Een vrije ademhaling fMRI methode om menselijke olfactieve functie te bestuderen

Summary

Wij presenteren de technische uitdagingen en oplossingen voor het verkrijgen van betrouwbare functionele magnetische resonantiebeeldvorming (fMRI) data van het menselijke centrale olfactorische systeem. Dit omvat speciale overwegingen in het olfactorisch fMRI-paradigma-ontwerp, beschrijvingen van fMRI-dataverzameling met een MRI-compatibele olfactometer, geurverdeling en een speciaal softwareprogramma voor data post-processing.

Abstract

De studie van menselijke vervloeking is een zeer complex en waardevol gebied met toepassingen, variërend van biomedisch onderzoek naar klinische evaluatie. Momenteel is evaluatie van de functies van het menselijke centrale olfactorische systeem met functionele magnetische resonantiebeeldvorming (fMRI) nog steeds een uitdaging vanwege technische problemen. Er zijn enkele significante variabelen om rekening te houden bij het overwegen van een effectieve methode voor het in kaart brengen van de functie van het centrale olfactorische systeem met behulp van fMRI, met inbegrip van de juiste reukstofselectie, de interactie tussen geurpresentatie en ademhaling, en mogelijke anticipatie of aanpassing aan geurstoffen. Een gebeurtenisgerelateerde, respiratie-geactiveerde olfactieve fMRI-techniek kan geurstoffen nauwkeurig aansturen om het olfactorische systeem te stimuleren, terwijl potentiële interferentie wordt beperkt. Het kan effectief vastleggen van de precieze aanvang van fMRI signalen in de primaire olfactieve cortex met behulp van onze data post-processing methode. De techniek voorafHier verzonden, biedt een efficiënte en praktische manier om betrouwbare olfactieve fMRI resultaten te genereren. Zo'n techniek kan uiteindelijk in het klinische rijk worden toegepast als een diagnostisch hulpmiddel voor ziektes die verband houden met olfactieve degeneratie, met inbegrip van de ziekte van Alzheimer en Parkinson, als we de complexiteit van het menselijke olfactorische systeem verder begrijpen.

Introduction

Het menselijke olfactorische systeem wordt veel meer begrepen dan een zintuiglijk systeem, omdat olfaction ook een belangrijke rol speelt bij homeostatische regulering en emoties. Klinisch is het menselijk olfactorische systeem bekend om kwetsbaar te zijn tegen aanvallen van veel voorkomende neurologische ziekten en psychiatrische stoornissen, zoals de ziekte van Alzheimer, de ziekte van Parkinson, posttraumatische stressstoornis en depressie ^{1 , 2 , 3 , 4 , 5} . Momenteel is functionele magnetische resonantiebeeldvorming (fMRI) met bloed-zuurstofgehaltenafhankelijk (BOLD) contrast de meest waardevolle techniek voor het mappen van functies van het menselijke brein. Een aanzienlijke hoeveelheid kennis over specifieke functies van centrale olfactorische structuren ( bijv . Piriforme cortex, orbitofrontale cortex, amygdala en insulaire cortex) is verkregen met deze techniekIque ^{6 , 7 , 8 , 9 , 10} .

De toepassing van fMRI op studies van het menselijke centrale olfactorische systeem en bijbehorende aandoeningen is echter belemmerd door twee belangrijke obstakels: snelle aanwending van het BOLD signaal en variabele modulatie door ademhaling. In het dagelijks leven, wanneer we gedurende een bepaalde tijd aan een geurstof blootgesteld worden, raken we snel aan de geur. In feite, wanneer het met behulp van olfactief fMRI wordt bestudeerd, wordt het geurgeïnduceerde fMRI-signaal snel verzwakt door habituation, wat een uitdaging vormt voor de ontwerpen van stimulatieparadigma ^{8 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14} . Het eerste significante BOLD-signaal in de primaire olfactieve cortex blijft alleen bestaanS enkele seconden na het ontstaan ​​van de geur. Daarom moeten olfactieve fMRI-paradigma's langdurige of frequente geurstimulaties in een korte periode vermijden. Om het wervingseffect te verminderen, hebben sommige studies geprobeerd alternerende geuren in een fMRI-paradigma te presenteren. Deze aanpak kan echter data-analyse compliceren, aangezien elke geurstof als een onafhankelijke stimulatie-gebeurtenis kan worden behandeld.

Een ander technisch probleem is ontstaan ​​met variabiliteit in de ademhalingspatronen van proefpersonen; Inhalatie synchroniseert niet altijd met geuradministratie tijdens een fixed-timing paradigma. Het begin en de duur van de olfactorische stimulatie worden gemoduleerd door de ademhaling van elke individu, waardoor fMRI-data kwaliteit en analyse wordt verstoord. Sommige studies hebben geprobeerd dit probleem te verminderen met visuele of auditieve signalen om het adem- en geurend begin te synchroniseren, maar de naleving van de onderwerpen is variabel, vooral in de klinische populatie. De hersenactivaties geassocieerd met wiDeze cues kunnen ook data-analyse compliceren in bepaalde toepassingen. Zodoende kan synchronisatie van inhalatie met geurstoflevering cruciaal zijn voor olfactieve fMRI studies ¹⁵ .

Een extra overweging die essentieel is voor olfactorische fMRI, in het bijzonder in het data-analyseproces, is de selectie van geurstoffen. Het vinden van een passende geurstofconcentratie met betrekking tot de waargenomen intensiteit is belangrijk voor kwantificering en vergelijking van activeringsniveaus in de hersenen onder verschillende experimentele aandoeningen of ziekten. De selectie van geurstoffen moet ook rekening houden met geurvalentie of aangename smaak. Dit is bekend dat divergente temporale profielen in olfactisch leren ^{16 , 17 veroorzaken} . Lavendelgeur is voor deze reden voor deze demonstratie gekozen. Afhankelijk van het doel van een specifieke studie kunnen verschillende geurstoffen betere keuzes zijn. Bovendien moet trigeminale stimulatie minimaal worden verminderdE-activering niet direct verband houdend met olfaction ¹⁸ .

In dit rapport demonstreert we een fMRI techniek om een ​​respiratie-triggered paradigma op te zetten en uit te voeren met behulp van een olfactometer in de magnetische resonantie omgeving. We presenteren ook een postverwerkingshulpmiddel dat bepaalde timingfouten kan verminderen die zich tijdens de acquisitie kunnen voordoen in een poging om de data-analyse verder te verbeteren.

Protocol

Het volgende experimentele protocol volgde de richtlijnen van de Institutional Review Board van de Pennsylvania State University College of Medicine, en het menselijk subject gaf schriftelijk geïnformeerde toestemming voor deelname aan de studie.

Opmerking: Voor het demonstratieproces wordt een simpel geurstimulatieparadigma gegeven met behulp van een in de handel verkrijgbare, MRI-compatibele olfactometer. Dit paradigma heeft bewezen effectief in het verminderen van het habituation effect en heeft betrouwbare olfactorische fMRI data ¹⁵ geproduceerd. Bepaalde stappen die in dit protocol zijn beschreven, kunnen specifiek zijn voor het gebruikte type olfactometer. Echter, elk type uitrusting, zelfgemaakt of in de handel verkrijgbaar met vergelijkbare mogelijkheden, kan op analoge wijze worden gebruikt. De olfactometer moet in staat zijn om respiratie te controleren en een reeks geurstoffen te presenteren met precieze timing. Zorg ervoor dat het gehele geurafgifte systeem (inclusief deOlfactometer) is gebouwd met materialen die niet geschikt zijn voor geurstoffen ( bijv . Glas en polytetrafluorethyleen), en de geurweg is glad en luchtdicht met minimale dode ruimte.

1. Paradigm Design

1. Maak een nieuw paradigma door de luchtstroomklepvolgorde op te geven op een programmeerbare olfactometer.
   OPMERKING: De klepvolgorde is de volgorde en het tijdstip van het openen en sluiten van specifieke luchtkanalen die verschillende concentraties of soorten geurstoffen bevatten. In deze demonstratie werden elk van de kleppen voor de zes kanalen twee keer geopend voor in totaal twaalf geurafleveringen. Wanneer er één ventiel was geopend, werden alle andere ventielen gesloten, en elke klep werd pas opnieuw geopend nadat alle andere ventielen al een keer geopend waren.
   1. Wijs de duur van de stimulus toe (de opening van een specifiek kanaal) en de duur van het te sluiten kanaal.
      OPMERKING: In deze demonstratie was de duur van de geurpresentatie 6 s, terwijlDe duur van de te sluiten kanalen varieerde van 22 s tot 38 s.
   2. Stel het aantal herhalingen voor de volgorde van de klep open en sluit. Hier is het aantal herhalingen 1.
   3. Interleave elke geurend presentatie met een presentatie van geurloze lucht bij dezelfde doorstroming. Geef bijvoorbeeld de luchtstroom naar het onderwerp met of zonder geur bij een stromingssnelheid van 6 L / min in 50% relatieve luchtvochtigheid en kamertemperatuur bij 22 ° C.
      OPMERKING: Dit is belangrijk, aangezien variaties in de luchtstroom tactiele sensatie kunnen veroorzaken.

2. Reukstofbereiding

1. Kies een juiste geurstof voor het geurstimulatieparadigma door de geurvalentie, aangenaamheid, intensiteit, vertrouwdheid en trigeminale component te overwegen (zie tabel 1 ).
   Opmerking: Tabel 1 bevat een lijst van veelgebruikte geurstoffen. Lavendelgeur is gekozen voor deze demonstratie omdat het minimale trigeminale stimulatie bij lage tot matige co heeftNcentraties en wordt algemeen beschouwd als aangenaam en bekend.
2. Kies een goed oplosmiddel ( bijvoorbeeld water, minerale olie, 1,2-propandiol, ethanol) om de geuroplossingen op te stellen.
   OPMERKING: Hier werd 1,2-propandiol gebruikt als oplosmiddel voor het bereiden van de reukstofoplossing.
3. Kies een juiste geurconcentratie voor het geurstimulatieparadigma. Bijvoorbeeld verdunde lavendelolie in 1,2-propandiol bij 0,10% (volume / volume) concentratie voor de olfactorische stimulatie ¹⁹ .
   OPMERKING: dit kan gedaan worden door een psychofysische evaluatie van een reeks verschillende concentraties door een groep normale personen.
4. Zet de juiste geuroplossingen in de geurhouders. Zorg ervoor dat alle containers dezelfde hoeveelheid ruimte, dezelfde hoeveelheid oplossing en hetzelfde oppervlak hebben voor de oplossing. Gebruik bijvoorbeeld zes glazen flessen van 300 ml, aangezien de geurhouderscontainers met elke fles 50 ml 0,10% lavendelolieoplossing bevatten.
5. Verbind eenBreng de geurstoffen naar de juiste kanalen voor geurafgifte.

3. Olfactometer Set-up

1. Controleer de aansluitingen om ervoor te zorgen dat alle geurcontainers goed op de geurdrager zijn bevestigd. Overtrekken niet, omdat dit de afdichting kan beschadigen. De juiste strakheid wordt in een later stap verzekerd door de luchtstroom door elke geurhouder te controleren.
2. Plaats de geurdrager in de magneetkamer en sluit elke buis aan op de olfactometer buiten de kamer, aangezien de hoofdunit niet MR-compatibel is. Controleer visueel op eventuele kinks in de buis, omdat dit de luchtstroom beïnvloedt. De luchtstroom van elk kanaal wordt in een later stap gecontroleerd.
3. Sluit alle buizen van de olfactometer veilig aan op de geurdrager door de nummers op de juiste poorten te koppelen. Voor nauwkeurigheid, kleur-code de buizen, zo dat roze voor kanaal 1, blauw voor kanaal 2, enz .
4. Zorg ervoor dat de luchtstroom door alle kanalen consistent is door een stroom te bevestigenMeter naar het uitgangseinde van de buis. Handmatig open elk kanaal op het bedieningspaneel van de olfactometer, stel de totale luchtstroom evenals de stromingssnelheden van elk kanaal en de spoellijn aan totdat de stromingssnelheid van elk kanaal consistent is.
5. Sluit het gezichtsmasker of neusstuk aan op de geurdrager met polytetrafluorethyleen (PTFE) buis. Zorg ervoor dat de luchtstroom ( bijv . 6 L / min) die aan het onderwerp wordt geleverd, consistent is als de kanalen worden geschakeld.
6. Sluit de radiofrequentie-trigger van het MRI-systeem aan op de "trigger in" -poort op de olfactometer om het geurstimulatieparadigma en fMRI-beeldverzameling te synchroniseren. Er kan een optische-elektrische signaalomvormer nodig zijn.
7. Pas de totale luchtstroom en de stromingssnelheden voor elk kanaal en de spoellijn aan op de ontworpen hoeveelheden. Bijvoorbeeld, een totale luchtstroom van 6 L / min en de stromingssnelheden voor elk kanaal en de spoellijn om 3 L / min te zijn.
8. Verbind de pneumatische respiratoire sensoDe riem naar de reactiepoort van de olfactometer via de pneumatisch-elektrische signaalomvormer.
9. Als er een subjectieve reactie nodig is, sluit u de pneumatische responspaneel aan op de responspoort van de olfactometer via de pneumatische-elektrische signaalomvormer.

4. Experimentele procedure

1. Voer een pre-screening uit om ervoor te zorgen dat de MRI-procedure veilig is voor het onderwerp.
   1. Stel het onderwerp in over de medische geschiedenis, inclusief potentiële implantaten, claustrofobie of andere voorafgaande toestanden die het onderwerp kunnen beïnvloeden om veilig deel te nemen aan het fMRI-onderzoek. Voer ook een geurdrempel test uit van de geurstoffen om ervoor te zorgen dat het onderwerp de geurstoffen kan ruiken tijdens het experiment.
2. Laat het onderwerp liggend liggen op het MRI-onderzoeksbed. Plaats het gezichtsmasker of neusstuk goed op het onderwerp om ervoor te zorgen dat de lucht in de neusvleugels blaast. Plaats de respiratoire sensor op ofwel tHij borst of buik. Vraag het onderwerp om normaal te ademen. Handmatig aanpassen van de dichtheid en plaatsing van de riem die de ademhalingssensor houdt volgens het respiratiepatroon dat op het olfactometer wordt weergegeven.
3. Maak een gegevensmap om de ademhalingsgegevens in de olfactometer op te nemen. Klik op 'bestandsmanager', voer het vaknummer in dat is toegewezen aan het huidige onderwerp en bevestig vervolgens de invoer.
4. Gebruik de optie "paradigmekontrole" om de synchronisatie van geurafgifte en inhalatie te testen zonder de stimulusafgifte te betrekken, en indien nodig handmatig de "ventielvertragingstijd" aanpassen om ervoor te zorgen dat de aanvang van de geurafgifte wordt gesynchroniseerd met de inademingsfase van het vak.
5. Stel de synchronisatie tussen geurstimulatie en fMRI-beeldverzameling in door de "trigg-in" -modus op de besturingseenheid van de olfactometer te selecteren.
   Opmerking: hiermee kan het geurstimulatieparadigma worden gestart met een externe trigger over de "; Trigger in "poort afkomstig van het MRI-systeem. Zo wordt het paradigma niet uitgevoerd totdat de externe trigger van de scanner is ontvangen. Let op wat voor soort triggerpuls (elektrisch of licht) dat de MRI-scanner uitstuurt. Er kan een signaalomvormer nodig zijn om de twee systemen te verbinden.
6. Activeer de ademhalingstoevoer door "resp. Start" te selecteren op de bedieningseenheid van de olfactometer.
   Opmerking: wanneer het geactiveerd wordt, wordt het begin van elk paradigma sequentie-element gesynchroniseerd met inhalatie. Dit kan empirisch worden bereikt door de geurafgifte ongeveer half de helft van een ademhalingscyclus te verlaten vanaf het begin van de uitademingsfase.
7. Start de fMRI-beeldverwerving op de MRI-console; Het geur stimulatie paradigma begint zodra de opname van het beeld begint. Bewaar het ademhalingpatroon voor elke onregelmatige ademhalingsactiviteit.
   Opmerking: Onregelmatige ademhalingsactiviteiten kunnen in de vorm van plateaus, bredere en langere cycli zijn, ofWisselvallige golven. Hierbij werd een BOLD-signaalgevoelige T ₂ * -gewogen echo-planaire sequentie gebruikt voor fMRI-beeldverzameling met 2000 ms herhalingstijd, 30 ms echortijd, 90 ° fliphoek, 220 mm × 220 mm gezichtsveld, 80 × 80 acquisitiematrix, 30 4 mm dikke axiale plakjes en versnellingsfactor 2 voor geïntegreerde parallelle beeldtechnieken.
8. Bij het afronden van het beeldprotocol, verplaats het onderwerp uit de magneet en verwijder het gezichtsmasker / neusstuk.

5. Olfactometer Clean-up

1. Zet de luchtpomp uit. Verwijder de geurhoudercontainers van de geurdrager en vervang deze met schone, lege.
2. Zet de luchtpomp aan. Spoel elk kanaal met geurloze lucht gedurende 5 minuten om resterende geurstoffen in de luchtlijn te verwijderen.
3. Schakel de olfactometer uit.
4. Desinfecteer het neusstuk of het gezichtsmasker met alcoholdoekjes. Spoel het gezichtsmasker of neusstuk met warm water en dan luchtdroog.

6. Data-analyse

1. Om de gegevens te verwerken, laad u het respiratiedatabestand in op de open source software Olfactory Network Stimulation Editing Tool (ONSET) (www.pennstatehershey.org/web/nmrlab/resources/software/onset) ¹⁵
   Opmerking: De ONSET software is ontwikkeld door Xiaoyu Sun. Begin van geurstimulatie op basis van het timing van het paradigma- en ademhalingspoor wordt automatisch gedetecteerd. De werkelijke stimulatievector wordt gedefinieerd als de starttijd van elke effectieve inhalatie tijdens de toediening van de geur.
   1. Meet en vergelijk de ademhalingssnelheid en het volume (het gebied onder elk inhalatie- en uitademingsfasepaar) tussen geur- en geurloze perioden ¹⁵ .
      OPMERKING: Er moet geen significant verschil zijn in deze ademhalingsparameters tussen de geur- en geurloze perioden.
   2. Verwerk de fMRI-gegevens met de werkelijke aanvangs- en duurvectoren van ONSET voor de activering van de centrale olfacSysteem ¹⁵ .

Results

Figuur 1 toont de opstelling van olfactorische fMRI binnen en buiten de magneetkamer, rekening houdend met MR-compatibiliteit. Figuur 2a toont een standaard fix-timing paradigma, terwijl Figuur 2b een paradigma demonstreert waarbij de "respiratier trigger" de synchronisatie van geurafgifte en inhalatie mogelijk maakt.

Een regelm...

Discussion

Experimentele procedures dienen zorgvuldig te worden overwogen en correct uitgevoerd te worden voor het verzamelen van betrouwbare, activeringsactivering data. De kritieke stappen in het protocol omvatten het implementeren van een ademhaling-triggered paradigma om de geurafgifte te synchroniseren met beeldverwerving, de juiste concentraties geurstoffen op te stellen om psychofysische reacties te regelen, de olfactometer op te zetten met een betrouwbaar stabiel ademhalingssignaal en een constante luchtstroom, en respirat...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
3T MR-scanner	Siemens		Elke MR-scanner is acceptabel.
Olfactometer	Emerging Tech Trans, LLC		Elke olfactometer met vergelijkbare mogelijkheden is acceptabel.
6-kanaals odorant drager	Emerging Tech Trans, LLC
Neusstuk/applicateur	Emerging Tech Trans, LLC
PTFE buis	Emerging Tech Trans, LLC
TTL-converterbox	Emerging Tech Trans, LLC
Ademhalingssensorriem	Emerging Tech Trans, LLC
Lavandelolie	Givaudan Flavors Corporation
1,2 propaandiol	Sigma	P6209
ONSET			www.pennstatehershey.org/web/nmrlab/resources/software/onset
SPM8	Wellcome Trust Center for Neuroimaging, University College London, London, UK