Name: 呼気同期嗅覚計と脳シミュレーションを組み合わせて、皮質脊髄の興奮性と効果的な接続性に対する匂いの影響を研究 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2024-01-19T13:10:00.000+00:00
Duration: 6 min 13 s
Description: 学ぶ 呼気同期嗅覚計とTMSを組み合わせた皮質脊髄興奮性測定法。快臭・不快臭が運動系に与える影響を解析し、神経精神疾患の病態理解と治療開発に応用可能な新規手法を解説する。

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この研究は、Fondation de France, Grant N°: 00123049/WB-2021-35902 (J.B. and N.M.が受け取った助成金)の支援を受けました。著者らは、Pierre Deniker財団の支援(CNが助成金を受領)と、セットアップの設計に貴重な協力をしてくれたNeuro-Immersionプラットフォームのスタッフに感謝します。

以下のセクションで説明するすべての実験手順は、ヘルシンキ宣言に従って倫理委員会(CPP Ile de France VII、Paris、France、プロトコル番号2022-A01967-36)によって承認されています。すべての参加者は、研究登録前に書面によるインフォームドコンセントを提供しました。
1. 参加者募集
<ol><li>包含/除外基準。<ol><li>成人(18歳&gt;)の参加者を含めます。国際的な専門家ガイドライン23に従って、TMSの禁忌についてすべての参加者をスクリーニングします。</li>
		<li>医療機器を埋め込んでいる参加者を除外します (例: 人工内耳、心臓ペースメーカーなど)、発作、頭痛、脳外傷、および神経活性薬の個人歴または家族歴。European Test of Olfactory Capabilities24 に従って「無嗅覚症」と見なされる参加者を除外します。</li>
	</ol></li>
	<li>利き手: Edinburgh Handedness Inventoryアンケート 25 によって評価された右利きを確認します。 手記。皮質脊髄の興奮性と運動系の効果的な接続性を評価する研究では、右利きの参加者のみを募集することを強くお勧めします26,27。</li>
	<li>情報とインフォームドコンセント: 倫理委員会によって承認された研究の目的、手順、およびリスクに関する基本的な情報をすべての参加者に提供し、書面によるインフォームドコンセントに署名するように依頼します。</li>
</ol>2. 実験手順
<ol><li>患者の取り付け:参加者に快適な椅子(歯科用椅子タイプ)に座り、両手をリラックスさせて回内させるように依頼します。参加者の頭をあご当てに乗せて、刺激中の頭の動きを最小限に抑えます。</li>
	<li>筋電図記録<ol><li>電極を装着する前に、角質除去スクラブを使用して参加者の皮膚を準備し、その領域を軽く研磨し、電極を装着するアルコールパッドを使用して領域を洗浄します。</li>
		<li>第1背側骨間筋(FDI)の腹腱モンタージュを備えた2つの銀/塩化銀使い捨て記録電極を適用します。尺骨の茎状突起に接地電極を追加します(図1)。</li>
		<li>電極をケーブルとデータ収集システムでアンプに接続します。</li>
		<li>アナログ-デジタル(AD)変換システムを使用してEMG信号を記録します。10 Hz〜1 kHzの帯域幅周波数を使用して、EMG信号(ゲイン = 1000)を増幅およびフィルタリングします。2,000 Hzのサンプリングレートでデジタル化し、オフライン解析用に各EMGファイルを保存します。</li>
		<li>データ収集システムに接続されているコンピュータ画面に表示される信号の品質を確認します。</li>
	</ol></li>
	<li>TMSコイルM1 の位置。<ol><li>このコイルをA刺激器に接続します(図1)。</li>
		<li>参加者の頭にぴったりとフィットするキャップをかぶせます。巻尺を使用して、標準的な頭蓋のランドマークに基づいて、鼻-inion、tragus-tragus、および頭囲の測定を実行します。矢状中央線(鼻-耳介)と耳間線(耳珠-耳珠)の交点にある頭皮の頂点をペンで識別し、マークします28。</li>
		<li>最初の小さな8の字型コイル(内径:40 mm)を、頂点から5 cm外側にある左M1(コイルM1)の手の推定領域に接線方向に置き、ハンドルを中央矢状線に対して45°の角度で後方および横方向に向けて配置し、前後電流の流れ(単相性電流波形)を作成します。この向きは、M129内のM1内に流れる最大誘導電流に対応する。</li>
		<li>コイルM1 の配置が、最新の国際勧告30に従って最適であることを確認してください。まず、最大刺激器出力(%MSO)の30%でいくつかのシングルパルスを照射し、EMGシステムによって記録され、データ収集システムに接続されたコンピューター画面に表示されるMEPが刺激によって生成されることを確認します。<ol><li>目に見える反応がない場合は、MEPが観察されるまで刺激強度を徐々に上げます(5%MSO刻み)。次に、複数のパルスを送達して、最初のサイトの周りの 4 つのスポットをテストします。各サイトの平均ピークtoピークMEP振幅を決定します。</li>
			<li>平均ピークtoピークMEP振幅が最大になる場所を選択します。これは、参加者30にとってのいわゆるホットスポット位置である。キャップにコイルM1 の位置をマークして、実験全体を通してコイルが適切に配置されるようにします。</li>
		</ol></li>
	</ol></li>
	<li>安静時運動閾値(rMT)とTMS強度<ol><li>MEP23,30 を誘発する 50% の確率を生成する TMS 強度として定義される安静時モーター閾値 (rMT) を決定します。<ol><li>逐次試験戦略29を用いた最尤パラメータ推定に基づく入手可能なオンラインフリーウェア(TMS Motor Threshold Assessment Tool、MTAT 2.1)を使用する。刺激シーケンスは、常に37%MSOに設定された強度で開始されます。</li>
			<li>1人の実験者にコイルM1 を持たせ、もう1人の実験者にMEP振幅が0.05mV&gt;かどうかを示します。次に、予測アルゴリズムは、次に送達される刺激強度を決定し、20回の刺激の後に停止され、これは、以前の研究31〜34によるrMT推定に十分な精度を提供する。</li>
		</ol></li>
		<li>コンディショニングとテストパルス刺激の%MSOを設定します。参加者の以前に決定されたrMT値を使用します。 注:ここで、第1のコンディショニング刺激(コイルDLPFC)の強度は、rMT19,20の110%に設定した。テスト刺激(コイルM1)の強度はrMTの120%に設定され、すべての参加者で~1mVのMEPを誘発するTS強度を使用した以前の研究とはわずかに異なる強度です19,20。この固定されたピークtoピーク強度は、モータ出力35の被験者間の変動性が高いために、入出力リクルートメント曲線上の非常に異なる点で発生する。したがって、刺激強度は、個人全体で120%のRMT強度を使用して最適化できます。</li>
	</ol></li>
	<li>TMSコイルDLPFC ポジショニング<ol><li>このコイルをB刺激装置に接続します(図1)。</li>
		<li>最近更新された頭皮ヒューリスティックを使用して、左DLPFC36,37に対応する頭皮の領域を特定し、DLPFC(コイルDLPFC)上の2番目の小さな8の字コイル(内径:40mm)の位置を推定します。オンラインのExcelスプレッドシート計算ツール36をダウンロードし、鼻-inion距離と耳珠-耳珠距離、および頭囲をセンチメートル単位で入力します。XLA と YLA の距離を参加者の頭に直接報告します。</li>
		<li>コイルDLPFC を頭皮に接線方向に左DLPFCの位置に置き、ハンドルを下向きに、矢状線中央に対して-45°の角度で横向きにします。キャップにコイルDLPFC の配置をマークして、実験全体を通してコイルが適切に配置されるようにします。 注:コイルM1 とコイルDLPFC の両方の位置に対するこの頭皮ベースのターゲット方法は最適ではありません。実際、個々のT1解剖学的磁気共鳴画像法(MRI)に基づいて脳の関心領域を標的とするために使用されるニューロナビゲーション法よりも精度が低いことが知られています38。</li>
	</ol></li>
	<li>コンディショニングパルスとテストパルス間の遅延:パルス発生器でこの遅延を10msに設定します。 注:ここで、遅延は、この間隔19,20で左DLPFCから左M1への抑制的影響を示す以前の研究に基づいて10msに固定されています。10msで観察されたこの抑制効果は、前SMAへのDLPFC投射を介した大脳基底核の活性化によるものであり、それによってM139に間接的な影響を及ぼしている可能性が高い。遅延は、ユーザーのニーズに応じてコードで調整できます。例えば、より長い間刺激間隔(すなわち、25ms)を用いて、DLPFCをM119に接続する多シナプス間接皮質-皮質下-皮質回路を調べることができる。さらに、1ミリ秒から150ミリ秒の範囲の間隔で、複数の皮質領域間のデュアルサイトppTMSを使用して、促進/抑制効果の違いが実証されています40,41。このように、間隔を調整できるという事実は、将来の調査研究の幅広い可能性への道を開きます。</li>
	<li>嗅覚計の設定<ol><li>心地よい快楽的価値と不快な快楽的値を持つ匂い物質を選択します。あらかじめ匂い物質を鉱物油で個別に希釈して、アイソインテンス感を作り出します。 注:ここで、匂い物質(すなわち、酢酸イソアミルと酪酸をそれぞれ0.6%と0.11%のvol / vol濃度に希釈)の選択と濃度は、同じ嗅覚計の設定と匂い物質を使用した私たちのグループによる以前の研究に基づいています42,43。パイロット研究では、肯定的な臭いと否定的な臭いは強度の点で違いはなかったが、快楽価値は反対であったことが確認された。対照条件(すなわち、臭気物質なし)では、気流のみが参加者に供給されます。</li>
		<li>匂い物質を配信するコードを記述します。各試行について、試験の合計期間、送達する臭気剤、臭気剤コントローラーの流量(ミリリットル/分)、キャリアエアレギュレーターの流量(ミリリットル/分)、および吸引レギュレーターの流量を示します。 注意: 供給される臭気剤の順序は、ポジティブ、ネガティブ、および無臭の間でランダムにすることができます。ここで、各試行の期間は 12 秒です。送達される匂いの順序は疑似ランダム化されました。また、パイロット実験に基づき、臭気コントローラーの流量を200mL/min、キャリアエアレギュレーターの流量を500mL/min、吸引レギュレーターの流量を100mL/minとした。</li>
		<li>鼻カニューレを参加者の鼻孔の近くに配置して、鼻呼吸を測定します。鼻から普通に呼吸するように参加者に指示します。</li>
		<li>ポータブルエアコンプレッサー、嗅覚計ケース、およびソフトウェアを含むPCの電源を入れます。すべてのケーブル接続を確認します(図1)。 注:本研究で使用された嗅覚計は、以前の出版物44 で詳細に説明されているが、ここでは、吸気開始検出後に可変遅延でTMSトリガーを可能にするように修正されている。簡単に説明すると、この装置は、1)ポータブル空気圧縮機からの空気源と空気処理システム、2)電子機器および空気圧デバイスを含む刺激システム、3)参加者の鼻に匂い物質を拡散させる送達システムに結合された自家製のミキシングヘッド、4)鼻カニューレによる鼻呼吸測定に応じて嗅覚計をトリガーする呼吸感覚システム、および5)ソフトウェアを含むいくつかのモジュールで構成されています制御システム44。</li>
		<li>キャリブレーション:キャリブレーションフェーズ(約20秒)に進み、参加者の呼吸信号をキャリブレーションし、呼気期と吸気期の検出しきい値を調整できます。このソフトウェアでは、呼気相は正、吸気相は陰性です。</li>
		<li>匂いの快楽と強度の評価: 2 つの匂い物質をランダムな順序で提供し、参加者に、各匂い物質の快楽値と強度を、1 「まったく不快ではない」から 9 「非常に快適」、1 から「まったく激しくない」から「非常に強烈」の範囲の視覚的なアナログ スケールで評価してもらいます。</li>
	</ol></li>
	<li>嗅覚計とTMSの組み合わせ:吸気フェーズの検出とTMS送信のトリガーの間の遅延を600ミリ秒で設定します。 注意: 遅延の設定は重要であり、文献とユーザーのニーズに応じて決定する必要があります。このプロトコルでは、遅延は600msに設定され、これは匂いの最大の意識的知覚表現であることが示されている45。シングルパルスTMS条件の場合、このトリガーは即座にA刺激装置を作動させ、左側のM1に配置されたコイルによってパルスが供給され、無条件のMEPを誘発します。デュアルコイルTMS条件の場合、このトリガは2つの異なるデバイスに(T接続で接続された2本の同軸ケーブルを介して)送信され、最初のデバイスは直ちにB刺激器を作動させ、左側のDLPFCに配置されたコイルによってコンディショニングパルスが供給されます。2つ目はパルス発生器によって受信され、A刺激器を作動させる前に一定の遅延を誘発し、左側のM1に配置されたコイルを介してテスト刺激を送達して、条件付けされたMEPを誘発します(図1)。</li>
</ol><img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65714/65714fig01.jpg"> 図1:実験装置。 太線は空気圧接続を表します。空気圧縮機は嗅覚計に接続され、さまざまな空気の流れを生成します。レギュレーターは圧力を制御し、入力空気の流れは3つのチャネル(3つの質量調整器を介して)に向けられる:1つは空気コンベア用(青線)、1つは吸引システム用(茶色線)用で、刺激時間を洗浄し制御し、最後の1つは臭気物質用である44。2本のU字管には臭気物質(緑:快、赤:不快)が入っており、飽和蒸気状態で加圧下で調整され、経時的に安定した強度の臭気流を確保します。ミキシングヘッドは、クリーンな空気流と臭気のある空気の流れを混合するために使用されます。気流(臭気または純粋)は、鼻呼吸(紫色の線)を記録するためにも使用される鼻カニューレに取り付けられた2本のチューブ(灰色の線)を介して鼻孔に送られます。呼吸信号に基づいて、吸入相が検出されるとすぐに、spTMS条件の場合、トリガーがパルス発生器に送られ、遅延(ここでは10ミリ秒)を設定し、次に左手の筋肉の表現M1に印加されたコイルM1 に接続されたTMS刺激装置Aに送られ、TMS刺激装置Bはオフになります。dsTMS条件では、左DLPFCに印加されたコイルDLPFC に接続されたTMS刺激器Bに直ちにトリガーが送信され、パルス発生器デバイスを使用して遅延(ここでは10ms)を設定してから、コイルM1に接続されたTMS刺激器Aをトリガーします。筋電図システムによって取得された呼吸信号とMEP振幅は、PCにインストールされたソフトウェアによって記録されます。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65714/65714fig01large.jpg" target="_blank">この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。</a>
3. 測定
<ol><li>嗅覚計ソフトウェア(ステップ2.7.2を参照)でカスタムメイドのコーディングスクリプトを実行して、spTMSとdsTMSのすべての組み合わせを、心地よい臭いと不快な臭い、および無臭がランダムな順序で発生するように配信します。 注:ここでは、各条件について20回の試行(合計120回の試行)が記録されました。実験は、それぞれ20回の試行からなる6つのブロックに分けられました。各条件の試行回数は、ユーザーのニーズに応じて変更できます。</li>
</ol>4. データ解析
<ol><li>各参加者、条件、および試行について、ピークtoピークのMEP振幅を抽出します。これは、オンラインで入手可能なオープンソースのツールボックスの1つを使用して行うことができます46,47。</li>
	<li>dsTMS試験における試験刺激によって誘発されたMEPと、spTMS試験における試験刺激によって誘発されたMEPsを表すMEP比を計算することにより、データを正規化する12。これは、参加者ごとに、および臭気条件(つまり、無臭、陽性臭、陰性臭)ごとに別々に行ってください。この手順の後、結果を次のように解釈します:MEP 比が 1 を超えると M1 に対する DLPFC の促進効果を示し、MEP 比が 1 を下回ると M1 に対する DLPFC の抑制的影響を示します。</li>
</ol>

呼気同期嗅覚計による脳興奮性に対する匂いの影響

JBは、フランス生物精神医学・神経精神薬理学会(AFPBN)の脳刺激セクション(STEP)の理事であり、CIHR(カナダ)、ANR、PHRC(フランス)からの脳刺激分野の学術研究助成金を報告しています。他の著者は何も開示していません。

上記のプロトコルは、呼気同期嗅覚計とシングルコイルおよびデュアルコイルTMSの使用を組み合わせて、匂い物質の快楽的価値に応じて皮質脊髄の興奮性と効果的な接続性の変化を調査する新しい方法を説明しています。このセットアップにより、特定の参加者の匂い物質の快感値を客観的に識別し、脳の効果的な接続性と反応性に対する匂い物質の生物学的影響を示すことができます。このプロトコルの重要なステップには、TMSパラメータ(配置、強度)と嗅覚計パラメータ(匂い物質の選択、呼吸相に対するタイミング)の両方が含まれます。
spTMSとdsTMSと嗅覚計の組み合わせは、ユーザーのニーズに応じてさまざまな方法で適応でき、方法論的に明らかな利点があります。冒頭で述べたように、嗅覚系と運動系の間の相互作用のメカニズム的基盤をより詳細に調査するためには、2つの方法論的側面が重要であるように思われました。1つ目は、同じ実験フェーズ内で異なる匂い条件(快/不快/無臭)を提示できる可能性です。これは、どの匂い物質が一定の強度で被験者に送達されるかを試験ごとに指定することができるため、現在実現可能です。これは、比較的長い刺激間間隔でも、以前の研究で観察された刺激ブロック内および刺激ブロック間のMEP振幅の体系的な個人内変化を排除できるため、重要なポイントです48,49。
実際、TMSパルスをM1に適用することで、皮質脊髄の興奮性に観察された変化を否定できない時間的精度で定量化することができます。しかし、非常に多くの要因が皮質脊髄の興奮性を調節する可能性があり、これらは可能な限り制御する必要があります。例えば、自発的な鼓舞または呼気(運動行為)の単純な事実は、非呼吸指の筋肉の皮質脊髄興奮性を変化させる50。
2つ目は、呼吸相といくつかの要因を制御し、同期させる可能性です。これらには、参加者への匂い拡散の正確な時間とタイミング、およびTMSパルスのタイミングが含まれます。さらに重要なことは、これらの異なるパラメータをユーザーのニーズに応じて変更することができ、将来の研究への道を開くことができることです。
ここで紹介する方法は、嗅覚の分野における将来の幅広い研究とより広範な問題への道を開きます。第一に、嗅覚刺激に応答する皮質脊髄興奮性の調節の時間的精度を調べた研究はまだありません。この変調は、非常に早い時期(すなわち、匂いの発現後300ミリ秒から500ミリ秒の間と推定される知覚的な匂い表現の出現前45)なのか、それともそれ以降(すなわち、匂いの表現が感情的、意味的、記憶的処理に関連するより大きな領域に拡張されるとき45)なのか?皮質脊髄の興奮性の変化のタイミングは、匂いの快楽値によって同じですか?痛みなどの不快な臭いは、しばしば潜在的な危険を知らせ、否定的な状況を迅速に回避または逃れるためのより速い反応を誘発し51,52、したがって、陽性の臭いよりも早く皮質脊髄興奮性を調節します。しかし、これはあくまでも推測の域を出ません。肯定的な臭いと否定的な臭いの両方の発症後、異なる時間にTMSパルスを送達し、皮質脊髄興奮性の変化を比較することにより、現在のプロトコルはこの問題に対処できます。さらに、本プロトコルの焦点は、M1を標的とする皮質脊髄興奮性の調節にあったが、TMS技術は、その高い時間分解能のために、その高い時間分解能のために、嗅覚プロセス中の他の領域の原因となる脳行動関係と時間経過を調査するためにも使用することができる53.同様に、現在のプロトコルでは、この接続の変調が匂いの知覚中に発生する可能性があるという証拠が文献にあるため、DLPFCとM1の間の効果的な接続性を評価しました。しかし、他の皮質-皮質または皮質-皮質-皮質下-皮質ネットワークは、嗅覚または運動制御プロセス中に調節される可能性があり、これらのネットワーク内の接続性は、この新しい方法で容易に評価できます。唯一の変更は、標的の皮質領域に向かうコイルの位置です。例えば、眼窩前頭皮質は、匂いの快楽価値と匂い知覚のコード化に関与していることが示されており54、最近のデュアルサイトTMS研究は、この領域が安静時のM1に抑制的な影響を与えることを示した12。肯定的な匂いと否定的な匂いの知覚中に眼窩前頭皮質とM1の間の効果的な接続性の変化を調べることは、嗅覚系と運動系の間の相互作用の背後にあるメカニズムをよりよく理解するための興味深い研究手段です。
さらに、この方法は、匂いの快楽的知覚を非言語的または意識的な方法で確実に評価する新しい方法を提案します。これは、嗅覚における処理と運動系の間の異常な相互作用を理解することを目的とした臨床研究への道を開く可能性があります。例えば、現在の方法は、大うつ病性障害(MDD)などの神経精神障害の患者に使用できる可能性があり、これは匂いの快楽的知覚や不適応なアプローチや回避行動など、嗅覚機能の変化と関連している55。さらに、左DLPFCはMDD患者で低活性であることが示されており56、DLPFC-M1接続は接近回避行動中に調節されます19、TMSと嗅覚計の組み合わせは、MDD患者におけるDLPFCとM1の間の機能不全接続の神経生理学的指標を解明するための有望なツールになる可能性があります。神経生理学的所見は、うつ病の重症度や嗅覚無快感症スコアなどの臨床症状と相関させることができますMDD57の患者に見られる快楽を経験する能力の低下として定義されます。最後に、ここで提示された方法を使用してこれらの患者で効果的な接続の異常が明らかになり、臨床症状と相関する場合、デュアルサイトTMSを繰り返し使用してDLPFC-M1接続を神経調節し、臨床症状を改善することができます。
本手法と結果は、嗅覚系と運動系の相互作用の根底にある神経機構の今後の研究のための概念実証となるが、いくつかの限界と考慮事項に言及する必要がある。まず、測定の信頼性と再現性を高めるために、ターゲットとする脳領域は、解剖学的および機能的な領域に正確に基づいている必要があります(これは特にDLPFCターゲットに当てはまります)。第2に、上述したように、またEフィールド計算モデリングによって実証されたように、コイルの位置決めに用いられる頭皮ベースのターゲティング法は、MRIガイダンス60と比較して最適ではない。TMSポジショニングの精度と精度を最大化するには、患者の頭部と構造的磁気共鳴画像法(MRI)スキャンを同時登録し、コイルの位置に関するリアルタイムのフィードバックを提供するニューロナビゲーションシステムを使用する必要があります38。加えて、計算式電界線量推定は、特定の脳標的61への電界送達を最大化する個々のコイル配置を決定することによって、より効率的で焦点を絞った刺激を提供することが示されている。MEP振幅に関連する結果を解釈する際に考慮すべき3つ目のポイントです。実際、MEP振幅は、経皮質要素を含む皮質脊髄細胞への内因性の異なる神経入力、および脊髄運動ニューロンプールの活動を反映することが知られている62,63,64。したがって、心地よい匂いへの曝露中に観察された皮質脊髄興奮性と効果的な接続性の調節は、MEP振幅の調節に関与する可能性が高い、より複雑な脊髄上および脊椎ネットワークの部分的な画像を提供します。結果の解釈には注意が必要です。

嗅覚刺激が自動反応や運動行動を誘発することは広く認められています。例えば、ヒトでは、陰性の匂いが始まってから500ミリ秒後に発生する回避運動反応(匂い源から遠ざかる)の存在が最近実証されています1。Chalençon et al.(2022)は、フラスコから発せられる匂いを探索する人間の参加者が自由に動く様子を記録することで、運動行動(すなわち、鼻に近づく速度と匂い物質の入ったフラスコの引き抜き)が匂いの快楽学と密接に関連していることを示しました2。さらに、嗅覚系における処理と運動皮質における活動との密接な関係は、最近、脳波計を用いてヒトで実証されています1。具体的には、悪臭の発生から約350ms後に、一次運動野(M1)の上で、行動準備過程を反映することが知られている特定のミューリズムの非同期が観察され、その後まもなく行動的な後退運動が観察されました1。嗅覚系と運動系の関係という考えを強める別の最近の研究では、心地よい匂い物質への曝露は、無臭状態と比較して皮質脊髄の興奮性を高めることが示されました3。この研究では、シングルパルス経頭蓋磁気刺激(spTMS)をM1に適用して、匂い知覚中に筋電図(EMG)で末梢に記録されたターゲットの手の筋肉に運動誘発電位(MEP)を誘発しました。心地よい匂い物質への曝露は、純粋なベルガモットエッセンシャルオイルで浸した紙片によって受動的に提供され、鼻の下の金属ホルダーに置かれました3。これに関連して、皮質脊髄の興奮性の促進が心地よい匂い刺激によるものなのか、それとも嗅ぎや歯の食いしばりなどの非特異的な行動効果によるものなのかは不明のままである4,5。さらに、TMSによって調べられた不快な匂い物質がM1の興奮性をどのように調節するかはまだ不明です。
要約すると、これは、以前の研究で使用された既存の技術よりも次の利点を提供する方法を開発する必要性を強調しています3,6:(1)同じ実験段階内で異なる匂い条件(快/不快/無臭)の提示をランダム化します、(2)運動系を研究する際の人間の鼻呼吸段階(吸気と呼気)に応じて、匂い物質の提示とTMSのタイミングを正確に同期させます。
TMSは、複数の皮質領域とM1の間の皮質-皮質相互作用(有効接続性とも呼ばれる)を高い時間分解能7,8,9,10,11,12で調査するためのツールとしても使用できます。ここでは、第1条件付け刺激(CS)が標的皮質領域を活性化し、別のコイルを使用してM1に第2テスト刺激(TS)を適用してMEPを喚起するデュアルサイトTMS(dsTMS)パラダイムを使用します。CSの効果は、条件付けされたMEPの振幅(dsTMS条件)を無条件のMEPの振幅(spTMS条件)に正規化することによって評価される13。次に、負の比率値は抑制的な皮質-皮質相互作用を示し、正の比率値は2つの刺激領域間の促進的な皮質-皮質相互作用を示します。したがって、dsTMSパラダイムは、前もって活性化された領域とM1の間の効果的な接続性の性質(すなわち、促進的または抑制的)、強度、および変調を特定するユニークな機会を提供します。重要なことに、皮質-皮質相互作用は、促進と抑制の複雑なバランスを反映しており、さまざまなタイミングや精神状態、またはタスクで調節される可能性があります7,14。
私たちの知る限り、比較的新しいdsTMSパラダイムは、異なる快楽的値を持つ匂い知覚中の皮質-皮質相互作用を調査するために使用されたことはありません。しかし、神経画像研究では、心地よい匂い物質と不快な匂い物質への曝露は、補足運動野、前帯状皮質、背外側前頭前皮質(DLPFC)など、感情、意思決定、行動制御に関与する領域の接続性の変化を誘発することが示されています15,16。実際、DLPFCは、感情制御、感覚処理、および準備プロセス17、18、19などの運動制御の高レベルの側面を媒介する重要なノードです。さらに、ヒトと動物の両方の研究により、DLPFCがM1 17、18、20、21、22に多様なニューロン投射を持っているという証拠が提供されています。状況に応じて、これらのDLPFC投影は、M1活性を促進するか阻害するかのいずれかです7、19、20。したがって、DLPFCとM1の間の効果的な接続性は、匂いの提示中に調節され、心地よい匂い物質と不快な匂い物質が分離した皮質ネットワークを動員し、DLPFC-M1の結合性に異なる効果をもたらす可能性があると思われます。
ここでは、皮質脊髄の興奮性の調節と、人間の鼻呼吸と同期して提供される心地よい匂いと不快な匂いの知覚中に発生する可能性のある効果的な接続性の方法論的に厳密な研究に適した新しい方法を提案します。

<table><tbody><tr><td>アクイジションボード(8チャンネル)&nbsp;</td><td>ナショナルインスツルメンツ</td><td>NI USB-6009&nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>エア</td><td>コンプレッサーJun-Air&nbsp;</td><td>Model6-15</td><td></td></tr><tr><td>アルコール準備パッド</td><td>任意の</td><td></td><td></td></tr><tr><td>酪酸</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>B103500</td><td>ネガティブ オイドラント</td></tr><tr><td>デスクトップ コンピュータ</td><td>Dell</td><td>Latitude 3520</td><td></td></tr><tr><td>EMG システム</td><td>Biopac システム</td><td>MP150</td><td></td></tr><tr><td>酢酸イソアミル</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>W205508</td><td>ポジティブ オイドラント</td></tr><tr><td>鼻カニューレ</td><td>SEBACフランス</td><td>O1320</td><td></td></tr><tr><td>プログラマブルパルス発生器</td><td>AMPi</td><td>&nbsp;Master-8</td><td></td></tr>表面<tr><td>電極</td><td>Kendall Medi-trace</td><td>FS327</td><td></td></tr><tr><td>TMS コイル (X2)</td><td>MagStim</td><td>D40 Alpha B.I. コイル&nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>TMSマシン</td><td>MagStim</td><td>Bistim2</td><td></td></tr><tr><td>チューブ 6 mm x 20 m</td><td>ラジオスペア</td><td>686-2671</td><td>空気圧接続</td></tr><tr><td>USB-RS232</td><td>ラジオスペア</td><td>687-7806</td><td></td></tr><tr><td>U字型チューブ</td><td>VSテクノロジー</td><td>VS110115</td><td></td></tr></tbody></table>

呼気同期嗅覚計と脳シミュレーションを組み合わせて、皮質脊髄の興奮性と効果的な接続性に対する匂いの影響を研究

Combining a Breath-Synchronized Olfactometer with Brain Simulation to Study the Impact of Odors on Corticospinal Excitability and Effective Connectivity

動物やヒトにおいて、嗅覚刺激が心地よい匂い物質に近づいたり、不快な匂いを避けたりするなどの運動行動を誘発することは広く認められています。最近、脳波検査と経頭蓋磁気刺激(TMS)を用いた研究により、ヒトの嗅覚系における処理と運動皮質における活動との間に強い関連性があることが実証されています。嗅覚と運動系の相互作用をよりよく理解し、以前の方法論的限界を克服するために、異なるヘドニック値を持つ匂い物質のランダムな順序表示を同期させる嗅覚計と、鼻呼吸位相によるTMS(シングルコイルおよびデュアルコイル)トリガーを組み合わせた新しい方法を開発しました。この方法により、皮質脊髄の興奮性の調節と、心地よい匂いと不快な匂いの知覚中に発生する可能性のある背外側前頭前野と一次運動皮質の間の効果的な同側接続を調べることができます。この方法の適用により、特定の参加者の匂い物質の快感値を客観的に識別できるようになり、脳の効果的な接続性と興奮性に対する匂い物質の生物学的影響を示します。さらに、これは、匂いの快楽性の変化と不適応な接近回避行動を示す可能性のある神経学的または神経精神障害のある患者の臨床研究への道を開く可能性があります。

ここで紹介する代表的なデータは、上記のステップバイステップのプロトコルを完了した後の参加者の記録を反映しており、私たちが何を期待するかについての予備的な洞察を提供します。
図2は、嗅覚計ソフトウェアで記録された代表的な参加者の呼吸信号の例を示しています。呼気期と吸気期は、閾値を超えるとよく検出されます。匂い物質は呼気段階の閾値の直後にトリガーされ、5秒間拡散します。TMSパルスは、吸気位相閾値より遅れて(600ms)トリガされます。
この結果は、今回開発した手法が、ヒトの鼻呼吸の位相に応じて、匂い物質の拡散とTMSのタイミングを精密に同期させることができることを示しています。
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65714/65714fig02.jpg"> 図2:代表的な参加者の呼吸記録からの生データの例。 有効期限フェーズは、しきい値 (赤い線で表される) を超えたときに検出されます。吸気フェーズは、しきい値(青い線で表される)を超えたときに検出されます。匂い物質は呼気段階の閾値の直後にトリガーされ、緑色の線で示されているように5秒間拡散します。TMSパルスは、吸気位相閾値より遅れて(600ms)トリガされます。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65714/65714fig02large.jpg" target="_blank">この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。</a>
図3 は、代表的な参加者の条件(spTMSおよびdsTMS)および臭気ヘドニック値(無臭剤、陽性臭気剤、陰性臭剤)に従って、右FDI筋からのEMGデータ記録(MEP記録)から得られた結果を示しています。spTMS(図3A)とdsTMS(図3B)によって誘発されたMEPのピークtoピーク振幅は、匂い物質の快楽値に応じて変化しました。結果を正規化すると(図3C)、すべてのMEP比が1を下回り、左DLPFCが左M1に抑制効果があることを示しています。この結果は、今回開発した手法により、ヒトの鼻呼吸と同期して、快感と不快の匂いの知覚中に生じる皮質脊髄の興奮性と効果的な結合性の調節を研究できることを示しています。これらの結果は暫定的なものであり、皮質脊髄の興奮性と効果的な接続性に対する匂いの快楽的価値の特定の影響について結論付けるためにさらに調査する価値があります。
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/65714/65714fig03.jpg"> 図3:参加者の右FDI筋からの典型的な生記録の例。 (A)陽性臭気(緑)、陰性臭気(オレンジ)、無臭条件(灰色)のspTMS条件。(B)dsTMS条件、陽性臭気条件(緑)、陰臭条件(オレンジ)、無臭条件(灰色)。(C)代表参加者の正規化手順後に得られたMEP比率。3つのMEP比は1未満であり、M1に対するDLPFCの阻害効果を示しています。未加工の MEP トレースは、1 回の試行記録を表します。棒グラフは、各条件で得られた20回の試行の平均、標準偏差、および個々のMEP値を示しています。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/65714/65714fig03large.jpg" target="_blank">この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。</a>

この論文では、呼吸同期嗅覚計を使用して、ヒトの鼻呼吸に同期した匂い物質の提示中にシングルコイルおよびデュアルコイルの経頭蓋磁気刺激(TMS)をトリガーする方法について説明します。この組み合わせにより、心地よい匂いと不快な匂いが、特定の個人の皮質脊髄興奮性と脳に効果的な接続性にどのように影響するかを客観的に調査することができます。

It is widely accepted that olfactory stimulation elicits motor behaviors, such as approaching pleasant odorants and avoiding unpleasant ones, in animals ...

本研究では、嗅覚と脳の運動系の関係について調べることを目指しています。特に、心地よい匂いと不快な匂いが、皮質脊髄へのアクセスと効果的な接続性にどのように影響するかを探ることに興味があります。嗅覚運動相互作用のメカニズムを探るには、2つの方法論的側面を慎重に検討する必要があります。第一に、同じ実験段階内で異なる嗅覚状態を提供することが不可欠です。第二に、嗅覚とTMSの刺激と呼吸相の正確な制御と同期が必要です。私たちは、皮質脊髄の興奮性の調節と、心地よい匂いと不快な匂いの知覚中に発生する可能性のある効果的な接続性の厳密な調査のために設計された新しい方法を提示します。これらすべての刺激は、人間の鼻呼吸と同期して提供されます。この方法は、嗅覚と運動系の間の異常な相互作用を調査する臨床研究への道を開きました。現在、これらの手法を、匂いの自律神経知覚の変化や不適応な接近・回避行動を伴う精神疾患の患者さんに適用しています。

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Research

JoVE Journal

Neuroscience

神経科学

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