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인간의 후각 기능을 연구하기위한 자유 호흡 fMRI 방법

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Neuroscience

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Summary

우리는 인간의 중앙 후각 시스템에서 신뢰할 수있는 기능적 자기 공명 영상 (fMRI) 데이터를 얻기위한 기술적 난제와 해결책을 제시합니다. 여기에는 후각 fMRI 패러다임 디자인, MRI 호환 감각 계의 fMRI 데이터 수집, 악취 선택 및 데이터 후 처리를위한 특수 소프트웨어 도구에 대한 특수 고려 사항이 포함됩니다.

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Wang, J., Rupprecht, S., Sun, X., Freiberg, D., Crowell, C., Cartisano, E., Vasavada, M., Yang, Q. X. A Free-breathing fMRI Method to Study Human Olfactory Function. J. Vis. Exp. (125), e54898, doi:10.3791/54898 (2017).

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Abstract

인간의 고환에 대한 연구는 생물 의학 연구에서 임상 평가에 이르기까지 응용 분야가 매우 복잡하고 가치있는 분야입니다. 현재, 기능적 자기 공명 영상 (fMRI)을 이용한 인간 중심 후각 기능의 평가는 몇 가지 기술적 어려움 때문에 여전히 어려운 과제이다. 적절한 냄새 물질 선택, 냄새 표현과 호흡 사이의 상호 작용, 냄새 물질에 대한 기대감이나 습관을 포함하여 fMRI를 사용하여 중앙 후각 기관 기능을 매핑하는 효과적인 방법을 고려할 때 고려해야 할 몇 가지 중요한 변수가 있습니다. 이벤트 관련 호흡 유발 후각 fMRI 기술은 냄새 물질을 정확하게 관리하여 잠재적 인 간섭을 최소화하면서 후각 시스템을 자극 할 수 있습니다. 우리의 데이터 후 처리 방법을 사용하여 주요 후각 피질에서 fMRI 신호의 정확한 온셋을 효과적으로 포착 할 수 있습니다. 기술 사전여기에 보냄으로써 신뢰할 수있는 후각 fMRI 결과를 생성하는 효율적이고 실질적인 방법을 제공합니다. 그러한 기술은 알츠하이머 및 파킨슨 병을 비롯한 후각 퇴행과 관련된 질병의 진단 도구로서 임상 영역에서 궁극적으로 적용될 수 있습니다. 우리는 인간의 후각 기관의 복잡성을 더 깊이 이해하기 시작합니다.

Introduction

인간의 후각 시스템은 감각 시스템보다 훨씬 더 많은 것으로 이해된다. 왜냐하면 올레핀 작용은 또한 항상성 조절 및 감정에 중요한 역할을하기 때문이다. 임상 적으로, 인간의 후각 시스템은 알츠하이머 병, 파킨슨 병, 외상 후 스트레스 장애, 우울증 1, 2, 3, 4, 5 등 많은 유행 신경 질환 및 정신 질환의 공격에 취약한 것으로 알려져있다. 현재, 혈액 - 산소 - 레벨 - 의존성 (BOLD) 콘트라스트를 갖는 기능적 자기 공명 영상 (fMRI)은 인간 두뇌의 맵핑 기능을위한 가장 가치있는 기술이다. 중추 신경 구조 ( 예 : piriform cortex, orbitofrontal cortex, 편도선 및 섬피 피질)의 특정 기능에 대한 상당한 지식이이 기술로 획득되었습니다6 , 7 , 8 , 9 , 10 .

그러나 인간의 중앙 후각 기관 및 관련 질환에 대한 연구에 fMRI를 적용하는 데는 BOLD 신호의 신속한 습관 변화와 호흡에 의한 다양한 조절이 두 가지 주요 장애물로 인해 어려움을 겪고 있습니다. 일상 생활에서 일정 기간 동안 냄새에 노출되면 우리는 빠르게 냄새에 익숙해집니다. 사실, 후각 fMRI를 사용하여 연구했을 때, 냄새 유발 fMRI 신호는 요법에 의해 빠르게 감쇠되며, 이는 자극 패러다임 디자인 8 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 에 대한 도전 과제입니다. 주요 후각 피질에서 초기의 유의미한 BOLD 신호는 지속됩니다odorant가 발병 한 후 몇 초 동안 지속됩니다. 따라서 후각 fMRI 패러다임은 단기간에 오랜 자극이나 잦은 냄새 자극을 피해야합니다. 요법의 효과를 줄이기 위해 일부 연구에서는 fMRI 패러다임에 악취를 번갈아 표시하려고 시도했습니다. 그러나,이 접근법은 각각의 냄새 물질이 독립적 인 자극 이벤트로서 취급 될 수 있기 때문에 데이터 분석을 복잡하게 할 수있다.

피실험자의 호흡 패턴이 다양 할 때 또 다른 기술적 인 문제가 발생한다. 흡입은 고정 타이밍 패러다임 (fixed-timing paradigm) 동안 냄새 물질 투여와 항상 동기화되는 것은 아니다. 후각 자극의 발병 및 지속 기간은 각 개인의 호흡에 의해 조절되며, 이는 fMRI 데이터 품질 및 분석을 혼란스럽게합니다. 일부 연구에서는 호흡과 냄새 발병을 동기화하기 위해 시각 또는 청각 단서로이 문제를 완화하려고 시도했지만 피험자의 순응도는 특히 임상 인구에서 다양합니다. 위장 관련 뇌 활성화이러한 단서는 특정 애플리케이션에서 데이터 분석을 복잡하게 만들 수도 있습니다. 따라서, 냄새 전달과 흡입을 동기화시키는 것은 후각 fMRI 연구 15에서 결정적 일 수있다.

특히 데이터 분석 과정에서 후각 fMRI에 중요한 추가 고려 사항은 냄새 물질 선택입니다. 인지 강도와 관련하여 적절한 냄새 물질 농도를 찾는 것은 다양한 실험 조건 또는 질병 하에서 뇌의 활성화 수준을 정량하고 비교하는 데 중요합니다. 악취 물질 선택은 또한 냄새 원자가 또는 즐거움을 고려해야합니다. 이것은 후각 학습 16 , 17 에서 분기되는 시간적 프로파일을 유발하는 것으로 알려져있다. 이런 이유 때문에 라벤더 냄새가 부분적으로이 데모 용으로 선택되었습니다. 특정 연구의 목적에 따라 다른 냄새 성분이 더 나은 선택 일 수 있습니다. 또한, 삼차 자극은 최소화해야합니다olfaction과 직접적인 관련이없는 활성화 18 .

이 보고서에서는 자기 공명 환경에서 감각계를 사용하여 호흡 유발 패러다임을 설정하고 실행하는 fMRI 기술을 시연합니다. 또한 데이터 수집 중에 발생할 수있는 일부 타이밍 오류를 줄여 데이터 분석을 더욱 향상시킬 수있는 사후 처리 도구를 제시합니다.

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Protocol

다음 실험 프로토콜은 펜실베이니아 주립 대학 의과 대학의 기관 검토위원회 (Institutional Review Board)의 지침을 따랐으며, 인간 피험자는 연구에 참여하기 전에 서면 동의를 얻었다.

참고 : 데모 목적으로 시판되는 MRI 호환 감각 계를 사용하여 간단한 악취 자극 패러다임을 제시합니다. 이 패러다임은 요법의 효과를 감소시키는 데 효과적이며 신뢰할 수있는 후각 fMRI 데이터를 제공합니다 15 . 이 프로토콜에서 설명 된 특정 단계는 사용 된 감각계의 유형에 따라 다를 수 있습니다. 그러나 유사한 기능을 갖춘 가정용 또는 상업용으로 사용할 수있는 모든 유형의 장비를 유사한 방식으로 사용할 수 있습니다. 감각계는 호흡을 모니터링 할 수 있어야하고 정확한 타이밍으로 냄새를 유발할 수 있어야합니다. 전체 냄새 전달 시스템 (( 예 : 유리 및 폴리 테트라 플루오로 에틸렌)에 불활성 인 물질로 만들어졌으며, 악취 경로는 최소한의 사 공간으로 부드럽고 기밀합니다.

1. 패러다임 디자인

  1. 프로그래머블 감각계에서 공기 흐름 밸브 시퀀스를 지정하여 새로운 패러다임을 만듭니다.
    참고 : 밸브 시퀀스는 다양한 농도 또는 유형의 냄새 물질을 담고있는 특정 공기 채널의 개폐 순서 및 타이밍입니다. 이 시연에서 6 개의 채널에 대한 각 밸브가 두 번 열렸으며 총 12 개의 악취 전달이 이루어졌습니다. 하나의 밸브가 열릴 때마다 다른 모든 밸브는 닫히고 다른 모든 밸브가 이미 한 번 열렸을 때마다 각 밸브가 다시 열렸습니다.
    1. 자극을위한 지속 시간 (특정 채널의 열림)과 채널을 닫을 시간을 지정하십시오.
      참고 :이 데모에서 악취 표현의 지속 시간은 6 초 였고,닫히는 채널의 지속 시간은 22 초에서 38 초까지 다양했다.
    2. 밸브 열림과 닫음의 반복 횟수를 설정하십시오. 여기서 반복 횟수는 1입니다.
    3. 각 유분의 프리젠 테이션을 동일한 유속의 무취 공기를 사용하여 삽입하십시오. 예를 들어 상대 습도 50 %, 실내 온도 22 ° C에서 6 L / 분의 유속으로 냄새가 있거나없는 공기 흐름을 피사체에 전달하십시오.
      참고 : 공기 흐름이 다양 할 때 촉감을 유발할 수 있으므로 이는 중요합니다.

2. 냄새 처리제 준비

  1. 악취 원자가, 쾌감, 강도, 친숙 함 및 삼차 성분을 고려하여 냄새 자극 패러다임에 적절한 향기를 선택하십시오 ( 표 1 참조).
    참고 : 표 1 은 일반적으로 사용되는 냄새 성분을 나열합니다. 라벤더 냄새가 저온에서 중등도의 삼차 자극을 최소화하기 때문에이 시연을 위해 선택되었습니다.일반적으로 쾌적하고 익숙한 것으로 인식됩니다.
  2. 냄새 제거제를 준비하기 위해 적절한 용매 ( 예 : 물, 미네랄 오일, 1,2- 프로판 디올, 에탄올)를 선택하십시오.
    참고 : 여기에서는 1,2- 프로판 디올을 냄새 처리제 제조용 용매로 사용했습니다.
  3. 냄새 자극 패러다임에 적합한 악취제 농도를 선택하십시오. 예를 들어, 후각 자극 19에 대한 0.10 % (부피 / 부피) 농도의 1,2- 프로판 디올에서 라벤더 오일을 희석하십시오.
    참고 : 이것은 정상적인 피실험자 집단에 의해 일련의 상이한 농도의 정신 물리학 적 평가에 의해 수행 될 수있다.
  4. 냄새 제거제 용기에 적절한 냄새 제거제를 넣으십시오. 모든 용기의 공간과 용액의 양, 용액의 표면적이 같아야합니다. 예를 들어 냄새 제거제 용기에는 300 mL 크기의 유리 병 6 개를 사용하고 0.10 % 라벤더 오일 용액 50 mL를 넣습니다.
  5. 연결냄새 전달을위한 적절한 채널로 향기 용기를 놓습니다.

3. 올포 커미터 (Olfactometer) 설정

  1. 연결구를 점검하여 모든 냄새 제거제 용기가 냄새 제거제 운반기에 제대로 부착되었는지 확인하십시오. 과도하게 조이지 마십시오. 씰이 손상 될 수 있습니다. 적절한 냄새는 각 냄새 제거제 용기를 통과하는 공기 흐름을 점검하여 나중에 단계에서 보장됩니다.
  2. 냄새 제거제 캐리어를 자석 실에 넣고 각 튜브를 실내 외부의 감각계에 연결하십시오. 주 장치는 MR과 호환되지 않습니다. 공기 흐름에 영향을 줄 수 있으므로 튜빙에 꼬임이 있는지 육안으로 확인하십시오. 각 채널의 기류는 이후 단계에서 점검됩니다.
  3. 번호를 올바른 포트에 맞추면 olfactometer의 모든 튜브를 냄새 제거제 캐리어에 안전하게 연결하십시오. 정확성을 위해, 컬러 코드, 튜브, 채널 1이되도록 핑크 등의 2 채널, 블루.
  4. 흐름을 첨부하여 모든 채널의 공기 흐름을 일관되게 유지하십시오.유량계를 튜브의 출력단에 연결하십시오. 혈압계의 제어판에서 각 채널을 수동으로 열고 각 채널의 유량이 일정해질 때까지 총 공기 흐름과 각 채널 및 플러시 라인의 유량을 조정하십시오.
  5. Polytetrafluoroethylene (PTFE) 튜빙을 사용하여 얼굴 마스크 또는 노즈 피스를 냄새 제거제 캐리어에 연결하십시오. 채널을 전환 할 때 피사체에 전달되는 공기 흐름 ( 예 : 6 L / 분)이 일치하는지 확인하십시오.
  6. 냄새 자극 패러다임과 fMRI 이미지 수집을 동기화하기 위해 olfactometer의 "trigger in"포트에 MRI 시스템의 고주파 트리거를 연결하십시오. 광 - 전기 신호 변환기가 필요할 수 있습니다.
  7. 각 채널 및 플러시 라인의 총 기류 및 유량을 설계된 양으로 조정하십시오. 예를 들어, 총 공기 유량은 6 L / min이고 각 채널 및 플러시 라인의 유량은 3 L / min입니다.
  8. 공압 호흡기를 연결하십시오.r 벨트를 통해 공압 전기 신호 변환기 박스를 통해 감각 계의 응답 포트에 연결합니다.
  9. 주관적인 반응이 필요한 경우 공압식 전기 신호 변환기 상자를 통해 공압 응답 패드를 혈압계의 응답 포트에 연결하십시오.

4. 실험 절차

  1. MRI 절차가 환자에게 안전한지 확인하기 위해 사전 검사를 실시하십시오.
    1. 잠재적 인 임플란트, 폐쇄 공포증 또는 fMRI 연구에 안전하게 참여할 수있는 피험자의 능력을 방해 할 수있는 다른 기존 상태를 포함하여 병력에 대해 주제를 물어보십시오. 또한, 실험 중 냄새 물질의 냄새를 맡을 수 있는지 확인하기 위해 냄새 물질의 냄새 역치 테스트를 수행하십시오.
  2. MRI 검사 침대에서 피검자를 위로 놓습니다. 콧 구멍으로 공기가 불어 날 수 있도록 피사체에 얼굴 마스크 또는 노우즈 피스를 올립니다. 호흡 센서를 t그는 가슴이나 복부. 피검자에게 정상적으로 호흡하도록하십시오. 호기계 표시 장치에 표시된 호흡 패턴에 따라 호흡 센서를 고정하는 벨트의 조임과 위치를 수동으로 조정하십시오.
  3. olfactometer에 호흡 데이터를 기록하는 데이터 폴더를 만듭니다. "파일 관리자"를 클릭하고 현재 제목에 할당 된 제목 ID를 입력 한 다음 입력을 "확인"하십시오.
  4. "패러다임 체크"옵션을 사용하여 자극 전달을 포함하지 않고 냄새 전달 및 흡입의 동조를 테스트하고 필요한 경우 냄새 전달의 시작이 피험자의 흡입 단계와 동기화되도록 "밸브 지연"시간을 수동으로 조정하십시오.
  5. olfactometer의 컨트롤 유닛에서 "trigg-in"모드를 선택하여 악취 자극과 fMRI 이미지 수집 사이의 동기화를 설정하십시오.
    참고 :이 기능은 악취 자극 패러다임이 외부 트리거를 통해 "MRI 시스템에서 시작된 포트에서 트리거하십시오. 따라서 패러다임은 스캐너의 외부 트리거가 수신 될 때까지 실행되지 않습니다. MRI 스캐너가 보내는 어떤 종류의 트리거 펄스 (전기 또는 가벼운)인지 확인하십시오. 두 시스템을 연결하려면 신호 변환기가 필요할 수 있습니다.
  6. 감각계의 컨트롤 유닛에서 "resp trigger start"를 선택하여 호흡 트리거를 활성화하십시오.
    참고 : 활성화되면 각 패러다임 시퀀스 요소의 시작이 흡입과 동기화됩니다. 이것은 호기 단계의 시작부터 호흡주기의 약 절반 정도의 냄새 전달을 지연시킴으로써 경험적으로 달성 할 수 있습니다.
  7. MRI 콘솔에서 fMRI 이미지 수집을 시작합니다. 이미지 수집이 시작되면 곧 냄새 자극 패러다임이 시작됩니다. 불규칙한 호흡 활동이 있는지 호흡 패턴을 모니터링하십시오.
    주 : 불규칙한 호흡기 활동은 고원, 더 길고 더 긴주기의 형태 일 수 있습니다.이상한 파도. 여기에서 BOLD 신호에 민감한 T 2 * 가중 에코 평면 영상 시퀀스는 fMRI 영상 획득을 위해 2000ms 반복 시간, 30ms 에코 시간, 90 ° 플립 각, 220mm x 220mm 시야, 80 × 80 획득 매트릭스, 30 mm 두께의 축 슬라이스 30 개, 통합 평행 영상 기술을위한 가속 계수 2를 지원합니다.
  8. 이미징 프로토콜이 끝나면 피사체를 자석 밖으로 옮겨 얼굴 마스크 / 노즈 피스를 제거합니다.

5. 올 팔소 미터 클린업

  1. 공기 펌프의 전원을 끕니다. 냄새 제거제 운반선에서 냄새 제거제 용기를 떼어 내고 깨끗한 빈 용기로 교체하십시오.
  2. 공기 펌프의 전원을 켭니다. 각 채널을 무취 공기로 5 분 동안 플러싱하여 공기 라인의 잔류 냄새 물질을 제거하십시오.
  3. 감각계를 종료하십시오.
  4. 알코올 닦개로 코 조각이나 안면 마스크를 소독합니다. 따뜻한 물로 얼굴 마스크 나 코 부분을 헹구고 나서 공기 건조하십시오.
  5. 6. 데이터 분석

    1. 데이터를 처리하기 위해 오픈 소스 소프트웨어 후각 네트워크 자극 편집 도구 (시작) (www.pennstatehershey.org/web/nmrlab/resources/software/onset) 15 호흡 데이터 파일을로드
      참고 : ONSET 소프트웨어는 Xiaoyu Sun에서 개발했습니다. 패러다임과 호흡 추적의 타이밍에 기반한 악취 자극의 시작이 자동으로 감지됩니다. 실제 자극 벡터는 냄새 전달 중 각 효과적인 흡입의 시작 시간으로 정의됩니다.
      1. 측정 냄새 무취 기간 (15) 사이의 호흡률 및 볼륨 (각 흡입 및 호기 위상 쌍 아래 영역)을 비교한다.
        참고 :이 호흡 매개 변수는 냄새와 무취 사이에 큰 차이가 없어야합니다.
      2. 중앙 olfac의 활성화를 위해 ONSET의 실제 시작 및 지속 시간 벡터를 사용하여 fMRI 데이터를 처리합니다.시스템 15 .

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Representative Results

그림 1 은 MR- 호환성을 고려하여 자석 실 내외부의 후각 fMRI 설정을 보여줍니다. 그림 2a 는 표준 고정 타이밍 패러다임을 보여 주며, 그림 2b 는 "호흡 트리거"가 냄새 전달 및 흡입을 동기화 할 수있는 패러다임을 보여줍니다.

명확한 흡입 피크가있는 일반적인 호흡 패턴은 정확한 호흡 유발 패러다임의 구현에 중요합니다. 따라서, 호흡 센서의 조정은 실험 설정에서 중요한 단계입니다. 그림 3 은 호흡 센서가 잘못 설정된 경우 ( 그림 3a ) 올바르게 ( 그림 3b ) 샘플 호흡 추적을 보여줍니다. respira패턴이 불규칙하거나 호흡 신호가 평탄한 경우, 감각계는 호흡 패턴을 정확하게 결정할 수 없으며 악취 표현은 피실험자의 흡입과 동기화 될 수 없습니다.

호흡 유발, 악취 자극 패러다임의 경우, 악취 자극의 발병 및 지속 기간은 피검자마다 다를 수 있습니다. 후각 fMRI 데이터를 분석하기 위해 ONSET을 사용하여 실제 시작 및 지속 기간 벡터를 결정할 수 있으며 fMRI 데이터는 이러한 벡터를 사용하여 표준 절차에 따라 처리 할 수 ​​있습니다. 그림 4 는 오픈 소스 소프트웨어 SPM8 (www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm)에서 처리 된 호흡 유발 냄새 자극에 반응하는 샘플 뇌 활성화 맵을 표준 처리 절차에 따라 실제 냄새 발병 및 지속 시간 벡터와 함께 표시합니다. 유의미한 냄새와 관련된 활성화가 양측의 일차 후각 피질좌측 대뇌 피질, 우측 상 말뇌 / 각 회선, 좌측 꼬리 핵, 좌측 후 중심 / supramarginal gyrus (가족 - 오류 정정, p <0.05, 범위 threshold = 6 voxels).

그림 1
그림 1 : 실험 설정을위한 개략도. 자석 실에 배치 된 MRI- 호환 요소는 두 개의 실을 분리하는 벽에 도파관이있는 투과 패널을 통해 제어실에 수용된 MRI 콘솔 및 혈압 계측기 박스에 연결됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 2
그림 2 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 3
그림 3 : 샘플 호흡기 . (a) 호흡 센서가 적절하게 설정되지 않은 경우의 호흡 흔적; 호흡 패턴 고원과 불규칙하게됩니다. (b) 올바르게 배치 된 호흡 센서로 기록 된 대표 호흡 패턴; 이 경우, respi배급 패턴은 레벨 봉우리와 일치하며 악취 전달은 흡입과 동기화 될 수 있습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 4
그림 4 : 뇌 활성화 맵 예제. 건강한 피험자는 호흡에 의해 유발 된 라벤더 악취 모의에 반응했다 (가족별로 실수가 정정되었으며, p <0.05, 범위 한계 = 6 보셀). 유의 한 활성화는 오른쪽 원발성 피질 (POC, MNI 좌표 x = 20, y = 6, z = -14), POC (x = -22, y = 4, z = (x = -14, y = 6, z = 10), 왼쪽 꼬리 핵 (x = -14, y = 6, z = 10), 오른쪽 위 경계 / 각 회 후 중심 / supramargina이 이륜 (x = -66, y = -24, z = 20). 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.


냄새 나는 사람 냄새가 좋아. 화합물 삼차 신경 자극 용제
아세트 알데히드 29 녹색, 달콤한 단순한 아니
암모니아 29 매운, 청소기 단순한
아밀 아세테이트 30 바나나, 사과 단순한 약간
n- 부탄올 31,32 알코올 중독 단순한 아니
n- 부틸 아세테이트 31 달콤하고 열매 맺다 단순한
부티르산 33 신맛, 썩은 냄새 단순한
시트 럴 30,33 레몬 단순한 약간
이산화탄소 34,35 냄새 없는 단순한 N / A
에틸 부티레이트 30 파인애플 단순한
유칼립투스 35 유칼립투스 단순한 에탄올
Eugenol 33,36 정향, 매운 단순한 아니 에탄올
게 라니 올 달콤한 장미 꽃 단순한 아니 에탄올
수 황산 34,36 썩은 달걀 단순한 아니
라벤더 24,37 라벤더 복잡한 아니 에탄올
멘톨 33 박하 단순한 에탄올
메틸 살리 실 레이트 33 겨울 푸른 민트 단순한 에탄올
패 출리 38 젖은 토양 복잡한 에탄올
1- 프로판올 31 알코올을 문지르는 행위 단순한 에탄올
페 네틸 알코올 36,39 장미 꽃 단순한 엔영형 에탄올
로즈마리 오일 38 로즈마리 복잡한 에탄올
이산화황 29 자극적, 자극적 단순한
발린 산 33 썩은 치즈 단순한
바닐린 29 바닐라 단순한 아니 에탄올
일랑 일랑 38 꽃 향수 복잡한 에탄올
*** 참고 문헌은 원고 끝을 참조하십시오.

표 1 : 후각 fMRI 연구에 사용 된 일반적인 냄새 물질 .

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Discussion

실험 절차는 신중하게 고려하여 신뢰할만한 후각 활성화 데이터를 수집하기 위해 적절하게 실행되어야합니다. 프로토콜 내에서 중요한 단계는 냄새 전달을 이미지 수집과 동기화하고, 냄새 물질을 적절하게 농축하여 정신 물리학 적 반응을 조절하고, 안정적인 안정된 호흡 신호 및 일정한 공기 흐름을 갖춘 은폐계를 설정하고 호흡을 후 처리하는 호흡 유발 패러다임을 구현하는 것을 포함합니다 악취 개시 벡터를 후 향적으로 조정하기 위해 ONSET을 사용하는 악취 관리 타이밍 데이터. 패러다임을 설계하고 데이터를 분석 할 때는 요법, 정신 물리학 적 반응 및 호흡 패턴과 같은 혼란스러운 변수를 고려해야합니다. 피험자가 장기간의 냄새에 노출 될 때, 일차 후각 피질의 활성화는 노출 후 몇 초 이내에 감소하기 때문에 일련의 간략한 투여로 사건 관련 패러다임을 이용할 필요가있다냄새 제거제. 스니핑은 악취가 없어도 piriform cortex에서 활성화를 유도 할 수 있으므로주의 깊게 관찰해야합니다 8 . 가장 중요한 것은, 호흡은 냄새 물질 투여와 동기화되지 않으면 주요 혼란 변수이다. 우리는 호흡 트리거 패러다임 흡입 및 악취 발병의 동기화가 더 신뢰할 활성화 15을 생산하는 것으로 나타났습니다.

자유 호흡 fMRI 방법의 가장 보편적 인 문제는 악취 전달 및 흡입 사이의 불충분 한 동기화이며 이는 실험 설정에서 세 가지 결함으로 인해 발생할 수 있습니다. 첫째, 가장 일반적으로 호흡 센서가 제대로 설정되지 않았습니다. 가슴 벨트가 너무 빡빡하면 호흡 신호가 고원 상태가되어 동기화가 제대로 이루어지지 않습니다. 둘째로, "밸브 지연"시간이 잘 보정되지 않아 냄새 전달이 호흡기에서 너무 일찍 또는 너무 늦을 수 있습니다cle. 셋째, 피험자의 호흡 패턴은 "밸브 지연"시간의 보정 후에 일관성이 없습니다. 따라서 피검자가 자석에서 정상적으로 호흡 할 수있는 사전 스캔 훈련과 fMRI 스캔 중에 호흡 패턴을 면밀히 모니터링하는 것이 중요합니다.

연구를 위해 냄새 물질을 선택할 때 강도, 원자가 및 삼차 자극을 고려하는 것이 중요합니다. 이러한 변수는 여러 유형의 정신 물리학 적 반응 및 연관된 fMRI 활성화를 유발할 수 있기 때문입니다. 예를 들어, 약한 강도는 냄새를 맡을 수있는 경향이있는 반면, 강한 강도는 비자 발적 숨결을 유지하거나보다 신속한 요법을 유발할 수 있습니다. 악취 강도는 또한 뇌의 활성화와 상관 관계가있는 것으로 나타났습니다 20 . 또 다른 패러다임은 4 가지 농도의 라벤더로 구성되어 실험 전반에 걸쳐 강도가 증가하여 습관성을 감소 시켰습니다 21 . 오도라의 원자가nt는 또한 데이터 해석을 위해 고려해야하는 뇌의 다른 영역을 활성화합니다 22 . 예를 들어, 한 연구에서는 악취 원자가 발산 내지 16 시간 프로필을 보였다. 또한, 많은 odorants는 삼각 자극의 정도가 다양합니다.

이 자유 호흡 패러다임은 모든 후각 fMRI 연구에 반드시 적합한 것은 아니라는 점을 인식하는 것이 중요합니다. 그것은 후각 fMRI 연구에 중요한 특별한 고려 사항에 대한 예를 제공합니다. 또한이 보고서에서 제시된 실험 절차가 사용 된 고도계에 국한되지 않음을 유의해야합니다. 이 장비는 유사한 기능을 가진 모든 검 색계로 대체 될 수 있습니다. 예를 들어 감각 계에는 호흡 모니터링 기능이 있어야하며 여러 냄새 소스가있는 호흡 유발 패러다임을 수행 할 수 있어야합니다. 아디 디아lly이 실험은 라벤더를 사용하여 제시되었지만 삼자 자극과 이취제 농도와 같은 혼동 변수를 최소화하는 것이 중요하지만 다른 냄새도 연구자가 대체 할 수 있습니다.

이 자유 호흡 fMRI 방법은 중앙 후각 시스템의 전제 조건을 제거하고 악취 자극의 반복적 인 사건 사이의 불일치를 줄이는 것을 목표로합니다. 중앙 후각 기관의 전처리는 대상에 따라 다를 수 있으며, 이는 주된 후각 구조의 활성화를 변화시킬 수 있습니다. 중앙 후각 기관의 활성화를 촉발시키는 반복적 인 사건, 예를 들어 냄새 자극의 일관성은 사건과 관련된 fMRI 프로토콜을 성공적으로 실행하기 위해 중요합니다. 또한 자유 호흡 기술을 통해 후각 fMRI 패러다임을 실행하는 동안 피사체에 대한 단서 나 작업이 없을 수 있습니다. 그것이 기능을하는 동안 주제에서 최소한의 노력이 필요하기 때문에데이터 수집을 통해 알츠하이머 병과 같은 유명한 신경 퇴행성 장애 및 질병에서 후각 결핍증을 연구하는 데 유용한 도구가 될 수 있습니다.

최근 연구들은 신경 퇴행성 질환에서 뇌 활성화 패턴을 탐색하기 위해 후각 fMRI를 사용했습니다. 신경 퇴행성 장애, 특히 알츠하이머 병 및 파킨슨 병에서의 후각 결핍은 냄새 탐지, 인식 및 확인에 어려움이 있습니다 3 , 23 . 후각 적자가 질병 발병의 초기 단계에 뚜렷한 표시하는 동안 그러나, 후각 기능의 상실은 종종 주목 간다 또는 정상적인 연령과 관련된 감소 (1), (23)에 기인한다. 따라서 더 나은 진단을 위해 그러한 질병에서 후각 기능 장애와 관련된 별개의 활성화 패턴을 더 연구하는 것이 중요합니다일찍 헴. 건강 나이 일치 컨트롤 24에 비해 알츠하이머 병에 활성화 패턴은 크게 일차 후각 피질뿐만 아니라, 해마와 섬엽 감소된다. 또한, 연구팀은 높은 활성은 컨트롤 2에 비해 왼쪽 전두 이랑 같은 분야에서 볼 수있는 동안 파킨슨 병 환자에서, 편도선 및 시상은, 건강한 대조군에 비해 덜 활성화를 보여줄 것으로 나타났습니다. 추가 연구는 파킨슨 병 환자의 piriform 및 orbitofrontal cortices에서 과다 활성화를 입증합니다 25 . 이러한 뚜렷한 활성화 패턴은 구조적 병리학을 뛰어 넘어 신경 퇴행성 장애를 이해하고 진단하고 후각 fMRI의 정확성과 민감성을 혁신하는 데 필수적인 기능적 데이터 수집의 중요성을 입증합니다.

이런 이유로, 더 stufMRI가있는 인간 후각 시스템에서 사망하면 신경 퇴행성 질환의 조기 진단을위한 바이오 마커를 개발할 수있는 가능성이 있습니다. 실제로 정상 노화와 알츠하이머 병 환자 간의 활성화 수준에 대한 민감성 입증 등 연구가 이미 진행되고 있습니다 24 , 26 . 하나의 그러한 연구는인지 기능 결핍이 일부 신경 퇴행성 질환 27 에 나타나기 전에 신경 네트워크의 파괴가 종종 발견된다는 것을 보여 주었다. 이것은 질병의 조기 진단을위한 잠재적 도구로서 후각 fMRI 조사의 중요성을 더욱 강조합니다. 증거는 후각 (28)의 기능 연결로 추가 탐사의 중요성을 강조하고, 특정 후각 지역에서 본 변화뿐만 아니라 알츠하이머 병에서 대규모 후각 네트워크 처리 변경의 존재를 암시한다. 센스바이오 마커로서의 후각 활성화 수준의 순응성은 후각 자극에 대한 민감도 및 실험적 재현성에 의존하며, 이것은 후각 시스템을 매핑하는데있어서 신뢰성의 중요성을 강조한다. 이 논문에서 제시된 예는 후각 fMRI를 사용하여 중앙 후각 시스템의 복잡성과 이러한 이해의 임상 적 중요성을 이해하는 데 효과적으로 사용될 수있는 방법을 보여줍니다.

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Disclosures

저자는 공개 할 것이 없습니다.

Acknowledgments

저자는 인정하지 않습니다.

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 

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