Summary

Combinando um Olfatômetro Sincronizado com a Respiração com Simulação Cerebral para Estudar o Impacto dos Odores na Excitabilidade Corticoespinhal e Conectividade Eficaz

Published: January 19, 2024
doi:

Summary

Este trabalho descreve o uso de um olfatômetro sincronizado com a respiração para desencadear a estimulação magnética transcraniana (EMT) de bobina única e dupla durante a apresentação do odor sincronizada à respiração nasal humana. Essa combinação nos permite investigar objetivamente como odores agradáveis e desagradáveis afetam a excitabilidade corticoespinhal e a conectividade cerebral efetiva em um determinado indivíduo.

Abstract

É amplamente aceito que a estimulação olfatória provoca comportamentos motores, como aproximar-se de odorantes agradáveis e evitar os desagradáveis, em animais e humanos. Recentemente, estudos utilizando eletroencefalografia e estimulação magnética transcraniana (EMT) têm demonstrado uma forte ligação entre o processamento no sistema olfatório e a atividade no córtex motor em humanos. Para melhor compreender as interações entre os sistemas olfatório e motor e superar algumas das limitações metodológicas anteriores, desenvolvemos um novo método combinando um olfatômetro que sincroniza a apresentação em ordem aleatória de odorantes com diferentes valores hedônicos e o disparo da EMT (bobina única e dupla) com as fases da respiração nasal. Este método permite sondar as modulações da excitabilidade corticoespinhal e conectividade ipsilateral efetiva entre o córtex pré-frontal dorsolateral e o córtex motor primário que poderiam ocorrer durante a percepção de odor agradável e desagradável. A aplicação deste método permitirá discriminar objetivamente o valor de agradabilidade de um odorante em um determinado participante, indicando o impacto biológico do odorante na conectividade e excitabilidade efetiva do cérebro. Além disso, isso poderia abrir caminho para investigações clínicas em pacientes com distúrbios neurológicos ou neuropsiquiátricos que podem apresentar alterações hedônicas de odor e comportamentos desadaptativos de evitação de abordagem.

Introduction

É amplamente aceito que a estimulação olfatória provoca reações automáticas e comportamentos motores. Por exemplo, em humanos, a existência de uma resposta motora de evitação (inclinando-se para longe da fonte de odor) ocorrendo 500 ms após o início do odor negativo foi recentemente demonstrada1. Ao registrar participantes humanos em movimento livre explorando odores emanados de frascos, Chalençon e colaboradores (2022) mostraram que comportamentos motores (ou seja, velocidade de aproximação ao nariz e retirada do frasco contendo o odorante) estão intimamente ligados aos odors hedônicos2. Além disso, uma estreita ligação entre o processamento no sistema olfatório e a atividade no córtex motor foi recentemente demonstrada em humanos usando eletroencefalografia1. Especificamente, aproximadamente 350 ms após o início dos odores negativos, uma dessincronização específica do ritmo mu, conhecida por refletir processos de preparação da ação, foi observada sobre e dentro do córtex motor primário (M1), logo seguida por um movimento comportamental para trás1. Fortalecendo a ideia de uma relação entre os sistemas olfatório e motor, outro estudo recente mostrou que a exposição a um odorante agradável aumentou a excitabilidade corticoespinhal em comparação com uma condição sem odor3. Neste estudo, a estimulação magnética transcraniana de pulso único (EMTsp) foi aplicada a M1 para evocar um potencial evocado motor (PEmáx) em um músculo alvo da mão, registrado perifericamente com eletromiografia (EMG) durante a percepção do odor. A exposição ao odorante agradável foi proporcionada passivamente por tiras de papel sodden com óleo essencial de bergamota puro e colocadas em um suporte metálico sob o nariz3. Nesse contexto, ainda não está claro se a facilitação da excitabilidade corticoespinhal se deve à estimulação odorante agradável ou a efeitos comportamentais inespecíficos, como cheirar e apertar os dentes 4,5. Além disso, ainda não se sabe como um odorante desagradável modula a excitabilidade M1 sondada pela EMT.

Em síntese, ressalta-se a necessidade de se desenvolver um método que ofereça as seguintes vantagens em relação às técnicas existentes em estudosanteriores3,6: (1) randomizar a apresentação de diferentes condições de odor (agradável/desagradável/sem odor) dentro de uma mesma fase experimental, (2) sincronizar com precisão a apresentação odorante e o tempo da EMT de acordo com as fases da respiração nasal humana (inspiração e expiração) ao estudar o sistema motor.

A EMT também pode ser utilizada como ferramenta para investigar interações córtico-corticais, também chamadas de conectividade efetiva, entre múltiplas áreas corticais e M1 com alta resolução temporal7,8,9,10,11,12. Aqui, usamos um paradigma de EMT de sítio duplo (EMTd), no qual uma estimulação de primeiro condicionamento (EC) ativa uma área cortical alvo, e uma estimulação de segundo teste (TS) é aplicada sobre M1 usando outra bobina para evocar uma PEmáx. O efeito do EC é avaliado normalizando a amplitude da PEmáx condicionada (condição EMTd) para a amplitude da PEmáx não condicionada (condição EMTsp)13. Assim, valores de razão negativa indicam interações corticocorticais supressoras, enquanto valores de razão positiva indicam interações corticocorticais facilitatórias entre as duas áreas estimuladas. O paradigma dsTMS fornece, portanto, uma oportunidade única para identificar a natureza (isto é, facilitatória ou supressiva), a força e as modulações da conectividade efetiva entre a área pré-ativada e M1. É importante ressaltar que as interações corticocorticais refletem um complexo equilíbrio de facilitação e supressão que pode ser modulado em diferentes tempos e estados mentais ou tarefas 7,14.

Até onde sabemos, o paradigma relativamente novo da dsTMS nunca foi usado para investigar interações córtico-corticais durante a percepção de odor com diferentes valores hedônicos. No entanto, estudos de neuroimagem têm mostrado que a exposição a odorantes agradáveis e desagradáveis induz alterações de conectividade em áreas envolvidas na emoção, tomada de decisão e controle da ação, incluindo a área motora suplementar, o córtex cingulado anterior e o córtex pré-frontal dorsolateral (CPFDL)15,16. De fato, o CPFDL é um nó chave mediador do controle emocional, do processamento sensorial e de aspectos de alto nível do controle motor, como processos preparatórios 17,18,19. Além disso, estudos em humanos e animais têm fornecido evidências de que o CPFDL possui diversas projeções neuronais para M1 17,18,20,21,22. Dependendo do contexto, essas projeções de CPFD podem facilitar ou inibir a atividade de M1 7,19,20. Assim, parece possível que a conectividade efetiva entre o CPFDL e M1 seja modulada durante a apresentação do odor e que odorantes agradáveis e desagradáveis recrutem redes corticais separadas, levando a um efeito diferencial na conectividade DLPFC-M1.

Aqui, propomos um novo método adequado para o estudo metodologicamente rigoroso das modulações da excitabilidade corticoespinhal e conectividade efetiva que podem ocorrer durante a percepção de odores agradáveis e desagradáveis, todos entregues em sincronia com a respiração nasal humana.

Protocol

Todos os procedimentos experimentais descritos nas seções a seguir foram aprovados por um Comitê de Ética (CPP Ile de France VII, Paris, França, número de protocolo 2022-A01967-36) de acordo com a Declaração de Helsinque. Todos os participantes assinaram o termo de consentimento livre e esclarecido antes da inclusão no estudo. 1. Recrutamento de participantes Critérios de inclusão/exclusão.Incluir participantes adultos (> 18 anos). Rastrear todos …

Representative Results

Os dados representativos aqui apresentados refletem gravações dos participantes após o preenchimento do protocolo passo-a-passo acima para fornecer uma visão preliminar sobre o que poderíamos esperar. A Figura 2 mostra um exemplo de sinais respiratórios representativos de um participante registrados com o software olfatômetro. As fases expiratória e inspiratória são bem detectadas quando os limiares são ultrapassados. O odorante é acionado imediatament…

Discussion

O protocolo acima descreve um novo método combinando o uso de um olfatômetro sincronizado com respiração sincronizada com EMT de bobina única e dupla para investigar mudanças na excitabilidade corticoespinhal e conectividade efetiva dependendo do valor hedônico dos odorantes. Esta configuração permitirá discriminar objetivamente o valor de agradabilidade de um odorante em um determinado participante, indicando o impacto biológico do odorante na conectividade e reatividade efetiva do cérebro. As etapas crític…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Este trabalho foi apoiado pela Fondation de France, Grant N°: 00123049/WB-2021-35902 (uma bolsa recebida por J.B. e N.M.). Os autores gostariam de agradecer à Fondation Pierre Deniker por seu apoio (bolsa recebida por C.N.) e à equipe da plataforma Neuro-Immersion por sua valiosa ajuda na concepção da configuração.

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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