Eine frei atmende fMRI-Methode zur Untersuchung der menschlichen olfaktorischen Funktion
Summary
Wir stellen die technischen Herausforderungen und Lösungen für den Erhalt zuverlässiger funktioneller Magnetresonanztomographie (fMRI) Daten aus dem menschlichen zentralen olfaktorischen System vor. Dazu gehören besondere Überlegungen im olfaktorischen fMRI-Paradigmen-Design, Beschreibungen der fMRI-Datenerfassung mit einem MRI-kompatiblen Olfaktometer, Odorant-Auswahl und einem speziellen Software-Tool für die Daten-Nachbearbeitung.
Abstract
Das Studium der menschlichen Olfusion ist ein hochkomplexes und wertvolles Feld mit Anwendungen von der biomedizinischen Forschung bis zur klinischen Evaluation. Derzeit ist die Auswertung der Funktionen des menschlichen zentralen olfaktorischen Systems mit funktioneller Magnetresonanztomographie (fMRI) aufgrund vieler technischer Schwierigkeiten immer noch eine Herausforderung. Es gibt einige signifikante Variablen, die bei der Betrachtung einer wirksamen Methode zur Abbildung der Funktion des zentralen olfaktorischen Systems unter Verwendung von fMRI berücksichtigt werden, einschließlich der richtigen Odorantauswahl, der Wechselwirkung zwischen Geruchsdarstellung und Atmung und der möglichen Vorwegnahme oder Gewöhnung an Geruchsstoffe. Eine ereignisbezogene, atmungsgesteuerte olfaktorische fMRI-Technik kann die Geruchsstoffe genau anregen, um das olfaktorische System zu stimulieren und gleichzeitig mögliche Störungen zu minimieren. Es kann effektiv die genauen Onsets von fMRI-Signalen in der primären olfaktorischen Kortex mit unserer Daten nach der Verarbeitung Methode zu erfassen. Die Technik vorHier finden Sie ein effizientes und praktisches Mittel zur Erstellung zuverlässiger olfaktorischer fMRI-Ergebnisse. Eine solche Technik kann letztlich im klinischen Bereich als diagnostisches Werkzeug für Krankheiten angewendet werden, die mit einer olfaktorischen Degeneration, einschließlich der Alzheimer- und Parkinson-Krankheit, verbunden sind, da wir beginnen, die Komplexität des menschlichen Geruchsystems weiter zu verstehen.
Introduction
Das menschliche olfaktorische System wird viel mehr als ein sensorisches System verstanden, da die Orangenheit auch eine wichtige Rolle bei der homöostatischen Regulation und Emotionen spielt. Klinisch ist bekannt, dass das menschliche olfaktorische System anfällig für Angriffe vieler vorherrschender neurologischer Erkrankungen und psychiatrischer Erkrankungen wie Alzheimer-Krankheit, Parkinson-Krankheit, posttraumatischer Belastungsstörung und Depression 1 , 2 , 3 , 4 , 5 ist . Derzeit ist die funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRI) mit dem Blut-Sauerstoff-Niveau-abhängigen (BOLD) -Kontrast die wertvollste Technik für die Abbildung von Funktionen des menschlichen Gehirns. In dieser Technik wurde ein erheblicher Wissenswert über spezifische Funktionen zentraler olfaktorischer Strukturen ( zB piriforme Kortex, orbitofrontale Kortex, Amygdala und Inselrinde) erworbenIque 6 , 7 , 8 , 9 , 10
Die Anwendung von fMRI auf Studien des menschlichen zentralen olfaktorischen Systems und damit verbundenen Krankheiten wurde jedoch durch zwei große Hindernisse behindert: schnelle Gewöhnung des BOLD-Signals und variable Modulation durch Atmung. Im Alltag, wenn sie für einen Zeitraum von einem Riechstoff ausgesetzt sind, haben wir schnell den Duft gewohnt. In der Tat, wenn man mit olfaktorischem fMRI studiert, wird das geruchsinduzierte fMRI-Signal durch Gewöhnung schnell abgeschwächt, was eine Herausforderung für die Stimulations-Paradigmen-Designs 8 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 darstellt . Das anfängliche signifikante BOLD-Signal im primären olfaktorischen Kortex bleibt nur bestehenS für einige Sekunden nach dem geruchlichen Beginn. Daher sollten olfaktorische fMRI-Paradigmen längere oder häufige Geruchsstimulationen in kurzer Zeit vermeiden. Um den Gewöhnungseffekt zu reduzieren, haben einige Studien versucht, abwechselnde Gerüche in einem fMRI-Paradigma zu präsentieren. Dieser Ansatz kann jedoch die Datenanalyse erschweren, da jedes Odorant als ein unabhängiges Stimulationsereignis behandelt werden kann.
Ein weiteres technisches Problem ergibt sich aus der Variabilität der Atmungsmuster der Subjekte; Inhalation synchronisiert sich nicht immer mit einer geruchlosen Verabreichung während eines Festzeit-Paradigmas. Der Beginn und die Dauer der olfaktorischen Stimulation werden durch die Atmung jedes Individuums moduliert, was die Datenqualität und -analyse von fMRI verwechselt. Einige Studien haben versucht, dieses Problem mit visuellen oder auditiven Stichwörtern zu mildern, um Atmung und Geruchsbefall zu synchronisieren, aber die Einhaltung von Themen ist variabel, vor allem in der klinischen Population. Die Gehirnaktivierungen assoziiert wiDiese Cues könnten auch die Datenanalyse in bestimmten Anwendungen komplizieren. Somit kann die Synchronisierung Inhalation mit Riechstoff Lieferung von entscheidenden Bedeutung seines für olfaktorischen fMRI 15 Studien.
Eine zusätzliche Betrachtung, die für das olfaktorische fMRI entscheidend ist, insbesondere im Datenanalyseverfahren, ist eine Geruchsauswahl. Die Suche nach einer geeigneten Odorierungskonzentration in Bezug auf die wahrgenommene Intensität ist wichtig für die Quantifizierung und den Vergleich von Aktivierungsniveaus im Gehirn unter verschiedenen experimentellen Bedingungen oder Krankheiten. Die Geruchsauswahl muss auch die Geruchsvalenz oder die Annehmlichkeit berücksichtigen. Dies ist bekannt, um divergierende zeitliche Profile im olfaktorischen Lernen 16 , 17 zu verursachen . Lavendelgeruch wurde für diese Demonstration teilweise aus diesem Grund gewählt. Je nach dem Zweck einer bestimmten Studie können verschiedene Geruchsstoffe bessere Entscheidungen treffen. Darüber hinaus muss die Trigeminusstimulation minimiert werden, um zu reduzierenE Aktivierung nicht direkt mit der Auflösung verknüpft 18 .
In diesem Bericht zeigen wir eine fMRI-Technik zur Einrichtung und Durchführung eines respirationsgesteuerten Paradigmas mit einem Olfaktometer in der Magnetresonanzumgebung. Wir stellen auch ein Nachbearbeitungswerkzeug vor, das einige Zeitfehler beeinträchtigen kann, die bei der Datenerfassung aufgetreten sind, um die Datenanalyse weiter zu verbessern.
Protocol
Representative Results
Discussion
Experimentelle Verfahren sollten sorgfältig geprüft und ordnungsgemäß für die Erfassung von zuverlässigen olfaktorischen Aktivierungsdaten durchgeführt werden. Die kritischen Schritte innerhalb des Protokolls beinhalten die Implementierung eines respirationsgesteuerten Paradigmas zur Synchronisation der Geruchsabgabe mit der Bilderfassung, die Vorbereitung geeigneter Konzentrationen von Geruchsstoffen zur Kontrolle psychophysikalischer Reaktionen, die Einrichtung des Olfaktometers mit zuverlässigem stabilen Atmu…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Die Autoren haben keine Anerkennung.
Materials
| 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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