Method Article

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

DOI:

10.3791/65714

⸱

January 19th, 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 This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Wszystkie procedury eksperymentalne opisane w poniższych sekcjach zostały zatwierdzone przez Komitet Etyki (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/wyłączenia.
    1. Uwzględnij dorosłych (> 18 lat) uczestników. Przebadaj wszystkich uczestników pod kątem wszelkich przeciwwskazań do TMS zgodnie z międzynarodowymi wytycznymi ekspertów23.
    2. Wyklucz uczestników z wszczepionymi urządzeniami medycznymi (np. implantem ślimakowym, rozrusznikiem serca itp.), osobistą lub rodzinną historią napadów, bólów głowy, urazów mózgu i leków neuroaktywnych. Wyklucz uczestników uznanych za "anosmicznych" zgodnie z Europejskim Testem Zdolności Węchowych24.
  2. Ręczność: Sprawdź praworęczność zgodnie z oceną kwestionariusza Inwentarza Ręczności w Edynburgu25.
    NUTA. Zdecydowanie zaleca się rekrutację wyłącznie praworęcznych uczestników do badań oceniających pobudliwość korowo-rdzeniową i efektywną łączność w układzie motorycznym26,27.
  3. Informacje i świadoma zgoda: Przekaż wszystkim uczestnikom podstawowe informacje o celach badania, procedurach i ryzyku zatwierdzonym przez Komisję Etyczną i poproś ich o podpisanie pisemnej świadomej zgody.

2. Procedura eksperymentalna

  1. Instalacja pacjenta: Poproś uczestnika, aby usiadł na wygodnym fotelu (typu fotel dentystyczny) z obiema rękami rozluźnionymi i pronującymi. Umieść głowę uczestnika na podbródku, aby zminimalizować ruchy głowy podczas stymulacji.
  2. Nagrania elektromiograficzne
    1. Przygotuj skórę uczestnika przed nałożeniem elektrody za pomocą peelingu złuszczającego, aby delikatnie zetrzeć obszary i oczyść obszary za pomocą wacików nasączonych alkoholem, na które zostaną nałożone elektrody.
    2. Zastosować dwie jednorazowe elektrody rejestrujące srebro/chlorek srebra z montażem mięśnia brzucha i ścięgna pierwszego grzbietowego mięśnia międzykostnego (FDI). Dodaj elektrodę uziemiającą do wyrostka rylcowego kości łokciowej (Rysunek 1).
    3. Podłącz elektrody do wzmacniacza za pomocą i systemu akwizycji danych.
    4. Zarejestruj sygnał EMG za pomocą systemu konwersji analogowo-cyfrowej (AD). Wzmacniaj i filtruj sygnały EMG (wzmocnienie = 1000) przy użyciu częstotliwości pasma od 10 Hz do 1 kHz. Digitalizuj z częstotliwością próbkowania 2 000 Hz i przechowuj każdy plik EMG do analizy w trybie offline.
    5. Sprawdź jakość sygnału wyświetlanego na ekranie komputera podłączonego do systemu akwizycji danych.
  3. Pozycjacewki TMS M1.
    1. Podłącz tę cewkę do stymulatora A (Rysunek 1).
    2. Umieść ciasno dopasowaną czapkę na głowie uczestnika. Użyj taśmy mierniczej, aby wykonać pomiary nasion-inion, tragus-tragus i obwodu głowy w oparciu o standardowe punkty orientacyjne czaszki. Zidentyfikuj i zaznacz długopisem wierzchołek skóry głowy na przecięciu linii środkowej strzałkowej (nasion-inion) i międzyusznej (tragus-tragus)28.
    3. Umieść stycznie do skóry głowy pierwszą małą cewkę ósemkową (średnica wewnętrzna: 40 mm) nad przypuszczalną powierzchnią dłoni lewej cewki M1 (cewkaM1), która znajduje się 5 cm w bok od wierzchołka, z uchwytem skierowanym do tyłu i na bok pod kątem 45° do linii środkowej, co spowoduje przepływ prądu tylno-przedniego (przebieg prądu jednofazowego). Ta orientacja odpowiada maksymalnemu prądowi indukowanemu płynącemu w M1 w obrębie M129.
    4. Upewnij się, że umieszczenie cewkiM1 jest optymalne, zgodnie z najnowszymi międzynarodowymi zaleceniami30. Zacznij od dostarczenia kilku pojedynczych impulsów przy 30% maksymalnej mocy wyjściowej stymulatora (%MSO) i sprawdź, czy stymulacja wytwarza MEP zarejestrowany przez system EMG i wyświetlany na ekranie komputera podłączonego do systemu akwizycji danych.
      1. Jeśli nie ma widocznych odpowiedzi, stopniowo zwiększaj intensywność stymulacji (przyrosty 5% MSO), aż do zaobserwowania MEP. Następnie przetestuj cztery miejsca wokół pierwszego miejsca, dostarczając wiele impulsów. Określ średnią amplitudę MEP między szczytami dla każdego miejsca.
      2. Wybierz lokalizację, w której średnia amplituda MEP między szczytami jest najwyższa. Jest to tak zwana lokalizacja hotspotu dla uczestnika30. Zaznacz położenie cewkiM1 na nasadce, aby zapewnić prawidłowe umieszczenie cewki przez cały czas trwania eksperymentu.
  4. Spoczynkowy próg motoryczny (rMT) i intensywność TMS
    1. Określ próg motoryki spoczynkowej (rMT) zdefiniowany jako intensywność TMS, która daje 50% prawdopodobieństwo wywołania MEP23,30.
      1. Skorzystaj z dostępnego online darmowego oprogramowania (TMS Motor Threshold Assessment Tool, MTAT 2.1), które opiera się na oszacowaniu parametru maksymalnego prawdopodobieństwa przy użyciu strategii testowania sekwencyjnego29. Sekwencja stymulacji zawsze rozpoczyna się od intensywności ustawionej na 37 %MSO.
      2. Niech jeden eksperymentator trzyma cewkęM1, podczas gdy drugi wskazuje, czy amplituda MEP wynosi > 0,05 mV. Algorytm predykcyjny określa następnie następną intensywność stymulacji do dostarczenia i zatrzymuje się po 20 stymulacjach, co zapewnia wystarczającą dokładność do oszacowania rMT zgodnie z poprzednimi badaniami31-34.
    2. Ustaw %MSO dla kondycjonowania i stymulacji impulsu testowego. Użyj wcześniej określonej wartości rMT uczestnika.
      UWAGA: W tym przypadku intensywność pierwszej stymulacji kondycjonującej (cewkaDLPFC) została ustawiona na 110% klasy rMT19,20. Intensywność stymulacji testowej (cewkaM1) została ustalona na 120% rMT, intensywność, która różni się nieznacznie od poprzednich badań, w których stosowano intensywność TS, która wywoływała MEP ~1 mV u wszystkich uczestników19,< klasa sup = "xref">20 . Ta stała intensywność między szczytami występuje w bardzo różnych punktach krzywych rekrutacji wejścia-wyjścia ze względu na dużą zmienność między obiektami w mocy wyjściowej motorycznej35. W związku z tym intensywność stymulacji można zoptymalizować przy użyciu 120% intensywności RMT u różnych osób.
  5. Pozycjonowanie cewki TMSDLPFC
    1. Podłącz tę cewkę do stymulatora B (Rysunek 1).
    2. Użyj ostatnio zaktualizowanej heurystyki skóry głowy, aby zlokalizować obszar skóry głowy odpowiadający lewemu DLPFC36,37, aby oszacować położenie drugiego małego zwoju ósemki (średnica wewnętrzna: 40 mm) nad DLPFC (cewkaDLPFC). Pobierz narzędzie do obliczania arkuszy kalkulacyjnych Excel online36 i wprowadź odległości nasion-inion i tragus-tragus oraz obwód głowy w centymetrach jako dane wejściowe. Zgłaszaj odległości XLA i YLA bezpośrednio na głowie uczestnika.
    3. Umieść cewkęDLPFC stycznie do skóry głowy nad przypuszczalnym lewym położeniem DLPFC, z uchwytem skierowanym w dół i na bok pod kątem -45° do linii środkowej strzałkowej. Zaznacz położenie cewkiDLPFC na nasadce, aby zapewnić prawidłowe umieszczenie cewki przez cały czas trwania eksperymentu.
      UWAGA: Ta metoda kierowania oparta na skórze głowy zarówno dla lokalizacji cewkiM1, jak icewki DLPFC nie jest optymalna. W rzeczywistości wiadomo, że jest mniej dokładny niż metoda neuronawigacji stosowana do celowania w obszary zainteresowania mózgu na podstawie indywidualnego anatomicznego rezonansu magnetycznego (MRI) T1 38.
  6. Opóźnienie między impulsem kondycjonującym a impulsem testowym: Ustaw to opóźnienie na 10 ms w generatorze impulsów.
    UWAGA: W tym przypadku opóźnienie jest ustalone na 10 ms w oparciu o wcześniejsze badania wykazujące hamujący wpływ z lewej DLPFC na lewą M1 w tym interwale19,20. Ten efekt hamujący obserwowany po 10 ms jest prawdopodobnie spowodowany aktywacją zwojów podstawy za pośrednictwem projekcji DLPFC do pre-SMA, wywierając w ten sposób pośredni wpływ na M139. Opóźnienie można dostosować w kodzie zgodnie z potrzebami użytkownika. Na przykład, dłuższy interwał między stymulacjami (tj. 25 ms) może być wykorzystany do zbadania polisynaptycznych pośrednich obwodów korowo-podkorowo-korowych łączących DLPFC z M119. Ponadto wykazano zróżnicowane wpływy ułatwiające/hamujące przy użyciu ppTMS z podwójnym miejscem między wieloma obszarami kory mózgowej, w odstępach od 1 ms do 150 ms40,41. Tak więc fakt, że interwał można regulować, otwiera drogę do szerokiego wachlarza możliwości dla przyszłych badań naukowych.
  7. Ustawienia olfaktometru
    1. Wybierz substancje zapachowe o przyjemnych i nieprzyjemnych wartościach hedonicznych. Wstępnie rozcieńczyć substancje zapachowe pojedynczo w oleju mineralnym, aby uzyskać intensywną percepcję ISO.
      UWAGA: W tym przypadku dobór i stężenie substancji zapachowych (tj. octanu izoamylu i kwasu masłowego rozcieńczonych odpowiednio do stężeń 0,6% i 0,11% obj./obj.) opierały się na wcześniejszych badaniach przeprowadzonych przez naszą grupę przy użyciu tej samej konfiguracji olfaktometru i substancji zapachowych42,43. Badanie pilotażowe potwierdza, że pozytywne i negatywne zapachy nie różniły się pod względem intensywności, ale były przeciwne pod względem wartości hedonicznej. W warunkach kontrolnych (tj. brak nawaniacza) do uczestnika dostarczany jest tylko przepływ powietrza.
    2. Napisz kod, aby dostarczyć substancje zapachowe. Dla każdej próby należy wskazać całkowity czas trwania próby, nawaniacz, który ma być dostarczony, natężenie przepływu regulatora nawaniacza (w mililitrach na minutę), natężenie przepływu regulatora powietrza nośnego (w mililitrach na minutę ) oraz natężenie przepływu regulatora ssania.
      UWAGA: Kolejność dostarczonego środka zapachowego można losowo podzielić na pozytywny, ujemny i bezzapachowy. W tym przypadku każda próba trwa 12 sekund. Kolejność dostarczania zapachu była pseudolosowa. Ponadto, w oparciu o eksperyment pilotażowy, natężenie przepływu regulatora zapachów ustalono na 200 ml/min, natężenie przepływu regulatora powietrza nośnego na 500 ml/min, a natężenie przepływu regulatora ssania na 100 mL/min.
    3. Umieść kaniulę nosową w pobliżu nozdrzy uczestnika, aby zmierzyć oddech przez nos. Poinstruuj uczestnika, aby oddychał normalnie przez nos.
    4. Włącz przenośną sprężarkę powietrza, obudowę olfaktometru i komputer zawierający oprogramowanie. Sprawdź wszystkie połączenia kablowe (Rysunek 1).
      UWAGA: Olfaktometr użyty w obecnym badaniu został szczegółowo opisany w poprzedniej publikacji44, ale tutaj został zmodyfikowany, aby umożliwić wyzwalanie TMS ze zmiennymi opóźnieniami po wykryciu początku wdechu. Krótko mówiąc, urządzenie składa się z kilku modułów, w tym 1) źródła powietrza i systemu uzdatniania powietrza pochodzącego z przenośnej sprężarki powietrza, 2) systemu stymulacji obejmującego urządzenia elektroniczne i pneumatyczne, 3) domowej roboty głowicy mieszającej sprzężonej z systemem dostarczania, który umożliwia dyfuzję substancji zapachowych w nosie uczestnika, 4) układu czuciowego oddechowego, który uruchamia olfaktometr zgodnie z pomiarem oddychania przez nos za pomocą kaniuli nosowej i 5) System sterowania oprogramowaniem44.
    5. Kalibracja: Przejdź do fazy kalibracji (około 20 s.), która pozwala na kalibrację sygnału oddechowego uczestnika i dostosowanie progów wykrywania fazy wydechowej i wdechowej. W tym oprogramowaniu faza wydechowa jest dodatnia, a faza wdechowa jest ujemna.
    6. Oceny hedoniczne i intensywność zapachu: Dostarcz dwa substancje zapachowe w losowej kolejności i poproś uczestników o ocenę wartości hedonicznej i intensywności każdego środka zapachowego na wizualnych skalach analogowych w zakresie od 1 "wcale nie jest przyjemny" do 9 "wyjątkowo przyjemny" i od 1 "wcale nie jest intensywny" do "niezwykle intensywny".
  8. Połączenie olfaktometru i TMS: Ustaw opóźnienie między wykryciem fazy wdechu a wyzwalaczem wysłania TMS na 600 ms.
    UWAGA: Ustawienie opóźnienia jest ważne i musi być ustalone zgodnie z literaturą i potrzebami użytkownika. W tym protokole opóźnienie zostało ustawione na 600 ms, co okazało się być maksymalną świadomą percepcyjną reprezentacją zapachów45. W przypadku stanu TMS z pojedynczym impulsem wyzwalacz ten natychmiast aktywuje stymulator A, a impuls jest dostarczany przez cewkę umieszczoną po lewej stronie M1, aby wywołać bezwarunkowy MEP. W przypadku stanu TMS z podwójną cewką, ten wyzwalacz jest wysyłany do dwóch różnych urządzeń (za pośrednictwem dwóch koncentrycznych połączonych złączem T): pierwsze z nich natychmiast aktywuje stymulator B, a impuls kondycjonujący jest dostarczany przez cewkę umieszczoną po lewej stronie DLPFC; drugi jest odbierany przez generator impulsów, który umożliwia wywołanie stałego opóźnienia przed aktywacją stymulatora A, dostarczając w ten sposób stymulację testową przez cewkę umieszczoną po lewej stronie M1 w celu wywołania uwarunkowanego MEP (Rysunek 1).

figure-protocol-1
Rysunek 1: Konfiguracja eksperymentalna. Pogrubione linie reprezentują połączenia pneumatyczne. Sprężarka powietrza jest podłączona do olfaktometru w celu generowania różnych przepływów powietrza. Regulator kontroluje ciśnienie, a przepływ powietrza wejściowego jest kierowany do 3 kanałów (przez 3 regulatory masy): jeden dla przenośnika powietrza (niebieska linia), jeden dla systemu aspiracji (brązowa linia) do czyszczenia i pomocy w kontrolowaniu czasu stymulacji i ostatni dla substancji zapachowych44. Dwie rurki w kształcie litery U zawierają substancje zapachowe (zielony: przyjemny; czerwony: nieprzyjemny), w których są one kondycjonowane pod ciśnieniem w stanie pary nasyconej, zapewniając nawaniany przepływ powietrza o stabilnej intensywności w czasie. Głowica mieszająca służy do mieszania strumieni czystego i nawanianego powietrza. Przepływ powietrza (nawanianego lub czystego) jest dostarczany do nozdrzy przez dwie rurki (szare linie) przymocowane do kaniuli nosowej, która służy również do rejestrowania oddechu przez nos (fioletowa linia). Na podstawie sygnału oddechowego, gdy tylko zostanie wykryta faza wdechu, dla stanu spTMS wysyłany jest wyzwalacz do generatora impulsów służącego do ustawiania opóźnienia (tutaj: 10 ms), a następnie do stymulatora TMS A podłączonego do cewkiM1 przyłożonego do reprezentacji mięśnia lewej ręki M1, podczas gdy stymulator TMS B jest wyłączony. W przypadku warunku dsTMS wyzwalacz jest natychmiast wysyłany do stymulatora TMS B podłączonego do cewkiDLPFC przyłożonej do lewego DLPFC, a urządzenie generatora impulsów służy do ustawienia opóźnienia (tutaj: 10 ms) przed wyzwoleniem stymulatora TMS A podłączonego do cewkiM1. Sygnał oddechowy i amplituda MEP rejestrowane przez system EMG są rejestrowane przez oprogramowanie zainstalowane na komputerze PC. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

3. Pomiary

  1. Uruchom niestandardowy skrypt kodujący w oprogramowaniu olfaktometru (patrz krok 2.7.2), aby dostarczyć wszystkie kombinacje spTMS i dsTMS z przyjemnymi i nieprzyjemnymi zapachami oraz brakiem zapachów występującymi w losowej kolejności.
    UWAGA: W tym przypadku zarejestrowano 20 badań dla każdego schorzenia (łącznie 120 badań). Eksperyment został podzielony na 6 bloków po 20 prób każdy. Liczba prób dla każdego warunku może być zmieniana w zależności od potrzeb użytkownika.

4. Analizy danych

  1. Dla każdego uczestnika, warunku i badania wyodrębnij amplitudę MEP od szczytu do szczytu. Można to zrobić za pomocą jednego z zestawów narzędzi typu open source dostępnych online46,47.
  2. Znormalizuj dane, obliczając współczynnik MEP wyrażający MEP wywołane przez stymulację testową w próbach dsTMS w stosunku do MEP wywołanych przez stymulację testową w próbach spTMS12. Zrób to osobno dla każdego uczestnika i dla każdego stanu zapachu (tj. brak zapachu, pozytywny zapach i negatywny zapach). Po tej procedurze zinterpretuj wyniki w następujący sposób: Współczynniki MEP powyżej 1 wskazują na facylitacyjny wpływ DLPFC na M1, podczas gdy współczynniki MEP poniżej 1 wskazują na hamujący wpływ DLPFC na M1.

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Przedstawione tutaj reprezentatywne dane odzwierciedlają nagrania od uczestników po wypełnieniu powyższego protokołu krok po kroku, aby zapewnić wstępny wgląd w to, czego możemy się spodziewać.

Rysunek 2 pokazuje przykład sygnałów oddechowych reprezentatywnego uczestnika zarejestrowanych za pomocą oprogramowania olfaktometru. Faza wydechowa i wdechowa są dobrze wykrywane po przekroczeniu progów. Środek zapachowy jest wyzwalany natychmiast po upływie progu fazy wydechu i dyfunduje przez 5 sekund. Impuls TMS jest wyzwalany z opóźnieniem (600 ms) po progu fazy wdechu.

Ten wynik pokazuje, że opracowana tutaj metoda może precyzyjnie synchronizować dyfuzję zapachów i czas TMS zgodnie z fazami oddychania ludzkiego nosa.

figure-results-1
Rysunek 2: Przykład surowych danych z nagrań oddechowych dla reprezentatywnego uczestnika. Faza wygaśnięcia jest wykrywana po przekroczeniu progu (reprezentowanego przez czerwoną linię). Faza wdechu jest wykrywana po przekroczeniu progu (reprezentowanego przez niebieską linię). Środek zapachowy jest wyzwalany natychmiast po upływie progu fazy wydechu i dyfunduje przez 5 sekund, jak pokazuje zielona linia. Impuls TMS jest wyzwalany z opóźnieniem (600 ms) po progu fazy wdechu. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 3 ilustruje wyniki uzyskane z zapisów danych EMG z prawego mięśnia FDI (zapisy MEP), zgodnie z warunkami (spTMS i dsTMS) oraz wartościami hedonicznymi zapachu (brak zapachu, pozytywny i ujemny zapach) dla reprezentatywnego uczestnika. Amplituda międzyszczytowa MEP wywołana przez spTMS (Rysunek 3A) i przez dsTMS (Rysunek 3B) różniła się w zależności od wartości hedonicznej nawaniacza. Gdy wyniki są znormalizowane (Rysunek 3C), wszystkie współczynniki MEP są poniżej 1, co wskazuje na efekt tłumienia lewego DLPFC na lewym M1. Wynik ten pokazuje, że opracowana tutaj metoda pozwala na badanie modulacji pobudliwości korowo-rdzeniowej i efektywnej łączności, które zachodzą podczas przyjemnej i nieprzyjemnej percepcji zapachu, a wszystko to dostarczane w sposób zsynchronizowany z ludzkim oddechem przez nos. Wyniki te są wstępne i zasługują na dalsze badania, aby wyciągnąć wnioski na temat konkretnego wpływu zapachów, wartości hedonicznych na pobudliwość korowo-rdzeniową i efektywną łączność.

figure-results-2
Rysunek 3: Przykład typowych surowych nagrań z prawego mięśnia FDI uczestnika. (A) stan spTMS z dodatnim odorantem (zielony), ujemnym odorantem (pomarańczowy) i stanem braku zapachu (szary). (B) stan dsTMS, z dodatnim odorantem (zielony), ujemnym odorantem (pomarańczowy) i stanem braku zapachu (szary). C) współczynniki MEP uzyskane po procedurze normalizacji dla reprezentatywnego uczestnika. Trzy współczynniki MEP są poniżej 1, co wskazuje na hamujący wpływ DLPFC na M1. Surowe ślady MEP reprezentują pojedyncze nagranie próbne. Wykresy słupkowe pokazują średnią, odchylenie standardowe i indywidualną wartość MEP z 20 prób uzyskanych w każdym warunku. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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 (rozmieszczenie, intensywność), jak i parametry olfaktometryczne (dobór odorantu, czas w stosunku do faz oddechowych).

To połączenie spTMS i dsTMS z olfaktometrem może być dostosowywane na wiele sposobów, w zależności od potrzeb użytkownika, i ma wyraźne zalety metodologiczne. Jak wspomniano we wprowadzeniu, dwa aspekty metodologiczne wydawały się kluczowe dla bardziej dogłębnego zbadania mechanistycznych podstaw interakcji między układem węchowym i motorycznym. Pierwszym z nich była możliwość przedstawienia różnych warunków zapachowych (przyjemny/nieprzyjemny/brak zapachu) w ramach tej samej fazy eksperymentalnej. Jest to obecnie wykonalne, ponieważ możliwe jest określenie na zasadzie próby po próbie, który środek zapachowy będzie dostarczany pacjentowi ze stałą intensywnością. Jest to kluczowy punkt, ponieważ pozwala na wyeliminowanie systematycznych wewnątrzosobniczych zmian amplitudy MEP w obrębie i pomiędzy blokami bodźców, obserwowanych w poprzednich badaniach, nawet przy stosunkowo długich odstępach międzybodźcowych48,49.

Rzeczywiście, zastosowanie impulsu TMS do M1 pozwala na ilościowe określenie obserwowanych zmian w pobudliwości korowo-rdzeniowej z niezaprzeczalną dokładnością czasową. Jednak bardzo wiele czynników może modulować pobudliwość korowo-rdzeniową i należy je w jak największym stopniu kontrolować. Na przykład prosty fakt dobrowolnego wdechu lub wydechu (aktu motorycznego) modyfikuje pobudliwość korowo-rdzeniową nieoddechowych mięśni palców50.

Drugą była możliwość kontrolowania i synchronizacji kilku czynników z fazami oddechowymi. Należą do nich dokładny czas trwania i czas dyfuzji zapachu do uczestników oraz czas impulsu TMS. Co ważniejsze, te różne parametry mogą być modyfikowane zgodnie z potrzebami użytkownika, otwierając drogę do przyszłych badań.

Przedstawiona tu metoda otwiera drogę do szerokiego zakresu przyszłych badań i szerszych pytań z zakresu węchu. Po pierwsze, w żadnym badaniu nie zbadano jeszcze czasowej precyzji modulacji pobudliwości korowo-rdzeniowej w odpowiedzi na bodziec węchowy. Czy modulacja ta jest bardzo wczesna (tj. przed pojawieniem się percepcyjnych reprezentacji zapachowych, szacowanych na okres od 300 ms do 500 ms po wystąpieniu zapachu45), czy późniejsza (tj. gdy reprezentacje zapachów są rozszerzane na większe obszary związane z przetwarzaniem emocjonalnym, semantycznym i pamięciowym45)? Czy czas zmian pobudliwości korowo-rdzeniowej jest taki sam w zależności od hedonicznej wartości zapachu? Nieprzyjemne zapachy, takie jak ból, często sygnalizują potencjalne niebezpieczeństwo, wywołują szybszą reakcję w celu szybkiego uniknięcia lub ucieczki od negatywnych sytuacji51,52, a tym samym modulują pobudliwość korowo-rdzeniową wcześniej niż pozytywne zapachy. Pozostaje to jednak w sferze spekulacji. Dostarczając impuls TMS w różnym czasie po wystąpieniu zarówno pozytywnych, jak i negatywnych zapachów i porównując zmiany w pobudliwości korowo-rdzeniowej, obecny protokół może odpowiedzieć na to pytanie. Ponadto, chociaż niniejszy protokół koncentrował się na modulacji pobudliwości korowo-rdzeniowej poprzez celowanie w M1, technika TMS, ze względu na wysoką rozdzielczość czasową, może być również wykorzystywana do badania związków przyczynowo-skutkowych między mózgiem a zachowaniem i przebiegu w czasie innych obszarów podczas procesów węchowych, ze względu na jej wysoką rozdzielczość czasową53. Podobnie, w obecnym protokole, oceniliśmy skuteczną łączność między DLPFC a M1, ponieważ w literaturze istnieją dowody na to, że modulacje tej łączności mogą wystąpić podczas percepcji zapachu. Jednak inne sieci korowo-korowe lub korowo-podkorowo-korowe mogą być modulowane podczas procesów węchu lub kontroli motorycznej, a łączność w tych sieciach można łatwo ocenić za pomocą tej nowej metody. Jedyną zmianą byłoby wtedy położenie cewek w kierunku docelowych obszarów kory mózgowej. Na przykład wykazano, że kora oczodołowo-czołowa jest zaangażowana w kodowanie wartości hedonicznej zapachu i percepcji zapachu54, a niedawne badanie TMS w dwóch miejscach wykazało, że obszar ten ma hamujący wpływ na M1 w spoczynku12. Badanie zmian w efektywnej łączności między korą oczodołowo-czołową a M1 podczas percepcji pozytywnych i negatywnych zapachów jest interesującym kierunkiem badań dla lepszego zrozumienia mechanizmów stojących za interakcjami między układami węchowymi i motorycznymi.

Ponadto metoda ta proponuje nowy sposób wiarygodnej oceny hedonicznej percepcji zapachu w sposób niewerbalny lub świadomy. Może to utorować drogę do badań klinicznych mających na celu zrozumienie nieprawidłowych interakcji między procesami w układzie węchowym i motorycznym. Na przykład obecna metoda może być stosowana u pacjentów z zaburzeniami neuropsychiatrycznymi, takimi jak duże zaburzenie depresyjne (MDD), które wiąże się ze zmianami w funkcji węchowych, w tym hedoniczną percepcją zapachów i nieadaptacyjnym podejściem oraz zachowaniamiunikającymi. Ponadto, ponieważ wykazano, że lewy DLPFC jest hipoaktywny u pacjentów z MDD56, a łączność DLPFC-M1 jest modulowana podczas zachowań unikania zbliżania się19, połączenie TMS i olfaktometru może być obiecującym potencjalnym narzędziem do wyjaśnienia neurofizjologicznych wskaźników dysfunkcyjnej łączności między DLPFC a M1 u pacjentów z MDD. Wyniki neurofizjologiczne mogą być następnie skorelowane z symptomatologią kliniczną, taką jak nasilenie depresji lub wynik anhedonii węchowej, zdefiniowany jako zmniejszona zdolność do odczuwania przyjemności, występujący u pacjentów z MDD57. Wreszcie, jeśli nieprawidłowości w skutecznej łączności zostaną ujawnione u tych pacjentów przy użyciu przedstawionej tutaj metody i skorelują z objawami klinicznymi, dwumiejscowy TMS może być wielokrotnie stosowany do neuromodulacji łączności DLPFC-M1 i poprawy objawów klinicznych, protokół zwany sparowaną stymulacją korowo-korową58,59.

Chociaż obecna metoda i wyniki stanowią dowód słuszności koncepcji dla przyszłych badań nad mechanizmami neuronalnymi leżącymi u podstaw interakcji między układem węchowym i motorycznym, należy wspomnieć o pewnych ograniczeniach i rozważaniach. Po pierwsze, aby zwiększyć wiarygodność i odtwarzalność pomiarów, docelowe obszary mózgu powinny być dokładnie oparte na obszarach anatomicznych i funkcjonalnych (dotyczy to zwłaszcza celu DLPFC). Po drugie, jak wspomniano powyżej i jak wykazano w modelowaniu obliczeniowym pola E, metoda celowania oparta na skórze głowy stosowana do pozycjonowania cewek jest nieoptymalna w porównaniu ze wskazówkami MRI60. Aby zmaksymalizować dokładność i precyzję pozycjonowania TMS, należy zastosować system neuronawigacji, który jednocześnie rejestruje głowę pacjenta i skan strukturalnego rezonansu magnetycznego (MRI) oraz zapewnia informacje zwrotne w czasie rzeczywistym na temat położenia cewki38. Ponadto wykazano, że obliczeniowa dozymetria pola E zapewnia bardziej wydajną i ukierunkowaną stymulację poprzez określenie indywidualnego umiejscowienia cewki, które maksymalizuje dostarczanie pola E do określonego celu w mózgu61. Trzeci punkt, który należy wziąć pod uwagę przy interpretacji wyników związanych z amplitudą MEP. Rzeczywiście, wiadomo, że amplituda MEP odzwierciedla wewnętrzne różne wejścia neuronalne do komórek korowo-rdzeniowych, w tym elementów transkorowych, oraz aktywność puli neuronów ruchowych rdzenia 62,63,64. W związku z tym modulacja pobudliwości korowo-rdzeniowej i skuteczna łączność obserwowana podczas ekspozycji na przyjemny zapach zapewnia częściowy obraz bardziej złożonych sieci nadrdzeniowych i rdzeniowych, które mogą być zaangażowane w modulację amplitudy MEP. Wyniki należy interpretować z ostrożnością.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
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

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  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).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Olfactory StimulationCorticospinal ExcitabilityEffective ConnectivityBreath Synchronized OlfactometerTranscranial Magnetic StimulationDorsolateral Prefrontal CortexPrimary Motor CortexNasal Breathing SynchronizationApproach Avoidance BehaviorElectromyography Recording

Related Articles