Een vrije ademhaling fMRI methode om menselijke olfactieve functie te bestuderen
July 30th, 2017
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.
Het algemene doel van deze video is om een efficiënte en gemakkelijk aanpasbare methode van fMRI te presenteren en uit te leggen om effectief de kaart van het menselijke reukstelsel te verkennen zonder interferentie van natuurlijke ademhaling. Een obstakel bij het gebruik van olfactorische fMRI om de hersenactivatie te bestuderen die reageert op geuren en stimulatie, is de inconsistentie van herhaalde geurstimulatie, die wordt veroorzaakt door de asynchronie van ademhaling en geurtoediening. Zoals hier geïllustreerd, wanneer de geurpresentatie in een vaste tijdsparadigma voor geurstimulatie niet gesynchroniseerd is met de ademhaling, kan de herhaalde geurstimulatie plaatsvinden in verschillende fasen van de ademhaling.
Een oplossing voor dit probleem is het opzetten van een ademhaling-getriggerde olfactorische fMRI-paradigma. Effectieve olfactorische fMRI-gegevensverzameling wordt bereikt door eerst een op gebeurtenissen gebaseerd, ademhaling-getriggerd olfactorisch stimulatieparadigma te ontwerpen op de olfactometer dat bestand is tegen habituatie en inconsistente inadempatroon. De tweede stap is om geuren voor de olfactorische stimulatie voor te bereiden, waarbij zorgvuldig gebruik wordt gemaakt van geuren die trigeminale stimulatie en habituatie-effecten minimaliseren.
De derde stap is het opzetten en uitvoeren van het experiment in de MRI-omgeving door de olfactometer te assembleren met de mogelijkheid om een ademhaling-getriggerd paradigma uit te voeren. De laatste stap is het verwerken van de gegevens met behulp van het programma ONSET om de werkelijke begin- en duurvectoren van de stimuli te definiëren. Uiteindelijke, heeft deze techniek het potentieel om een gevoeliger verkenning en connecties van het menselijke reukstelsel mogelijk te maken.
Hier zullen we demonstreren hoe een ademhaling-getriggerd olfactorisch fMRI-experiment wordt ingesteld met behulp van een ETT Olfactometer. Om een paradigma te creëren, wijs de geurkanalen toe aan specifieke geuren. Er zijn zes geurkanalen beschikbaar in dit olfactometersysteem.
Voer de volgorde en timing van het openen en sluiten van deze kanalen in en bewerk ze. Druk op de knop Paradigm Instelling op de touchscreen. Om de volgorde van het openen en sluiten van de geurkanalen in te voeren of te bewerken, druk op de knop Bewerken voor de Klepvolgorde.
Wanneer u klaar bent, drukt u opnieuw op de knop Bewerken om de bewerkingsmodus te verlaten. Om de timingparameters voor het openen en sluiten van de geurkanalen in te voeren of te bewerken, drukt u op de knop Instellen voor Tijdvolgorde. Wanneer u klaar bent, drukt u opnieuw op de knop Instellen om de bewerkingsmodus te verlaten.
Na het voltooien van de paradigma-instelling, drukt u op de knop Terug om terug te keren naar het hoofdvenster. Gedemonstreerd in deze video is een eenvoudig stimulatieparadigma van dezelfde geur in dezelfde concentratie. Elke geurpresentatie wordt doorweven met de presentatie van frisse lucht.
In dit paradigma wordt dezelfde geur 12 keer gepresenteerd. Elke keer duurt de geurpresentatie zes seconden met variabele tijdsduur tussen de geurpresentaties. Stel de klepopen- en klepsluitduurtijden dienovereenkomstig in.
In deze demonstratie wordt één concentratie lavendelolie bereid. We gebruiken lavendelolie vanwege zijn minimale trigeminale stimulatie en activering van bepaalde hersengebieden. De geurconcentraties kunnen variëren, afhankelijk van de geselecteerde geur.
Kies de concentraties op basis van de ideale perceptiedrempel van de geur. Door de concentratie te variëren, verminderen we de kans op habituatie aan een geur. Om de concentraties voor te bereiden, mengt u de lavendelolie met propyleenglycol.
Propyleenglycol is een veelgebruikt oplosmiddel voor geuren en is stabiel en bijna reukloos. Nadat alle oplossingen zoals beschreven in het paradigma-ontwerp zijn gemengd, giet u dezelfde hoeveelheid geuren in elke containerfles. Bevestig vervolgens de flessen in de juiste volgorde aan de geurdrager.
Plaats de geurdrager in de magneetkamer naast de machine om de olfactometer in de MRI op te zetten. Leid de buizen door de golfgeleider om verbinding te maken met de drager, waarbij erop wordt gelet dat de volgorde van de buizen overeenkomt met de volgorde van verbinding met de olfactometer. Voor gemak coderen we onze slangen om ze te laten overeenkomen met de geurkanalen.
Schakel de machine in. Pas de hoofdluchtstroom aan, indien nodig, evenals de individuele stroomsnelheden voor de drager en spoeling. Verbind vervolgens de ademhalingsriem aan de olfactometer en leid de riem door de golfgeleider.
De riem registreert de ademhalingsactiviteit van het onderwerp, evenals het gebruik van de ademhalingstrigger. Breng het onderwerp naar de magneetkamer en plaats de gezichtsmasker op het onderwerp. Wanneer het onderwerp ligt, plaats de ademhalingsriem om hun borst of buik waar er een duidelijke ademhalingsgebeurtenis is.
Controleer het ademhalingspatroon op het scherm van de olfactometer. Als de golven plateaus vormen, is de riem te strak vastgezet en zal de ademhalingstrigger niet goed werken. Pas de riem aan totdat een volledige ademhalingstrace te zien is, omdat duidelijke ademhalingspieksignalen cruciaal zijn voor een succesvolle uitvoering van een ademhaling-getriggerd paradigma.
Maak een gegevensmap op de olfactometer om de ademhalingsgegevens op te slaan. De synchronie van de geurpresentatie met ademhaling moet op nauwkeurigheid worden getest door de Paradigmacontrole te gebruiken en de Triggervertraging aan te passen, indien nodig. Druk op de knop Paradigmacontrole op de touchscreen en controleer of geurtoediening plaatsvindt tijdens de inademfase van de ademhalingscyclus.
De periode van geurtoediening wordt gemarkeerd in roze kleur op de ademhalingstrace. Als de geurtoediening begint tijdens de uitademfase, ga terug naar de paradigma-instelling, pas de Triggervertraging aan in de tijdvolgorde en voer vervolgens de Paradigmacontrole opnieuw uit. Stel het paradigma in op Trigger In-modus zodat de uitvoering van het geurstimulatieparadigma wordt geactiveerd door MRI-scans.
Selecteer vervolgens de functie Start Ademha
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
Overzicht
Dit artikel bespreekt de technische uitdagingen en oplossingen voor het verkrijgen van betrouwbare fMRI-gegevens van het menselijke centrale olfactorische systeem. Het benadrukt het belang van het synchroniseren van geurtoediening met ademhaling om de gegevenskwaliteit te verbeteren.
Belangrijke studiecomponenten
Wetenschapsgebied
- Neurowetenschappen
- Functionele Magnetische Resonantie Beeldvorming (fMRI)
- Olfactorisch systeem
Achtergrond
- Olfactorische fMRI-onderzoeken staan voor uitdagingen door de asynchronie van ademhaling en geurtoediening.
- Inconsistente geurstimulatie kan hersenactivatiemetingen beïnvloeden.
- Habituatie en trigeminale stimulatie kunnen olfactorische fMRI-resultaten bemoeilijken.
- Een effectief ontwerp van olfactorische fMRI-paradigma's is cruciaal voor betrouwbare gegevensverzameling.
Doel van het onderzoek
- Om een methode te presenteren voor het in kaart brengen van het menselijke olfactorische systeem met behulp van fMRI.
- Om de uitdagingen van het synchroniseren van geurpresentatie met ademhaling aan te pakken.
- Om de betrouwbaarheid van fMRI-gegevensverzameling in olfactorisch onderzoek te verbeteren.
Gebruikte methoden
- Het ontwerpen van een ademhaling-getriggerd olfactorisch fMRI-paradigma.
- Het gebruik van een MRI-compatibele olfactometer voor geurtoediening.
- Het selecteren van odoranten die trigeminale stimulatie minimaliseren.
- Het implementeren van een softwaretool voor gegevens nabewerking.
Belangrijkste resultaten
- Het ademhaling-getriggerde paradigma synchroniseert effectief geurtoediening met ademhaling.
- Geselecteerde odoranten verminderden habituatie-effecten tijdens fMRI-sessies.
- Gegevens nabewerking verbeterde de betrouwbaarheid van fMRI-resultaten.
- Over het algemeen verbetert de methode de studie van het olfactorische systeem.
Conclusies
- Het synchroniseren van geurtoediening met ademhaling is essentieel voor olfactorische fMRI.
- Zorgvuldige selectie van odoranten kan veelvoorkomende uitdagingen in olfactorisch onderzoek mitigeren.
- Deze methode biedt een robuust raamwerk voor toekomstig olfactorisch fMRI-onderzoek.
Veelgestelde vragen
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.
