Сочетание синхронизированного с дыханием ольфактометра с моделированием мозга для изучения влияния запахов на кортикоспинальную возбудимость и эффективную связь

Summary

В данной статье описывается использование синхронизированного с дыханием ольфактометра для запуска транскраниальной магнитной стимуляции (ТМС) с одной или двумя катушками во время презентации одоранта, синхронизированной с носовым дыханием человека. Эта комбинация позволяет объективно исследовать, как приятные и неприятные запахи влияют на кортикоспинальную возбудимость и эффективные связи мозга у конкретного человека.

Abstract

Широко признано, что обонятельная стимуляция вызывает у животных и людей двигательное поведение, такое как приближение к приятным запахам и избегание неприятных. Недавние исследования с использованием электроэнцефалографии и транскраниальной магнитной стимуляции (ТМС) продемонстрировали сильную связь между процессингом в обонятельной системе и активностью моторной коры головного мозга у людей. Чтобы лучше понять взаимодействие между обонятельной и двигательной системами и преодолеть некоторые из прежних методологических ограничений, мы разработали новый метод, сочетающий ольфактометр, который синхронизирует случайный порядок представления одорантов с различными гедонистическими значениями, и запуск ТМС (одно- и двухспиральной) с фазами носового дыхания. Этот метод позволяет исследовать модуляции кортикоспинальной возбудимости и эффективной ипсилатеральной связи между дорсолатеральной префронтальной корой и первичной моторной корой, которые могут возникать при приятном и неприятном восприятии запахов. Применение данного метода позволит объективно различать значение приятности одоранта у данного участника, свидетельствуя о биологическом воздействии одоранта на эффективную связность и возбудимость мозга. Кроме того, это может проложить путь для клинических исследований у пациентов с неврологическими или нервно-психическими расстройствами, у которых могут проявляться гедонистические изменения запаха и дезадаптивное поведение, связанное с избеганием приближения.

Introduction

Широко признано, что обонятельная стимуляция вызывает автоматические реакции и двигательное поведение. Например, у людей^{недавно было} продемонстрировано существование моторной реакции избегания (отклонение от источника запаха), возникающей через 500 мс после появления негативного запаха. Записывая свободно движущихся людей, исследующих запахи, исходящие от колб, Chalençon et al. (2022) показали, что моторное поведение (т.е. скорость приближения к носу и извлечение колбы с одорянтом) тесно связано с гедонизмом запаха². Более того, тесная связь между процессингом в обонятельной системе и активностью в моторной коре была недавно продемонстрирована у людей с помощью электроэнцефалографии^. В частности, примерно через 350 мс после появления негативных запахов наблюдалась специфическая десинхронизация мю-ритма, которая, как известно, отражает процессы подготовки к действию, наблюдалась над первичной моторной корой (М1) и внутри нее, за которой вскоре последовало поведенческое^{движение назад}. Укрепляя идею о взаимосвязи между обонятельной и моторной системами, другое недавнее исследование показало, что воздействие приятного пахнущего вещества увеличивает кортикоспинальную возбудимость по сравнению^{с состоянием} отсутствия запаха. В этом исследовании к М1 применяли одноимпульсную транскраниальную магнитную стимуляцию (spTMS) для вызова моторного потенциала (MEP) в целевой мышце руки, регистрируемого периферически с помощью электромиографии (ЭМГ) во время восприятия запаха. Воздействие приятного одоранта пассивно обеспечивалось бумажными полосками, пропитанными чистым эфирным маслом бергамота и помещенными на металлический держатель под носом³. В этом контексте остается неясным, связано ли облегчение кортикоспинальной возбудимости с приятной стимуляцией пахучих веществ или с неспецифическими поведенческими эффектами, такими как сопение и стискивание зубов ^4,5. Кроме того, до сих пор неизвестно, каким образом неприятный запах модулирует возбудимость М1, исследованную с помощью ТМС.

Таким образом, это подчеркивает необходимость разработки метода, который предлагает следующие преимущества по сравнению с существующими методами, использованными в предыдущих исследованиях ^3,6: (1) рандомизация представления различных состояний запаха (приятный/неприятный/отсутствие запаха) в рамках одной и той же экспериментальной фазы, (2) точная синхронизация презентации одоранта и времени ТМС в соответствии с фазами носового дыхания человека (вдох и выдох) при изучении двигательной системы.

ТМС также может быть использована в качестве инструмента для исследования кортико-кортикальных взаимодействий, также называемых эффективной связью, между несколькими корковыми областями и М1 с высоким временным разрешением 7,8,9,10,11,12. Здесь мы используем парадигму двухпозиционной ТМС (dsTMS), в которой первая обусловливающая стимуляция (CS) активирует целевую кортикальную область, а вторая тестовая стимуляция (TS) применяется к M1 с использованием другой катушки для вызова MEP. Эффект КС оценивают путем нормализации амплитуды кондиционированной МЭП (состояние дцТМС) к амплитуде безусловной МЭП (состояние спТМС)¹³. Затем отрицательные значения отношения указывают на супрессивные кортико-кортикальные взаимодействия, в то время как положительные значения отношения указывают на облегчающие кортико-кортикальные взаимодействия между двумя стимулированными областями. Таким образом, парадигма dsTMS предоставляет уникальную возможность определить природу (т.е. облегчающую или подавляющую), силу и модуляции эффективной связи между предварительно активированной областью и М1. Важно отметить, что кортико-кортикальные взаимодействия отражают сложный баланс фасилитации и подавления, который может модулироваться в разное время и в различных психических состояниях или задачах ^7,14.

Насколько нам известно, относительно новая парадигма дцТМС никогда не использовалась для исследования кортико-корковых взаимодействий при восприятии запахов с различными гедонистическими значениями. Тем не менее, нейровизуализационные исследования показали, что воздействие приятных и неприятных запахов вызывает изменения связей в областях, участвующих в эмоциях, принятии решений и контроле действий, включая дополнительную моторную область, переднюю поясную кору и дорсолатеральную префронтальную кору (DLPFC)^15,16. Действительно, DLPFC является ключевым узлом, опосредующим эмоциональный контроль, сенсорную обработку и высокоуровневые аспекты моторного контроля, такие как подготовительные процессы 17,18,19. Кроме того, исследования как на людях, так и на животных предоставили доказательства того, что DLPFC имеет различные нейронные проекции на M1 17,18,20,21,22. В зависимости от контекста, эти проекции DLPFC могут либо способствовать, либо подавлять активность M1 ^7,19,20. Таким образом, представляется возможным, что эффективная связь между DLPFC и M1 модулируется во время представления запаха, и что приятные и неприятные запахи рекрутируют разделенные корковые сети, что приводит к дифференцированному влиянию на связь DLPFC-M1.

В данной работе мы предлагаем новый метод, пригодный для методологически строгого изучения модуляций кортикоспинальной возбудимости и эффективной связи, которые могут возникать при восприятии приятных и неприятных запахов, осуществляемых синхронно с носовым дыханием человека.

Protocol

Все экспериментальные процедуры, описанные в следующих разделах, были одобрены Комитетом по этике (CPP Ile de France VII, Париж, Франция, протокол No 2022-A01967-36) в соответствии с Хельсинкской декларацией. Все участники предоставили письменное информированное согласие перед зачислением в исследование.

1. Набор участников

1. Критерии включения/исключения.
   1. Включить взрослых (> 18 лет) участников. Скрининг всех участников на наличие противопоказаний к ТМС в соответствии с рекомендациями международных экспертов²³.
   2. Исключить участников с имплантированными медицинскими устройствами (например, кохлеарным имплантом, кардиостимулятором и т. д.), личным или семейным анамнезом судорог, головной боли, черепно-мозговой травмы и нейроактивными препаратами. Исключить участников, считающихся «аносмическими» в соответствии с Европейским тестом обонятельных способностей²⁴.
2. Праворукость: Проверка на праворукость в соответствии с опросником Эдинбургского опросника праворукости²⁵.
   ЗАМЕТКА. Настоятельно рекомендуется набирать только праворуких участников в исследованиях, оценивающих кортикоспинальную возбудимость и эффективную связь в двигательной системе^26,27.
3. Информация и информированное согласие: Предоставьте всем участникам основную информацию о целях, процедурах и рисках исследования, утвержденных Комитетом по этике, и попросите их подписать письменное информированное согласие.

2. Методика проведения эксперимента

1. Установка пациента: Попросите участника сесть на удобное кресло (типа стоматологического кресла) с расслабленными и пронациями обеих рук. Положите голову участника на подбородок, чтобы свести к минимуму движение головы во время стимуляции.
2. Электромиографические записи
   1. Подготовьте кожу участника перед нанесением электродов с помощью отшелушивающего скраба, слегка потрите участки и очистите участки спиртовыми салфетками, на которые будут наложены электроды.
   2. Приложите два одноразовых регистрирующих электрода из серебра/хлорида серебра с монтажом первой дорсальной межкостной мышцы (ПИИ). Добавьте заземляющий электрод к шиловидному отростку локтевой кости (рис. 1).
   3. Подключите электроды к усилителю с помощью кабелей и системы сбора данных.
   4. Запись ЭМГ-сигнала с помощью аналого-цифровой системы преобразования. Усиление и фильтрация сигналов ЭМГ (усиление = 1000) с использованием полосы пропускания от 10 Гц до 1 кГц. Оцифровка с частотой дискретизации 2 000 Гц и сохранение каждого файла ЭМГ для автономного анализа.
   5. Проверьте качество сигнала, отображаемого на экране компьютера, подключенного к системе сбора данных.
3. Положение катушки TMS_M1 .
   1. Подключите эту катушку к стимулятору А (рисунок 1).
   2. Наденьте на голову участника плотно прилегающую шапочку. Используйте рулетку для измерения окружности головы, козелка-козелка и окружности головы на основе стандартных ориентиров черепа. Определите и отметьте ручкой вершину скальпа в месте пересечения средней сагиттальной (носион-инион) и межушной (козелок-козелок) линий²⁸.
   3. Поместите по касательной к коже головы первую маленькую катушку в виде восьмерки (внутренний диаметр: 40 мм) над предполагаемой областью руки левой М1 (катушка_М1), которая находится в 5 см латеральнее макушки при этом ручка направлена назад и латерально под углом 45° к средней сагиттальной линии, в результате чего получится задне-переднее протекание тока (монофазная форма тока). Эта ориентация соответствует максимальному индуцированному току, протекающему в пределах М1 в пределах М1²⁹.
   4. Обеспечьте оптимальное размещение катушки_М1 в соответствии с последними международными рекомендациями³⁰. Начните с подачи нескольких одиночных импульсов с точностью 30% от максимальной мощности стимулятора (%MSO) и убедитесь, что стимуляция создает MEP, зарегистрированную системой EMG и отображаемую на экране компьютера, подключенного к системе сбора данных.
      1. Если видимых ответов нет, постепенно увеличивайте интенсивность стимуляции (с шагом 5 % MSO) до тех пор, пока не будут наблюдаться MEP. Затем протестируйте четыре точки вокруг первого участка, подав несколько импульсов. Определите среднюю амплитуду MEP от пика до пика для каждой площадки.
      2. Выберите местоположение, в котором средняя амплитуда MEP от пика до пика является наибольшей. Это так называемая точка доступа для участника³⁰. Отметьте расположение катушки_M1 на крышке, чтобы обеспечить правильное размещение катушки на протяжении всего эксперимента.
4. Двигательный порог покоя (rMT) и интенсивность ТМС
   1. Определите двигательный порог покоя (rMT), определяемый как интенсивность ТМС, которая дает 50%-ную вероятность возникновения MEP^23,30.
      1. Используйте доступное в Интернете бесплатное программное обеспечение (TMS Motor Threshold Assessment Tool, MTAT 2.1), которое основано на оценке параметров максимального правдоподобия с использованием стратегии последовательного тестирования²⁹. Последовательность стимуляции всегда начинается с интенсивности, установленной на уровне 37 % MSO.
      2. Пусть один экспериментатор держит катушку_М1, а другой показывает, > ли амплитуда MEP 0,05 мВ. Затем прогностический алгоритм определяет следующую интенсивность стимуляции и останавливается после 20 стимуляций, что обеспечивает достаточную точность для оценки рМТ в соответствии с предыдущими ^{исследованиями 31-34}.
   2. Установите %MSO для кондиционирования и тестовой импульсной стимуляции. Используйте ранее определенное значение rMT участника.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Здесь интенсивность первой кондиционирующей стимуляции (катушка_DLPFC) была установлена на 110% от rMT^19,20. Интенсивность тестовой стимуляции (катушка_М1) была установлена на уровне 120% от рМТ, интенсивность, которая немного отличается от предыдущих исследований, в которых использовалась интенсивность ТС, которая вызывала MEP ~1 мВ у всех участников^19,20 . Эта фиксированная интенсивность от пика к пику возникает в очень разных точках кривых набора «затраты-выход» из-за высокой межсубъектной вариабельности двигательной мощности³⁵. Таким образом, интенсивность стимуляции может быть оптимизирована с использованием 120% интенсивности RMT у разных людей.
5. Позиционирование катушки_{TMS DLPFC}
   1. Подключите эту катушку к стимулятору B (рисунок 1).
   2. Используйте недавно обновленную эвристику скальпа, чтобы найти область кожи головы, соответствующую левому DLPFC^36,37, чтобы оценить положение второй малой катушки в форме восьмерки (внутренний диаметр: 40 мм) над DLPFC (катушка_DLPFC). Загрузите онлайн-инструмент Excel Spreadsheet Calculation^{Tool 36} и введите в качестве входных данных расстояния между нацией и козелком и козелком, а также окружность головы в сантиметрах. Сообщайте о расстояниях X_LA и Y_LA непосредственно на голове участника.
   3. Расположите катушку_DLPFC по касательной к коже головы над предполагаемым левым расположением DLPFC так, чтобы ручка была направлена вниз и сбоку под углом -45° к средней сагиттальной линии. Отметьте размещение катушки_DLPFC на крышке, чтобы обеспечить правильное размещение катушки на протяжении всего эксперимента.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Этот метод нацеливания на основе скальпа для расположения катушки_M1 и_{катушки DLPFC} не является оптимальным. На самом деле, известно, что он менее точен, чем метод нейронавигации, используемый для воздействия на интересующие области мозга на основе индивидуальной анатомической магнитно-резонансной томографии (^МРТ) Т1.
6. Задержка между преобразовательным и тестовым импульсами: установите эту задержку равной 10 мс на устройстве генератора импульсов.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Здесь задержка зафиксирована на уровне 10 мс на основе предыдущих исследований, показывающих ингибирующее влияние от левого DLPFC к левому M1 с этим интервалом^19,20. Этот ингибирующий эффект, наблюдаемый через 10 мс, вероятно, обусловлен активацией базальных ганглиев через проекции DLPFC на пре-SMA, тем самым оказывая косвенное влияние на M1³⁹. Задержка может быть скорректирована в коде в соответствии с потребностями пользователя. Например, более длительный интервал интерстимуляции (т.е. 25 мс) может быть использован для исследования полисинаптических непрямых кортико-подкорково-корковых цепей, соединяющих DLPFC с M1¹⁹. Кроме того, были продемонстрированы дифференциальные фасилитаторные/тормозные влияния с использованием двухсайтовой ppTMS между несколькими областями коры с интервалами от 1 мс до 150 мс^40,41. Таким образом, тот факт, что интервал может быть скорректирован, открывает путь к широкому спектру возможностей для будущих исследований.
7. Настройки ольфактометра
   1. Подбирайте отдушки с приятными и неприятными гедонистическими свойствами. Заранее разбавьте отдушки по отдельности в минеральном масле, чтобы создать изоинтенсивное восприятие.
      ПРИМЕЧАНИЕ: В данном случае выбор и концентрация одорантов (т.е. изоамилацетата и масляной кислоты, разбавленных концентрациями 0,6% и 0,11% по объему соответственно) были основаны на предыдущих исследованиях, проведенных нашей группой с использованием той же установки ольфактометра и одорантов^42,43. Пилотное исследование подтверждает, что положительные и отрицательные запахи не различались по интенсивности, но были противоположны по гедонистической ценности. В контрольном состоянии (т.е. без одоранта) к участнику подается только поток воздуха.
   2. Напишите код для доставки одорантов. Для каждого испытания укажите общую продолжительность испытания, подлежащий подаче одорант, расход контроллера одоранта (в миллилитрах в минуту), расход регулятора несущего воздуха (в миллилитрах в минуту) и расход регулятора всасывания.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Порядок доставки одоранта может быть рандомизирован между положительным, отрицательным и без запаха. Здесь продолжительность каждого испытания составляет 12 с. Порядок доставки запаха был псевдорандомизирован. Кроме того, на основе пилотного эксперимента скорость потока регулятора запаха была установлена на уровне 200 мл/мин, расход регулятора воздуха-носителя на уровне 500 мл/мин и расход регулятора всасывания на уровне 100 мл/мин.
   3. Расположите носовую канюлю рядом с ноздрями участника, чтобы измерить носовое дыхание. Попросите участника нормально дышать через нос.
   4. Включите портативный воздушный компрессор, корпус ольфактометра и компьютер с программным обеспечением. Проверьте все кабельные соединения (рис. 1).
      Примечание: Ольфактометр, используемый в настоящем исследовании, был подробно описан в предыдущей публикации⁴⁴ , но здесь он был модифицирован для того, чтобы позволить запускать ТМС с переменными задержками после обнаружения начала вдоха. Вкратце, устройство состоит из нескольких модулей, в том числе 1) источника воздуха и системы подготовки воздуха, поступающего от портативного воздушного компрессора, 2) системы стимуляции, включающей электронные и пневматические устройства, 3) самодельной смесительной головки, соединенной с системой подачи, которая позволяет диффузию пахучих веществ в нос участника, 4) дыхательной сенсорной системы, которая запускает ольфактометр в соответствии с измерением носового дыхания с помощью носовой канюли и 5) программного обеспечения Система управления⁴⁴.
   5. Калибровка: Переход к фазе калибровки (около 20 с.), которая позволяет откалибровать дыхательный сигнал участника и настроить пороги обнаружения фаз выдоха и вдоха. В этом программном обеспечении фаза выдоха положительна, а фаза вдоха отрицательна.
   6. Оценка гедонизма и интенсивности запаха: Распределите два одоранта в случайном порядке и попросите участников оценить гедонистическую ценность и интенсивность каждого одоранта по визуальной аналоговой шкале в диапазоне от 1 «совсем не приятно» до 9 «чрезвычайно приятно» и от 1 «совсем не интенсивно» до «чрезвычайно интенсивно».
8. Комбинация ольфактометра и TMS: Установите задержку между определением фазы вдоха и запуском для отправки TMS на 600 мс.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Настройка задержки важна и должна определяться в соответствии с литературой и потребностями пользователя. В этом протоколе задержка была установлена на уровне 600 мс, что, как было показано, является максимальной сознательной перцептивной репрезентацией^{запахов.} В условиях одноимпульсной ТМС этот триггер немедленно активирует стимулятор А, и катушка, расположенная слева от М1, подает импульс для вызова безусловного MEP. В условиях двухкатушечной ТМС этот триггер посылается на два разных устройства (через два коаксиальных кабеля, соединенных Т-образным соединением): первое немедленно активирует стимулятор B, а обусловливающий импульс подается катушкой, расположенной на левом DLPFC; второй принимается генератором импульсов, который позволяет индуцировать фиксированную задержку перед активацией стимулятора А, тем самым доставляя тестовую стимуляцию через катушку, расположенную на левом M1, для вызова условной MEP (рис. 1).

Рисунок 1: Экспериментальная установка. Жирными линиями обозначены пневматические соединения. К ольфактометру подключается воздушный компрессор для создания различных воздушных потоков. Регулятор контролирует давление, а входной поток воздуха направляется в 3 канала (через 3 регулятора массы): один для воздушного конвейера (синяя линия), один для системы аспирации (коричневая линия) для очистки и помощи в контроле времени стимуляции и последний для одорантов⁴⁴. Две U-образные трубки содержат одоранты (зеленый: приятный; красный: неприятный), в которых они кондиционируются под давлением в состоянии насыщенного пара, обеспечивая поток одорированного воздуха со стабильной интенсивностью в течение долгого времени. Смесительная головка используется для смешивания потоков чистого и одорированного воздуха. Воздушный поток (одорированный или чистый) подается в ноздри через две трубки (серые линии), прикрепленные к носовой канюле, которая также используется для записи носового дыхания (фиолетовая линия). На основании дыхательного сигнала, как только определена фаза ингаляции, для состояния spTMS посылается триггер на устройство-генератор импульсов, используемый для установки задержки (в данном случае: 10 мс), затем на стимулятор ТМС А, подключенный к катушке_М1 , приложенной к левой репрезентации мышцы руки М1, в то время как стимулятор ТМС В выключен. Для условия dsTMS на стимулятор TMS B, подключенный к катушке_DLPFC , приложенной к левому DLPFC, немедленно посылается триггер, а устройство генератора импульсов используется для установки задержки (здесь: 10 мс) перед запуском стимулятора TMS A, подключенного к катушке_M1. Дыхательный сигнал и амплитуда MEP, регистрируемые системой ЭМГ, регистрируются программным обеспечением, установленным на персональном компьютере. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.

3. Измерения

1. Запустите пользовательский сценарий кодирования в программном обеспечении ольфактометра (см. шаг 2.7.2), чтобы получить все комбинации spTMS и dsTMS с приятными и неприятными запахами и отсутствием запахов, возникающих в случайном порядке.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Здесь было зарегистрировано 20 испытаний для каждого состояния (всего 120 испытаний). Эксперимент был разделен на 6 блоков по 20 испытаний в каждом. Количество пробных версий для каждого состояния может быть изменено в соответствии с потребностями пользователя.

4. Анализ данных

1. Для каждого участника, условия и испытания извлеките амплитуду MEP от пика до пика. Это можно сделать с помощью одного из наборов инструментов с открытым исходным кодом, доступных в Интернете^46,47.
2. Нормализуйте данные, вычислив коэффициент MEP, выражающий MEP, вызванные тестовой стимуляцией в исследованиях dsTMS, по отношению к MEP, выявленным тестовой стимуляцией в исследованиях spTMS¹². Сделайте это отдельно для каждого участника и для каждого состояния запаха (т.е. отсутствие запаха, положительный запах и отрицательный запах). После этой процедуры интерпретируйте результаты следующим образом: коэффициенты MEP выше 1 указывают на облегчающее влияние DLPFC на M1, тогда как коэффициенты MEP ниже 1 указывают на ингибирующее влияние DLPFC на M1.

Results

Репрезентативные данные, представленные здесь, отражают записи участников после выполнения пошагового протокола, приведенного выше, чтобы дать предварительное представление о том, чего мы можем ожидать.

На рисунке 2 показан пример дыхательных сигналов репрезентативного участника, записанных с помощью ольфактометра. Фазы выдоха и вдоха хорошо выявляются при пересечении пороговых значений. Одорант срабатывает сразу после порога фазы истечения и диффундирует в течение 5 с. Импульс ТМС запускается с задержкой (600 мс) после порога фазы вдоха.

Этот результат демонстрирует, что разработанный здесь метод может точно синхронизировать диффузию одоранта и время ТМС в соответствии с фазами носового дыхания человека.

Рисунок 2: Пример исходных данных из записей дыхания для репрезентативного участника. Фаза экспирации определяется при пересечении порога (обозначенного красной линией). Фаза вдоха определяется при пересечении порога (обозначенного синей линией). Одорант срабатывает сразу после порога фазы истечения и диффундирует в течение 5 с, как показано зеленой линией. Импульс ТМС запускается с задержкой (600 мс) после порога фазы вдоха. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.

На рисунке 3 показаны результаты, полученные при регистрации данных ЭМГ из правой мышцы ПИИ (записи MEP) в соответствии с условиями (spTMS и dsTMS) и гедонистическими значениями запаха (без одоранта, положительный одорант и отрицательный одорант) для репрезентативного участника. Амплитуда от пика до пика MEP, вызванных spTMS (рис. 3A) и dsTMS (рис. 3B), варьировалась в зависимости от гедонистической ценности одоранта. Когда результаты нормализованы (рис. 3C), все коэффициенты MEP ниже 1, что указывает на подавляющее влияние левого DLPFC на левую M1. Этот результат демонстрирует, что разработанный здесь метод позволяет исследовать модуляции кортикоспинальной возбудимости и эффективной связи, возникающие при восприятии приятных и неприятных запахов, синхронизированные с носовым дыханием человека. Эти результаты являются предварительными и заслуживают дальнейшего изучения, чтобы сделать вывод о специфическом влиянии гедонистических значений запахов на кортикоспинальную возбудимость и эффективную связь.

Рисунок 3: Пример типичных необработанных записей из правой мышцы ПИИ участника. (A) Состояние spTMS с положительным одорантом (зеленый), отрицательным одорантом (оранжевый) и отсутствием одоранта (серый). (B) состояние dsTMS с положительным одорантом (зеленый), отрицательным одорантом (оранжевый) и отсутствием одоранта (серый). (C) Коэффициенты MEP, полученные после процедуры нормализации для репрезентативного участника. Три коэффициента MEP ниже 1, что указывает на ингибирующее влияние DLPFC на M1. Необработанные трассировки MEP представляют собой одну пробную запись. Гистограммы показывают среднее значение, стандартное отклонение и индивидуальное значение MEP для 20 испытаний, полученных в каждом состоянии. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.

Discussion

В приведенном выше протоколе описан новый метод, сочетающий использование синхронизированного с дыханием ольфактометра с одно- и двухспиральной ТМС для исследования изменений кортикоспинальной возбудимости и эффективной связи в зависимости от гедонистической ценности одорантов. Такая установка позволит объективно различать значение приятности одоранта у данного участника, указывая на биологическое воздействие одоранта на эффективную связь и реактивность мозга. Важнейшие этапы в этом протоколе включают в себя как параметры ТМС (размещение, интенсивность), так и параметры ольфактометра (выбор одоранта, время относительно фаз дыхания).

Эта комбинация spTMS и dsTMS с ольфактометром может быть адаптирована различными способами, в зависимости от потребностей пользователя, и имеет явные методологические преимущества. Как отмечалось во введении, два методологических аспекта представлялись решающими для более глубокого исследования механистических основ взаимодействия между обонятельной и двигательной системами. Во-первых, это возможность представления различных условий запаха (приятный/неприятный/отсутствие запаха) в рамках одной и той же экспериментальной фазы. Теперь это возможно, потому что можно определить на основе каждого испытания, какой одорант будет доставляться испытуемому с постоянной интенсивностью. Это очень важный момент, так как позволяет исключить систематические внутрииндивидуальные изменения амплитуды MEP внутри и между блоками стимулов, наблюдавшиеся в предыдущих исследованиях, даже при относительно длительных межстимульных интервалах^48,49.

Действительно, применение импульса ТМС к М1 позволяет количественно оценить наблюдаемые изменения кортикоспинальной возбудимости с неоспоримой временной точностью. Тем не менее, очень большое количество факторов может модулировать кортикоспинальную возбудимость, и их необходимо контролировать, насколько это возможно. Например, простой факт произвольного вдоха или выдоха (двигательный акт) модифицирует кортикоспинальную возбудимость недыхательных мышц пальцев⁵⁰.

Во-вторых, это возможность контролировать и синхронизировать несколько факторов с фазами дыхания. К ним относятся точная продолжительность и время распространения запаха среди участников, а также время импульса ТМС. Что еще более важно, эти различные параметры могут быть изменены в соответствии с потребностями пользователя, что открывает путь для будущих исследований.

Представленный здесь метод открывает путь для широкого круга будущих исследований и более широких вопросов в области обоняния. Во-первых, ни в одном исследовании еще не изучалась временная точность модуляции кортикоспинальной возбудимости в ответ на обонятельный стимул. Является ли эта модуляция очень ранней (т.е. до появления перцептивных обонятельных репрезентаций, по оценкам, между 300 мс и 500 мс после появления^{запаха45}) или более поздней (т.е. когда обонятельные репрезентации распространяются на более обширные области, связанные с эмоциональной, семантической обработкой и обработкой^{памяти45})? Одинаковы ли сроки изменения кортикоспинальной возбудимости в зависимости от гедонистической ценности запаха? Неприятные запахи, такие как боль, часто сигнализируют о потенциальной опасности, вызывают более быструю реакцию, позволяющую быстро избежать или избежать негативных ситуаций^51,52, и, таким образом, модулируют кортикоспинальную возбудимость раньше, чем позитивные запахи. Однако это остается спекулятивным. Доставляя импульс ТМС в разное время после появления как положительных, так и отрицательных запахов и сравнивая изменения кортикоспинальной возбудимости, текущий протокол может ответить на этот вопрос. Кроме того, несмотря на то, что основное внимание в настоящем протоколе уделялось модуляции кортикоспинальной возбудимости путем воздействия на М1, метод ТМС, благодаря его высокому временному разрешению, может быть также использован для исследования причинно-следственных связей между мозгом и поведением и временного хода других областей во время обонятельных процессов, благодаря его высокому временному^{разрешению}.. Аналогичным образом, в текущем протоколе мы оценили эффективную связь между DLPFC и M1, поскольку в литературе есть доказательства того, что модуляции этой связи могут происходить во время восприятия запаха. Тем не менее, другие кортико-корковые или кортико-подкорково-корковые сети могут быть модулированы во время процессов обоняния или моторного контроля, и связь внутри этих сетей может быть легко оценена с помощью этого нового метода. Единственным изменением будет расположение катушек по направлению к целевым областям коры. Например, было показано, что орбитофронтальная кора участвует в кодировании гедонистической ценности запаха и восприятия запаха⁵⁴, а недавнее исследование ТМС показало, что эта область оказывает ингибирующее влияние на М1 в состоянии покоя¹². Зондирование изменений в эффективной связи между орбитофронтальной корой и М1 во время восприятия положительных и отрицательных запахов является интересным направлением исследований для лучшего понимания механизмов, лежащих в основе взаимодействия между обонятельной и моторной системами.

Кроме того, этот метод предлагает новый способ достоверной оценки гедонистического восприятия запаха невербальным или осознанным образом. Это может проложить путь к клиническим исследованиям, направленным на понимание аномальных взаимодействий между обработкой информации в обонятельной и моторной системах. Например, данный метод может быть использован у пациентов с нервно-психическими расстройствами, такими как большое депрессивное расстройство (БДР), которое связано с изменениями обонятельной функции, включая гедонистическое восприятие запахов и дезадаптивное поведение и избегание^. Кроме того, поскольку было показано, что левый DLPFC гипоактивен у пациентов с БДР⁵⁶, а связь DLPFC-M1 модулируется во время поведения уклонения от сближения¹⁹, комбинация ТМС и обофактометра может быть многообещающим потенциальным инструментом для выяснения нейрофизиологических индикаторов дисфункциональной связи между DLPFC и M1 у пациентов с БДР. Нейрофизиологические данные могут быть соотнесены с клинической симптоматикой, такой как тяжесть депрессии или обонятельная ангедония, определяемая как снижение способности испытывать удовольствие, обнаруженная у пациентов с БДР⁵⁷. Наконец, если у этих пациентов с помощью представленного здесь метода выявлены аномалии эффективной связи и коррелируют с клиническими симптомами, двухсайтовая ТМС может быть использована повторно для нейромодуляции связности DLPFC-M1 и улучшения клинических симптомов, протокол, называемый парно-ассоциативной кортико-кортикальной стимуляцией^58,59.

Несмотря на то, что данный метод и результаты являются доказательством концепции для будущих исследований нейронных механизмов, лежащих в основе взаимодействия между обонятельной и двигательной системами, следует упомянуть о некоторых ограничениях и соображениях. Во-первых, для повышения надежности и воспроизводимости измерений целевые области мозга должны быть точно основаны на анатомических и функциональных областях (это особенно верно для мишени DLPFC). Во-вторых, как упоминалось выше и как было продемонстрировано компьютерным моделированием Е-поля, метод нацеливания на основе скальпа, используемый для позиционирования катушек, является неоптимальным по сравнению с руководством МРТ⁶⁰. Для обеспечения максимальной точности и прецизионности позиционирования ТМС следует использовать нейронавигационную систему, которая совместно регистрирует голову пациента и структурную магнитно-резонансную томографию (МРТ) и обеспечивает обратную связь в режиме реального времени о положении катушки³⁸. Кроме того, было показано, что вычислительная дозиметрия Е-поля обеспечивает более эффективную и сфокусированную стимуляцию за счет определения расположения отдельных катушек, которое максимизирует доставку Е-поля к конкретной мозговой мишени⁶¹. Третий момент, который следует учитывать при интерпретации результатов, связан с амплитудой MEP. Действительно, известно, что амплитуда MEP отражает различные нейронные входы в кортикоспинальные клетки, включая транскортикальные элементы, и активность пула спинальных мотонейронов 62,63,64. Таким образом, модуляция кортикоспинальной возбудимости и эффективная связность, наблюдаемая при воздействии приятного запаха, дает частичную картину более сложных супраспинальных и спинальных сетей, которые, вероятно, участвуют в модуляции амплитуды MEP. Результаты следует интерпретировать с осторожностью.

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Плата захвата (8 каналов)	Национальный прибор	NI USB-6009
Воздушный компрессор	Jun-Air	Модель 6-15
Спиртовые прокладки	Любая
масляная кислота	Сигма-Олдрич	B103500	Негативный запах
Настольный компьютер	Dell	Latitude 3520
Система	ЭМГ Biopac Система	MP150
Изоамилацетат	Сигма-Олдрич	W205508	Положительный запах
Назальная канюля	SEBAC France	O1320
Программируемый генератор импульсов	A.M.P.I	Мастер-8
Поверхностные электроды	Kendall Medi-trace	FS327
TMS катушка (X2)	MagStim	D40 Alpha B.I. катушка
TMS машина	MagStim	Bistim2
Трубка 6 мм x 20 м	Radiospare	686-2671	Пневматическое подключение
USB-RS232	Radiospare	687-7806
U-образные трубки	VS технологии	VS110115