Une méthode FMRI à respiration libre pour étudier la fonction olfactive humaine
Özet
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.
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.
Protocol
Representative Results
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 res…
Açıklamalar
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Les auteurs n'ont aucune reconnaissance.
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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