Author Produced

En fri vejrtrækning fMRI metode til at studere human olfactory 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

Vi præsenterer de tekniske udfordringer og løsninger til opnåelse af pålidelige funktionelle magnetiske resonansbilleddannelsesdata (fMRI) fra det centrale menneskelige centrale system. Dette omfatter særlige overvejelser i olfaktorisk fMRI-paradigmedesign, beskrivelser af fMRI-dataindsamling med et MRI-kompatibelt olfaktometer, lugtstofvalg og et specielt softwareværktøj til data efterbehandling.

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

Undersøgelsen af ​​menneskelig olfaction er et meget komplekst og værdifuldt felt med applikationer lige fra biomedicinsk forskning til klinisk evaluering. I øjeblikket er evaluering af funktionerne i det menneskelige centrale lyktesystem med funktionel magnetisk resonansbilleddannelse (fMRI) stadig en udfordring på grund af flere tekniske vanskeligheder. Der er nogle signifikante variabler, der skal tages i betragtning, når man overvejer en effektiv metode til kortlægning af funktionen af ​​det centrale olfaktoriske system ved anvendelse af fMRI, herunder passende lugtgeneration, interaktionen mellem lugtpræsentation og respiration og potentiel forventning eller opstilling af lugtstoffer. En hændelsesrelateret åndedrætsudløst olfaktorisk fMRI-teknik kan nøjagtigt administrere lugtstoffer for at stimulere det olfaktoriske system og minimere potentiel interferens. Det kan effektivt fange de præcise begyndelser af fMRI signaler i den primære olfaktoriske cortex ved hjælp af vores data efterbehandling metode. Teknikken forudSendt her giver et effektivt og praktisk middel til at generere pålidelige olfaktoriske fMRI-resultater. En sådan teknik kan i sidste ende anvendes i det kliniske område som et diagnostisk værktøj til sygdomme forbundet med olfaktorisk degeneration, herunder Alzheimers og Parkinsons sygdom, da vi begynder at forstå yderligere kompleksiteten af ​​det menneskelige olfaktoriske system.

Introduction

Det menneskelige olfaktoriske system forstås meget mere end et sensorisk system, fordi olfaction også spiller en vigtig rolle i homeostatisk regulering og følelser. Klinisk er det menneskelige olfaktoriske system kendt for at være sårbart over for angreb af mange fremherskende neurologiske sygdomme og psykiatriske lidelser, såsom Alzheimers sygdom, Parkinsons sygdom, posttraumatisk stresslidelse og depression 1 , 2 , 3 , 4 , 5 . I øjeblikket er funktionel magnetisk resonansbilleddannelse (fMRI) med blod-oxygen-afhængig (BOLD) -kontrast den mest værdifulde teknik til kortlægning af funktioner i den menneskelige hjerne. En betydelig mængde viden om specifikke funktioner i centrale olfaktoriske strukturer ( fx piriform cortex, orbitofrontal cortex, amygdala og økulær cortex) er erhvervet med denne teknikIque 6 , 7 , 8 , 9 , 10 .

Anvendelsen af ​​fMRI til undersøgelser af det menneskelige centrale lygtesystem og tilhørende sygdomme er dog blevet forhindret af to store hindringer: hurtig opdræt af BOLD-signal og variabel modulering ved åndedræt. I hverdagen, når vi udsættes for en lugtstof i en periode, bliver vi hurtigt til doften. Faktisk, når det studeres ved anvendelse af olfaktorisk fMRI, svækkes det lugtinducerede fMRI-signal hurtigt ved habituation, hvilket udgør en udfordring på stimuleringsparadigmedesign 8 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 . Det første signifikante BOLD signal i den primære olfaktoriske cortex vedvarer kunS i flere sekunder efter lugtstart. Derfor bør olfaktoriske fMRI-paradigmer undgå langvarig eller hyppig lugtstimulering på kort tid. For at reducere habituation-effekten har nogle forsøg forsøgt at præsentere alternerende lugt i et fMRI-paradigme. Denne fremgangsmåde kan imidlertid komplicere dataanalyse, da hver lugtstof kan behandles som en uafhængig stimuleringsbegivenhed.

Et andet teknisk problem opstår med variation i fagets respirationsmønstre; Inhalation synkroniseres ikke altid med lugtforvaltning under et fast-timing-paradigme. Påvirkningen og varigheden af ​​olfaktorisk stimulering moduleres af hver enkelt persons åndedræt, hvilket forstyrrer fMRI datakvalitet og analyse. Nogle undersøgelser har forsøgt at afhjælpe dette problem med visuelle eller auditive signaler for at synkronisere vejrtrækning af vejrtrækning og lugt, men overholdelsen af ​​fag er variabel, især i den kliniske population. Hjernen aktiveringer forbundet wiTh disse signaler kan også komplicere dataanalyse i visse applikationer. Således kan synkronisering af inhalation med lugtforsyning være afgørende for olfaktoriske fMRI-studier 15 .

En yderligere vurdering, der er afgørende for olfaktorisk fMRI, især i dataanalyseprocessen, er lugtstofudvælgelse. At finde en passende lugtkoncentration i forhold til den opfattede intensitet er vigtig for kvantificering og sammenligning af aktiveringsniveauer i hjernen under forskellige eksperimentelle tilstande eller sygdomme. Valget af lugtstof skal også tage hensyn til lugtvalens eller behagelighed. Dette vides at forårsage divergerende tidsmæssige profiler i olfaktorisk læring 16 , 17 . Lavendel lugt blev valgt til denne demonstration delvist af denne grund. Afhængig af formålet med en bestemt undersøgelse kan forskellige lugtstoffer være bedre valg. Derudover skal trigeminastimulering minimeres for at reducereE aktivering ikke direkte relateret til olfaction 18 .

I denne rapport demonstrerer vi en fMRI-teknik til at oprette og drive et åndedrætsudløst paradigme ved hjælp af et olfaktometer i magnetisk resonansmiljø. Vi præsenterer også et postbehandlingsværktøj, som kan reducere nogle timingsfejl, der måtte have fundet sted under dataindsamling i et forsøg på yderligere at forbedre dataanalysen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Følgende forsøgsprotokol fulgte retningslinierne i Institutional Review Board ved Pennsylvania State University College of Medicine, og det menneskelige fag gav skriftligt informeret samtykke, inden de deltog i undersøgelsen.

Bemærk: Med henblik på demonstration præsenteres et simpelt lugtstimuleringsparadigme ved anvendelse af et kommercielt tilgængeligt, MRI-kompatibelt olfaktometer. Dette paradigme har vist sig effektivt til at reducere habituation effekten og har produceret pålidelige lymfaktive fMRI data 15 . Visse trin beskrevet i denne protokol kan være specifikke for den anvendte type olfaktometer. Imidlertid kan enhver form for udstyr, der er hjemmelavet eller kommercielt tilgængeligt med lignende egenskaber, anvendes på en analog måde. Olfactometeret skal kunne overvåge respiration samt præsentere en række lugtstoffer med præcis timing. Sørg for, at hele lugtleveringssystemet (inklusiveOlfactometer) er bygget med materialer, der er inerte for lugtstoffer ( f.eks . Glas og polytetrafluorethylen), og lugtbanen er glat og lufttæt med minimal dødrum.

1. Paradigm Design

  1. Opret et nyt paradigme ved at angive luftstrømningsventilsekvensen på et programmerbart olfaktometer.
    BEMÆRK: Ventilsekvensen er rækkefølgen og timingen for åbning og lukning af specifikke luftkanaler, der indeholder forskellige koncentrationer eller typer af lugtstoffer. I denne demonstration blev hver af ventilerne til de seks kanaler åbnet to gange for i alt tolv lugtleverancer. Når en ventil var åben, blev alle de andre ventiler lukket, og hver ventil blev kun åbnet igen, efter at alle de andre ventiler allerede havde åbnet en gang.
    1. Tildel varigheden for stimulusen (åbningen af ​​en bestemt kanal) samt varigheden for den kanal, der skal lukkes.
      BEMÆRK: I denne demonstration var varigheden af ​​lugtpræsentationen 6 s, mensVarigheden for kanalerne, der skal lukkes, varierer fra 22 s til 38 s.
    2. Indstil antallet af gentagelser for rækkefølgen af ​​ventil åbner og lukker. Her er antallet af gentagelser 1.
    3. Interleave hver lugtpræsentation med en præsentation af lugtfri luft med samme strømningshastighed. For eksempel levere luftstrømmen til motivet med eller uden lugt ved en strømningshastighed på 6 l / min i 50% relativ luftfugtighed og stuetemperatur ved 22 ° C.
      BEMÆRK: Dette er vigtigt, da variationer i luftstrømmen kan forårsage taktil følelse.

2. Lugtfremstilling

  1. Vælg en ordentlig lugt for lugtstimuleringsparadigmet ved at overveje lugtvalensen, behageligheden, intensiteten, fortroligheden og trigeminalkomponenten (se tabel 1 ).
    Bemærk: Tabel 1 indeholder nogle almindeligt anvendte lugtstoffer. Lavendel lugt blev valgt til denne demonstration, fordi den har minimal trigeminastimulering ved lav til moderat coNcentrationer og opfattes generelt som behageligt og velkendt.
  2. Vælg et ordentligt opløsningsmiddel ( fx vand, mineralolie, 1,2-propandiol, ethanol) for at forberede lugtopløsningerne.
    BEMÆRK: Her blev 1,2-propandiol anvendt som opløsningsmiddel til fremstilling af lugtopløsninger.
  3. Vælg en ordentlig lugt koncentration for lugt stimulerings paradigmet. Fortyndet lavendelolie i 1,2-propandiol ved 0,10% (volumen / volumen) koncentration for den olfaktoriske stimulering 19 .
    BEMÆRK: Dette kan gøres ved en psykofysisk evaluering af en række forskellige koncentrationer af en gruppe af normale fag.
  4. Læg de rette lugtopløsninger i lugtbeholderne. Sørg for, at alle beholdere har samme mængde plads, samme mængde opløsning og samme overfladeareal for opløsningen. Brug for eksempel seks glasflasker på 300 ml, som duftbeholderne med hver flaske, der indeholder 50 ml 0,10% lavendelolieopløsning.
  5. Tilslut aLl lugtbeholdere til de rette kanaler til lugtlevering.

3. Olfactometer Set-up

  1. Kontroller forbindelserne for at sikre, at alle lugtbeholdere er korrekt fastgjort til lugtbæreren. Forhøj ikke, da dette kan beskadige forseglingen. Korrekt stramhed sikres i et senere trin ved at kontrollere luftstrømmen gennem hver lugtbeholder.
  2. Anbring lugtbæreren i magnetrummet og tilslut hvert rør til olfaktometeret uden for rummet, da hovedenheden ikke er MR-kompatibel. Kontrollér visuelt for kinks i slangen, da dette vil påvirke luftstrømmen. Luftstrømmen af ​​hver kanal kontrolleres i et senere trin.
  3. Tilslut alle rørene fra olfaktometeret sikkert til lugtbæreren ved at matche numrene til de korrekte porte. For nøjagtighed, farve-kode rørene, sådan at lyserød til kanal 1, blå til kanal 2 osv .
  4. Sørg for, at luftstrømmen gennem alle kanaler er konsistent ved at fastgøre en strømningMeter til udgangen af ​​slangen. Manuelt åbner hver kanal på olfaktometerets betjeningspanel, juster den samlede luftstrøm samt strømningshastighederne for hver kanal og spolelinjen, indtil strømningshastigheden for hver kanal stemmer overens.
  5. Tilslut ansigtsmasken eller næsestykket til lugtbæreren med polytetrafluorethylen (PTFE) slanger. Sørg for, at luftstrømmen ( f.eks . 6 l / min), der leveres til motivet, er konsekvent, når kanalerne skiftes.
  6. Tilslut radiofrekvensudløseren fra MR-systemet til "trigger in" -porten på olfaktometeret for at synkronisere lugtstimuleringsparamigmet og fMRI-billedforetagelsen. Der kan være behov for en optisk-elektrisk signalomformer.
  7. Juster den samlede luftstrøm og strømningshastigheder for hver kanal og spolelinien til de konstruerede mængder. For eksempel er en samlet luftstrøm på 6 L / min og strømningshastighederne for hver kanal og spolelinien til 3 L / min.
  8. Tilslut den pneumatiske respiratoriske sensoR bæltet til olfaktometerets responsport via den pneumatiske / elektriske signalomformerkasse.
  9. Hvis der er behov for et subjektivt svar, skal du tilslutte den pneumatiske responspude til olfaktometerets responsport via den pneumatiske / elektriske signalomformerkasse.

4. Eksperimentel procedure

  1. Gennemfør en forudscreening for at sikre, at MR-proceduren er sikker på emnet.
    1. Spørg emnet om medicinsk historie, herunder potentielle implantater, klaustrofobi eller andre eksisterende tilstande, der kan forstyrre fagets evne til sikkert at deltage i fMRI-studiet. Derudover udføres en duft tærskel test af lugtstoffer for at sikre, at emnet kan lugte lugterne under eksperimentet.
  2. Har motivet liggende liggende på MR-undersøgelsessengen. Anbring ansigtsmasken eller næsestykket korrekt på emnet for at sikre, at luften blæser ind i næseborene. Anbring åndedrætssensoren på enten tHan brystet eller maven. Spørg emnet at trække vejret normalt. Manuel justering af tætheden og placeringen af ​​bæltet, der holder åndedrætssensoren i henhold til åndedrætsmønsteret, der ses på olfactometer displayet.
  3. Opret en data folder for at optage respiratoriske data i olfactometeret. Klik på "filhåndtering", indtast emnets id, der er tildelt det aktuelle emne, og bekræft derefter indtastningen.
  4. Brug alternativet "paradigmekontrol" til at teste synkroniseringen af ​​lugtlevering og indånding uden at involvere stimulusafgivelse, og om nødvendigt justere "ventiltidsforsinkelsen" manuelt for at sikre, at udløbet af lugtafgivelsen er synkroniseret med individets indåndingsfase.
  5. Indstil synkroniseringen mellem lugtstimulering og fMRI-billedforbrug ved at vælge "trigg-in" -tilstand på olfactometerets styreenhed.
    Bemærk: Dette gør det muligt at starte lugtstimuleringsparadigmet med en ekstern trigger over "; Trigger i "port stammer fra MR-systemet. Således vil paradigmet ikke løbe, før den eksterne trigger fra scanneren er modtaget. Bemærk venligst, hvilken type triggerpuls (elektrisk eller lys), som MR-scanneren sender ud. Der kan være behov for en signalomformer til at forbinde de to systemer.
  6. Aktivér åndedrætsudløser ved at vælge "resp. Start" på olfactometerets styreenhed.
    Bemærk: Når det er aktiveret, synkroniseres starten af ​​hvert paradigmsekvenselement med indånding. Dette kan opnås empirisk ved at forsinke lugtafgivelsen ca. halvdelen af ​​en respirationscyklus fra begyndelsen af ​​udåndingsfasen.
  7. Start fMRI-billedforetagelsen på MRI-konsollen; Lugtstimuleringsparadigmet starter så snart billedoptagelse starter. Overvåg åndedrætsmønsteret for enhver uregelmæssig respiratorisk aktivitet.
    Bemærk: Uregelmæssig åndedrætsaktivitet kan være i form af plateauer, bredere og længere cyklusser ellerUberegnelige bølger. Her blev en BOLD-signalfølsom T 2 * -vægtet ekko-planar-billed-sekvens anvendt til fMRI-billede-erhvervelse med 2,000 ms gentagelsestid, 30 ms ekkotid, 90 ° flipvinkel, 220 mm × 220 mm synsfelt, 80 × 80 opkøbsmatrix, 30 4 mm tykke aksiale skiver og accelerationsfaktor på 2 for integrerede parallelle billeddannelsesteknikker.
  8. Ved afslutningen af ​​billedbehandlingsprotokollen skal du flytte motivet ud af magneten og fjerne ansigtsmasken / næsestykket.

5. Olfactometer Clean-up

  1. Sluk for luftpumpen. Løsn lugtbeholderne fra lugtbæreren og udskift dem med rene, tomme.
  2. Tænd for luftpumpen. Spyl hver kanal med lugtfri luft i 5 minutter for at fjerne resterende lugtstoffer i luftledningen.
  3. Luk olfaktometeret ned.
  4. Desinficer næse eller ansigtsmaske med alkoholservietter. Skyl ansigtsmasken eller næsestykket med varmt vand og lufttørre derefter.
  5. 6. Data analyse

    1. For at behandle dataene skal du indlæse respirationsdatafilen til open source-programmet Olfactory Network Stimulation Editing Tool (ONSET) (www.pennstatehershey.org/web/nmrlab/resources/software/onset) 15
      Bemærk: ONSET-softwaren blev udviklet af Xiaoyu Sun. Påvirkninger af lugtstimulering baseret på tidspunktet for paradigmet og respirationssporet registreres automatisk. Den egentlige stimuleringsvektor defineres som starttidspunktet for hver effektiv inhalation under lugtafgivelse.
      1. Mål og sammenlign respirationshastigheden og volumenet (området under hvert inhalations- og udåndingsfasepar) mellem lugt og lugtfri perioder 15 .
        BEMÆRK: Der bør ikke være nogen signifikant forskel i disse respiratoriske parametre mellem lugt og lugtfri perioder.
      2. Behandle fMRI-dataene med de faktiske start- og varighedsvektorer fra ONSET for aktiveringen af ​​den centrale olfacSystem 15 .

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Figur 1 viser opsætningen af ​​olfaktorisk fMRI inden for og uden for magnetrummet under hensyntagen til MR-kompatibilitet. Figur 2a demonstrerer et standard fast-timing-paradigme, mens figur 2b demonstrerer et paradigme, hvor "respiration trigger" muliggør synkronisering af lugtlevering og inhalation.

Et regelmæssigt åndedrætsmønster med klare inhalationstoppe er afgørende for implementeringen af ​​et nøjagtigt åndedrætsudløst paradigme. Således er justering af respirationssensoren et vigtigt skridt i forsøgsopsætning. Figur 3 viser prøver på respirationsspor, når åndedrætssensoren er opstillet forkert ( figur 3a ) og korrekt ( figur 3b ). Hvis respiraMønster er uregelmæssigt eller respirationssignalpladerne, olfaktometeret kan ikke bestemme respirationsmønsteret korrekt, og lugtpræsentationen kan ikke synkroniseres med individets indånding.

Med et respirationsudløst, lugtstimuleringsparadigme vil begyndelses- og varighedsvektorer for lugtstimuleringen variere blandt forsøgspersoner. For at analysere olfaktoriske fMRI-data kan de faktiske start- og varighedsvektorer bestemmes med ONSET, og fMRI-dataene kan behandles efter standardprocedurer med disse vektorer. Figur 4 viser et prøvehjerneaktiveringskort, der responderer på respirationsudløst lugtstimulering behandlet ved hjælp af open source software SPM8 (www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm) med faktiske lugtinduktions- og varighedsvektorer efter standardbehandlingsprocedurer. Signifikant lugtrelateret aktivering blev påvist i den bilaterale primære olfaktoriske cortex, højre sideLar cortex, højre supramarginal / vinkelgyrus, venstre caudatkerne og venstre postcentral / supramarginal gyrus (familievis fejlkorrigeret, p <0,05, udstrækningstærskel = 6 voxeller).

figur 1
Figur 1 : Skematisk diagram for forsøgsopsætning. MRI-kompatible elementer anbragt i magnetrummet er forbundet til MRI-konsollen og olfactometerboksen anbragt i kontrolrummet gennem et penetrationspanel med en bølgeleder i væggen, der adskiller de to rum. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figur 2
Figur 2 Klik her for at se en større version af denne figur.

Figur 3
Figur 3 : Eksempler på åndedrætsdiagrammer. (A) Et eksempel på respirationsspor, når åndedrætssensoren ikke er korrekt indstillet; Åndedrættet mønster plateau og bliver uregelmæssig. (B) Et repræsentativt regelmæssigt åndedrætsmønster optaget med en korrekt placeret respirationssensor; I dette tilfælde respiRation mønstre er i overensstemmelse med niveau toppe, og lugt levering kan synkroniseres med indånding. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figur 4
Figur 4 : Eksempel på hjerneaktiveringskort. Et sundt individ reagerede på respirationsudløst lavendel lugt simulering (familie-vis fejlkorrigeret, p <0,05, udstrækning tærskel = 6 voxels). Signifikant aktivering inkluderer ret primær olfaktorisk cortex (POC, MNI koordinater x = 20, y = 6, z = -14), venstre POC (x = -22, y = 4, z = -10) 46, y = 20, z = -10), højre supramarginal / vinkelgyrus (x = 66, y = -48, z = 28), venstre caudatkerne (x = -14, y = 6, z = 10) Og venstre postcentral / supramarginaL gyrus (x = -66, y = -24, z = 20). Klik her for at se en større version af denne figur.


lugtstof Lugt ligesom Forbindelse Trigeminal stimulering opløsningsmiddel
Acetaldehyd 29 Grøn, sød Enkel Ingen Vand
Ammoniak 29 Skarp, renere Enkel Ja Vand
Amylacetat 30 Banan, æble Enkel Nogle Vand
N-butanol 31,32 Mindre alkoholisk Enkel Ingen Vand
N-butylacetat 31 Sød og frugtagtig Enkel Ja Vand
Smørsyre 33 Sur, rancid Enkel Ja Vand
Citral 30,33 Citron Enkel Nogle Vand
Carbon dioxide 34,35 lugtfri Enkel Ja N / A
Ethylbutyrat 30 Ananas Enkel Ja Vand
Eucalyptol 35 Eucalyptus Enkel Ja ethanol
Eugenol 33,36 Krydderi, krydret Enkel Ingen ethanol
geraniol Sød rose, blomster Enkel Ingen ethanol
Hydrosulfuric Acid 34,36 Rådne æg Enkel Ingen Vand
Lavendel 24,37 Lavendel Kompleks Ingen ethanol
Menthol 33 Pebermynte Enkel Ja ethanol
Methylsalicylat 33 Wintergreen mynte Enkel Ja ethanol
Patchouli 38 Våd jord Kompleks Ja ethanol
1-propanol 31 Husholdningssprit Enkel Ja ethanol
Phenethylalkohol 36,39 Rose Enkel No ethanol
Rosemary Oil 38 Rosmarin Kompleks Ja ethanol
Svovldioxid 29 Irriterende, skarp Enkel Ja Vand
Valerinsyre 33 Rancid ost Enkel Ja Vand
Vanillin 29 vanilje Enkel Ingen ethanol
Ylang Ylang 38 Blomster parfume Kompleks Ja ethanol
*** Se slutningen af ​​manuskriptet for referencer

Tabel 1: Fælles lugtstoffer anvendt i olfaktoriske fMRI-undersøgelser .

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Eksperimentelle procedurer bør overvejes omhyggeligt og udføres korrekt til indsamling af pålidelige lyseaktive aktiveringsdata. De kritiske trin i protokollen omfatter implementering af et respirationsudløst paradigme til at synkronisere lugtafgivelse med billedoptagelse, forberede korrekte koncentrationer af lugtstoffer til at kontrollere psykofysiske reaktioner, indstille olfaktometeret med pålideligt stabilt respirationssignal og konstant luftstrøm og respiration efter bearbejdning Og lugtadministrationstidsdata ved brug af ONSET til efterfølgende at justere lugtinduktorerne. Konfliktvariabler som for eksempel beboelse, psykofysisk respons og respirationsmønstre skal tages i betragtning ved udformning af et paradigme og analyse af data. Når et emne udsættes for langvarig lugt, falder aktiveringen af ​​den primære olfaktoriske cortex inden for få sekunder med eksponering, hvilket gør det nødvendigt at udnytte et hændelsesrelateret paradigme med en række korte administrationerAf lugtstoffer. Sniffing bør også overvåges nøje, da det kunne forårsage aktivering i piriform cortex selv uden en lugt 8 . Vigtigst er åndedræt en stor confounding-variabel, hvis den ikke er synkroniseret med lugtbehandling. Vi har vist, at synkroniseringen af ​​indånding og lugtbegyndelse med et respirationsudløst paradigme giver mere pålidelig aktivering 15 .

Det mest almindelige problem med den frie vejrtrækning fMRI-metoden er den dårlige synkronisering mellem lugtlevering og indånding, som kan skyldes tre ufuldkommenheder i forsøgsopsætningen. Først og mest almindeligt er respirationssensoren ikke konfigureret korrekt. Når brystbæltet er for stramt, vil respirationssignalet blive plateau, hvilket vil medføre ringe synkronisering. For det andet er "ventilforsinkelsestiden" ikke godt kalibreret, hvilket kan forårsage, at lugtafgivelsen er for tidlig eller for sent i respirationscyklusencle. For det tredje er individets åndedrætsmønster ikke konsistent efter kalibrering af "ventiltidsforsinkelsestid". Således er en forudscanningstræning for individet, der ånder normalt i magneten, og en tæt overvågning af åndedrætsmønsteret under fMRI-scanningen vigtigt.

Det er vigtigt at overveje intensitet, valens og trigeminastimulering ved valg af lugtstoffer til undersøgelsen, da disse variabler kan forårsage forskellige typer af psykofysiske reaktioner og tilhørende fMRI-aktivering. For eksempel kan en svag intensitet medføre en tendens til at snuse, hvorimod en stærk intensitet kan forårsage ufrivillig åndedrætsholdelse eller hurtigere tilpasning. Lugtintensitet er også vist at være korreleret med aktivering i hjernen 20 . Et alternativt paradigme bestod af fire koncentrationer lavendel præsenteret i stigende intensitet gennem eksperimentet, hvilket effektivt reducerede habituation 21 . Valensen af ​​en odoraNt aktiverer også forskellige områder af hjernen, som skal tages i betragtning for datatolkning 22 . For eksempel viste en undersøgelse divergerende tidsmæssige profiler gennem lugtvalens 16 . Derudover har mange lugtstoffer varierende grader af trigeminastimulering, som bør overvejes.

Det er vigtigt at erkende, at dette frilufts paradigme ikke nødvendigvis er egnet til alle olfaktoriske fMRI undersøgelser. Det giver kun et eksempel på særlige overvejelser, der er vigtige for olfaktoriske fMRI-undersøgelser. Det er også vigtigt at bemærke, at de eksperimentelle procedurer, der er demonstreret i denne rapport, ikke er specifikke for det anvendte olfaktometer. Dette udstyr kan erstattes med ethvert olfaktometer med lignende funktioner. For eksempel skal olfactometeret have respirationsovervågningsmuligheder, samt evnen til at udføre et åndedrætsudløst paradigme med flere lugtkilder. Yderligere faciliteterLly, mens dette forsøg blev præsenteret ved lavendel, kan andre lugtstoffer erstattes af undersøgeren, selvom det er vigtigt at minimere konfounderende variabler såsom trigeminastimulering og lugtstofkoncentration.

Denne frie vejrtrækning fMRI-metode sigter på at fjerne forkonditioneringen af ​​det centrale olfaktoriske system og reducere inkonsistensen mellem gentagne hændelser af lugtstimulering. Forkonditioneringen af ​​det centrale olfaktoriske system kan variere fra individ til individ, hvilket kan forårsage variationer i aktivering i de primære olfaktoriske strukturer. Konsistensen af ​​de gentagne hændelser, fx lugtstimulerer for at udløse aktiveringen af ​​det centrale lukningssystem, er afgørende for en vellykket gennemførelse af hændelsesrelaterede fMRI-protokoller. Derudover kan der med frie vejrtrækningsteknikker ikke være tegn eller opgaver for fagpersonerne under udførelsen af ​​olfaktoriske fMRI-paradigmer. Da det kræver minimal indsats fra emnet under funktioneltDataindsamling, kan det blive et værdifuldt værktøj til at studere de olfaktive underskud i nogle populære neurodegenerative lidelser og sygdomme, fx Alzheimers sygdom.

Nylige undersøgelser har brugt olfaktorisk fMRI til at undersøge hjernens aktiveringsmønstre i neurodegenerative sygdomme. Olfaktoriske underskud i neurodegenerative lidelser, især Alzheimers sygdom og Parkinsons sygdom, indbefatter vanskeligheder med lugtdetektion, genkendelse og identifikation 3 , 23 . Selvom olfaktoriske underskud er en tydelig indikator i de tidligste stadier af sygdomsudbrud, går tab af lygtefunktion ofte ubemærket eller tilskrives normal aldersrelateret tilbagegang 1 , 23 . Derfor er det vigtigt at undersøge de forskellige aktiveringsmønstre, der er forbundet med olfaktorisk dysfunktion i sådanne sygdomme, for bedre at diagnosticere tHæmme tidligt. I Alzheimers sygdom reduceres aktiveringsmønstrene væsentligt i den primære olfaktoriske cortex samt hippocampus og insula sammenlignet med sunde, aldersbestemte kontroller 24 . Desuden har forskere fundet ud af, at amygdala og thalamus hos patienter med Parkinsons sygdom viser mindre aktivering end i sunde kontroller, medens højere aktivering ses i områder som venstre inferior frontal gyrus sammenlignet med kontroller 2 . Yderligere undersøgelser viser hyperaktivering i piriform og orbitofrontale kortikaler hos patienter med Parkinsons sygdom 25 . Sådanne adskilte aktiveringsmønstre synes at strække sig ud over strukturel patologi og derved bevise betydningen af ​​funktionel dataindsamling i forståelse og diagnosticering af neurodegenerative lidelser og nødvendiggøre innovationer i nøjagtigheden og følsomheden af ​​olfaktorisk fMRI.

Af denne grund er yderligere stuDør på det menneskelige olfaktoriske system med fMRI kan have potentiale til at udvikle en biomarkør til tidlig diagnose af neurodegenerative sygdomme. Faktisk foregår der allerede undersøgelser, herunder demonstration af følsomhed over for aktiveringsniveauer mellem normal aldring og Alzheimers sygdom patienter 24 , 26 . En sådan undersøgelse viste, at ødelæggelse af det neurale netværk ofte er detekterbart, selv før kognitive underskud præsenterer sig i nogle neurodegenerative sygdomme 27 . Dette fremhæver endvidere betydningen af ​​olfaktorisk fMRI-undersøgelse som et potentielt redskab til tidligere diagnosticering af sådanne sygdomme. Beviser tyder også på eksistensen af ​​store olfaktoriske netværksforarbejdning ændringer i Alzheimers sygdom udover de ændringer, der ses i specifikke olfaktoriske regioner, understreger betydningen af ​​yderligere udforskning i den funktionelle forbindelse af olfaction 28 . SensDetektiviteten af ​​olfaktoriske aktiveringsniveauer som biomarkør er afhængig af følsomhed over for lugtstimulering og eksperimentel reproducerbarhed, hvilket fremhæver vigtigheden af ​​pålidelighed ved kortlægning af det olfaktoriske system. Sammenfattet giver eksemplet i dette papir et indblik i, hvordan lymfaktorisk fMRI effektivt kan bruges til at forstå kompleksiteterne i det centrale lyvakasystem og den kliniske betydning af denne forståelse.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har intet at afsløre.

Acknowledgments

Forfatterne har ingen anerkendelser.

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