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Abstract
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Neuroscience

호흡 동기화 후각계와 뇌 시뮬레이션을 결합하여 냄새가 피질 척수 흥분성 및 효과적인 연결성에 미치는 영향을 연구합니다.

Published: January 19, 2024
doi:
10.3791/65714
, , , , , ,
1PSYR2, Centre de Recherche en Neurosciences de Lyon, Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale U1028, Centre National de la Recherche Scientifique UMR5292,Université Claude Bernard Lyon 1, 2Centre Hospitalier Le Vinatier, 3NEUROPOP, Centre de Recherche en Neurosciences de Lyon, Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale U1028, Centre National de la Recherche Scientifique UMR5292,Université Claude Bernard Lyon 1

Summary

이 논문은 호흡 동기화 후각계를 사용하여 인간의 비강 호흡과 동기화된 냄새 제시 중에 단일 및 이중 코일 경두개 자기 자극(TMS)을 트리거하는 방법을 설명합니다. 이 조합을 통해 쾌적한 냄새와 불쾌한 냄새가 특정 개인의 피질 척수 흥분성과 뇌 효과적인 연결성에 어떤 영향을 미치는지 객관적으로 조사할 수 있습니다.

Abstract

후각 자극은 동물과 인간에서 쾌적한 냄새 물질에 접근하고 불쾌한 냄새를 피하는 것과 같은 운동 행동을 유도한다는 것이 널리 받아들여지고 있습니다. 최근 뇌파 검사와 경두개 자기 자극(TMS)을 사용한 연구는 후각 시스템의 처리와 인간의 운동 피질 활동 사이에 강한 연관성이 있음을 입증했습니다. 후각과 운동 시스템 간의 상호 작용을 더 잘 이해하고 이전의 방법론적 한계를 극복하기 위해 우리는 쾌락 값이 다른 냄새 물질의 무작위 순서 표시와 비강 호흡 단계와 함께 트리거되는 TMS(단일 및 이중 코일)를 동기화하는 후각계를 결합한 새로운 방법을 개발했습니다. 이 방법을 사용하면 쾌적하고 불쾌한 냄새 인식 중에 발생할 수 있는 배외측 전전두엽 피질과 일차 운동 피질 사이의 피질 척수 흥분성 조절과 효과적인 동측 연결을 조사할 수 있습니다. 이 방법을 적용하면 주어진 참가자에서 냄새 물질의 쾌적성 값을 객관적으로 구별할 수 있으며, 이는 뇌의 효과적인 연결성 및 흥분성에 대한 냄새 물질의 생물학적 영향을 나타냅니다. 또한 이는 냄새 쾌락 변화와 부적응적 접근 회피 행동을 보일 수 있는 신경학적 또는 신경정신과 장애 환자에 대한 임상 조사를 위한 길을 열 수 있습니다.

Introduction

후각 자극이 자동 반응과 운동 행동을 유도한다는 것은 널리 받아들여지고 있습니다. 예를 들어, 인간의 경우, 부정적인 냄새가 시작된 후 500ms 후에 발생하는 회피 운동 반응(냄새 발생원에서 멀어지는 것)의 존재가 최근에 입증되었습니다1. Chalençon et al. (2022)은 플라스크에서 나오는 냄새를 탐색하는 자유롭게 움직이는 인간 참가자를 기록함으로써 운동 행동(즉, 코에 접근하는 속도와 냄새 물질이 포함된 플라스크의 빼기)이 냄새 쾌락과 밀접한 관련이 있음을 보여주었습니다2. 더욱이, 후각계의 처리와 운동 피질의 활동 사이의 밀접한 연관성은 최근 뇌파 검사(electroencephalography)를 사용하여 인간을 대상으로 입증되었다1. 구체적으로, 악취가 시작된 후 약 350ms 후, 행동 준비 과정을 반영하는 것으로 알려진 특정 뮤 리듬 비동기화가 일차 운동 피질(M1) 전반 및 내에서 관찰되었으며, 곧이어 행동적 역방향 움직임이 뒤따랐다1. 후각과 운동 시스템 사이의 관계에 대한 아이디어를 강화하는 또 다른 최근 연구는 쾌적한 냄새 물질에 노출되면 냄새가 없는 상태에 비해 피질 척수 흥분성이 증가한다는 것을 보여주었습니다3. 이 연구에서는 단일 펄스 경두개 자기 자극(spTMS)을 M1에 적용하여 냄새 인식 중 근전도(EMG)로 말초에 기록된 표적 손 근육의 운동 유발 전위(MEP)를 유발했습니다. 쾌적한 냄새에 대한 노출은 순수한 베르가못 에센셜 오일을 적신 종이 스트립에 의해 수동적으로 제공되었으며 코 아래의 금속 홀더에 놓였습니다3. 이러한 맥락에서, 피질척수 흥분성의 촉진이 쾌적한 냄새 자극 때문인지 아니면 킁킁거리거나 이를 악무는 것과 같은 비특이적 행동 효과 때문인지는 불분명하다 4,5. 또한, 불쾌한 냄새 물질이 TMS에서 조사한 M1 흥분성을 어떻게 조절하는지는 아직 알려져 있지 않습니다.

요약하면, 이는 이전 연구 3,6에서 사용된 기존 기술에 비해 다음과 같은 이점을 제공하는 방법을 개발해야 할 필요성을 강조합니다: (1) 동일한 실험 단계 내에서 다양한 냄새 조건(쾌적/불쾌/무취)의 표현을 무작위화하고, (2) 운동 시스템을 연구할 때 인간의 비강 호흡 단계(흡입 및 호기)에 따라 냄새 제시 및 TMS 타이밍을 정확하게 동기화합니다.

TMS는 또한 높은 시간 분해능 7,8,9,10,11,12로 여러 피질 영역과 M1 사이의 효과적인 연결이라고도 하는 피질-피질 상호 작용을 조사하는 도구로 사용할 수 있습니다. 여기서는 1차 조건화 자극(CS)이 표적 피질 영역을 활성화하고 2차 테스트 자극(TS)이 다른 코일을 사용하여 M1에 적용되어 MEP를 유발하는 이중 부위 TMS(dsTMS) 패러다임을 사용합니다. CS의 효과는 조건화된 MEP의 진폭(dsTMS 조건)을 조건되지 않은 MEP의 진폭(spTMS 조건)13으로 정규화하여 평가된다. 그런 다음 음의 비율 값은 억제적인 피질 피질 상호 작용을 나타내는 반면, 양의 비율 값은 두 자극 영역 사이의 촉진 피질 피질 상호 작용을 나타냅니다. 따라서 dsTMS 패러다임은 사전 활성화된 영역과 M1 사이의 효과적인 연결의 특성(즉, 촉진 또는 억제), 강도 및 변조를 식별할 수 있는 고유한 기회를 제공합니다. 중요한 것은, 피질-피질 상호작용은 촉진과 억제의 복잡한 균형을 반영하며, 이는 서로 다른 타이밍과 정신 상태 또는 과제에 따라 조절될 수 있다는 것이다 7,14.

우리가 아는 한, 비교적 새로운 dsTMS 패러다임은 다른 쾌락적 가치를 가진 냄새 지각 중 피질 대뇌 피질 상호 작용을 조사하는 데 사용된 적이 없습니다. 그러나 신경 영상 연구에 따르면 쾌적하고 불쾌한 냄새 물질에 노출되면 보조 운동 영역, 전대상피질, 배외측 전전두엽 피질(DLPFC)을 포함하여 감정, 의사 결정 및 행동 제어와 관련된 영역에서 연결 변화를 유도하는 것으로 나타났습니다15,16. 실제로, DLPFC는 감정 조절, 감각 처리 및 준비 과정과 같은 운동 조절의 더 높은 수준의 측면을 중재하는 핵심 노드이다 17,18,19. 또한, 인간 및 동물 연구 모두 DLPFC가 M1 17,18,20,21,22에 대한 다양한 신경 돌기를 가지고 있다는 증거를 제공했습니다. 문맥에 따라, 이러한 DLPFC 투영은 M1 활성을 촉진하거나 억제할 수 있다 7,19,20. 따라서, DLPFC와 M1 사이의 효과적인 연결성은 냄새 제시 동안 조절되고, 쾌적한 냄새와 불쾌한 냄새 물질이 분리된 피질 네트워크를 모집하여 DLPFC-M1 연결성에 차별적인 영향을 미칠 수 있는 것으로 보인다.

여기에서 우리는 쾌적하고 불쾌한 냄새를 인식하는 동안 발생할 수 있는 피질 척수 흥분성 및 효과적인 연결성의 조절에 대한 방법론적으로 엄격한 연구에 적합한 새로운 방법을 제안합니다.

Protocol

다음 섹션에 설명된 모든 실험 절차는 헬싱키 선언에 따라 윤리 위원회(CPP Ile de France VII, Paris, France, 프로토콜 번호 2022-A01967-36)의 승인을 받았습니다. 모든 참가자는 연구 등록 전에 서면 동의서를 제공했습니다. 1. 참가자 모집 포함/제외 기준.성인(> 18세) 참가자를 포함합니다. 국제 전문가 가이드라인23에 따라 TMS에 대한 금기 사항…

Representative Results

여기에 제시된 대표 데이터는 위의 단계별 프로토콜을 완료한 후 참가자의 녹음을 반영하여 우리가 예상할 수 있는 것에 대한 예비 통찰력을 제공합니다. 그림 2는 후각계 소프트웨어로 기록된 대표 참가자의 호흡 신호의 예를 보여줍니다. 호기기와 흡기기는 임계값을 넘을 때 잘 감지됩니다. 냄새는 만료 단계 임계값 직후에 트리거되고 5초 동안 확산?…

Discussion

위의 프로토콜은 호흡 동기화 후각계와 단일 및 이중 코일 TMS를 결합하여 냄새 물질의 쾌락적 가치에 따라 피질척수 흥분성 및 효과적인 연결성의 변화를 조사하는 새로운 방법을 설명합니다. 이 설정을 통해 주어진 참가자의 냄새 물질의 쾌적성 값을 객관적으로 구별할 수 있으며, 이는 뇌의 효과적인 연결성 및 반응성에 대한 냄새 물질의 생물학적 영향을 나타냅니다. 이 프로토콜의 중요한 단?…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

이 연구는 Fondation de France, Grant N°: 00123049/WB-2021-35902(J.B.와 N.M.이 받은 보조금)의 지원을 받았습니다. 저자들은 피에르 데니커 재단(Fondation Pierre Deniker)의 지원(C.N.이 받은 지원금)과 뉴로-이머전(Neuro-Immersion) 플랫폼 스태프들이 셋업을 설계하는 데 귀중한 도움을 준 것에 대해 감사의 뜻을 전한다.

Materials

Acquisition board (8 channels)  National Instrument NI USB-6009 
Air compressor Jun-Air  Model6-15
Alcohol prep pads Any
Butyric acid Sigma-Aldrich B103500 Negative odorant
Desktop computer Dell Latitude 3520
EMG system Biopac System MP150
Isoamyl acetate Sigma-Aldrich W205508 Positive odorant
Nasal cannula SEBAC France O1320
Programmable pulse generator A.M.P.I  Master-8
Surface electrodes Kendall Medi-trace FS327
TMS coil (X2) MagStim D40 Alpha B.I. coil 
TMS machine MagStim Bistim2
Tube 6 mm x 20 m Radiospare 686-2671 Pneumatic connection
USB-RS232 Radiospare 687-7806
U-shaped tubes VS technologies VS110115
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Neige, C., Imbert, L., Dumas, M., Athanassi, A., Thévenet, M., Mandairon, N., Brunelin, J. Combining a Breath-Synchronized Olfactometer with Brain Simulation to Study the Impact of Odors on Corticospinal Excitability and Effective Connectivity. J. Vis. Exp. (203), e65714, doi:10.3791/65714 (2024).
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