Summary

Сочетание синхронизированного с дыханием ольфактометра с моделированием мозга для изучения влияния запахов на кортикоспинальную возбудимость и эффективную связь

Published: January 19, 2024
doi:

Summary

В данной статье описывается использование синхронизированного с дыханием ольфактометра для запуска транскраниальной магнитной стимуляции (ТМС) с одной или двумя катушками во время презентации одоранта, синхронизированной с носовым дыханием человека. Эта комбинация позволяет объективно исследовать, как приятные и неприятные запахи влияют на кортикоспинальную возбудимость и эффективные связи мозга у конкретного человека.

Abstract

Широко признано, что обонятельная стимуляция вызывает у животных и людей двигательное поведение, такое как приближение к приятным запахам и избегание неприятных. Недавние исследования с использованием электроэнцефалографии и транскраниальной магнитной стимуляции (ТМС) продемонстрировали сильную связь между процессингом в обонятельной системе и активностью моторной коры головного мозга у людей. Чтобы лучше понять взаимодействие между обонятельной и двигательной системами и преодолеть некоторые из прежних методологических ограничений, мы разработали новый метод, сочетающий ольфактометр, который синхронизирует случайный порядок представления одорантов с различными гедонистическими значениями, и запуск ТМС (одно- и двухспиральной) с фазами носового дыхания. Этот метод позволяет исследовать модуляции кортикоспинальной возбудимости и эффективной ипсилатеральной связи между дорсолатеральной префронтальной корой и первичной моторной корой, которые могут возникать при приятном и неприятном восприятии запахов. Применение данного метода позволит объективно различать значение приятности одоранта у данного участника, свидетельствуя о биологическом воздействии одоранта на эффективную связность и возбудимость мозга. Кроме того, это может проложить путь для клинических исследований у пациентов с неврологическими или нервно-психическими расстройствами, у которых могут проявляться гедонистические изменения запаха и дезадаптивное поведение, связанное с избеганием приближения.

Introduction

Широко признано, что обонятельная стимуляция вызывает автоматические реакции и двигательное поведение. Например, у людейнедавно было продемонстрировано существование моторной реакции избегания (отклонение от источника запаха), возникающей через 500 мс после появления негативного запаха. Записывая свободно движущихся людей, исследующих запахи, исходящие от колб, Chalençon et al. (2022) показали, что моторное поведение (т.е. скорость приближения к носу и извлечение колбы с одорянтом) тесно связано с гедонизмом запаха2. Более того, тесная связь между процессингом в обонятельной системе и активностью в моторной коре была недавно продемонстрирована у людей с помощью электроэнцефалографии. В частности, примерно через 350 мс после появления негативных запахов наблюдалась специфическая десинхронизация мю-ритма, которая, как известно, отражает процессы подготовки к действию, наблюдалась над первичной моторной корой (М1) и внутри нее, за которой вскоре последовало поведенческоедвижение назад. Укрепляя идею о взаимосвязи между обонятельной и моторной системами, другое недавнее исследование показало, что воздействие приятного пахнущего вещества увеличивает кортикоспинальную возбудимость по сравнениюс состоянием отсутствия запаха. В этом исследовании к М1 применяли одноимпульсную транскраниальную магнитную стимуляцию (spTMS) для вызова моторного потенциала (MEP) в целевой мышце руки, регистрируемого периферически с помощью электромиографии (ЭМГ) во время восприятия запаха. Воздействие приятного одоранта пассивно обеспечивалось бумажными полосками, пропитанными чистым эфирным маслом бергамота и помещенными на металлический держатель под носом3. В этом контексте остается неясным, связано ли облегчение кортикоспинальной возбудимости с приятной стимуляцией пахучих веществ или с неспецифическими поведенческими эффектами, такими как сопение и стискивание зубов 4,5. Кроме того, до сих пор неизвестно, каким образом неприятный запах модулирует возбудимость М1, исследованную с помощью ТМС.

Таким образом, это подчеркивает необходимость разработки метода, который предлагает следующие преимущества по сравнению с существующими методами, использованными в предыдущих исследованиях 3,6: (1) рандомизация представления различных состояний запаха (приятный/неприятный/отсутствие запаха) в рамках одной и той же экспериментальной фазы, (2) точная синхронизация презентации одоранта и времени ТМС в соответствии с фазами носового дыхания человека (вдох и выдох) при изучении двигательной системы.

ТМС также может быть использована в качестве инструмента для исследования кортико-кортикальных взаимодействий, также называемых эффективной связью, между несколькими корковыми областями и М1 с высоким временным разрешением 7,8,9,10,11,12. Здесь мы используем парадигму двухпозиционной ТМС (dsTMS), в которой первая обусловливающая стимуляция (CS) активирует целевую кортикальную область, а вторая тестовая стимуляция (TS) применяется к M1 с использованием другой катушки для вызова MEP. Эффект КС оценивают путем нормализации амплитуды кондиционированной МЭП (состояние дцТМС) к амплитуде безусловной МЭП (состояние спТМС)13. Затем отрицательные значения отношения указывают на супрессивные кортико-кортикальные взаимодействия, в то время как положительные значения отношения указывают на облегчающие кортико-кортикальные взаимодействия между двумя стимулированными областями. Таким образом, парадигма dsTMS предоставляет уникальную возможность определить природу (т.е. облегчающую или подавляющую), силу и модуляции эффективной связи между предварительно активированной областью и М1. Важно отметить, что кортико-кортикальные взаимодействия отражают сложный баланс фасилитации и подавления, который может модулироваться в разное время и в различных психических состояниях или задачах 7,14.

Насколько нам известно, относительно новая парадигма дцТМС никогда не использовалась для исследования кортико-корковых взаимодействий при восприятии запахов с различными гедонистическими значениями. Тем не менее, нейровизуализационные исследования показали, что воздействие приятных и неприятных запахов вызывает изменения связей в областях, участвующих в эмоциях, принятии решений и контроле действий, включая дополнительную моторную область, переднюю поясную кору и дорсолатеральную префронтальную кору (DLPFC)15,16. Действительно, DLPFC является ключевым узлом, опосредующим эмоциональный контроль, сенсорную обработку и высокоуровневые аспекты моторного контроля, такие как подготовительные процессы 17,18,19. Кроме того, исследования как на людях, так и на животных предоставили доказательства того, что DLPFC имеет различные нейронные проекции на M1 17,18,20,21,22. В зависимости от контекста, эти проекции DLPFC могут либо способствовать, либо подавлять активность M1 7,19,20. Таким образом, представляется возможным, что эффективная связь между DLPFC и M1 модулируется во время представления запаха, и что приятные и неприятные запахи рекрутируют разделенные корковые сети, что приводит к дифференцированному влиянию на связь DLPFC-M1.

В данной работе мы предлагаем новый метод, пригодный для методологически строгого изучения модуляций кортикоспинальной возбудимости и эффективной связи, которые могут возникать при восприятии приятных и неприятных запахов, осуществляемых синхронно с носовым дыханием человека.

Protocol

Все экспериментальные процедуры, описанные в следующих разделах, были одобрены Комитетом по этике (CPP Ile de France VII, Париж, Франция, протокол No 2022-A01967-36) в соответствии с Хельсинкской декларацией. Все участники предоставили письменное информированное согласие перед зачислением в исследова?…

Representative Results

Репрезентативные данные, представленные здесь, отражают записи участников после выполнения пошагового протокола, приведенного выше, чтобы дать предварительное представление о том, чего мы можем ожидать. На рисунке 2 показан пример дыхательных сигналов ?…

Discussion

В приведенном выше протоколе описан новый метод, сочетающий использование синхронизированного с дыханием ольфактометра с одно- и двухспиральной ТМС для исследования изменений кортикоспинальной возбудимости и эффективной связи в зависимости от гедонистической ценности одорантов. Т?…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Эта работа была поддержана Фондом Франции, грант N°: 00123049/WB-2021-35902 (грант, полученный Ж.Б. и Н.М.). Авторы благодарят Фонд Пьера Деникера за поддержку (грант получил C.N.) и сотрудников платформы «Нейро-Погружение» за неоценимую помощь в проектировании установки.

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

References

  1. Iravani, B., Schaefer, M., Wilson, D. A., Arshamian, A., Lundström, J. N. The human olfactory bulb processes odor valence representation and cues motor avoidance behavior. Proceedings of the National Academy of Sciences. 118 (42), e2101209118 (2021).
  2. Chalençon, L., Thevenet, M., Noury, N., Bensafi, M., Mandairon, N. Identification of new behavioral parameters to assess odorant hedonic value in humans: A naturalistic approach. Journal of Neuroscience Methods. 366, 109422 (2022).
  3. Infortuna, C., et al. Motor cortex response to pleasant odor perception and imagery: The differential role of personality dimensions and imagery ability. Frontiers in Human Neuroscience. 16, 943469 (2022).
  4. Ozaki, I., Kurata, K. The effects of voluntary control of respiration on the excitability of the primary motor hand area, evaluated by end-tidal CO2 monitoring. Clinical Neurophysiology. 126 (11), 2162-2169 (2015).
  5. Boroojerdi, B., Battaglia, F., Muellbacher, W., Cohen, L. G. Voluntary teeth clenching facilitates human motor system excitability. Clinical Neurophysiology. 111 (6), 988-993 (2000).
  6. Rossi, S., et al. Distinct olfactory cross-modal effects on the human motor system. PLOS One. 3 (2), e1702 (2008).
  7. Neige, C., Rannaud Monany, D., Lebon, F. Exploring cortico-cortical interactions during action preparation by means of dual-coil transcranial magnetic stimulation: A systematic review. Neuroscience and Biobehavioral Reviews. 128 (October 2020), 678-692 (2020).
  8. Koch, G. Cortico-cortical connectivity: the road from basic neurophysiological interactions to therapeutic applications. Experimental Brain Research. 238 (7-8), 1677-1684 (2020).
  9. Derosiere, G., Vassiliadis, P., Duque, J. Advanced TMS approaches to probe corticospinal excitability during action preparation. NeuroImage. 213 (November 2019), 116746 (2020).
  10. Goldenkoff, E. R., Mashni, A., Michon, K. J., Lavis, H., Vesia, M. Measuring and manipulating functionally specific neural pathways in the human motor system with transcranial magnetic stimulation. Journal of Visualized Experiments JoVE. 156, 60706 (2020).
  11. Malderen, S. V., Hehl, M., Verstraelen, S., Swinnen, S. P., Cuypers, K. Dual-site TMS as a tool to probe effective interactions within the motor network: a review. Reviews in the Neurosciences. 34 (2), 129-221 (2023).
  12. Neige, C., et al. Connecting the dots: Harnessing dual-site transcranial magnetic stimulation to assess the causal influence of medial frontal areas on the motor cortex. Cerebral Cortex. , bhad370 (2023).
  13. Ferbert, A., Priori, A., Rothwell, J. C., Day, B. L., Colebatch, J. G., Marsden, C. D. Interhemispheric inhibition of the human motor cortex. The Journal of physiology. 453, 525-546 (1992).
  14. Rothwell, J. C. Using transcranial magnetic stimulation methods to probe connectivity between motor areas of the brain. Human Movement Science. 30 (5), 906-915 (2011).
  15. Carlson, H., Leitão, J., Delplanque, S., Cayeux, I., Sander, D., Vuilleumier, P. Sustained effects of pleasant and unpleasant smells on resting state brain activity. Cortex. 132, 386-403 (2020).
  16. Farruggia, M. C., Pellegrino, R., Scheinost, D. Functional connectivity of the chemosenses: A review. Frontiers in Systems Neuroscience. 16, 865929 (2022).
  17. Hasan, A., Galea, J. M., Casula, E. P., Falkai, P., Bestmann, S., Rothwell, J. C. Muscle and timing-specific functional connectivity between the dorsolateral prefrontal cortex and the primary motor cortex. Journal of Cognitive Neuroscience. 25 (4), 558-570 (2013).
  18. Brown, M. J. N., Goldenkoff, E. R., Chen, R., Gunraj, C., Vesia, M. Using dual-site transcranial magnetic stimulation to probe connectivity between the dorsolateral prefrontal cortex and ipsilateral primary motor cortex in humans. Brain Sciences. 9 (8), 177 (2019).
  19. Xia, X., et al. Connectivity from ipsilateral and contralateral dorsolateral prefrontal cortex to the active primary motor cortex during approaching-avoiding behavior. Cortex. 157, 155-166 (2022).
  20. Wang, Y., Cao, N., Lin, Y., Chen, R., Zhang, J. Hemispheric differences in functional interactions between the dorsal lateral prefrontal cortex and ipsilateral motor cortex. Frontiers in Human Neuroscience. 14, 1-6 (2020).
  21. Gabbott, P. L. A., Warner, T. A., Jays, P. R. L., Salway, P., Busby, S. J. Prefrontal cortex in the rat: Projections to subcortical autonomic, motor, and limbic centers. Journal of Comparative Neurology. 492 (2), 145-177 (2005).
  22. Yeterian, E. H., Pandya, D. N., Tomaiuolo, F., Petrides, M. The cortical connectivity of the prefrontal cortex in the monkey brain. Cortex. 48 (1), 58-81 (2012).
  23. Rossi, S., et al. Safety and recommendations for TMS use in healthy subjects and patient populations, with updates on training, ethical and regulatory issues: Expert guidelines. Clinical Neurophysiology. 132 (1), 269-306 (2021).
  24. Joussain, P., et al. Application of the European Test of Olfactory Capabilities in patients with olfactory impairment. European Archives of Oto-Rhino-Laryngology. 273 (2), 381-390 (2016).
  25. Oldfield, R. C. The assessment and analysis of handedness: The Edinburgh inventory. Neuropsychologia. 9 (1), 97-113 (1971).
  26. Daligadu, J., Haavik, H., Yielder, P. C., Baarbe, J., Murphy, B. Alterations in cortical and cerebellar motor processing in subclinical neck pain patients following spinal manipulation. Journal of Manipulative and Physiological Therapeutics. 36 (8), 527-537 (2013).
  27. Andersen, K. W., Siebner, H. R. Mapping dexterity and handedness: recent insights and future challenges. Current Opinion in Behavioral Sciences. 20, 123-129 (2018).
  28. Fried, P. J., et al. Training in the practice of noninvasive brain stimulation: Recommendations from an IFCN committee. Clinical Neurophysiology. 132 (3), 819-837 (2021).
  29. Mills, K. R., Boniface, S. J., Schubert, M. Magnetic brain stimulation with a double coil: the importance of coil orientation. Electroencephalography and Clinical Neurophysiology. 85 (1), 17-21 (1992).
  30. Rossini, P. M., et al. Non-invasive electrical and magnetic stimulation of the brain, spinal cord, roots and peripheral nerves: Basic principles and procedures for routine clinical and research application. An updated report from an I.F.C.N. Committee. Clinical Neurophysiology. 126 (6), 1071-1107 (2015).
  31. Awiszus, F. TMS and threshold hunting. Supplements to Clinical Neurophysiology. 56, 13-23 (2003).
  32. Awiszus, F. Using relative frequency estimation of transcranial magnetic stimulation motor threshold does not allow to draw any conclusions about true threshold. Clinical Neurophysiology. 125 (6), 1285-1286 (2014).
  33. Ah Sen, C. B., Fassett, H. J., El-Sayes, J., Turco, C. V., Hameer, M. M., Nelson, A. J. Active and resting motor threshold are efficiently obtained with adaptive threshold hunting. PLoS One. 12 (10), 1-9 (2017).
  34. Neige, C., Rannaud Monany, D., Stinear, C. M., Byblow, W. D., Papaxanthis, C., Lebon, F. Unravelling the modulation of intracortical inhibition during motor imagery: An adaptive threshold-hunting study. Neuroscience. 434, 102-110 (2020).
  35. Burke, D., Pierrot-Deseilligny, E. Caveats when studying motor cortex excitability and the cortical control of movement using transcranial magnetic stimulation. Clinical Neurophysiology. 121 (2), 121-123 (2010).
  36. Mir-Moghtadaei, A., et al. Updated scalp heuristics for localizing the dorsolateral prefrontal cortex based on convergent evidence of lesion and brain stimulation studies in depression. Brain Stimulation. 15 (2), 291-295 (2022).
  37. Siddiqi, S. H., et al. Brain stimulation and brain lesions converge on common causal circuits in neuropsychiatric disease. Nature Human Behaviour. 5 (12), 1707-1716 (2021).
  38. Caulfield, K. A., Fleischmann, H. H., Cox, C. E., Wolf, J. P., George, M. S., McTeague, L. M. Neuronavigation maximizes accuracy and precision in TMS positioning: Evidence from 11,230 distance, angle, and electric field modeling measurements. Brain Stimulation. 15 (5), 1192-1205 (2022).
  39. Cao, N., et al. Plasticity changes in dorsolateral prefrontal cortex associated with procedural sequence learning are hemisphere-specific. NeuroImage. 259, 119406 (2022).
  40. Brown, M. J. N., et al. Somatosensory-motor cortex interactions measured using dual-site transcranial magnetic stimulation. Brain Stimulation. 12 (5), 1229-1243 (2019).
  41. Fiori, F., Chiappini, E., Candidi, M., Romei, V., Borgomaneri, S., Avenanti, A. Long-latency interhemispheric interactions between motor-related areas and the primary motor cortex: a dual site TMS study. Scientific reports. 7 (1), 14936 (2017).
  42. Fournel, A., Ferdenzi, C., Sezille, C., Rouby, C., Bensafi, M. Multidimensional representation of odors in the human olfactory cortex. Human Brain Mapping. 37 (6), 2161-2172 (2016).
  43. Midroit, M., et al. Neural processing of the reward value of pleasant odorants. Current Biology. 31 (8), 1592-1605.e9 (2021).
  44. Sezille, C., Messaoudi, B., Bertrand, A., Joussain, P., Thévenet, M., Bensafi, M. A portable experimental apparatus for human olfactory fMRI experiments. Journal of Neuroscience Methods. 218 (1), 29-38 (2013).
  45. Kato, M., et al. Spatiotemporal dynamics of odor representations in the human brain revealed by EEG decoding. Proceedings of the National Academy of Sciences. 119 (21), e2114966119 (2022).
  46. Jackson, N., Greenhouse, I. VETA: An open-source Matlab-based toolbox for the collection and analysis of electromyography combined with transcranial magnetic stimulation. Frontiers in Neuroscience. 13, 975 (2019).
  47. Cunningham, D., Zhang, B., Cahn, A. Transcranial magnetic stimulation (TMS) analysis toolbox: A user friendly open source software for basic and advanced analysis and data sharing of TMS related outcomes. Brain Stimulation: Basic, Translational, and Clinical Research in Neuromodulation. 14 (6), 1641-1642 (2021).
  48. Julkunen, P., Säisänen, L., Hukkanen, T., Danner, N., Könönen, M. Does second-scale intertrial interval affect motor evoked potentials induced by single-pulse transcranial magnetic stimulation. Brain Stimulation. 5 (4), 526-532 (2012).
  49. Pellicciari, M. C., Miniussi, C., Ferrari, C., Koch, G., Bortoletto, M. Ongoing cumulative effects of single tms pulses on corticospinal excitability: An intra- and inter-block investigation. Clinical Neurophysiology. 127 (1), 621-628 (2016).
  50. Li, S., Rymer, W. Z. Voluntary breathing influences corticospinal excitability of nonrespiratory finger muscles. Journal of Neurophysiology. 105 (2), 512-521 (2011).
  51. Boesveldt, S., Frasnelli, J., Gordon, A. R., Lundström, J. N. The fish is bad: Negative food odors elicit faster and more accurate reactions than other odors. Biological Psychology. 84 (2), 313-317 (2010).
  52. Neige, C., Mavromatis, N., Gagné, M., Bouyer, L. J., Mercier, C. Effect of movement-related pain on behaviour and corticospinal excitability changes associated with arm movement preparation. Journal of Physiology. 596 (14), 2917-2929 (2018).
  53. Bergmann, T. O., Hartwigsen, G. Inferring causality from noninvasive brain stimulation in cognitive neuroscience. Journal of Cognitive Neuroscience. 33 (2), 195-225 (2021).
  54. Kulason, S., et al. A comparative neuroimaging perspective of olfaction and higher-order olfactory processing: on health and disease. Seminars in Cell & Developmental Biology. 129, 22-30 (2022).
  55. Athanassi, A., Dorado Doncel, R., Bath, K. G., Mandairon, N. Relationship between depression and olfactory sensory function: a review. Chemical Senses. 46, bjab044 (2021).
  56. Grimm, S., et al. Imbalance between left and right dorsolateral prefrontal cortex in major depression is linked to negative emotional judgment: An fmri study in severe major depressive disorder. Biological Psychiatry. 63 (4), 369-376 (2008).
  57. Naudin, M., El-Hage, W., Gomes, M., Gaillard, P., Belzung, C., Atanasova, B. State and trait olfactory markers of major depression. PLOS One. 7 (10), e46938 (2012).
  58. Guidali, G., Roncoroni, C., Bolognini, N. Modulating frontal networks’ timing-dependent-like plasticity with paired associative stimulation protocols: Recent advances and future perspectives. Frontiers in Human Neuroscience. 15, 658723 (2021).
  59. Hernandez-Pavon, J. C., San Agustín, A., Wang, M. C., Veniero, D., Pons, J. L. Can we manipulate brain connectivity? A systematic review of cortico-cortical paired associative stimulation effects. Clinical Neurophysiology. 154, 169-193 (2023).
  60. Deng, Z. -. D., Robins, P. L., Dannhauer, M., Haugen, L. M., Port, J. D., Croarkin, P. E. Optimizing TMS coil placement approaches for targeting the dorsolateral prefrontal cortex in depressed adolescents: An electric field modeling study. Biomedicines. 11 (8), 2320 (2023).
  61. Gomez, L. J., Dannhauer, M., Peterchev, A. V. Fast computational optimization of TMS coil placement for individualized electric field targeting. NeuroImage. 228, 117696 (2021).
  62. Derosiere, G., Duque, J. Tuning the corticospinal system: How distributed brain circuits shape human actions. The Neuroscientist. 26 (4), 359-379 (2020).
  63. Bestmann, S., Krakauer, J. W. The uses and interpretations of the motor-evoked potential for understanding behaviour. Experimental Brain Research. 233 (3), 679-689 (2015).
  64. Reis, J., et al. Contribution of transcranial magnetic stimulation to the understanding of cortical mechanisms involved in motor control. Journal of Physiology. 586 (2), 325-351 (2008).

Play Video

Cite This Article
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).

View Video