인간의 후각 기능을 연구하기위한 자유 호흡 fMRI 방법

이 비디오의 전반적인 목표는 자연 호흡의 간섭 없이 인간의 후각 시스템의 매핑을 효과적으로 탐구하기 위해 효율적이고 쉽게 적용할 수 있는 fMRI 방법을 제시하고 설명하는 것입니다. 냄새와 자극에 반응하는 뇌 활성화를 연구하기 위해 후각 fMRI를 사용하는 데 있어 한 가지 장애물은 호흡과 냄새 전달의 비동시성으로 인해 발생하는 반복적인 냄새 자극의 불일치입니다. 여기에서 볼 수 있듯이, 고정된 타이밍 냄새 자극 패러다임에서 냄새 표현이 호흡과 동기화되지 않을 때, 반복적인 냄새 자극은 호흡의 여러 단계에서 발생할 수 있습니다.

이 문제에 대한 해결책은 호흡 유발 후각 fMRI 패러다임을 설정하는 것입니다. 효과적인 후각 fMRI 데이터 수집은 먼저 습관화와 일관되지 않은 흡입 패턴에 저항하는 후각계에서 이벤트와 관련된 호흡 유발 후각 자극 패러다임을 설계함으로써 수행됩니다. 두 번째 단계는 삼차 자극과 습관화 효과를 최소화하는 냄새 물질을 사용하도록 주의하면서 후각 자극을 위한 냄새 물질을 준비하는 것입니다.

세 번째 단계는 호흡 유발 패러다임을 실행할 수 있는 기능과 함께 후각계를 조립하여 MRI 환경에서 실험을 설정하고 실행하는 것입니다. 마지막 단계는 ONSET 프로그램을 사용하여 데이터를 처리하여 자극의 실제 시작과 지속 시간 벡터를 정의하는 것입니다. 궁극적으로 이 기술은 인간의 후각 시스템에 대한 보다 민감한 탐색과 연결을 촉진할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.

여기에서는 ETT 후각계를 사용하여 호흡 유발 후각 fMRI 실험을 설정하는 방법을 보여줍니다. 패러다임을 만들려면 냄새 채널을 특정 냄새 물질에 할당합니다. 이 olfactometer 시스템에는 6개의 냄새 채널이 있습니다.

이러한 채널의 개폐 순서와 타이밍을 입력하고 편집합니다. 터치스크린의 패러다임 설정 버튼을 누릅니다. 냄새 채널의 개폐 순서를 입력하거나 편집하려면 Valve Sequence의 Edit 버튼을 누르십시오.

완료되면 편집 버튼을 다시 눌러 편집 모드를 종료합니다. 냄새 채널의 개폐에 대한 타이밍 파라미터를 입력하거나 편집하려면 Time Sequence의 Set 버튼을 누르십시오. 완료되면 설정 버튼을 다시 눌러 편집 모드를 종료합니다.

패러다임 설정을 완료한 후 돌아가기 버튼을 눌러 메인 창으로 돌아갑니다. 이 비디오에서는 동일한 농도에서 동일한 냄새 물질의 간단한 자극 패러다임이 입증되었습니다. 각 냄새 물질의 표현은 신선한 공기의 표현과 교차합니다.

이 패러다임에서는 동일한 냄새가 12번 표시됩니다. 매번 냄새 유발 물질은 6초 동안 지속되며 냄새 노출 사이의 시간은 다양합니다. 그에 따라 밸브 개방 및 밸브 닫힘 지속 시간을 설정합니다.

이 시연에서는 한 농도의 라벤더 오일이 준비됩니다. 우리가 라벤더 오일을 사용하는 이유는 삼차 자극을 최소화하고 특정 뇌 영역을 활성화하기 때문입니다. 냄새 물질 농도는 선택한 냄새 물질에 따라 달라질 수 있습니다.

냄새의 이상적인 인식 임계값에 따라 농도를 선택하십시오. 농도를 변화시킴으로써, 우리는 냄새 물질에 대한 습관화 가능성을 줄입니다. 농도를 준비하려면 라벤더 오일과 프로필렌 글리콜을 섞습니다.

프로필렌 글리콜은 부취제에 일반적으로 사용되는 용제이며 안정적이고 거의 무취입니다. 패러다임 디자인에 설명된 대로 모든 용액을 혼합한 후 각 용기 병에 동일한 양의 냄새 물질을 붓습니다. 그런 다음 병을 냄새 나는 물질 캐리어에 올바른 순서로 부착하십시오.

MRI에서 후각계를 설정하려면 기계 옆의 자석실에 냄새 매체를 놓습니다. 도파관을 통해 튜브를 실행하여 캐리어에 연결하고 튜브의 순서가 후각계에 연결하는 순서와 일치하도록 주의하십시오. 편의를 위해 우리는 냄새 채널과 일치하도록 튜브를 색상 코드로 구분합니다.

기기를 켭니다. 필요에 따라 주 공기 흐름과 캐리어 및 플러시에 대한 개별 유량을 조정합니다. 그런 다음 호흡 벨트를 후각계에 연결하고 도파관을 통해 벨트를 실행합니다.

벨트는 피험자의 호흡 활동과 호흡 방아쇠의 활용을 기록합니다. 피험자를 마그넷 룸으로 가져와 피험자에게 안면 마스크를 씌웁니다. 피험자가 누워 있을 때, 명확한 호흡 사건이 있는 가슴이나 복부에 호흡 벨트를 놓습니다.

후각계의 화면에서 호흡 패턴을 확인하십시오. 파도가 안정되면 벨트가 너무 단단히 조여져 호흡 방아쇠가 제대로 작동하지 않습니다. 호흡 트리거 패러다임의 성공적인 실행을 위해서는 명확한 호흡 피크 신호가 중요하므로 완전한 호흡 흔적을 볼 수 있을 때까지 벨트를 조정합니다.

호흡 데이터를 저장할 후각계에 데이터 폴더를 만듭니다. 냄새 표현과 호흡의 동기화는 Paradigm Check를 사용하고 필요에 따라 Trigger Delay Time을 조정하여 정확성을 테스트해야 합니다. 터치스크린의 Paradigm Check 버튼을 누르고 호흡 주기의 흡입 단계에서 냄새 전달이 발생하는지 모니터링합니다.

냄새 전달 기간은 호흡 흔적에서 분홍색으로 강조 표시됩니다. 호기 단계에서 냄새 전달이 시작되면 패러다임 설정으로 돌아가려면 시간 순서에서 트리거 지연을 조정한 다음 패러다임 검사를 다시 실행합니다. 패러다임을 트리거 인(Trigger In) 모드로 설정하여 냄새 자극 패러다임의 실행이 MRI 스캔에 의해 트리거되도록 합니다.

그런 다음 호흡 트리거 시작 기능을 선택합니다. 이제 패러다임을 실행할 준비가 되었습니다. 냄새 자극 패러다임이 완성되면 후각계에 저장된 호흡 데이터를 확인합니다.

이 파일에는 호흡 추적 및 각 기능 MRI 이미지의 타임스탬프, 호흡 유발 요인, 각 냄새 채널의 개폐, 응답 장치를 사용한 피험자 반응이 포함되어 있습니다. fMRI 데이터 처리를 위한 실제 자극 시작 벡터와 지속 시간을 획득하기 위해 프로그램 ONSET을 사용하여 처리할 수 있습니다. ONSET는 IDL 가상 머신에서 실행할 수 있습니다.

냄새 자극 시작 벡터와 지속 시간을 가져오려면 Respiration Validation을 클릭합니다. olfactometer에서 저장된 호흡 데이터 파일을 로드하고 ONSET 처리를 위한 후처리 매개변수를 설정합니다. ONSET을 실행합니다.

냄새 전달 중 각 흡입의 시작인 실제 자극 시작 벡터는 냄새 표현 타이밍과 호흡 추적에 따라 자동으로 감지됩니다. 시작 벡터와 지속 시간 벡터를 포함한 결과는 fMRI 데이터 처리에 활용될 수 있습니다. 표준 절차에 따라 fMRI 데이터를 처리합니다.

다음은 SPM8을 사용한 데이터 처리의 예입니다. SPM 패러다임 설계를 위해 선택한 타이밍 단위에 따라 이미지 번호 또는 시작 벡터 및 지속 시간(초)을 시작 출력에서 사용합니다. 실제 시작 및 기간 벡터를 사용하여 자극 패러다임을 표준 혈역학적 반응 함수(canonical hemodynamic response function)가 있는 기능 데이터에 피팅하여 개별 수준에서 통계적 파라메트릭 맵을 생성합니다.

다음은 냄새 자극에 반응하는 1차 후각 피질 활성화의 예입니다. 호흡에 의해 유발되는 냄새 자극 패러다임, 예를 들어, 동일한 주제에서 볼 수 있는 고정 타이밍 패러다임과 달리, 냄새 전달은 호흡 활동에 의해 유발되지 않습니다. 피험자의 호흡을 조절할 수 없기 때문에, 흡입하는 냄새 물질의 양에는 상당한 변동

이전의 호흡 유발 fMRI 데이터에 사용된 것과 동일한 통계적 임계값으로 이러한 fMRI 데이터를 처리하기 위한 표준 절차에 따라 1차 후각 피질에서 유의미한 활성화가 감지되지 않았습니다. 그러나 호흡 유발 요인이 구현되면 냄새 유발 물질이 항상 흡입과 동기화되어 냄새 자극의 일관성과 정확성이 향상됩니다. 이 비디오를 시청한 후에는 이벤트 관련 호흡 유발 패러다임을 사용하여 후각 fMRI의 현재 관행을 잘 이해하게 될 것입니다.

이 비디오에서 시연된 기술을 마스터하면 추가 후각 자극 패러다임 설계 및 분석 방법을 적용하여 인간 중추 후각 시스템의 기능을 매핑하고 신경 퇴행성 질환의 후각 결핍을 더 자세히 탐구할 수 있습니다.