Свободно-дыхательный метод FMRI для изучения обонятельной функции человека

Общая цель этого видео состоит в том, чтобы представить и объяснить эффективный и легко адаптируемый метод фМРТ для эффективного изучения картирования обонятельной системы человека без вмешательства в естественное дыхание. Одним из препятствий для использования обонятельной фМРТ для изучения активации мозга, реагирующей на запах и стимуляцию, является несогласованность повторяющейся стимуляции запаха, которая вызвана асинхронностью дыхания и доставки запаха. Как показано здесь, когда представление запаха в парадигме стимуляции запаха с фиксированным временем не синхронизировано с дыханием, повторяющаяся стимуляция запаха может происходить на разных фазах дыхания.

Решением этой проблемы является создание парадигмы фМРТ, запускаемой дыханием. Эффективный сбор данных обонятельной фМРТ достигается путем разработки парадигмы обонятельной стимуляции, вызванной дыханием, связанной с событиями, на ольфактометре, которая устойчива к привыканию и непоследовательным моделям вдыхания. Вторым шагом является подготовка одорантов для обонятельной стимуляции, при этом необходимо использовать одоранты, которые минимизируют эффекты стимуляции тройничного нерва и привыкания.

Третий шаг заключается в постановке и проведении эксперимента в среде МРТ путем сборки ольфактометра с возможностью запуска парадигмы, запускаемой дыханием. Заключительным этапом является обработка данных с помощью программы ONSET для определения фактического начала и продолжительности векторов стимулов. В конечном счете, этот метод может способствовать более чувствительному исследованию и связям обонятельной системы человека.

Здесь мы продемонстрируем, как организовать эксперимент с фМРТ, вызванной дыханием, с помощью ольфактометра ETT. Чтобы создать парадигму, назначьте каналы одоранта конкретным одорантам. В этой системе ольфактометра имеется шесть каналов одоранта.

Ввод и редактирование последовательности и времени открытия и закрытия этих каналов. Нажмите кнопку «Настройка парадигмы» на сенсорном экране. Чтобы ввести или отредактировать последовательность открытия и закрытия каналов одоранта, нажмите кнопку «Редактировать» для последовательности клапанов.

Когда закончите, нажмите кнопку «Редактировать» еще раз, чтобы выйти из режима редактирования. Чтобы ввести или отредактировать временные параметры для открытия и закрытия каналов одоранта, нажмите кнопку Установить для временной последовательности. Когда закончите, нажмите кнопку «Установить» еще раз, чтобы выйти из режима редактирования.

После завершения настройки парадигмы нажмите кнопку Return, чтобы вернуться в главное окно. В этом видео показана простая парадигма стимуляции одного и того же одоранта в той же концентрации. Каждая подача одоранта чередуется с подачей свежего воздуха.

В данной парадигме один и тот же запах представлен 12 раз. Каждый раз представление запаха длится шесть секунд с переменным промежутком времени между проявлениями запаха. Установите продолжительность Открытие клапана и Закрытие клапана соответственно.

В этой демонстрации готовится одна концентрация масла лаванды. Мы используем масло лаванды из-за его минимальной стимуляции тройничного нерва и активации определенных областей мозга. Концентрация одоранта может варьироваться в зависимости от выбранного одоранта.

Выбирайте концентрации, исходя из идеального порога восприятия запаха. Варьируя концентрацию, мы уменьшаем вероятность привыкания к одоранту. Для приготовления концентраций смешайте масло лаванды с пропиленгликолем.

Пропиленгликоль является широко используемым растворителем для одорантов, он стабилен и практически не имеет запаха. После смешивания всех растворов, как указано в дизайне парадигмы, налейте одинаковое количество одорантов в каждую бутылку-контейнер. Затем прикрепите бутылки к носителю одоранта в правильном порядке.

Чтобы установить ольфактометр в МРТ, поместите носитель одоранта в магнитную комнату рядом с аппаратом. Пропустите трубки через волновод для подключения к носителю, следя за тем, чтобы порядок трубок соответствовал порядку подключения к ольфактометру. Для удобства мы маркируем наши трубки цветом в соответствии с каналами одоранта.

Включите аппарат. При необходимости отрегулируйте основной поток воздуха, а также индивидуальные скорости потока для несущей и смывной системы. Затем подключите дыхательный пояс к ольфактометру и пропустите ремень через волновод.

Ремень будет записывать дыхательную активность субъекта, а также использование триггера дыхания. Поместите объект в магнитную комнату и наденьте на него маску для лица. Когда субъект лежит, поместите дыхательный пояс вокруг его груди или живота там, где наблюдается явное дыхание.

Проверьте рисунок дыхания на экране ольфактометра. Если волны выходят на плато, то ремень застегнут слишком туго и триггер дыхания не сработает должным образом. Отрегулируйте ремень до тех пор, пока не станет виден полный след дыхания, так как четкие сигналы пика дыхания имеют решающее значение для успешного выполнения парадигмы, запускаемой дыханием.

Создайте папку с данными на ольфактометре для хранения данных о дыхании. Синхронность представления запаха с дыханием должна быть проверена на точность с помощью проверки парадигмы и корректировки времени задержки триггера, если это необходимо. Нажмите кнопку Paradigm Check на сенсорном экране и отслеживайте, происходит ли доставка запаха во время фазы вдоха в дыхательном цикле.

Период доставки запаха выделяется розовым цветом на следе дыхания. Если подача запаха начинается во время фазы выдоха, чтобы вернуться к настройке парадигмы, отрегулируйте задержку триггера во временной последовательности, а затем повторите проверку парадигмы. Установите парадигму в режим Trigger In, чтобы выполнение парадигмы стимуляции запаха запускалось с помощью МРТ-сканирования.

Затем выберите функцию «Запуск триггера дыхания». Теперь парадигма готова к запуску. После того, как парадигма стимуляции запаха будет завершена, проверьте данные дыхания, сохраненные в ольфактометре.

Этот файл включает в себя траекторию дыхания и временную метку каждого функционального МРТ-изображения, триггер дыхания, открытие и закрытие каждого канала запаха, а также реакцию субъекта с помощью устройства реагирования. Он может быть обработан с помощью программы ONSET для получения фактических векторов начала стимуляции и длительности обработки данных фМРТ. ONSET можно запустить на виртуальной машине IDL.

Чтобы получить векторы и продолжительность появления стимуляции запаха, нажмите «Проверка дыхания». Загрузите файл с данными дыхания, сохраненный из ольфактометра, и задайте параметры постобработки для обработки ONSET. Запустите ONSET.

Фактические векторы начала стимуляции, начало каждой ингаляции во время доставки запаха, будут автоматически определяться на основе времени появления запаха и следа дыхания. Результаты, включая векторы начала и продолжительности, могут быть использованы при обработке данных фМРТ. Обработка данных фМРТ в соответствии со стандартными процедурами.

Вот пример обработки данных с помощью SPM8. Используйте либо номера изображений, либо векторы начала и длительности в секундах от начала выходных данных, в зависимости от единицы времени, выбранной для проектирования парадигмы SPM. Создание статистической параметрической карты на индивидуальном уровне путем подгонки парадигмы стимуляции с использованием векторов фактического начала и продолжительности к функциональным данным с канонической функцией гемодинамического ответа.

Вот пример первичной активации обонятельной коры, реагирующей на стимуляцию запахом. В отличие от парадигмы стимуляции запаха, вызванной дыханием, например, парадигмы фиксированного времени, которую мы можем видеть здесь на примере того же субъекта, доставка запаха не инициируется дыхательной активностью. Поскольку дыхание субъекта не контролируется, существует значительная вариабельность количества вдыхаемого одоранта.

Следуя стандартной процедуре обработки этих данных фМРТ с тем же статистическим порогом, который использовался для предыдущих данных фМРТ, вызванных дыханием, в первичной обонятельной коре не было обнаружено существенной активации. Однако, когда реализуется триггер дыхания, представление запаха всегда синхронизируется с вдыханием, что улучшает консистенцию и точность стимуляции запаха. После просмотра этого видео вы должны иметь хорошее представление о текущей практике фМРТ обонятельной области с использованием парадигмы, связанной с дыханием, связанной с событиями.

После того, как техника, продемонстрированная в этом видео, будет освоена, дальнейшие методы разработки и анализа парадигмы обонятельной стимуляции могут быть применены для картирования функций центральной обонятельной системы человека и дальнейшего изучения обонятельного дефицита при нейродегенеративных заболеваниях.