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

O objetivo geral deste vídeo é apresentar e explicar um método eficiente e facilmente adaptável de fMRI para explorar efetivamente o mapeamento do sistema olfativo humano sem interferência da respiração natural. Um obstáculo do uso de fMRI olfativa para estudar a ativação cerebral que responde ao odor e à estimulação é a inconsistência da estimulação repetitiva do odor, que é causada pela assincronia da respiração e da entrega do odor. Conforme ilustrado aqui, quando a apresentação do odor em um paradigma de estimulação de odor de tempo fixo não é sincronizada com a respiração, a estimulação repetitiva do odor pode acontecer em diferentes fases da respiração.

Uma solução para esse problema é estabelecer um paradigma de fMRI olfativo desencadeado pela respiração. A coleta eficaz de dados de fMRI olfativa é realizada projetando primeiro um paradigma de estimulação olfativa desencadeada por respiração relacionada a eventos no olfatômetro que resiste à habituação e padrões inconsistentes de inalação. O segundo passo é preparar os odores para a estimulação olfativa, tendo o cuidado de usar odores que minimizem os efeitos de estimulação e habituação do trigêmeo.

A terceira etapa é configurar e executar o experimento no ambiente de ressonância magnética, montando o olfatômetro com a capacidade de executar um paradigma acionado pela respiração. A etapa final é processar os dados usando o programa ONSET para definir os vetores de início real e duração dos estímulos. Em última análise, essa técnica tem o potencial de facilitar a exploração e conexões mais sensíveis do sistema olfativo humano.

Aqui, demonstraremos como configurar um experimento de fMRI olfativo desencadeado pela respiração usando um olfatômetro ETT. Para criar um paradigma, atribua os canais de odor a odores específicos. Existem seis canais de odor disponíveis neste sistema olfatômetro.

Insira e edite a sequência e o tempo de abertura e fechamento desses canais. Pressione o botão Configuração de paradigma na tela sensível ao toque. Para inserir ou editar a sequência de abertura e fechamento dos canais de odor, pressione o botão Editar para a sequência da válvula.

Quando terminar, pressione o botão Editar novamente para sair do modo de edição. Para inserir ou editar os parâmetros de temporização para abrir e fechar os canais de odor, pressione o botão Set para Time Sequence. Quando terminar, pressione o botão Set novamente para sair do modo de edição.

Depois de terminar a configuração do paradigma, pressione o botão Return para retornar à janela principal. Demonstrado neste vídeo é um paradigma de estimulação simples do mesmo odor na mesma concentração. Cada apresentação de odor é intercalada com a apresentação de ar fresco.

Nesse paradigma, o mesmo odor é apresentado 12 vezes. Cada vez, a apresentação do odor dura seis segundos com quantidades variáveis de tempo entre as apresentações do odor. Defina as durações de Abertura da Válvula e Fechamento da Válvula, de acordo.

Nesta demonstração, uma concentração de óleo de lavanda é preparada. Usamos óleo de lavanda por causa de sua estimulação trigeminal mínima e ativação de certas áreas do cérebro. As concentrações de odor podem variar dependendo do odorante selecionado.

Escolha as concentrações com base no limiar de percepção ideal do odor. Ao variar a concentração, diminuímos a probabilidade de habituação a um odorante. Para preparar as concentrações, misture o óleo de lavanda com propilenoglicol.

O propilenoglicol é um solvente comumente usado para odores e é estável e quase inodoro. Depois de misturar todas as soluções conforme descrito no design do paradigma, despeje a mesma quantidade de odores em cada frasco do recipiente. Em seguida, prenda as garrafas ao transportador de odor na ordem correta.

Para configurar o olfatômetro na ressonância magnética, coloque o transportador de odor na sala magnética ao lado da máquina. Passe os tubos pela guia de onda para conectar ao suporte, tomando cuidado para que a ordem dos tubos corresponda à ordem de conexão ao olfatômetro. Para facilitar, codificamos nossos tubos por cores para combinar com os canais de odor.

Ligue a máquina. Ajuste o fluxo de ar principal, conforme necessário, bem como as taxas de fluxo individuais para o transportador e a descarga. Em seguida, conecte o cinto respiratório ao olfatômetro e passe o cinto pelo guia de onda.

O cinto registrará a atividade respiratória do sujeito, bem como a utilização do gatilho respiratório. Traga o assunto para a sala magnética e coloque a máscara facial no assunto. Quando o sujeito estiver deitado, coloque o cinto respiratório ao redor do tórax ou abdômen, onde houver um evento respiratório claro.

Verifique o padrão de respiração na tela do olfatômetro. Se as ondas se estabilizarem, o cinto está preso com muita força e o gatilho da respiração não funcionará corretamente. Ajuste o cinto até que um traço respiratório completo possa ser visto, pois sinais claros de pico de respiração são críticos para uma execução bem-sucedida de um paradigma acionado pela respiração.

Crie uma pasta de dados no olfatômetro para armazenar os dados de respiração. A sincronia da apresentação do odor com a respiração deve ser testada quanto à precisão usando a Verificação de Paradigma e ajustando o tempo de atraso do gatilho, conforme necessário. Pressione o botão Paradigm Check na tela sensível ao toque e monitore se a entrega de odor ocorrer durante a fase de inalação do ciclo respiratório.

O período de entrega do odor é destacado na cor rosa no traço de respiração. Se a entrega de odor começar durante a fase de expiração, para voltar à Configuração de Paradigma, ajuste o Atraso de Disparo na sequência de tempo e refaça a Verificação de Paradigma. Defina o paradigma para o modo Trigger In para que a execução do paradigma de estimulação de odor seja acionada pela ressonância magnética.

Em seguida, selecione a função Respiration Trigger Start. O paradigma agora está pronto para ser executado. Uma vez concluído o paradigma de estimulação do odor, verifique os dados de respiração salvos no olfatômetro.

Este arquivo inclui o traço respiratório e o carimbo de data/hora de cada imagem de ressonância magnética funcional, gatilho de respiração, abertura e fechamento de cada canal de odor e a resposta do sujeito, usando um dispositivo de resposta. Ele pode ser processado usando o programa ONSET para adquirir os vetores reais de início de estimulação e durações para o processamento de dados de fMRI. O ONSET pode ser executado na Máquina Virtual IDL.

Para obter os vetores e durações de início da estimulação de odor, clique em Validação da respiração. Carregue o arquivo de dados de respiração salvo do olfatômetro e defina os parâmetros de pós-processamento para o processamento INONSET Execute ONSET.

Os vetores reais de início da estimulação, o início de cada inalação durante a entrega do odor, serão detectados automaticamente com base no momento da apresentação do odor e no traço da respiração. Os resultados, incluindo os vetores de início e duração, podem ser utilizados no processamento de dados de fMRI. Processe os dados de fMRI seguindo os procedimentos padrão.

Aqui está um exemplo de processamento de dados usando SPM8. Use os números da imagem ou os vetores e durações de início em segundos a partir da saída de início, dependendo da unidade de tempo escolhida para o projeto do paradigma SPM. Gere um mapa paramétrico estatístico no nível individual, ajustando o paradigma de estimulação usando os vetores de início e duração reais aos dados funcionais com a função de resposta hemodinâmica canônica.

Aqui está um exemplo da ativação primária do córtex olfatório respondendo à estimulação do odor. Em contraste com o paradigma de estimulação de odor desencadeado pela respiração, por exemplo, um paradigma de tempo fixo que podemos ver aqui no mesmo assunto, a entrega de odor não é desencadeada pela atividade respiratória. Como não há controle da respiração do sujeito, há uma variabilidade significativa na quantidade de odorante que é inalada.

Seguindo o procedimento padrão para processar esses dados de fMRI com o mesmo limite estatístico usado para os dados anteriores de fMRI acionados pela respiração, nenhuma ativação significativa foi detectada no córtex olfatório primário. No entanto, quando um gatilho de respiração é implementado, a apresentação do odorante é sempre sincronizada com a inalação, melhorando a consistência e a precisão da estimulação do odor. Depois de assistir a este vídeo, você deve ter uma boa compreensão da prática atual de fMRI olfativa usando um paradigma de respiração relacionado a eventos.

Uma vez que a técnica demonstrada neste vídeo tenha sido dominada, outros métodos de design e análise do paradigma de estimulação olfativa podem ser aplicados para mapear as funções do sistema olfativo central humano e explorar ainda mais os déficits olfativos em doenças neurodegenerativas.