Summary
Vi presenterer de tekniske utfordringene og løsningene for å oppnå pålitelig funksjonell magnetisk resonans imaging (fMRI) data fra det menneskelige sentrale olfaktoriske systemet. Dette inkluderer spesielle hensyn i olfaktorisk fMRI-paradigmedesign, beskrivelser av fMRI-datainnsamling med et MRI-kompatibelt olfaktometer, luktutvalg og et spesielt programvareverktøy for data etterbehandling.
Abstract
Studien av menneskelig olfaction er et svært komplekst og verdifullt felt med applikasjoner som spenner fra biomedisinsk forskning til klinisk evaluering. Foreløpig er evaluering av funksjonene til det menneskelige sentrale olfaktoriske systemet med funksjonell magnetisk resonansavbildning (fMRI) fortsatt en utfordring på grunn av flere tekniske vanskeligheter. Det er noen viktige variabler å ta i betraktning når man vurderer en effektiv metode for kartlegging av funksjonen til det sentrale luktfaktoriske systemet ved bruk av fMRI, inkludert riktig luktemiddelvalg, samspillet mellom luktpresentasjon og respirasjon, og potensiell forventning eller habituering til luktstoffer. En hendelsesrelatert, respirasjonsutløst olfaktorisk fMRI-teknikk kan nøyaktig administrere luktemidler for å stimulere det olfaktoriske systemet samtidig som potensial forstyrrelser minimeres. Det kan effektivt fange de nøyaktige utbruddet av fMRI-signaler i den primære olfaktoriske cortex ved hjelp av vår data etterbehandlingsteknikk. Teknikken preSendes her, gir en effektiv og praktisk måte for å generere pålitelige olfaktoriske fMRI-resultater. En slik teknikk kan til slutt brukes i klinisk verden som et diagnostisk verktøy for sykdommer forbundet med olfaktorisk degenerasjon, inkludert Alzheimers og Parkinsons sykdom, da vi begynner å forstå kompleksiteten i det menneskelige olfaktoriske systemet.
Introduction
Det menneskelige olfaktoriske systemet forstås å være mye mer enn et sensorisk system fordi olfaction også spiller en viktig rolle i homeostatisk regulering og følelser. Klinisk er det menneskelige olfaktoriske systemet kjent for å være sårbart for angrep av mange utbredte nevrologiske sykdommer og psykiatriske forstyrrelser, som Alzheimers sykdom, Parkinsons sykdom, posttraumatisk stressforstyrrelse og depresjon 1 , 2 , 3 , 4 , 5 . For tiden er funksjonell magnetisk resonansavbildning (fMRI) med blod-oksygen-nivå-avhengig (BOLD) -kontrast den mest verdifulle teknikken for kartleggingsfunksjoner av den menneskelige hjerne. En betydelig mengde kunnskap om spesifikke funksjoner av sentrale luktstrukturer ( f.eks . Piriform cortex, orbitofrontal cortex, amygdala og økulær cortex) er ervervet med denne teknologienIque 6 , 7 , 8 , 9 , 10 .
Anvendelsen av fMRI til studier av det menneskelige sentrale lyktesystemet og tilhørende sykdommer har imidlertid blitt forhindret av to store hindringer: rask oppløsning av BOLD-signal og variabel modulering ved åndedrett. I hverdagen, når vi blir utsatt for en luktemiddel over tid, blir vi raskt til duften. Faktisk, når det studeres ved hjelp av olfaktorisk fMRI, blir det lukt-induserte fMRI-signalet raskt svekket ved å bli opptatt, noe som utgjør en utfordring på stimuleringsparadigmedesignene 8 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 . Det første signifikante BOLD-signalet i den primære olfaktoriske cortex vedvarer bareS i flere sekunder etter luktstart. Derfor bør olfaktoriske fMRI-paradigmer unngå langvarig eller hyppig luktstimulering på kort tid. For å redusere habitueringseffekten har enkelte studier forsøkt å presentere alternerende lukt i et fMRI-paradigme. Denne tilnærmingen kan imidlertid komplisere dataanalyse siden hver luktemiddel kan behandles som en uavhengig stimuleringshendelse.
Et annet teknisk problem oppstår med variasjon i fagets respirasjonsmønstre; Innånding synkroniseres ikke alltid med luktestoffadministrasjon under et fasttidsparadigm. Utbruddet og varigheten av olfaktorisk stimulering er modulert av hverandres respirasjon, noe som forstyrrer fMRI datakvalitet og analyse. Noen studier har forsøkt å avhjelpe dette problemet med visuelle eller hørbare signaler for å synkronisere pust og luktbetennelse, men pasientens overholdelse er variabel, spesielt i den kliniske populasjonen. Hjernen aktiveringen knyttet wiTh disse signalene kan også komplisere dataanalyse i visse applikasjoner. Dermed kan synkronisering av innånding med luktmiddeltilførsel være avgjørende for olfaktoriske fMRI-studier 15 .
En ytterligere vurdering som er viktig for olfaktorisk fMRI, spesielt i dataanalyseprosessen, er lukterutvalg. Å finne en passende luktende konsentrasjon med hensyn til oppfattet intensitet er viktig for kvantifisering og sammenligning av aktiveringsnivåer i hjernen under forskjellige eksperimentelle tilstander eller sykdommer. Luktutvalg må også ta hensyn til luktvalens eller behagelighet. Dette er kjent for å forårsake divergerende tidsmessige profiler i olfaktorisk læring 16 , 17 . Lavendel lukt ble valgt for denne demonstrasjonen delvis av denne grunn. Avhengig av formålet med en bestemt studie, kan forskjellige luktemidler være bedre valg. I tillegg må trigeminastimulering minimeres for å redusereE-aktivering ikke direkte relatert til olfaction 18 .
I denne rapporten demonstrerer vi en fMRI-teknikk for å sette opp og drive et respirasjonsutløst paradigme ved hjelp av et olfaktometer i det magnetiske resonansmiljøet. Vi presenterer også et etterbehandlingsverktøy som kan redusere noen timingsfeil som kan ha oppstått under datainnsamling i et forsøk på å forbedre dataanalysen ytterligere.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Følgende eksperimentelle protokoll fulgte retningslinjene i Institutional Review Board av Pennsylvania State University College of Medicine, og det menneskelige fag ga skriftlig informert samtykke før de deltok i studien.
Merk: For demonstrasjonsformål presenteres et enkelt luktstimuleringsparadigm med et kommersielt tilgjengelig, MR-kompatibelt olfaktometer. Dette paradigmet har vist seg å være effektivt for å redusere habitueringseffekten og har produsert pålitelig lyktig fMRI-data 15 . Visse trinn beskrevet i denne protokollen kan være spesifikke for typen olfaktometer som brukes. Imidlertid kan en hvilken som helst type utstyr, hjemme-laget eller kommersielt tilgjengelig med lignende egenskaper, anvendes på analog måte. Olfaktometeret må kunne overvåke respirasjon og presentere en luktsekvens med presis tidspunkt. Pass på at hele luktleveringssystemet (inkludertOlfaktometer) er bygget med materialer som er inerte for luktende kjemikalier ( f.eks . Glass og polytetrafluoretylen), og luktbanen er glatt og lufttett med minimal dødplass.
1. Paradigm Design
- Opprett et nytt paradigme ved å spesifisere luftstrømventilsekvensen på et programmerbart olfaktometer.
MERK: Ventilsekvensen er rekkefølgen og tidspunktet for åpning og lukking av spesifikke luftkanaler som inneholder forskjellige konsentrasjoner eller typer luktstoffer. I denne demonstrasjonen ble hver av ventilene for de seks kanalene åpnet to ganger for totalt tolv luktleveranser. Når en ventil var åpen, ble alle de andre ventiler lukket, og hver ventil ble åpnet igjen bare etter at alle de andre ventiler allerede hadde åpnet en gang.- Tilordne varighet for stimulansen (åpningen av en bestemt kanal) samt varighet for kanalen som skal lukkes.
MERK: I denne demonstrasjonen var varigheten for luktpresentasjonen 6 s, mensVarigheten for kanalene som skal lukkes varierer fra 22 s til 38 s. - Still inn antall repetisjoner for sekvensen av ventilen åpner og lukker. Her er antall repetisjoner 1.
- Interleave hver luktende presentasjon med en presentasjon av luktfri luft med samme strømningshastighet. For eksempel, lever luftstrømmen til motivet med eller uten lukt ved en strømningshastighet på 6 l / min i 50% relativ fuktighet og romtemperatur ved 22 ° C.
MERK: Dette er viktig, da variasjoner i luftstrømmen kan forårsake taktil følelse.
- Tilordne varighet for stimulansen (åpningen av en bestemt kanal) samt varighet for kanalen som skal lukkes.
2. Luktemiddelforberedelse
- Velg en riktig luktemiddel for luktstimuleringsparadigmet ved å vurdere luktvalensen, behageligheten, intensiteten, kjennskapen og trigeminalkomponenten (se tabell 1 ).
Merk: Tabell 1 viser noen vanlige luktemidler. Lavendel lukt ble valgt for denne demonstrasjonen fordi den har minimal trigeminal stimulering ved lav til moderat coNcentrasjoner og oppfattes generelt som hyggelig og kjent. - Velg et riktig løsningsmiddel ( f.eks . Vann, mineralolje, 1,2-propandiol, etanol) for å forberede luktemidler.
MERK: Her ble 1,2-propandiol anvendt som løsningsmiddel for luktemiddeloppløsning. - Velg en riktig luktende konsentrasjon for luktstimuleringsparadigmet. For eksempel fortynne lavendelolje i 1,2-propandiol ved 0,10% (volum / volum) konsentrasjon for olfaktorisk stimulering 19 .
MERK: Dette kan gjøres ved en psykofysisk vurdering av en rekke forskjellige konsentrasjoner av en gruppe av normale fag. - Sett de riktige luktene i luktemiddelbeholderne. Sørg for at alle beholdere har samme mengde plass, samme mengde løsning og samme overflateareal for løsningen. Bruk for eksempel seks glassflasker med 300 ml glass som luktemiddelbeholdere med hver flaske som holder 50 ml 0,10% lavendeloljeoppløsning.
- Koble aLuk luktene til de riktige kanalene for luktlevering.
3. Olfactometer Set-up
- Kontroller tilkoblingene for å sikre at alle luktemiddelbeholdere er ordentlig festet til luktbæreren. Ikke overtreng, da dette kan skade tetningen. Riktig tetthet sikres i et senere trinn ved å kontrollere luftstrømmen gjennom hver luktbeholder.
- Plasser luktbæreren i magnetrommet og koble hvert rør til olfaktometeret utenfor rommet, da hovedenheten ikke er MR-kompatibel. Kontroller visuelt for kinks i slangen, da dette vil påvirke luftstrømmen. Luftstrømmen for hver kanal blir sjekket i et senere trinn.
- Koble alle rørene fra olfaktometeret til luktbæreren ved å samsvare tallene til de riktige portene. For nøyaktighet, fargekode rørene, slik at rosa for kanal 1, blå for kanal 2, osv .
- Kontroller at luftstrømmen gjennom alle kanalene er konsekvent ved å feste en strømningMeter til utgangen av slangen. Åpne manuelt hver kanal på olfaktometerets betjeningspanel, juster den totale luftstrømmen samt strømningshastigheter for hver kanal og spylelinjen til strømningshastigheten til hver kanal er konsistent.
- Koble ansiktsmasken eller nesestykket til luktbæreren med polytetrafluoretylen (PTFE) rør. Pass på at luftstrømmen ( f.eks . 6 l / min) levert til motivet er konsekvent når kanalene slås på.
- Koble radiofrekvensutløseren fra MR-systemet til "trigger in" -porten på olfaktometeret for å synkronisere luktstimuleringsparadigmet og fMRI-bildeinnkjøpet. En optisk-elektrisk signalomformer kan være nødvendig.
- Juster total luftstrøm og strømningshastigheter for hver kanal og spylelinjen til de konstruerte mengdene. For eksempel, en total luftstrøm på 6 l / min og strømningshastighetene for hver kanal og spylelinjen til 3 l / min.
- Koble pneumatisk respiratorisk sensoR beltet til olfaktometerets responsport via den pneumatiske / elektriske signalomformeren.
- Hvis det er behov for en subjektiv respons, kobler du den pneumatiske responspuden til olfaktometerets responsport via den pneumatiske / elektriske signalomformeren.
4. Eksperimentell prosedyre
- Utfør en forhåndsvisning for å sikre at MR-prosedyren er trygg for motivet.
- Spør emnet om medisinsk historie, inkludert potensielle implantater, klaustrofobi eller andre eksisterende forhold som kan forstyrre fagets evne til å delta trygt i fMRI-studien. I tillegg utfør en lukt terskeltest av luktene for å sikre at motivet kan lukte luktene under forsøket.
- Har faget liggende liggende på MR-undersøkelsen. Legg ansiktsmasken eller nesestykket riktig på motivet for å sikre at luften blåser inn i neseborene. Plasser åndedrettssensoren på enten tHan bryst eller mage. Be faget å puste normalt. Manuell justering av tetthet og plassering av beltet som holder respiratorisk sensor i henhold til åndedrettsmønsteret som vises på olfaktometervisningen.
- Opprett en datapappe for å registrere respiratoriske data i olfaktometeret. Klikk på "Filbehandling", skriv inn emne-IDen som er tilordnet det aktuelle emnet, og bekreft deretter inngangen.
- Bruk "paradigmekontroll" alternativet til å teste synkroniseringen av luktlevering og innånding uten å involvere stimuluslevering, og juster om nødvendig manuelt "ventiltidsforsinkelsen" for å sikre at utløpet av luktlevering synkroniseres med fagets innåndingsfase.
- Still synkroniseringen mellom luktstimulering og fMRI-bildeoppkjøpet ved å velge "trigg-in" -modus på olfactometerets kontrollenhet.
Merk: Dette gjør at luktstimuleringsparadigmet kan startes med en ekstern trigger over "; Utløser i "port stammer fra MR-systemet. Paradigmet vil således ikke løpe til den eksterne utløseren fra skanneren er mottatt. Vær oppmerksom på hva slags triggerpuls (elektrisk eller lys) som MR-skanneren sender ut. Det kan være behov for en signalomformer for å koble de to systemene. - Aktiver åndedrettsutløseren ved å velge "resp. Start" på olfaktometerets kontrollenhet.
Merk: Når det er aktivert, synkroniseres starten på hvert paradigm-sekvenselement med innånding. Dette kan oppnås empirisk ved å forsinke luktleveransen omtrent halvparten av en respirasjonssyklus fra begynnelsen av utåndingsfasen. - Start fMRI-bildeoppkjøpet på MR-konsollen; Luktstimuleringsparadigmet starter så snart bildeoppkjøpet starter. Overvåk åndedrettsmønsteret for uregelmessig åndedrettsaktivitet.
Merk: Uregelmessig åndedrettsaktivitet kan være i form av platåer, større og lengre sykluser, ellerUberegnelige bølger. Her ble en BOLD-signalfølsom T 2 * -vektet ekko-plan-imaging-sekvens brukt for fMRI-bildeoppkjøp med 2,000 ms repetisjonstid, 30 ms ekkotid, 90 ° flippevinkel, 220 mm × 220 mm synsfelt, 80 × 80 oppkjøpsmatrise, 30 4 mm tykke aksiale skiver og akselerasjonsfaktor på 2 for integrerte parallelle billedteknikker. - Ved ferdigstillelse av bildebehandlingsprotokollen, flytt motivet ut av magneten og fjern ansiktsmasken / nesestykket.
5. Olfactometer Clean-up
- Slå av luftpumpen. Løsne luktende beholdere fra luktbæreren og erstatt med rene, tomme.
- Slå på luftpumpen. Spyl hver kanal med luktfri luft i 5 minutter for å fjerne resterende luktstoffer i luftledningen.
- Slå av olfaktometeret.
- Desinfiser nesestykket eller ansiktsmasken med alkoholservietter. Skyll ansiktsmasken eller nesestykket med varmt vann og lufttørk deretter. 6. Dataanalyse
- For å behandle dataene, last inn respirasjonsdatafilen til open source-programmet Olfactory Network Stimulation Editing Tool (ONSET) (www.pennstatehershey.org/web/nmrlab/resources/software/onset) 15
Merk: ONSET-programvaren ble utviklet av Xiaoyu Sun. Påvirkninger av luktstimulering basert på tidspunktet for paradigmet og respirasjonssporet blir automatisk oppdaget. Den faktiske stimuleringsvektoren er definert som starttid for hver effektiv inhalering under luktlevering.- Mål og sammenlign respirasjonshastigheten og volumet (området under hvert inhalasjons- og utåndingsfasepar) mellom lukt og luktfrie perioder 15 .
MERK: Det bør ikke være noen signifikant forskjell i disse respiratoriske parametrene mellom lukt og luktfrie perioder. - Behandle fMRI-dataene med de faktiske start- og varighetsvektorer fra ONSET for aktivering av den sentrale olfacSystem 15 .
- Mål og sammenlign respirasjonshastigheten og volumet (området under hvert inhalasjons- og utåndingsfasepar) mellom lukt og luktfrie perioder 15 .
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Figur 1 viser oppsettet av olfaktorisk fMRI i og utenfor magnetrommet, med tanke på MR-kompatibilitet. Figur 2a demonstrerer et standard fasttidsparamigram, mens figur 2b demonstrerer et paradigme hvor "respirasjonsutløseren" tillater synkronisering av luktlevering og innånding.
Et vanlig åndedrettsmønster med klare innåndingstopper er viktig for implementeringen av et nøyaktig respirasjonsutløst paradigme. Derfor er justering av respirationssensoren et viktig skritt i eksperimentoppsett. Figur 3 viser prøver på respirasjonsspor når respirasjonsføleren ble satt feil ( figur 3a ) og riktig ( figur 3b ). Hvis respiraMønster er uregelmessig eller respirationssignalplater, olfaktometeret kan ikke bestemme respirasjonsmønsteret nøyaktig, og luktpresentasjonen kan ikke synkroniseres med individets innånding.
Med et respirasjonsutløst, luktstimuleringsparadigm vil begynnelses- og varighetsvektorer for luktstimuleringen variere mellom fag. For å analysere olfaktoriske fMRI-data kan de faktiske start- og varighetsvektorer bestemmes med ONSET, og fMRI-dataene kan behandles etter standardprosedyrer med disse vektorene. Figur 4 viser et hjerneaktiveringskort for prøven som responderer på respirasjonsutløst luktstimulering behandlet av åpen programvare SPM8 (www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm) med faktiske luktoppstart og varighetsvektorer etter standardbehandlingsprosedyrer. Signifikant luktrelatert aktivering ble oppdaget i den bilaterale primære olfaktoriske cortex, høyre innsideLar cortex, høyre supramarginal / vinkel gyrus, venstre caudat kjerne, og venstre post-sentral / supramarginal gyrus (familievise feilkorrigert, p <0,05, omfangsterskel = 6 voxeller).
Figur 1 : Skjematisk diagram for eksperimentell oppsett. MR-kompatible elementer plassert i magnetrommet er koblet til MR-konsollen og olfaktometerboksen plassert i kontrollrommet gjennom et gjennomtrengingspanel med en bølgeleder i veggen som skiller de to rommene. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 2
Figur 3 : Eksempel på respiratoriske diagrammer. (A) Et eksempel på respirasjonsspor når respirasjonsføleren ikke er riktig satt opp; Åndedrettsmønsteret platå og bli uregelmessig. (B) Et representativt vanlig åndedrettsmønster registrert med en korrekt plassert respirasjonsføler; I dette tilfellet, respiRasjonsmønstre stemmer overens med nivåtopp, og luktlevering kan synkroniseres med innånding. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 4 : Eksempel på hjerneaktiveringskart. Et sunt emne reagerte på respirasjonsutløst lavendel luktsimulering (familievise feilkorrigert, p <0,05, omfangsterskel = 6 voxeller). Signifikant aktivering inkluderer høyre primære olfaktoriske cortex (POC, MNI koordinater x = 20, y = 6, z = -14), venstre POC (x = -22, y = 4, z = -10) 46, y = 20, z = -10), høyre supramarginal / vinkelgyrus (x = 66, y = -48, z = 28), venstre caudatkjerne (x = -14, y = 6, z = 10) Og venstre sentral / supramarginaL gyrus (x = -66, y = -24, z = 20). Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
| odorant | Lukter som | forbindelse | Trigeminal stimulering | Løsemiddel |
| Acetaldehyd 29 | Grønn, søt | Enkel | Nei | Vann |
| Ammoniak 29 | Skarp, renere | Enkel | Ja | Vann |
| Amylacetat 30 | Banan, eple | Enkel | Noen | Vann |
| N-butanol 31,32 | Mindre alkoholholdig Enkel | Nei | Vann | |
| N-butyl acetat 31 | Søt og fruktig | Enkel | Ja | Vann |
| Smørsyre 33 | Sur, rancid | Enkel | Ja | Vann |
| Citral 30,33 | Sitron | Enkel | Noen | Vann |
| Karbondioksid 34,35 | Luktfri | Enkel | Ja | N / A |
| Etylbutyrat 30 | Ananas | Enkel | Ja | Vann |
| Eukalyptol 35 | Eucalyptus | Enkel | Ja | etanol |
| Eugenol 33,36 | Klute, krydret | Enkel | Nei | etanol |
geraniol | Søt rose, blomster | Enkel | Nei | etanol | |
| Hydrosulfonsyre 34,36 | Rotte egg | Enkel | Nei | Vann |
| Lavendel 24,37 | lavendel | Complex | Nei | etanol |
| Menthol 33 | Peppermynte | Enkel | Ja | etanol |
| Metylsalicylat 33 | Vintergrønn mynte | Enkel | Ja | etanol |
| Patchouli 38 | Våt jord | Complex | Ja | etanol |
| 1-propanol 31 | Gni alkohol | Enkel | Ja | etanol |
| Fenetylalkohol 36,39 | Rose | Enkel | No | etanol |
| Rosemary Oil 38 | Rosemary | Complex | Ja | etanol |
| Svoveldioksid 29 | Irriterende, skarp | Enkel | Ja | Vann |
| Valerinsyre 33 | Rancid ost | Enkel | Ja | Vann |
| Vanillin 29 | vanilje | Enkel | Nei | etanol |
| Ylang Ylang 38 | Blomster parfyme | Complex | Ja | etanol |
| *** Se enden av manuskriptet for referanser | ||||
Tabell 1: Vanlige luktemidler som brukes i olfaktoriske fMRI-studier .
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Eksperimentelle prosedyrer bør vurderes nøye og utføres på riktig måte for innsamling av pålitelige lyktige aktiveringsdata. De kritiske trinnene i protokollen inkluderer å implementere et respirasjonsutløst paradigme for å synkronisere luktlevering med bildeoppkjøp, forberede riktige konsentrasjoner av luktemidler for å kontrollere psykofysiske responser, sette opp olfaktometeret med pålitelig stabilt respirationssignal og konstant luftstrøm, og etterbehandling respirasjon Og luktadministrasjonstidsdata ved hjelp av ONSET for å justere luktinduktorer med tilbakemelding. Forstyrrende variabler som vanning, psykofysisk respons og respirasjonsmønstre må tas i betraktning ved utforming av et paradigme og analyse av data. Når et emne blir utsatt for langvarig lukt, reduseres aktiveringen av den primære olfaktoriske cortex innen sekunder av eksponering, noe som gjør det nødvendig å benytte et hendelsesrelatert paradigme med en rekke korte administrasjonerAv luktstoffer. Sniffing bør også overvåkes nøye, da det kan forårsake aktivering i piriform cortex selv uten lukt 8 . Viktigst, åndedrettsvern er en stor confounding variabel hvis den ikke er synkronisert med luktende administrasjon. Vi har vist at synkroniseringen av innånding og luktbetennelse med et respirasjonsutløst paradigme gir mer pålitelig aktivering 15 .
Det vanligste problemet med fri-pustende fMRI-metoden er den dårlige synkroniseringen mellom luktleveransen og innånding, som kan skyldes tre ufullkommenheter i eksperimentelt oppsett. Først og oftest er respirasjonsføleren ikke satt opp riktig. Når brystbelte er for stramt, vil respirasjonssignalet være platå, noe som vil føre til dårlig synkronisering. For det andre er "ventiltidsforsinkelsestiden" ikke godt kalibrert, noe som kan føre til at luktleveransen blir for tidlig eller for sent i respirasjonen cycle. For det tredje er motivets respirasjonsmønster ikke konsekvent etter kalibrering av "ventiltidsforsinkelse" -tid. Derfor er en pre-scan-opplæring for motivet å puste normalt i magneten og en nøye overvåkning av respirasjonsmønsteret under fMRI-skanningen viktig.
Det er viktig å vurdere intensitet, valens og trigeminastimulering ved valg av luktemidler til studien, da disse variablene kan forårsake forskjellige typer psykofysiske responser og tilhørende fMRI-aktivering. For eksempel kan en svak intensitet føre til en tendens til å snuse, mens en sterk intensitet kan forårsake ufrivillig pusteholding eller raskere habituering. Luktintensitet er også vist å være korrelert med aktivering i hjernen 20 . Et alternativt paradigme besto av fire konsentrasjoner lavendel presentert i økende intensitet gjennom hele forsøket, noe som effektivt reduserte habituation 21 . Valensen av en odoraNt aktiverer også ulike regioner i hjernen, som må tas med i betraktning for datatolkning 22 . For eksempel viste en studie divergerende tidsmessige profiler gjennom luktvalens 16 . I tillegg har mange luktemidler varierende grader av trigeminastimulering, som bør vurderes.
Det er viktig å innse at dette friluftsparadigmet ikke nødvendigvis er egnet for alle olfaktoriske fMRI-studier. Det gir bare et eksempel på spesielle hensyn som er viktige for olfaktoriske fMRI-studier. Det er også viktig å merke seg at de eksperimentelle prosedyrene som er vist i denne rapporten, ikke er spesifikke for olfaktometeret som brukes. Dette utstyret kan erstattes med ethvert olfaktometer med lignende egenskaper. For eksempel må olfaktometeret ha respirasjonsovervåking, samt evnen til å utføre et respirasjonsutløst paradigme med flere luktkilder. additionaLly, mens dette eksperimentet ble presentert ved lavendel, kan andre luktemidler bli erstattet av etterforskeren, selv om det er viktig å minimere forvirrende variabler som trigeminastimulering og luktkonsentrasjon.
Denne fri-pustende fMRI-metoden tar sikte på å fjerne forkjøling av det sentrale luktfylte systemet og redusere inkonsistensen blant repeterende hendelser for luktstimulering. Forkondisjoneringen av det sentrale olfaktoriske systemet kan variere fra fag til emne, noe som kan forårsake variasjoner i aktivering i de primære lyktstrukturer. Konsistensen av de gjentatte hendelsene, for eksempel luktstimulerende til å utløse aktiveringen av sentrale lyktesystem, er avgjørende for vellykket utførelse av hendelsesrelaterte fMRI-protokoller. I tillegg, med fri-pusteteknikken, kan det ikke være tegn eller oppgaver for fagene under utførelsen av olfaktoriske fMRI-paradigmer. Som det krever minimal innsats fra motivet under funksjonellDatainnsamling, kan det bli et verdifullt verktøy for å studere olfaktoriske underskudd i noen populære neurodegenerative lidelser og sykdommer, for eksempel Alzheimers sykdom.
Nylige studier har brukt olfaktorisk fMRI for å undersøke hjernens aktiveringsmønstre i neurodegenerative lidelser. Olfaktoriske underskudd i nevrodegenerative forstyrrelser, spesielt Alzheimers sykdom og Parkinsons sykdom, inkluderer vanskeligheter med luktdeteksjon, anerkjennelse og identifikasjon 3 , 23 . Imidlertid, mens olfaktoriske underskudd er en tydelig indikator i de tidligste stadier av sykdomsutbrudd, går tap av luktfunksjon ofte ubemerket eller tilskrives normal aldersrelatert tilbakegang 1 , 23 . Derfor er det viktig å undersøke de forskjellige aktiveringsmønstrene som er forbundet med olfaktorisk dysfunksjon i slike sykdommer for bedre å diagnostisere tHem tidlig. I Alzheimers sykdom reduseres aktiveringsmønstrene betydelig i den primære olfaktoriske cortexen, i tillegg til hippocampus og insula sammenlignet med sunne, aldersbestemte kontroller 24 . I tillegg har forskere funnet at hos pasienter med Parkinsons sykdom, viser amygdala og talamus mindre aktivering enn i friske kontroller, mens høyere aktivering er sett på områder som venstre underverdige frontal gyrus sammenlignet med kontroller 2 . Ytterligere studier viser hyperaktivisering i piriform og orbitofrontale kortikaler hos pasienter med Parkinsons sykdom 25 . Slike tydelige aktiveringsmønstre synes å strekke seg utover strukturell patologi, og dermed bevise viktigheten av funksjonell datainnsamling i forståelse og diagnostisering av neurodegenerative forstyrrelser og nødvendighet av innovasjoner i nøyaktigheten og sensitiviteten til olfaktorisk fMRI.
Av denne grunn, videre stuDør på det menneskelige olfaktoriske systemet med fMRI kan ha potensial for å utvikle en biomarkør for tidlig diagnose for neurodegenerative sykdommer. Faktisk utvikler studier allerede, inkludert demonstrasjon av følsomhet over aktiveringsnivåer mellom normal aldring og Alzheimers sykdom hos pasienter 24 , 26 . En slik studie viste at ødeleggelse av det neurale nettverket ofte er detekterbart selv før kognitive underskudd presenterer seg i noen neurodegenerative sykdommer 27 . Dette fremhever videre betydningen av olfaktorisk fMRI-undersøkelse som et potensielt verktøy for tidligere diagnostisering av slike sykdommer. Bevis foreslår også at det eksisterer store olfaktoriske nettverksforandringer i Alzheimers sykdom i tillegg til endringene som er sett i spesifikke olfaktoriske regioner, understreker viktigheten av videre undersøkelse av funksjonell tilkobling av olfaction 28 . SensDetektiviteten av olfaktoriske aktiveringsnivåer som biomarkør er avhengig av følsomhet for luktstimulering og eksperimentell reproduserbarhet, som fremhever betydningen av pålitelighet ved kartlegging av det olfaktoriske systemet. Samlet sett gir eksemplet som presenteres i dette papiret et glimt av måtene som olfaktorisk fMRI effektivt kan brukes til å forstå kompleksiteten til det sentrale luktetiske systemet og den kliniske betydningen av denne forståelsen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har ingenting å avsløre.
Acknowledgments
Forfatterne har ingen bekreftelser.
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 |
References
- 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).
- Hummel, T., et al. Olfactory FMRI in patients with Parkinson's disease. Front Integr Neurosci. 4, 125 (2010).
- 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).
- 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).
- Vasterling, J. J., Brailey, K., Sutker, P. B. Olfactory identification in combat-related posttraumatic stress disorder. J Trauma Stress. 13 (2), 241-253 (2000).
- Anderson, A. K., et al. Dissociated neural representations of intensity and valence in human olfaction. Nat Neurosci. 6 (2), 196-202 (2003).
- 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).
- Sobel, N., et al. Sniffing and smelling: separate subsystems in the human olfactory cortex. Nature. 392 (6673), 282-286 (1998).
- 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).
- 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).
- Boley, J. C., Pontier, J. P., Smith, S., Fulbright, M. Facial changes in extraction and nonextraction patients. Angle Orthod. 68 (6), 539-546 (1998).
- Furman, J. M., Koizuka, I. Reorientation of poststimulus nystagmus in tilted humans. J Vestib Res. 4 (6), 421-428 (1994).
- Loevner, L. A., Yousem, D. M. Overlooked metastatic lesions of the occipital condyle: a missed case treasure trove. Radiographics. 17 (5), 1111-1121 (1997).
- 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).
- Wang, J., Sun, X., Yang, Q. X. Methods for olfactory fMRI studies: Implication of respiration. Hum Brain Mapp. 35 (8), 3616-3624 (2014).
- 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).
- 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).
- Wang, J., et al. Olfactory Habituation in the Human Brain. Proc Intl Soc Mag Res Med. 20, 2150 (2012).
- Grunfeld, R., et al. The responsiveness of fMRI signal to odor concentration). Proc. 27th Annual Meeting ACHEMS, , A237-A238 (2005).
- Jia, H., et al. Functional MRI of the olfactory system in conscious dogs. PLoS One. 9 (1), e86362 (2014).
- 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).
- Royet, J. P., et al. Functional neuroanatomy of different olfactory judgments. Neuroimage. 13 (3), 506-519 (2001).
- Doty, R. L. Influence of age and age-related diseases on olfactory function. Ann N Y Acad Sci. 561, 76-86 (1989).
- Wang, J., et al. Olfactory deficit detected by fMRI in early Alzheimer's disease. Brain Res. 1357, 184-194 (2010).
- Moessnang, C., et al. Altered activation patterns within the olfactory network in Parkinson's disease. Cereb Cortex. 21 (6), 1246-1253 (2011).
- Vasavada, M. M., et al. Olfactory cortex degeneration in Alzheimer's disease and mild cognitive impairment. J Alzheimers Dis. 45 (3), 947-958 (2015).
- 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).
- 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).
- Hummel, T., Kobal, G. Differences in human evoked potentials related to olfactory or trigeminal chemosensory activation. Electroen Clin Neuro. 84 (1), 84-89 (1992).
- 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).
- Cain, W. S. Contribution of the trigeminal nerve to perceived odor magnitude. Ann NY Acad Sci. 237, 28-34 (1974).
- 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).
- 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).
- Kobal, G., Hummel, T. Olfactory and intranasal trigeminal event-related potentials in anosmic patients. Laryngoscope. 108 (7), 1033-1035 (1998).
- 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).
- Yousem, D. M., et al. Gender effects on odor-stimulated functional magnetic resonance imaging. Brain Res. 818 (2), 480-487 (1999).
- Koulivand, P. H., Ghadiri, M. K., Gorji, A.
- Yousem, D. M., et al. Functional MR imaging during odor stimulation: Preliminary data. Neuroradiology. 204 (3), 833-838 (1997).
- Hummel, T., Doty, R. L., Yousem, D. M. Functional MRI of intranasal chemosensory trigeminal activation. Chem Senses. 30 (suppl. 1), i205-i206 (2005).
