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Um método de fmRI de respiração livre para estudar a função olfativa humana

JoVE Journal
Neuroscience

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Summary

Apresentamos os desafios técnicos e as soluções para a obtenção de dados confiáveis ​​de imagem por ressonância magnética funcional (fMRI) do sistema olfativo central humano. Isso inclui considerações especiais no projeto olfativo de paradigma de fMRI, descrições de aquisição de dados fMRI com um olfactômetro compatível com MRI, seleção de odorantes e uma ferramenta de software especial para pós-processamento de dados.

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

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Abstract

O estudo da olfação humana é um campo altamente complexo e valioso com aplicações que vão desde a pesquisa biomédica até a avaliação clínica. Atualmente, a avaliação das funções do sistema olfativo central humano com ressonância magnética funcional (fMRI) ainda é um desafio devido a várias dificuldades técnicas. Existem algumas variáveis ​​significativas a serem consideradas quando se considera um método efetivo para mapear a função do sistema olfativo central usando fMRI, incluindo a seleção adequada de odorantes, a interação entre apresentação de odor e respiração, e potencial antecipação ou habituação de odorantes. Uma técnica de fMRI olfactiva desencadeada por eventos, relacionada ao evento, pode administrar com precisão odorantes para estimular o sistema olfativo, minimizando a interferência potencial. Ele pode efetivamente capturar os ataques precisos de sinais de fMRI no córtex olfativo primário usando nosso método de pós-processamento de dados. A técnica préAqui, fornece um meio eficiente e prático para gerar resultados confiáveis ​​de fMRI olfativos. Tal técnica pode, em última instância, ser aplicada no campo clínico como uma ferramenta de diagnóstico para doenças associadas à degeneração olfativa, incluindo a doença de Alzheimer e Parkinson, à medida que começamos a compreender melhor as complexidades do sistema olfativo humano.

Introduction

O sistema olfativo humano é entendido como muito mais do que um sistema sensorial porque o olfato também desempenha um papel importante na regulação homeostática e nas emoções. Clinicamente, o sistema olfativo humano é conhecido por ser vulnerável a ataques de muitas doenças neurológicas prevalentes e transtornos psiquiátricos, como doença de Alzheimer, doença de Parkinson, transtorno de estresse pós-traumático e depressão 1 , 2 , 3 , 4 , 5 . Atualmente, a ressonância magnética funcional (fMRI) com contraste dependente do nível de oxigênio no sangue (BOLD) é a técnica mais valiosa para mapear funções do cérebro humano. Uma quantidade significativa de conhecimento sobre funções específicas das estruturas olfativas centrais ( por exemplo , córtex piriforme, córtex orbitofrontal, amígdala e córtex insular) foi adquirida com este tecnológicoIque 6 , 7 , 8 , 9 , 10 .

A aplicação de fMRI aos estudos do sistema olfativo central humano e doenças associadas, no entanto, tem sido dificultada por dois grandes obstáculos: aceleração rápida do sinal BOLD e modulação variável pela respiração. No cotidiano, quando exposto a um odorante por um período de tempo, habitamos rapidamente o aroma. De fato, quando estudado usando fMRI olfatório, o sinal fMRI induzido por odor é rapidamente atenuado pela habituação, o que representa um desafio nos projetos de paradigma de estimulação 8 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 . O sinal BOLD significativo inicial no córtex primário olfativo só persisteS por vários segundos após o início do odor. Portanto, os paradigmas olfativos de fMRI devem evitar estimulações de odor prolongadas ou freqüentes em um curto período de tempo. Para reduzir o efeito de habituação, alguns estudos tentaram apresentar odores alternados em um paradigma de IRMF. No entanto, essa abordagem pode complicar a análise de dados, pois cada odorante pode ser tratado como um evento de estimulação independente.

Outra questão técnica surge com a variabilidade nos padrões de respiração dos sujeitos; A inalação nem sempre se sincroniza com a administração de odorantes durante um paradigma de temporização fixa. O início ea duração da estimulação olfativa são modulados pela respiração de cada indivíduo, o que confunde a qualidade e a análise dos dados do fMRI. Alguns estudos tentaram mitigar esse problema com pistas visuais ou auditivas para sincronizar o início da respiração e odorantes, mas a conformidade dos sujeitos é variável, especialmente na população clínica. As ativações cerebrais associadas wiEssas dicas também podem complicar a análise de dados em determinadas aplicações. Assim, a sincronização da inalação com entrega odorante pode ser crucial para os estudos olfativos de fMRI 15 .

Uma consideração adicional vital para o fMRI olfativo, especialmente no processo de análise de dados, é a seleção de odorantes. Encontrar uma concentração apropriada de odorantes em relação à intensidade percebida é importante para quantificação e comparação de níveis de ativação no cérebro em várias condições experimentais ou doenças. A seleção de odorantes também deve levar em consideração valência de odor ou prazeres. Isso é conhecido por causar perfis temporais divergentes na aprendizagem olfativa 16 , 17 . O odor de lavanda foi escolhido para esta demonstração parcialmente por esse motivo. Dependendo da finalidade de um estudo específico, diferentes odorantes podem ser melhores escolhas. Além disso, a estimulação trigeminal deve ser minimizada para reduçãoE ativação não diretamente relacionada ao olfato 18 .

Neste relatório, demonstramos uma técnica fMRI para configurar e executar um paradigma desencadeado pela respiração usando um olfatômetro no ambiente de ressonância magnética. Também apresentamos uma ferramenta de pós-processamento que pode diminuir alguns erros de temporização que podem ter ocorrido durante a aquisição de dados na tentativa de melhorar ainda mais a análise de dados.

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Protocol

O seguinte protocolo experimental seguiu as diretrizes do Conselho de Revisão Institucional da Faculdade de Medicina da Universidade Estadual da Pensilvânia, e o sujeito humano deu o consentimento informado por escrito antes de participar do estudo.

Nota: Para fins de demonstração, é apresentado um paradigma de estimulação de odor simples usando um olfactômetro compatível com MRI comercialmente disponível. Este paradigma mostrou-se efetivo na redução do efeito de habituação e produziu dados fiáveis ​​de fMRI olfativos 15 . Certas etapas descritas neste protocolo podem ser específicas para o tipo de olfactômetro usado. No entanto, qualquer tipo de equipamento - feito em casa ou comercialmente disponível com capacidades semelhantes - pode ser usado de forma análoga. O olfatômetro deve ser capaz de monitorar a respiração, bem como apresentar uma seqüência de odorantes com cronometragem precisa. Certifique-se de que todo o sistema de entrega de odor (incluindo oOlfactômetro) é construído com materiais inertes a produtos químicos odorantes ( por exemplo , vidro e politetrafluoroetileno), e a via do odor é suave e resistente ao ar, com espaço mínimo morto.

1. Paradigm Design

  1. Crie um novo paradigma especificando a seqüência da válvula de fluxo de ar em um olfatômetro programável.
    NOTA: A seqüência da válvula é a ordem e o tempo de abertura e fechamento de canais de ar específicos que possuem diferentes concentrações ou tipos de odorantes. Nesta demonstração, cada uma das válvulas para os seis canais foi aberta duas vezes para um total de 12 entregas de odor. Sempre que uma válvula estava aberta, todas as outras válvulas foram fechadas e cada válvula foi aberta novamente somente depois que todas as outras válvulas já haviam sido abertas uma vez.
    1. Atribua a duração do estímulo (a abertura de um canal específico), bem como a duração do fechamento do canal.
      NOTA: Nesta demonstração, a duração da apresentação do odor foi de 6 s, enquantoA duração dos canais a serem fechados variou de 22 s a 38 s.
    2. Defina o número de repetições para a seqüência da válvula abrir e fechar. Aqui, o número de repetições é 1.
    3. Intercalar cada apresentação odorante com uma apresentação de ar inodoro no mesmo caudal. Por exemplo, entregue o fluxo de ar ao sujeito com ou sem odor com um caudal de 6 L / min em 50% de umidade relativa e temperatura ambiente a 22 ° C.
      NOTA: Isto é importante, pois as variações no fluxo de ar podem causar sensação tátil.

2. Preparação de odorantes

  1. Escolha um odorante apropriado para o paradigma de estimulação de odor, considerando a valência, agradezência, intensidade, familiaridade e componente do trigémino do odor (ver Tabela 1 ).
    Nota: A Tabela 1 lista alguns odorantes comumente usados. O odor de lavanda foi escolhido para esta demonstração porque tem mínima estimulação trigeminal em baixo a moderado coNcentrações e geralmente é percebida como agradável e familiar.
  2. Escolha um solvente apropriado ( por exemplo , água, óleo mineral, 1,2-propanodiol, etanol) para preparar as soluções odorantes.
    NOTA: Aqui, o 1,2-propanodiol foi usado como solvente para preparação de solução odorante.
  3. Escolha uma concentração apropriada de odorantes para o paradigma de estimulação de odor. Por exemplo, diluir o óleo de lavanda em 1,2-propanodiol na concentração de 0,10% (volume / volume) para a estimulação olfativa 19 .
    NOTA: Isso pode ser feito por uma avaliação psicofísica de uma série de diferentes concentrações por um grupo de indivíduos normais.
  4. Coloque as soluções odorantes adequadas nos recipientes odorantes. Certifique-se de que todos os recipientes tenham a mesma quantidade de espaço, a mesma quantidade de solução e a mesma área de superfície para a solução. Por exemplo, use seis frascos de vidro de tamanho de 300 mL como recipientes odorantes com cada garrafa contendo 50 mL de solução de óleo de lavanda a 0,10%.
  5. Conecte umOs recipientes odorantes para os canais adequados para o fornecimento de odor.

3. Configuração de Olfactômetro

  1. Verifique as conexões para garantir que todos os recipientes odorantes estejam adequadamente conectados ao transportador odorante. Não aperte demais, pois isso pode danificar a vedação. O aperto adequado é assegurado em um passo posterior, verificando o fluxo de ar através de cada recipiente odorante.
  2. Coloque o transportador odorante na sala magnética e conecte cada tubo ao olfatômetro fora da sala, pois a unidade principal não é compatível com MR. Verifique visualmente qualquer torção na tubulação, pois isso afetará o fluxo de ar. O fluxo de ar de cada canal será verificado em uma etapa posterior.
  3. Conecte firmemente todos os tubos do olfatômetro ao transportador odorante, combinando os números com as portas corretas. Para obter precisão, codifique os tubos, de modo que o rosa para o canal 1, o azul para o canal 2, etc.
  4. Certifique-se de que o fluxo de ar através de todos os canais é consistente, juntando um fluxoMedir para a extremidade de saída da tubulação. Abra manualmente cada canal no painel de controle do olfatômetro, ajuste o fluxo de ar total, bem como as taxas de fluxo de cada canal e a linha de descarga até que a taxa de fluxo de cada canal seja consistente.
  5. Conecte a máscara facial ou a peça do nariz ao transportador odorante com tubo de politetrafluoroetileno (PTFE). Certifique-se de que o fluxo de ar ( por exemplo , 6 L / min) entregue ao sujeito é consistente quando os canais são alternados.
  6. Conecte o gatilho de radiofrequência do sistema MRI à porta "trigger in" no olfactômetro para sincronizar o paradigma de estimulação de odor e a aquisição de imagens fMRI. Um conversor de sinal óptico-elétrico pode ser necessário.
  7. Ajuste o fluxo de ar total e as taxas de fluxo para cada canal e a linha de descarga para os montantes projetados. Por exemplo, um fluxo de ar total de 6 L / min e as taxas de fluxo para cada canal e a linha de descarga são de 3 L / min.
  8. Conecte o sensor respiratório pneumáticoR para a porta de resposta do olfatômetro através da caixa de conversão de sinal pneumático-elétrico.
  9. Se for necessária uma resposta subjetiva, conecte a almofada de resposta pneumática à porta de resposta do olfatômetro através da caixa conversora de sinal pneumático-elétrico.

4. Procedimento Experimental

  1. Realize uma pré-seleção para garantir que o procedimento de ressonância magnética seja seguro para o assunto.
    1. Pergunte ao sujeito sobre histórico médico, incluindo implantes potenciais, claustrofobia ou outras condições preexistentes que possam interferir com a capacidade do sujeito de participar com segurança no estudo de IRMF. Além disso, execute um teste de limiar de cheiro dos odorantes para garantir que o sujeito possa cheirar os odorantes durante a experiência.
  2. Peça ao sujeito em decúbito dorsal no aparelho de exame de ressonância magnética. Coloque a máscara facial ou a peça do nariz corretamente sobre o assunto para garantir que o ar sopre nas narinas. Coloque o sensor respiratório em ambosEle cofre ou abdômen. Peça ao sujeito para respirar normalmente. Ajuste manualmente o aperto e a colocação do cinto segurando o sensor respiratório de acordo com o padrão de respiração observado na exibição do olfatômetro.
  3. Crie uma pasta de dados para registrar os dados respiratórios no olfatômetro. Clique em "gerenciador de arquivos", insira a ID do assunto atribuída ao assunto atual, então "confirme" a entrada.
  4. Use a opção "verificação de paradigma" para testar a sincronização de entrega de odor e inalação sem envolver o estímulo e, se necessário, ajustar manualmente o tempo de "dilatação da válvula" para garantir que o início da entrega de odor seja sincronizado com a fase de inalação do sujeito.
  5. Defina a sincronização entre estimulação de odor e aquisição de imagem fMRI selecionando o modo "trigg-in" na unidade de controle do olfactômetro.
    Nota: Isso permite que o paradigma de estimulação de odor seja iniciado com um gatilho externo sobre o ", Gatilho na "porta originada do sistema de ressonância magnética. Assim, o paradigma não será executado até que o gatilho externo do scanner seja recebido. Por favor, note que tipo de pulso de disparo (elétrico ou leve) que o scanner de MRI envia. Um conversor de sinal pode ser necessário para vincular os dois sistemas.
  6. Ative o gatilho respiratório selecionando "resp trigger start" na unidade de controle do olfactômetro.
    Nota: Quando ativado, o início de cada elemento de seqüência de paradigma é sincronizado com a inalação. Isto pode ser conseguido empiricamente ao atrasar a entrega de odor aproximadamente metade de um ciclo de respiração desde o início da fase de expiração.
  7. Inicie a aquisição da imagem fMRI no console MRI; O paradigma de estimulação de odor começará assim que a aquisição da imagem começar. Monitorize o padrão de respiração para qualquer atividade respiratória irregular.
    Nota: A atividade respiratória irregular pode ser na forma de planaltos, ciclos mais largos e mais longos, ouOndas erráticas. Sequcia de eco-planar imagiologia aqui, um sensível ao sinal NEGRITO T 2 * ponderadas foi usado para a aquisição de imagens com IRMf 2.000 ms de tempo de repetição, 30 ms de tempo de eco, de 90 ° ângulo da aleta, 220 mm x 220 mm campo de vista, 80 × 80 matriz de aquisição, 30 fatias axiais de 4 mm de espessura e fator de aceleração de 2 para técnicas de imagem paralela integrada.
  8. Ao completar o protocolo de imagem, remova o assunto do ímã e remova a máscara facial / nariz.

5. Limpeza do Olfactômetro

  1. Desligue a bomba de ar. Retire os recipientes odorantes do transportador odorante e substitua-os por limpos e vazios.
  2. Alimentar a bomba de ar. Elimine cada canal com ar inodoro durante 5 minutos para remover odorantes residuais na linha de ar.
  3. Desligue o olfatômetro.
  4. Desinfecte a peça do nariz ou máscara facial com toalhetes de álcool. Enxaguar a máscara facial ou nariz com água morna e depois secar ao ar.
  5. 6. Análise de dados

    1. Para processar os dados, carregue o arquivo de dados de respiração para o software de código aberto Olfactory Network Stimulation Editing Tool (ONSET) (www.pennstatehershey.org/web/nmrlab/resources/software/onset) 15
      Nota: O software ONSET foi desenvolvido pela Xiaoyu Sun. As descobertas de estimulação do odor com base no tempo do paradigma e da respiração serão automaticamente detectadas. O vetor de estimulação real é definido como o tempo de início de cada inalação efetiva durante o parto.
      1. Medir e comparar a taxa de respiração eo volume (a área sob cada par de fase de inalação e expiração) entre odor e períodos inodoro 15 .
        NOTA: Não deve haver diferença significativa nesses parâmetros respiratórios entre o odor e os períodos inodoro.
      2. Processe os dados fMRI com os vetores de início e duração atuais da ONSET para a ativação do olfac centralSistema tório 15 .

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Representative Results

A Figura 1 demonstra a instalação da fMRI olfativa dentro e fora da sala de ímã, levando em consideração a compatibilidade de MR. A Figura 2a demonstra um paradigma de sincronismo fixo padrão, enquanto a Figura 2b demonstra um paradigma onde o "gatilho de respiração" permite a sincronização de entrega de odor e inalação.

Um padrão de respiração regular com picos de inalação claros é vital para a implementação de um paradigma preciso disparado pela respiração. Assim, o ajuste do sensor de respiração é um passo importante na configuração da experiência. A Figura 3 demonstra traços de respiração de amostra quando o sensor de respiração foi configurado incorretamente ( Figura 3a ) e corretamente ( Figura 3b ). Se a respiraçãoO padrão de ação é irregular ou as placas de sinal de respiração, o olfatômetro não conseguirá determinar com precisão o padrão de respiração e a apresentação do odor não pode ser sincronizada com a inalação do sujeito.

Com um paradigma de estimulação provocado pela respiração, os vetores de início e duração para a estimulação do odor variam entre os indivíduos. Para analisar dados olfativos de fMRI, os vetores de início e duração reais podem ser determinados com ONSET e os dados de fMRI podem ser processados ​​seguindo procedimentos padrão com esses vetores. A Figura 4 mostra um mapa de ativação do cérebro de amostra que responde à estimulação de odor provocada pela respiração processada pelo software open-source SPM8 (www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm) com vetores de ocorrência e otimização de odor reais seguindo procedimentos de processamento padrão. Foi detectada ativação significativa relacionada ao odor no córtex olfativo primário bilateral, isolamento corretoCórtex lateral, supraarginal / giro angular, núcleo caudado esquerdo e giro pós-central / supramarginal esquerdo (erro familiar, corrigido, p <0,05, limiar de extensão = 6 voxels).

figura 1
Figura 1 : diagrama esquemático para configuração experimental. Os elementos compatíveis com MRI colocados na sala magnética estão conectados à consola MRI e à caixa de olfactômetro alojada na sala de controle através de um painel de penetração com uma guia de onda na parede que separa os dois quartos. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 2
Figura 2 Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 3
Figura 3 : Exemplo de diagramas respiratórios. (A) Um exemplo de traço de respiração quando o sensor de respiração não está configurado corretamente; Os padrões de respiração mesotram e tornam-se irregulares. (B) Um padrão de respiração regular representativo gravado com um sensor de respiração corretamente colocado; Neste caso, o respiOs padrões de ração são consistentes com picos de nível, e a entrega de odor pode ser sincronizada com a inalação. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 4
Figura 4 : mapa de ativação do cérebro da amostra. Um sujeito saudável respondeu à simulação de odor de lavanda desencadeada por respiração (erro familiar corrigido, p <0,05, limiar de extensão = 6 voxels). A ativação significativa inclui o córtex olfativo primário direito (coordenadas POC, MNI x = 20, y = 6, z = -14), POC esquerdo (x = -22, y = 4, z = -10), córtex insular direito (x = 46, y = 20, z = -10), giro supramarginal / angular direito (x = 66, y = -48, z = 28), núcleo caudado esquerdo (x = -14, y = 6, z = 10), E deixou postcentral / supramarginaL gyrus (x = -66, y = -24, z = 20). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.


Odorante Cheira como Composto Estimulação trigeneína Solvente
Acetaldeído 29 Verde, doce Simples Não agua
Amoníaco 29 Pungent, cleaner Simples sim agua
Amil acetato 30 Banana maça Simples Alguns agua
N-butanol 31,32 Pouco alcoólico Simples Não agua
Acetato de n-butilo 31 Doce e frutado Simples sim agua
Ácido butírico 33 Sour, rancid Simples sim agua
Citral 30,33 Limão Simples Alguns agua
Dióxido de carbono 34,35 Inodoro Simples sim N / D
Etilbutirato 30 Abacaxi Simples sim agua
Eucalyptol 35 Eucalipto Simples sim Etanol
Eugenol 33,36 Cravo, picante Simples Não Etanol
Geraniol Doce rosa, floral Simples Não Etanol
Ácido Hidrosulfúrico 34,36 Ovos podres Simples Não agua
Lavanda 24,37 Lavanda Complexo Não Etanol
Mentol 33 Peppermint Simples sim Etanol
Salicilato de metilo 33 Hortelã Wintergreen Simples sim Etanol
Patchouli 38 Solo úmido Complexo sim Etanol
1-Propanol 31 Esfregando álcool Simples sim Etanol
Álcool Fenílico 36,39 Rosa Simples NO Etanol
Óleo de alecrim 38 Alecrim Complexo sim Etanol
Dióxido de enxofre 29 Irritante, pungente Simples sim agua
Ácido valérico 33 Queijo Rancid Simples sim agua
Vanillin 29 Baunilha Simples Não Etanol
Ylang Ylang 38 Perfume floral Complexo sim Etanol
*** Veja o final do manuscrito para referências

Tabela 1: Odorantes comuns utilizados em estudos olfativos de fMRI .

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Discussion

Os procedimentos experimentais devem ser cuidadosamente considerados e executados corretamente para a coleta de dados confiáveis ​​de ativação olfativa. Os passos críticos dentro do protocolo incluem a implementação de um paradigma desencadeado pela respiração para sincronizar o fornecimento de odor com a aquisição da imagem, preparando concentrações adequadas de odorantes para controlar as respostas psicofísicas, estabelecendo o olfatômetro com sinal de respiração estável confiável e fluxo de ar constante e respiração pós-processamento E dados de tempo de administração de odor usando ONSET para ajustar retrospectivamente os vetores de início de odor. Variáveis ​​confusas, como habituação, resposta psicofísica e padrões de respiração, devem ser levadas em consideração ao projetar um paradigma e analisar dados. Quando um sujeito é exposto a um odor prolongado, a ativação do córtex olfativo primário diminui em segundos de exposição, o que torna necessário utilizar um paradigma relacionado ao evento com uma seqüência de administrações brevesDe odorantes. O perfumado também deve ser monitorado de perto, pois pode induzir a ativação no córtex piriforme mesmo sem odor 8 . Mais importante ainda, a respiração é uma grande variável de confusão se não estiver sincronizada com a administração de odorantes. Mostramos que a sincronização da inalação e o início do odor com um paradigma desencadeado pela respiração produz uma ativação mais confiável 15 .

O problema mais comum com o método fMRI de respiração livre é a fraca sincronização entre o evento de entrega de odor e inalação, que pode ser causada por três imperfeições na configuração experimental. Primeiro, e mais comumente, o sensor de respiração não está configurado corretamente. Quando o cinto do tórax é muito apertado, o sinal de respiração irá planar, o que causará uma baixa sincronização. Em segundo lugar, o tempo de "atraso da válvula" não está bem calibrado, o que pode fazer com que o fornecimento de odor seja muito cedo ou muito tarde na respiração.Cle. Em terceiro lugar, o padrão de respiração do sujeito não é consistente após a calibração do tempo "atraso da válvula". Assim, um treinamento de pré-varredura para o sujeito para respirar normalmente no ímã e um monitoramento próximo do padrão de respiração durante a varredura fMRI são importantes.

É importante considerar a intensidade, valência e estimulação trigeminal ao selecionar odorantes para o estudo, pois essas variáveis ​​podem causar diferentes tipos de respostas psicofísicas e ativação de fMRI associada. Por exemplo, uma fraca intensidade pode causar uma tendência a cheirar, enquanto que uma forte intensidade pode causar a suspensão involuntária ou uma adulteração mais rápida. A intensidade do odor também se mostra correlacionada com a ativação no cérebro 20 . Um paradigma alternativo consistiu em quatro concentrações de lavanda apresentadas em intensidade crescente durante todo o experimento, o que efetivamente reduziu a habituação 21 . A valência de uma odoraNt também ativa diferentes regiões do cérebro, o que deve ser levado em consideração para a interpretação de dados 22 . Por exemplo, um estudo demonstrou perfis temporais divergentes através da valência de odor 16 . Além disso, muitos odorantes têm diferentes graus de estimulação trigeminal, o que deve ser considerado.

É importante reconhecer que este paradigma de respiração livre não é necessariamente adequado para todos os estudos olfativos de fMRI. Ele fornece apenas um exemplo de considerações especiais que são importantes para os estudos olfativos de fMRI. Também é importante notar que os procedimentos experimentais demonstrados neste relatório não são específicos do olfactômetro utilizado. Este equipamento pode ser substituído por qualquer olfactômetro com capacidades semelhantes. Por exemplo, o olfatômetro deve ter capacidades de monitoramento da respiração, bem como a capacidade de realizar um paradigma de ativação respiratória com múltiplas fontes de odor. AdicionaEmbora este experimento tenha sido apresentado usando lavanda, outros odorantes podem ser substituídos pelo investigador, embora seja importante minimizar as variáveis ​​de confusão, como a estimulação do trigémino e a concentração de odorantes.

Este método fMRI de respiração livre visa remover o pré-condicionamento do sistema olfativo central e reduzir a inconsistência entre eventos repetitivos de estimulação de odor. O pré-condicionamento do sistema olfativo central pode variar de sujeito a sujeito, o que pode causar variações de ativação nas estruturas olfativas primárias. A consistência dos eventos repetitivos, por exemplo , estímulos de odor para desencadear a ativação do sistema olfativo central, é fundamental para a execução bem-sucedida de protocolos fMRI relacionados ao evento. Além disso, com a técnica de respiração livre, não pode haver pistas ou tarefas para os sujeitos durante a execução de paradigmas olfativos de fMRI. Como exige um esforço mínimo do sujeito durante o funcionamentoAquisição de dados, pode se tornar uma ferramenta valiosa para estudar os déficits olfativos em algumas doenças e doenças neurodegenerativas populares, por exemplo , doença de Alzheimer.

Estudos recentes utilizaram fMRI olfativo para explorar os padrões de ativação cerebral em distúrbios neurodegenerativos. Os déficits olfatórios em distúrbios neurodegenerativos, particularmente a doença de Alzheimer e a doença de Parkinson, incluem dificuldade em detecção, reconhecimento e identificação de odor 3 , 23 . No entanto, enquanto os déficits olfatórios são um indicador distinto nos primeiros estágios do início da doença, a perda de função olfativa geralmente passa despercebida ou é atribuída ao declínio normal da idade 1 , 23 . Portanto, é importante explorar ainda mais os distintos padrões de ativação associados à disfunção olfativa em tais doenças para melhor diagnóstico de tHem no início. Na doença de Alzheimer, padrões de activação são significativamente reduzidos no córtex primário olfactivo, assim como o hipocampo e insula quando comparado com, controles pareados por idade saudáveis 24. Além disso, os pesquisadores descobriram que, em pacientes com doença de Parkinson, a amígdala e o tálamo apresentam menos ativação do que nos controles saudáveis, enquanto uma maior ativação é observada em áreas como o giro frontal inferior esquerdo em comparação com os controles 2 . Estudos adicionais demonstram hiperativação nos córtices piriforme e orbitofrontal em pacientes com doença de Parkinson 25 . Tais padrões de ativação distintos parecem se estender além da patologia estrutural, provando a importância da aquisição de dados funcionais na compreensão e diagnóstico de distúrbios neurodegenerativos e necessitando de inovações na precisão e sensibilidade do fMRI olfatório.

Por este motivo, maisMorre no sistema olfativo humano com fMRI pode ter um potencial para o desenvolvimento de um biomarcador para o diagnóstico precoce de doenças neurodegenerativas. Na verdade, os estudos já estão progredindo, incluindo a demonstração de sensibilidade aos níveis de ativação entre o envelhecimento normal e os pacientes com doença de Alzheimer 24 , 26 . Um desses estudos mostrou que a destruição da rede neural é muitas vezes detectável mesmo antes que os déficits cognitivos se apresentam em algumas doenças neurodegenerativas 27 . Isso destaca a importância da investigação olfativa de fMRI como uma ferramenta potencial para o diagnóstico precoce de tais doenças. A evidência também sugere a existência de mudanças de processamento de rede olfativa em larga escala na doença de Alzheimer, além das mudanças observadas em regiões olfativas específicas, enfatizando a importância de uma maior exploração da conectividade funcional do olfato 28 . SensA inatividade dos níveis de ativação olfativa como biomarcador é dependente da sensibilidade à estimulação de odor e reprodutibilidade experimental, o que evidencia a importância da confiabilidade no mapeamento do sistema olfativo. Em conjunto, o exemplo apresentado neste artigo fornece um vislumbre das maneiras pelas quais o fMRI olfatório pode ser efetivamente usado para entender as complexidades do sistema olfativo central e a importância clínica deste entendimento.

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Disclosures

Os autores não têm nada a revelar.

Acknowledgments

Os autores não têm reconhecimento.

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

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