、この技術は、人間の嗅覚系のより感度の高い調査と接続を促進する可能性を秘めています。
ここでは、ETT嗅覚計を使用して、呼吸をトリガーとする嗅覚fMRI実験の設定方法を示します。パラダイムを作成するには、臭気物質チャネルを特定の臭気物質に割り当てます。この嗅覚計システムには6つの匂いチャネルがあります。
これらのチャンネルの開閉の順序とタイミングを入力および編集します。タッチスクリーンのパラダイム設定ボタンを押します。臭気チャネルの開閉シーケンスを入力または編集するには、バルブシーケンスの編集ボタンを押します。
終了したら、もう一度[編集]ボタンを押して編集モードを終了します。オイドラントチャンネルの開閉のタイミングパラメータを入力または編集するには、タイムシーケンスのSetボタンを押します。終了したら、もう一度[設定]ボタンを押して編集モードを終了します。
パラダイム設定が終了したら、戻るボタンを押してメインウィンドウに戻ります。このビデオで示されているのは、同じ濃度の同じ匂い物質の単純な刺激パラダイムです。各匂い物質の提示は、新鮮な空気の提示と挟まれています。
このパラダイムでは、同じ臭いが12回提示されます。毎回、臭気物質の提示は6秒間続き、臭気の提示の間にはさまざまな時間があります。それに応じて、バルブオープンとバルブクローズのデュレーションを設定します。
このデモンストレーションでは、1 濃度のラベンダー オイルを調製します。ラベンダーオイルを使用するのは、三叉神経の刺激が最小限で、特定の脳領域が活性化するためです。臭気物質の濃度は、選択した臭気物質によって異なります。
臭いの理想的な知覚閾値に基づいて濃度を選択してください。濃度を変えることで、匂い物質に慣れる可能性を減らします。濃縮物を調製するには、ラベンダーオイルをプロピレングリコールと混合します。
プロピレングリコールは、臭気物質に一般的に使用される溶媒であり、安定しており、ほとんど無臭です。パラダイム設計で概説されているようにすべての溶液を混合した後、各容器ボトルに同量の臭気物質を注ぎます。次に、ボトルを正しい順序で臭気キャリアに取り付けます。
MRIに嗅覚計を設置するには、機械の隣のマグネットルームに匂い物質キャリアを置きます。チューブをウェーブガイドに通してキャリアに接続し、チューブの順序が嗅覚計への接続順序と一致するように注意してください。簡単にするために、臭気チャネルに一致するようにチューブを色分けしています。
マシンの電源を入れます。必要に応じて、メインエアフローと、キャリアとフラッシュの個々の流量を調整します。次に、呼吸ベルトを嗅覚計に接続し、ベルトをウェーブガイドに通します。
ベルトは、被験者の呼吸活動と呼吸トリガーの使用を記録します。被写体をマグネットルームに持ち込み、フェイスマスクを被写体の上に置きます。被験者が横になっているときは、呼吸がはっきりしている胸または腹部に呼吸ベルトを装着します。
嗅覚計の画面で呼吸パターンを確認します。波が停滞すると、ベルトがきつく締められすぎて、呼吸トリガーが正しく機能しません。明確な呼吸ピーク信号は、呼吸トリガーパラダイムの成功に不可欠であるため、完全な呼吸トレースが見えるまでベルトを調整します。
嗅覚計にデータフォルダを作成し、呼吸データを保存します。臭気の発現と呼吸の同期性は、パラダイムチェックを使用し、必要に応じてトリガー遅延時間を調整することにより、精度をテストする必要があります。タッチスクリーンのパラダイムチェックボタンを押して、呼吸サイクルの吸入段階で臭気の伝達が発生するかどうかを監視します。
臭気の伝達期間は、呼吸トレース上のピンク色で強調表示されます。呼気フェーズ中に臭気の配信が開始された場合は、パラダイム設定に戻るには、時系列のトリガー遅延を調整してから、パラダイムチェックをやり直します。パラダイムをトリガーインモードに設定して、臭気刺激パラダイムの実行がMRIスキャンによってトリガーされるようにします。
次に、Respiration Trigger Start機能を選択します。これで、パラダイムを実行する準備が整いました。匂い刺激パラダイムが完成したら、嗅覚計に保存された呼吸データを確認します。
このファイルには、各機能MRI画像の呼吸トレースとタイムスタンプ、呼吸トリガー、各臭気チャネルの開閉、および応答デバイスを使用した被験者の応答が含まれています。ONSETプログラムを使用して処理し、fMRIデータ処理のための実際の刺激開始ベクトルと持続時間を取得することができます。ONSET は IDL 仮想マシンで実行できます。
臭気刺激の開始ベクトルと持続時間を取得するには、[Respiration Validation] をクリックします。嗅覚計から保存された呼吸データファイルを読み込み、ONSET処理の後処理パラメータを設定します。ONSET を実行します。
臭気発現のタイミングと呼吸痕跡から、臭気発現のタイミングから、臭気発現ベクトル(臭気送達中の各吸入開始)である実際の刺激開始ベクトルを自動検出します。開始ベクトルと持続時間ベクトルを含む結果は、fMRIデータ処理に利用できます。fMRIデータは、標準的な手順に従って処理してください。
SPM8 を使用したデータ処理の例を次に示します。イメージ番号、または開始ベクトルと開始時間 (秒単位) を使用します。これは、SPM パラダイム デザインに選択したタイミング単位によって異なります。実際の発症ベクトルと持続時間ベクトルを使用して刺激パラダイムを標準的な血行動態応答関数を持つ機能データに適合させることにより、個人レベルで統計パラメトリック マップを生成します。
これは、匂いの刺激に応答する一次嗅皮質の活性化の例です。呼吸による匂い刺激パラダイムとは対照的に、例えば、同じ被験者から見られる固定タイミングパラダイムでは、匂いの伝達は呼吸活動によって引き起こされません。被験者の呼吸を制御していないため、吸入される匂い物質の量には大きなばらつきがあります。
これらのfMRIデータを、以前の呼吸誘発型fMRIデータと同じ統計的閾値で処理する標準的な手順に従い、一次嗅球では有意な活性化は検出されませんでした。しかし、呼吸トリガーが実装されると、匂い物質の提示は常に吸入と同期し、匂い刺激の一貫性と精度が向上します。このビデオを見た後、イベント関連の呼吸トリガーパラダイムを使用した嗅覚fMRIの現在の実践についてよく理解できるはずです。
このビデオで示した技術を習得すると、嗅覚刺激パラダイムの設計と分析方法をさらに適用して、ヒトの中枢嗅系の機能をマッピングし、神経変性疾患における嗅覚障害をさらに調査することができます。
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概要
この記事では、人間の中央嗅覚系から信頼性の高いfMRIデータを得るための技術的課題と解決策について議論します。データ品質を向上させるために、刺激の呈示と呼吸を同期させることの重要性を強調します。
主要な研究構成要素
科学の分野
- 神経科学
- 機能的磁気共鳴画像法（fMRI）
- 嗅覚系
背景
- 嗅覚fMRI研究は、呼吸と刺激呈示の非同期性により課題に直面しています。
- 不一致な刺激呈示は脳の活性化測定に影響を与える可能性があります。
- 順応と三叉神経刺激は嗅覚fMRIの結果を複雑にする可能性があります。
- 信頼性の高いデータ収集のために、効果的な嗅覚fMRIパラダイムの設計が重要です。
研究の目的
- fMRIを使用して人間の嗅覚系をマッピングする方法を提示すること。
- 呼吸と刺激呈示を同期させる課題に対処すること。
- 嗅覚研究におけるfMRIデータ収集の信頼性を向上させること。
使用された方法
- 呼吸誘発型の嗅覚fMRIパラダイムの設計。
- MRI互換性のある嗅覚測定器を用いた刺激呈示。
- 三叉神経刺激を最小限に抑える刺激物質の選択。
- データ後処理のためのソフトウェアツールの実装。
主要な結果
- 呼吸誘発型のパラダイムは、刺激呈示と呼吸を効果的に同期させます。
- 選択された刺激物質は、fMRIセッション中の順応効果を減少させました。
- データ後処理により、fMRI結果の信頼性が向上しました。
- 全体として、この方法は嗅覚系の研究を強化します。
結論
- 刺激呈示と呼吸を同期させることは、嗅覚fMRIにとって不可欠です。
- 適切な刺激物質の選択により、嗅覚研究における一般的な課題を緩和できます。
- この方法は、将来の嗅覚fMRI研究のための堅固な枠組みを提供します。
よくある質問
Executive Industry Relevance
Accurate mapping of the human olfactory system is critical for early detection of neurodegenerative diseases such as Alzheimer's and Parkinson's, where olfactory dysfunction serves as a biomarker. Respiration-triggered fMRI enhances data reliability by synchronizing odor delivery with inhalation, reducing variability in stimulus exposure. This methodological advance supports target validation and mechanistic de-risking in CNS drug discovery by enabling consistent, quantitative assessment of olfactory pathway function.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of olfactory pathway activation to validate targets involved in sensory processing and neurodegeneration.
- Operational Value: Provides a reproducible fMRI paradigm for assessing target engagement in preclinical models of olfactory dysfunction.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Supports assay standardization by minimizing respiratory variability in odorant delivery, improving signal consistency.
- Operational Value: Facilitates high-fidelity screening of compounds intended to modulate olfactory function or delay neurodegeneration.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Bridges discovery and clinical translation by enabling cross-species comparison of olfactory system responses.
- Operational Value: Supports longitudinal tracking of olfactory decline in preclinical models, aiding risk-adjusted advancement decisions.
Pipeline & Workflow Integration
This method integrates into the discovery continuum from target validation through preclinical evaluation, offering a quantitative neuroimaging readout for olfactory pathway modulation.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing by linking odorant exposure to measurable cortical activation in the primary olfactory cortex.
- Screening: Enhances assay readiness through respiration-triggered precision, reducing false variability in dose-response assessments.
- Analytics: Generates onset and duration vectors via ONSET processing, enabling precise modeling of hemodynamic responses in fMRI analysis.
- Translational Research: Connects mechanistic findings to clinical relevance by mapping olfactory deficits associated with neurodegenerative disease progression.
- Enterprise Reuse: Establishes a standardized, adaptable platform for repeated use across olfactory-targeted discovery programs.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in target validation by reducing mechanistic ambiguity in olfactory pathway studies.
- Operational Value: Ensures reproducibility and scalability across sites through synchronized stimulus delivery and validated post-processing.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions by providing reliable neurobiological readouts for CNS-targeted therapeutics.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of compounds based on objective olfactory function metrics.
Implementation Considerations
- Requires expertise in fMRI experimental design, olfactometer operation, and respiratory physiology monitoring.
- Dependent on MRI-compatible olfactometry systems and respiratory triggering hardware.
- Necessitates cross-team standardization between neuroscience, imaging, and pharmacology units for consistent protocol execution.
- Adaptation across model systems requires validation of odorant delivery and respiratory synchronization in non-human subjects.
- Practical limitations include subject compliance with respiration monitoring and potential interference from nasal airflow variations.
