Um método de fmRI de respiração livre para estudar a função olfativa humana

Summary

Apresentamos os desafios técnicos e as soluções para a obtenção de dados confiáveis ​​de imagem por ressonância magnética funcional (fMRI) do sistema olfativo central humano. Isso inclui considerações especiais no projeto olfativo de paradigma de fMRI, descrições de aquisição de dados fMRI com um olfactômetro compatível com MRI, seleção de odorantes e uma ferramenta de software especial para pós-processamento de dados.

Abstract

O estudo da olfação humana é um campo altamente complexo e valioso com aplicações que vão desde a pesquisa biomédica até a avaliação clínica. Atualmente, a avaliação das funções do sistema olfativo central humano com ressonância magnética funcional (fMRI) ainda é um desafio devido a várias dificuldades técnicas. Existem algumas variáveis ​​significativas a serem consideradas quando se considera um método efetivo para mapear a função do sistema olfativo central usando fMRI, incluindo a seleção adequada de odorantes, a interação entre apresentação de odor e respiração, e potencial antecipação ou habituação de odorantes. Uma técnica de fMRI olfactiva desencadeada por eventos, relacionada ao evento, pode administrar com precisão odorantes para estimular o sistema olfativo, minimizando a interferência potencial. Ele pode efetivamente capturar os ataques precisos de sinais de fMRI no córtex olfativo primário usando nosso método de pós-processamento de dados. A técnica préAqui, fornece um meio eficiente e prático para gerar resultados confiáveis ​​de fMRI olfativos. Tal técnica pode, em última instância, ser aplicada no campo clínico como uma ferramenta de diagnóstico para doenças associadas à degeneração olfativa, incluindo a doença de Alzheimer e Parkinson, à medida que começamos a compreender melhor as complexidades do sistema olfativo humano.

Introduction

O sistema olfativo humano é entendido como muito mais do que um sistema sensorial porque o olfato também desempenha um papel importante na regulação homeostática e nas emoções. Clinicamente, o sistema olfativo humano é conhecido por ser vulnerável a ataques de muitas doenças neurológicas prevalentes e transtornos psiquiátricos, como doença de Alzheimer, doença de Parkinson, transtorno de estresse pós-traumático e depressão ^{1 , 2 , 3 , 4 , 5} . Atualmente, a ressonância magnética funcional (fMRI) com contraste dependente do nível de oxigênio no sangue (BOLD) é a técnica mais valiosa para mapear funções do cérebro humano. Uma quantidade significativa de conhecimento sobre funções específicas das estruturas olfativas centrais ( por exemplo , córtex piriforme, córtex orbitofrontal, amígdala e córtex insular) foi adquirida com este tecnológicoIque ^{6 , 7 , 8 , 9 , 10} .

A aplicação de fMRI aos estudos do sistema olfativo central humano e doenças associadas, no entanto, tem sido dificultada por dois grandes obstáculos: aceleração rápida do sinal BOLD e modulação variável pela respiração. No cotidiano, quando exposto a um odorante por um período de tempo, habitamos rapidamente o aroma. De fato, quando estudado usando fMRI olfatório, o sinal fMRI induzido por odor é rapidamente atenuado pela habituação, o que representa um desafio nos projetos de paradigma de estimulação ^{8 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14} . O sinal BOLD significativo inicial no córtex primário olfativo só persisteS por vários segundos após o início do odor. Portanto, os paradigmas olfativos de fMRI devem evitar estimulações de odor prolongadas ou freqüentes em um curto período de tempo. Para reduzir o efeito de habituação, alguns estudos tentaram apresentar odores alternados em um paradigma de IRMF. No entanto, essa abordagem pode complicar a análise de dados, pois cada odorante pode ser tratado como um evento de estimulação independente.

Outra questão técnica surge com a variabilidade nos padrões de respiração dos sujeitos; A inalação nem sempre se sincroniza com a administração de odorantes durante um paradigma de temporização fixa. O início ea duração da estimulação olfativa são modulados pela respiração de cada indivíduo, o que confunde a qualidade e a análise dos dados do fMRI. Alguns estudos tentaram mitigar esse problema com pistas visuais ou auditivas para sincronizar o início da respiração e odorantes, mas a conformidade dos sujeitos é variável, especialmente na população clínica. As ativações cerebrais associadas wiEssas dicas também podem complicar a análise de dados em determinadas aplicações. Assim, a sincronização da inalação com entrega odorante pode ser crucial para os estudos olfativos de fMRI ¹⁵ .

Uma consideração adicional vital para o fMRI olfativo, especialmente no processo de análise de dados, é a seleção de odorantes. Encontrar uma concentração apropriada de odorantes em relação à intensidade percebida é importante para quantificação e comparação de níveis de ativação no cérebro em várias condições experimentais ou doenças. A seleção de odorantes também deve levar em consideração valência de odor ou prazeres. Isso é conhecido por causar perfis temporais divergentes na aprendizagem olfativa ^{16 , 17} . O odor de lavanda foi escolhido para esta demonstração parcialmente por esse motivo. Dependendo da finalidade de um estudo específico, diferentes odorantes podem ser melhores escolhas. Além disso, a estimulação trigeminal deve ser minimizada para reduçãoE ativação não diretamente relacionada ao olfato ¹⁸ .

Neste relatório, demonstramos uma técnica fMRI para configurar e executar um paradigma desencadeado pela respiração usando um olfatômetro no ambiente de ressonância magnética. Também apresentamos uma ferramenta de pós-processamento que pode diminuir alguns erros de temporização que podem ter ocorrido durante a aquisição de dados na tentativa de melhorar ainda mais a análise de dados.

Protocol

O seguinte protocolo experimental seguiu as diretrizes do Conselho de Revisão Institucional da Faculdade de Medicina da Universidade Estadual da Pensilvânia, e o sujeito humano deu o consentimento informado por escrito antes de participar do estudo.

Nota: Para fins de demonstração, é apresentado um paradigma de estimulação de odor simples usando um olfactômetro compatível com MRI comercialmente disponível. Este paradigma mostrou-se efetivo na redução do efeito de habituação e produziu dados fiáveis ​​de fMRI olfativos ¹⁵ . Certas etapas descritas neste protocolo podem ser específicas para o tipo de olfactômetro usado. No entanto, qualquer tipo de equipamento - feito em casa ou comercialmente disponível com capacidades semelhantes - pode ser usado de forma análoga. O olfatômetro deve ser capaz de monitorar a respiração, bem como apresentar uma seqüência de odorantes com cronometragem precisa. Certifique-se de que todo o sistema de entrega de odor (incluindo oOlfactômetro) é construído com materiais inertes a produtos químicos odorantes ( por exemplo , vidro e politetrafluoroetileno), e a via do odor é suave e resistente ao ar, com espaço mínimo morto.

1. Paradigm Design

1. Crie um novo paradigma especificando a seqüência da válvula de fluxo de ar em um olfatômetro programável.
   NOTA: A seqüência da válvula é a ordem e o tempo de abertura e fechamento de canais de ar específicos que possuem diferentes concentrações ou tipos de odorantes. Nesta demonstração, cada uma das válvulas para os seis canais foi aberta duas vezes para um total de 12 entregas de odor. Sempre que uma válvula estava aberta, todas as outras válvulas foram fechadas e cada válvula foi aberta novamente somente depois que todas as outras válvulas já haviam sido abertas uma vez.
   1. Atribua a duração do estímulo (a abertura de um canal específico), bem como a duração do fechamento do canal.
      NOTA: Nesta demonstração, a duração da apresentação do odor foi de 6 s, enquantoA duração dos canais a serem fechados variou de 22 s a 38 s.
   2. Defina o número de repetições para a seqüência da válvula abrir e fechar. Aqui, o número de repetições é 1.
   3. Intercalar cada apresentação odorante com uma apresentação de ar inodoro no mesmo caudal. Por exemplo, entregue o fluxo de ar ao sujeito com ou sem odor com um caudal de 6 L / min em 50% de umidade relativa e temperatura ambiente a 22 ° C.
      NOTA: Isto é importante, pois as variações no fluxo de ar podem causar sensação tátil.

2. Preparação de odorantes

1. Escolha um odorante apropriado para o paradigma de estimulação de odor, considerando a valência, agradezência, intensidade, familiaridade e componente do trigémino do odor (ver Tabela 1 ).
   Nota: A Tabela 1 lista alguns odorantes comumente usados. O odor de lavanda foi escolhido para esta demonstração porque tem mínima estimulação trigeminal em baixo a moderado coNcentrações e geralmente é percebida como agradável e familiar.
2. Escolha um solvente apropriado ( por exemplo , água, óleo mineral, 1,2-propanodiol, etanol) para preparar as soluções odorantes.
   NOTA: Aqui, o 1,2-propanodiol foi usado como solvente para preparação de solução odorante.
3. Escolha uma concentração apropriada de odorantes para o paradigma de estimulação de odor. Por exemplo, diluir o óleo de lavanda em 1,2-propanodiol na concentração de 0,10% (volume / volume) para a estimulação olfativa ¹⁹ .
   NOTA: Isso pode ser feito por uma avaliação psicofísica de uma série de diferentes concentrações por um grupo de indivíduos normais.
4. Coloque as soluções odorantes adequadas nos recipientes odorantes. Certifique-se de que todos os recipientes tenham a mesma quantidade de espaço, a mesma quantidade de solução e a mesma área de superfície para a solução. Por exemplo, use seis frascos de vidro de tamanho de 300 mL como recipientes odorantes com cada garrafa contendo 50 mL de solução de óleo de lavanda a 0,10%.
5. Conecte umOs recipientes odorantes para os canais adequados para o fornecimento de odor.

3. Configuração de Olfactômetro

1. Verifique as conexões para garantir que todos os recipientes odorantes estejam adequadamente conectados ao transportador odorante. Não aperte demais, pois isso pode danificar a vedação. O aperto adequado é assegurado em um passo posterior, verificando o fluxo de ar através de cada recipiente odorante.
2. Coloque o transportador odorante na sala magnética e conecte cada tubo ao olfatômetro fora da sala, pois a unidade principal não é compatível com MR. Verifique visualmente qualquer torção na tubulação, pois isso afetará o fluxo de ar. O fluxo de ar de cada canal será verificado em uma etapa posterior.
3. Conecte firmemente todos os tubos do olfatômetro ao transportador odorante, combinando os números com as portas corretas. Para obter precisão, codifique os tubos, de modo que o rosa para o canal 1, o azul para o canal 2, etc.
4. Certifique-se de que o fluxo de ar através de todos os canais é consistente, juntando um fluxoMedir para a extremidade de saída da tubulação. Abra manualmente cada canal no painel de controle do olfatômetro, ajuste o fluxo de ar total, bem como as taxas de fluxo de cada canal e a linha de descarga até que a taxa de fluxo de cada canal seja consistente.
5. Conecte a máscara facial ou a peça do nariz ao transportador odorante com tubo de politetrafluoroetileno (PTFE). Certifique-se de que o fluxo de ar ( por exemplo , 6 L / min) entregue ao sujeito é consistente quando os canais são alternados.
6. Conecte o gatilho de radiofrequência do sistema MRI à porta "trigger in" no olfactômetro para sincronizar o paradigma de estimulação de odor e a aquisição de imagens fMRI. Um conversor de sinal óptico-elétrico pode ser necessário.
7. Ajuste o fluxo de ar total e as taxas de fluxo para cada canal e a linha de descarga para os montantes projetados. Por exemplo, um fluxo de ar total de 6 L / min e as taxas de fluxo para cada canal e a linha de descarga são de 3 L / min.
8. Conecte o sensor respiratório pneumáticoR para a porta de resposta do olfatômetro através da caixa de conversão de sinal pneumático-elétrico.
9. Se for necessária uma resposta subjetiva, conecte a almofada de resposta pneumática à porta de resposta do olfatômetro através da caixa conversora de sinal pneumático-elétrico.

4. Procedimento Experimental

1. Realize uma pré-seleção para garantir que o procedimento de ressonância magnética seja seguro para o assunto.
   1. Pergunte ao sujeito sobre histórico médico, incluindo implantes potenciais, claustrofobia ou outras condições preexistentes que possam interferir com a capacidade do sujeito de participar com segurança no estudo de IRMF. Além disso, execute um teste de limiar de cheiro dos odorantes para garantir que o sujeito possa cheirar os odorantes durante a experiência.
2. Peça ao sujeito em decúbito dorsal no aparelho de exame de ressonância magnética. Coloque a máscara facial ou a peça do nariz corretamente sobre o assunto para garantir que o ar sopre nas narinas. Coloque o sensor respiratório em ambosEle cofre ou abdômen. Peça ao sujeito para respirar normalmente. Ajuste manualmente o aperto e a colocação do cinto segurando o sensor respiratório de acordo com o padrão de respiração observado na exibição do olfatômetro.
3. Crie uma pasta de dados para registrar os dados respiratórios no olfatômetro. Clique em "gerenciador de arquivos", insira a ID do assunto atribuída ao assunto atual, então "confirme" a entrada.
4. Use a opção "verificação de paradigma" para testar a sincronização de entrega de odor e inalação sem envolver o estímulo e, se necessário, ajustar manualmente o tempo de "dilatação da válvula" para garantir que o início da entrega de odor seja sincronizado com a fase de inalação do sujeito.
5. Defina a sincronização entre estimulação de odor e aquisição de imagem fMRI selecionando o modo "trigg-in" na unidade de controle do olfactômetro.
   Nota: Isso permite que o paradigma de estimulação de odor seja iniciado com um gatilho externo sobre o ", Gatilho na "porta originada do sistema de ressonância magnética. Assim, o paradigma não será executado até que o gatilho externo do scanner seja recebido. Por favor, note que tipo de pulso de disparo (elétrico ou leve) que o scanner de MRI envia. Um conversor de sinal pode ser necessário para vincular os dois sistemas.
6. Ative o gatilho respiratório selecionando "resp trigger start" na unidade de controle do olfactômetro.
   Nota: Quando ativado, o início de cada elemento de seqüência de paradigma é sincronizado com a inalação. Isto pode ser conseguido empiricamente ao atrasar a entrega de odor aproximadamente metade de um ciclo de respiração desde o início da fase de expiração.
7. Inicie a aquisição da imagem fMRI no console MRI; O paradigma de estimulação de odor começará assim que a aquisição da imagem começar. Monitorize o padrão de respiração para qualquer atividade respiratória irregular.
   Nota: A atividade respiratória irregular pode ser na forma de planaltos, ciclos mais largos e mais longos, ouOndas erráticas. Sequcia de eco-planar imagiologia aqui, um sensível ao sinal NEGRITO T ₂ * ponderadas foi usado para a aquisição de imagens com IRMf 2.000 ms de tempo de repetição, 30 ms de tempo de eco, de 90 ° ângulo da aleta, 220 mm x 220 mm campo de vista, 80 × 80 matriz de aquisição, 30 fatias axiais de 4 mm de espessura e fator de aceleração de 2 para técnicas de imagem paralela integrada.
8. Ao completar o protocolo de imagem, remova o assunto do ímã e remova a máscara facial / nariz.

5. Limpeza do Olfactômetro

1. Desligue a bomba de ar. Retire os recipientes odorantes do transportador odorante e substitua-os por limpos e vazios.
2. Alimentar a bomba de ar. Elimine cada canal com ar inodoro durante 5 minutos para remover odorantes residuais na linha de ar.
3. Desligue o olfatômetro.
4. Desinfecte a peça do nariz ou máscara facial com toalhetes de álcool. Enxaguar a máscara facial ou nariz com água morna e depois secar ao ar.

6. Análise de dados

1. Para processar os dados, carregue o arquivo de dados de respiração para o software de código aberto Olfactory Network Stimulation Editing Tool (ONSET) (www.pennstatehershey.org/web/nmrlab/resources/software/onset) ¹⁵
   Nota: O software ONSET foi desenvolvido pela Xiaoyu Sun. As descobertas de estimulação do odor com base no tempo do paradigma e da respiração serão automaticamente detectadas. O vetor de estimulação real é definido como o tempo de início de cada inalação efetiva durante o parto.
   1. Medir e comparar a taxa de respiração eo volume (a área sob cada par de fase de inalação e expiração) entre odor e períodos inodoro ¹⁵ .
      NOTA: Não deve haver diferença significativa nesses parâmetros respiratórios entre o odor e os períodos inodoro.
   2. Processe os dados fMRI com os vetores de início e duração atuais da ONSET para a ativação do olfac centralSistema tório ¹⁵ .

Results

A Figura 1 demonstra a instalação da fMRI olfativa dentro e fora da sala de ímã, levando em consideração a compatibilidade de MR. A Figura 2a demonstra um paradigma de sincronismo fixo padrão, enquanto a Figura 2b demonstra um paradigma onde o "gatilho de respiração" permite a sincronização de entrega de odor e inalação.

Um padrão de resp...

Discussion

Os procedimentos experimentais devem ser cuidadosamente considerados e executados corretamente para a coleta de dados confiáveis ​​de ativação olfativa. Os passos críticos dentro do protocolo incluem a implementação de um paradigma desencadeado pela respiração para sincronizar o fornecimento de odor com a aquisição da imagem, preparando concentrações adequadas de odorantes para controlar as respostas psicofísicas, estabelecendo o olfatômetro com sinal de respiração estável confiável e fluxo de ar constante e respiração ...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Scanner de RM 3T	Siemens		Qualquer scanner de RM é aceitável.
Olfatômetro	Emerging Tech Trans, LLC		Qualquer olfatômetro com capacidades semelhantes é aceitável.
Portador de odor de 6 canais	Emerging Tech Trans, LLC
Porta-objetivas/aplicador	Emerging Tech Trans, LLC
Tubulação de PTFE	Emerging Tech Trans, LLC
Caixa conversora TTL	Emerging Tech Trans, LLC
Correia do sensor respiratório	Emerging Tech Trans, LLC
Óleo de	lavandaGivaudan Flavors Corporation
1,2 propanodiol	Sigma	P6209
INÍCIO			www.pennstatehershey.org/web/nmrlab/resources/software/onset
SPM8	Wellcome Trust Center for Neuroimaging, University College London, Londres, Reino Unido