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Une méthode FMRI à respiration libre pour étudier la fonction olfactive humaine

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Neuroscience

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Summary

Nous présentons les défis techniques et les solutions pour obtenir des données fiables d'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMF) à partir du système olfactif central humain. Cela inclut des considérations spéciales dans la conception olfactive du paradigme fMRI, des descriptions de l'acquisition de données fMRI avec un olfactomètre compatible avec l'IRM, une sélection d'odorant et un outil logiciel spécial pour le post-traitement des données.

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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

L'étude de l'olfaction humaine est un domaine très complexe et précieux avec des applications allant de la recherche biomédicale à l'évaluation clinique. Actuellement, l'évaluation des fonctions du système olfactif central humain avec imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMF) est toujours un défi en raison de plusieurs difficultés techniques. Il existe des variables importantes à prendre en considération lorsqu'on envisage une méthode efficace pour cartographier la fonction du système olfactif central en utilisant l'IRMF, y compris la sélection appropriée des odeurs, l'interaction entre la présentation des odeurs et la respiration, et l'anticipation potentielle ou l'habituation des odorants. Une technique d'IRFF olfactif déclenchée par l'événement et activée par la respiration peut administrer avec précision des odorants pour stimuler le système olfactif tout en minimisant les interférences potentielles. Il peut effectivement capturer les signaux précis des signaux de fMRI dans le cortex olfactif primaire en utilisant notre méthode de post-traitement de données. La technique préIci fournit un moyen efficace et pratique de générer des résultats olfactifs fMRI fiables. Une telle technique peut finalement être appliquée dans le domaine clinique comme outil de diagnostic pour les maladies associées à la dégénérescence olfactive, y compris la maladie d'Alzheimer et la maladie de Parkinson, alors que nous commençons à mieux comprendre les complexités du système olfactif humain.

Introduction

Le système olfactif humain est bien plus qu'un système sensoriel car l'olfaction joue également un rôle important dans la régulation et les émotions homéostatiques. Cliniquement, le système olfactif humain est connu pour être vulnérable aux attaques de nombreuses maladies neurologiques et de troubles psychiatriques prévalents, tels que la maladie d'Alzheimer, la maladie de Parkinson, le syndrome de stress post-traumatique et la dépression 1 , 2 , 3 , 4 , 5 . À l'heure actuelle, l'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) avec un contraste sang-oxygène-dépendant (BOLD) est la technique la plus précieuse pour la cartographie des fonctions du cerveau humain. Une connaissance significative des fonctions spécifiques des structures olfactives centrales ( p . Ex . Cortex piriforme, cortex orbitofrontal, amygdale et cortex insulaire) a été acquise avec cette technologieIque 6 , 7 , 8 , 9 , 10 .

L'application de l'IRMF aux études du système olfactif central humain et des maladies associées a cependant été entravée par deux obstacles majeurs: l'accouplement rapide du signal BOLD et la modulation variable par la respiration. Dans la vie quotidienne, lorsqu'ils sont exposés à une odeur pendant un certain temps, nous habitons rapidement au parfum. En effet, lorsqu'il a été étudié à l'aide d'IRMF olfactif, le signal de fMRI induit par les odeurs est rapidement atténué par l'accoutumance, ce qui pose un défi sur les modèles de paradigme de stimulation 8 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 . Le signal BOLD significatif initial dans le cortex olfactif primaire ne persisteS pendant plusieurs secondes après l'apparition odorante. Par conséquent, les paradigmes olfactifs fMRI devraient éviter des stimulations prolongées ou fréquentes des odeurs dans un court laps de temps. Pour réduire l'effet d'habituation, certaines études ont tenté de présenter des odeurs alternées dans un paradigme d'IRMF. Cependant, cette approche peut compliquer l'analyse des données car chaque odorant peut être traité comme un événement de stimulation indépendant.

Un autre problème technique se pose avec la variabilité des schémas respiratoires des sujets; L'inhalation ne se synchronise pas toujours avec l'administration d'odeurs pendant un paradigme de synchronisation fixe. L'apparition et la durée de la stimulation olfactive sont modulées par la respiration de chaque individu, ce qui confond la qualité et l'analyse des données de l'IRMF. Certaines études ont tenté d'atténuer ce problème avec des indices visuels ou auditifs pour synchroniser la respiration et l'apparition odorante, mais la conformité des sujets est variable, en particulier dans la population clinique. Les activations cérébrales associées wiCes indices pourraient également compliquer l'analyse des données dans certaines applications. Ainsi, la synchronisation de l'inhalation avec une distribution odorante peut être cruciale pour les études olfactives sur l'IRFF 15 .

Une considération supplémentaire essentielle à l'IRMF olfactif, en particulier dans le processus d'analyse des données, est une sélection odorante. Trouver une concentration odorante appropriée par rapport à l'intensité perçue est important pour la quantification et la comparaison des niveaux d'activation dans le cerveau dans diverses conditions ou maladies expérimentales. La sélection de l'odorant doit également tenir compte de la valence des odeurs ou de l'agrément. Ceci est connu pour provoquer des profils temporels divergents dans l'apprentissage olfactif 16 , 17 . L'odeur de lavande a été choisie pour cette démonstration en partie pour cette raison. Selon le but d'une étude spécifique, différents odorants peuvent être de meilleurs choix. En outre, la stimulation du trijumeau doit être minimisée pour réduireE activation non directement liée à l'olfaction 18 .

Dans ce rapport, nous démontrons une technique fMRI pour mettre en place et exécuter un paradigme déclenché par la respiration à l'aide d'un olfactomètre dans l'environnement de résonance magnétique. Nous présentons également un outil de post-traitement qui peut diminuer certaines erreurs de synchronisation qui peuvent avoir eu lieu lors de l'acquisition de données dans le but d'améliorer encore l'analyse des données.

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Protocol

Le protocole expérimental suivant a suivi les lignes directrices du Conseil d'examen institutionnel du Collège de médecine de l'Université d'État de Pennsylvanie, et le sujet humain a donné son consentement éclairé par écrit avant de participer à l'étude.

Remarque: Aux fins de la démonstration, un paradigme de stimulation de l'odeur simple en utilisant un olfactomètre compatible avec l'IRM disponible dans le commerce est présenté. Ce paradigme s'est révélé efficace pour réduire l'effet d'habituation et a produit des données fiables sur l'IRFF olfactives 15 . Certaines étapes décrites dans ce protocole peuvent être spécifiques au type d'olfactomètre utilisé. Cependant, tout type d'équipement, fabriqué à la maison ou disponible dans le commerce avec des capacités similaires, peut être utilisé de manière analogue. L'olfactomètre doit être capable de surveiller la respiration ainsi que de présenter une séquence d'odorants avec un chronométrage précis. Assurez-vous que le système de livraison d'odeurs complet (y compris leOlfactomètre) est construit avec des matériaux inerte à des produits chimiques odorants ( p . Ex . Verre et polytétrafluoroéthylène), et la voie des odeurs est lisse et étanche à l'air avec un espace mort minimal.

1. Paradigm Design

  1. Créez un nouveau paradigme en spécifiant la séquence de la soupape d'écoulement sur un olfactomètre programmable.
    REMARQUE: La séquence de soupape est l'ordre et le moment de l'ouverture et de la fermeture de canaux d'air spécifiques qui contiennent différentes concentrations ou types d'odorants. Dans cette démonstration, chacune des vannes pour les six canaux a été ouverte deux fois pour un total de douze livraisons d'odeurs. Chaque fois qu'une soupape était ouverte, toutes les autres vannes étaient fermées et chaque soupape ne s'ouvrait que lorsque toutes les autres soupapes avaient déjà été ouvertes une fois.
    1. Affectez la durée pour le stimulus (l'ouverture d'un canal spécifique) ainsi que la durée pour que le canal soit fermé.
      NOTE: Dans cette démonstration, la durée de la présentation des odeurs était de 6 s, alors queLa durée de fermeture des chaînes variait de 22 s à 38 s.
    2. Réglez le nombre de répétitions pour la séquence de la soupape s'ouvre et se ferme. Ici, le nombre de répétitions est de 1.
    3. Interlelez chaque présentation odorante avec une présentation d'air inodore au même débit. Par exemple, livrer le flux d'air au sujet avec ou sans odeur à un débit de 6 L / min dans 50% d'humidité relative et la température ambiante à 22 ° C.
      NOTE: Ceci est important car les variations du flux d'air peuvent provoquer une sensation tactile.

2. Préparation de l'odorant

  1. Choisissez un odorant approprié pour le paradigme de la stimulation des odeurs en considérant la valence, l'agrément, l'intensité, la familiarité et le composant trigéminique d'odeur (voir tableau 1 ).
    Note: Le tableau 1 énumère quelques odorants couramment utilisés. L'odeur de lavande a été choisie pour cette démonstration parce qu'elle a une stimulation trigéminaire minimale à faible à modéréNcentrations et est généralement perçu comme agréable et familier.
  2. Choisissez un solvant approprié ( p . Ex. , Eau, huile minérale, 1,2-propanediol, éthanol) pour préparer les solutions odorantes.
    REMARQUE: Ici, le 1,2-propanediol a été utilisé comme solvant pour la préparation de la solution odorante.
  3. Choisissez une bonne concentration d'odorant pour le paradigme de stimulation des odeurs. Par exemple, l'huile de lavande diluée dans le 1,2-propanediol à une concentration de 0,10% (volume / volume) pour la stimulation olfactive 19 .
    NOTE: Cela peut être fait par une évaluation psychophysique d'une série de concentrations différentes par un groupe de sujets normaux.
  4. Mettez les solutions odorantes appropriées dans les récipients odorants. Assurez-vous que tous les conteneurs ont la même quantité d'espace, la même quantité de solution et la même surface pour la solution. Par exemple, utilisez six bouteilles en verre de 300 mL comme les récipients odorants avec chaque bouteille contenant 50 ml d'une solution d'huile de lavande à 0,10%.
  5. Connectez-vousLes contenants odorants aux canaux appropriés pour la livraison des odeurs.

3. Mise en place de l'olfactomètre

  1. Vérifiez les connexions pour s'assurer que tous les conteneurs odorants sont correctement attachés au support odorant. Ne pas trop serrer, car cela peut endommager le joint. Une étanchéité appropriée est assurée dans une étape ultérieure en vérifiant le débit d'air dans chaque contenant odorant.
  2. Placez le support odorant dans la chambre magnétique et connectez chaque tube à l'olfactomètre en dehors de la pièce, car l'unité principale n'est pas compatible avec le MR. Vérifiez visuellement tous les plis dans le tube, car cela affectera le débit d'air. Le flux d'air de chaque canal sera vérifié dans une étape ultérieure.
  3. Connectez solidement tous les tubes de l'olfactomètre au support odorant en faisant correspondre les nombres aux ports corrects. Pour la précision, codez les tubes, de sorte que le rose pour le canal 1, le bleu pour le canal 2, etc.
  4. Assurez-vous que le flux d'air à travers tous les canaux est cohérent en fixant un débitMètre à l'extrémité de sortie du tube. Ouvrez manuellement chaque canal sur le panneau de commande de l'olfactomètre, ajustez le flux d'air total ainsi que les débits de chaque canal et la ligne de chasse jusqu'à ce que le débit de chaque canal soit cohérent.
  5. Connectez le masque facial ou le nez au support odorant avec un tube de polytétrafluoroéthylène (PTFE). Assurez-vous que le débit d'air ( par exemple , 6 L / min) délivré au sujet est cohérent lorsque les canaux sont commutés.
  6. Connectez le déclencheur radiofréquence du système IRM au port "déclencheur" sur l'olfactomètre pour synchroniser le paradigme de stimulation des odeurs et l'acquisition d'image fMRI. Un convertisseur de signal optique-électrique peut être nécessaire.
  7. Réglez le débit total d'air et les débits pour chaque canal et la ligne de chasse sur les montants conçus. Par exemple, un débit d'air total de 6 L / min et les débits pour chaque canal et la ligne de chasse d'eau sont de 3 L / min.
  8. Raccorder le sens respiratoire pneumatiqueR dans le port de réponse de l'olfactomètre via le convertisseur de signal pneumatique-électrique.
  9. Si une réponse subjective est nécessaire, connectez le pad de réponse pneumatique au port de réponse de l'olfactomètre via le convertisseur de signal pneumatique-électrique.

4. Procédure expérimentale

  1. Effectuer un pré-dépistage pour s'assurer que la procédure d'IRM est sûre pour le sujet.
    1. Demandez au sujet de l'histoire médicale, y compris les implants potentiels, la claustrophobie ou d'autres conditions préexistantes qui peuvent entraver la capacité du sujet à participer en toute sécurité à l'étude de l'IRMF. En outre, effectuez un test de seuil d'odeur des odorants pour s'assurer que le sujet puisse sentir les odorants pendant l'expérience.
  2. Demandez au sujet de se situer en position couchée sur le lit d'examen IRM. Placez le masque facial ou le morceau de nez correctement sur le sujet afin de s'assurer que l'air souffle dans les narines. Placez le capteur respiratoire sur soit tLe coffre ou l'abdomen. Demandez au sujet de respirer normalement. Régler manuellement l'étanchéité et le placement de la courroie tenant le capteur respiratoire en fonction du schéma de respiration observé sur l'affichage de l'olfactomètre.
  3. Créez un dossier de données pour enregistrer les données respiratoires dans l'olfactomètre. Cliquez sur "gestionnaire de fichiers", entrez l'ID de sujet assignée au sujet actuel, puis "confirmez" l'entrée.
  4. Utilisez l'option «contrôle par paradigme» pour tester la synchronisation de la distribution d'odeurs et de l'inhalation sans impliquer la délivrance de stimulus et, si nécessaire, ajuster manuellement le délai de «retournement de soupape» pour s'assurer que le début de la livraison d'odeur est synchronisé avec la phase d'inhalation du sujet.
  5. Réglez la synchronisation entre la stimulation des odeurs et l'acquisition d'image fMRI en sélectionnant le mode "trigg-in" sur l'unité de commande de l'olfactomètre.
    Remarque: Cela permet de démarrer le paradigme de stimulation des odeurs avec un déclencheur externe sur le "; Déclencher en "port provenant du système d'IRM. Ainsi, le paradigme ne fonctionnera pas tant que le déclencheur externe du scanner n'est pas reçu. Notez quel type de impulsion de déclenchement (électrique ou lumineuse) que le scanner MRI envoie. Un convertisseur de signal peut être nécessaire pour relier les deux systèmes.
  6. Activez le déclencheur respiratoire en sélectionnant "resp trigger start" sur l'unité de commande de l'olfactomètre.
    Remarque: Lorsqu'il est activé, le début de chaque élément de séquence de paradigme est synchronisé avec l'inhalation. Ceci peut être obtenu de manière empirique en retardant la livraison d'odeurs environ la moitié d'un cycle de respiration dès le début de la phase d'expiration.
  7. Démarrez l'acquisition d'image fMRI sur la console MRI; Le paradigme de stimulation des odeurs débutera dès l'acquisition de l'image. Surveiller le modèle de respiration pour toute activité respiratoire irrégulière.
    Remarque: L'activité respiratoire irrégulière peut se présenter sous la forme de plateaux, de cycles plus larges et plus longs, ouOndes erratiques. Ici, une séquence T2 * pondérées en imagerie écho-planaire signal sensible BOLD a été utilisé pour l' acquisition d'images IRMf avec 2.000 ms temps de répétition, le temps d' écho de 30 ms, 90 ° angle de bascule, 220 mm x champ de 220 mm de vue, 80 × 80 matrice d'acquisition, 30 tranches axiales de 4 mm d'épaisseur et facteur d'accélération de 2 pour les techniques intégrées d'imagerie parallèle.
  8. À la fin du protocole d'image, déplacez le sujet hors de l'aimant et enlevez le masque facial / nez.

5. Nettoyage d'olfactomètres

  1. Éteignez la pompe à air. Détachez les conteneurs odorants du support odorant et remplacez-les par des produits propres et vides.
  2. Mise sous tension de la pompe à air. Rincer chaque canal avec de l'air inodore pendant 5 minutes pour éliminer les odorants résiduels dans la ligne d'air.
  3. Arrêtez l'olfatomètre.
  4. Désinfectez le nez ou le masque facial avec des lingettes d'alcool. Rincez le masque facial ou le nez avec de l'eau chaude puis séchez à l'air.
  5. 6. Analyse des données

    1. Pour traiter les données, chargez le fichier de données de respiration sur le logiciel open source Olfactory Network Stimulation Editing Tool (ONSET) (www.pennstatehershey.org/web/nmrlab/resources/software/onset) 15
      Remarque: Le logiciel ONSET a été développé par Xiaoyu Sun. On peut détecter automatiquement les engins de stimulation des odeurs basés sur le calendrier de la trajectoire de paradigme et de respiration. Le vecteur de stimulation réel est défini comme l'heure de début de chaque inhalation efficace pendant l'administration d'odeur.
      1. Mesurez et comparez le taux de respiration et le volume (la zone sous chaque paire de phase d'inhalation et d'expiration) entre les températures odorantes et inodores 15 .
        NOTE: Il ne devrait pas y avoir de différence significative dans ces paramètres respiratoires entre l'odeur et les périodes inodores.
      2. Traiter les données fMRI avec les vecteurs de début et de durée réels de ONSET pour l'activation de l'olfac centralSystème public 15 .

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Representative Results

La figure 1 démontre la mise en place de fMRI olfactif à l'intérieur et à l'extérieur de la salle magnétique, en tenant compte de la compatibilité MR. La figure 2a démontre un paradigme de synchronisation fixe standard, tandis que la figure 2b démontre un paradigme où le "déclencheur de respiration" permet la synchronisation de la distribution d'odeurs et de l'inhalation.

Un modèle de respiration régulière avec des sommets d'inhalation clairs est essentiel à la mise en place d'un paradigme précis déclenché par la respiration. Ainsi, le réglage du capteur de respiration est une étape importante dans la configuration de l'expérience. La figure 3 montre des traces de respiration d'échantillon lorsque le capteur de respiration a été configuré de manière incorrecte ( Figure 3a ) et correctement ( Figure 3b ). Si la respirationLe motif d'exposition est irrégulier ou les plateaux de signal de respiration, l'olfactomètre sera incapable de déterminer avec précision le modèle de respiration et la présentation des odeurs ne peut pas être synchronisée avec l'inhalation du sujet.

Avec un paradigme de stimulation par la respiration, l'odeur, les vecteurs de début et de durée pour la stimulation des odeurs varieront selon les sujets. Pour analyser les données olfactives sur l'IRFF, les vecteurs d'apparition et de durée réels peuvent être déterminés avec ONSET et les données de l'IRMF peuvent être traitées selon des procédures standard avec ces vecteurs. La figure 4 montre un échantillon de carte d'activation du cerveau répondant à la stimulation de l'odeur déclenchée par la respiration traitée par le logiciel open-source SPM8 (www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm) avec des vecteurs de l'apparition et de la durée des huiles réelles selon les procédures de traitement standard. Une importante activation liée aux odeurs a été détectée dans le cortex olfactif primaire bilatéral, l'insuffisance droiteCortex larvaire, gyrus supramarginal droit / angulaire, noyau caudate gauche et gyrus postcentral / supraarginal gauche (erreur de gestion familiale corrigée, p <0,05, seuil d'étendue = 6 voxels).

Figure 1
Figure 1 : diagramme schématique pour la configuration expérimentale. Les éléments compatibles avec l'IRM placés dans la salle magnétique sont connectés à la console MRI et à la boîte d'olfactomètre logée dans la salle de contrôle à travers un panneau de pénétration avec un guide d'ondes dans le mur qui sépare les deux pièces. Cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 2
Figure 2 Cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

figure 3
Figure 3 : exemples de diagrammes respiratoires. (A) Un exemple de trace de respiration lorsque le capteur de respiration n'est pas configuré correctement; Les patrons de la respiration se stabilisent et deviennent irréguliers. (B) Un motif de respiration régulière représentatif enregistré avec un capteur de respiration correctement placé; Dans ce cas, le respiLes schémas de rationnement sont compatibles avec les pics de niveau et la livraison d'odeurs peut être synchronisée avec l'inhalation. Cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 4
Figure 4 : Exemple de carte d'activation du cerveau. Un sujet sain a répondu à la simulation d'odeur de lavande déclenchée par la respiration (erreur de la famille corrigée, p <0,05, seuil d'étendue = 6 voxels). L'activation significative comprend le cortex olfactif primaire droit (coordonnées POC, MNI x = 20, y = 6, z = -14), POC gauche (x = -22, y = 4, z = -10), cortex insulaire droit (x = 46, y = 20, z = -10), gyrus supramarginal droit / angulaire (x = 66, y = -48, z = 28), noyau caudé gauche (x = -14, y = 6, z = 10), Et quitté postcentral / supramarginaL gyrus (x = -66, y = -24, z = 20). Cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.


Odorant Sent comme Composé Stimulation trigonométrique Solvant
Acétaldéhyde 29 Vert, doux Simple Non Eau
Ammoniac 29 Pungent, nettoyant Simple Oui Eau
Acétate d'amyle 30 Banane, pomme Simple Certains Eau
N-Butanol 31,32 Légèrement alcoolique Simple Non Eau
Acétate de n-butyle 31 Doux et fruité Simple Oui Eau
Acide butyrique 33 Sour, rancide Simple Oui Eau
Citral 30,33 citron Simple Certains Eau
Dioxyde de carbone 34,35 Inodore Simple Oui N / A
Butyrate d'éthyle 30 Ananas Simple Oui Eau
Eucalyptol 35 Eucalyptus Simple Oui Éthanol
Eugenol 33,36 Clove, épicée Simple Non Éthanol
Geraniol Rose douce, floral Simple Non Éthanol
Acide Hydrosulfurique 34,36 Oeufs pourris Simple Non Eau
Lavande 24,37 Lavande Complexe Non Éthanol
Menthol 33 Menthe poivrée Simple Oui Éthanol
Salicylate de méthyle 33 Menthe de Wintergreen Simple Oui Éthanol
Patchouli 38 Sol humide Complexe Oui Éthanol
1-Propanol 31 Frotter de l'alcool Simple Oui Éthanol
Alcool Phénylique 36,39 Rose Simple NO Éthanol
Huile de romarin 38 Romarin Complexe Oui Éthanol
Dioxyde de soufre 29 Irritant, piquant Simple Oui Eau
Acide valérique 33 Fromage Rancid Simple Oui Eau
Vanillin 29 Vanille Simple Non Éthanol
Ylang Ylang 38 Parfum floral Complexe Oui Éthanol
*** Voir la fin du manuscrit pour les références

Tableau 1: Odorants courants utilisés dans les études olfactives sur l'IRFF .

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Discussion

Les procédures expérimentales devraient être soigneusement examinées et exécutées correctement pour la collecte de données d'activation olfactive fiables. Les étapes critiques du protocole comprennent la mise en place d'un paradigme déclenché par la respiration pour synchroniser la distribution des odeurs avec l'acquisition de l'image, préparer des concentrations appropriées d'odorants pour contrôler les réponses psychophysiques, mettre en place l'olfactomètre avec un signal de respiration stable fiable et un flux d'air constant et une respiration post-traitement Et les données de synchronisation de l'administration des odeurs en utilisant ONSET pour ajuster rétrospectivement les vecteurs d'apparition des odeurs. Des variables conflictuelles telles que l'habitude, la réponse psychophysique et les modèles de respiration doivent être prises en compte lors de la conception d'un paradigme et l'analyse de données. Lorsqu'un sujet est exposé à une odeur prolongée, l'activation du cortex olfactif primaire diminue en quelques secondes d'exposition, ce qui rend nécessaire d'utiliser un paradigme lié à l'événement avec une séquence d'administrations brèvesD'odorants. Le reniflement devrait également être surveillé de manière étroite car il pourrait induire une activation dans le cortex piriforme même sans odeur 8 . Plus important encore, la respiration est une grande variable de confusion si elle n'est pas synchronisée avec l'administration d'odeurs. Nous avons montré que la synchronisation de l'inhalation et de l'apparition des odeurs avec un paradigme déclenché par la respiration produit une activation plus fiable 15 .

Le problème le plus fréquent avec la méthode de l'immunodéficience respiratoire par inhalation est la mauvaise synchronisation entre l'évènement de l'odeur et l'inhalation, ce qui peut être causé par trois imperfections lors de l'installation expérimentale. Tout d'abord, et le plus souvent, le capteur de respiration n'est pas configuré correctement. Lorsque la ceinture de poitrine est trop serrée, le signal de respiration se stabilisera, ce qui entraînera une mauvaise synchronisation. Deuxièmement, le délai de "retournement de soupape" n'est pas bien calibré, ce qui peut provoquer une livraison d'odeurs trop tôt ou trop tard dans la respirationCle. Troisièmement, le motif de respiration du sujet n'est pas cohérent après l'étalonnage du temps de "délai de la valve". Ainsi, une formation de pré-balayage pour le sujet de respirer normalement dans l'aimant et une surveillance étroite du motif de respiration lors de l'IRMM sont importantes.

Il est important de considérer l'intensité, la valence et la stimulation du trijumeau lors de la sélection d'odorants pour l'étude, car ces variables peuvent provoquer différents types de réponses psychophysiques et l'activation de l'IRMF associée. Par exemple, une faible intensité peut provoquer une tendance à renifler, alors qu'une forte intensité peut entraîner une hémorragie involontaire ou une accoutumance plus rapide. L'intensité de l'odeur est également corrélée à l'activation dans le cerveau 20 . Un autre paradigme consistait en quatre concentrations de lavande présentées en intensité croissante tout au long de l'expérience, ce qui a effectivement réduit l'habituation 21 . La valence d'une odoraNt active également différentes régions du cerveau, ce qui doit être pris en compte pour l'interprétation des données 22 . Par exemple, une étude a démontré des profils temporels divergents grâce à la valence des odeurs 16 . En outre, de nombreux odorants ont des degrés variables de stimulation du trijumeau, ce qui devrait être considéré.

Il est important de reconnaître que ce paradigme de respiration libre n'est pas nécessairement adapté à toutes les études olfactives d'IRMF. Il ne fournit qu'un exemple de considérations spéciales importantes pour les études olfactives sur l'IRMF. Il est également important de noter que les procédures expérimentales démontrées dans ce rapport ne sont pas spécifiques au olfactomètre utilisé. Cet équipement peut être remplacé par un olfactomètre avec des capacités similaires. Par exemple, l'olfactomètre doit avoir des capacités de surveillance de la respiration, ainsi que la capacité d'effectuer un paradigme déclenché par la respiration avec de multiples sources d'odeurs. AdditionaLly, alors que cette expérience a été présentée à l'aide de lavande, d'autres odorants peuvent être substitués par l'investigateur, bien qu'il soit important de minimiser les variables de confusion telles que la stimulation trigéminique et la concentration d'odorant.

Cette méthode de fmRI à respiration libre vise à éliminer le préconditionnement du système olfactif central et à réduire l'incohérence entre les événements répétitifs de stimulation des odeurs. Le préconditionnement du système olfactif central peut varier d'un sujet à l'autre, ce qui peut provoquer des variations d'activation dans les structures olfactives primaires. La cohérence des événements répétitifs, par exemple , des stimuli d'odeur pour déclencher l'activation du système olfactif central, est essentielle pour l'exécution réussie de protocoles fMRI liés à l'événement. En outre, avec la technique de la respiration libre, il ne peut y avoir aucune indication ou tâche pour les sujets lors de l'exécution des paradigmes olfactifs d'IRMF. Comme il nécessite un effort minimal du sujet pendant la fonctionAcquisition de données, il peut devenir un outil précieux pour étudier les déficits olfactifs dans certains troubles et maladies neurodégénératives populaires, par exemple , la maladie d'Alzheimer.

Des études récentes ont utilisé l'IRMF olfactif pour explorer les modèles d'activation du cerveau dans les troubles neurodégénératifs. Les déficits olfactifs dans les troubles neurodégénératifs, en particulier la maladie d'Alzheimer et la maladie de Parkinson, comprennent la difficulté à détecter les odeurs, à reconnaître et à identifier 3 , 23 . Cependant, alors que les déficits olfactifs sont un indicateur distinct dans les premiers stades de l'apparition de la maladie, la perte de la fonction olfactive passe souvent inaperçue ou est attribuée à un déclin normal lié à l'âge 1 , 23 . Par conséquent, il est important d'explorer davantage les différents patrons d'activation associés au dysfonctionnement olfactif dans de telles maladies afin de mieux diagnostiquer tHarnais au début. Dans la maladie d'Alzheimer, les schémas d'activation sont significativement réduits dans le cortex olfactif primaire, ainsi que l'hippocampe et l'insula par rapport aux témoins sains et adaptés à l'âge 24 . En outre, les chercheurs ont constaté que chez les patients atteints de la maladie de Parkinson, l'amygdale et le thalamus présentaient moins d'activation que dans les témoins en bonne santé, tandis qu'une activation plus élevée est observée dans des zones telles que le gyrus frontal inférieur gauche par rapport aux témoins 2 . Des études supplémentaires démontrent une hyperactivation dans les corticus piriforme et orbitofrontale chez les patients atteints de la maladie de Parkinson 25 . De tels modèles d'activation distincts semblent s'étendre au-delà de la pathologie structurelle, ce qui prouve l'importance de l'acquisition de données fonctionnelles dans la compréhension et le diagnostic des troubles neurodégénératifs et nécessite des innovations dans la précision et la sensibilité de l'IRMF olfactif.

Pour cette raison,Décède sur le système olfactif humain avec l'IRFF peut avoir un potentiel pour développer un biomarqueur pour le diagnostic précoce des maladies neurodégénératives. En fait, des études progressent déjà, y compris la démonstration de la sensibilité aux niveaux d'activation entre le vieillissement normal et les patients atteints de la maladie d'Alzheimer 24 , 26 . Une telle étude a montré que la destruction du réseau nerveux est souvent détectable même avant que les déficits cognitifs ne se présentent dans certaines maladies neurodégénératives 27 . Cela souligne encore l'importance de l'investigation olfactive de l'IRMF comme outil potentiel pour le diagnostic précoce de ces maladies. La preuve suggère également l'existence de changements de traitement du réseau olfactif à grande échelle dans la maladie d'Alzheimer, en plus des changements observés dans des régions olfactives spécifiques, soulignant l'importance d'une exploration plus poussée de la connectivité fonctionnelle de l'olfaction 28 . SensL'activation des niveaux d'activation olfactive comme biomarqueur dépend de la sensibilité à la stimulation des odeurs et à la reproductibilité expérimentale, ce qui souligne l'importance de la fiabilité dans la cartographie du système olfactif. Ensemble, l'exemple présenté dans cet article donne un aperçu des façons dont l'IRMF olfactif peut être utilisé efficacement pour comprendre les complexités du système olfactif central et l'importance clinique de cette compréhension.

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Disclosures

Les auteurs n'ont rien à dévoiler.

Acknowledgments

Les auteurs n'ont aucune reconnaissance.

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 

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References

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