Author Produced

İnsanın Koku Fonksiyonunu İncelemek İçin Free-breathing fMRI Yöntemi

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

İnsan merkezindeki koku sisteminden güvenilir fonksiyonel manyetik rezonans görüntüleme (fMRI) verilerinin elde edilmesine yönelik teknik zorlukları ve çözümleri sunuyoruz. Bu, olfaktör fMRI paradigması tasarımında özel hususlar, bir MRI uyumlu olfaktometre ile fMRI veri edinimi tanımları, koku seçimi ve veri post-processing için özel bir yazılım aracı içerir.

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

İnsan koku alma çalışması, biyomedikal araştırmalardan klinik değerlendirmeye kadar geniş bir yelpazeye yayılmış çok karmaşık ve değerli bir alandır. Şu anda, fonksiyonel manyetik rezonans görüntüleme (fMRI) ile insan merkez odontakt sisteminin işlevlerinin değerlendirilmesi, birkaç teknik zorluk yüzünden hala bir sorundur. Uygun koku seçimi, koku sunumu ile solunum arasındaki etkileşim ve odorantlara karşı potansiyel beklenti veya alışkanlık gibi fMRI'yi kullanarak merkezi koku sisteminin işlevini haritalamak için etkili bir yöntem düşünürken dikkate alınması gereken bazı önemli değişkenler vardır. Olayla ilişkili, solunum ile tetiklenen olfaktör fMRI tekniği potansiyel girişimin en aza indirgenmesi ile koku sistemini uyarmak için odorantları doğru bir şekilde uygulayabilir. Veri post-processing yöntemimizi kullanarak primer koku korteksindeki fMRI sinyallerinin kesin başlangıçlarını etkin bir şekilde yakalar. Teknik öncesiBurada gönderilen, güvenilir olfaktör fMRI sonuçları üretmek için etkili ve pratik bir yöntem sağlar. Böyle bir teknik klinik alana, Alzheimer ve Parkinson hastalığı dahil olfaktör dejenerasyonla ilişkili hastalıklar için bir teşhis aracı olarak uygulanabilir, çünkü insan koku sisteminin karmaşıklıklarını daha da iyi anlamaya başlarız.

Introduction

İnsan koku sistemi, duyusal bir sistemden çok daha fazla olduğu anlaşılıyor çünkü olistolizm, homeostatik düzenlemede ve duygularda da önemli bir rol oynamaktadır. Klinik olarak, insan koku sisteminin, Alzheimer hastalığı, Parkinson hastalığı, travma sonrası stres bozukluğu ve depresyon 1 , 2 , 3 , 4 , 5 gibi yaygın görülen nörolojik hastalıkların ve psikiyatrik bozuklukların saldırılarına karşı savunmasız olduğu bilinmektedir. Günümüzde, kan-oksijen seviyesine bağlı (BOLD) kontrastlı fonksiyonel manyetik rezonans görüntüleme (fMRI), insan beyninin işlevlerini haritalama için en değerli tekniktir. Merkezi şaşkın yapıların ( örneğin piriform korteks, orbitofrontal korteks, amigdala ve insular korteks) spesifik fonksiyonları hakkında önemli miktarda bilgi bu teknikle elde edilmiştir6 , 7 , 8 , 9 , 10 .

Bununla birlikte fMRI'nin insan merkez odiyofari sistemi ve ilgili hastalıklarla ilgili çalışmalarına uygulanması iki önemli engel ile engellenmiştir: BOLD sinyalinin hızla alışması ve solunum ile değişken modülasyon. Günlük yaşamda, belli bir süre bir kokuya maruz kaldıkça, kokuyu hızla rahatlatırız. Gerçekten de, olfaktör fMRI kullanılarak incelendiğinde, koku indüklenen fMRI sinyali, uyarılma paradigması tasarımları 8 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14'te bir zorluk oluşturan yaşama yoluyla hızlı bir şekilde zayıflatılır. Birincil koku korteksindeki başlangıçtaki BOLD sinyali sadece devam ederIzgaranın başlamasından birkaç saniye sonra. Bu nedenle, koku fMRI paradigmaları kısa sürede uzun süreli veya sık koku uyaranlarından kaçınmalıdır. Alışkanlık etkisini azaltmak için bazı çalışmalar, fMRI paradigmasında alternatif kokular ortaya koymaya çalışmaktadır. Bununla birlikte, bu yaklaşım veri analizini zorlaştırabilir, çünkü her bir odorant bağımsız bir stimülasyon olayı olarak değerlendirilebilir.

Bir başka teknik sorun, kişilerin solunum modellerinde değişkenlik ile ortaya çıkar; Soluma, sabit zamanlama paradigması sırasında odorant uygulamasıyla her zaman eşzamanlı değildir. Koku alma uyarısının başlangıcı ve süresi, fMRI veri kalitesini ve analizini karıştıran her bir kişinin solunumuyla modüle edilir. Bazı çalışmalar nefes alma ve koku başlatmanın senkronize edilmesi için görsel veya işitsel ipuçları ile bu sorunu hafifletmeye çalıştı ancak özellikle klinik popülasyonda deneklerin uygunluğu değişkenlik göstermektedir. Beyin aktivasyonları ilişkiliBu ipuçları bazı uygulamalarda veri analizini de zorlaştırabilir. Koku fMRI 15 çalışmalar için Böylece koku teslim inhalasyon senkronize önemli olabilir.

Koku fMRI'sinde hayati önem taşıyan ek bir husus, özellikle veri analizi sürecinde, koku yapıcı maddenin seçimi. Algılanan yoğunluğa göre uygun bir odorant konsantrasyonunun bulunması, beyindeki çeşitli deneysel koşullar veya hastalıklardaki aktivasyon seviyelerinin nicelleştirilmesi ve karşılaştırılması için önemlidir. Koku seçimi aynı zamanda koku değeri veya hoşluğu da hesaba katmalıdır. Bu koku öğrenme 16, 17 içinde farklı zamansal profillerini yol açtığı bilinmektedir. Bu gösteri için kısmen bu nedenle lavanta kokusu seçildi. Belli bir araştırmanın amacına bağlı olarak, farklı odorantlar daha iyi seçimler olabilir. Buna ek olarak, trigeminal uyarı azaltılması için asgari düzeye indirilmelidirOlimpiyat ile doğrudan ilgili olmayan aktivasyon 18 .

Bu raporda, manyetik rezonans ortamında bir olfaktometre kullanarak bir solunum tetiklemeli paradigması oluşturmak ve çalıştırmak için bir fMRI tekniği gösteriyoruz. Ayrıca, veri analizinde daha fazla gelişme sağlamak amacıyla veri edinimi sırasında oluşabilecek bazı zamanlama hatalarını azaltabilecek bir işleme sonrası araç sunuyoruz.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Aşağıdaki deney protokolü, Pennsylvania Eyalet Üniversitesi Tıp Fakültesi Kurumsal Gözden Geçirme Kurulu kılavuzunu izledi ve insan denek, çalışmaya katılmadan önce yazılı bilgilendirilmiş onam verdi.

Not: Gösterim amaçlı olarak, piyasada bulunan bir MRI uyumlu olfaktometre kullanılarak basit bir koku uyarımı paradigması sunulmuştur. Bu paradigma alışkanlık etkisini azaltmada etkili olduğunu kanıtlamıştır ve güvenilir koku fMRI verisi üretmiştir 15 . Bu protokolde özetlenen bazı adımlar, kullanılan olfaktometre türüne özgü olabilir. Bununla birlikte, benzer özelliklere sahip ev yapımı veya ticari olarak temin edilebilen her türlü ekipman benzer bir şekilde kullanılabilir. Olfaktometre, solunumu izleyebilmeli ve aynı zamanda hassas bir zamanlama ile bir dizi koku sunmalıdır. Tüm koku iletim sisteminin (Olfaktometre), odorant kimyasal maddelere ( örn . Cam ve politetrafluoroetilen) inert olan malzemelerle oluşturulmuştur ve koku yolu minimum ölü boşlukla pürüzsüz ve hava geçirmezdir.

1. Paradigma Tasarım

  1. Programlanabilir bir olfaktometre üzerinde hava akışı valfı sırasını belirterek yeni bir paradigma oluşturun.
    NOT: Vana dizisi, farklı konsantrasyon veya tipteki odorantları tutan belirli hava kanallarının açılma ve kapanma sırası ve zamanlamasıdır. Bu gösteride, altı kanal için her bir valf iki defa açıldı ve on iki koku iletildi. Bir valf açıkken, diğer tüm valfler kapatıldı ve her valf, yalnızca diğer tüm valfler bir kez daha açıldıktan sonra tekrar açıldı.
    1. Uyarı için süreyi (belirli bir kanalın açılması) ve kanalın kapanacağı süreyi atayın.
      NOT: Bu sunumda, koku sunum süresi 6 saniyeydi;Kanalların kapanma süresi 22 s ile 38 s arasında değişiyordu.
    2. Vana açma ve kapama sırasındaki tekrarların sayısını ayarlayın. Burada tekrarların sayısı 1'dir.
    3. Her bir odorant sunumunu aynı akış hızında kokusuz hava sunumu ile karıştırın. Örneğin,% 50 bağıl nemde 6 L / dk'lık bir akış oranında ve 22 ° C'de oda sıcaklığında, kokuya ya da kokusuz hale getirmek için hava akışını sağlayın.
      NOT: Hava akımındaki değişiklikler dokunsal duyarlığa neden olabileceğinden, bu önemlidir.

2. Odorant Hazırlama

  1. Koku değeri, hoşluk, yoğunluk, aşinalık ve trigeminal bileşen dikkate alınarak koku uyarımı paradigması için uygun bir koku seçin (bkz. Tablo 1 ).
    Not: Tablo 1 yaygın olarak kullanılan bazı odorantları listelemektedir. Bu gösteri için lavanta kokusu seçildi, çünkü lavanta kokusu düşük ila orta derecede trigeminal stimülasyona sahipti.Ve genellikle hoş ve tanıdık olarak algılanır.
  2. Odorant solüsyonlarını hazırlamak için uygun bir solvent ( örn . Su, mineral yağ, 1,2-propandiol, etanol) seçin.
    NOT: Burada, koku çözeltisi preparasyonu için çözücü olarak 1,2-propandiol kullanılmıştır.
  3. Koku uyarımı paradigması için uygun bir odorant konsantrasyonu seçin. Örneğin,% 0.10 (hacim / hacim) koku uyarılması 19 konsantrasyonda 1,2-propandiol içinde lavanta yağı seyreltin.
    NOT: Bu, normal kişilerden oluşan bir grup tarafından farklı konsantrasyonların psikofiziksel değerlendirmesi ile yapılabilir.
  4. Odorant kaplarına uygun odorant solüsyonlarını koyun. Tüm kapların, aynı miktarda alana, aynı miktarda çözeltiye ve çözeltinin aynı yüzey alanına sahip olmasına dikkat edin. Örneğin, her bir şişenin,% 0.10 lavanta yağı solüsyonu içeren 50 mL lik bir hacim tutan kavun kapları olarak 300 mL'lik altı cam şişeyi kullanın.
  5. BağlayınOdorant konteynerlerini koku giderme için uygun kanallara götüreceksiniz.

3. Olfaktometre Kurulumu

  1. Tüm odorant konteynerlerinin odorant taşıyıcısına düzgün şekilde takıldığından emin olmak için bağlantıları kontrol edin. Aşırı sıkıştırmayın, aksi takdirde contaya zarar verebilir. Her bir odorant kabındaki hava akışını kontrol ederek daha sonraki bir aşamada uygun sızdırmazlık sağlanır.
  2. Odorant taşıyıcıyı mıknatıs odasına yerleştirin ve ana ünite MR ile uyumlu olmadığından, her bir tübü olfaktometreye odanın dışına bağlayın. Hava akımını etkileyeceğinden, tüp içindeki herhangi bir tıkanıklığı görsel olarak kontrol edin. Her kanalın hava akışı sonraki bir adımda kontrol edilecektir.
  3. Numaraları doğru bağlantı noktalarına uyarak olfaktometreye ait tüm tüpleri koku giderme taşıyıcısına güvenli bir şekilde bağlayın. Doğruluk, renk kodlaması için tüpler, kanal 1 için pembe, kanal 2 için mavi vb .
  4. Tüm kanallardaki hava akışının bir akış ekleyerek tutarlı olduğundan emin olunMetre ile hortumun çıkış ucuna bağlayın. Her bir kanalı, olfaktometre kontrol panelinde manuel olarak açın, her kanalın akış hızı aynı kalana kadar toplam hava akışını ve her bir kanalın akış hızlarını ve boşaltma hattını ayarlayın.
  5. Yüz maskesini veya burun parçasını, politetrafloroetilen (PTFE) hortumu ile koku giderme taşıyıcısına bağlayın. Kanallar değiştirildiğinde, konuya verilen hava akışının ( ör . 6 L / dak) tutarlı olduğundan emin olun.
  6. Koku uyarımı paradigmasını ve fMRI görüntü kazanımını senkronize etmek için, olfaktometre üzerindeki MRI sistemindeki radyofrekans tetikleyicisini "tetikleme" portuna bağlayın. Bir optik-elektriksel sinyal dönüştürücü gerekebilir.
  7. Her kanal için toplam hava akışı ve akış oranlarını ve tasfiye hattını tasarlanan miktarlara ayarlayın. Örneğin, 6 L / dk toplam hava akışı ve her kanal için akış hızı ve boşaltma hattı 3 L / dk olmalıdır.
  8. Pnömatik solunum sensörünü bağlayınR kemerini, pnömatik-elektrik sinyal dönüştürücü kutusu yoluyla olfaktometre tepki portuna bağlayın.
  9. Subjektif bir tepki gerekiyorsa, pnömatik-yanıt sinyali pnömatik-elektriksel sinyal dönüştürücü kutusu yoluyla olfaktometre tepki portuna bağlayın.

4. Deneysel İşlem

  1. MRI prosedürünün konu için güvenli olduğundan emin olmak için ön tarama yapın.
    1. Konuya fMRI çalışmasına güvenle katılma kabiliyetine müdahale edebilecek potansiyel implantlar, klostrofobi veya önceden mevcut diğer durumlar da dahil olmak üzere, tıbbi geçmişi hakkında konuyla ilgili bilgi verin. Buna ek olarak, denek sırasında kişinin koku almasını sağlamak için odorantların koku eşiği testi yapın.
  2. Konunun MR muayene yatağında yatması gerekir. Burun deliklerine hava üflenmesi için yüz maskesini veya burun parçasını konuya uygun bir şekilde yerleştirin. Solunum sensörünü tGöğüs veya karın. Konudan normal nefes alınmasını isteyin. Solunum sensörünü tutan kayışın sızdırmazlığını ve yerleşimini manuel olarak, olfaktometre ekranında görülen solunum modeline göre ayarlayın.
  3. Solunum verilerini olfaktometreye kaydetmek için bir veri klasörü oluşturun. "Dosya yöneticisi" ni tıklayın, mevcut konuya atanan konu kimliğini girin, ardından girdiyi "onaylayın".
  4. Uyarıcı iletimini gerektirmeden koku iletimi ve inhalasyon senkronizasyonunu test etmek için "paradigma kontrolü" seçeneğini kullanın ve gerektiğinde, koku iletmenin başlangıcının kişinin inhalasyon fazıyla senkronize olmasını sağlamak için "valf gecikme" zamanını manuel olarak ayarlayın.
  5. Olfaktometre kontrol ünitesinde "trigg-in" modunu seçerek koku uyarımı ve fMRI görüntüsü edinimi arasındaki senkronizasyonu ayarlayın.
    Not: Bu, koku uyarımı paradigmasının "MRI sisteminden kaynaklanan "port" da tetiklenir. Böylece tarayıcıdan harici tetik alınıncaya kadar paradigma çalışmaz. Lütfen MRI tarayıcısının hangi tetikleme darbesinin (elektrik veya ışık) gönderdiğini not edin. İki sistemi birbirine bağlamak için bir sinyal dönüştürücü gerekebilir.
  6. Olfaktometre kontrol ünitesinde "resp tetik başlat" ı seçerek solunum tetiğini etkinleştirin.
    Not: Etkinleştirildiğinde, her paradigma dizisi elemanının başlangıcı solunum ile senkronize edilir. Ampirik olarak, soluk alma evresinin başlangıcından itibaren solunum döngüsünün yaklaşık yarısı kadar koku iletimi ertelenerek sağlanabilir.
  7. MRI konsolunda fMRI görüntü alımını başlatın; Koku uyarımı paradigması, resim edinimi başlar başlamaz başlayacak. Herhangi bir düzensiz solunum aktivitesi için solunum modelini izleyin.
    Not: Düzensiz solunum aktivitesi yaylalar, daha geniş ve daha uzun döngüler şeklinde olabilir veyaDüzensiz dalgalar. Burada, bir KALIN sinyal duyarlı T2 * -ağırlıklı eko-planar görüntüleme sekansı 2.000 ms tekrarlama süresi 30 ms eko süresi, 90 ° dönüş açısı, bakış 220 ilâ 220 mm x mm alanı 80 ile fMRI görüntü elde etmek için kullanıldı × 80 toplama matrisi, 30 4 mm kalınlığında eksenel dilim ve entegre paralel görüntüleme teknikleri için 2 hızlandırma faktörü.
  8. Görüntüleme protokolünün tamamlanmasından sonra, nesneyi mıknatısın dışına çıkarın ve yüz maskesi / burun parçasını çıkarın.

5. Olfaktometre Temizleme

  1. Hava pompasını kapatın. Odorant muhafazalarını odorant taşıyıcısından ayırın ve yerine boş, temiz olanlarla değiştirin.
  2. Hava pompasını çalıştırın. Hava hattındaki kalan odorantları gidermek için her kanalı 5 dakika boyunca kokusuz hava ile yıkayın.
  3. Olfaktometreyi kapatın.
  4. Burun parçasını veya yüz maskesini alkol mendiliyle dezenfekte edin. Yüz maskesini veya burun parçasını ılık suyla durulayın ve sonra havayla kurutun.
  5. 6. Veri Analizi

    1. Verileri işlemek için, solunum veri dosyasını açık kaynaklı yazılım Olfactory Network Stimulation Editing Tool'a (ONSET) yükleyin (www.pennstatehershey.org/web/nmrlab/resources/software/onset) 15
      Not: ONSET yazılımı Xiaoyu Sun tarafından geliştirilmiştir. Paradigmanın ve solunum izinin zamanlamasına dayanan koku uyarılarının onsetleri otomatik olarak tespit edilecektir. Gerçek stimülasyon vektörü, koku iletimi esnasında her etkin solunumun başlama zamanı olarak tanımlanır.
      1. Ölçün ve koku ve kokusuz dönemleri 15 ile solunum hızı ve hacmi (her nefes alma ve nefes verme aşaması çifti altında kalan alan) karşılaştırma.
        NOT: Bu solunum parametrelerinde koku ve kokusuz dönem arasında anlamlı bir fark bulunmamalıdır.
      2. FMRI verilerini merkezi olfacın aktivasyonu için ONSET'ten gerçek başlangıç ​​ve süre vektörleri ile işleyinSistem 15 .

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Şekil 1 , MR uyumluluğunu göz önüne alarak, mıknatıs odasının içindeki ve dışındaki olfaktör fMRI'nin kurulumunu göstermektedir. Şekil 2a , standart bir sabit zamanlama paradigmasını gösterirken, Şekil 2b , "solunum tetikleyicisinin" koku iletimi ve inhalasyonunun senkronize edilmesine izin verdiği bir paradigmayı göstermektedir.

Teneffüs zirveleri açık olan düzenli bir solunum paterni, doğru bir solunum tetiklemeli paradigmasının uygulanması için yaşamsal öneme sahiptir. Böylece solunum sensörünün ayarlanması deney ayarında önemli bir adımdır. Şekil 3 , solunum sensörü yanlış şekilde ayarlandığında ( Şekil 3a ) ve doğru şekilde ( Şekil 3b ) örnek solunum izlerini göstermektedir. SolunumDüzensiz olduğu veya solunum sinyali düzlüğündeyse, olfaktometre solunum modelini doğru bir şekilde belirleyemez ve koku sunumu kişinin solunması ile senkronize edilemez.

Solunum ile tetiklenen, koku stimülasyon paradigması ile, koku uyarımı için başlangıç ​​ve süre vektörleri, denekler arasında değişiklik gösterecektir. Koku sonrası fMRI verilerini analiz etmek için gerçek başlangıç ​​ve süre vektörleri ONSET ile belirlenebilir ve fMRI verileri bu vektörler ile standart prosedürlere göre işlenebilir. Şekil 4 , standart işleme prosedürlerine göre gerçek koku başlangıçlı ve süre vektörlerine sahip açık kaynaklı yazılım SPM8 (www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm) tarafından işlenmiş solunum tetiklemeli koku uyarılarına yanıt veren örnek bir beyin aktivasyon haritasını göstermektedir. Bilateral primer olfaktör kortekste önemli kokuya bağlı aktivasyon saptandı, sağ insuLarak korteks, sağ supramarginal / açısal girus, sol kaudat çekirdeği ve sol postcentral / supramarginal girus (aile-bazlı hata düzeltildi, p <0.05, kapsam eşiği = 6 voksel).

Şekil 1
Şekil 1 : Deneysel kurulum şematik diyagramı. Mıknatıs odasına yerleştirilen MRI uyumlu elemanlar, kontrol odasına yerleştirilen MRI konsolu ve olfaktometre kutusuna, iki odayı birbirinden ayıran duvarda bir dalga kılavuzu bulunan bir penetrasyon paneli aracılığıyla bağlanır. Bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen tıklayınız.

şekil 2
şekil 2 Bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen tıklayınız.

Şekil 3
Şekil 3 : Örnek solunum diyagramları. (A) Solunum sensörü düzgün kurulmadığında örnek bir solunum izi; Solunum desenleri düzensiz olur ve düzensizleşir. (B) Doğru yerleştirilmiş bir solunum sensörü ile kaydedilmiş temsili bir normal solunum modeli; Bu durumda, respiRasyon paterleri seviyedeki piklerle uyumludur ve koku alma, solunum ile senkronize edilebilir. Bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen tıklayınız.

Şekil 4
Şekil 4 : Örnek beyin aktivasyon haritası. Sağlıklı bir kişi solunum tetiklemeli lavanta koku simülasyonuna yanıt verdi (aile bazında hata düzeltildi, p <0.05, kapsam eşiği = 6 voksel). Önemli aktivasyon arasında sağ primer koku korteksi (POC, MNI koordinatları x = 20, y = 6, z = -14), sol POC (x = -22, y = 4, z = -10), sağ insular korteks (x = (X = -66, y = -48, z = 28), sol kaudat çekirdeği (x = -14, y = 6, z = 10), sağ kaudat çekirdeği Ve sol postcentral / supramarginaL gyrus (x = -66, y = -24, z = 20). Bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen tıklayınız.


koku maddesi Gibi kokuyor bileşik Trigeminal uyarım çözücü
Asetaldehit 29 Yeşil, tatlı Basit Yok hayır Su
Amonyak 29 Parlatıcı, temizleyici Basit Evet Su
Amil asetat 30 Muz, elma Basit Bazı Su
N-Butanol 31,32 Hafif alkollü Basit Yok hayır Su
N-Bütil Asetat 31 Tatlı ve meyveli Basit Evet Su
Butirik asit 33 Ekşi, kokulu Basit Evet Su
Citral 30,33 Limon Basit Bazı Su
Karbon Dioksit 34,35 Kokusuz Basit Evet N / A
Etil Butirat 30 Ananas Basit Evet Su
Ökaliptol 35 Okaliptüs Basit Evet Etanol
Eugenol 33,36 Karanfil, baharatlı Basit Yok hayır Etanol
geraniol Tatlı gül, çiçek Basit Yok hayır Etanol
Hidrosülfürik asit 34,36 Çürük yumurta Basit Yok hayır Su
Lavanta 24,37 Lavanta karmaşık Yok hayır Etanol
Mentol 33 Nane Basit Evet Etanol
Metil Salisilat 33 Nane nane Basit Evet Etanol
Patchouli 38 Islak zemin karmaşık Evet Etanol
1-Propanol 31 Sürtme alkol Basit Evet Etanol
Fenetil Alkol 36,39 Gül Basit N-O Etanol
Biberiye Yağı 38 Biberiye karmaşık Evet Etanol
Kükürt dioksit 29 Tahriş edici, keskin Basit Evet Su
Valeric Acid 33 Kokmuş peynir Basit Evet Su
Vanilin 29 Vanilya Basit Yok hayır Etanol
Ylang Ylang 38 Çiçekli parfüm karmaşık Evet Etanol
*** Referanslar için elyazmasının sonuna bakınız

Tablo 1: Koku fMRI çalışmalarında kullanılan yaygın odorantlar .

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Deneysel prosedürler, güvenilir olfaktör aktivasyon verilerinin toplanması için dikkatlice düşünülmeli ve doğru şekilde uygulanmalıdır. Protokoldeki kritik adımlar, koku alımını görüntü alımı ile senkronize etmek için solunum tetiklemeli bir paradigmanın uygulanmasını, psikofizik yanıtları kontrol etmek için uygun yoğunlaştırıcı odorantların hazırlanmasını, olfaktometreyi güvenilir kararlı solunum sinyali ve sabit hava akışı ile ayarlamayı ve sabit hava akışı ve post-processing solunumu uygulamayı içerir Ve koku başlatma vektörlerini retrospektif olarak ayarlamak için ONSET kullanarak koku uygulama zamanlaması verilerini içerir. Bir paradigma tasarlarken ve verileri analiz ederken alışkanlık, psikofiziksel yanıt ve solunum paterni gibi çarpık değişkenler göz önünde bulundurulmalıdır. Bir cisim uzun süreli kokuya maruz kaldığında, primer koku korteksinin aktivasyonu maruziyetin saniyeler içerisinde azalır; bu da olayla ilişkili bir paradigmayı kısa süreli verilen dizilerleKoku maddeleri. Koklama, piriform kortekste bir koku olmaksızın bile aktivasyonu indükleyebileceğinden yakından izlenmelidir 8 . En önemlisi, solunum, odorant uygulamasıyla senkronize edilmezse, büyük bir karıştırıcı değişkentir. Solunum ile tetiklenen paradigma ile inhalasyon ve koku başlangıcının senkronizasyonunun daha güvenilir bir aktivasyon ürettiğini gösterdik 15 .

Serbest nefes alan fMRI yöntemi ile en sık rastlanılan sorun, koku iletimi olayı ile inhalasyon olayı arasındaki zayıf senkronizasyondur. Deneysel kurulumun üç kusurundan kaynaklanabilir. Birincisi ve en yaygın olarak solunum sensörü düzgün bir şekilde ayarlanmamıştır. Göğüs kemeri çok sıkı olduğunda solunum sinyali düzleşir ve senkronizasyon zayıflamasına neden olur. İkincisi, "valf gecikmesi" zamanı iyi kalibre edilmemiştir, bu da koku iletisinin solunum sisteminde çok erken veya çok geç olmasına neden olabilircle. Üçüncüsü, "valf geciktirme" zamanının kalibre edilmesinden sonra kişinin solunum paterni tutarlı değildir. Böylece, normalde mıknatısa solunum yapmak için bir ön tarama eğitimi ve fMRI taraması sırasında solunum modelinin yakından izlenmesi önemlidir.

Bu değişkenler farklı psikofizik yanıt tipleri ve ilişkili fMRI aktivasyonuna neden olabileceğinden, çalışma için odorantları seçerken yoğunluk, valans ve trigeminal uyarıları dikkate almak önemlidir. Örneğin, zayıf yoğunluk koklama eğilimine neden olabilirken, güçlü bir yoğunluk istemsiz nefes tutmaya veya daha hızlı alışkanlığa neden olabilir. Koku yoğunluğunun beynin aktivasyonuyla ilişkili olduğu 20 gösterilmiştir . Alternatif bir paradigma, deney boyunca artan yoğunlukta sunulan dört konsantrasyon lavanta ile oluştu ve bu da alışkanlığı 21 etkin bir şekilde azalttı. Bir odoranın vasıfıNt, ayrıca, verilerin yorumlanması için dikkate alınması gereken beynin farklı bölgelerini harekete geçirir 22 . Örneğin, bir çalışma, koku değeri 16 aracılığıyla farklı zamansal profiller gösterdi. Ayrıca, birçok odorantta değişik derecelerde trigeminal uyarılma göz önüne alınmalıdır.

Bu serbest soluma paradigmasının tüm koku fMRI çalışmaları için mutlaka uygun olmadığını tanımak önemlidir. Koku fMRI çalışmaları için önemli olan özel hususlar için yalnızca bir örnek sağlar. Bu raporda gösterilen deneysel prosedürlerin kullanılan olfaktometreye özgü olmadığını da belirtmek önemlidir. Bu ekipman benzer özelliklere sahip herhangi bir olfaktometre ile ikame edilebilir. Örneğin, olfaktometre, birden fazla koku kaynağıyla birlikte solunum tetiklemeli bir paradigma yürütebilme yeteneğinin yanı sıra solunum izleme yeteneklerine de sahip olmalıdır. additionaLly, bu deney lavanta kullanılarak yapılırken, diğer hafif kandiller araştırmacı tarafından değiştirilebilir, ancak trigeminal stimülasyon ve odorant konsantrasyonu gibi karıştırıcı değişkenleri en aza indirgemek önemlidir.

Bu serbest soluma fMRI yöntemi, merkezi koku sisteminin ön koşullandırmayı kaldırmayı ve tekrarlayan koku uyarımı olayları arasındaki tutarsızlığı azaltmayı amaçlıyor. Merkezi koku sisteminin önkoşullamaları, ana koku yapılarında aktivasyon değişikliklerine neden olabilen, denekten kişiye değişebilir. Merkezi olfaktör sisteminin aktivasyonunu tetiklemek için tekrarlayan olayların, örneğin koku uyarılarının tutarlılığı olayla ilişkili fMRI protokollerinin başarılı bir şekilde uygulanması için kritik önem taşır. Buna ek olarak, serbest soluma tekniği ile, olfaktör fMRI paradigmalarının uygulanması sırasında konular için ipuçları veya görevler olamaz. Fonksiyonel esnada konudan minimum çaba gerektirdiği içinVeri toplama, bazı popüler nörodejeneratif bozukluklar ve hastalıklar, örneğin , Alzheimer hastalığında koku defekti çalışma için değerli bir araç haline gelebilir.

Son çalışmalar nörodejeneratif bozukluklarda beyin aktivasyon modellerini araştırmak için koku fMRI kullandı. Nörodejeneratif bozuklukların, özellikle Alzheimer hastalığı ve Parkinson hastalığı Koku açıklar, koku algılama, tanıma ve tanımlama 3, 23, zorluk içerir. Bununla birlikte, koku alma açıklarının hastalığın başlangıcındaki en belirgin aşamada belirgin bir göstergesi olduğu halde, koku işlevinin kaybı genellikle fark edilmemektedir veya normal yaşla ilişkili gerileme 1 , 23'e atfedilmektedir. Bu nedenle, bu tür hastalıklarda olfaktör disfonksiyon ile ilişkili farklı aktivasyon modellerini daha iyi teşhis etmek için daha fazla araştırmak önemlidir.Erken erken Alzheimer hastalığında, primer koku korteksinde, ayrıca hipokampus ve insula'da, sağlıklı yaşa uygun kontrollerle karşılaştırıldığında aktivasyon paternleri önemli ölçüde azalır 24 . Ayrıca araştırmacılar Parkinson hastalığında amigdala ve talamusun sağlıklı kontrollere göre daha az aktivasyon gösterdiğini, buna karşın kontrollerin sol inferior frontal girus gibi alanlarda daha yüksek aktivasyon görüldüğünü bulduk 2 . Ek çalışmalar, Parkinson hastalığı hastalarında piriform ve orbitofrontal kortekslerde hiperaktifleşmeyi göstermektedir 25 . Bu gibi belirgin aktivasyon paternleri, yapısal patolojinin ötesine uzanmış görünmekte ve bu nedenle nörodejeneratif bozuklukların anlaşılması ve teşhisinde işlevsel veri ediniminin önemini kanıtlamakta ve olfaktör fMRI'nin doğruluğu ve duyarlılığında yenilik gerektirmektedir.

Bu nedenle, daha sonraki derslerFMRI ile insan koku sistemi üzerinde ölürse, nörodejeneratif hastalıkların erken teşhisi için bir biyolojik belirteç geliştirme potansiyeli olabilir. Aslında, normal yaşlanma ile Alzheimer hastalığı hastaları arasındaki aktivasyon düzeylerine duyarlılığın gösterilmesi dahil olmak üzere çalışmalar devam etmektedir 24 , 26 . Böyle bir yapılanmada, bilişsel bozuklukların bazı nörodejeneratif hastalıklarda kendini göstermeden bile bile, sinir ağı tahribinin sıklıkla saptanabileceği gösterilmiştir 27 . Bu durum, olfaktör fMRI araştırmasının bu tür hastalıkların daha erken teşhisi için potansiyel bir araç olarak önemini vurgulamaktadır. Kanıtlar, olfaksiyon 28 işlevsel bağlantı içinde daha fazla araştırma önemini vurgulamaktadır, belirli bir koku bölgelerde görülen değişikliklere ek olarak Alzheimer hastalığında büyük ölçekli koku ağ işleme değişiklikleri varlığını düşündürmektedir. SensKoku alma düzeyinin biyolojik belirteç olarak etkinliği, koku alma mekanizmasına duyarlılığa ve koku alma sisteminin haritalanmasında güvenilirliğin önemini vurgulayan deneysel tekrarlanabilirliğe bağlıdır. Birlikte ele alındığında, bu makalede sunulan örnek, merkezi olfaktör sistemin karmaşıklıklarını ve bu anlayışın klinik önemini anlamak için koku alma fMRI'sinin etkili bir şekilde kullanılmasının yollarını göstermektedir.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Yazarların açıklayacak bir şeyi yok.

Acknowledgments

Yazarların onayları yok.

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