Author Produced

Eine frei atmende fMRI-Methode zur Untersuchung der menschlichen olfaktorischen Funktion

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

Wir stellen die technischen Herausforderungen und Lösungen für den Erhalt zuverlässiger funktioneller Magnetresonanztomographie (fMRI) Daten aus dem menschlichen zentralen olfaktorischen System vor. Dazu gehören besondere Überlegungen im olfaktorischen fMRI-Paradigmen-Design, Beschreibungen der fMRI-Datenerfassung mit einem MRI-kompatiblen Olfaktometer, Odorant-Auswahl und einem speziellen Software-Tool für die Daten-Nachbearbeitung.

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

Das Studium der menschlichen Olfusion ist ein hochkomplexes und wertvolles Feld mit Anwendungen von der biomedizinischen Forschung bis zur klinischen Evaluation. Derzeit ist die Auswertung der Funktionen des menschlichen zentralen olfaktorischen Systems mit funktioneller Magnetresonanztomographie (fMRI) aufgrund vieler technischer Schwierigkeiten immer noch eine Herausforderung. Es gibt einige signifikante Variablen, die bei der Betrachtung einer wirksamen Methode zur Abbildung der Funktion des zentralen olfaktorischen Systems unter Verwendung von fMRI berücksichtigt werden, einschließlich der richtigen Odorantauswahl, der Wechselwirkung zwischen Geruchsdarstellung und Atmung und der möglichen Vorwegnahme oder Gewöhnung an Geruchsstoffe. Eine ereignisbezogene, atmungsgesteuerte olfaktorische fMRI-Technik kann die Geruchsstoffe genau anregen, um das olfaktorische System zu stimulieren und gleichzeitig mögliche Störungen zu minimieren. Es kann effektiv die genauen Onsets von fMRI-Signalen in der primären olfaktorischen Kortex mit unserer Daten nach der Verarbeitung Methode zu erfassen. Die Technik vorHier finden Sie ein effizientes und praktisches Mittel zur Erstellung zuverlässiger olfaktorischer fMRI-Ergebnisse. Eine solche Technik kann letztlich im klinischen Bereich als diagnostisches Werkzeug für Krankheiten angewendet werden, die mit einer olfaktorischen Degeneration, einschließlich der Alzheimer- und Parkinson-Krankheit, verbunden sind, da wir beginnen, die Komplexität des menschlichen Geruchsystems weiter zu verstehen.

Introduction

Das menschliche olfaktorische System wird viel mehr als ein sensorisches System verstanden, da die Orangenheit auch eine wichtige Rolle bei der homöostatischen Regulation und Emotionen spielt. Klinisch ist bekannt, dass das menschliche olfaktorische System anfällig für Angriffe vieler vorherrschender neurologischer Erkrankungen und psychiatrischer Erkrankungen wie Alzheimer-Krankheit, Parkinson-Krankheit, posttraumatischer Belastungsstörung und Depression 1 , 2 , 3 , 4 , 5 ist . Derzeit ist die funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRI) mit dem Blut-Sauerstoff-Niveau-abhängigen (BOLD) -Kontrast die wertvollste Technik für die Abbildung von Funktionen des menschlichen Gehirns. In dieser Technik wurde ein erheblicher Wissenswert über spezifische Funktionen zentraler olfaktorischer Strukturen ( zB piriforme Kortex, orbitofrontale Kortex, Amygdala und Inselrinde) erworbenIque 6 , 7 , 8 , 9 , 10

Die Anwendung von fMRI auf Studien des menschlichen zentralen olfaktorischen Systems und damit verbundenen Krankheiten wurde jedoch durch zwei große Hindernisse behindert: schnelle Gewöhnung des BOLD-Signals und variable Modulation durch Atmung. Im Alltag, wenn sie für einen Zeitraum von einem Riechstoff ausgesetzt sind, haben wir schnell den Duft gewohnt. In der Tat, wenn man mit olfaktorischem fMRI studiert, wird das geruchsinduzierte fMRI-Signal durch Gewöhnung schnell abgeschwächt, was eine Herausforderung für die Stimulations-Paradigmen-Designs 8 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 darstellt . Das anfängliche signifikante BOLD-Signal im primären olfaktorischen Kortex bleibt nur bestehenS für einige Sekunden nach dem geruchlichen Beginn. Daher sollten olfaktorische fMRI-Paradigmen längere oder häufige Geruchsstimulationen in kurzer Zeit vermeiden. Um den Gewöhnungseffekt zu reduzieren, haben einige Studien versucht, abwechselnde Gerüche in einem fMRI-Paradigma zu präsentieren. Dieser Ansatz kann jedoch die Datenanalyse erschweren, da jedes Odorant als ein unabhängiges Stimulationsereignis behandelt werden kann.

Ein weiteres technisches Problem ergibt sich aus der Variabilität der Atmungsmuster der Subjekte; Inhalation synchronisiert sich nicht immer mit einer geruchlosen Verabreichung während eines Festzeit-Paradigmas. Der Beginn und die Dauer der olfaktorischen Stimulation werden durch die Atmung jedes Individuums moduliert, was die Datenqualität und -analyse von fMRI verwechselt. Einige Studien haben versucht, dieses Problem mit visuellen oder auditiven Stichwörtern zu mildern, um Atmung und Geruchsbefall zu synchronisieren, aber die Einhaltung von Themen ist variabel, vor allem in der klinischen Population. Die Gehirnaktivierungen assoziiert wiDiese Cues könnten auch die Datenanalyse in bestimmten Anwendungen komplizieren. Somit kann die Synchronisierung Inhalation mit Riechstoff Lieferung von entscheidenden Bedeutung seines für olfaktorischen fMRI 15 Studien.

Eine zusätzliche Betrachtung, die für das olfaktorische fMRI entscheidend ist, insbesondere im Datenanalyseverfahren, ist eine Geruchsauswahl. Die Suche nach einer geeigneten Odorierungskonzentration in Bezug auf die wahrgenommene Intensität ist wichtig für die Quantifizierung und den Vergleich von Aktivierungsniveaus im Gehirn unter verschiedenen experimentellen Bedingungen oder Krankheiten. Die Geruchsauswahl muss auch die Geruchsvalenz oder die Annehmlichkeit berücksichtigen. Dies ist bekannt, um divergierende zeitliche Profile im olfaktorischen Lernen 16 , 17 zu verursachen . Lavendelgeruch wurde für diese Demonstration teilweise aus diesem Grund gewählt. Je nach dem Zweck einer bestimmten Studie können verschiedene Geruchsstoffe bessere Entscheidungen treffen. Darüber hinaus muss die Trigeminusstimulation minimiert werden, um zu reduzierenE Aktivierung nicht direkt mit der Auflösung verknüpft 18 .

In diesem Bericht zeigen wir eine fMRI-Technik zur Einrichtung und Durchführung eines respirationsgesteuerten Paradigmas mit einem Olfaktometer in der Magnetresonanzumgebung. Wir stellen auch ein Nachbearbeitungswerkzeug vor, das einige Zeitfehler beeinträchtigen kann, die bei der Datenerfassung aufgetreten sind, um die Datenanalyse weiter zu verbessern.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Das folgende experimentelle Protokoll folgte den Richtlinien des Institutional Review Board der Pennsylvania State University College of Medicine, und das menschliche Subjekt gab schriftlich informierte Zustimmung vor der Teilnahme an der Studie.

Anmerkung: Zur Demonstration wird ein einfaches Geruchsstimulations-Paradigma mit einem handelsüblichen MRI-kompatiblen Olfaktometer vorgestellt. Dieses Paradigma hat sich bewährt bei der Verringerung der Gewöhnungseffekt und hat zuverlässige olfaktorische fMRI Daten 15 produziert . Bestimmte Schritte, die in diesem Protokoll beschrieben werden, können spezifisch für die Art des verwendeten Olfaktometers sein. Jedoch kann jede Art von Ausrüstung, die selbstgemacht oder im Handel mit ähnlichen Fähigkeiten erhältlich ist, in analoger Weise verwendet werden. Das Olfaktometer muss in der Lage sein, die Atmung zu überwachen und eine Sequenz von Gerüchten mit präzisen Timing zu präsentieren. Stellen Sie sicher, dass das gesamte Geruchsabgabesystem (einschließlich derOlfaktometer) besteht aus Materialien, die gegenüber geruchshemmenden Chemikalien ( z. B. Glas und Polytetrafluorethylen) inert sind, und der Geruchsweg ist glatt und luftdicht mit minimalem Totraum.

1. Paradigma Design

  1. Erstellen Sie ein neues Paradigma, indem Sie die Luftstromventilsequenz auf einem programmierbaren Olfaktometer angeben.
    HINWEIS: Die Ventilsequenz ist die Reihenfolge und das Timing des Öffnens und Schließens von spezifischen Luftkanälen, die unterschiedliche Konzentrationen oder Arten von Geruchsstoffen enthalten. Bei dieser Demonstration wurde jedes der Ventile für die sechs Kanäle zweimal für insgesamt zwölf Geruchslieferungen geöffnet. Immer wenn ein Ventil offen war, wurden alle anderen Ventile geschlossen, und jedes Ventil wurde erst wieder geöffnet, nachdem alle anderen Ventile schon einmal geöffnet hatten.
    1. Zuordnen der Dauer für den Stimulus (das Öffnen eines bestimmten Kanals) sowie die Dauer des zu schließenden Kanals.
      HINWEIS: Bei dieser Demonstration war die Dauer für die Geruchsdarstellung 6 s, währendDie Dauer für die zu schließenden Kanäle variiert von 22 s bis 38 s.
    2. Legen Sie die Anzahl der Wiederholungen für die Reihenfolge des Ventils öffnet und schließt. Hier ist die Anzahl der Wiederholungen 1.
    3. Interleave jede Duft-Präsentation mit einer Präsentation von geruchloser Luft bei der gleichen Durchflussrate. Zum Beispiel den Luftstrom mit oder ohne Geruch bei einer Durchflussmenge von 6 l / min bei 50% relativer Feuchtigkeit und Raumtemperatur bei 22 ° C abgeben.
      HINWEIS: Dies ist wichtig, da Variationen im Luftstrom zu taktiler Empfindung führen können.

2. Odorant Vorbereitung

  1. Wählen Sie ein richtiges Geruch für das Geruchsstimulations-Paradigma, indem Sie die Geruchsvalenz, die Annehmlichkeit, die Intensität, die Vertrautheit und die Trigeminuskomponente berücksichtigen (siehe Tabelle 1 ).
    Anmerkung: Tabelle 1 listet einige häufig verwendete Geruchsstoffe auf. Lavendel Geruch wurde für diese Demonstration gewählt, weil es minimale trigeminale Stimulation bei niedrigen bis mäßigen co hatNcentrations und wird allgemein als angenehm und vertraut empfunden.
  2. Wählen Sie ein geeignetes Lösungsmittel ( z. B. Wasser, Mineralöl, 1,2-Propandiol, Ethanol), um die Geruchslösungen herzustellen.
    HINWEIS: Hier wurde 1,2-Propandiol als Lösungsmittel für die Geruchslösung verwendet.
  3. Wählen Sie eine richtige Duftstoffkonzentration für das Geruchsstimulations-Paradigma. Zum Beispiel verdünntes Lavendelöl in 1,2-Propandiol bei 0,10% (Volumen / Volumen) Konzentration für die olfaktorische Stimulation 19 .
    ANMERKUNG: Dies kann durch eine psychophysische Bewertung einer Reihe von verschiedenen Konzentrationen durch eine Gruppe von normalen Themen erfolgen.
  4. Setzen Sie die richtigen Geruchslösungen in die Duftstoffbehälter. Stellen Sie sicher, dass alle Behälter die gleiche Menge an Platz haben, gleiche Menge an Lösung und die gleiche Oberfläche für die Lösung. Verwenden Sie zum Beispiel sechs Trinkflaschen mit 300 ml Größe als Duftstoffbehälter, wobei jede Flasche 50 ml 0,10% Lavendelöllösung enthält.
  5. Verbinden Sie aLl die Duftstoffbehälter zu den richtigen Kanälen zur Geruchslieferung.

3. Olfaktometer Aufstellung

  1. Überprüfen Sie die Anschlüsse, um sicherzustellen, dass alle Riechstoffbehälter ordnungsgemäß am Riechstoffträger befestigt sind. Nicht zu fest anziehen, da dies die Dichtung beschädigen kann. Die richtige Dichtheit wird in einem späteren Schritt gewährleistet, indem der Luftstrom durch jeden Riechstoffbehälter überprüft wird.
  2. Legen Sie den Duftstoffträger in den Magnetraum und verbinden Sie jeden Schlauch mit dem Olfaktometer außerhalb des Raumes, da das Hauptgerät nicht MR-kompatibel ist. Achten Sie auf eventuelle Knicke im Schlauch, da dies den Luftstrom beeinflusst. Der Luftstrom jedes Kanals wird in einem späteren Schritt überprüft.
  3. Sichern Sie alle Röhren vom Olfaktometer an den Riechstoffträger, indem Sie die Nummern an die richtigen Anschlüsse anpassen. Für die Genauigkeit, Farb-Code die Röhren, so dass rosa für Kanal 1, blau für Kanal 2, etc.
  4. Vergewissern Sie sich, dass der Luftstrom durch alle Kanäle durch den Anschluss eines Durchflusses beständig istMeter zum Ausgangsende des Schlauches. Manuell öffnen Sie jeden Kanal auf dem Bedienfeld des Olfaktometers, stellen Sie den gesamten Luftstrom sowie die Durchflussraten jedes Kanals und der Spülleitung ein, bis die Durchflussrate jedes Kanals konsistent ist.
  5. Verbinden Sie die Gesichtsmaske oder das Nasenstück mit dem Duftstoffträger mit Polytetrafluorethylen (PTFE) -Röhrchen. Vergewissern Sie sich, dass der Luftstrom ( zB 6 L / min), der an das Motiv geliefert wird, bei der Umschaltung der Kanäle konsistent ist.
  6. Verbinden Sie den Hochfrequenz-Trigger vom MRI-System mit dem "Trigger in" -Anschluss am Olfaktometer, um das Geruchsstimulations-Paradigma und die fMRI-Bildaufnahme zu synchronisieren. Ein optisch-elektrischer Signalwandler kann erforderlich sein.
  7. Stellen Sie den gesamten Luftstrom und die Durchflussraten für jeden Kanal und die Spülleitung auf die ausgelegten Mengen ein. Beispielsweise beträgt ein Gesamtluftstrom von 6 l / min und die Durchflussraten für jeden Kanal und die Spülleitung 3 l / min.
  8. Verbinden Sie die pneumatische respiratorische SensoR-Riemen an den Ansprechport des Olfaktometers über die pneumatisch-elektrische Signalwandlerbox.
  9. Wenn eine subjektive Antwort erforderlich ist, schließen Sie das pneumatische Ansprechfeld über die pneumatisch-elektrische Signalwandlerbox an den Ansprechanschluss des Olfaktometers an.

4. Experimentelles Verfahren

  1. Führen Sie eine Vor-Screening durch, um sicherzustellen, dass das MRT-Verfahren für das Thema sicher ist.
    1. Fragen Sie das Thema über die Anamnese, einschließlich potenzieller Implantate, Klaustrophobie oder andere vorbestehende Zustände, die die Fähigkeit des Subjekts beeinträchtigen können, sich sicher an der fMRI-Studie zu beteiligen. Zusätzlich führen Sie einen Geruchsschwellen-Test der Geruchsstoffe durch, um sicherzustellen, dass das Subjekt die Geruchsstoffe während des Experiments riechen kann.
  2. Lassen Sie das Thema auf dem MRI-Untersuchungsbett liegen. Legen Sie die Gesichtsmaske oder das Nasenstück richtig auf das Motiv, um Luft in die Nasenlöcher zu bringen. Stellen Sie den Atmungssensor entweder auf tEr Brust oder Bauch. Fragen Sie das Thema, um normal zu atmen. Manuelles Einstellen der Dichtheit und Platzierung des Gürtels, der den Atemsensor hält, entsprechend dem Atmungsmuster, das auf dem Olfaktometer-Display zu sehen ist.
  3. Erstellen Sie einen Datenordner, um die Atemdaten im Olfaktometer aufzuzeichnen. Klicken Sie auf "Dateimanager", geben Sie die Betreff-ID ein, die dem aktuellen Betreff zugewiesen ist, und bestätigen Sie dann die Eingabe.
  4. Verwenden Sie die Option "Paradigmenprüfung", um die Synchronisation von Geruchsabgabe und Inhalation ohne Stimulusabgabe zu testen und ggf. die "Ventilverzögerungszeit" manuell einzustellen, um sicherzustellen, dass der Beginn der Geruchsabgabe mit der Inhalationsphase des Patienten synchronisiert wird.
  5. Setzen Sie die Synchronisation zwischen Geruchsstimulation und fMRI-Bilderfassung durch Auswahl von "Trigg-In" -Modus auf der Steuereinheit des Olfaktometers.
    Hinweis: Damit kann das Geruchsstimulations-Paradigma mit einem externen Trigger über die "Trigger in "Port aus dem MRI-System stammt. So wird das Paradigma nicht laufen, bis der externe Trigger vom Scanner empfangen wird. Bitte beachten Sie, welche Art von Trigger-Puls (elektrisch oder Licht), die der MRT-Scanner aussendet. Zur Verknüpfung der beiden Systeme kann ein Signalwandler benötigt werden.
  6. Aktivieren Sie den Atmungsauslöser, indem Sie auf der Steuereinheit des Olfaktometers "resp trigger start" wählen.
    Hinweis: Wenn aktiviert, wird der Start jedes Paradigmensequenzelements mit dem Inhalieren synchronisiert. Dies kann empirisch erreicht werden, indem die Geruchsabgabe etwa die Hälfte eines Atomzyklus vom Beginn der Ausatmungsphase verzögert wird.
  7. Starten Sie die fMRI-Bilderfassung auf der MRI-Konsole. Das Geruchsstimulations-Paradigma beginnt, sobald die Bildaufnahme beginnt. Überwachen Sie das Atmungsmuster für jede unregelmäßige Atmungsaktivität.
    Anmerkung: Unregelmäßige Atmungsaktivität kann in Form von Plateaus, breiter und längerer Zyklen vorliegen, oderUnregelmäßige Wellen Hier wurde für die fMRI-Bilderfassung mit 2.000 ms Wiederholungszeit, 30 ms Echozeit, 90 ° Flipwinkel, 220 mm × 220 mm Sichtfeld, eine BOLD-signalempfindliche T 2 * -gewichtete Echoplanar-Bildsequenz verwendet × 80 Erfassungsmatrix, 30 4 mm dicke Axialscheiben und Beschleunigungsfaktor von 2 für integrierte parallele Bildgebungsverfahren.
  8. Nach Beendigung des Imaging-Protokolls, bewegen Sie das Motiv aus dem Magneten und entfernen Sie die Gesichtsmaske / Nase Stück.

5. Olfaktometer Aufräumen

  1. Schalten Sie die Luftpumpe aus. Die Duftstoffbehälter vom Duftstoffträger abziehen und mit sauberen, leeren ersetzen.
  2. Schalten Sie die Luftpumpe ein. Spülen Sie jeden Kanal mit geruchloser Luft für 5 min, um restliche Geruchsstoffe in der Luftleitung zu entfernen.
  3. Schalte das Olfaktometer herunter.
  4. Desinfizieren Sie das Nasenstück oder die Gesichtsmaske mit Alkoholtüchern. Spülen Sie die Gesichtsmaske oder Nase Stück mit warmem Wasser und dann lufttrocknen.
  5. 6. Datenanalyse

    1. Um die Daten zu verarbeiten, laden Sie die Atmungsdatendatei in die Open-Source-Software. Olfactory Network Stimulation Editing Tool (ONSET) (www.pennstatehershey.org/web/nmrlab/resources/software/onset) 15
      Hinweis: Die ONSET Software wurde von Xiaoyu Sun entwickelt. Onsets der Geruchsstimulation, die auf dem Timing des Paradigmas und der Atmungsspur basiert, wird automatisch erkannt. Der eigentliche Stimulationsvektor ist definiert als die Startzeit jeder effektiven Inhalation während der Geruchsabgabe.
      1. Messen und vergleichen Sie die Atmungsrate und das Volumen (die Fläche unter jedem Inhalations- und Ausatmungsphasenpaar) zwischen Geruch und geruchlosen Perioden 15 .
        HINWEIS: Es sollte kein signifikanter Unterschied in diesen Atemparametern zwischen Geruch und geruchlosen Perioden bestehen.
      2. Verarbeiten Sie die fMRI-Daten mit den tatsächlichen Einsetz- und Dauervektoren von ONSET für die Aktivierung des zentralen olfacTory system 15

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Abbildung 1 zeigt den Aufbau von olfaktorischen fMRI innerhalb und außerhalb des Magnetraums unter Berücksichtigung der MR-Kompatibilität. Abbildung 2a zeigt ein standardmäßiges Festzeit-Paradigma, während Abbildung 2b ein Paradigma zeigt, in dem der "Atmungsauslöser" die Synchronisation der Geruchsabgabe und des Inhalierens ermöglicht.

Ein regelmäßiges Atmungsmuster mit klaren Inhalationsspitzen ist entscheidend für die Umsetzung eines genauen respirationsgetriggerten Paradigmas. Somit ist die Einstellung des Atmungssensors ein wichtiger Schritt beim Experimentieren. Abbildung 3 zeigt Probenatmungsspuren, wenn der Atmungssensor falsch aufgebaut wurde ( Abbildung 3a ) und korrekt ( Abbildung 3b ). Wenn die respiraDass das Olfaktometer nicht in der Lage ist, das Atmungsmuster genau zu bestimmen, und die Geruchsdarstellung kann nicht mit der Inhalation des Patienten synchronisiert werden.

Mit einem atmungsgesteuerten Geruchsstimulations-Paradigma variieren die Einsetz- und Dauervektoren für die Geruchsstimulation unter den Probanden. Um die olfaktorischen fMRI-Daten zu analysieren, können die tatsächlichen Anfangs- und Dauervektoren mit ONSET bestimmt werden, und die fMRI-Daten können nach Standardverfahren mit diesen Vektoren verarbeitet werden. Abbildung 4 zeigt eine Stichprobe-Hirnaktivierungskarte, die auf eine von der Open-Source-Software SPM8 (www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm) verarbeitete Atmungs-ausgelöste Geruchsstimulation reagiert, mit tatsächlichen Geruchsbeginn- und Dauervektoren nach Standardverarbeitungsprozeduren. In der bilateralen primären olfaktorischen Kortex wurde eine signifikante geruchsbezogene Aktivierung festgestelltHölle, rechter Supramarginal / Winkelgyrus, linker Nucleus caudatus und linker postzentraler / supramarginaler Gyrus (familienweiser Fehler korrigiert, p <0,05, Ausmaßschwelle = 6 Voxel).

Abbildung 1
Abbildung 1 : Schematische Darstellung für den Versuchsaufbau MRI-kompatible Elemente, die in den Magnetraum platziert sind, sind mit der MRI-Konsole und dem Olfaktometer-Box verbunden, der in der Leitwarte untergebracht ist, durch eine Durchdringungsplatte mit einem Wellenleiter in der Wand, die die beiden Räume trennt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Figur 2
Figur 2 Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Abbildung 3
Abbildung 3 : Atemwegsdiagramme. (A) Ein Beispiel Atmungsspur, wenn der Atmungssensor nicht richtig eingerichtet ist; Das Atmungsmusterplateau und unregelmäßig werden. (B) Ein repräsentatives regelmäßiges Atmungsmuster, das mit einem korrekt platzierten Atmungssensor aufgezeichnet wurde; In diesem Fall die respiRation Muster sind mit Level Peaks konsistent, und Geruch Lieferung kann mit Inhalation synchronisiert werden. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Abbildung 4
Abbildung 4 : Beispiel-Hirnaktivierungskarte. Ein gesundes Subjekt reagierte auf Atmungs-ausgelöste Lavendel-Geruchs-Simulation (familienweiser Fehler korrigiert, p <0,05, Ausmaß Schwelle = 6 Voxel). Die signifikante Aktivierung umfasst den rechten primären olfaktorischen Kortex (POC, MNI-Koordinaten x = 20, y = 6, z = -14), links POC (x = -22, y = 4, z = -10), rechtsisolierter Kortex (x = (X = 66, y = -48, z = 28), linker Nucleus caudatus (x = -14, y = 6, z = 10), Und links postcentral / supramarginaL gyrus (x = -66, y = -24, z = 20). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.


Odorant Riecht wie Verbindung Trigeminusstimulation Lösungsmittel
Acetaldehyd 29 Grün, süß Einfach Nein Wasser
Ammoniak 29 Scharf, sauberer Einfach Ja Wasser
Amylacetat 30 Banane, Apfel Einfach Etwas Wasser
N-Butanol 31,32 Mild alkoholiker Einfach Nein Wasser
N-Butylacetat 31 Süß und fruchtig Einfach Ja Wasser
Buttersäure 33 Sauer, ranzig Einfach Ja Wasser
Citral 30,33 Zitrone Einfach Etwas Wasser
Kohlendioxid 34,35 Geruchlos Einfach Ja N / A
Ethylbutyrat 30 Ananas Einfach Ja Wasser
Eukalyptol 35 Eukalyptus Einfach Ja Ethanol
Eugenol 33,36 Gewürznelke, würzig Einfach Nein Ethanol
Geraniol Süße Rose, Blumen Einfach Nein Ethanol
Hydroschwefelsäure 34,36 Faulen Eiern Einfach Nein Wasser
Lavendel 24,37 Lavendel Komplex Nein Ethanol
Menthol 33 Pfefferminze Einfach Ja Ethanol
Methylsalicylat 33 Wintergreen Minze Einfach Ja Ethanol
Patchouli 38 Nasse Erde Komplex Ja Ethanol
1-Propanol 31 Reiben Alkohol Einfach Ja Ethanol
Phenethylalkohol 36,39 Rose Einfach NO Ethanol
Rosmarinöl 38 Rosmarin Komplex Ja Ethanol
Schwefeldioxid 29 Irritierend, scharf Einfach Ja Wasser
Valeric Acid 33 Ranziger Käse Einfach Ja Wasser
Vanillin 29 Vanille Einfach Nein Ethanol
Ylang Ylang 38 Blumenparfum Komplex Ja Ethanol
*** Siehe Ende des Manuskripts für Referenzen

Tabelle 1: Häufige Geruchsstoffe, die in olfaktorischen fMRI-Studien verwendet werden

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Experimentelle Verfahren sollten sorgfältig geprüft und ordnungsgemäß für die Erfassung von zuverlässigen olfaktorischen Aktivierungsdaten durchgeführt werden. Die kritischen Schritte innerhalb des Protokolls beinhalten die Implementierung eines respirationsgesteuerten Paradigmas zur Synchronisation der Geruchsabgabe mit der Bilderfassung, die Vorbereitung geeigneter Konzentrationen von Geruchsstoffen zur Kontrolle psychophysikalischer Reaktionen, die Einrichtung des Olfaktometers mit zuverlässigem stabilen Atmungssignal und konstantem Luftstrom sowie die Nachbehandlungsatmung Und Geruchsverabreichungszeitdaten unter Verwendung von ONSET, um die Geruchseinstellvektoren retrospektiv einzustellen. Verwechslungsreiche Variablen wie Gewöhnung, psychophysische Reaktion und Atmungsmuster müssen bei der Gestaltung eines Paradigmas und der Analyse von Daten berücksichtigt werden. Wenn ein Subjekt einem längeren Geruch ausgesetzt ist, nimmt die Aktivierung des primären olfaktorischen Kortex innerhalb von Sekunden nach der Exposition ab, was es notwendig macht, ein ereignisbezogenes Paradigma mit einer Sequenz von kurzen Verabreichungen zu nutzenVon odorants Schnüffeln sollte auch genau beobachtet werden, da es die Aktivierung in der piriformen Kortex auch ohne Geruch induzieren könnte 8 . Am wichtigsten ist, ist die Atmung eine wesentliche verwechselbare Variable, wenn sie nicht mit der geruchsbedingten Verabreichung synchronisiert ist. Wir haben gezeigt, dass die Synchronisation von Inhalation und Geruchsbeginn mit einem respirationsgesteuerten Paradigma eine zuverlässigere Aktivierung ergibt 15 .

Die häufigste Frage mit der frei atmenden fMRI-Methode ist die schlechte Synchronisation zwischen dem Ereignis der Geruchslieferung und der Inhalation, die durch drei Unvollkommenheiten im experimentellen Setup verursacht werden kann. Erstens und am häufigsten ist der Atmungssensor nicht richtig eingestellt. Wenn der Brustgurt zu eng ist, wird das Atmungssignal Plateau, was zu einer schlechten Synchronisation führt. Zweitens ist die "Ventilverzögerungszeit" nicht gut kalibriert, was dazu führen kann, dass die Geruchsauslieferung zu früh oder zu spät in der Atmung cy istCle. Drittens ist das Atmungsmuster des Patienten nach der Kalibrierung der "Ventilverzögerungszeit" nicht konsistent. Somit ist ein Vorabtasttraining für das Subjekt, das normalerweise im Magneten atmen, und eine genaue Überwachung des Atmungsmusters während des fMRI-Scans wichtig.

Es ist wichtig, die Intensität, die Valenz und die Trigeminusstimulation bei der Auswahl von Geruchsstoffen für die Studie zu berücksichtigen, da diese Variablen verschiedene Arten von psychophysischen Reaktionen und die damit verbundene fMRI-Aktivierung verursachen können. Zum Beispiel kann eine schwache Intensität eine Neigung zum Schnüffeln verursachen, während eine starke Intensität zu einer unwillkürlichen Atemhaltung oder einer schnelleren Gewöhnung führen kann. Geruchsintensität wird auch mit der Aktivierung im Gehirn 20 korreliert dargestellt. Ein alternatives Paradigma bestand aus vier Konzentrationen von Lavendel in zunehmender Intensität während des ganzen Experiments dargestellt, die effektiv Habituation 21 reduziert. Die Wertigkeit einer OdoraNt aktiviert auch verschiedene Bereiche des Gehirns, die bei der Dateninterpretation berücksichtigt werden müssen 22 . Zum Beispiel zeigte eine Studie divergierende zeitliche Profile durch Geruchsvalenz 16 . Darüber hinaus haben viele Geruchsstoffe unterschiedliche Grade der Trigeminus-Stimulation, die berücksichtigt werden sollten.

Es ist wichtig zu erkennen, dass dieses frei atmende Paradigma nicht unbedingt für alle olfaktorischen fMRI-Studien geeignet ist. Es gibt nur ein Beispiel für besondere Überlegungen, die für olfaktorische fMRI-Studien wichtig sind. Es ist auch wichtig zu beachten, dass die experimentellen Verfahren, die in diesem Bericht gezeigt werden, nicht spezifisch für das verwendete Olfaktometer sind. Dieses Gerät kann mit jedem beliebigen Olfaktometer ersetzt werden. Zum Beispiel muss das Olfaktometer eine Respirationsüberwachung haben, sowie die Fähigkeit, ein atmungsgesteuertes Paradigma mit mehreren Geruchsquellen durchzuführen. ZusätzlicheWährend dieses Experiment unter Verwendung von Lavendel präsentiert wurde, können andere Geruchsstoffe durch den Ermittler ersetzt werden, obwohl es wichtig ist, um verunreinigende Variablen wie Trigeminusstimulation und Geruchsstoffkonzentration zu minimieren.

Diese frei atmende fMRI-Methode zielt darauf ab, die Vorkonditionierung des zentralen olfaktorischen Systems zu beseitigen und die Inkonsistenz zwischen repetitiven Ereignissen der Geruchsstimulation zu reduzieren. Die Vorkonditionierung des zentralen olfaktorischen Systems kann von Subjekt zu Subjekt variieren, was Variationen der Aktivierung in den primären olfaktorischen Strukturen verursachen kann. Die Konsistenz der repetitiven Ereignisse, z. B. Geruchsreize, um die Aktivierung des zentralen olfaktorischen Systems auszulösen, ist entscheidend für die erfolgreiche Durchführung von ereignisbezogenen fMRI-Protokollen. Darüber hinaus können bei der Freimachtechnik keine Hinweise oder Aufgaben für die Versuchspersonen bei der Ausführung von olfaktorischen fMRI-Paradigmen auftreten. Da es minimale Aufwand aus dem Thema während der funktionalen erfordertDatenerfassung, kann es ein wertvolles Werkzeug werden, um die olfaktorischen Defizite bei einigen populären neurodegenerativen Erkrankungen und Krankheiten zu untersuchen, zB Alzheimer-Krankheit.

Jüngste Studien haben olfaktorisches fMRI verwendet, um die Hirnaktivierungsmuster bei neurodegenerativen Erkrankungen zu untersuchen. Olfaktorische Defizite bei neurodegenerativen Erkrankungen, insbesondere Alzheimer-Krankheit und Parkinson-Krankheit, beinhalten Schwierigkeiten bei der Geruchserkennung, Erkennung und Identifizierung 3 , 23 . Allerdings, während olfaktorische Defizite sind ein deutlicher Indikator in den frühesten Stadien der Krankheit Beginn, Verlust der olfaktorischen Funktion oft unbemerkt oder wird auf den normalen altersbedingten Rückgang 1 , 23 zurückzuführen . Daher ist es wichtig, die verschiedenen Aktivierungsmuster, die mit einer olfaktorischen Dysfunktion bei solchen Erkrankungen assoziiert sind, weiter zu erforschen, um eine bessere Diagnose zu ermöglichenSaum früh. Bei der Alzheimer-Krankheit, sind Aktivierungsmuster wesentlich im primären olfaktorischen Kortex reduziert sowie Hippocampus und insula im Vergleich zu gesunden, altersangepassten Kontrollen 24. Darüber hinaus haben Forscher festgestellt, dass bei Parkinson-Patienten die Amygdala und Thalamus weniger Aktivierung zeigen als bei gesunden Kontrollen, während eine höhere Aktivierung in Bereichen wie dem linken untergeordneten frontalen Gyrus im Vergleich zu Kontrollen 2 zu sehen ist . Zusätzliche Studien zeigen eine Hyperaktivierung in den piriformen und orbitofrontalen Kortizes bei Parkinson-Patienten 25 . Solche deutlichen Aktivierungsmuster scheinen über die strukturelle Pathologie hinauszugehen und damit die Bedeutung der funktionalen Datenerfassung beim Verständnis und zur Diagnose neurodegenerativer Erkrankungen zu beweisen und Innovationen in der Genauigkeit und Empfindlichkeit von olfaktorischem fMRI zu erfordern.

Aus diesem Grund ist weitere stuStirbt auf dem menschlichen olfaktorischen System mit fMRI kann ein Potential für die Entwicklung eines Biomarkers für die Früherkennung für neurodegenerative Erkrankungen haben. In der Tat, Studien sind bereits voran, einschließlich der Demonstration der Empfindlichkeit auf Aktivierungsniveaus zwischen normalem Alterung und Alzheimer-Krankheit Patienten 24 , 26 . Eine solche Studie hat gezeigt , dass die Zerstörung des neuronalen Netzes ist oft nachweisbar , noch bevor kognitive Defizite präsentieren sich in einigen neurodegenerativen Erkrankungen 27. Dies unterstreicht die Bedeutung der olfaktorischen fMRI-Untersuchung als ein potentielles Instrument für eine frühere Diagnose solcher Erkrankungen. Der Nachweis deutet auch auf die Existenz von großflächigen olfaktorischen Netzwerkverarbeitungsveränderungen bei der Alzheimer-Krankheit hin, zusätzlich zu den Veränderungen, die in bestimmten olfaktorischen Regionen beobachtet wurden, und betonte die Bedeutung einer weiteren Erforschung der funktionalen Konnektivität der Orangenheit 28 . SensDie Aktivität der olfaktorischen Aktivierungsstufen als Biomarker ist abhängig von der Empfindlichkeit gegenüber Geruchsstimulation und experimenteller Reproduzierbarkeit, was die Bedeutung der Zuverlässigkeit bei der Kartierung des olfaktorischen Systems hervorhebt. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das in dieser Arbeit vorgestellte Beispiel einen Einblick in die Art und Weise gibt, in der das olfaktorische fMRI effektiv genutzt werden kann, um die Komplexität des zentralen olfaktorischen Systems und die klinische Bedeutung dieses Verständnisses zu verstehen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Die Autoren haben nichts zu offenbaren.

Acknowledgments

Die Autoren haben keine Anerkennung.

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