Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.

Artykuł metodologiczny

Połączenie olfaktometru zsynchronizowanego z oddechem z symulacją mózgu w celu zbadania wpływu zapachów na pobudliwość korowo-rdzeniową i efektywną łączność

1.9K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/65714

⸱

19 stycznia 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

W tym artykule

Podsumowanie

Ten artykuł opisuje użycie olfaktometru zsynchronizowanego z oddechem do wyzwalania jedno- i dwucewkowej przezczaszkowej stymulacji magnetycznej (TMS) podczas prezentacji zapachu zsynchronizowanej z ludzkim oddechem przez nos. Ta kombinacja pozwala nam obiektywnie zbadać, jak przyjemne i nieprzyjemne zapachy wpływają na pobudliwość korowo-rdzeniową i efektywną łączność mózgową u danej osoby.

Streszczenie

Powszechnie przyjmuje się, że stymulacja węchowa wywołuje zachowania motoryczne, takie jak zbliżanie się do przyjemnych zapachów i unikanie nieprzyjemnych, u zwierząt i ludzi. Niedawne badania z wykorzystaniem elektroencefalografii i przezczaszkowej stymulacji magnetycznej (TMS) wykazały silny związek między przetwarzaniem w układzie węchowym a aktywnością kory ruchowej u ludzi. Aby lepiej zrozumieć interakcje między układem węchowym a motorycznym oraz przezwyciężyć niektóre z wcześniejszych ograniczeń metodologicznych, opracowaliśmy nową metodę łączącą olfaktometr, który synchronizuje prezentację w kolejności losowej zapachów o różnych wartościach hedonicznych oraz wyzwalanie TMS (pojedyncza i podwójna cewka) z fazami oddychania przez nos. Metoda ta pozwala na badanie modulacji pobudliwości korowo-rdzeniowej i efektywnej łączności ipsilateralnej między grzbietowo-boczną korą przedczołową a pierwszorzędową korą ruchową, które mogą wystąpić podczas przyjemnej i nieprzyjemnej percepcji zapachu. Zastosowanie tej metody pozwoli na obiektywne rozróżnienie wartości przyjemnej substancji zapachowej u danego uczestnika, wskazując biologiczny wpływ substancji zapachowej na efektywną łączność i pobudliwość mózgu. Ponadto może to utorować drogę do badań klinicznych u pacjentów z zaburzeniami neurologicznymi lub neuropsychiatrycznymi, którzy mogą wykazywać hedoniczne zmiany zapachowe i nieprzystosowawcze zachowania unikające zbliżania się.

Wprowadzenie

Powszechnie przyjmuje się, że stymulacja węchowa wywołuje automatyczne reakcje i zachowania motoryczne. Na przykład u ludzi wykazano istnienie reakcji motorycznej unikania (odchylanie się od źródła zapachu) występującej 500 ms po wystąpieniu negatywnego zapachu1. Rejestrując swobodnie poruszających się uczestników badających zapachy wydobywające się z kolb, Chalençon i in. (2022) wykazali, że zachowania motoryczne (tj. szybkość zbliżania się do nosa i wycofywanie kolby zawierającej środek zapachowy) są ściśle związane z hedonizmem zapachów2. Co więcej, ścisły związek między przetwarzaniem w układzie węchowym a aktywnością w korze ruchowej został niedawno wykazany u ludzi za pomocą elektroencefalografii1. W szczególności, około 350 ms po wystąpieniu negatywnych zapachów, zaobserwowano specyficzną desynchronizację rytmu mu, o której wiadomo, że odzwierciedla procesy przygotowania do działania, nad i w obrębie pierwszorzędowej kory ruchowej (M1), po której wkrótce nastąpił behawioralny ruch do tyłu1. Inne niedawne badanie wykazało, że narażenie na przyjemny zapach zwiększa pobudliwość korowo-rdzeniową w porównaniu ze stanem braku zapachu3. W tym badaniu zastosowano jednopulsacyjną przezczaszkową stymulację magnetyczną (spTMS) do M1 w celu wywołania potencjału wywołanego silnikiem (MEP) w docelowym mięśniu ręki, rejestrowanego obwodowo za pomocą elektromiografii (EMG) podczas percepcji zapachu. Ekspozycja na przyjemny zapach była zapewniana pasywnie przez paski papieru nasączone czystym olejkiem eterycznym z bergamotki i umieszczone na metalowym uchwycie pod nosem3. W tym kontekście nie jest jasne, czy ułatwienie pobudliwości korowo-rdzeniowej wynika z przyjemnej stymulacji zapachowej, czy też z niespecyficznych efektów behawioralnych, takich jak wąchanie i zaciskanie zębów4,5. Co więcej, nadal nie wiadomo, w jaki sposób nieprzyjemny zapach moduluje pobudliwość M1 badaną przez TMS.

Podsumowując, podkreśla to potrzebę opracowania metody, która oferuje następujące zalety w porównaniu z istniejącymi technikami używanymi w poprzednich badaniach3,6: (1) losowe wybieranie różnych warunków zapachowych (przyjemny/nieprzyjemny/brak zapachu) w ramach tej samej fazy eksperymentalnej, (2) precyzyjna synchronizacja prezentacji zapachu i czasu TMS zgodnie z fazami oddychania przez nos człowieka (wdech i wydech) podczas badania układu motorycznego.

TMS może być również używany jako narzędzie do badania interakcji korowo-korowych, zwanych również efektywną łącznością, między wieloma obszarami korowymi a M1 z wysoką rozdzielczością czasową7,8,9,10,11,12. W tym przypadku używamy paradygmatu TMS z dwoma miejscami (dsTMS), w którym stymulacja pierwszego warunkowania (CS) aktywuje docelowy obszar kory mózgowej, a stymulacja drugiego testu (TS) jest stosowana na M1 za pomocą innej cewki w celu wywołania MEP. Wpływ CS jest oceniany przez normalizację amplitudy kondycjonowanego MEP (warunek dsTMS) do amplitudy bezwarunkowego MEP (warunek spTMS)13. Następnie ujemne wartości współczynnika wskazują na supresyjne interakcje korowo-korowe, podczas gdy dodatnie wartości współczynnika wskazują na ułatwiające interakcje korowo-korowe między dwoma stymulowanymi obszarami. Paradygmat dsTMS daje zatem wyjątkową okazję do zidentyfikowania natury (tj. ułatwiającej lub tłumiącej), siły i modulacji skutecznej łączności między wstępnie aktywowanym obszarem a M1. Co ważne, interakcje korowo-korowe odzwierciedlają złożoną równowagę między ułatwianiem a tłumieniem, która może być modulowana w różnych stanach czasowych i psychicznych lub zadaniach7,14.

O ile nam wiadomo, stosunkowo nowy paradygmat dsTMS nigdy nie był używany do badania interakcji korowo-korowych podczas percepcji zapachu o różnych wartościach hedonicznych. Jednak badania neuroobrazowe wykazały, że narażenie na przyjemne i nieprzyjemne zapachy wywołuje zmiany w połączeniach w obszarach zaangażowanych w emocje, podejmowanie decyzji i kontrolę działania, w tym w dodatkowym obszarze motorycznym, przedniej korze obręczy i grzbietowo-bocznej korze przedczołowej (DLPFC)15,16. Rzeczywiście, DLPFC jest kluczowym węzłem pośredniczącym w kontroli emocjonalnej, przetwarzaniu sensorycznym i wyższych aspektach kontroli motorycznej, takich jak procesy przygotowawcze17,18,19. Ponadto zarówno badania na ludziach, jak i na zwierzętach dostarczyły dowodów na to, że DLPFC ma zróżnicowane projekcje neuronalne do M117,18,20,21,22. W zależności od kontekstu, te projekcje DLPFC mogą ułatwiać lub hamować aktywność M17,19,20. W związku z tym wydaje się możliwe, że skuteczna łączność między DLPFC i M1 jest modulowana podczas prezentacji zapachu i że przyjemne i nieprzyjemne substancje zapachowe rekrutują oddzielone sieci korowe, co prowadzi do zróżnicowanego wpływu na łączność DLPFC-M1.

Tutaj proponujemy nową metodę odpowiednią do metodologicznie rygorystycznego badania modulacji pobudliwości korowo-rdzeniowej i efektywnej łączności, które mogą wystąpić podczas percepcji przyjemnych i nieprzyjemnych zapachów, a wszystko to dostarczane w synchronizacji z ludzkim oddechem przez nos.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

Wszystkie procedury eksperymentalne opisane w następnych sekcjach zostały zatwierdzone przez Komisję Etyczną (CPP Ile de France VII, Paryż, Francja, numer protokołu 2022-A01967-36) zgodnie z Deklaracją Helsińską. Wszyscy uczestnicy wyrazili pisemną świadomą zgodę przed włączeniem do badania.

1. Rekrutacja uczestników

  1. Kryteria włączenia/wykluczenia.
    1. Włączyć uczestników dorosłych (> 18 lat). Przesiewowo ocenić wszystkich uczestników pod kątem przeciwwskazań do TMS zgodnie z międzynarodowymi wytycznymi ekspertów23.
    2. Wykluczyć uczestników z wszczepionymi urządzeniami medycznymi (np. implantem ślimakowym, rozrusznikiem serca itp.), osobistym lub rodzinnym wywiadem w kierunku napadów drgawkowych, bólów głowy, urazów mózgu oraz przyjmujących leki neuroaktywne. Wykluczyć uczestników uznanych za „anosmicznych” zgodnie z Europejskim Testem Zdolności Węchowych (European Test of Olfactory Capabilities)24.
  2. Preferencja ręki: Sprawdzić praworęczność na podstawie kwestionariusza Edinburgh Handedness Inventory25.
    ​UWAGA. W badaniach oceniających pobudliwość korowo-rdzeniową oraz efektywną łączność w układzie ruchowym silnie zaleca się rekrutację wyłącznie osób praworęcznych26,27.
  3. Informacja i świadoma zgoda: Przekazać wszystkim uczestnikom podstawowe informacje o celach badania, procedurach i ryzyku zatwierdzone przez Komisję Etyczną oraz poprosić o podpisanie pisemnej świadomej zgody.

2. Procedura eksperymentalna

  1. Przygotowanie pacjenta: Poproś uczestnika o usiądnięcie na wygodnym krześle (typu fotel stomatologiczny) z obiema rękami rozluźnionymi i w pronacji. Umieść głowę uczestnika na podstawce pod brodę, aby zminimalizować ruchy głowy podczas stymulacji.
  2. Rejestracja elektromiograficzna
    1. Przygotuj skórę uczestnika przed aplikacją elektrod, używając peelingu do lekkiego zrogowacenia obszarów oraz oczyszczając miejsca aplikacji elektrod za pomocą wacików nasączonych alkoholem.
    2. Przyłóż dwie jednorazowe elektrody rejestrujące srebro/chlorek srebra w montażu brzuszno-ścięgnistym mięśnia krótkiego odwodziciela palca V (FDI). Umieść elektrodę odniesienia na wyrostku rylcowatym kości łokciowej (Rysunek 1).
    3. Połącz elektrody z wzmacniaczem za pomocą kabli oraz z systemem akwizycji danych.
    4. Rejestruj sygnał EMG za pomocą systemu konwersji analogowo-cyfrowej (AD). Wzmocnij i filtruj sygnały EMG (wzmocnienie = 1000), stosując częstotliwość pasma przenoszenia od 10 Hz do 1 kHz. Cyfryzuj sygnał z częstotliwością próbkowania 2 000 Hz i zapisuj każdy plik EMG do późniejszej analizy offline.
    5. Sprawdź jakość sygnału wyświetlanego na ekranie komputera podłączonego do systemu akwizycji danych.
  3. Pozycjonowanie cewki TMSM1.
    1. Podłącz tę cewkę do stymulatora A (Rysunek 1).
    2. Załóż na głowę uczestnika ściśle przylegającą czapkę. Użyj centymetra do wykonania pomiarów nasion-inion, tragus-tragus oraz obwodu głowy w oparciu o standardowe punkty orientacyjne czaszki. Zidentyfikuj i zaznacz markerem wierzchołek czaszki w punkcie przecięcia linii środkowej strzałkowej (nasion-inion) i linii międzyusznej (tragus-tragus)28.
    3. Przyłóż stycznie do skóry pierwszą małą cewkę w kształcie ósemki (średnica wewnętrzna: 40 mm) nad domniemanym obszarem reprezentacji dłoni w lewej M1 (cewkaM1), który znajduje się 5 cm bocznie od wierzchołka, z uchwytem skierowanym do tyłu i na bok pod kątem 45° do linii środkowej strzałkowej, co skutkuje przepływem prądu w kierunku tył-przód (monofazowy przebieg prądu). Taka orientacja odpowiada maksymalnemu prądowi indukowanemu płynącemu w obrębie M129.
    4. Upewnij się, że rozmieszczenie cewkiM1 jest optymalne, zgodnie z najnowszymi międzynarodowymi zaleceniami30. Rozpocznij od podania kilku pojedynczych impulsów przy 30% maksymalnej mocy stymulatora (%MSO) i sprawdź, czy stymulacja wywołuje potencjał wywołany mięśniowy (MEP), rejestrowany przez system EMG i wyświetlany na ekranie komputera podłączonego do systemu akwizycji danych.
      1. Jeśli nie obserwuje się widocznych odpowiedzi, stopniowo zwiększaj intensywność stymulacji (o kroki 5 %MSO), aż do zaobserwowania MEP. Następnie przetestuj cztery punkty wokół pierwszego miejsca, podając wiele impulsów. Wyznacz średnią amplitudę MEP od szczytu do szczytu dla każdego miejsca.
      2. Wybierz lokalizację, w której średnia amplituda MEP od szczytu do szczytu jest najwyższa. Jest to tzw. lokalizacja hotspot dla danego uczestnika30. Zaznacz położenie cewkiM1 na czapce, aby zapewnić prawidłowe rozmieszczenie cewki przez cały czas trwania eksperymentu.
  4. Spoczynkowy próg motoryczny (rMT) i intensywności TMS
    1. Wyznacz spoczynkowy próg motoryczny (rMT), definiowany jako intensywność TMS, która daje 50% prawdopodobieństwa wywołania MEP23,30.
      1. Użyj dostępnego darmowego oprogramowania online (TMS Motor Threshold Assessment Tool, MTAT 2.1), które opiera się na szacowaniu parametrów metodą największej wiarygodności z wykorzystaniem strategii testowania sekwencyjnego29. Sekwencja stymulacji zawsze rozpoczyna się od intensywności ustawionej na 37 %MSO.
      2. Jeden badacz powinien trzymać cewkęM1, podczas gdy drugi wskazuje, czy amplituda MEP jest > 0,05 mV. Algorytm predykcyjny określa następnie kolejną intensywność stymulacji do podania i zostaje zatrzymany po 20 stymulacjach, co zapewnia wystarczającą dokładność szacowania rMT zgodnie z wcześniejszymi badaniami31-34.
    2. Ustaw %MSO dla impulsu warunkującego i impulsu testowego. Skorzystaj z wcześniej wyznaczonej wartości rMT uczestnika.
      UWAGA: W niniejszym przypadku intensywność pierwszej stymulacji warunkującej (cewkaDLPFC) została ustawiona na 110% rMT19,20. Intensywność stymulacji testowej (cewkaM1) została ustawiona na 120% rMT, co nieco różni się od wcześniejszych badań, w których stosowano intensywność TS wywołującą MEP o wartości ~1 mV u wszystkich uczestników19,20. Taka stała intensywność od szczytu do szczytu występuje w bardzo różnych punktach krzywych rekrutacji wejście-wyjście ze względu na wysoką zmienność osobniczą odpowiedzi motorycznej35. Dlatego intensywność stymulacji mogła zostać zoptymalizowana, stosując 120% rMT u wszystkich osób.
  5. Pozycjonowanie cewki TMSDLPFC
    1. Podłącz tę cewkę do stymulatora B (Rysunek 1).
    2. Użyj niedawno zaktualizowanej heurystyki skórznej, aby zlokalizować region skóry odpowiadający lewej DLPFC36,37, w celu oszacowania pozycji drugiej małej cewki w kształcie ósemki (średnica wewnętrzna: 40 mm) nad DLPFC (cewkaDLPFC). Pobierz narzędzie obliczeniowe w arkuszu Excel online36 i wprowadź odległości nasion-inion oraz tragus-tragus i obwód głowy w centymetrach jako dane wejściowe. Wyznacz odległości XLA i YLA bezpośrednio na głowie uczestnika.
    3. Przyłóż stycznie do skóry cewkęDLPFC nad domniemaną lokalizacją lewej DLPFC, z uchwytem skierowanym w dół i na bok pod kątem -45° do linii środkowej strzałkowej. Zaznacz położenie cewkiDLPFC na czapce, aby zapewnić prawidłowe rozmieszczenie cewki przez cały czas trwania eksperymentu.
      UWAGA: Ta metoda celowania oparta na pomiarach skóry dla lokalizacji zarówno cewkiM1, jak i cewkiDLPFC nie jest optymalna. W rzeczywistości wiadomo, że jest ona mniej dokładna niż metoda neuronawigacji stosowana do celowania w interesujące obszary mózgu na podstawie indywidualnych anatomicznych obrazów rezonansu magnetycznego (MRI) w sekwencji T138.
  6. Opóźnienie między impulsami warunkującym a testowym: Ustaw to opóźnienie na 10 ms w generatorze impulsów.
    UWAGA: W niniejszym przypadku opóźnienie jest stałe i wynosi 10 ms w oparciu o wcześniejsze badania wykazujące wpływ hamujący z lewej DLPFC na lewą M1 w tym interwale19,20. Ten efekt hamujący obserwowany przy 10 ms wynika prawdopodobnie z aktywacji jąder podstawy poprzez projekcje DLPFC do przedniego SMA, wywierając tym samym pośredni wpływ na M139. Opóźnienie można dostosować w kodzie zgodnie z potrzebami użytkownika. Na przykład dłuższy interwał między stymulacjami (tj. 25 ms) mógłby zostać użyty do zbadania polisynaptycznych pośrednich obwodów korowo-podkorowo-korowych łączących DLPFC z M119. Ponadto wykazano zróżnicowane wpływy ułatwiające/hamujące przy użyciu ppTMS w dwóch miejscach między wieloma obszarami kory, z interwałami od 1 ms do 150 ms40,41. Zatem możliwość regulacji interwału otwiera szeroki zakres możliwości dla przyszłych badań naukowych.
  7. Ustawienia olfaktometru
    1. Wybierz substancje zapachowe o przyjemnych i nieprzyjemnych wartościach hedonicznych. Rozcieńcz wcześniej poszczególne substancje zapachowe w oleju mineralnym, aby uzyskać izointensywną percepcję.
      UWAGA: W niniejszym przypadku wybór i stężenie substancji zapachowych (tj. octanu izoamylu i kwasu masłowego rozcieńczonych odpowiednio do stężeń 0,6% i 0,11% obj. obj.) oparto na wcześniejszych badaniach naszej grupy z wykorzystaniem tego samego układu olfaktometru i tych samych substancji zapachowych42,43. Badanie pilotażowe potwierdziło, że zapachy pozytywne i negatywne nie różniły się pod względem intensywności, lecz miały przeciwstawne wartości hedoniczne. W warunkach kontrolnych (tj. brak substancji zapachowej) uczestnikowi dostarczany jest tylko przepływ powietrza.
    2. Napisz kod do podawania substancji zapachowych. Dla każdej próby określ całkowity czas trwania próby, substancję zapachową do podania, natężenie przepływu kontrolera zapachów (w mililitrach na minutę), natężenie przepływu regulatora powietrza nośnego (w mililitrach na minutę) oraz natężenie przepływu regulatora ssącego.
      UWAGA: Kolejność podawania zapachów (pozytywny, negatywny, brak zapachu) może być randomizowana. W niniejszym przypadku każda próba trwa 12 s. Kolejność podawanych zapachów została spseudorandomizowana. Dodatkowo, na podstawie eksperymentu pilotażowego, natężenie przepływu kontrolera zapachów ustawiono na 200 mL/min, natężenie przepływu regulatora powietrza nośnego na 500 mL/min, a natężenie przepływu regulatora ssącego na 100 mL/min.
    3. Umieść kaniulę nosową w pobliżu nozdrzy uczestnika, aby mierzyć oddychanie nosowe. Poleć uczestnikowi oddychanie normalnie przez nos.
    4. Włącz przenośną sprężarkę powietrza, obudowę olfaktometru oraz komputer z oprogramowaniem. Sprawdź wszystkie połączenia kablowe (Rysunek 1).
      UWAGA: Olfaktometr użyty w obecnym badaniu został szczegółowo opisany w poprzedniej publikacji44, jednak został tutaj zmodyfikowany, aby umożliwić wyzwalanie TMS z zmiennymi opóźnieniami po wykryciu początku inspiracji. W skrócie, urządzenie składa się z kilku modułów, w tym 1) źródła powietrza i systemu uzdatniania powietrza pochodzącego z przenośnej sprężarki, 2) systemu stymulacji obejmującego urządzenia elektroniczne i pneumatyczne, 3) własnoręcznie wykonanej głowicy mieszającej sprzężonej z systemem podawania, który umożliwia dyfuzję substancji zapachowych w nosie uczestnika, 4) sensorycznego systemu oddechowego, który wyzwala olfaktometr zgodnie z pomiarem oddychania nosowego za pomocą kaniuli nosowej oraz 5) systemowego sterowania oprogramowaniem44.
    5. Kalibracja: Przejdź do fazy kalibracji (ok. 20 s), która pozwala na skalibrowanie sygnału oddechowego uczestnika i dostosowanie progów detekcji faz wydechu i wdechu. W tym oprogramowaniu faza wydechu jest dodatnia, a faza wdechu ujemna.
    6. Oceny hedoniczne i intensywność zapachów: Podaj dwie substancje zapachowe w losowej kolejności i poproś uczestników o ocenę wartości hedonicznej i intensywności każdego zapachu na wizualnych skalach analogowych od 1 „wcale nieprzyjemny” do 9 „wyjątkowo przyjemny” oraz od 1 „wcale nieintensywny” do „wyjątkowo intensywny”.
  8. Łączenie olfaktometru i TMS: Ustaw opóźnienie między detekcją fazy wdechu a wyzwalaczem wysyłającym TMS na 600 ms.
    UWAGA: Ustawienie opóźnienia jest istotne i musi zostać określone zgodnie z literaturą i potrzebami użytkownika. W niniejszym protokole opóźnienie ustawiono na 600 ms, co według badań odpowiada maksymalnej świadomej reprezentacji percepcyjnej zapachów45. W warunkach TMS z pojedynczym impulsem wyzwalacz ten natychmiast aktywuje stymulator A, a impuls jest podawany przez cewkę umieszczoną w lewej M1, aby wywołać nieuwarunkowany MEP. W warunkach TMS z dwiema cewkami wyzwalacz ten jest wysyłany do dwóch różnych urządzeń (poprzez dwa kable koncentryczne połączone rozdzielaczem T): pierwszy natychmiast aktywuje stymulator B i impuls warunkujący jest podawany przez cewkę umieszczoną w lewej DLPFC; drugi jest odbierany przez generator impulsów, który umożliwia wprowadzenie stałego opóźnienia przed aktywacją stymulatora A, dostarczając tym samym stymulację testową przez cewkę umieszczoną w lewej M1, aby wywołać uwarunkowany MEP (Rysunek 1).

figure-protocol-1
Rycina 1: Układ eksperymentalny. Pogrubione linie reprezentują połączenia pneumatyczne. Kompresor powietrza jest podłączony do olfaktometru w celu generowania różnych przepływów powietrza. Regulator kontroluje ciśnienie, a wejściowy przepływ powietrza jest kierowany do 3 kanałów (poprzez 3 regulatory masy): jeden do transportera powietrza (niebieska linia), jeden do systemu aspiracyjnego (brązowa linia) w celu oczyszczania i pomocy w kontrolowaniu czasu stymulacji oraz ostatni do substancji zapachowych44. Dwie rurki w kształcie litery U zawierają substancje zapachowe (zielona: przyjemne; czerwona: nieprzyjemne), w których są one kondycjonowane pod ciśnieniem w stanie pary nasyconej, co zapewnia przepływ powietrza zapachowego o stabilnej intensywności w czasie. Głowica mieszająca służy do mieszania strumieni powietrza czystego i zapachowego. Przepływ powietrza (zapachowego lub czystego) jest dostarczany do nozdrzy za pomocą dwóch rurek (szare linie) przymocowanych do kaniuli nosowej, która jest również wykorzystywana do rejestracji oddychania nosowego (fioletowa linia). Na podstawie sygnału oddechowego, natychmiast po wykryciu fazy wdechu, dla warunku spTMS wyzwalacz jest wysyłany do generatora impulsów służącego do ustawienia opóźnienia (tutaj: 10 ms), a następnie do stymulatora TMS A połączonego z cewką CoilM1 aplikowaną nad lewą reprezentacją mięśni ręki w M1, podczas gdy stymulator TMS B jest wyłączony. Dla warunku dsTMS wyzwalacz jest natychmiast wysyłany do stymulatora TMS B połączonego z cewką CoilDLPFC aplikowaną nad lewym DLPFC, a generator impulsów jest wykorzystywany do ustawienia opóźnienia (tutaj: 10 ms) przed uruchomieniem stymulatora TMS A połączonego z cewką CoilM1. Sygnał oddechowy oraz amplituda MEP rejestrowane przez system EMG są zapisywane przez oprogramowanie zainstalowane na komputerze PC. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tej ryciny.

3. Pomiary

  1. Uruchom specjalnie przygotowany skrypt kodujący w oprogramowaniu olfaktometru (patrz krok 2.7.2), aby podać wszystkie kombinacje spTMS i dsTMS wraz z zapachami przyjemnymi, nieprzyjemnymi oraz brakiem zapachu w losowej kolejności.
    ​UWAGA: W tym przypadku dla każdego warunku zarejestrowano 20 prób (łącznie 120 prób). Eksperyment podzielono na 6 bloków po 20 prób każdy. Liczbę prób dla każdego warunku można zmienić zgodnie z potrzebami użytkownika.

4. Analizy danych

  1. Dla każdego uczestnika, warunku i próby wyekstrahuj amplitudę MEP od szczytu do szczytu. Można to zrobić przy użyciu jednego z dostępnych online otwartoźródłowych zestawów narzędzi (Toolboxes)46,47.
  2. Znormalizuj dane, obliczając stosunek MEP, który wyraża MEP wywołane stymulacją testową w próbach dsTMS w stosunku do MEP wywołanych stymulacją testową w próbach spTMS12. Wykonaj tę czynność oddzielnie dla każdego uczestnika i dla każdego warunku zapachowego (tj. brak zapachu, zapach pozytywny i zapach negatywny). Po przeprowadzeniu tej procedury interpretuj wyniki w następujący sposób: stosunki MEP powyżej 1 wskazują na wpływ facylitujący DLPFC na M1, natomiast stosunki MEP poniżej 1 wskazują na wpływ hamujący DLPFC na M1.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

Przedstawione tutaj reprezentatywne dane odzwierciedlają pomiary dokonane u uczestników po wykonaniu powyższego protokołu krok po kroku, aby zapewnić wstępny wgląd w oczekiwane wyniki.

Rysunek 2  przedstawia przykład reprezentatywnych sygnałów oddechowych uczestnika zarejestrowanych za pomocą oprogramowania olfaktometru. Fazy wydechowa i wdechowa są prawidłowo wykrywane w momencie przekroczenia progów. Podanie substancji zapachowej następuje natychmiast po pr...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

Powyższy protokół opisuje nowatorską metodę łączącą wykorzystanie olfaktometru zsynchronizowanego z oddechem z jedno- i dwucewkowym TMS w celu zbadania zmian w pobudliwości korowo-rdzeniowej i skutecznej łączności w zależności od wartości hedonicznej substancji zapachowych. Taka konfiguracja pozwoli na obiektywne rozróżnienie wartości przyjemnego zapachu u danego uczestnika, wskazując biologiczny wpływ odorantu na efektywną łączność i reaktywność mózgu. Krytyczne etapy tego protokołu obejmują zarówno parametry TMS (rozmi...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

JB jest członkiem zarządu Sekcji Stymulacji Mózgu (STEP) Francuskiego Towarzystwa Psychiatrii Biologicznej i Neuropsychofarmakologii (AFPBN), Europejskiego Towarzystwa Stymulacji Mózgu (ESBS) i zgłasza granty na badania naukowe w dziedzinie stymulacji mózgu od CIHR (Kanada), ANR i PHRC (Francja). Inni autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

Ta praca była wspierana przez Fondation de France, Grant N°: 00123049/WB-2021-35902 (grant otrzymany przez J.B. i N.M.). Autorzy dziękują Fundacji Pierre Deniker za wsparcie (grant otrzymał C.N.) oraz pracownikom platformy Neuro-Immersion za cenną pomoc w projektowaniu układu.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Tablica akwizycyjna (8 kanałów) Instrument krajowyNI USB-6009 
Sprężarka powietrzaJun-Air Model6-15
Podkładki nasączone alkoholemDowolny
kwas masłowySigma-AldrichB103500Ujemny nazapach
Komputer stacjonarnyDellLatitude 3520
BiopacMP150
Octan izoamyluSigma-AldrichW205508Pozytywny zapach
Kaniula nosowaSEBAC FranceO1320
Programowalny generator impulsówA.M.P.I  Master-8
Elektrody powierzchnioweCewka Kendall Medi-traceFS327
TMS (X2)Cewka MagStimD40 Alpha B.I. 
Maszyna TMSMagStimBistim2
Rura 6 mm x 20 mRadiospare686-2671Przyłącze pneumatyczne
USB-RS232Radiospare687-7806
Rurki w kształcie litery UVS technologies VS110115
System EMG System

Bibliografia

  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).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Przeglądaj więcej artykułów

Stymulacja węchowaprzezczaszkowa stymulacja magnetycznagrzbietowo-boczna kora przedczołowapierwotna kora ruchowasynchronizacja oddychania przez noszachowanie zbliżeniowo-unikowerejestracja elektromiograficzna
Połączenie olfaktometru zsynchronizowanego z oddechem z symulacją mózgu w celu zbadania wpływu zapachów na pobudliwość korowo-rdzeniową i efektywną łączność
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki korzystania z usługi

Zasady

Prawa autorskie © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.