Summary
Wij presenteren de technische uitdagingen en oplossingen voor het verkrijgen van betrouwbare functionele magnetische resonantiebeeldvorming (fMRI) data van het menselijke centrale olfactorische systeem. Dit omvat speciale overwegingen in het olfactorisch fMRI-paradigma-ontwerp, beschrijvingen van fMRI-dataverzameling met een MRI-compatibele olfactometer, geurverdeling en een speciaal softwareprogramma voor data post-processing.
Abstract
De studie van menselijke vervloeking is een zeer complex en waardevol gebied met toepassingen, variërend van biomedisch onderzoek naar klinische evaluatie. Momenteel is evaluatie van de functies van het menselijke centrale olfactorische systeem met functionele magnetische resonantiebeeldvorming (fMRI) nog steeds een uitdaging vanwege technische problemen. Er zijn enkele significante variabelen om rekening te houden bij het overwegen van een effectieve methode voor het in kaart brengen van de functie van het centrale olfactorische systeem met behulp van fMRI, met inbegrip van de juiste reukstofselectie, de interactie tussen geurpresentatie en ademhaling, en mogelijke anticipatie of aanpassing aan geurstoffen. Een gebeurtenisgerelateerde, respiratie-geactiveerde olfactieve fMRI-techniek kan geurstoffen nauwkeurig aansturen om het olfactorische systeem te stimuleren, terwijl potentiële interferentie wordt beperkt. Het kan effectief vastleggen van de precieze aanvang van fMRI signalen in de primaire olfactieve cortex met behulp van onze data post-processing methode. De techniek voorafHier verzonden, biedt een efficiënte en praktische manier om betrouwbare olfactieve fMRI resultaten te genereren. Zo'n techniek kan uiteindelijk in het klinische rijk worden toegepast als een diagnostisch hulpmiddel voor ziektes die verband houden met olfactieve degeneratie, met inbegrip van de ziekte van Alzheimer en Parkinson, als we de complexiteit van het menselijke olfactorische systeem verder begrijpen.
Introduction
Het menselijke olfactorische systeem wordt veel meer begrepen dan een zintuiglijk systeem, omdat olfaction ook een belangrijke rol speelt bij homeostatische regulering en emoties. Klinisch is het menselijk olfactorische systeem bekend om kwetsbaar te zijn tegen aanvallen van veel voorkomende neurologische ziekten en psychiatrische stoornissen, zoals de ziekte van Alzheimer, de ziekte van Parkinson, posttraumatische stressstoornis en depressie 1 , 2 , 3 , 4 , 5 . Momenteel is functionele magnetische resonantiebeeldvorming (fMRI) met bloed-zuurstofgehaltenafhankelijk (BOLD) contrast de meest waardevolle techniek voor het mappen van functies van het menselijke brein. Een aanzienlijke hoeveelheid kennis over specifieke functies van centrale olfactorische structuren ( bijv . Piriforme cortex, orbitofrontale cortex, amygdala en insulaire cortex) is verkregen met deze techniekIque 6 , 7 , 8 , 9 , 10 .
De toepassing van fMRI op studies van het menselijke centrale olfactorische systeem en bijbehorende aandoeningen is echter belemmerd door twee belangrijke obstakels: snelle aanwending van het BOLD signaal en variabele modulatie door ademhaling. In het dagelijks leven, wanneer we gedurende een bepaalde tijd aan een geurstof blootgesteld worden, raken we snel aan de geur. In feite, wanneer het met behulp van olfactief fMRI wordt bestudeerd, wordt het geurgeïnduceerde fMRI-signaal snel verzwakt door habituation, wat een uitdaging vormt voor de ontwerpen van stimulatieparadigma 8 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 . Het eerste significante BOLD-signaal in de primaire olfactieve cortex blijft alleen bestaanS enkele seconden na het ontstaan van de geur. Daarom moeten olfactieve fMRI-paradigma's langdurige of frequente geurstimulaties in een korte periode vermijden. Om het wervingseffect te verminderen, hebben sommige studies geprobeerd alternerende geuren in een fMRI-paradigma te presenteren. Deze aanpak kan echter data-analyse compliceren, aangezien elke geurstof als een onafhankelijke stimulatie-gebeurtenis kan worden behandeld.
Een ander technisch probleem is ontstaan met variabiliteit in de ademhalingspatronen van proefpersonen; Inhalatie synchroniseert niet altijd met geuradministratie tijdens een fixed-timing paradigma. Het begin en de duur van de olfactorische stimulatie worden gemoduleerd door de ademhaling van elke individu, waardoor fMRI-data kwaliteit en analyse wordt verstoord. Sommige studies hebben geprobeerd dit probleem te verminderen met visuele of auditieve signalen om het adem- en geurend begin te synchroniseren, maar de naleving van de onderwerpen is variabel, vooral in de klinische populatie. De hersenactivaties geassocieerd met wiDeze cues kunnen ook data-analyse compliceren in bepaalde toepassingen. Zodoende kan synchronisatie van inhalatie met geurstoflevering cruciaal zijn voor olfactieve fMRI studies 15 .
Een extra overweging die essentieel is voor olfactorische fMRI, in het bijzonder in het data-analyseproces, is de selectie van geurstoffen. Het vinden van een passende geurstofconcentratie met betrekking tot de waargenomen intensiteit is belangrijk voor kwantificering en vergelijking van activeringsniveaus in de hersenen onder verschillende experimentele aandoeningen of ziekten. De selectie van geurstoffen moet ook rekening houden met geurvalentie of aangename smaak. Dit is bekend dat divergente temporale profielen in olfactisch leren 16 , 17 veroorzaken . Lavendelgeur is voor deze reden voor deze demonstratie gekozen. Afhankelijk van het doel van een specifieke studie kunnen verschillende geurstoffen betere keuzes zijn. Bovendien moet trigeminale stimulatie minimaal worden verminderdE-activering niet direct verband houdend met olfaction 18 .
In dit rapport demonstreert we een fMRI techniek om een respiratie-triggered paradigma op te zetten en uit te voeren met behulp van een olfactometer in de magnetische resonantie omgeving. We presenteren ook een postverwerkingshulpmiddel dat bepaalde timingfouten kan verminderen die zich tijdens de acquisitie kunnen voordoen in een poging om de data-analyse verder te verbeteren.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Het volgende experimentele protocol volgde de richtlijnen van de Institutional Review Board van de Pennsylvania State University College of Medicine, en het menselijk subject gaf schriftelijk geïnformeerde toestemming voor deelname aan de studie.
Opmerking: Voor het demonstratieproces wordt een simpel geurstimulatieparadigma gegeven met behulp van een in de handel verkrijgbare, MRI-compatibele olfactometer. Dit paradigma heeft bewezen effectief in het verminderen van het habituation effect en heeft betrouwbare olfactorische fMRI data 15 geproduceerd. Bepaalde stappen die in dit protocol zijn beschreven, kunnen specifiek zijn voor het gebruikte type olfactometer. Echter, elk type uitrusting, zelfgemaakt of in de handel verkrijgbaar met vergelijkbare mogelijkheden, kan op analoge wijze worden gebruikt. De olfactometer moet in staat zijn om respiratie te controleren en een reeks geurstoffen te presenteren met precieze timing. Zorg ervoor dat het gehele geurafgifte systeem (inclusief deOlfactometer) is gebouwd met materialen die niet geschikt zijn voor geurstoffen ( bijv . Glas en polytetrafluorethyleen), en de geurweg is glad en luchtdicht met minimale dode ruimte.
1. Paradigm Design
- Maak een nieuw paradigma door de luchtstroomklepvolgorde op te geven op een programmeerbare olfactometer.
OPMERKING: De klepvolgorde is de volgorde en het tijdstip van het openen en sluiten van specifieke luchtkanalen die verschillende concentraties of soorten geurstoffen bevatten. In deze demonstratie werden elk van de kleppen voor de zes kanalen twee keer geopend voor in totaal twaalf geurafleveringen. Wanneer er één ventiel was geopend, werden alle andere ventielen gesloten, en elke klep werd pas opnieuw geopend nadat alle andere ventielen al een keer geopend waren.- Wijs de duur van de stimulus toe (de opening van een specifiek kanaal) en de duur van het te sluiten kanaal.
OPMERKING: In deze demonstratie was de duur van de geurpresentatie 6 s, terwijlDe duur van de te sluiten kanalen varieerde van 22 s tot 38 s. - Stel het aantal herhalingen voor de volgorde van de klep open en sluit. Hier is het aantal herhalingen 1.
- Interleave elke geurend presentatie met een presentatie van geurloze lucht bij dezelfde doorstroming. Geef bijvoorbeeld de luchtstroom naar het onderwerp met of zonder geur bij een stromingssnelheid van 6 L / min in 50% relatieve luchtvochtigheid en kamertemperatuur bij 22 ° C.
OPMERKING: Dit is belangrijk, aangezien variaties in de luchtstroom tactiele sensatie kunnen veroorzaken.
- Wijs de duur van de stimulus toe (de opening van een specifiek kanaal) en de duur van het te sluiten kanaal.
2. Reukstofbereiding
- Kies een juiste geurstof voor het geurstimulatieparadigma door de geurvalentie, aangenaamheid, intensiteit, vertrouwdheid en trigeminale component te overwegen (zie tabel 1 ).
Opmerking: Tabel 1 bevat een lijst van veelgebruikte geurstoffen. Lavendelgeur is gekozen voor deze demonstratie omdat het minimale trigeminale stimulatie bij lage tot matige co heeftNcentraties en wordt algemeen beschouwd als aangenaam en bekend. - Kies een goed oplosmiddel ( bijvoorbeeld water, minerale olie, 1,2-propandiol, ethanol) om de geuroplossingen op te stellen.
OPMERKING: Hier werd 1,2-propandiol gebruikt als oplosmiddel voor het bereiden van de reukstofoplossing. - Kies een juiste geurconcentratie voor het geurstimulatieparadigma. Bijvoorbeeld verdunde lavendelolie in 1,2-propandiol bij 0,10% (volume / volume) concentratie voor de olfactorische stimulatie 19 .
OPMERKING: dit kan gedaan worden door een psychofysische evaluatie van een reeks verschillende concentraties door een groep normale personen. - Zet de juiste geuroplossingen in de geurhouders. Zorg ervoor dat alle containers dezelfde hoeveelheid ruimte, dezelfde hoeveelheid oplossing en hetzelfde oppervlak hebben voor de oplossing. Gebruik bijvoorbeeld zes glazen flessen van 300 ml, aangezien de geurhouderscontainers met elke fles 50 ml 0,10% lavendelolieoplossing bevatten.
- Verbind eenBreng de geurstoffen naar de juiste kanalen voor geurafgifte.
3. Olfactometer Set-up
- Controleer de aansluitingen om ervoor te zorgen dat alle geurcontainers goed op de geurdrager zijn bevestigd. Overtrekken niet, omdat dit de afdichting kan beschadigen. De juiste strakheid wordt in een later stap verzekerd door de luchtstroom door elke geurhouder te controleren.
- Plaats de geurdrager in de magneetkamer en sluit elke buis aan op de olfactometer buiten de kamer, aangezien de hoofdunit niet MR-compatibel is. Controleer visueel op eventuele kinks in de buis, omdat dit de luchtstroom beïnvloedt. De luchtstroom van elk kanaal wordt in een later stap gecontroleerd.
- Sluit alle buizen van de olfactometer veilig aan op de geurdrager door de nummers op de juiste poorten te koppelen. Voor nauwkeurigheid, kleur-code de buizen, zo dat roze voor kanaal 1, blauw voor kanaal 2, enz .
- Zorg ervoor dat de luchtstroom door alle kanalen consistent is door een stroom te bevestigenMeter naar het uitgangseinde van de buis. Handmatig open elk kanaal op het bedieningspaneel van de olfactometer, stel de totale luchtstroom evenals de stromingssnelheden van elk kanaal en de spoellijn aan totdat de stromingssnelheid van elk kanaal consistent is.
- Sluit het gezichtsmasker of neusstuk aan op de geurdrager met polytetrafluorethyleen (PTFE) buis. Zorg ervoor dat de luchtstroom ( bijv . 6 L / min) die aan het onderwerp wordt geleverd, consistent is als de kanalen worden geschakeld.
- Sluit de radiofrequentie-trigger van het MRI-systeem aan op de "trigger in" -poort op de olfactometer om het geurstimulatieparadigma en fMRI-beeldverzameling te synchroniseren. Er kan een optische-elektrische signaalomvormer nodig zijn.
- Pas de totale luchtstroom en de stromingssnelheden voor elk kanaal en de spoellijn aan op de ontworpen hoeveelheden. Bijvoorbeeld, een totale luchtstroom van 6 L / min en de stromingssnelheden voor elk kanaal en de spoellijn om 3 L / min te zijn.
- Verbind de pneumatische respiratoire sensoDe riem naar de reactiepoort van de olfactometer via de pneumatisch-elektrische signaalomvormer.
- Als er een subjectieve reactie nodig is, sluit u de pneumatische responspaneel aan op de responspoort van de olfactometer via de pneumatische-elektrische signaalomvormer.
4. Experimentele procedure
- Voer een pre-screening uit om ervoor te zorgen dat de MRI-procedure veilig is voor het onderwerp.
- Stel het onderwerp in over de medische geschiedenis, inclusief potentiële implantaten, claustrofobie of andere voorafgaande toestanden die het onderwerp kunnen beïnvloeden om veilig deel te nemen aan het fMRI-onderzoek. Voer ook een geurdrempel test uit van de geurstoffen om ervoor te zorgen dat het onderwerp de geurstoffen kan ruiken tijdens het experiment.
- Laat het onderwerp liggend liggen op het MRI-onderzoeksbed. Plaats het gezichtsmasker of neusstuk goed op het onderwerp om ervoor te zorgen dat de lucht in de neusvleugels blaast. Plaats de respiratoire sensor op ofwel tHij borst of buik. Vraag het onderwerp om normaal te ademen. Handmatig aanpassen van de dichtheid en plaatsing van de riem die de ademhalingssensor houdt volgens het respiratiepatroon dat op het olfactometer wordt weergegeven.
- Maak een gegevensmap om de ademhalingsgegevens in de olfactometer op te nemen. Klik op 'bestandsmanager', voer het vaknummer in dat is toegewezen aan het huidige onderwerp en bevestig vervolgens de invoer.
- Gebruik de optie "paradigmekontrole" om de synchronisatie van geurafgifte en inhalatie te testen zonder de stimulusafgifte te betrekken, en indien nodig handmatig de "ventielvertragingstijd" aanpassen om ervoor te zorgen dat de aanvang van de geurafgifte wordt gesynchroniseerd met de inademingsfase van het vak.
- Stel de synchronisatie tussen geurstimulatie en fMRI-beeldverzameling in door de "trigg-in" -modus op de besturingseenheid van de olfactometer te selecteren.
Opmerking: hiermee kan het geurstimulatieparadigma worden gestart met een externe trigger over de "; Trigger in "poort afkomstig van het MRI-systeem. Zo wordt het paradigma niet uitgevoerd totdat de externe trigger van de scanner is ontvangen. Let op wat voor soort triggerpuls (elektrisch of licht) dat de MRI-scanner uitstuurt. Er kan een signaalomvormer nodig zijn om de twee systemen te verbinden. - Activeer de ademhalingstoevoer door "resp. Start" te selecteren op de bedieningseenheid van de olfactometer.
Opmerking: wanneer het geactiveerd wordt, wordt het begin van elk paradigma sequentie-element gesynchroniseerd met inhalatie. Dit kan empirisch worden bereikt door de geurafgifte ongeveer half de helft van een ademhalingscyclus te verlaten vanaf het begin van de uitademingsfase. - Start de fMRI-beeldverwerving op de MRI-console; Het geur stimulatie paradigma begint zodra de opname van het beeld begint. Bewaar het ademhalingpatroon voor elke onregelmatige ademhalingsactiviteit.
Opmerking: Onregelmatige ademhalingsactiviteiten kunnen in de vorm van plateaus, bredere en langere cycli zijn, ofWisselvallige golven. Hierbij werd een BOLD-signaalgevoelige T 2 * -gewogen echo-planaire sequentie gebruikt voor fMRI-beeldverzameling met 2000 ms herhalingstijd, 30 ms echortijd, 90 ° fliphoek, 220 mm × 220 mm gezichtsveld, 80 × 80 acquisitiematrix, 30 4 mm dikke axiale plakjes en versnellingsfactor 2 voor geïntegreerde parallelle beeldtechnieken. - Bij het afronden van het beeldprotocol, verplaats het onderwerp uit de magneet en verwijder het gezichtsmasker / neusstuk.
5. Olfactometer Clean-up
- Zet de luchtpomp uit. Verwijder de geurhoudercontainers van de geurdrager en vervang deze met schone, lege.
- Zet de luchtpomp aan. Spoel elk kanaal met geurloze lucht gedurende 5 minuten om resterende geurstoffen in de luchtlijn te verwijderen.
- Schakel de olfactometer uit.
- Desinfecteer het neusstuk of het gezichtsmasker met alcoholdoekjes. Spoel het gezichtsmasker of neusstuk met warm water en dan luchtdroog. 6. Data-analyse
- Om de gegevens te verwerken, laad u het respiratiedatabestand in op de open source software Olfactory Network Stimulation Editing Tool (ONSET) (www.pennstatehershey.org/web/nmrlab/resources/software/onset) 15
Opmerking: De ONSET software is ontwikkeld door Xiaoyu Sun. Begin van geurstimulatie op basis van het timing van het paradigma- en ademhalingspoor wordt automatisch gedetecteerd. De werkelijke stimulatievector wordt gedefinieerd als de starttijd van elke effectieve inhalatie tijdens de toediening van de geur.- Meet en vergelijk de ademhalingssnelheid en het volume (het gebied onder elk inhalatie- en uitademingsfasepaar) tussen geur- en geurloze perioden 15 .
OPMERKING: Er moet geen significant verschil zijn in deze ademhalingsparameters tussen de geur- en geurloze perioden. - Verwerk de fMRI-gegevens met de werkelijke aanvangs- en duurvectoren van ONSET voor de activering van de centrale olfacSysteem 15 .
- Meet en vergelijk de ademhalingssnelheid en het volume (het gebied onder elk inhalatie- en uitademingsfasepaar) tussen geur- en geurloze perioden 15 .
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Figuur 1 toont de opstelling van olfactorische fMRI binnen en buiten de magneetkamer, rekening houdend met MR-compatibiliteit. Figuur 2a toont een standaard fix-timing paradigma, terwijl Figuur 2b een paradigma demonstreert waarbij de "respiratier trigger" de synchronisatie van geurafgifte en inhalatie mogelijk maakt.
Een regelmatig ademhalingspatroon met duidelijke inhalatiepieken is essentieel voor de implementatie van een accuraat ademhaling-triggered paradigma. Zo is de aanpassing van de ademhalingssensor een belangrijke stap in de experimentopstelling. Figuur 3 laat de ademhalingssporen zien wanneer de ademhalingssensor onjuist is ingesteld ( figuur 3a ) en correct ( figuur 3b ). Als de respiraHet patronenpatroon is onregelmatig of de ademhalingsignaalplaten. De olfactometer kan het adempatroon niet accuraat bepalen en de geurpresentatie kan niet worden gesynchroniseerd met de inademing van het vak.
Met een ademhaling geactiveerd, geur stimulatie paradigma, de begin- en duur vectoren voor de geur stimulatie zullen variëren tussen onderwerpen. Om olfactieve fMRI data te analyseren, kunnen de werkelijke begin- en duur vectoren worden bepaald met ONSET, en de fMRI data kunnen worden verwerkt volgens standaard procedures met deze vectoren. Figuur 4 toont een monsterbreuk activatie kaart die reageert op respiratie-geactiveerde geurstimulatie die wordt verwerkt door open source software SPM8 (www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm) met werkelijke geur aanvang en duur vectoren volgens standaard verwerkingsprocedures. Significante geur-gerelateerde activatie werd gedetecteerd in de bilaterale primaire olfactieve cortex, rechtsinzichtLar cortex, rechter supramarginale / hoekige gyrus, linker caudaatkern, en linkse postcentrale / supramarginale gyrus (familiewijze fout gecorrigeerd, p <0,05, omvang drempel = 6 voxels).
Figuur 1 : Schematisch diagram voor experimentele opstelling. MRI-compatibele elementen die in de magneetkamer zijn geplaatst, worden aangesloten op de MRI-console en de olfactometerbox die in de controlekamer wordt gehuisvest door middel van een penetratiepaneel met een golfgeleider in de wand die de twee kamers scheidt. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 2
Figuur 3 : Aanduiding van de luchtwegen. (A) Een voorbeeld ademhalingsspoor wanneer de ademhalingssensor niet correct is ingesteld; Het ademhaling patronen plateau en worden onregelmatig. (B) een representatief regelmatig ademhalingspatroon dat is opgenomen met een correcte respiratiesensor; In dit geval de respiRantsoenpatronen zijn consistent met niveauspieken, en geurafgifte kan met inhalatie worden gesynchroniseerd. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 4 : Voorbeeld van de hersenen activatie kaart. Een gezond vak reageerde op ademhaling geactiveerde lavendel geur simulatie (gezinswijzige fout gecorrigeerd, p <0,05, omvang drempel = 6 voxels). Significante activatie omvat de rechter primaire olfactieve cortex (POC, MNI coördinaten x = 20, y = 6, z = -14), POC (x = -22, y = 4, z = -10) 46, y = 20, z = -10), rechter supramarginale / hoekige gyrus (x = 66, y = -48, z = 28), linker caudaatkern (x = -14, y = 6, z = 10) En links postcentraal / supramarginaL gyrus (x = -66, y = -24, z = 20). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
| geurstof | Ruikt naar | samenstelling | Trigeminale stimulatie | solvent |
| Acetaldehyde 29 | Groen, lief | Eenvoudig | Nee | Water |
| Ammoniak 29 | Scherp, schonere | Eenvoudig | Ja | Water |
| Amylacetaat 30 | Banaan, appel | Eenvoudig | Sommige | Water |
| N-Butanol 31,32 | Mild alcoholisch Eenvoudig | Nee | Water | |
| N-Butylacetaat 31 | Zoet en fruitig | Eenvoudig | Ja | Water |
| Boterzuur 33 | Zuur, rancid | Eenvoudig | Ja | Water |
| Citral 30,33 | Citroen | Eenvoudig | Sommige | Water |
| Koolstofdioxide 34,35 | Geurloos | Eenvoudig | Ja | N / A |
| Ethyl Butyraat 30 | Ananas | Eenvoudig | Ja | Water |
| Eucalyptol 35 | Eucalyptus | Eenvoudig | Ja | ethanol |
| Eugenol 33,36 | Kruid, Pittig | Eenvoudig | Nee | ethanol |
geraniol | Zoete roos, bloemen | Eenvoudig | Nee | ethanol | |
| Hydrosulfaatzuur 34,36 | Rotte eieren | Eenvoudig | Nee | Water |
| Lavendel 24,37 | Lavendel | Complex | Nee | ethanol |
| Menthol 33 | Pepermunt | Eenvoudig | Ja | ethanol |
| Methylsalicylaat 33 | Wintergroene munt | Eenvoudig | Ja | ethanol |
| Patchouli 38 | Natte aarde | Complex | Ja | ethanol |
| 1-Propanol 31 | Wrijven van alcohol | Eenvoudig | Ja | ethanol |
| Phenethylalcohol 36,39 | Roos | Eenvoudig | NO | ethanol |
| Rosemary Oil 38 | rosmarijn | Complex | Ja | ethanol |
| Zwaveldioxide 29 | Irriterend, scherp | Eenvoudig | Ja | Water |
| Valerinezuur 33 | Rancid kaas | Eenvoudig | Ja | Water |
| Vanilline 29 | Vanille | Eenvoudig | Nee | ethanol |
| Ylang Ylang 38 | Bloemenparfum | Complex | Ja | ethanol |
| *** Zie het einde van het manuscript voor referenties | ||||
Tabel 1: Gewone geurstoffen die worden gebruikt bij olfactieve fMRI studies .
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Experimentele procedures dienen zorgvuldig te worden overwogen en correct uitgevoerd te worden voor het verzamelen van betrouwbare, activeringsactivering data. De kritieke stappen in het protocol omvatten het implementeren van een ademhaling-triggered paradigma om de geurafgifte te synchroniseren met beeldverwerving, de juiste concentraties geurstoffen op te stellen om psychofysische reacties te regelen, de olfactometer op te zetten met een betrouwbaar stabiel ademhalingssignaal en een constante luchtstroom, en respiratie na verwerking En geuradministratie timing data met behulp van ONSET om de geurinzetvectoren terugwerkend aan te passen. Confounding variabelen zoals werving, psychofysische respons en respiratiepatronen moeten in aanmerking worden genomen bij het ontwerpen van een paradigma en analyseren van gegevens. Wanneer een onderwerp blootgesteld wordt aan langdurige geur, neemt de activering van de primaire olfactieve cortex af binnen enkele seconden van de blootstelling, waardoor het nodig is een gebeurtenisgerelateerd paradigma te gebruiken met een reeks korte toedieningenVan geurstoffen. Sniffing dient ook nauwlettend te worden gecontroleerd, aangezien het in de piriform cortex zelfs zonder geur 8 kan activeren. Belangrijker nog, ademhaling is een belangrijke confounding variabele als het niet gesynchroniseerd is met geuradministratie. We hebben aangetoond dat de synchronisatie van inhalatie en geur aanvang met een ademhaling geactiveerd paradigma meer betrouwbare activatie 15 veroorzaakt .
Het meest voorkomende probleem met de vrije ademhaling fMRI methode is de slechte synchronisatie tussen de gebeurtenis van geurafgifte en inhalatie, die kan worden veroorzaakt door drie onvolkomenheden bij experimentele opstelling. Eerst en meestal is de ademhalingssensor niet goed ingesteld. Als de borstband te strak is, zal het ademhaling signaal platauven, wat slechte synchronisatie zal veroorzaken. Ten tweede is de "klepvertragingstijd" niet goed gekalibreerd, waardoor de geurafgifte te vroeg of te laat in de ademhalingscyclus kan zijncle. Ten derde is het adempatroon van het vak niet consistent na de kalibrering van de "klepvertragingstijd". Zo is een pre-scan training voor het onderwerp dat normaal in de magneet ademt en een nauwkeurige controle van het adempatroon tijdens de fMRI scan belangrijk.
Het is belangrijk om de intensiteit, valentie en trigeminale stimulatie te overwegen bij het selecteren van geurstoffen voor de studie, aangezien deze variabelen verschillende vormen van psychofysische reacties en geassocieerde fMRI-activering kunnen veroorzaken. Bijvoorbeeld, een zwakke intensiteit kan leiden tot een neiging om te snuiven, terwijl een sterke intensiteit kan leiden tot onvrijwillige ademhaling of sneller wabituatie. Geurintensiteit blijkt ook te zijn gecorreleerd met activatie in de hersenen 20 . Een alternatief paradigma bestond uit vier concentraties lavendel gepresenteerd in toenemende intensiteit gedurende het experiment, waardoor de wabituatie daadwerkelijk verminderde 21 . De valentie van een odoraNt activeert ook verschillende gebieden van de hersenen, die bij de interpretatie van gegevens 22 in aanmerking moeten worden genomen. Bijvoorbeeld, één studie demonstreerde divergente temporale profielen door geurvalentie 16 . Daarnaast hebben veel geurstoffen verschillende mate van trigeminale stimulatie, die overwogen moet worden.
Het is belangrijk om te erkennen dat dit vrije ademhaling paradigma niet per se geschikt is voor alle olfactieve fMRI studies. Het geeft slechts een voorbeeld voor speciale overwegingen die belangrijk zijn voor olfactieve fMRI studies. Het is ook belangrijk om op te merken dat de experimentele procedures die in dit rapport zijn aangetoond, niet specifiek zijn voor de gebruikte olfactometer. Deze apparatuur kan worden vervangen door elke olfactometer met vergelijkbare mogelijkheden. Bijvoorbeeld, de olfactometer moet respiratie-monitoring mogelijkheden hebben, evenals het vermogen om een ademhaling geactiveerd paradigma uit te voeren met meerdere geurbronnen. additionaLly, terwijl dit experiment werd gepresenteerd met lavendel, kunnen andere geurstoffen worden gesubstitueerd door de onderzoeker, hoewel het belangrijk is om confounderende variabelen te beperken, zoals trigeminale stimulatie en geurstofconcentratie.
Deze free-breathing fMRI-methode heeft tot doel de preconditioning van het centrale olfactorische systeem te verwijderen en de inconsistentie tussen herhaalde gebeurtenissen van geurstimulatie te verminderen. De preconditioning van het centrale olfactorische systeem kan variëren van subject tot onderwerp, wat kan leiden tot variaties van activatie in de primaire olfactorische structuren. De consistentie van de herhalende gebeurtenissen, bijvoorbeeld geurstimulaties om de activering van het centrale olfactorische systeem te activeren, is cruciaal voor de succesvolle uitvoering van gebeurtenisgerelateerde fMRI-protocollen. Daarnaast kunnen bij de uitvoering van olfactorische fMRI-paradigma's bij de vrije ademhalingstechniek geen aanwijzingen of taken zijn voor de onderwerpen. Omdat het minimale inspanning vereist tijdens het functionerenData-acquisitie kan het een waardevol instrument worden om de olfactieve tekorten in sommige populaire neurodegeneratieve stoornissen en ziekten, bijvoorbeeld de ziekte van Alzheimer, te bestuderen.
Recente studies hebben olfactorische fMRI gebruikt om de hersenactiveringspatronen in neurodegeneratieve aandoeningen te onderzoeken. Olfactieve tekorten in neurodegeneratieve stoornissen, met name de ziekte van Alzheimer en de ziekte van Parkinson, omvatten moeilijkheden met geurdetectie, herkenning en identificatie 3 , 23 . Hoewel olfactieve tekorten een duidelijke indicator zijn in de vroegste fasen van het begin van de ziekte, gaat het verlies van de olfactieve functie vaak onopgemerkt of wordt toegeschreven aan de normale leeftijdverwante daling 1 , 23 . Daarom is het belangrijk om de verschillende activatiepatronen geassocieerd met olfactieve disfunctie in dergelijke ziekten verder te onderzoeken om t beter te kunnen diagnosticerenHem vroeger. Bij de ziekte van Alzheimer worden activatiepatronen significant verminderd in de primaire olfactieve cortex, evenals de hippocampus en insula in vergelijking met gezonde, leeftijdscontroleerde controles 24 . Bovendien hebben onderzoekers vastgesteld dat bij patiënten met ziekte van Parkinson de amygdala en thalamus minder activering zien dan bij gezonde controles, terwijl hogere activatie wordt gezien in gebieden zoals de linker, inferieure frontale gyrus in vergelijking met controles 2 . Aanvullende studies tonen hyperactivatie in de piriform en orbitofrontale cortices bij patiënten van Parkinson's ziekte 25 . Dergelijke onderscheidende activeringspatronen lijken verder te gaan dan de structurele pathologie, waardoor het belang van functionele gegevensverzameling wordt bewezen in het begrijpen en diagnosticeren van neurodegeneratieve aandoeningen en het vereisen van innovaties in de nauwkeurigheid en gevoeligheid van olfactorische fMRI.
Om deze reden, verder stuSterft op het menselijke olfactorische systeem met fMRI kan een potentieel hebben voor het ontwikkelen van een biomarker voor vroege diagnose voor neurodegeneratieve ziekten. In feite zijn studies reeds verlopen en demonstratie van de gevoeligheid voor activatieniveaus tussen normale veroudering en Alzheimer patiënten 24, 26. Een dergelijke studie toonde aan dat de vernietiging van het neurale netwerk vaak detecteerbaar is, zelfs voordat cognitieve tekorten zich voordoen in sommige neurodegeneratieve ziekten 27 . Dit beklemtoont verder het belang van olfactief fMRI onderzoek als een potentieel instrument voor de vroegere diagnose van dergelijke ziekten. Bewijsstukken suggereren ook het bestaan van grootschalige olfactorische netwerkverwerkingswijzigingen in de ziekte van Alzheimer, in aanvulling op de veranderingen die in specifieke olfactorische gebieden zijn gezien, onderstrepen het belang van verdere exploratie in de functionele connectiviteit van olfaction 28 . SensHet vermogen van olfactorische activeringsniveaus als biomarker is afhankelijk van gevoeligheid voor geurstimulatie en experimentele reproduceerbaarheid, die het belang van betrouwbaarheid onderstreept bij het in kaart brengen van het olfactorische systeem. Samenvattend geeft het voorbeeld in dit artikel een overzicht van de manieren waarop olfactief fMRI effectief kan worden gebruikt om de complexiteit van het centrale olfactorische systeem en het klinische belang van dit begrip te begrijpen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs hebben niets te onthullen.
Acknowledgments
De auteurs hebben geen erkenningen.
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).
