Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Neuroscience
Click here for the English version

Neuroscience

A التنفس-- التنفس طريقة الرنين المغناطيسي الوظيفي لدراسة وظيفة الإنسان الشمية

Published: July 30, 2017 doi: 10.3791/54898
Automatic Translation
1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1,2
1Center for NMR Research, Department of Radiology, Pennsylvania State University College of Medicine, 2Department of Neurosurgery, Pennsylvania State University College of Medicine

Summary

نقدم التحديات التقنية والحلول للحصول على موثوقية وظيفية التصوير بالرنين المغناطيسي (فمري) البيانات من نظام الشم المركزي البشري. وهذا يشمل اعتبارات خاصة في تصميم نموذج الرنين المغناطيسي الوظيفي الشمية، ووصف الحصول على البيانات الرنين المغناطيسي الوظيفي مع أولفاكتوميتر متوافق مع التصوير بالرنين المغناطيسي، واختيار رائحة، وأداة برامج خاصة للبيانات ما بعد المعالجة.

Abstract

دراسة الشم الشم البشري هو حقل معقد للغاية وقيمة مع تطبيقات تتراوح بين البحوث الطبية الحيوية لتقييم السريرية. حاليا، وتقييم وظائف نظام الشم المركزي البشري مع وظيفية التصوير بالرنين المغناطيسي (الرنين المغناطيسي الوظيفي) لا يزال تحديا بسبب العديد من الصعوبات التقنية. هناك بعض المتغيرات الهامة التي يجب أخذها في الاعتبار عند النظر في طريقة فعالة لرسم خرائط وظيفة نظام الشمية المركزي باستخدام الرنين المغناطيسي الوظيفي، بما في ذلك اختيار الرائحة المناسبة، والتفاعل بين عرض الرائحة والتنفس، والتوقع المحتمل أو التعود على الروائح. تقنية ذات صلة بالحدث، تقنية التنفس بالرنين المغناطيسي الشمية ذات الصلة بالحدث ذات الصلة بالحدث يمكن أن تدير بدقة أودورانتس لتحفيز نظام الشم مع تقليل التدخل المحتمل. فإنه يمكن التقاط فعال إيسيتس دقيقة من إشارات الرنين المغناطيسي الوظيفي في القشرة الشمية الأولية باستخدام البيانات لدينا طريقة ما بعد المعالجة. تقنية ما قبلأرسلت هنا يوفر وسيلة فعالة وعملية لتوليد موثوقة نتائج الرنين المغناطيسي الوظيفي الشمية. ويمكن تطبيق هذه التقنية في نهاية المطاف في المجال السريري كأداة تشخيصية للأمراض المرتبطة بالتنكس الشم، بما في ذلك مرض الزهايمر ومرض باركنسون، ونحن نبدأ في مزيد من فهم تعقيدات نظام الشم الشمسي.

Introduction

ومن المفهوم أن نظام الشم الإنسان أن يكون أكثر بكثير من مجرد نظام الحسية لأن الشم أيضا يلعب دورا هاما في التنظيم والعواطف التماثل. سريريا، ومن المعروف أن نظام الشم الإنسان لتكون عرضة لهجمات العديد من الأمراض العصبية السائدة والاضطرابات النفسية، مثل مرض الزهايمر، ومرض باركنسون، واضطراب ما بعد الصدمة، والاكتئاب 1 ، 2 ، 3 ، 4 ، 5 . حاليا، والتصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي (الرنين المغناطيسي الوظيفي) مع الدم على الأكسجين تعتمد على (بولد) النقيض هو الأسلوب الأكثر قيمة لرسم الخرائط وظائف الدماغ البشري. وقد تم الحصول على قدر كبير من المعرفة حول وظائف محددة من الهياكل المركزية حاسة الشم (على سبيل المثال ، القشرة الكمثرية، القشرة المخية الجبهية، اللوزة، والقشرة العازلة) مع هذه التقنيةإيك 6 ، 7 ، 8 ، 9 ، 10 .

ومع ذلك، فقد أعيق تطبيق الرنين المغناطيسي الوظيفي لدراسات النظام الشمسي المركزي البشري والأمراض المرتبطة بها من قبل اثنين من العقبات الرئيسية: التعود السريع للإشارة بولد وتشكيل متغير عن طريق التنفس. في الحياة اليومية، عندما تتعرض لرائحة لفترة من الزمن، ونحن نعود بسرعة إلى رائحة. في الواقع، عندما درس باستخدام الرنين المغناطيسي الوظيفي الشمية، يتم تخفيف إشارة الرنين المغناطيسي الوظيفي الناجم عن رائحة بسرعة عن طريق التعود، مما يشكل تحديا على نماذج تحفيز نموذج 8 ، 10 ، 11 ، 12 ، 13 ، 14 . لا تزال إشارة بولد كبيرة الأولية في القشرة الشمية الأولية فقطثانية لعدة ثوان بعد ظهور الرائحة. لذلك، ينبغي أن نماذج النمذجة الرنين المغناطيسي الوظيفي الشم تجنب التحفيز رائحة لفترات طويلة أو متكررة في فترة قصيرة من الزمن. للحد من تأثير التعود، وقد حاولت بعض الدراسات لتقديم الروائح بالتناوب في نموذج الرنين المغناطيسي الوظيفي. ومع ذلك، فإن هذا النهج قد يعقد تحليل البيانات منذ كل رائحة يمكن أن تعامل على أنها حدث تحفيز مستقل.

وهناك مشكلة فنية أخرى تنشأ مع التباين في أنماط التنفس في المواضيع. الاستنشاق لا تزامن دائما مع إدارة رائحة خلال نموذج ثابت توقيت. يتم تشكيل بداية ومدة التحفيز حاسة الشم من قبل التنفس كل فرد، الذي يخلط جودة البيانات الرنين المغناطيسي الوظيفي والتحليل. وقد حاولت بعض الدراسات للتخفيف من هذه المشكلة مع الإشارات البصرية أو السمعية لمزامنة التنفس ورائحة رائحة، ولكن الامتثال للموضوعات متغير، وخاصة في السكان السريرية. تنشيط الدماغ المرتبطة وايهذه العظة يمكن أيضا تعقيد تحليل البيانات في بعض التطبيقات. وهكذا، مزامنة استنشاق مع تسليم الرائحة يمكن أن تكون حاسمة لدراسات الرنين المغناطيسي الوظيفي الشمية 15 .

وهناك اعتبار إضافي حيوي للرنين المغناطيسي الشري، وخاصة في عملية تحليل البيانات، هو اختيار الرائحة. العثور على تركيز الرائحة المناسب فيما يتعلق كثافة ينظر مهمة لقياس الكمي ومقارنة مستويات التنشيط في الدماغ تحت مختلف الظروف التجريبية أو الأمراض. اختيار الرائحة يجب أيضا أن تأخذ بعين الاعتبار رائحة التكافؤ، أو لطيف. ومن المعروف أن هذا يسبب التشكيلات الزمنية المتباعدة في التعلم حاسة الشم 16 ، 17 . تم اختيار رائحة الخزامى لهذه المظاهرة جزئيا لهذا السبب. اعتمادا على الغرض من دراسة محددة، ورائحة مختلفة قد تكون خيارات أفضل. وبالإضافة إلى ذلك، يجب الحد من التحفيز الثلاثي التوائم للحدe تفعيل لا ترتبط مباشرة إلى الشم 18 .

في هذا التقرير، علينا أن نظهر تقنية الرنين المغناطيسي الوظيفي لاقامة وتشغيل التنفس-- أثارت استخدام نموذج أولفاكتوميتر في بيئة الرنين المغناطيسي. كما نقدم أداة ما بعد المعالجة التي يمكن أن تقلل من بعض الأخطاء توقيت التي قد حدثت أثناء الحصول على البيانات في محاولة لزيادة تحسين تحليل البيانات.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

اتبع البروتوكول التجريبي التالي المبادئ التوجيهية لمجلس مراجعة المؤسسات من كلية جامعة ولاية بنسلفانيا للطب، والموضوع البشري أعطى موافقة مستنيرة مكتوبة قبل المشاركة في الدراسة.

ملاحظة: لغرض مظاهرة، ويرد نموذج تحفيز رائحة بسيطة باستخدام المتاحة تجاريا، يتم عرض أولفاكتوميتر مري التصويرية. وقد أثبت هذا النموذج فعالا في الحد من تأثير التعود وأنتجت بيانات الرنين المغناطيسي الوظيفي الشمية موثوقة 15 . قد تكون بعض الخطوات المبينة في هذا البروتوكول محددة لنوع أولفاكتوميتر المستخدمة. ومع ذلك، يمكن استخدام أي نوع من المعدات المنزلية الصنع أو المتاحة تجاريا مع قدرات مماثلة، بطريقة مماثلة. يجب أن يكون أولفاكتوميتر قادرة على رصد التنفس وكذلك تقديم تسلسل من أودورانتس مع توقيت دقيق. تأكد من أن نظام تسليم رائحة كله (بما في ذلكأولفاكتوميتر) مع مواد خاملة للمواد الكيميائية الرائحة (على سبيل المثال ، الزجاج و بوليتترافلورثيلين)، ومسار الرائحة على نحو سلس وضيق الهواء مع الحد الأدنى من المساحة الميتة.

1. تصميم باراديجم

  1. إنشاء نموذج جديد عن طريق تحديد تسلسل صمام تدفق الهواء على أولفاكتوميتر للبرمجة.
    ملاحظة: تسلسل الصمام هو ترتيب وتوقيت فتح وإغلاق قنوات الهواء المحددة التي تحمل تركيزات مختلفة أو أنواع من الروائح الكريهة. في هذه المظاهرة، تم فتح كل من الصمامات للقنوات الست مرتين لما مجموعه اثني عشر تسليم الرائحة. وعندما يكون صمام واحد مفتوحا، تغلق جميع الصمامات الأخرى، ولا يفتح كل صمام مرة أخرى إلا بعد فتح جميع الصمامات الأخرى مرة واحدة.
    1. تعيين مدة للحافز (افتتاح قناة محددة) وكذلك مدة القناة لتكون مغلقة.
      ملاحظة: في هذه المظاهرة، كانت مدة عرض رائحة 6 ثانية، في حيناختلفت مدة القنوات المراد إغلاقها من 22 ثانية إلى 38 ثانية.
    2. تعيين عدد من التكرار لتسلسل صمام يفتح ويغلق. هنا، عدد من التكرار هو 1.
    3. تتداخل مع كل عرض رائحة مع عرض للهواء عديم الرائحة في نفس معدل التدفق. على سبيل المثال، تسليم تدفق الهواء للموضوع مع أو بدون رائحة بمعدل تدفق 6 لتر / دقيقة في الرطوبة النسبية 50٪ ودرجة حرارة الغرفة عند 22 درجة مئوية.
      ملاحظة: هذا مهم، كما أن الاختلافات في تدفق الهواء قد يسبب الإحساس عن طريق اللمس.

2. إعداد الرائحة

  1. اختيار الرائحة المناسبة لنموذج تحفيز رائحة من خلال النظر في رائحة التكافؤ، لطيف، كثافة، الألفة، ومكون الثلاثي التوائم (انظر الجدول 1 ).
    ملاحظة: الجدول 1 يسرد بعض الروائح المستخدمة بشكل شائع. تم اختيار رائحة الخزامى لهذه المظاهرة لأنه يحتوي على الحد الأدنى من التحفيز الثلاثي التوائم في منخفضة إلى معتدلة المشتركوهي تعتبر عموما ممتعة ومألوفة.
  2. اختيار المذيب السليم (على سبيل المثال ، المياه، الزيوت المعدنية، 1،2-بروبانديول، الإيثانول) لإعداد حلول الرائحة.
    ملاحظة: هنا، تم استخدام 1،2-بروبانديول كما المذيبات لإعداد محلول الرائحة.
  3. اختيار تركيز الرائحة المناسبة لنموذج تحفيز رائحة. على سبيل المثال، تمييع زيت الخزامى في 1،2-بروبانديول في 0.10٪ (حجم / حجم) تركيز لتحفيز حاسة الشم 19 .
    ملاحظة: يمكن أن يتم ذلك عن طريق تقييم النفسية النفسية لسلسلة من تركيزات مختلفة من قبل مجموعة من المواضيع العادية.
  4. وضع حلول الرائحة المناسبة في حاويات رائحة. تأكد من أن جميع الحاويات لديها نفس المساحة من المساحة، نفس الكمية من الحل، ونفس مساحة السطح للحل. على سبيل المثال، استخدم ستة زجاجات زجاجية حجمها 300 مل كحاويات الرائحة مع كل زجاجة تحمل 50 مل من محلول زيت الخزامى 0.10٪.
  5. قم بتوصيل أسوف حاويات رائحة إلى القنوات المناسبة لرائحة التسليم.

3. أولفاكتوميتر مجموعة المتابعة

  1. تحقق من التوصيلات للتأكد من أن جميع الحاويات الرائحة تعلق بشكل صحيح على الناقل الرائحة. لا تبالغ، لأن هذا يمكن أن يضر الختم. يتم ضمان ضيق المناسبة في خطوة لاحقة عن طريق فحص تدفق الهواء من خلال كل حاوية رائحة.
  2. وضع الناقل الرائحة في غرفة المغناطيس وربط كل أنبوب إلى أولفاكتوميتر خارج الغرفة، والوحدة الرئيسية ليست مر متوافق. تحقق بصريا عن أي وصلات في الأنبوب، لأن هذا سيؤثر على تدفق الهواء. سيتم فحص تدفق الهواء لكل قناة في خطوة لاحقة.
  3. ربط آمن جميع الأنابيب من أولفاكتوميتر إلى الناقل الرائحة عن طريق مطابقة الأرقام إلى المنافذ الصحيحة. للدقة، لون رمز الأنابيب، مثل هذا الوردي للقناة 1، الأزرق للقناة 2، الخ .
  4. ضمان تدفق الهواء من خلال جميع القنوات متسقة عن طريق ربط تدفقمتر إلى نهاية الانتاج من الأنابيب. فتح يدويا كل قناة على لوحة التحكم من أولفاكتوميتر، وضبط مجموع تدفق الهواء وكذلك معدلات تدفق كل قناة وخط تدفق حتى معدل تدفق كل قناة متسقة.
  5. ربط قناع الوجه أو قطعة الأنف إلى الناقل الرائحة مع أنابيب بوليتترافلورثيلين (بتف). تأكد من أن تدفق الهواء (على سبيل المثال ، 6 لتر / دقيقة) تسليمها إلى هذا الموضوع هو ثابت عندما يتم تبديل القنوات.
  6. ربط الزناد تردد لاسلكي من نظام التصوير بالرنين المغناطيسي إلى "الزناد في" ميناء على أولفاكتوميتر لمزامنة نموذج تحفيز رائحة وصورة الرنين المغناطيسي الوظيفي اكتساب الصورة. قد تكون هناك حاجة إلى محول إشارة الضوئية والكهربائية.
  7. ضبط إجمالي تدفق الهواء وتدفق معدلات لكل قناة وخط تدفق إلى المبالغ المصممة. على سبيل المثال، تدفق الهواء الكلي من 6 لتر / دقيقة ومعدلات التدفق لكل قناة وخط تدفق ليكون 3 لتر / دقيقة.
  8. ربط سينسو الجهاز التنفسي الهوائيةr حزام إلى ميناء الاستجابة من أولفاكتوميتر عبر هوائي-- إشارة الكهربائية تحويل مربع.
  9. إذا كان هناك حاجة إلى استجابة ذاتية، قم بتوصيل لوحة الاستجابة الهوائية إلى ميناء استجابة أولفاكتوميتر عبر هوائي تحويل إشارة الكهربائية مربع.

4. إجراء تجريبي

  1. إجراء فحص مسبق للتأكد من أن إجراء التصوير بالرنين المغناطيسي آمنة للموضوع.
    1. اسأل هذا الموضوع عن التاريخ الطبي، بما في ذلك زرع المحتملة، الخوف من الأماكن المغلقة، أو غيرها من الظروف الموجودة مسبقا التي قد تتداخل مع قدرة الشخص على المشاركة بأمان في دراسة الرنين المغناطيسي الوظيفي. بالإضافة إلى ذلك، إجراء اختبار عتبة رائحة من أودورانتس للتأكد من أن هذا الموضوع يمكن أن رائحة رائحة خلال التجربة.
  2. هل يكون الموضوع مستلق على سرير الفحص بالرنين المغناطيسي. وضع قناع الوجه أو قطعة الأنف بشكل صحيح على هذا الموضوع لضمان ضربات الهواء في فتحتي الأنف. وضع جهاز استشعار الجهاز التنفسي على أي من تيالصدر أو البطن. اطلب من الشخص أن يتنفس بشكل طبيعي. ضبط يدويا ضيق ووضع حزام يحمل جهاز استشعار الجهاز التنفسي وفقا لنمط التنفس ينظر على عرض أولفاكتوميتر.
  3. إنشاء مجلد بيانات لتسجيل البيانات التنفسية في أولفاكتوميتر. انقر على "مدير الملفات"، وأدخل معرف الموضوع المخصص للموضوع الحالي، ثم "تأكيد" الإدخال.
  4. استخدام الخيار "فحص نموذج" لاختبار تزامن تسليم رائحة واستنشاق دون إشراك التحفيز، وإذا لزم الأمر، ضبط يدويا "تأخير صمام" الوقت لضمان بداية مزامنة رائحة تتم مزامنة مع مرحلة استنشاق هذا الموضوع.
  5. تعيين التزامن بين تحفيز رائحة والحصول على صورة الرنين المغناطيسي الوظيفي عن طريق اختيار "تشغيل في" واسطة على وحدة التحكم من أولفاكتوميتر.
    ملاحظة: هذا يسمح نموذج تحفيز رائحة أن تبدأ مع الزناد الخارجي على "؛ الزناد في "ميناء نشأت من نظام التصوير بالرنين المغناطيسي. وبالتالي، لن يتم تشغيل النموذج حتى يتم استقبال الزناد الخارجي من الماسح الضوئي. يرجى ملاحظة أي نوع من نبض الزناد (الكهربائية أو الخفيفة) أن الماسح الضوئي التصوير بالرنين المغناطيسي يرسل. قد تكون هناك حاجة لتحويل إشارة لربط النظامين.
  6. تفعيل الزناد التنفسي عن طريق اختيار "بدء تشغيل الزناد البداية" على وحدة التحكم من أولفاكتوميتر.
    ملاحظة: عند تفعيلها، تتم مزامنة بداية كل عنصر تسلسل نموذج مع استنشاق. هذا يمكن أن يتحقق تجريبيا عن طريق تأخير تسليم رائحة ما يقرب من نصف دورة من التنفس من بداية مرحلة الزفير.
  7. بدء الحصول على صورة الرنين المغناطيسي الوظيفي على وحدة التصوير بالرنين المغناطيسي. سيبدأ نموذج تحفيز الرائحة بمجرد بدء الحصول على الصور. مراقبة نمط التنفس لأي نشاط تنفسي غير منتظم.
    ملاحظة: قد يكون النشاط التنفسي غير النظامية في شكل الهضاب، دورات أوسع وأطول، أوموجات غير منتظمة. وقد استخدم هنا، وبولد إشارة الحساسة T 2 * -weighted تسلسل صدى مستو التصوير لالتقاط صور الرنين المغناطيسي الوظيفي مع 2000 مللي الوقت التكرار، 30 مللي وقت الصدى، و 90 درجة زاوية الوجه، 220 مم × 220 مم مجال الرؤية، 80 × 80 اكتساب مصفوفة، 30 4 ملم سميكة شرائح محورية، وعامل التسارع من 2 لتقنيات التصوير المتوازي متكاملة.
  8. عند الانتهاء من بروتوكول التصوير، ونقل الموضوع من المغناطيس وإزالة قناع الوجه / قطعة الأنف.

5. أولفاكتوميتر تنظيف المتابعة

  1. السلطة قبالة مضخة الهواء. فصل الحاويات رائحة من الناقل الرائحة واستبدالها مع نظيفة، فارغة منها.
  2. السلطة على مضخة الهواء. مسح كل قناة مع الهواء عديم الرائحة لمدة 5 دقائق لإزالة الروائح المتبقية في خط الهواء.
  3. إيقاف أولفاكتوميتر.
  4. تطهير قطعة الأنف أو قناع الوجه مع مناديل الكحول. شطف قناع الوجه أو قطعة الأنف بالماء الدافئ ثم الهواء الجاف.
    5. 6. تحليل البيانات

    1. لمعالجة البيانات، تحميل ملف بيانات التنفس إلى برنامج مفتوح المصدر أولفاكتوري شبكة تحفيز أداة التحرير (أونسيت) (www.pennstatehershey.org/web/nmrlab/resources/software/onset) 15
      ملاحظة: تم تطوير برنامج أونسيت من قبل شياو يو الشمس. سيتم الكشف عن إزالات تحفيز رائحة على أساس توقيت النموذج وتتبع التنفس تلقائيا. يتم تعريف ناقلات التحفيز الفعلي على أنها بداية وقت كل استنشاق فعالة خلال تسليم الرائحة.
      1. قياس ومقارنة معدل التنفس وحجم (المنطقة تحت كل استنشاق وزوج مرحلة الزفير) بين رائحة وفترات عديمة الرائحة 15 .
        ملاحظة: لا ينبغي أن يكون هناك فرق كبير في هذه المعلمات التنفسية بين رائحة وفترات عديمة الرائحة.
      2. معالجة البيانات الرنين المغناطيسي الوظيفي مع بداية الفعلية وناقلات المدة من أونسيت لتفعيل أولفاك المركزينظام المحافظين 15 .

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

الشكل 1 يوضح مجموعة من الرنين المغناطيسي الوظيفي الشمية داخل وخارج غرفة المغناطيس، مع الأخذ بعين الاعتبار MR- التوافق. ويبين الشكل 2A نموذج قياسي ثابت توقيت، في حين يوضح الشكل 2B نموذج حيث "الزناد التنفس" يسمح لمزامنة تسليم الرائحة والاستنشاق.

نمط التنفس العادية مع قمم استنشاق واضحة أمر حيوي لتنفيذ نموذج التنفس التنفس أثار دقيقة. وبالتالي، فإن تعديل جهاز استشعار التنفس خطوة هامة في إعداد التجربة. ويبين الشكل 3 آثار التنفس عينة عندما تم تعيين جهاز استشعار التنفس بشكل غير صحيح ( الشكل 3A ) وبشكل صحيح ( الشكل 3B ). إذا كان ريسبيرانمط النشوة غير النظامية أو الهضاب إشارة التنفس، فإن أولفاكتوميتر يكون غير قادر على تحديد بدقة نمط التنفس، وعرض رائحة لا يمكن أن تكون متزامنة مع استنشاق هذا الموضوع.

مع التنفس-- أثار، رائحة تحفيز النموذج، بداية وناقلات مدة لتحفيز رائحة تختلف بين المواضيع. لتحليل البيانات الرنين المغناطيسي الوظيفي الشمية، يمكن تحديد بداية الفعلية وناقلات المدة مع أونسيت، ويمكن معالجة البيانات الرنين المغناطيسي الوظيفي بعد الإجراءات القياسية مع هذه النواقل. ويبين الشكل 4 عينة خريطة تنشيط الدماغ الاستجابة لتحفيز رائحة التنفس أثارها البرمجيات مفتوحة المصدر SPM8 (www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm) مع بداية رائحة الفعلية وناقلات المدة التالية إجراءات المعالجة القياسية. تم الكشف عن تنشيط ذات الصلة الرائحة ذات الصلة في القشرة الشمية الأولية الثنائية، إنسو الحقالقشرة اللاربية، التلفيف الأيمن / الزاوي الأيمن، نواة المذنبة اليسرى، والتلفيف خلف المركزي / فوق الأيسر (تصحيح الخطأ الحكيم للأسرة، p <0.05، حد العتبة = 6 فوزيلس).

شكل 1
الشكل 1 : الرسم التخطيطي للتجريبية انشاء. ترتبط عناصر التصوير بالرنين المغناطيسي المتوافقة في غرفة المغناطيس إلى وحدة التصوير بالرنين المغناطيسي و أولفاكتوميتر مربع يضم في غرفة التحكم من خلال لوحة اختراق مع الدليل الموجي في الجدار الذي يفصل بين الغرفتين. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 2
الشكل 2 الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 3
الشكل 3 : عينة المخططات التنفسية. (أ) مثال التنفس تتبع عندما لم يتم تعيين جهاز استشعار التنفس بشكل صحيح؛ أنماط التنفس هضبة وتصبح غير النظامية. (ب) نمط التنفس المنتظم المسجل مع جهاز استشعار التنفس الموضوعة بشكل صحيح؛ في هذه الحالة، ريسبأنماط التموينية تتفق مع قمم مستوى، ويمكن أن تكون متزامنة التسليم رائحة مع استنشاق. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 4
الشكل 4 : عينة خريطة تفعيل الدماغ. استجاب موضوع صحي لمحاكاة الخزامى رائحة التنفس التنفس (خطأ الحكمة الأسرة، p <0.05، عتبة حد = 6 فوزيلس). يتضمن التنشيط الهام القشرة الشمية الأولية اليمنى (بوك، مني سورديناتس x = 20، y = 6، z = -14)، بوك (x = -22، y = 4، z = -10)، القشرة الحلقية اليمنى (x = 46، y = 20، z = -10)، التلفيف الأيمن فوق الزاوي / الزاوي الأيمن (x = 66، y = -48، z = 28)، نواة الذيل اليسرى (x = -14، y = 6، z = 10) وترك بوستسنترال / سوبرامارجيناl غايروس (x = -66، y = -24، z = 20). الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.


الرائحة رائحته مثل مركب التحفيز الثلاثي التوائم مذيب
الأسيتالديهيد 29 الأخضر، الحلو بسيط لا ماء
الأمونيا 29 نفاذة، نظافة بسيط نعم فعلا ماء
أميل خلات 30 الموز، التفاحة بسيط بعض ماء
n-بيوتانول 31،32 معتدل الكحولية بسيط لا ماء
ن بيوتيل خلات 31 الحلو والفواكه بسيط نعم فعلا ماء
حمض البوتريك 33 الحامض، زنخ بسيط نعم فعلا ماء
سيترال 30،33 ليمون بسيط بعض ماء
ثاني أكسيد الكربون 34،35 عديم الرائحة بسيط نعم فعلا N / A
إثيل بوتيرات 30 أناناس بسيط نعم فعلا ماء
يوكاليبتول 35 شجرة الكينا بسيط نعم فعلا الإيثانول
يوجينول 33،36 القرنفل، حار بسيط لا الإيثانول
جيرانيول ارتفع الحلو، الأزهار بسيط لا الإيثانول
حمض هدروسولفوريك 34،36 البيض الفاسد بسيط لا ماء
لافندر 24،37 الخزامي مركب لا الإيثانول
منثول 33 نعناع بسيط نعم فعلا الإيثانول
ميثيل ساليسيلات 33 وينترغرين النعناع بسيط نعم فعلا الإيثانول
الباتشولي 38 تربة رطبة مركب نعم فعلا الإيثانول
1-بروبانول 31 مسح بالكحول بسيط نعم فعلا الإيثانول
كحول الفينيل 36،39 ارتفع بسيط Nس الإيثانول
روزماري النفط 38 إكليل الجبل مركب نعم فعلا الإيثانول
ثاني أكسيد الكبريت 29 مزعجة، لاذع بسيط نعم فعلا ماء
حمض فالريك 33 جبن، جبن بسيط نعم فعلا ماء
فانيلين 29 فانيلا بسيط لا الإيثانول
ايلانج يلانج 38 عطر الزهور مركب نعم فعلا الإيثانول
*** انظر نهاية المخطوطة للمراجع

الجدول 1: الروائح الشائعة المستخدمة في الدراسات الرنين المغناطيسي الوظيفي الشمية .

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

وينبغي النظر بعناية في الإجراءات التجريبية وتنفيذها بشكل صحيح لجمع بيانات تفعيل الشم الحميدة. وتشمل الخطوات الحاسمة داخل البروتوكول تنفيذ نموذج التنفس أثار لمزامنة تسليم الرائحة مع الحصول على الصور، وإعداد تركيزات مناسبة من أودورانتس للسيطرة على الاستجابات النفسية النفسية، وإنشاء أولفاكتوميتر مع موثوقة إشارة التنفس مستقرة وتدفق الهواء المستمر، والتنفس بعد المعالجة ورائحة البيانات توقيت إدارة باستخدام أونسيت لضبط بأثر رجعي ناقلات بداية رائحة. يجب أن تؤخذ في الاعتبار المتغيرات المؤثرة مثل التعود، والاستجابة النفسية النفسية، وأنماط التنفس عند تصميم نموذج وتحليل البيانات. عندما يتعرض أحد المواد لرائحة طويلة، ينخفض ​​تنشيط قشرة الشم الأولية خلال ثوان من التعرض، مما يجعل من الضروري استخدام نموذج ذات صلة بالحدث مع سلسلة من الإدارات المختصرةمن الروائح الكريهة. وينبغي أيضا رصد التنشق عن كثب لأنها يمكن أن تحفز التنشيط في القشرة الكمثري حتى من دون رائحة 8 . الأهم من ذلك، التنفس هو متغير الخلط الرئيسي إذا لم يكن متزامنا مع إدارة الرائحة. لقد أظهرنا أن تزامن استنشاق ورائحة بداية مع نموذج أثار التنفس ينتج تنشيط أكثر موثوقية 15 .

القضية الأكثر شيوعا مع طريقة التنفس الرنين المغناطيسي الوظيفي الحرة التنفس هو تزامن الفقراء بين الحدث من رائحة التسليم والاستنشاق، والتي يمكن أن تكون ناجمة عن ثلاثة عيوب في الإعداد التجريبي. أولا، والأكثر شيوعا، لم يتم تعيين جهاز استشعار التنفس بشكل صحيح. عندما حزام الصدر ضيق جدا، فإن إشارة التنفس الهضبة، الأمر الذي سيؤدي إلى تزامن الفقراء. ثانيا، الوقت "تأخير صمام" ليست معايرة بشكل جيد، والتي يمكن أن تسبب رائحة التسليم لتكون في وقت مبكر جدا أو في وقت متأخر جدا في دورة التنفسشركة كلي. ثالثا، نمط التنفس الموضوع لا يتفق بعد معايرة "تأخير صمام" الوقت. وهكذا، فإن التدريب قبل المسح للموضوع للتنفس بشكل طبيعي في المغناطيس ورصد وثيق لنمط التنفس خلال مسح الرنين المغناطيسي الوظيفي هي مهمة.

من المهم النظر في شدة، التكافؤ، والتحفيز الثلاثي التوائم عند اختيار أودورانتس للدراسة، وهذه المتغيرات يمكن أن يسبب أنواع مختلفة من الاستجابات النفسية النفسية وما يرتبط بها من تنشيط الرنين المغناطيسي الوظيفي. على سبيل المثال، قد تسبب شدة ضعيفة ميلا للشم، في حين أن كثافة قوية قد يسبب عقد التنفس غير الطوعي أو التعود السريع أكثر. وتظهر كثافة رائحة أيضا أن تكون مرتبطة مع تفعيل في الدماغ 20 . ويتألف النموذج البديل من أربعة تركيزات من الخزامى المقدمة في زيادة كثافة طوال التجربة، التي خفضت بشكل فعال التعود 21 . تكافؤ أودوراكما ينشط مناطق مختلفة من الدماغ، والتي يجب أن تؤخذ في الاعتبار لتفسير البيانات 22 . على سبيل المثال، أظهرت دراسة واحدة التشكيلات الزمنية المتباينة من خلال التكافؤ رائحة 16 . بالإضافة إلى ذلك، العديد من الروائح لها درجات متفاوتة من التحفيز الثلاثي التوائم، والتي ينبغي النظر فيها.

من المهم أن ندرك أن هذا النموذج الحر التنفس ليس بالضرورة مناسبة لجميع الدراسات الرنين المغناطيسي الوظيفي الشمية. أنه يوفر فقط مثالا لاعتبارات خاصة التي هي مهمة لدراسات الرنين المغناطيسي الوظيفي الشمية. ومن المهم أيضا أن نلاحظ أن الإجراءات التجريبية التي تظهر في هذا التقرير ليست محددة ل أولفاكتوميتر المستخدمة. هذا الجهاز يمكن أن تكون بديلا مع أي أولفاكتوميتر مع قدرات مماثلة. على سبيل المثال، يجب أن يكون أولفاكتوميتر قدرات التنفس التنفس، فضلا عن القدرة على أداء نموذج أثار التنفس مع مصادر رائحة متعددة. Additionaفي حين تم تقديم هذه التجربة باستخدام الخزامى، يمكن أن تكون بديلا عن رائحة أخرى من قبل المحقق، على الرغم من أنه من المهم للحد من المتغيرات المربكة مثل التحفيز الثلاثي التوائم وتركيز الرائحة.

تهدف هذه الطريقة التنفسية الرنين المغناطيسي الوظيفي الحرة إلى إزالة الشروط المسبقة للنظام الشمي المركزي والحد من التناقض بين الأحداث المتكررة لتحفيز رائحة. قد تختلف الشروط المسبقة لنظام شمي المركزي من موضوع إلى موضوع، والتي يمكن أن تسبب الاختلافات في تفعيل في الهياكل الشمية الأولية. اتساق الأحداث المتكررة، على سبيل المثال ، محفزات رائحة لتحريك تفعيل نظام الشمية المركزي، أمر بالغ الأهمية لتنفيذ ناجح للبروتوكولات الرنين المغناطيسي الوظيفي المرتبطة بالحدث. وبالإضافة إلى ذلك، مع تقنية التنفس الحرة، لا يمكن أن يكون هناك أي عظة أو المهام للموضوعات خلال تنفيذ نماذج الرنين المغناطيسي الوظيفي الشمية. كما يتطلب الحد الأدنى من الجهد من هذا الموضوع خلال وظيفيةالحصول على البيانات، يمكن أن تصبح أداة قيمة لدراسة العجز الشمي في بعض الاضطرابات العصبية الشعبية والأمراض، على سبيل المثال ، مرض الزهايمر.

وقد استخدمت الدراسات الحديثة الرنين المغناطيسي الوظيفي الشمية لاستكشاف أنماط تنشيط الدماغ في الاضطرابات العصبية. وتشمل عيوب الشلل في الاضطرابات العصبية، وخاصة مرض الزهايمر ومرض باركنسون صعوبة في الكشف عن الرائحة، والاعتراف، وتحديد 3 ، 23 . ومع ذلك، في حين أن العجز حاسة الشم هي مؤشر واضح في المراحل الأولى من بداية المرض، وفقدان وظيفة الشمية غالبا ما يذهب دون أن يلاحظها أحد أو يعزى إلى انخفاض العمر المرتبط ذات الصلة 1 ، 23 . ولذلك، فمن المهم مواصلة استكشاف أنماط تفعيل متميزة المرتبطة الخلل في حاسة الشم في مثل هذه الأمراض لتشخيص أفضل رتنحنح في وقت مبكر. في مرض الزهايمر، تنخفض أنماط التنشيط بشكل ملحوظ في القشرة الشمية الأولية، وكذلك الحصين و إنسولا عند مقارنتها بالصحة، والضوابط المتطابقة مع العمر 24 . بالإضافة إلى ذلك، وجد الباحثون أنه في مرضى مرض باركنسون، تظهر اللوزة والمهاد أقل نشاطا مما هو عليه في الضوابط الصحية، في حين ينظر إلى التنشيط العالي في مناطق مثل التلفيف الجبهي السفلي الأيسر مقارنة بالضوابط 2 . وتظهر دراسات إضافية فرط النشاط في القشرة الكمثرية والجسم المداري في مرضى مرض باركنسون 25 . ويبدو أن مثل هذه أنماط تفعيل متميزة تمتد إلى أبعد من علم الأمراض الهيكلي، مما يثبت أهمية اكتساب البيانات وظيفية في فهم وتشخيص الاضطرابات العصبية وتستلزم الابتكارات في دقة وحساسية الرنين المغناطيسي الوظيفي الشمية.

لهذا السبب، مزيد من ستويموت على نظام الشم الشمسي مع الرنين المغناطيسي الوظيفي قد يكون لها القدرة على وضع العلامات البيولوجية للتشخيص المبكر للأمراض الاعصاب. في الواقع، الدراسات تتقدم بالفعل، بما في ذلك إظهار حساسية لمستويات التنشيط بين الشيخوخة العادية ومرض مرض الزهايمر 24 ، 26 . وأظهرت إحدى هذه الدراسات أن تدمير الشبكة العصبية هو في كثير من الأحيان للكشف حتى قبل العجز المعرفي تقدم نفسها في بعض الأمراض العصبية التناسلية 27 . وهذا يسلط الضوء على أهمية التحقيق بالرنين المغناطيسي الوظيفي الشمية كأداة محتملة للتشخيص المبكر لهذه الأمراض. وتشير الدلائل أيضا إلى وجود تغييرات واسعة النطاق في معالجة حاسة الشم في مرض الزهايمر بالإضافة إلى التغيرات التي لوحظت في مناطق شمية محددة، مع التشديد على أهمية مزيد من الاستكشاف في التوصيل الوظيفي للشم 28 . السيناتورإيفيتيتي من مستويات تفعيل الشم كما علامة بيولوجية تعتمد على حساسية لتحفيز رائحة والتكاثر التجريبي، مما يسلط الضوء على أهمية الموثوقية في رسم الخرائط لنظام الشم. مجتمعة، فإن المثال المعروض في هذه الورقة يوفر لمحة عن الطرق التي الرنين المغناطيسي الوظيفي الشمية يمكن استخدامها بشكل فعال لفهم تعقيدات النظام الشمي المركزي والأهمية السريرية لهذا الفهم.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

الكتاب ليس لديهم ما يكشف.

Acknowledgments

المؤلفين ليس لديهم اعترافات.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
3T MR scanner Siemens Any MR scanner is acceptable. 
Olfactometer Emerging Tech Trans, LLC Any olfactometer with similar capabilities is acceptable.
6-channel odorant carrier Emerging Tech Trans, LLC
Nosepiece/applicator Emerging Tech Trans, LLC
PTFE tubing Emerging Tech Trans, LLC
TTL convertor box Emerging Tech Trans, LLC
Respiratory sensor belt Emerging Tech Trans, LLC
Lavender oil Givaudan Flavors Corporation
1,2 propanediol Sigma P6209
ONSET www.pennstatehershey.org/web/nmrlab/resources/software/onset
SPM8  Wellcome Trust Center for Neuroimaging, University College London, London, UK 

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Doty, R. L., Reyes, P. F., Gregor, T. Presence of both odor identification and detection deficits in Alzheimer's disease. Brain Res Bull. 18 (5), 597-600 (1987).
  2. Hummel, T., et al. Olfactory FMRI in patients with Parkinson's disease. Front Integr Neurosci. 4, 125 (2010).
  3. Mesholam, R. I., Moberg, P. J., Mahr, R. N., Doty, R. L. Olfaction in neurodegenerative disease: a meta-analysis of olfactory functioning in Alzheimer's and Parkinson's diseases. Arch Neurol. 55 (1), 84-90 (1998).
  4. Pause, B. M., Miranda, A., Göder, R., Aldenhoff, J. B., Ferstl, R. Reduced olfactory performance in patients with major depression. J Psychiatr Res. 35 (5), 271-277 (2001).
  5. Vasterling, J. J., Brailey, K., Sutker, P. B. Olfactory identification in combat-related posttraumatic stress disorder. J Trauma Stress. 13 (2), 241-253 (2000).
  6. Anderson, A. K., et al. Dissociated neural representations of intensity and valence in human olfaction. Nat Neurosci. 6 (2), 196-202 (2003).
  7. Gottfried, J. A., Deichmann, R., Winston, J. S., Dolan, R. J. Functional heterogeneity in human olfactory cortex: an event-related functional magnetic resonance imaging study. J Neurosci. 22 (24), 10819-10828 (2002).
  8. Sobel, N., et al. Sniffing and smelling: separate subsystems in the human olfactory cortex. Nature. 392 (6673), 282-286 (1998).
  9. Sun, X., Wang, J., Weitekamp, C. W., Yang, Q. X. A Novel Data Processing Method for Olfactory fMRI Examinations. Proc Intl Soc Mag Res Med. 18 (2010), 1161 (2010).
  10. Zatorre, R. J., Jones-Gotman, M., Evans, A. C., Meyer, E. Functional localization and lateralization of human olfactory cortex. Nature. 360 (6402), 339-340 (1992).
  11. Boley, J. C., Pontier, J. P., Smith, S., Fulbright, M. Facial changes in extraction and nonextraction patients. Angle Orthod. 68 (6), 539-546 (1998).
  12. Furman, J. M., Koizuka, I. Reorientation of poststimulus nystagmus in tilted humans. J Vestib Res. 4 (6), 421-428 (1994).
  13. Loevner, L. A., Yousem, D. M. Overlooked metastatic lesions of the occipital condyle: a missed case treasure trove. Radiographics. 17 (5), 1111-1121 (1997).
  14. Tabert, M. H., et al. Validation and optimization of statistical approaches for modeling odorant-induced fMRI signal changes in olfactory-related brain areas. Neuroimage. 34 (4), 1375-1390 (2007).
  15. Wang, J., Sun, X., Yang, Q. X. Methods for olfactory fMRI studies: Implication of respiration. Hum Brain Mapp. 35 (8), 3616-3624 (2014).
  16. Gottfried, J. A., O'Doherty, J., Dolan, R. J. Appetitive and aversive olfactory learning in humans studied using event-related functional magnetic resonance imaging. J Neurosci. 22 (24), 10829-10837 (2002).
  17. Popp, R., Sommer, M., Müller, J., Hajak, G. Olfactometry in fMRI studies: odor presentation using nasal continuous positive airway pressure. Acta Neurobiol Exp (Wars). 64 (2), 171-176 (2004).
  18. Wang, J., et al. Olfactory Habituation in the Human Brain. Proc Intl Soc Mag Res Med. 20, 2150 (2012).
  19. Grunfeld, R., et al. The responsiveness of fMRI signal to odor concentration). Proc. 27th Annual Meeting ACHEMS, , A237-A238 (2005).
  20. Jia, H., et al. Functional MRI of the olfactory system in conscious dogs. PLoS One. 9 (1), e86362 (2014).
  21. Karunanayaka, P., et al. Networks involved in olfaction and their dynamics using independent component analysis and unified structural equation modeling. Hum Brain Mapp. 35 (5), 2055-2072 (2014).
  22. Royet, J. P., et al. Functional neuroanatomy of different olfactory judgments. Neuroimage. 13 (3), 506-519 (2001).
  23. Doty, R. L. Influence of age and age-related diseases on olfactory function. Ann N Y Acad Sci. 561, 76-86 (1989).
  24. Wang, J., et al. Olfactory deficit detected by fMRI in early Alzheimer's disease. Brain Res. 1357, 184-194 (2010).
  25. Moessnang, C., et al. Altered activation patterns within the olfactory network in Parkinson's disease. Cereb Cortex. 21 (6), 1246-1253 (2011).
  26. Vasavada, M. M., et al. Olfactory cortex degeneration in Alzheimer's disease and mild cognitive impairment. J Alzheimers Dis. 45 (3), 947-958 (2015).
  27. Jacobs, H. I., Radua, J., Lückmann, H. C., Sack, A. T. Meta-analysis of functional network alterations in Alzheimer's disease: toward a network biomarker. Neurosci Biobehav Rev. 37 (5), 753-765 (2013).
  28. Murphy, C., Cerf-Ducastel, B., Calhoun-Haney, R., Gilbert, P. E., Ferdon, S. ERP, fMRI and functional connectivity studies of brain response to odor in normal aging and Alzheimer's disease. Chem Senses. 30 Suppl 1, i170-i171 (2005).
  29. Hummel, T., Kobal, G. Differences in human evoked potentials related to olfactory or trigeminal chemosensory activation. Electroen Clin Neuro. 84 (1), 84-89 (1992).
  30. Cerf-Ducastel, B., Murphy, C. FMRI brain activation in response to odors is reduced in primary olfactory areas of elderly subjects. Brain Res. 986 (1-2), 39-53 (2003).
  31. Cain, W. S. Contribution of the trigeminal nerve to perceived odor magnitude. Ann NY Acad Sci. 237, 28-34 (1974).
  32. Murphy, C., Gilmore, M. M., Seery, C. S., Salmon, D. P., Lasker, B. R. Olfactory thresholds are associated with degree of dementia in Alzheimer's disease. Neurobiol Aging. 11 (4), 465-469 (1990).
  33. Doty, R. L., Brugger, W. E., Jurs, P. C., Orndoff, M. A., Snyder, P. J., Lowry, L. D. Intranasal trigeminal stimulation from odorous volatiles: Psychometric responses from anosmic and normal humans. Physiol Behav. 20 (2), 175-185 (1978).
  34. Kobal, G., Hummel, T. Olfactory and intranasal trigeminal event-related potentials in anosmic patients. Laryngoscope. 108 (7), 1033-1035 (1998).
  35. Frasnelli, J., Lundström, J. N., Schöpf, V., Negoias, S., Hummel, T., Lepore, F. Dual processing streams in chemosensory perception. Front Hum Neurosci. 6, Article 288 (2012).
  36. Yousem, D. M., et al. Gender effects on odor-stimulated functional magnetic resonance imaging. Brain Res. 818 (2), 480-487 (1999).
  37. Koulivand, P. H., Ghadiri, M. K., Gorji, A. Lavender and the nervous system. Evid Based Compl Alt Med. 2013, Article ID 681304 (2013).
  38. Yousem, D. M., et al. Functional MR imaging during odor stimulation: Preliminary data. Neuroradiology. 204 (3), 833-838 (1997).
  39. Hummel, T., Doty, R. L., Yousem, D. M. Functional MRI of intranasal chemosensory trigeminal activation. Chem Senses. 30 (suppl. 1), i205-i206 (2005).

Tags

علم الأعصاب، العدد 125، الشم، وظيفية التصوير بالرنين المغناطيسي (الرنين المغناطيسي الوظيفي)، أولفاكتوميتر، رائحة، والتنفس، علم الأعصاب، والتصوير
A التنفس-- التنفس طريقة الرنين المغناطيسي الوظيفي لدراسة وظيفة الإنسان الشمية
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Wang, J., Rupprecht, S., Sun, X.,… More

Wang, J., Rupprecht, S., Sun, X., Freiberg, D., Crowell, C., Cartisano, E., Vasavada, M., Yang, Q. X. A Free-breathing fMRI Method to Study Human Olfactory Function. J. Vis. Exp. (125), e54898, doi:10.3791/54898 (2017).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter