Author Produced

Свободно-дыхательный метод FMRI для изучения обонятельной функции человека

JoVE Journal
Neuroscience

Your institution must subscribe to JoVE's Neuroscience section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

 

Summary

Мы представляем технические проблемы и решения для получения надежных данных о функциональном магнитно-резонансном томографе (fMRI) из центральной обонятельной системы человека. Это включает в себя особые соображения в конструкции парадигмы обонятельной fMRI, описания сбора данных fMRI с помощью MFP-совместимого ольфактометра, выбор одорантов и специальный программный инструмент для последующей обработки данных.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations | Reprints and Permissions

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).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

Изучение обоняния человека представляет собой очень сложную и ценную область с приложениями, начиная от биомедицинских исследований и заканчивая клинической оценкой. В настоящее время оценка функций центральной обонятельной системы человека с функциональной магнитно-резонансной томографией (fMRI) по-прежнему является проблемой из-за нескольких технических трудностей. При рассмотрении эффективного метода сопоставления функции центральной обонятельной системы с использованием fMRI следует учитывать некоторые важные переменные, включая правильный выбор одорантов, взаимодействие между представлением запаха и дыханием и потенциальное ожидание или привыкание к одорантам. Связанная с событиями, вызванная дыханием обонятельная методика МРТ может точно вводить одоранты для стимуляции обонятельной системы при минимизации потенциальных помех. Он может эффективно фиксировать точные наборы сигналов fMRI в первичной обонятельной коре, используя наш метод пост-обработки данных. Техника предварительнойПриведенный здесь, обеспечивает эффективное и практическое средство для создания надежных обонятельных результатов ФМР. Такая методика в конечном счете может быть применена в клинической области как диагностический инструмент для заболеваний, связанных с обонятельной дегенерацией, включая болезнь Альцгеймера и Паркинсона, поскольку мы начинаем более подробно понимать сложность обонятельной системы человека.

Introduction

Человеческая обонятельная система понимается гораздо больше, чем сенсорная система, потому что обоняние также играет важную роль в гомеостатической регуляции и эмоциях. Известно, что человеческая обонятельная система уязвима для нападений многих распространенных неврологических заболеваний и психических расстройств, таких как болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона, посттравматическое стрессовое расстройство и депрессия 1 , 2 , 3 , 4 , 5 . В настоящее время функциональная магнитно-резонансная томография (fMRI) с контрастностью, зависящей от уровня кислородного уровня (BOLD), является наиболее ценным методом картирования функций мозга человека. Значительный объем знаний о специфических функциях центральных обонятельных структур ( например , пиртовой коры, орбитофронтальной коры, миндалины и островной коры) был приобретен с помощью этих технологийIque 6 , 7 , 8 , 9 , 10 .

Однако применение МРТ к исследованиям центральной центральной обонятельной системы человека и связанных с ними заболеваний было затруднено двумя основными препятствиями: быстрым привыканием сигнала BOLD и переменной модуляцией дыханием. В повседневной жизни, когда вы подвергаетесь одоранту в течение определенного периода времени, мы быстро привыкаем к запаху. Фактически, при изучении с использованием обонятельного fMRI, индуцированный запахом сигнал fMRI быстро ослабляется привыканием, что создает проблему для конструкций парадигмы стимуляции 8 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 . Исходный значительный сигнал BOLD в первичной обонятельной коре сохраняется толькоС в течение нескольких секунд после начала одоранта. Следовательно, обонятельные парадигмы МРТ должны избегать длительных или частых стимулов запаха за короткий промежуток времени. Чтобы уменьшить эффект привыкания, некоторые исследования попытались представить чередующиеся запахи в парадигме fMRI. Однако такой подход может усложнить анализ данных, поскольку каждый одорант можно рассматривать как независимое событие стимуляции.

Другая техническая проблема возникает из-за изменчивости в образцах дыхания у субъектов; Ингаляция не всегда синхронизируется с администрированием одоранта во время парадигмы фиксированного времени. Начало и продолжительность обонятельной стимуляции модулируются дыханием каждого человека, что смешивает качество и анализ данных МРТ. В некоторых исследованиях была предпринята попытка смягчить эту проблему визуальными или звуковыми сигналами для синхронизации дыхания и одоранта, но соответствие субъектов варьируется, особенно в клинической популяции. Активации мозга связаны с wiЭти сигналы также могут усложнить анализ данных в некоторых приложениях. Таким образом, синхронизирующая ингаляция с доставкой одорантом может иметь решающее значение для обонятельных исследований МРТ 15 .

Дополнительным соображением, важным для обонятельного fMRI, особенно в процессе анализа данных, является выбор одорантов. Поиск подходящей концентрации одоранта в отношении воспринимаемой интенсивности имеет важное значение для количественной оценки и сравнения уровней активации в головном мозге при различных экспериментальных условиях или заболеваниях. Выбор одоранта также должен учитывать валентность запаха или приятность. Это, как известно, вызывает расходящиеся временные профили в обонятельном обучении 16 , 17 . По этой причине для этой демонстрации был выбран запах лаванды. В зависимости от цели конкретного исследования, различные одоранты могут быть лучшим выбором. Кроме того, стимуляция тройничного нерва должна быть минимизирована для уменьшенияE активация, не связанная напрямую с обонянием 18 .

В этом отчете мы демонстрируем метод fMRI для создания и запуска парадигмы, вызванной дыханием, с использованием ольфактометра в среде магнитного резонанса. Мы также представляем инструмент для последующей обработки, который может уменьшить некоторые ошибки времени, которые могли произойти во время сбора данных, с целью дальнейшего улучшения анализа данных.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Следующий экспериментальный протокол соответствовал руководящим принципам Совета по институциональному обзору Медицинского колледжа Государственного университета штата Пенсильвания, и человек-человек дал письменное информированное согласие до участия в исследовании.

Примечание. В целях демонстрации представлена ​​простая парадигма стимуляции запаха с использованием коммерчески доступного, аналога для МРТ-олифактометра. Эта парадигма доказала свою эффективность в снижении эффекта привыкания и позволила получить достоверные обонятельные данные МРТ 15 . Определенные шаги, описанные в этом протоколе, могут быть специфическими для типа используемого ольфактометра. Тем не менее, любой тип оборудования - самодельный или коммерчески доступный с аналогичными возможностями - может использоваться аналогичным образом. Олфактометр должен быть способен контролировать дыхание, а также представлять последовательность одорантов с точным временем. Убедитесь, что вся система доставки запаха (включаяОльфактометр) изготовлен из материалов, инертных к химическим веществам одоранта ( например , стекла и политетрафторэтилена), а путь запаха гладкий и герметичный с минимальным мертвым пространством.

1. Дизайн парадигмы

  1. Создайте новую парадигму, указав последовательность воздушного потока на программируемый ольфактометр.
    ПРИМЕЧАНИЕ. Последовательность клапанов - это порядок и время открытия и закрытия отдельных воздушных каналов, которые содержат разные концентрации или типы одорантов. В этой демонстрации каждый из клапанов для шести каналов был открыт дважды, в общей сложности двенадцать поставок запаха. Всякий раз, когда один клапан был открыт, все остальные клапаны закрывались, и каждый клапан снова открывался только после того, как все остальные клапаны уже открылись один раз.
    1. Назначьте продолжительность стимула (открытие определенного канала), а также продолжительность закрытия канала.
      ПРИМЕЧАНИЕ. В этой демонстрации продолжительность представления запаха составляла 6 с, тогда какПродолжительность для каналов, подлежащих закрытию, варьировалась от 22 до 38 с.
    2. Установите количество повторений для последовательности открытия и закрытия клапана. Здесь число повторений равно 1.
    3. Перемешайте каждую презентацию одоранта с представлением без запаха воздуха при той же скорости потока. Например, доведите воздушный поток до объекта с запахом или без него при скорости потока 6 л / мин при относительной влажности 50% и комнатной температуре при 22 ° С.
      ПРИМЕЧАНИЕ. Это важно, поскольку изменения в воздушном потоке могут вызвать тактильное ощущение.

2. Подготовка одоранта

  1. Выберите правильный одорант для парадигмы стимуляции запаха, рассмотрев валентность запаха, приятность, интенсивность, знакомость и тройничный компонент (см. Таблицу 1 ).
    Примечание. В таблице 1 перечислены некоторые часто используемые одоранты. Для этой демонстрации был выбран запах лаванды, поскольку он обладает минимальной стимуляцией тройничного нерва при низкой до средней степени coИ обычно воспринимается как приятный и знакомый.
  2. Выберите подходящий растворитель ( например , воду, минеральное масло, 1,2-пропандиол, этанол) для приготовления растворов одоранта.
    ПРИМЕЧАНИЕ. Здесь 1,2-пропандиол использовали в качестве растворителя для приготовления раствора одоранта.
  3. Выберите правильную концентрацию одорантов для парадигмы стимуляции запаха. Например, разбавленное масло лаванды в 1,2-пропандиоле при концентрации 0,10% (объем / объем) для обонятельной стимуляции 19 .
    ПРИМЕЧАНИЕ. Это может быть сделано психофизической оценкой ряда различных концентраций группой нормальных субъектов.
  4. Поместите правильные растворы одорантов в контейнеры для одорантов. Убедитесь, что все контейнеры имеют одинаковое пространство, такое же количество раствора и ту же площадь поверхности для решения. Например, используйте шесть стеклянных бутылок размером 300 мл в качестве контейнеров для одорантов с каждой бутылкой, содержащей 50 мл 0,10% раствора масла лаванды.
  5. ПодключитеКонтейнеры для одорантов в соответствующие каналы для подачи запаха.

3. Настройка ольфактометра

  1. Проверьте соединения, чтобы все контейнеры для одорантов были надлежащим образом прикреплены к держателю одоранта. Не перетягивайте, так как это может повредить уплотнение. Надлежащая герметичность обеспечивается на более позднем этапе, проверяя поток воздуха через каждый контейнер для одорантов.
  2. Поместите носитель для одоранта в комнату магнита и соедините каждую трубку с ольфактометром вне помещения, поскольку основной блок не совместим с MR. Визуально проверьте наличие перегибов в трубах, так как это повлияет на воздушный поток. Воздушный поток каждого канала будет проверен на более позднем этапе.
  3. Надежно соедините все трубки от ольфактометра до носителя одоранта, сопоставив номера с правильными портами. Для точности, цветовой код пробирки, такие как розовый для канала 1, синий для канала 2 и т . Д.
  4. Убедитесь, что поток воздуха по всем каналам согласован, присоединяя потокМетр к выходному концу трубки. Вручную откройте каждый канал на панели управления ольфактометра, отрегулируйте общий поток воздуха, а также скорость потока каждого канала и линию промывки до тех пор, пока скорость потока каждого канала не будет согласована.
  5. Подключите лицевую маску или носовой наконечник к носителю одоранта с помощью политетрафторэтилена (ПТФЭ). Убедитесь, что поток воздуха ( например , 6 л / мин), доставленный объекту, согласован, когда каналы переключаются.
  6. Подключите триггер радиочастоты от системы МРТ к порту «триггер в» на ольфактометре, чтобы синхронизировать парадигму стимуляции запаха и получение изображений fMRI. Может понадобиться преобразователь оптического электрического сигнала.
  7. Отрегулируйте общий расход воздуха и расход для каждого канала и линию промывки до заданных количеств. Например, общий поток воздуха 6 л / мин и скорости потока для каждого канала, а линия промывки - 3 л / мин.
  8. Подключить пневматическую респираторную системуR к ответному порту ольфактометра через коробку преобразователя пневматически-электрического сигнала.
  9. Если требуется субъективный ответ, подключите подушку пневматического отклика к ответному порту ольфактометра через коробку преобразователя пневматически-электрического сигнала.

4. Экспериментальная процедура

  1. Проведите предварительный скрининг, чтобы гарантировать, что процедура МРТ безопасна для субъекта.
    1. Задайте вопрос об истории болезни, включая потенциальные имплантаты, клаустрофобию или другие ранее существовавшие состояния, которые могут помешать способности субъекта безопасно участвовать в исследовании fMRI. Кроме того, выполнить пороговое испытание запаха одорантов, чтобы убедиться, что субъект может почувствовать запах одорантов во время эксперимента.
  2. Попросите пациента лечь на спинку кровати на МРТ. Поместите лицевую маску или носовую часть на предмет, чтобы воздух попал в ноздри. Поместите респираторный датчик на tГруди или живота. Попросите пациента нормально дышать. Вручную отрегулируйте плотность и положение ремня, удерживающего респираторный датчик, в соответствии с рисунком дыхания, наблюдаемым на дисплее ольфактометра.
  3. Создайте папку данных для записи респираторных данных в ольфактометре. Нажмите «диспетчер файлов», введите идентификатор объекта, присвоенный текущему объекту, затем подтвердите ввод.
  4. Используйте опцию «проверка парадигмы», чтобы проверить синхронизацию доставки запаха и ингаляции без привлечения доставки стимула, и, при необходимости, вручную отрегулировать время «задержки клапана», чтобы гарантировать, что начало подачи запаха синхронизируется с фазой ингаляции субъекта.
  5. Установите синхронизацию между стимуляцией запаха и получением изображения fMRI, выбрав режим «триггер» на блоке управления ольфактометра.
    Примечание: Это позволяет парадигме стимуляции запаха запускаться с помощью внешнего триггера над "Триггер в "порту, созданном из системы МРТ. Таким образом, парадигма не будет выполняться до тех пор, пока не будет получен внешний триггер из сканера. Обратите внимание, какой пусковой импульс (электрический или светлый), который посылает сканер МРТ. Для связывания двух систем может потребоваться преобразователь сигналов.
  6. Активируйте респираторный триггер, выбрав «resp trigger start» на блоке управления ольфактометра.
    Примечание: при активации начало каждого элемента последовательности парадигмы синхронизируется с ингаляцией. Это может быть достигнуто эмпирически, задерживая доставку запаха примерно наполовину цикла дыхания с начала фазы выдоха.
  7. Запустите сбор изображений fMRI на консоли MRI; Парадигма стимуляции запаха начнется, как только начнется захват изображения. Контролируйте картину дыхания при любой нерегулярной дыхательной активности.
    Примечание. Нерегулярная дыхательная активность может быть в виде плато, более широких и длинных циклов илиБеспорядочные волны. Здесь BOLD-чувствительная к сигналам T 2 * -одномерная последовательность эхо-планарного изображения использовалась для получения изображения fMRI с временем повторения 2000 мс, эхо-сигналом 30 мс, углом поворота 90 °, поле зрения 220 мм × 220 мм, 80 × 80, 30 осевых срезов толщиной 4 мм и коэффициент ускорения 2 для интегрированных параллельных изображений.
  8. По завершении протокола формирования изображения выведите объект из магнита и удалите лицевую маску / носовую часть.

5. Очистка ольфактометра

  1. Выключите воздушный насос. Отсоедините контейнеры для одорантов от носителя одоранта и замените их чистыми, пустыми.
  2. Включите воздушный насос. Промойте каждый канал воздухом без запаха в течение 5 минут, чтобы удалить остаточные одоранты в воздушной линии.
  3. Выключите ольфактометр.
  4. Дезинфицируйте носовую часть или маску лица с помощью салфеток с алкоголем. Промойте маску лица или часть носа теплой водой, а затем высушите на воздухе.
  5. 6. Анализ данных

    1. Чтобы обработать данные, загрузите файл данных дыхания в ПО с открытым исходным кодом. Инструмент для редактирования стимулов сети Olfactory (ONSET) (www.pennstatehershey.org/web/nmrlab/resources/software/onset). 15
      Примечание. Программное обеспечение ONSET было разработано компанией Xiaoyu Sun. При этом будут автоматически обнаружены стимулы стимуляции запаха, основанные на сроках прохождения парадигмы и дыхания. Фактический вектор стимуляции определяется как время начала каждой эффективной ингаляции во время доставки запаха.
      1. Измерьте и сравните скорость и объем дыхания (площадь под каждой парой фазы ингаляции и фазы выдоха) между периодами запаха и запаха 15 .
        ПРИМЕЧАНИЕ. Не должно быть существенной разницы в этих параметрах дыхания между запахом и периодами без запаха.
      2. Обработать данные fMRI с фактическими векторами начала и продолжительности от ONSET для активации центрального olfacТорической системы 15 .

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

На рисунке 1 показана установка обонятельного fMRI внутри и снаружи магнитной комнаты с учетом совместимости с MR. На рисунке 2a показана стандартная парадигма фиксированного времени, а на рисунке 2b показана парадигма, где «триггер дыхания» позволяет синхронизировать доставку запаха и ингаляцию.

Регулярная картина дыхания с четкими ингаляционными пиками жизненно важна для реализации точной парадигмы, вызванной дыханием. Таким образом, настройка датчика дыхания является важным шагом в настройке эксперимента. На рисунке 3 показаны образцы дыхательных путей, когда датчик дыхания был настроен неправильно ( рис. 3а ) и правильно ( рис. 3b ). Если респираторИли нерегулярный плато сигнала дыхания, ольфактометр не сможет точно определить шаблон дыхания, а презентация запаха не может быть синхронизирована с ингаляцией субъекта.

С помощью парадигмы стимуляции запаха, вызванной дыханием, векторы начала и продолжительности стимуляции запаха будут варьироваться между субъектами. Для анализа данных обонятельного fMRI фактические векторы начала и продолжительности могут быть определены с помощью ONSET, и данные fMRI могут обрабатываться стандартными процедурами с этими векторами. На рисунке 4 показана карта активации мозга мозга, реагирующая на стимулируемую дыханием стимуляцию запаха, обработанную программным обеспечением SPM8 с открытым исходным кодом (www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm) с фактическими векторами начала и продолжительности запаха после стандартных процедур обработки. Значительная активация, связанная с запахом, была обнаружена в двусторонней первичной обонятельной коре, правая инсуLar cortex, правая супрамаргинальная / угловая извилина, левое хвостовое ядро ​​и левая постцентральная / супрамаргинальная извилина (исправлена ​​семейная ошибка, p <0,05, порог степени = 6 вокселей).

Рисунок 1
Рисунок 1 : Принципиальная схема экспериментальной установки. MRI-совместимые элементы, размещенные в магнитной комнате, подключены к консоли MRI и ольфактометровому шкафу, размещенному в диспетчерской через панель проникновения с волноводом в стене, который отделяет две комнаты. Нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

фигура 2
фигура 2 Нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 3
Рисунок 3 : Образцы дыхательных диаграмм. (A) Примерная траектория дыхания, когда датчик дыхания не настроен должным образом; Плато дыхания и становятся нерегулярными. (B) Репрезентативная картина регулярного дыхания, зарегистрированная с правильно установленным датчиком дыхания; В этом случае респираторОбразцы рациона согласуются с пиками уровня, и доставка запаха может быть синхронизирована с ингаляцией. Нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 4
Рисунок 4 : Пример карты активации мозга. Здоровый субъект отреагировал на моделирование запаха лаванды, вызванное дыханием (исправлена ​​семейная ошибка, p <0,05, порог степени = 6 вокселей). Значительная активация включает правую первичную обонятельную кору (POC, MNI-координаты x = 20, y = 6, z = -14), левый POC (x = -22, y = 4, z = -10), правый островковой коры (x = 46, y = 20, z = -10), правая супрамаргинальная / угловая извилина (x = 66, y = -48, z = 28), левое хвостатое ядро ​​(x = -14, y = 6, z = 10) И левый постцентральный / супрамаргинаL gyrus (x = -66, y = -24, z = 20). Нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.


одорант Пахнет как Соединение Тригеминальная стимуляция растворитель
Ацетальдегид 29 Зеленый, сладкий просто нет вода
Аммиак 29 Мощный, чистый просто да вода
Амилацетат 30 Банан, яблоко просто Некоторые вода
Н-бутанол 31,32 Легко алкогольный просто нет вода
Н-бутилацетат 31 Сладкий и фруктовый просто да вода
Масляная кислота 33 Кислый, прогорклый просто да вода
Citral 30,33 Лимон просто Некоторые вода
Двуокись углерода 34,35 непахнущий просто да N / A
Этилбутират 30 Ананас просто да вода
Эвкалиптол 35 эвкалипт просто да Спирт этиловый
Eugenol 33,36 Гвоздика пряная просто нет Спирт этиловый
Geraniol Сладкая роза, цветочный просто нет Спирт этиловый
Гидросульфиновая кислота 34,36 Тухлые яйца просто нет вода
Лаванда 24,37 лаванда Сложный нет Спирт этиловый
Ментол 33 мятный просто да Спирт этиловый
Метилсалицилат 33 Мороженое Wintergreen просто да Спирт этиловый
Пачули 38 Мокрый грунт Сложный да Спирт этиловый
1-пропанол 31 Медицинский спирт просто да Спирт этиловый
Фенольный спирт 36,39 Роза просто Спирт этиловый
Масло розмарина 38 Розмари Сложный да Спирт этиловый
Двуокись серы 29 Раздражающий, острый просто да вода
Valeric Acid 33 Сыр сытый просто да вода
Ванилин 29 ваниль просто нет Спирт этиловый
Иланг Иланг 38 Цветочные духи Сложный да Спирт этиловый
*** См. Конец рукописи для ссылок

Таблица 1: Общие одоранты, используемые в обонятельных исследованиях ФМР .

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Экспериментальные процедуры следует тщательно рассмотреть и правильно выполнить для сбора надежных данных об активации обонятельной системы. Критические этапы в протоколе включают в себя реализацию парадигмы, вызванной дыханием, для синхронизации доставки запаха с получением изображения, подготовки правильных концентраций одорантов для контроля психофизических реакций, настройки ольфактометра с надежным стабильным сигналом дыхания и постоянным потоком воздуха и последующего дыхания И временные данные администрирования запаха с использованием ONSET для ретроспективной корректировки векторов начала запаха. Смешивающие переменные, такие как привыкание, психофизический отклик и образцы дыхания, необходимо учитывать при разработке парадигмы и анализе данных. Когда субъект подвергается воздействию длительного запаха, активация первичной обонятельной коры уменьшается в течение нескольких секунд после воздействия, что делает необходимым использование связанной с событиями парадигмы с последовательностью кратких введенийОдорантов. Обнюхивание также следует тщательно контролировать, так как оно может вызвать активацию в пиритовой коре даже без запаха 8 . Самое главное, что дыхание является основной смешающей переменной, если оно не синхронизируется с введением одоранта. Мы показали, что синхронизация начала ингаляции и запаха с парадигмой, вызванной дыханием, обеспечивает более надежную активацию 15 .

Наиболее распространенная проблема с методом свободного дыхания fMRI - это плохая синхронизация между событием доставки запаха и ингаляцией, которое может быть вызвано тремя недостатками экспериментальной установки. Во-первых, и чаще всего датчик дыхания не настроен должным образом. Когда грудной пояс слишком плотный, сигнал дыхания будет плато, что приведет к плохой синхронизации. Во-вторых, время «задержки клапана» недостаточно хорошо откалибровано, что может привести к тому, что доставка запаха будет слишком ранней или слишком поздней в дыхании.НКА. В-третьих, картина дыхания субъекта не является последовательной после калибровки времени «задержки клапана». Таким образом, важно провести предварительное сканирование для субъекта, которое нормально дышит в магните, и тщательный контроль за характером дыхания во время МРТ-сканирования.

Важно учитывать интенсивность, валентность и стимуляцию тройничного нерва при выборе одорантов для исследования, поскольку эти переменные могут вызывать различные типы психофизических реакций и связанную с ними активацию fMRI. Например, слабая интенсивность может вызвать тенденцию обнюхивать, тогда как сильная интенсивность может вызвать непроизвольное дыхание или более быстрое привыкание. Показано, что интенсивность запаха коррелирует с активацией в головном мозге 20 . Альтернативная парадигма состояла из четырех концентраций лаванды, представленных в увеличении интенсивности на протяжении всего эксперимента, что эффективно уменьшало привыкание 21 . Валентность одорыNt также активирует различные области мозга, что необходимо учитывать для интерпретации данных 22 . Например, одно исследование продемонстрировало расходящиеся временные профили через валентность 16 запаха. Кроме того, многие одоранты имеют различную степень стимуляции тройничного нерва, что следует учитывать.

Важно признать, что эта парадигма свободного дыхания не обязательно подходит для всех обонятельных исследований МРТ. Он представляет собой лишь пример особых соображений, которые важны для обонятельных исследований ФМР. Важно также отметить, что экспериментальные процедуры, показанные в этом отчете, не являются специфическими для используемого ольфактометра. Это оборудование может быть заменено любым олифактометром с аналогичными возможностями. Например, у ольфактометра должны быть возможности мониторинга дыхания, а также возможность выполнять парадигму, вызванную дыханием, с несколькими источниками запаха. AdditionaВ то время как этот эксперимент был представлен с использованием лаванды, другие одоранты могут быть замещены исследователем, хотя важно минимизировать смешающие переменные, такие как стимуляция тригеминала и концентрация одорантов.

Этот метод свободного дыхания fMRI направлен на удаление предварительной кондиции центральной обонятельной системы и уменьшение несогласованности между повторяющимися событиями стимуляции запаха. Предварительная подготовка центральной обонятельной системы может варьироваться от субъекта к субъекту, что может вызвать изменения активации в первичных обонятельных структурах. Консистенция повторяющихся событий, например стимулов запаха для инициирования активации центральной обонятельной системы, имеет решающее значение для успешного выполнения связанных с событиями протоколов fMRI. Кроме того, при использовании метода свободного дыхания во время выполнения обонятельных парадигм РМР не может быть никаких реплик или задач для испытуемых. Поскольку это требует минимальных усилий от субъекта во время функциональныхСбора данных, он может стать ценным инструментом для изучения обонятельного дефицита в некоторых популярных нейродегенеративных расстройствах и заболеваниях, например болезни Альцгеймера.

Недавние исследования использовали обонятельную МРТ для изучения очагов активации мозга при нейродегенеративных нарушениях. Ольфакторный дефицит нейродегенеративных заболеваний, особенно болезни Альцгеймера и болезни Паркинсона, включает в себя трудности с обнаружением запаха, распознаванием и идентификацией 3 , 23 . Однако, хотя обонятельный дефицит является отчетливым показателем на самых ранних стадиях начала заболевания, потеря обонятельной функции часто остается незамеченной или объясняется нормальным возрастным снижением 1 , 23 . Поэтому важно продолжить изучение различных форм активации, связанных с обонятельной дисфункцией при таких заболеваниях, чтобы лучше диагностировать tКромка ранний. При болезни Альцгеймера закономерности активации значительно снижаются в первичной обонятельной коре, а также гиппокампе и изолинии по сравнению с здоровыми, согласованными с возрастом контролями 24 . Кроме того, исследователи обнаружили, что у пациентов с болезнью Паркинсона амигдала и таламус проявляют меньшую активность, чем при здоровом контроле, тогда как более высокая активация наблюдается в таких областях, как левая нижняя лобная извилина по сравнению с контрольными 2 . Дополнительные исследования демонстрируют гиперактивацию в пироформной и орбитофронтальной коре у пациентов с болезнью Паркинсона 25 . Такие различные формы активации, по-видимому, выходят за рамки структурной патологии, тем самым подтверждая важность получения функциональных данных в понимании и диагностике нейродегенеративных нарушений и требующих нововведений в точности и чувствительности обонятельного fMRI.

По этой причине дальнейшая оценкаУмирает от обонятельной системы человека с помощью МРТ, может иметь потенциал для разработки биомаркера для ранней диагностики нейродегенеративных заболеваний. Фактически, исследования уже прогрессируют, включая демонстрацию чувствительности к уровням активации между нормальным старением и пациентами с болезнью Альцгеймера 24 , 26 . Одно из таких исследований показало, что разрушение нейронной сети часто обнаруживается еще до того, как когнитивные дефициты проявляются в некоторых нейродегенеративных заболеваниях 27 . Это еще раз подчеркивает важность обонятельного исследования МРТ как потенциального инструмента для ранней диагностики таких заболеваний. Доказательства также свидетельствуют о существовании крупномасштабных изменений обонятельной сети в болезни Альцгеймера в дополнение к изменениям, наблюдаемым в конкретных обонятельных областях, что подчеркивает важность дальнейшего изучения функциональной связности обоняния 28 . SensАктивность уровней обонятельной активации в качестве биомаркера зависит от чувствительности к стимуляции запаха и экспериментальной воспроизводимости, что подчеркивает важность надежности при картировании обонятельной системы. В совокупности пример, представленный в этом документе, дает представление о способах эффективного использования обонятельной МРМТ для понимания сложностей центральной обонятельной системы и клинической значимости этого понимания.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Авторам нечего раскрывать.

Acknowledgments

У авторов нет подтверждений.

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 

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. 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).
  2. Hummel, T., et al. Olfactory FMRI in patients with Parkinson's disease. Front Integr Neurosci. 4, 125 (2010).
  3. 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).
  4. 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).
  5. Vasterling, J. J., Brailey, K., Sutker, P. B. Olfactory identification in combat-related posttraumatic stress disorder. J Trauma Stress. 13, (2), 241-253 (2000).
  6. Anderson, A. K., et al. Dissociated neural representations of intensity and valence in human olfaction. Nat Neurosci. 6, (2), 196-202 (2003).
  7. 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).
  8. Sobel, N., et al. Sniffing and smelling: separate subsystems in the human olfactory cortex. Nature. 392, (6673), 282-286 (1998).
  9. 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).
  10. 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).
  11. Boley, J. C., Pontier, J. P., Smith, S., Fulbright, M. Facial changes in extraction and nonextraction patients. Angle Orthod. 68, (6), 539-546 (1998).
  12. Furman, J. M., Koizuka, I. Reorientation of poststimulus nystagmus in tilted humans. J Vestib Res. 4, (6), 421-428 (1994).
  13. Loevner, L. A., Yousem, D. M. Overlooked metastatic lesions of the occipital condyle: a missed case treasure trove. Radiographics. 17, (5), 1111-1121 (1997).
  14. 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).
  15. Wang, J., Sun, X., Yang, Q. X. Methods for olfactory fMRI studies: Implication of respiration. Hum Brain Mapp. 35, (8), 3616-3624 (2014).
  16. 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).
  17. 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).
  18. Wang, J., et al. Olfactory Habituation in the Human Brain. Proc Intl Soc Mag Res Med. 20, 2150 (2012).
  19. Grunfeld, R., et al. The responsiveness of fMRI signal to odor concentration). Proc. 27th Annual Meeting ACHEMS, A237-A238 (2005).
  20. Jia, H., et al. Functional MRI of the olfactory system in conscious dogs. PLoS One. 9, (1), e86362 (2014).
  21. 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).
  22. Royet, J. P., et al. Functional neuroanatomy of different olfactory judgments. Neuroimage. 13, (3), 506-519 (2001).
  23. Doty, R. L. Influence of age and age-related diseases on olfactory function. Ann N Y Acad Sci. 561, 76-86 (1989).
  24. Wang, J., et al. Olfactory deficit detected by fMRI in early Alzheimer's disease. Brain Res. 1357, 184-194 (2010).
  25. Moessnang, C., et al. Altered activation patterns within the olfactory network in Parkinson's disease. Cereb Cortex. 21, (6), 1246-1253 (2011).
  26. Vasavada, M. M., et al. Olfactory cortex degeneration in Alzheimer's disease and mild cognitive impairment. J Alzheimers Dis. 45, (3), 947-958 (2015).
  27. 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).
  28. 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).
  29. Hummel, T., Kobal, G. Differences in human evoked potentials related to olfactory or trigeminal chemosensory activation. Electroen Clin Neuro. 84, (1), 84-89 (1992).
  30. 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).
  31. Cain, W. S. Contribution of the trigeminal nerve to perceived odor magnitude. Ann NY Acad Sci. 237, 28-34 (1974).
  32. 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).
  33. 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).
  34. Kobal, G., Hummel, T. Olfactory and intranasal trigeminal event-related potentials in anosmic patients. Laryngoscope. 108, (7), 1033-1035 (1998).
  35. 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).
  36. Yousem, D. M., et al. Gender effects on odor-stimulated functional magnetic resonance imaging. Brain Res. 818, (2), 480-487 (1999).
  37. Koulivand, P. H., Ghadiri, M. K., Gorji, A. Lavender and the nervous system. Evid Based Compl Alt Med. 2013, Article ID 681304 (2013).
  38. Yousem, D. M., et al. Functional MR imaging during odor stimulation: Preliminary data. Neuroradiology. 204, (3), 833-838 (1997).
  39. Hummel, T., Doty, R. L., Yousem, D. M. Functional MRI of intranasal chemosensory trigeminal activation. Chem Senses. 30, (suppl. 1), i205-i206 (2005).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please sign in or create an account.

    Usage Statistics