Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.

Methodenartikel

Combinatie van een ademgesynchroniseerde olfactometer met hersensimulatie om de impact van geuren op corticospinale prikkelbaarheid en effectieve connectiviteit te bestuderen

1.9K weergaven

⸱

DOI:

10.3791/65714

⸱

19 januari 2024

 ,  ,  ,  ,  ,  , 
1PSYR2, Centre de Recherche en Neurosciences de Lyon, Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale U1028, Centre National de la Recherche Scientifique UMR5292, Université Claude Bernard Lyon 1, 2Centre Hospitalier Le Vinatier, 3NEUROPOP, Centre de Recherche en Neurosciences de Lyon, Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale U1028, Centre National de la Recherche Scientifique UMR5292, Université Claude Bernard Lyon 1

In dit artikel

Samenvatting

Dit artikel beschrijft het gebruik van een ademgesynchroniseerde olfactometer om single- en dual-coil transcraniële magnetische stimulatie (TMS) te activeren tijdens de presentatie van geurstof gesynchroniseerd met menselijke neusademhaling. Deze combinatie stelt ons in staat om objectief te onderzoeken hoe aangename en onaangename geuren de corticospinale prikkelbaarheid en herseneffectieve connectiviteit bij een bepaald individu beïnvloeden.

Samenvatting

Het is algemeen aanvaard dat olfactorische stimulatie motorisch gedrag uitlokt, zoals het benaderen van aangename geurstoffen en het vermijden van onaangename geurstoffen, bij dieren en mensen. Onlangs hebben studies met behulp van elektro-encefalografie en transcraniële magnetische stimulatie (TMS) een sterk verband aangetoond tussen verwerking in het reuksysteem en activiteit in de motorische cortex bij mensen. Om de interacties tussen de reuk- en het motorische systeem beter te begrijpen en om enkele van de eerdere methodologische beperkingen te overwinnen, hebben we een nieuwe methode ontwikkeld die een olfactometer combineert die de willekeurige volgorde van geurstoffen synchroniseert met verschillende hedonische waarden en de TMS (single- en dual-coil) triggering met neusademhalingsfasen. Deze methode maakt het mogelijk om de modulaties van corticospinale prikkelbaarheid en effectieve ipsilaterale connectiviteit tussen de dorsolaterale prefrontale cortex en de primaire motorische cortex te onderzoeken die kunnen optreden tijdens aangename en onaangename geurperceptie. De toepassing van deze methode maakt het mogelijk om objectief de aangenaamheidswaarde van een geurstof bij een bepaalde deelnemer te onderscheiden, wat de biologische impact van de geurstof op de effectieve connectiviteit en prikkelbaarheid van de hersenen aangeeft. Bovendien zou dit de weg kunnen vrijmaken voor klinisch onderzoek bij patiënten met neurologische of neuropsychiatrische aandoeningen die mogelijk geurhedonische veranderingen en onaangepast benaderingsvermijdingsgedrag vertonen.

Inleiding

Het is algemeen aanvaard dat olfactorische stimulatie automatische reacties en motorisch gedrag uitlokt. Bij mensen is bijvoorbeeld onlangs het bestaan aangetoond van een ontwijkende motorische reactie (wegleunen van de geurbron) die 500 ms na het begin van de negatieve geur optreedt1. Chalençon et al. (2022) toonden aan dat motorisch gedrag (d.w.z. snelheid van nadering van de neus en terugtrekking van de kolf met de geurstof) nauw verband houdt met geurhedonisme2. Bovendien is onlangs bij mensen een nauw verband aangetoond tussen verwerking in het reuksysteem en activiteit in de motorische cortex met behulp van elektro-encefalografie1. In het bijzonder werd ongeveer 350 ms na het begin van negatieve geuren een specifieke mu-ritmedesynchronisatie, waarvan bekend is dat deze actievoorbereidingsprocessen weerspiegelt, waargenomen boven en in de primaire motorische cortex (M1), kort gevolgd door een gedragsmatige achterwaartse beweging1. Een andere recente studie versterkte het idee van een relatie tussen het reuk- en motorische systeem en toonde aan dat blootstelling aan een aangename geurstof de corticospinale prikkelbaarheid verhoogde in vergelijking meteen geurloze aandoening. In deze studie werd single-pulse transcraniële magnetische stimulatie (spTMS) toegepast op M1 om een motorisch opgewekte potentiaal (MEP) op te roepen in een doelhandspier, perifeer geregistreerd met elektromyografie (EMG) tijdens geurperceptie. Blootstelling aan de aangename geurstof werd passief verzorgd door papieren stroken doordrenkt met pure etherische olie van bergamot en op een metalen houder onder de neus geplaatst3. In deze context blijft het onduidelijk of de facilitering van de corticospinale prikkelbaarheid te wijten is aan de aangename geurprikkeling of aan niet-specifieke gedragseffecten zoals snuiven en tanden op elkaar klemmen 4,5. Bovendien is het nog onbekend hoe een onaangename geurstof de door TMS onderzochte M1-prikkelbaarheid moduleert.

Samenvattend benadrukt dit de noodzaak om een methode te ontwikkelen die de volgende voordelen biedt ten opzichte van bestaande technieken die in eerdere studies werden gebruikt 3,6: (1) randomisatie van de presentatie van verschillende geurcondities (aangenaam/onaangenaam/geen-geur) binnen dezelfde experimentele fase, (2) nauwkeurige synchronisatie van geurstofpresentatie en TMS-timing volgens de menselijke neusademhalingsfasen (inspiratie en uitademing) bij het bestuderen van het motorische systeem.

TMS kan ook worden gebruikt als een hulpmiddel om cortico-corticale interacties, ook wel effectieve connectiviteit genoemd, tussen meerdere corticale gebieden en M1 te onderzoeken met een hoge temporele resolutie 7,8,9,10,11,12. Hier gebruiken we een dual-site TMS (dsTMS)-paradigma, waarbij een first-conditioning stimulatie (CS) een doelcorticaal gebied activeert, en een second-test stimulatie (TS) wordt toegepast op M1 met behulp van een andere spoel om een MEP op te roepen. Het effect van de CS wordt geëvalueerd door de amplitude van de geconditioneerde MEP (dsTMS-conditie) te normaliseren naar de amplitude van de ongeconditioneerde MEP (spTMS-conditie)13. Vervolgens duiden negatieve ratiowaarden op onderdrukkende cortico-corticale interacties, terwijl positieve ratiowaarden duiden op faciliterende cortico-corticale interacties tussen de twee gestimuleerde gebieden. Het dsTMS-paradigma biedt dus een unieke kans om de aard (d.w.z. faciliterend of onderdrukkend), de sterkte en de modulaties van de effectieve connectiviteit tussen het vooraf geactiveerde gebied en M1 te identificeren. Belangrijk is dat cortico-corticale interacties een complexe balans van facilitering en onderdrukking weerspiegelen die kan worden gemoduleerd in verschillende timing en mentale toestanden of taken 7,14.

Voor zover wij weten, is het relatief nieuwe dsTMS-paradigma nooit gebruikt om cortico-corticale interacties tijdens geurperceptie met verschillende hedonische waarden te onderzoeken. Neuroimaging-onderzoeken hebben echter aangetoond dat blootstelling aan aangename en onaangename geurstoffen connectiviteitsveranderingen induceert in gebieden die betrokken zijn bij emotie, besluitvorming en actiecontrole, waaronder het aanvullende motorische gebied, de cortex cingularis anterior en de dorsolaterale prefrontale cortex (DLPFC)15,16. De DLPFC is inderdaad een belangrijk knooppunt dat emotionele controle, sensorische verwerking en aspecten van motorische controle op een hoger niveau bemiddelt, zoals voorbereidende processen 17,18,19. Bovendien hebben zowel studies bij mensen als bij dieren aangetoond dat de DLPFC verschillende neuronale projecties heeft naar M1 17,18,20,21,22. Afhankelijk van de context kunnen deze DLPFC-projecties de M1-activiteit vergemakkelijken of remmen 7,19,20. Het lijkt dus mogelijk dat de effectieve connectiviteit tussen DLPFC en M1 wordt gemoduleerd tijdens geurpresentatie en dat aangename en onaangename geurstoffen gescheiden corticale netwerken rekruteren, wat leidt tot een differentieel effect op DLPFC-M1-connectiviteit.

Hier stellen we een nieuwe methode voor die geschikt is voor de methodologisch rigoureuze studie van de modulaties van corticospinale prikkelbaarheid en effectieve connectiviteit die kunnen optreden tijdens de perceptie van aangename en onaangename geuren, allemaal synchroon met de menselijke neusademhaling.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

Alle experimentele procedures die in de volgende paragrafen worden beschreven, zijn goedgekeurd door een ethische commissie (CPP Ile de France VII, Parijs, Frankrijk, protocolnummer 2022-A01967-36) in overeenstemming met de Verklaring van Helsinki. Alle deelnemers gaven schriftelijke geïnformeerde toestemming voordat ze zich inschreven voor het onderzoek.

1. Werving van deelnemers

  1. Inclusie-/exclusiecriteria.
    1. Inclusief volwassen (> 18 jaar) deelnemers. Screen alle deelnemers op eventuele contra-indicaties voor TMS volgens internationale richtlijnen van deskundigen23.
    2. Sluit deelnemers uit met geïmplanteerde medische apparaten (bijv. cochleair implantaat, pacemaker, enz.), een persoonlijke of familiegeschiedenis van epileptische aanvallen, hoofdpijn, hersentrauma en neuroactieve medicatie. Sluit deelnemers uit die volgens de European Test of Olfactory Capabilities als "anosmisch" worden beschouwd24.
  2. Handigheid: Controleer op rechtshandigheid zoals beoordeeld door de Edinburgh Handedness Inventory-vragenlijst25.
    NOTITIE. Het wordt ten zeerste aanbevolen om alleen rechtshandige deelnemers te rekruteren in onderzoeken die de prikkelbaarheid van corticospinale en effectieve connectiviteit in het motorische systeem beoordelen26,27.
  3. Informatie en geïnformeerde toestemming: Geef alle deelnemers basisinformatie over de onderzoeksdoelstellingen, procedures en risico's die zijn goedgekeurd door de ethische commissie en vraag hen om schriftelijke geïnformeerde toestemming te ondertekenen.

2. Experimentele procedure

  1. Installatie van de patiënt: Vraag de deelnemer om op een comfortabele stoel (type tandartsstoel) te gaan zitten met beide handen ontspannen en geprononceerd. Plaats het hoofd van de deelnemer op een kinsteun om hoofdbewegingen tijdens stimulatie te minimaliseren.
  2. Elektromyografie opnames
    1. Bereid de huid van de deelnemer voor op het aanbrengen van de elektroden met behulp van een exfoliërende scrub om de gebieden lichtjes te schuren en reinig de gebieden met alcoholdoekjes waar elektroden zullen worden aangebracht.
    2. Breng twee zilver/zilverchloride wegwerp opname-elektroden aan met een buikpeesmontage van de eerste dorsale interossale (FDI) spier. Voeg de aardelektrode toe aan de processus styloides van de ellepijp (Figuur 1).
    3. Sluit de elektroden aan op de versterker met kabels en het data-acquisitiesysteem.
    4. Neem het EMG-signaal op met behulp van een analoog-naar-digitaal (AD) conversiesysteem. Versterk en filter EMG-signalen (gain = 1000) met behulp van een bandbreedtefrequentie tussen 10 Hz en 1 kHz. Digitaliseer met een bemonsteringsfrequentie van 2.000 Hz en sla elk EMG-bestand op voor offline analyse.
    5. Controleer de kwaliteit van het signaal dat wordt weergegeven op het computerscherm dat is aangesloten op het data-acquisitiesysteem.
  3. TMS-spoelM1-positie .
    1. Sluit deze spoel aan op de A-stimulator (Figuur 1).
    2. Plaats een nauwsluitende pet over het hoofd van de deelnemer. Gebruik een meetlint om nasion-inion-, tragus-tragus- en hoofdomtrekmetingen uit te voeren op basis van standaard schedeloriëntatiepunten. Identificeer en markeer met een pen het hoekpunt van de hoofdhuid op het snijpunt van de mid-sagittale (nasion-inion) en interaurale (tragus-tragus) lijnen28.
    3. Plaats tangentieel ten opzichte van de hoofdhuid de eerste kleine spoel in de vorm van een acht (binnendiameter: 40 mm) over het veronderstelde handoppervlak van de linker M1 (spoelM1), dat zich 5 cm lateraal van de top bevindt, met het handvat naar achteren en lateraal gericht in een hoek van 45° ten opzichte van de midsagittale lijn, wat resulteert in een posterieure-anterieure stroom (monofasische stroomgolfvorm). Deze oriëntatie komt overeen met een maximale geïnduceerde stroom die binnen M1 binnen M129 vloeit.
    4. Zorg ervoor dat de plaatsing van de spoelM1 optimaal is, in overeenstemming met de meest recente internationale aanbevelingen30. Begin met het toedienen van een paar enkele pulsen op 30% van de maximale stimulatoroutput (%MSO) en controleer of de stimulatie een MEP produceert zoals geregistreerd door het EMG-systeem en weergegeven op het computerscherm dat is aangesloten op het data-acquisitiesysteem.
      1. Als er geen zichtbare reacties zijn, verhoog dan geleidelijk de stimulatie-intensiteit (stappen van 5 %MSO) totdat de leden van het Europees Parlement worden waargenomen. Test vervolgens vier plekken rond de eerste locatie door meerdere pulsen af te geven. Bepaal de gemiddelde piek-tot-piek MEP-amplitude voor elke locatie.
      2. Selecteer de locatie waar de gemiddelde piek-tot-piek MEP-amplitude het hoogst is. Dit is de zogenaamde hotspot locatie voor de deelnemer30. Markeer de locatie van de spoelM1 op de dop om ervoor te zorgen dat de spoel tijdens het experiment correct wordt geplaatst.
  4. Motorische drempel in rust (rMT) en TMS-intensiteiten
    1. Bepaal de rustmotordrempel (rMT) gedefinieerd als de TMS-intensiteit die een kans van 50% oplevert om een MEP23,30 uit te lokken.
      1. Gebruik de beschikbare online freeware (TMS Motor Threshold Assessment Tool, MTAT 2.1), die is gebaseerd op een schatting van de maximale waarschijnlijkheid van parameters met behulp van een sequentiële teststrategie29. De stimulatiesequentie begint altijd met een intensiteit van 37 %MSO.
      2. Laat de ene onderzoeker de spoelM1 vasthouden terwijl een andere aangeeft of de MEP-amplitude > 0,05 mV is. Het voorspellende algoritme bepaalt vervolgens de volgende stimulatie-intensiteit die moet worden toegediend en wordt gestopt na 20 stimulaties, wat voldoende nauwkeurigheid biedt voor de rMT-schatting volgens eerdere studies31-34.
    2. Stel de %MSO in voor de conditionering en de stimulatie van de testpuls. Gebruik de vooraf bepaalde rMT-waarde van de deelnemer.
      OPMERKING: Hier werd de intensiteit voor de eerste conditioneringsstimulatie (coilDLPFC) ingesteld op 110% van de rMT19,20. De intensiteit van de teststimulatie (spoelM1) werd vastgesteld op 120% van de rMT, een intensiteit die enigszins afwijkt van eerdere studies die een TS-intensiteit gebruikten die bij alle deelnemers een MEP van ~1 mV opriep19,20 . Deze vaste piek-tot-piekintensiteit doet zich voor op zeer verschillende punten op de input-output-rekruteringscurven als gevolg van de hoge variabiliteit tussen proefpersonen in motoroutput35. Daarom kan de stimulatie-intensiteit worden geoptimaliseerd met behulp van 120% RMT-intensiteit bij individuen.
  5. TMS-spoelDLPFC-positionering
    1. Sluit deze spoel aan op de B-stimulator (Figuur 1).
    2. Gebruik de onlangs bijgewerkte hoofdhuidheuristiek om het gebied van de hoofdhuid te lokaliseren dat overeenkomt met de linker DLPFC36,37 om de positie van de tweede kleine achtvormige spoel (interne diameter: 40 mm) over de DLPFC (spoelDLPFC) te schatten. Download de online Excel Spreadsheet Calculation Tool36 en voer de nasion-inion- en tragus-tragus-afstanden en de hoofdomtrek in centimeters in als invoer. Rapporteer de XLA en de YLA afstanden direct op het hoofd van de deelnemer.
    3. Plaats de spoelDLPFC tangentieel op de hoofdhuid boven de veronderstelde linker DLPFC-locatie, met het handvat naar beneden en lateraal in een hoek van -45° ten opzichte van de middensagittale lijn. Markeer de plaatsing van deDLPFC-spoel op de dop om ervoor te zorgen dat de spoel tijdens het experiment correct wordt geplaatst.
      OPMERKING: Deze op de hoofdhuid gebaseerde targetingmethode voor zowel coilM1 - als coilDLPFC-locaties is niet optimaal. Het is zelfs bekend dat het minder nauwkeurig is dan de neuronavigatiemethode die wordt gebruikt om de interessegebieden van de hersenen aan te pakken op basis van individuele T1 anatomische magnetische resonantiebeeldvorming (MRI)38.
  6. Vertraging tussen de conditionerings- en testpulsen: Stel deze vertraging in op 10 ms op het pulsgeneratorapparaat.
    OPMERKING: Hier is de vertraging vastgesteld op 10 ms op basis van eerdere studies die een remmende invloed van de linker DLPFC naar de linker M1 aantonen bij dit interval19,20. Dit remmende effect dat na 10 ms wordt waargenomen, is waarschijnlijk het gevolg van de activering van de basale ganglia via de DLPFC-projecties naar de pre-SMA, waardoor een indirecte invloed wordt uitgeoefend op M139. De vertraging kan in de code worden aangepast aan de behoeften van de gebruiker. Een langer interstimulatie-interval (d.w.z. 25 ms) kan bijvoorbeeld worden gebruikt om polysynaptische indirecte cortico-subcorticaal-corticale circuits te onderzoeken die DLPFC verbinden met M119. Bovendien zijn differentiële faciliterende/remmende invloeden aangetoond met behulp van dual-site ppTMS tussen meerdere corticale gebieden, met intervallen variërend van 1 ms tot 150 ms40,41. Het feit dat het interval kan worden aangepast, opent dus de weg naar een breed scala aan mogelijkheden voor toekomstige onderzoeksstudies.
  7. Olfactometer-instellingen
    1. Kies geurstoffen met aangename en onaangename hedonistische waarden. Verdun de geurstoffen vooraf afzonderlijk in minerale olie om een iso-intense perceptie te creëren.
      OPMERKING: Hier waren de selectie en concentratie van geurstoffen (d.w.z. isoamylacetaat en boterzuur verdund tot respectievelijk 0,6% en 0,11% vol/vol-concentraties) gebaseerd op eerdere studies door onze groep met dezelfde olfactometeropstelling en geurstoffen42,43. Een pilotstudie bevestigt dat de positieve en de negatieve geuren niet verschilden in termen van intensiteit, maar tegengesteld waren in hedonische waarde. In de controletoestand (d.w.z. geen geurstof) wordt alleen luchtstroom aan de deelnemer geleverd.
    2. Schrijf de code om de geurstoffen af te leveren. Vermeld voor elke proef de totale duur van de proef, de toe te dienen geurstof, het debiet van de geurstofregelaar (in milliliter per minuut), het debiet van de luchtregelaar van de drager (in milliliter per minuut) en het debiet van de zuigregelaar.
      NOTITIE: De volgorde van de geleverde geurstof kan worden gerandomiseerd tussen positief, negatief en geurloos. Hier heeft elke proef een duur van 12 seconden. De volgorde van de geleverde geur was pseudo-willekeurig. Bovendien werd op basis van een pilotexperiment het debiet van de geurregelaar ingesteld op 200 ml/min, het debiet van de luchtregelaar van de drager op 500 ml/min en het debiet van de zuigregelaar op 100 ml/min.
    3. Plaats de neuscanule in de buurt van de neusgaten van de deelnemer om de neusademhaling te meten. Instrueer de deelnemer om normaal door de neus te ademen.
    4. Schakel de draagbare luchtcompressor, de olfactometerbehuizing en de pc met de software in. Controleer alle kabelaansluitingen (Figuur 1).
      OPMERKING: De olfactometer die in de huidige studie wordt gebruikt, is in detail beschreven in een eerdere publicatie44 , maar is hier aangepast om TMS-activering mogelijk te maken met variabele vertragingen na detectie van het begin van de inspiratie. In het kort bestaat het apparaat uit verschillende modules, waaronder 1) een luchtbron en luchtbehandelingssysteem afkomstig van een draagbare luchtcompressor, 2) een stimulatiesysteem met elektronische en pneumatische apparaten, 3) een zelfgemaakte mengkop gekoppeld aan een afgiftesysteem dat de diffusie van geurstoffen in de neus van de deelnemer mogelijk maakt, 4) een respiratoir sensorisch systeem dat de olfactometer activeert volgens de neusademhalingsmeting met een neuscanule en 5) een software Controlesysteem44.
    5. Kalibratie: Ga verder met de kalibratiefase (ongeveer 20 s.), die het mogelijk maakt om het ademhalingssignaal van de deelnemer te kalibreren en de detectiedrempels van de expiratoire en inspiratoire fasen aan te passen. In deze software is de uitademingsfase positief en de inademingsfase negatief.
    6. Geurhedonische en intensiteitsbeoordelingen: Lever de twee geurstoffen in een willekeurige volgorde en vraag de deelnemers om de hedonische waarde en intensiteit van elke geurstof te beoordelen op visuele analoge schalen variërend van 1 "helemaal niet aangenaam" tot 9 "extreem aangenaam" en van 1 "helemaal niet intens" tot "extreem intens".
  8. Combinatie van olfactometer en TMS: Stel de vertraging tussen de detectie van de inspiratiefase en de trigger voor het verzenden van de TMS in op 600 ms.
    OPMERKING: De instelling van de vertraging is belangrijk en moet worden bepaald aan de hand van de literatuur en de behoeften van de gebruiker. In dit protocol werd de vertraging vastgesteld op 600 ms, waarvan is aangetoond dat dit de maximale bewuste perceptuele weergave van geurenis 45. Voor TMS-toestand met één puls activeert deze trigger onmiddellijk de A-stimulator en wordt een puls afgegeven door de spoel die op de linker M1 is geplaatst om een ongeconditioneerde MEP op te roepen. Voor een TMS-toestand met dubbele spoel wordt deze trigger naar twee verschillende apparaten gestuurd (via twee coaxkabels die met elkaar zijn verbonden door een T-aansluiting): de eerste activeert onmiddellijk de B-stimulator en een conditioneringspuls wordt afgegeven door de spoel die zich op de linker DLPFC bevindt; de tweede wordt ontvangen door een pulsgenerator die het mogelijk maakt een vaste vertraging te induceren voordat de A-stimulator wordt geactiveerd, waardoor een teststimulatie wordt afgegeven via de spoel die op de linker M1 is geplaatst om een geconditioneerde MEP op te roepen (Figuur 1).

figure-protocol-1
Figuur 1: Experimentele opstelling. De vetgedrukte lijnen staan voor pneumatische verbindingen. Op de olfactometer is een luchtcompressor aangesloten om verschillende luchtstromen te genereren. Een regelaar regelt de druk en de toevoerluchtstroom wordt naar 3 kanalen geleid (via 3 massaregelaars): één voor de luchttransporteur (blauwe lijn), één voor het aspiratiesysteem (bruine lijn) om te reinigen en de stimulatietijd te helpen regelen en de laatste voor de geurstoffen44. Twee U-vormige buizen bevatten de geurstoffen (groen: aangenaam; rood: onaangenaam) waarin ze onder druk worden geconditioneerd in de verzadigde stoomtoestand, waardoor een geodoriseerde luchtstroom met een stabiele intensiteit in de loop van de tijd wordt gegarandeerd. De mengkop wordt gebruikt om de schone en geodoriseerde luchtstromen te mengen. De luchtstroom (geodoriseerd of zuiver) wordt aan de neusgaten afgegeven via twee buizen (grijze lijnen) die zijn bevestigd aan een neuscanule, die ook wordt gebruikt om neusademhaling te registreren (paarse lijn). Op basis van het ademhalingssignaal wordt, zodra de inhalatiefase wordt gedetecteerd, voor de spTMS-conditie een trigger gestuurd naar een pulsgenerator die wordt gebruikt om een vertraging in te stellen (hier: 10 ms), vervolgens naar een TMS-stimulator A die is aangesloten op spoelM1 die wordt toegepast op de linker M1-handspierrepresentatie, terwijl de TMS-stimulator B wordt uitgeschakeld. Voor de dsTMS-conditie wordt onmiddellijk een trigger verzonden naar de TMS-stimulator B die is aangesloten op de spoelDLPFC die over de linker DLPFC wordt toegepast, en het pulsgeneratorapparaat wordt gebruikt om een vertraging in te stellen (hier: 10 ms) voordat de TMS-stimulator A wordt geactiveerd die is aangesloten op de spoelM1. Het ademhalingssignaal en de MEP-amplitude die door het EMG-systeem worden verkregen, worden geregistreerd door software die op een pc is geïnstalleerd. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

3. Afmetingen

  1. Voer het op maat gemaakte coderingsscript uit in de olfactometersoftware (zie stap 2.7.2) om alle combinaties van spTMS en dsTMS met aangename en onaangename geuren en geen geuren in willekeurige volgorde te leveren.
    OPMERKING: Hier werden 20 onderzoeken geregistreerd voor elke aandoening (120 onderzoeken in totaal). Het experiment was verdeeld in 6 blokken van elk 20 proeven. Het aantal proeven voor elke aandoening kan worden gewijzigd op basis van de behoeften van de gebruiker.

4. Data-analyse

  1. Extraheer voor elke deelnemer, aandoening en proef de piek-tot-piek MEP-amplitude. Dit kan worden gedaan met behulp van een van de open-source Toolboxes die online beschikbaar zijn46,47.
  2. Normaliseer de gegevens door een MEP-ratio te berekenen die MEP's uitdrukt die zijn opgewekt door de teststimulatie in dsTMS-onderzoeken ten opzichte van MEP's die zijn opgewekt door de teststimulatie in spTMS-onderzoeken12. Doe dit afzonderlijk voor elke deelnemer en voor elke geuraandoening (d.w.z. geen geur, positieve geur en negatieve geur). Interpreteer na deze procedure de resultaten als volgt: MEP-ratio's boven 1 duiden op een faciliterende invloed van de DLPFC op M1, terwijl MEP-ratio's onder 1 duiden op een remmende invloed van de DLPFC op M1.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

De representatieve gegevens die hier worden gepresenteerd, weerspiegelen opnames van deelnemers na het voltooien van het bovenstaande stapsgewijze protocol om een voorlopig inzicht te geven in wat we kunnen verwachten.

Figuur 2 toont een voorbeeld van de ademhalingssignalen van een representatieve deelnemer die zijn geregistreerd met de olfactometersoftware. De expiratoire en inspiratoire fasen worden goed gedetecteerd wanneer de drempels worden overschreden. De g...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

Het bovenstaande protocol beschrijft een nieuwe methode die het gebruik van een ademgesynchroniseerde olfactometer combineert met TMS met één en twee spoelen om veranderingen in corticospinale prikkelbaarheid en effectieve connectiviteit te onderzoeken, afhankelijk van de hedonische waarde van de geurstoffen. Deze opstelling maakt het mogelijk om objectief de aangenaamheidswaarde van een geurstof bij een bepaalde deelnemer te onderscheiden, wat de biologische impact van de geurstof op de effectieve connectiviteit en reac...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

JB is bestuurslid van de Brain Stimulation Section (STEP) van de Franse Vereniging voor Biologische Psychiatrie en Neuropsychofarmacologie (AFPBN), van de European Society of Brain Stimulation (ESBS), en rapporteert academische onderzoekssubsidies op het gebied van hersenstimulatie van CIHR (Canada), ANR en PHRC (Frankrijk). Andere auteurs hebben niets te onthullen.

Dankbetuigingen

Dit werk werd ondersteund door de Fondation de France, Grant N°: 00123049/WB-2021-35902 (een subsidie ontvangen door J.B. en N.M.). De auteurs danken de Fondation Pierre Deniker voor haar steun (subsidie ontvangen door C.N.) en de medewerkers van het Neuro-Immersion platform voor hun waardevolle hulp bij het ontwerpen van de opstelling.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
Acquisitiebord (8 kanalen) National InstrumentNI USB-6009 
LuchtcompressorJun-Air Model6-15
Alcohol prep padsAny
BoterzuurSigma-AldrichB103500Negatieve geur
Desktop computerDellLatitude 3520
EMG systeemBiopac SystemMP150
Isoamyl acetaatSigma-AldrichW205508Positieve geur
Nasale canuleSEBAC FranceO1320
Programmeerbare pulsgeneratorA.M.P.I Master-8
Oppervlakte elektrodenKendall Medi-traceFS327
TMS spoel (X2)MagStimD40 Alpha B.I. spoel 
TMS apparaatMagStimBistim2
Buis 6 mm x 20 mRadiospare686-2671Pneumatische verbinding
USB-RS232Radiospare687-7806
U-vormige buizenVS technologiesVS110115

Referenties

  1. Iravani, B., Schaefer, M., Wilson, D. A., Arshamian, A., Lundström, J. N. The human olfactory bulb processes odor valence representation and cues motor avoidance behavior. Proceedings of the National Academy of Sciences. 118 (42), e2101209118(2021).
  2. Chalençon, L., Thevenet, M., Noury, N., Bensafi, M., Mandairon, N. Identification of new behavioral parameters to assess odorant hedonic value in humans: A naturalistic approach. Journal of Neuroscience Methods. 366, 109422(2022).
  3. Infortuna, C., et al. Motor cortex response to pleasant odor perception and imagery: The differential role of personality dimensions and imagery ability. Frontiers in Human Neuroscience. 16, 943469(2022).
  4. Ozaki, I., Kurata, K. The effects of voluntary control of respiration on the excitability of the primary motor hand area, evaluated by end-tidal CO2 monitoring. Clinical Neurophysiology. 126 (11), 2162-2169 (2015).
  5. Boroojerdi, B., Battaglia, F., Muellbacher, W., Cohen, L. G. Voluntary teeth clenching facilitates human motor system excitability. Clinical Neurophysiology. 111 (6), 988-993 (2000).
  6. Rossi, S., et al. Distinct olfactory cross-modal effects on the human motor system. PLOS One. 3 (2), e1702(2008).
  7. Neige, C., Rannaud Monany, D., Lebon, F. Exploring cortico-cortical interactions during action preparation by means of dual-coil transcranial magnetic stimulation: A systematic review. Neuroscience and Biobehavioral Reviews. 128 (October 2020), 678-692 (2020).
  8. Koch, G. Cortico-cortical connectivity: the road from basic neurophysiological interactions to therapeutic applications. Experimental Brain Research. 238 (7-8), 1677-1684 (2020).
  9. Derosiere, G., Vassiliadis, P., Duque, J. Advanced TMS approaches to probe corticospinal excitability during action preparation. NeuroImage. 213 (November 2019), 116746(2020).
  10. Goldenkoff, E. R., Mashni, A., Michon, K. J., Lavis, H., Vesia, M. Measuring and manipulating functionally specific neural pathways in the human motor system with transcranial magnetic stimulation. Journal of Visualized Experiments JoVE. 156, 60706(2020).
  11. Malderen, S. V., Hehl, M., Verstraelen, S., Swinnen, S. P., Cuypers, K. Dual-site TMS as a tool to probe effective interactions within the motor network: a review. Reviews in the Neurosciences. 34 (2), 129-221 (2023).
  12. Neige, C., et al. Connecting the dots: Harnessing dual-site transcranial magnetic stimulation to assess the causal influence of medial frontal areas on the motor cortex. Cerebral Cortex. , bhad370(2023).
  13. Ferbert, A., Priori, A., Rothwell, J. C., Day, B. L., Colebatch, J. G., Marsden, C. D. Interhemispheric inhibition of the human motor cortex. The Journal of physiology. 453, 525-546 (1992).
  14. Rothwell, J. C. Using transcranial magnetic stimulation methods to probe connectivity between motor areas of the brain. Human Movement Science. 30 (5), 906-915 (2011).
  15. Carlson, H., Leitão, J., Delplanque, S., Cayeux, I., Sander, D., Vuilleumier, P. Sustained effects of pleasant and unpleasant smells on resting state brain activity. Cortex. 132, 386-403 (2020).
  16. Farruggia, M. C., Pellegrino, R., Scheinost, D. Functional connectivity of the chemosenses: A review. Frontiers in Systems Neuroscience. 16, 865929(2022).
  17. Hasan, A., Galea, J. M., Casula, E. P., Falkai, P., Bestmann, S., Rothwell, J. C. Muscle and timing-specific functional connectivity between the dorsolateral prefrontal cortex and the primary motor cortex. Journal of Cognitive Neuroscience. 25 (4), 558-570 (2013).
  18. Brown, M. J. N., Goldenkoff, E. R., Chen, R., Gunraj, C., Vesia, M. Using dual-site transcranial magnetic stimulation to probe connectivity between the dorsolateral prefrontal cortex and ipsilateral primary motor cortex in humans. Brain Sciences. 9 (8), 177(2019).
  19. Xia, X., et al. Connectivity from ipsilateral and contralateral dorsolateral prefrontal cortex to the active primary motor cortex during approaching-avoiding behavior. Cortex. 157, 155-166 (2022).
  20. Wang, Y., Cao, N., Lin, Y., Chen, R., Zhang, J. Hemispheric differences in functional interactions between the dorsal lateral prefrontal cortex and ipsilateral motor cortex. Frontiers in Human Neuroscience. 14, 1-6 (2020).
  21. Gabbott, P. L. A., Warner, T. A., Jays, P. R. L., Salway, P., Busby, S. J. Prefrontal cortex in the rat: Projections to subcortical autonomic, motor, and limbic centers. Journal of Comparative Neurology. 492 (2), 145-177 (2005).
  22. Yeterian, E. H., Pandya, D. N., Tomaiuolo, F., Petrides, M. The cortical connectivity of the prefrontal cortex in the monkey brain. Cortex. 48 (1), 58-81 (2012).
  23. Rossi, S., et al. Safety and recommendations for TMS use in healthy subjects and patient populations, with updates on training, ethical and regulatory issues: Expert guidelines. Clinical Neurophysiology. 132 (1), 269-306 (2021).
  24. Joussain, P., et al. Application of the European Test of Olfactory Capabilities in patients with olfactory impairment. European Archives of Oto-Rhino-Laryngology. 273 (2), 381-390 (2016).
  25. Oldfield, R. C. The assessment and analysis of handedness: The Edinburgh inventory. Neuropsychologia. 9 (1), 97-113 (1971).
  26. Daligadu, J., Haavik, H., Yielder, P. C., Baarbe, J., Murphy, B. Alterations in cortical and cerebellar motor processing in subclinical neck pain patients following spinal manipulation. Journal of Manipulative and Physiological Therapeutics. 36 (8), 527-537 (2013).
  27. Andersen, K. W., Siebner, H. R. Mapping dexterity and handedness: recent insights and future challenges. Current Opinion in Behavioral Sciences. 20, 123-129 (2018).
  28. Fried, P. J., et al. Training in the practice of noninvasive brain stimulation: Recommendations from an IFCN committee. Clinical Neurophysiology. 132 (3), 819-837 (2021).
  29. Mills, K. R., Boniface, S. J., Schubert, M. Magnetic brain stimulation with a double coil: the importance of coil orientation. Electroencephalography and Clinical Neurophysiology. 85 (1), 17-21 (1992).
  30. Rossini, P. M., et al. Non-invasive electrical and magnetic stimulation of the brain, spinal cord, roots and peripheral nerves: Basic principles and procedures for routine clinical and research application. An updated report from an I.F.C.N. Committee. Clinical Neurophysiology. 126 (6), 1071-1107 (2015).
  31. Awiszus, F. TMS and threshold hunting. Supplements to Clinical Neurophysiology. 56, 13-23 (2003).
  32. Awiszus, F. Using relative frequency estimation of transcranial magnetic stimulation motor threshold does not allow to draw any conclusions about true threshold. Clinical Neurophysiology. 125 (6), 1285-1286 (2014).
  33. Ah Sen, C. B., Fassett, H. J., El-Sayes, J., Turco, C. V., Hameer, M. M., Nelson, A. J. Active and resting motor threshold are efficiently obtained with adaptive threshold hunting. PLoS One. 12 (10), 1-9 (2017).
  34. Neige, C., Rannaud Monany, D., Stinear, C. M., Byblow, W. D., Papaxanthis, C., Lebon, F. Unravelling the modulation of intracortical inhibition during motor imagery: An adaptive threshold-hunting study. Neuroscience. 434, 102-110 (2020).
  35. Burke, D., Pierrot-Deseilligny, E. Caveats when studying motor cortex excitability and the cortical control of movement using transcranial magnetic stimulation. Clinical Neurophysiology. 121 (2), 121-123 (2010).
  36. Mir-Moghtadaei, A., et al. Updated scalp heuristics for localizing the dorsolateral prefrontal cortex based on convergent evidence of lesion and brain stimulation studies in depression. Brain Stimulation. 15 (2), 291-295 (2022).
  37. Siddiqi, S. H., et al. Brain stimulation and brain lesions converge on common causal circuits in neuropsychiatric disease. Nature Human Behaviour. 5 (12), 1707-1716 (2021).
  38. Caulfield, K. A., Fleischmann, H. H., Cox, C. E., Wolf, J. P., George, M. S., McTeague, L. M. Neuronavigation maximizes accuracy and precision in TMS positioning: Evidence from 11,230 distance, angle, and electric field modeling measurements. Brain Stimulation. 15 (5), 1192-1205 (2022).
  39. Cao, N., et al. Plasticity changes in dorsolateral prefrontal cortex associated with procedural sequence learning are hemisphere-specific. NeuroImage. 259, 119406(2022).
  40. Brown, M. J. N., et al. Somatosensory-motor cortex interactions measured using dual-site transcranial magnetic stimulation. Brain Stimulation. 12 (5), 1229-1243 (2019).
  41. Fiori, F., Chiappini, E., Candidi, M., Romei, V., Borgomaneri, S., Avenanti, A. Long-latency interhemispheric interactions between motor-related areas and the primary motor cortex: a dual site TMS study. Scientific reports. 7 (1), 14936(2017).
  42. Fournel, A., Ferdenzi, C., Sezille, C., Rouby, C., Bensafi, M. Multidimensional representation of odors in the human olfactory cortex. Human Brain Mapping. 37 (6), 2161-2172 (2016).
  43. Midroit, M., et al. Neural processing of the reward value of pleasant odorants. Current Biology. 31 (8), 1592-1605.e9 (2021).
  44. Sezille, C., Messaoudi, B., Bertrand, A., Joussain, P., Thévenet, M., Bensafi, M. A portable experimental apparatus for human olfactory fMRI experiments. Journal of Neuroscience Methods. 218 (1), 29-38 (2013).
  45. Kato, M., et al. Spatiotemporal dynamics of odor representations in the human brain revealed by EEG decoding. Proceedings of the National Academy of Sciences. 119 (21), e2114966119(2022).
  46. Jackson, N., Greenhouse, I. VETA: An open-source Matlab-based toolbox for the collection and analysis of electromyography combined with transcranial magnetic stimulation. Frontiers in Neuroscience. 13, 975(2019).
  47. Cunningham, D., Zhang, B., Cahn, A. Transcranial magnetic stimulation (TMS) analysis toolbox: A user friendly open source software for basic and advanced analysis and data sharing of TMS related outcomes. Brain Stimulation: Basic, Translational, and Clinical Research in Neuromodulation. 14 (6), 1641-1642 (2021).
  48. Julkunen, P., Säisänen, L., Hukkanen, T., Danner, N., Könönen, M. Does second-scale intertrial interval affect motor evoked potentials induced by single-pulse transcranial magnetic stimulation. Brain Stimulation. 5 (4), 526-532 (2012).
  49. Pellicciari, M. C., Miniussi, C., Ferrari, C., Koch, G., Bortoletto, M. Ongoing cumulative effects of single tms pulses on corticospinal excitability: An intra- and inter-block investigation. Clinical Neurophysiology. 127 (1), 621-628 (2016).
  50. Li, S., Rymer, W. Z. Voluntary breathing influences corticospinal excitability of nonrespiratory finger muscles. Journal of Neurophysiology. 105 (2), 512-521 (2011).
  51. Boesveldt, S., Frasnelli, J., Gordon, A. R., Lundström, J. N. The fish is bad: Negative food odors elicit faster and more accurate reactions than other odors. Biological Psychology. 84 (2), 313-317 (2010).
  52. Neige, C., Mavromatis, N., Gagné, M., Bouyer, L. J., Mercier, C. Effect of movement-related pain on behaviour and corticospinal excitability changes associated with arm movement preparation. Journal of Physiology. 596 (14), 2917-2929 (2018).
  53. Bergmann, T. O., Hartwigsen, G. Inferring causality from noninvasive brain stimulation in cognitive neuroscience. Journal of Cognitive Neuroscience. 33 (2), 195-225 (2021).
  54. Kulason, S., et al. A comparative neuroimaging perspective of olfaction and higher-order olfactory processing: on health and disease. Seminars in Cell & Developmental Biology. 129, 22-30 (2022).
  55. Athanassi, A., Dorado Doncel, R., Bath, K. G., Mandairon, N. Relationship between depression and olfactory sensory function: a review. Chemical Senses. 46, bjab044(2021).
  56. Grimm, S., et al. Imbalance between left and right dorsolateral prefrontal cortex in major depression is linked to negative emotional judgment: An fmri study in severe major depressive disorder. Biological Psychiatry. 63 (4), 369-376 (2008).
  57. Naudin, M., El-Hage, W., Gomes, M., Gaillard, P., Belzung, C., Atanasova, B. State and trait olfactory markers of major depression. PLOS One. 7 (10), e46938(2012).
  58. Guidali, G., Roncoroni, C., Bolognini, N. Modulating frontal networks' timing-dependent-like plasticity with paired associative stimulation protocols: Recent advances and future perspectives. Frontiers in Human Neuroscience. 15, 658723(2021).
  59. Hernandez-Pavon, J. C., San Agustín, A., Wang, M. C., Veniero, D., Pons, J. L. Can we manipulate brain connectivity? A systematic review of cortico-cortical paired associative stimulation effects. Clinical Neurophysiology. 154, 169-193 (2023).
  60. Deng, Z. -D., Robins, P. L., Dannhauer, M., Haugen, L. M., Port, J. D., Croarkin, P. E. Optimizing TMS coil placement approaches for targeting the dorsolateral prefrontal cortex in depressed adolescents: An electric field modeling study. Biomedicines. 11 (8), 2320(2023).
  61. Gomez, L. J., Dannhauer, M., Peterchev, A. V. Fast computational optimization of TMS coil placement for individualized electric field targeting. NeuroImage. 228, 117696(2021).
  62. Derosiere, G., Duque, J. Tuning the corticospinal system: How distributed brain circuits shape human actions. The Neuroscientist. 26 (4), 359-379 (2020).
  63. Bestmann, S., Krakauer, J. W. The uses and interpretations of the motor-evoked potential for understanding behaviour. Experimental Brain Research. 233 (3), 679-689 (2015).
  64. Reis, J., et al. Contribution of transcranial magnetic stimulation to the understanding of cortical mechanisms involved in motor control. Journal of Physiology. 586 (2), 325-351 (2008).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Meer artikelen verkennen

Olfactorische stimulatieTranscraniële magnetische stimulatieDorsolaterale prefrontale cortexPrimaire motorische cortexSynchronisatie van neusademhalingBenaderings- VermijdingsgedragElektromyografische registratie
Combinatie van een ademgesynchroniseerde olfactometer met hersensimulatie om de impact van geuren op corticospinale prikkelbaarheid en effectieve connectiviteit te bestuderen
Neem contact met ons op
Aanbevelen aan de bibliotheek

Privacy

Gebruiksvoorwaarden

Beleidsoverzicht

Copyright © 2026 MyJoVE Corporation. Alle rechten voorbehouden.