Waiting
Login processing...

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

Neuroscience

ללא תשלום נשימה fMRI שיטה לחקר האדם חוש הריח פונקציה

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

אנו מציגים את האתגרים הטכניים ופתרונות להשגת אמין פונקציונלי מגנטי תהודה הדמיה (fMRI) נתונים ממערכת חוש הריח האנושי האנושי. זה כולל שיקולים מיוחדים בעיצוב fMRI חוש הריח חוש הריח, תיאורים של רכישת נתונים fMRI עם OLfactometer תואם MRI, מבחר אודורנט, וכלי תוכנה מיוחדת לעיבוד נתונים לאחר.

Abstract

המחקר של זית האדם הוא שדה מורכב מאוד בעל ערך עם יישומים החל מחקר ביו-רפואי להערכה קלינית. נכון לעכשיו, הערכה של הפונקציות של מערכת חוש הריח האנושי האנושי עם הדמיה תפקודית מגנטית (fMRI) הוא עדיין אתגר בגלל קשיים טכניים שונים. יש כמה משתנים משמעותיים לקחת בחשבון כאשר בוחנים שיטה יעילה למיפוי הפונקציה של מערכת חוש הריח המרכזי באמצעות fMRI, כולל בחירה בריאה נכונה, את האינטראקציה בין ריח הריחוף ואת הנשימה, וכן ציפייה פוטנציאלית של או הרגלה odorants. אירוע הקשורים, הנשימה מופעלות הריח FMRI טכניקה יכול במדויק odorants כדי לעורר את מערכת חוש הריח תוך צמצום הפרעה פוטנציאלית. זה יכול למעשה ללכוד את onsets מדויק של אותות fMRI בקליפה חוש הריח העיקרי באמצעות הנתונים שלנו שלאחר עיבוד השיטה. הטכניקה מראששנשלחו כאן מספק אמצעי יעיל ומעשי ליצירת תוצאות fMRI חוש הריח אמין. טכניקה כזו יכולה להיות מיושמת בסופו של דבר בתחום הקליני ככלי אבחון למחלות הקשורות ניוון ריח, כולל מחלת אלצהיימר ופרקינסון, כפי שאנו מתחילים להבין עוד יותר את המורכבות של מערכת חוש הריח האנושי.

Introduction

מערכת חוש הריח האנושי נתפסת כמערכת סנסורית הרבה יותר, משום שאולקציה גם ממלאת תפקיד חשוב ברגולציה וברגשות הומיאוסטטיים. מבחינה רפואית, מערכת חוש הריח האנושי ידועה כבעלת פגיעות להתקפות של מחלות נוירולוגיות נפוצות רבות והפרעות פסיכיאטריות, כגון מחלת האלצהיימר, מחלת פרקינסון, הפרעת דחק פוסט טראומטית ודיכאון 1 , 2 , 3 , 4 , 5 . נכון לעכשיו, דימות תהודה מגנטית תפקודית (fMRI) עם ניגוד תלוי ברמת חמצן בדם (BOLD) הוא הטכניקה החשובה ביותר עבור פונקציות המיפוי של המוח האנושי. כמות משמעותית של ידע על פונקציות ספציפיות של מבנים חוש הריח המרכזי ( למשל , קליפת piriform, קליפת המוח אורביטופרונלית, אמיגדלה, קליפת המוח) נרכשה עם זה techn6 , 7 , 8 , 9 , 10 .

היישום של fMRI למחקרים על מערכת חוש הריח האנושי ומחלות הקשורות, עם זאת, כבר הפריעו על ידי שני מכשולים עיקריים: הרגלה מהירה של אות BOLD ו אפנון משתנה על ידי הנשימה. בחיי היום-יום, כאשר אנו נחשפים לניחוח במשך תקופה מסוימת, אנו ממהרים להתרגל לריח. למעשה, כאשר למד באמצעות fMRI הריח, האות fMRI ריח המושרה הוא נחלש במהירות על ידי הרגלה, אשר מציב אתגר על עיצובים הפרדיגמה גירוי 8 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 . האות הראשון משמעותי BOLD בקליפה חוש הריח העיקרי רק להתמידS במשך כמה שניות לאחר הופעת אודור. לכן, הפרדיגמות fMRI חוש הריח צריך להימנע ממושך או תכופים גירויים ריח בתקופה קצרה של זמן. כדי להפחית את אפקט ההרגלה, כמה מחקרים ניסו להציג ריחות לסירוגין בפרדיגמת fMRI. עם זאת, גישה זו עלולה לסבך ניתוח נתונים מאז כל ריח יכול להיות מטופל כאירוע גירוי עצמאי.

בעיה טכנית נוספת מתעוררת עם השתנות דפוסי הנשימה של הנבדקים; שאיפה לא תמיד מסתנכרנת עם ממשל אודור במהלך פרדיגמת עיתוי קבוע. תחילת ומשך גירוי חוש הריח מאופננים על ידי הנשימה של כל אדם, אשר confounds fMRI איכות הנתונים וניתוח. כמה מחקרים ניסו לצמצם את הבעיה עם רמזים חזותיים או שמיעה כדי לסנכרן את הנשימה ואת התפרצות ריח, אבל ההתאמה של נושאים משתנה, במיוחד באוכלוסייה קלינית. הפעלות המוח הקשורות wiרמזים אלה יכולים גם לסבך ניתוח נתונים ביישומים מסוימים. לפיכך, סינכרון שאיפה עם משלוח odorant יכול להיות מכריע עבור מחקרים fMRI חוש הריח 15 .

שיקול נוסף חיוני fMRI חוש הריח, במיוחד בתהליך ניתוח הנתונים, הוא בחירה ריחניים. מציאת ריכוז ריחני מתאים ביחס לעוצמות נתפסת חשוב לכימות והשוואה של רמות ההפעלה במוח תחת תנאים ניסיוניים שונים או מחלות. בחירת המבחר צריך גם לקחת בחשבון את ריח הריח, או נעימות. זה ידוע כדי לגרום פרופילים זמניים שונים בלמידה חוש הריאה 16 , 17 . ריח לבנדר נבחר להפגנה זו חלקית מסיבה זו. בהתאם למטרה מסוימת של מחקר, odorants שונים עשויים להיות בחירה טובה יותר. בנוסף, גירוי טריגמינלי חייב להיות ממוזער כדי להפחיתלא קשור ישירות לאולפקיון 18 .

בדו"ח זה, אנו מדגימים טכניקת fMRI כדי להקים ולהפעיל פרדיגמה מופעלת באמצעות נשימה באמצעות אולפקטומטר בסביבת התהודה המגנטית. כמו כן, אנו מציגים כלי לעיבוד לאחר, שיכול לצמצם כמה טעויות תזמון שעשויות להתרחש במהלך רכישת נתונים בניסיון לשפר עוד יותר את ניתוח הנתונים.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

פרוטוקול הניסוי שלהלן פעל לפי ההנחיות של המוסד לביקורת מוסדית של מדינת פנסילבניה סטייט קולג 'לרפואה, ואת האדם הנושא נתן הסכמה מדעת בכתב לפני שהשתתפו במחקר.

הערה: לצורך הדגמה, פרדיגמת גירוי ריח פשוט באמצעות olfactometer זמין מסחרית, MRI תואם מוצג. פרדיגמה זו הוכיחה עצמה יעילה בהפחתת אפקט ההרגלה והפיקה נתוני fMRI בעלי חוש הריח אמין 15 . צעדים מסוימים המתוארים בפרוטוקול זה עשוי להיות ספציפי לסוג olfactometer בשימוש. עם זאת, כל סוג של ציוד - תוצרת בית או זמינים מסחרית עם יכולות דומות - ניתן להשתמש באופן דומה. אולפקטומטר חייב להיות מסוגל לעקוב אחר הנשימה, כמו גם הצגת רצף של odorants עם תזמון מדויק. ודא כי כל מערכת משלוח ריח (כוללאולפקטומטר) בנוי עם חומרים אינרטי כימיקלים כימיים ( כגון זכוכית polytetrafluoroethylene), ואת המסלול הריח חלקה אוויר הדוק עם שטח מתים מינימלי.

1. עיצוב פרדיגמה

  1. יצירת פרדיגמה חדשה על ידי ציון רצף שסתום זרימת האוויר על olfactometer לתכנות.
    הערה: רצף השסתום הוא הסדר והעיתוי של פתיחה וסגירה של תעלות אוויר ספציפיות המחזיקות בריכוזים שונים או בסוגי odorants. בהפגנה זו, כל אחד מן שסתומים עבור שישה ערוצים נפתח פעמיים עבור סך של 12 משלוחי ריח. בכל פעם שסתם אחד היה פתוח, כל שאר השסתומים היו סגורים, וכל שסתום נפתח שוב רק לאחר שכל שאר השסתומים כבר נפתחו פעם אחת.
    1. הקצה משך זמן לגירוי (פתיחת ערוץ ספציפי) וכן משך הערוץ כדי להיות סגור.
      הערה: בהפגנה זו, משך המצגת הריח היה 6 שניות, בעודמשך הערוצים שיסגרו ישתנה מ -22 ל -38 שניות.
    2. הגדר את מספר חזרות על רצף של שסתום נפתח וסוגר. כאן, מספר החזרות הוא 1.
    3. לערבב כל מצגת אודורנט עם מצגת של ריח ריח באותה קצב הזרימה. לדוגמה, לספק את זרימת האוויר לנושא עם או בלי ריח בקצב זרימה של 6 L / min ב לחות יחסית 50% וטמפרטורת החדר ב 22 ° C.
      הערה: זה חשוב, כמו וריאציות זרימת האוויר עלול לגרום תחושה מישוש.

2. הכנת אודורנט

  1. בחר ריח רע על הפרדיגמת גירוי ריח על ידי בהתחשב בעדינות ריח, נעימות, אינטנסיביות, היכרות, מרכיב טריגמינלי (ראה טבלה 1 ).
    הערה: טבלה 1 מפרטת כמה ריחות. ריח לבנדר נבחרה להפגנה זו משום שיש לה גירוי טריגמינלי מינימלי במינון נמוך עד בינוניNcentrations והוא נתפס בדרך כלל כמו נעים ומוכר.
  2. בחר ממס מתאים ( למשל , מים, שמן מינרלי, 1,2-propanediol, אתנול) כדי להכין את הפתרונות אודורנט.
    הערה: כאן, 1,2-propanediol שימש כממס עבור הכנה פתרון אודורנט.
  3. בחר ריכוז odorant ראוי הפרדיגמה ריח הריח. לדוגמה, לדלל שמן לבנדר ב 1,2-propanediol ב 0.10% (נפח / נפח) ריכוז לגירוי חוש הריח 19 .
    הערה: זה יכול להיעשות על ידי הערכה פסיכו-פיזית של סדרה של ריכוזים שונים על ידי קבוצה של נושאים רגילים.
  4. שים את הפתרונות הנכונים ריחני במיכלים ריחניים. ודא כי כל המכולות יש את אותה כמות של שטח, כמות זהה של פתרון, ואת אותו שטח השטח עבור הפתרון. לדוגמה, השתמש 6 בקבוקי זכוכית בגודל 300 מ"ל כמו מיכלי ריחניים עם כל בקבוק מחזיק 50 מ"ל של פתרון שמן לבנדר 0.10%.
  5. חבר אLl את מכולות odorant את הערוצים המתאימים עבור משלוח ריח.

3. Olfactometer הגדרת

  1. בדוק את החיבורים על מנת להבטיח כי כל מכולות ריחניים מחוברים כראוי למוביל אודורנט. אין להדגיש, שכן זה יכול לפגוע בחותם. הצמדה נכונה מובטחת בשלב מאוחר יותר על ידי בדיקת זרימת האוויר דרך כל מיכל ריחני.
  2. מניחים את הספק odorant בחדר מגנט לחבר כל צינור כדי olfactometer מחוץ לחדר, כמו היחידה הראשית אינה תואמת MR. בדיקה ויזואלית עבור כל kinks בצינור, כמו זה ישפיע על זרימת האוויר. זרימת האוויר של כל ערוץ תיבדק בשלב מאוחר יותר.
  3. מאובטח לחבר את כל הצינורות מן olfactometer למוביל אודור על ידי התאמת המספרים ליציאות הנכון. לקבלת דיוק, צבע קוד צינורות, כגון ורוד עבור ערוץ 1, כחול עבור ערוץ 2, וכו ' .
  4. ודא זרימת האוויר דרך כל הערוצים הוא עקבי על ידי הצמדת זרימהמטר אל קצה המוצא של הצינור. לפתוח ידנית כל ערוץ על לוח הבקרה של olfactometer, להתאים את זרימת האוויר הכולל, כמו גם שיעורי הזרימה של כל ערוץ ואת קו סומק עד קצב הזרימה של כל ערוץ הוא עקבי.
  5. חבר את מסכת הפנים או חתיכת האף למוביל odorant עם צינורות polytetrafluoroethylene (PTFE). ודא כי זרימת האוויר ( למשל , 6 L / min) נמסר לנושא הוא עקבי כאשר הערוצים הם החליפו.
  6. חבר את ההדק radiofrequency ממערכת ה- MRI כדי "ההדק" יציאה על olfactometer לסנכרן את הפרדיגמה ריח גירוי ואת רכישת התמונה fMRI. ייתכן שיהיה צורך בממיר אותות חשמליים אופטיים.
  7. התאם את סך זרימת האוויר ואת תעריפי הזרימה עבור כל ערוץ ואת קו השטיפה לסכומים המתוכננים. לדוגמה, סך זרימת האוויר של 6 L / min ואת שיעורי הזרימה עבור כל ערוץ ואת קו סומק להיות 3 L / min.
  8. חבר את סנסו נשימתי פנאומטיR לנמל התגובה של אולפקטומטר באמצעות תיבת ממיר פניאומטיים חשמל ממיר.
  9. אם יש צורך בתגובה סובייקטיבית, חבר את פנקס התגובה הפנאומטי ליציאת התגובה של ה - olfactometer באמצעות תיבת ממיר אותות פניאומטיים.

4. נוהל ניסיוני

  1. בצע בדיקה מראש כדי להבטיח כי הליך MRI בטוח עבור הנושא.
    1. שאל את הנושא על ההיסטוריה הרפואית, כולל שתלים פוטנציאליים, קלסטרופוביה, או תנאים קודמים אחרים שעשויים להפריע ליכולתו של הנושא להשתתף בבטחה במחקר ה- fMRI. בנוסף, לבצע בדיקת סף ריח של odorants כדי להבטיח כי הנושא יכול להריח את odorants במהלך הניסוי.
  2. יש לשכב את הנושא על המיטה בדיקת MRI. מניחים את מסכת הפנים או חתיכת האף כראוי על הנושא כדי להבטיח את מכות האוויר לתוך הנחיריים. מניחים את חיישן הנשימה על tהוא חזה או בטן. שאל את הנושא לנשום כרגיל. כוונו את הידוק ומיקום החגורה המחזיקים את חיישן הנשימה על פי תבנית הנשימה שנראית בתצוגת הוולפקטום.
  3. יצירת תיקיית נתונים כדי להקליט את הנתונים הנשימה של olfactometer. לחץ על "מנהל הקבצים", הזן את נושא הנושא שהוקצה לנושא הנוכחי, ולאחר מכן "לאשר" את הקלט.
  4. השתמש באפשרות "בדיקת הפרדיגמה" כדי לבדוק את הסינכרון של משלוח הריחוף ושאיפתו ללא צורך בהעברת גירוי, ואם יש צורך, כוונן ידנית את זמן "עיכוב השסתום" כדי להבטיח את הופעת משלוח הריח מסונכרן עם השלב של שאיפת הנושא.
  5. הגדר את הסינכרון בין גירוי ריח לרכישת תמונה fMRI על ידי בחירת "trigg-in" מצב על יחידת הבקרה של olfactometer.
    הערה: זה מאפשר פרדיגמה גירוי ריח להיות מופעל עם גורם חיצוני על ", מפעיל ב "יציאה שמקורם במערכת ה- MRI. לפיכך, הפרדיגמה לא תפעל עד שהגורם החיצוני של הסורק יתקבל. שים לב איזה סוג של הדופק גורם (חשמל או אור) כי סורק MRI שולח החוצה. ייתכן שיהיה צורך בממיר אות כדי לקשר בין שתי המערכות.
  6. הפעל את ההדק הנשימה על ידי בחירת "להתחיל להפעיל מפעיל" על יחידת הבקרה של olfactometer.
    הערה: כאשר הופעל, תחילתו של כל רכיב רצף פרדיגמה מסונכרן עם שאיפה. זה יכול להיות מושגת באופן אמפירי על ידי עיכוב משלוח ריח כמחצית מחזור של הנשימה מתחילת השלב הנשיפה.
  7. התחל את רכישת התמונה fMRI על קונסולת ה- MRI; את הפרדיגמה גירוי ריח יתחיל ברגע רכישת התמונה מתחיל. לעקוב אחר דפוס הנשימה עבור כל פעילות נשימתית לא סדירה.
    הערה: פעילות נשימתית לא סדירה יכולה להיות בצורת רמות, מחזורים רחבים וארוכים יותר, אוגלים לא יציבים. כאן, אות BOLD רגיש T 2 * המשוקלל הד הדמיה רצף הדמיה שימש לרכישת תמונה fMRI עם 2,000 שניות חזרה MS, 30 ms הד זמן, זווית 90 ° Flip, 220 מ"מ × 220 מ"מ שדה הראייה, 80 × 80 מטריקס הרכישה, 30 4 מ"מ מ"מ פרוסות ציריות, ואת גורם האצת של 2 עבור טכניקות הדמיה מקביל משולב.
  8. עם השלמת פרוטוקול הדמיה, להעביר את הנושא מתוך המגנט ולהסיר את מסכת הפנים / האף חתיכת.

5. אולפקטומטר ניקוי

  1. כבה את משאבת האוויר. לנתק את מכולות ריחני מן המוביל אודור ולהחליף עם אלה נקיים וריקים.
  2. כוח על משאבת אוויר. שטוף כל ערוץ עם אוויר חסר ריח במשך 5 דקות כדי להסיר ריחות שיורית בקו האוויר.
  3. כבה את אולפקטומטר.
  4. לחטא את פיסת האף או מסיכת פנים עם מגבונים אלכוהול. שוטפים את מסיכת הפנים או פיסת האף במים חמים ולאחר מכן יבש.
    5. 6. ניתוח נתונים

    1. כדי לעבד את הנתונים, לטעון את קובץ נתוני נשימה אל תוכנת קוד הפתוח חוש ריח Network גירוי כלי עריכה (התפרצות) (www.pennstatehershey.org/web/nmrlab/resources/software/onset) 15
      הערה: תוכנת ONSET פותחה על ידי Xiaoyu Sun. Onsets של גירוי ריח מבוסס על העיתוי של הפרדיגמה עקבות הנשימה יזוהו באופן אוטומטי. וקטור גירוי בפועל מוגדר כזמן ההתחלה של כל שאיפה יעילה במהלך משלוח ריח.
      1. למדוד ולהשוות את קצב ועוצמת קול נשימה (באזור שמתחת לכל זוג שאיפה ונשיפה שלב) בין ריח ותקופות ריח 15.
        הערה: לא צריך להיות הבדל משמעותי בפרמטרים אלה הנשימה בין הריח לתקופות ריח.
      2. לעבד את הנתונים fMRI עם התקפה בפועל ווקטורים משך מ ONSET עבור ההפעלה של olfac המרכזימערכת טורי 15 .

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

איור 1 מדגים את הגדרת fMRI הריח בתוך ומחוץ לחדר מגנט, תוך התחשבות MR- תאימות. איור 2 א מדגים פרדיגמה קבועה תזמון קבוע, בעוד איור 2 ב מדגימה פרדיגמה שבה "מפעיל הנשימה" מאפשר סינכרון של משלוח ריח ושאיפה.

דפוס נשימה רגיל עם פסגות שאיפה ברור חיוני ליישום פרדיגמה מדויק הנשימה מופעלות. לפיכך, התאמה של חיישן הנשימה היא צעד חשוב בהגדרת הניסוי. איור 3 מציג מדגם נשימה עקבות כאשר חיישן הנשימה הוגדר בצורה לא נכונה ( איור 3 א ) ו כראוי ( איור 3 ב ). אם את respiraדפוס tion הוא לא סדיר או את רמות הנשימה, olfactometer לא יוכלו לקבוע במדויק את דפוס הנשימה, ואת המצגת ריח לא ניתן לסנכרן עם שאיפת הנושא.

עם הפרעת הנשימה, מופעלת גירוי ריח, תחילת וקטורים משך לגירוי ריח תשתנה בין נושאים. כדי לנתח נתונים fMRI חוש הריח, התקפה בפועל וקצב משך ניתן לקבוע עם ONSET, ואת הנתונים fMRI ניתן לעבד בעקבות הליכים סטנדרטיים עם אלה וקטורים. בתרשים 4 ניתן לראות מפה לדוגמה של הפעלת המוח, המגיבה על גירוי ריחות המפעילה את הנשימה המעובד על ידי תוכנת קוד פתוח SPM8 (www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm) עם הופעת ריחות וממשיכות בפועל בעקבות נהלי עיבוד סטנדרטיים. ריחות משמעותיים הקשורים לריח התגלו בקליפת חוש הריח הראשית הבילטרלית, נכוןקורטקס, ימין gramus supramarginal / זוויתית, גרעין שמאל caudate, ו girus שמאל postcentral / supramarginal (תיקון המשפחה חכם, p <0.05, סף מידה = 6 ווקסלים).

איור 1
איור 1 : דיאגרמה סכמטית עבור הגדרת הניסוי. אלמנטים MRI תואם להציב בחדר מגנט מחוברים קונסולת MRI ו olfactometer התיבה שוכנו בחדר הבקרה דרך לוח חדירה עם מוליך גל בקיר המפריד בין שני החדרים. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 2
איור 2 אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 3
איור 3 : דיאגרמות נשימה לדוגמה. (א) דוגמה לנשימה כאשר חיישן הנשימה אינו מוגדר כראוי; את דפוסי הנשימה דמה ולהיות בלתי סדיר. (ב) תבנית הנשימה הרגילה המייצגת שנרשמה בחיישן נשימה מונח כהלכה; במקרה זה, את respiדפוסי ration הם בקנה אחד עם פסגות ברמה, משלוח ריח יכול להיות מסונכרן עם שאיפה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 4
איור 4 : דוגמה למפת הפעלת המוח. נושא בריא הגיב סימולציה ריח לבנדר מופעלת הנשימה (תיקון המשפחה חכם, p <0.05, סף מידה = 6 ווקסלים). הפעלה משמעותית כוללת קורטקס הריח העיקרי הימני (POC, MNI קואורדינטות x = 20, y = 6, z = -14), שמאל POC (x = -22, y = 4, z = -10), קליפת המוח הימנית (x = 46 =, y = 20, z = -10), gyrus ימני / זוויתי ימני (x = 66, y = -48, z = 28), גרעין caudate שמאל (x = -14, y = 6, z = 10) ועזב postcentral / supramarginaL gyrus (x = -66, y = -24, z = 20). אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.


ריח מריח כמו מתחם גירוי טריגמינלי מֵמֵס
אצטאלדהיד 29 ירוק, מתוק פָּשׁוּט לא מַיִם
אמוניה 29 חריף, נקי יותר פָּשׁוּט כן מַיִם
Amyl אצטט 30 בננה, תפוח פָּשׁוּט כמה מַיִם
N- בוטאנול 31,32 אלכוהולית במקצת פָּשׁוּט לא מַיִם
N-Butyl Acetate 31 מתוק ופירותי פָּשׁוּט כן מַיִם
בוטירית חומצה 33 חמוץ, מעופש פָּשׁוּט כן מַיִם
סיטרל 30,33 לִימוֹן פָּשׁוּט כמה מַיִם
פחמן דו-חמצני 34,35 חסר ריח פָּשׁוּט כן N / A
אתיל בוטיראט 30 אֲנָנָס פָּשׁוּט כן מַיִם
אקליפטול 35 אֶקָלִיפּטוּס פָּשׁוּט כן אתנול
יוגנול 33,36 ציפורן, חריף פָּשׁוּט לא אתנול
גרניול ורד מתוק, פרחוני פָּשׁוּט לא אתנול
חומצה הידרוספולארית ביצים סרוחות פָּשׁוּט לא מַיִם
לבנדר 24,37 אֲזוֹבִיוֹן מורכב לא אתנול
מנטול 33 מִנתָה פָּשׁוּט כן אתנול
מתיל סליצילט 33 מנטה חורף פָּשׁוּט כן אתנול
פצ'ולי 38 אדמה רטובה מורכב כן אתנול
1-Propanol 31 אלכוהול לחיטוי פָּשׁוּט כן אתנול
Phenethyl אלכוהול 36,39 וֶרֶד פָּשׁוּט NO אתנול
שמן רוזמרין 38 רוֹזמָרִין מורכב כן אתנול
דו תחמוצת הגופרית 29 מרגיז, חריף פָּשׁוּט כן מַיִם
חומצה ואלרית 33 גבינה מעופשת פָּשׁוּט כן מַיִם
ונילין 29 וָנִיל פָּשׁוּט לא אתנול
ילאנג ילאנג 38 בושם פרחוני מורכב כן אתנול
*** ראה סוף כתב היד עבור הפניות

טבלה 1: ריחות נפוצים המשמשים fMRI הריח מחקרים .

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

נהלים ניסיוני צריך להיחשב בזהירות והוצא להורג כראוי עבור איסוף נתונים ההפעלה חוש הריח אמין. השלבים הקריטיים בפרוטוקול כוללים יישום הפרדיגמה הנגרמת על ידי הנשימה כדי לסנכרן משלוח ריח עם רכישת התמונה, הכנת ריכוזים נאותים של odorants כדי לשלוט בתגובות פסיכו-פיסיקליות, הגדרת olfactometer עם אות יציבה יציבה יציבה זרימת אוויר מתמדת, לאחר עיבוד הנשימה ואת נתוני ריח ריח עיתוי באמצעות ONSET כדי להתאים למפרע את וקטור הופעת ריחות. יש לקחת בחשבון משתנים מבלבלים כגון הרגלה, תגובה פסיכו-פיזית ודפוסי נשימות בעת תכנון פרדיגמה וניתוח נתונים. כאשר נושא חשוף לריח ממושך, הפעלת קורטקס הריח הראשוני פוחתת בתוך שניות של חשיפה, מה שהופך את הצורך להשתמש בפרדיגמה הקשורים לאירוע עם רצף של ניהול קצרשל אודורנטים. רחרוח גם יש לעקוב מקרוב כפי שהוא יכול לגרום הפעלה בקליפה פירורימית אפילו בלי ריח 8 . והכי חשוב, הנשימה היא משתנה בלבול גדול אם זה לא מסונכרן עם הממשל אודורנט. הראינו כי סינכרון של שאיפה וריח התפרצות עם פרדיגמה הנשימה מופעלת מייצרת הפעלה אמינה יותר 15 .

הבעיה הנפוצה ביותר בשיטת ה- FMRI החופשית היא סינכרון לקוי בין האירוע של משלוח ריח לבין שאיפה, אשר יכול להיגרם על ידי שלושה פגמים בהתקנה ניסיונית. ראשית, ובדרך כלל, חיישן הנשימה אינו מוגדר כראוי. כאשר חגורת החזה הדוקה מדי, אות הנשימה יהיה הרמה, אשר תגרום לסנכרון לקוי. שנית, זמן "עיכוב שסתום" לא מכויל היטב, אשר יכול לגרום משלוח ריח להיות מוקדם מדי או מאוחר מדי את הנשימה cyלנקות שלישית, דפוס הנשימה של הנושא אינו עקבי לאחר כיול "זמן השהיית השסתום". לכן, אימון טרום סריקה לנושא לנשום בדרך כלל במגנט וניטור צמוד של דפוס הנשימה במהלך סריקת fMRI חשובים.

חשוב לשקול אינטנסיביות, ערכיות וגירוי טריגמינלי בעת בחירת ריחות למחקר, שכן משתנים אלו יכולים לגרום לסוגים שונים של תגובות פסיכו-פיזיות ופעילות fMRI קשורה. לדוגמה, עוצמה חלשה עלולה לגרום לנטייה לרחרח, בעוד שעוצמה חזקה עלולה לגרום לנשימה בלתי רצונית או להפעלה מהירה יותר. עוצמת הריחות מתבטאת גם בקורלציה עם הפעלת המוח 20 . פרדיגמה חלופית כללה ארבעה ריכוזים של אזוביון שהוצגו בעוצמה הולכת וגדלה לאורך הניסוי, אשר למעשה צמצמו את הרגל 21 . הערכיות של אודורהNt גם מפעיל אזורים שונים של המוח, אשר יש לקחת בחשבון עבור פרשנות נתונים 22 . לדוגמא, מחקר אחד דגי פרופילים זמניים מסתעפים דרך ערכי ריח 16. בנוסף, odorants רבים יש דרגות שונות של גירוי trigeminal, אשר צריך להיחשב.

חשוב להכיר בכך שפרדיגמה חופשית זו אינה מתאימה בהכרח לכל מחקרי fMRI חוש הריח. הוא מספק רק דוגמה לשיקולים מיוחדים החשובים ללימודי fMRI חוש הריח. חשוב גם לציין כי ההליכים הניסוי שהוכח בדו"ח זה אינם ספציפיים האולפקטומטר בשימוש. ציוד זה יכול להיות מוחלף עם כל olfactometer עם יכולות דומות. לדוגמה, אולפקטומטר חייב יכולות ניטור, כמו גם את היכולת לבצע פרדיגמה מופעלת הנשימה עם מקורות ריח מרובים. תוספתLly, בעוד הניסוי הזה הוצג באמצעות אזוביון, odorants אחרים עשויים להיות מוחלפים על ידי החוקר, אם כי חשוב למזער משתנים confounding כגון גירוי טריגמינלים ריכוז odorant.

זו שיטה חופשית fMRI נושם שואפת להסיר את התנאי המוקדם של מערכת חוש הריח המרכזי להפחית את חוסר עקביות בין אירועים חוזרים ונשנים של גירוי ריח. התנאי המוקדם של מערכת הריח המרכזית עשוי לנוע בין הנושא לנושא, אשר יכול לגרום וריאציות של ההפעלה במבנים חוש הריח העיקרי. עקביות האירועים החוזרים, למשל , גירויי ריח כדי להפעיל את הפעלת מערכת הריח המרכזית, היא קריטית לביצוע מוצלח של פרוטוקולי fMRI הקשורים לאירוע. בנוסף, עם טכניקת נשימה חופשית, לא יכול להיות שום רמזים או משימות עבור הנושאים במהלך ביצוע הפרדיגמות fMRI חוש הריח. כפי שהוא דורש מאמץ מינימלי של הנושא במהלך תפקודיתרכישת נתונים, זה יכול להיות כלי רב ערך כדי ללמוד את הגירעונות הריח בכמה מחלות ניווניות נוירודגנרטיביות ומחלות, למשל , מחלת אלצהיימר.

מחקרים שנעשו לאחרונה השתמשו fMRI חוש הריח לחקור את דפוסי ההפעלה המוח בהפרעות נוירודגנרטיבית. הפרעות חוש הריח בהפרעות נוירודגנרטיביות, במיוחד מחלת אלצהיימר ומחלת פרקינסון, כוללות קושי עם זיהוי ריחות, הכרה וזיהוי 3 , 23 . עם זאת, בעוד גירעונות הריח הם אינדיקטור מובהק בשלבים הראשונים של הופעת המחלה, אובדן תפקוד הריח לעתים קרובות הולך מעיניו או מיוחסת ירידה נורמלית הקשורות לגיל 1 , 23 . לכן, חשוב להמשיך לחקור את דפוסי ההפעלה ברורים הקשורים תפקוד לקוי של הריח במחלות כאלה כדי לאבחן טוב יותרHem מוקדם על. במחלת האלצהיימר, דפוסי ההפעלה מופחתים באופן משמעותי בקליפת ההרחה הראשונית, כמו גם בהיפוקמפוס ובאינסולה בהשוואה לבקרות בריאים המותאמות לגיל 24 . בנוסף, חוקרים מצאו כי בחולי פרקינסון, האמיגדלה והתלמוס מראים פחות הפעלה מאשר בבקרות בריאות, בעוד שפעילות גבוהה יותר מופיעה באזורים כמו gyrus חזיתית נחותה בהשוואה לשליטה 2 . מחקרים נוספים מדגימים היפראקטיבציה בקליפת המוח האלירי ו-אורביטופרונטלי בחולי פרקינסון 25 . נראה כי דפוסי ההפעלה הנפרדים האלה חורגים מעבר לפאתולוגיה המבנית, ובכך מוכיחים את החשיבות של רכישת נתונים פונקציונליים בהבנת ואבחון של הפרעות נוירודגנרטיביות ומחייבים חידושים בדייקנות וברגישות של fMRI חוש הריח.

מסיבה זו, עוד stuמת על מערכת חוש הריח האנושי עם fMRI עשוי להיות בעל פוטנציאל לפיתוח ביומרקר לאבחון מוקדם עבור מחלות נוירודגנרטיביות. למעשה, מחקרים כבר מתקדמים, כולל הפגנת רגישות לרמות הפעלה בין הזדקנות נורמלית לחולי אלצהיימר 24 , 26 . מחקר אחד הראה כי הרס של הרשת העצבית הוא לעתים קרובות לזיהוי עוד לפני החסרים הקוגניטיביים מציגים את עצמם בכמה מחלות נוירודגנרטיב 27 . זה עוד מדגיש את החשיבות של בדיקת fMRI חוש הריח ככלי פוטנציאלי לאבחון מוקדם של מחלות כאלה. הראיות גם מצביע על קיומם של שינויים בקנה מידה גדול רשת הריח שינויים בחולי אלצהיימר בנוסף לשינויים לראות באזורים חוש הריח ספציפיים, תוך הדגשת החשיבות של חקירה נוספת לתוך הקישוריות תפקודית של olfaction 28 . חושItivity של רמות הריח הפעלה כמו סמן ביולוגי תלוי ברגישות לגירוי ריח ניסוי ניסיוני, אשר מדגיש את החשיבות של אמינות במיפוי מערכת חוש הריח. יחד, את הדוגמה המוצגת במאמר זה מספק הצצה של הדרכים שבהן fMRI חוש הריח ניתן להשתמש ביעילות כדי להבין את המורכבות של מערכת חוש הריח המרכזי ואת החשיבות הקלינית של הבנה זו.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

למחברים אין מה לחשוף.

Acknowledgments

למחברים אין תודות.

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

Neuroscience גיליון 125 Olfaction הדמיה תפקודית מגנטית (fMRI) olfactometer ריח נשימה neuroscience הדמיה
ללא תשלום נשימה fMRI שיטה לחקר האדם חוש הריח פונקציה
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