Metoda fMRI do swobodnego oddychania do badania funkcji węchowych człowieka
30 lipca 2017
Przedstawiamy techniczne wyzwania i rozwiązania dla uzyskania wiarygodnych danych z funkcjonalnego rezonansu magnetycznego (fMRI) z centralnego układu węchowego człowieka. Obejmuje to specjalne rozważania dotyczące projektowania paradygmatu węchowego fMRI, opisy pozyskiwania danych fMRI za pomocą olfaktometru kompatybilnego z MRI, wybór substancji zapachowych oraz specjalne narzędzie programowe do przetwarzania końcowego danych.
Ogólnym celem tego filmu jest przedstawienie i wyjaśnienie wydajnej i łatwej do dostosowania metody fMRI, aby skutecznie badać mapowanie ludzkiego układu węchowego bez ingerencji w naturalne oddychanie. Jedną z przeszkód w wykorzystaniu węchowego fMRI do badania aktywacji mózgu reagującej na zapach i stymulację, jest niespójność powtarzalnej stymulacji zapachu, która jest spowodowana asynchronizacją oddychania i dostarczania zapachu. Jak pokazano tutaj, gdy prezentacja zapachu w paradygmacie stymulacji zapachu w ustalonym czasie nie jest zsynchronizowana z oddychaniem, powtarzalna stymulacja zapachu może mieć miejsce w różnych fazach oddychania.
Rozwiązaniem tego problemu jest ustanowienie paradygmatu fMRI wyzwalanego przez oddychanie węchowe. Skuteczne gromadzenie danych fMRI węchowych odbywa się poprzez zaprojektowanie paradygmatu stymulacji węchowej wywołanej oddychaniem związanego ze zdarzeniem na olfaktometrze, który jest odporny na przyzwyczajenie i niespójne wzorce wdechu. Drugim krokiem jest przygotowanie substancji zapachowych do stymulacji węchowej, zwracając uwagę na stosowanie substancji zapachowych, które minimalizują efekty stymulacji nerwu trójdzielnego i habituacji.
Trzecim krokiem jest przygotowanie i przeprowadzenie eksperymentu w środowisku MRI poprzez zmontowanie olfaktometru z możliwością uruchomienia paradygmatu wyzwalanego oddychaniem. Ostatnim krokiem jest przetworzenie danych za pomocą programu ONSET w celu zdefiniowania rzeczywistych wektorów początku i czasu trwania bodźców. Ostatecznie technika ta może potencjalnie ułatwić bardziej czułą eksplorację i połączenia ludzkiego układu węchowego.
Tutaj pokażemy, jak skonfigurować eksperyment fMRI węchowy wyzwalany oddychaniem za pomocą olfaktometru ETT. Aby stworzyć paradygmat, przypisz kanały zapachowe do określonych substancji zapachowych. W tym systemie olfaktometrycznym dostępnych jest sześć kanałów nawaniających.
Wprowadzaj i edytuj sekwencję i czas otwierania i zamykania tych kanałów. Naciśnij przycisk Paradigm Setting (Ustawienia paradygmatu) na ekranie dotykowym. Aby wprowadzić lub edytować sekwencję otwierania i zamykania kanałów nawaniania, naciśnij przycisk Edytuj dla sekwencji zaworów.
Po zakończeniu naciśnij ponownie przycisk Edytuj, aby wyjść z trybu edycji. Aby wprowadzić lub edytować parametry czasowe dla otwarcia i zamknięcia kanałów nawania, naciśnij przycisk Set dla sekwencji czasowej. Po zakończeniu naciśnij ponownie przycisk Set, aby wyjść z trybu edycji.
Po zakończeniu ustawiania paradygmatu naciśnij przycisk Powrót, aby powrócić do głównego okna. W tym filmie pokazano prosty paradygmat stymulacji tego samego środka zapachowego w tym samym stężeniu. Każda prezentacja zapachu przeplatana jest prezentacją świeżego powietrza.
W tym paradygmacie ten sam zapach jest prezentowany 12 razy. Za każdym razem prezentacja zapachu trwa sześć sekund z różnym odstępem czasu między prezentacjami zapachu. Ustaw odpowiednio czas otwarcia zaworu i zamknięcia zaworu.
W tej demonstracji przygotowuje się jedno stężenie olejku lawendowego. Używamy olejku lawendowego ze względu na jego minimalną stymulację nerwu trójdzielnego i aktywację niektórych obszarów mózgu. Stężenia nawaniaczy mogą się różnić w zależności od wybranego środka zapachowego.
Wybierz stężenia w oparciu o idealny próg percepcji zapachu. Zmieniając stężenie, zmniejszamy prawdopodobieństwo przyzwyczajenia się do substancji zapachowej. Aby przygotować stężenia, wymieszaj olejek lawendowy z glikolem propylenowym.
Glikol propylenowy jest powszechnie stosowanym rozpuszczalnikiem do substancji zapachowych i jest stabilny i prawie bezwonny. Po wymieszaniu wszystkich roztworów zgodnie z opisem w projekcie paradygmatu, wlej taką samą ilość substancji zapachowych do każdej butelki pojemnika. Następnie przymocuj butelki do nośnika środka zapachowego we właściwej kolejności.
Aby ustawić olfaktometr w rezonansie magnetycznym, umieść nośnik zapachu w pomieszczeniu magnetycznym obok maszyny. Przeprowadź rurki przez falowód, aby połączyć się z nośnikiem, uważając, aby kolejność lamp była zgodna z kolejnością łączenia z olfaktometrem. Dla ułatwienia oznaczamy nasze rurki kolorami, aby pasowały do kanałów zapachowych.
Włącz urządzenie. W razie potrzeby wyreguluj główny przepływ powietrza, a także indywidualne natężenia przepływu dla nośnika i spłukiwania. Następnie podłącz pas oddechowy do olfaktometru i przeprowadź pasek przez falowód.
Pas będzie rejestrował aktywność oddechową badanego, a także wykorzystanie spustu oddechowego. Przynieś obiekt do pomieszczenia magnetycznego i umieść na nim maskę na twarz. Kiedy pacjent leży, umieść pas oddechowy wokół jego klatki piersiowej lub brzucha, gdzie występuje wyraźny oddech
.Sprawdź wzorzec oddychania na ekranie olfaktometru. Jeśli fale ustabilizują się, pasek jest zapięty zbyt ciasno i spust oddechu nie będzie działał prawidłowo. Wyreguluj pasek, aż będzie widoczny pełny ślad oddechowy, ponieważ wyraźne sygnały piku oddechowego mają kluczowe znaczenie dla pomyślnego wykonania paradygmatu wyzwalanego oddychaniem.
Utwórz folder danych na olfaktometrze do przechowywania danych dotyczących oddychania. Synchronizacja prezentacji zapachu z oddychaniem powinna być testowana pod kątem dokładności za pomocą Paradigm Check i w razie potrzeby dostosowując czas opóźnienia wyzwalania. Naciśnij przycisk Paradigm Check na ekranie dotykowym i monitoruj, czy dostarczanie zapachu następuje podczas fazy wdechu cyklu oddychania.
Okres dostarczania zapachu jest podświetlony kolorem różowym na śladzie oddechowym. Jeśli dostarczanie zapachu rozpocznie się w fazie wydechu, aby powrócić do ustawień paradygmatu, dostosuj opóźnienie wyzwalania w sekwencji czasowej, a następnie powtórz kontrolę paradygmatu. Ustaw paradygmat na tryb wyzwalania w, aby wykonanie paradygmatu stymulacji zapachu było wyzwalane przez skanowanie MRI.
Następnie wybierz funkcję Start wyzwalacza oddechowego. Paradygmat jest teraz gotowy do uruchomienia. Po zakończeniu paradygmatu stymulacji zapachu sprawdź dane dotyczące oddychania zapisane w olfaktometrze.
Plik ten zawiera ślad oddechowy i znacznik czasu każdego funkcjonalnego obrazu MRI, wyzwalacz oddychania, otwarcie i zamknięcie każdego kanału zapachowego oraz reakcję pacjenta za pomocą urządzenia do reagowania. Można go przetworzyć za pomocą programu ONSET w celu uzyskania rzeczywistych wektorów początku stymulacji i czasu trwania do przetwarzania danych fMRI. Polecenie ONSET można uruchomić w maszynie wirtualnej IDL.
Aby uzyskać wektory i czas trwania stymulacji zapachu, kliknij opcję Walidacja oddychania. Załaduj plik danych oddychania, który jest zapisany z olfaktometru i ustaw parametry przetwarzania końcowego dla przetwarzania ONSET. Uruchom polecenie ONSET.
Rzeczywiste wektory początku stymulacji, początek każdej inhalacji podczas dostarczania zapachu, zostaną automatycznie wykryte na podstawie czasu prezentacji zapachu i śladu oddychania. Wyniki, w tym wektory początku i czasu trwania, można wykorzystać w przetwarzaniu danych fMRI. Przetwarzaj dane fMRI zgodnie ze standardowymi procedurami.
Oto przykład przetwarzania danych za pomocą SPM8. Użyj numerów obrazów lub wektorów początku i czasu trwania w sekundach od początku wyjścia, w zależności od jednostki czasowej wybranej do projektu paradygmatu SPM. Wygeneruj statystyczną mapę parametryczną na poziomie indywidualnym, dopasowując paradygmat stymulacji przy użyciu rzeczywistych wektorów początku i czasu trwania do danych funkcjonalnych z kanoniczną funkcją odpowiedzi hemodynamicznej.
Oto przykład aktywacji pierwotnej kory węchowej reagującej na stymulację zapachu. W przeciwieństwie do paradygmatu stymulacji zapachu wyzwalanego oddychaniem, na przykład paradygmatu stałego czasu, który możemy zobaczyć tutaj z tego samego tematu, dostarczanie zapachu nie jest wyzwalane przez aktywność oddechową. Ponieważ nie ma kontroli nad oddychaniem pacjenta, istnieje znaczna zmienność w ilości wdychanego środka zapachowego.
Zgodnie ze standardową procedurą przetwarzania tych danych fMRI z tym samym progiem statystycznym, który był używany dla poprzednich danych fMRI wyzwalanych przez oddychanie, nie wykryto znaczącej aktywacji w pierwotnej korze węchowej. Jednak gdy zaimplementowany jest wyzwalacz oddychania, prezentacja zapachu jest zawsze zsynchronizowana z wdychaniem, co poprawia spójność i dokładność stymulacji zapachu. Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze zrozumieć obecną praktykę fMRI węchowego przy użyciu paradygmatu wyzwalanego oddychaniem związanym ze zdarzeniem.
Po opanowaniu techniki zademonstrowanej w tym filmie, można zastosować dalsze metody projektowania i analizy paradygmatu stymulacji węchowej do mapowania funkcji centralnego układu węchowego człowieka i dalszego badania deficytów węchowych w chorobach neurodegeneracyjnych.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Niniejszy artykuł omawia wyzwania techniczne i rozwiązania służące do uzyskania wiarygodnych danych fMRI z ludzkiego ośrodkowego systemu węchowego. Podkreślono w nim znaczenie synchronizacji podawania zapachów z oddychaniem w celu poprawy jakości danych.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Neuronauka
- Funkcjonalny rezonans magnetyczny (fMRI)
- Układ węchowy
Wstęp
- Badania fMRI węchu napotykają trudności ze względu na asynchronizację oddychania i podawania zapachów.
- Niespójna stymulacja zapachowa może wpływać na pomiary aktywacji mózgu.
- Habituacja i stymulacja trójdzielna mogą komplikować wyniki fMRI węchu.
- Skuteczne projektowanie paradygmatów fMRI węchu jest kluczowe dla wiarygodnego gromadzenia danych.
Cel badania
- Przedstawienie metody mapowania ludzkiego systemu węchowego z wykorzystaniem fMRI.
- Omówienie problemów związanych z synchronizacją podawania zapachów z oddychaniem.
- Poprawa niezawodności gromadzenia danych fMRI w badaniach nad węchem.
Zastosowane metody
- Projektowanie paradygmatu fMRI węchu wyzwalanego oddychaniem.
- Wykorzystanie olfaktometru kompatybilnego z MRI do podawania zapachów.
- Wybór substancji zapachowych minimalizujących stymulację nerwu trójdzielnego.
- Wdrożenie narzędzia programistycznego do postprocesowania danych.
Główne wyniki
- Paradygmat wyzwalany oddechem skutecznie synchronizuje podawanie zapachu z oddychaniem.
- Wybrane substancje zapachowe ograniczyły efekty habituacji podczas sesji fMRI.
- Postprocessing danych poprawił wiarygodność wyników fMRI.
- Ogólnie metoda ta usprawnia badanie układu węchowego.
Wnioski
- Synchronizacja dostarczania zapachów z oddychaniem jest niezbędna w przypadku fMRI węchu.
- Staranny dobór substancji zapachowych może pomóc w przezwyciężeniu typowych trudności w badaniach olfaktorycznych.
- Opisana metoda stanowi solidne ramy dla przyszłych badań z wykorzystaniem fMRI węchu.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Precyzyjne mapowanie ludzkiego układu węchowego ma kluczowe znaczenie dla wczesnego wykrywania chorób neurodegeneracyjnych, takich jak choroba Alzheimera i Parkinsona, w których dysfunkcja węchu służy jako biomarker. fMRI sterowany oddychaniem zwiększa niezawodność danych poprzez synchronizację podawania zapachu z wdechem, co redukuje zmienność ekspozycji na bodziec. Ten postęp metodologiczny wspiera walidację celów oraz ograniczanie ryzyka mechanistycznego w procesie odkrywania leków na OUN, umożliwiając spójną i ilościową ocenę funkcji szlaków węchowych.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne etapy odkrywania i walidacja celu
- Wartość naukowa: Umożliwia badanie aktywacji szlaku węchowego w celu walidacji celów zaangażowanych w przetwarzanie sensoryczne i neurodegenerację.
- Wartość operacyjna: Zapewnia powtarzalny paradygmat fMRI do oceny zaangażowania celu w przedklinicznych modelach dysfunkcji węchu.
Przesiewanie i opracowanie testu
- Wartość naukowa: Wspiera standaryzację testów poprzez minimalizowanie zmienności oddechowej podczas dostarczania substancji zapachowych, co poprawia spójność sygnału.
- Wartość operacyjna: Umożliwia wysokowiernościowy screening związków mających na celu modulację funkcji węchowych lub opóźnienie neurodegeneracji.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Wartość naukowa: Łączy odkrycia z translacją kliniczną, umożliwiając porównanie odpowiedzi układu węchowego między różnymi gatunkami.
- Wartość operacyjna: Wspiera podłużne śledzenie spadku sprawności węchowej w modelach przedklinicznych, pomagając w podejmowaniu decyzji o rozwoju projektów z uwzględnieniem ryzyka.
Integracja potoków i przepływów pracy
Metoda ta integruje się z procesem badawczym, od walidacji celu po ocenę przedkliniczną, zapewniając ilościowy odczyt neuroobrazowy dla modulacji szlaków węchowych.
- Biologia odkrywcza: Wspiera weryfikację hipotez poprzez powiązanie ekspozycji na substancję zapachową z mierzalną aktywacją kory w pierwotnej korze węchowej.
- Przesiewanie: Poprawia gotowość do przeprowadzania testów dzięki precyzji sterowanej rytmem oddychania, co redukuje fałszywą zmienność w ocenach zależności dawka-odpowiedź.
- Analityka: Generuje wektory początku i czasu trwania za pomocą przetwarzania ONSET, umożliwiając precyzyjne modelowanie odpowiedzi hemodynamicznych w analizie fMRI.
- Badania translacyjne: Łączy odkrycia mechanistyczne z istotnością kliniczną poprzez mapowanie deficytów węchowych związanych z progresją chorób neurodegeneracyjnych.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Tworzy zestandaryzowaną, adaptowalną platformę do wielokrotnego wykorzystania w programach badawczych ukierunkowanych na zmysł węchu.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorstwa
- Wartość naukowa: Zwiększa pewność prognostyczną w walidacji celów poprzez redukcję niejednoznaczności mechanistycznej w badaniach nad szlakami węchowymi.
- Wartość operacyjna: Zapewnia powtarzalność i skalowalność w różnych ośrodkach dzięki zsynchronizowanemu podawaniu bodźców i zwalidowanemu przetwarzaniu danych.
- Wartość strategiczna: Usprawnia podejmowanie decyzji go/no-go, dostarczając wiarygodnych odczytów neurobiologicznych dla terapeutyków ukierunkowanych na OUN.
- Wpływ na portfolio: Umożliwia priorytetyzację związków z uwzględnieniem ryzyka w oparciu o obiektywne wskaźniki funkcji węchowej.
Uwagi dotyczące wdrożenia
- Wymagana jest wiedza z zakresu projektowania eksperymentów fMRI, obsługi olfaktometru oraz monitorowania fizjologii oddychania.
- Konieczne jest zastosowanie systemów olfaktometrycznych kompatybilnych z MRI oraz sprzętu do wyzwalania obrazowania sygnałem oddechowym.
- Wymagana jest standaryzacja międzyzespołowa w jednostkach neuronauki, obrazowania i farmakologii w celu zapewnienia spójności realizacji protokołu.
- Adaptacja do różnych systemów modelowych wymaga walidacji dostarczania substancji zapachowych i synchronizacji oddechowej u obiektów niebędących ludźmi.
- Ograniczenia praktyczne obejmują współpracę badanych przy monitorowaniu oddechu oraz potencjalne zakłócenia wynikające ze zmienności przepływu powietrza w nosie.
