Combinatie van een ademgesynchroniseerde olfactometer met hersensimulatie om de impact van geuren op corticospinale prikkelbaarheid en effectieve connectiviteit te bestuderen

Het is algemeen aanvaard dat olfactorische stimulatie automatische reacties en motorisch gedrag uitlokt. Bij mensen is bijvoorbeeld onlangs het bestaan aangetoond van een ontwijkende motorische reactie (wegleunen van de geurbron) die 500 ms na het begin van de negatieve geur optreedt¹. Chalençon et al. (2022) toonden aan dat motorisch gedrag (d.w.z. snelheid van nadering van de neus en terugtrekking van de kolf met de geurstof) nauw verband houdt met geurhedonisme². Bovendien is onlangs bij mensen een nauw verband aangetoond tussen verwerking in het reuksysteem en activiteit in de motorische cortex met behulp van elektro-encefalografie¹. In het bijzonder werd ongeveer 350 ms na het begin van negatieve geuren een specifieke mu-ritmedesynchronisatie, waarvan bekend is dat deze actievoorbereidingsprocessen weerspiegelt, waargenomen boven en in de primaire motorische cortex (M1), kort gevolgd door een gedragsmatige achterwaartse beweging¹. Een andere recente studie versterkte het idee van een relatie tussen het reuk- en motorische systeem en toonde aan dat blootstelling aan een aangename geurstof de corticospinale prikkelbaarheid verhoogde in vergelijking met^{een geurloze} aandoening. In deze studie werd single-pulse transcraniële magnetische stimulatie (spTMS) toegepast op M1 om een motorisch opgewekte potentiaal (MEP) op te roepen in een doelhandspier, perifeer geregistreerd met elektromyografie (EMG) tijdens geurperceptie. Blootstelling aan de aangename geurstof werd passief verzorgd door papieren stroken doordrenkt met pure etherische olie van bergamot en op een metalen houder onder de neus geplaatst³. In deze context blijft het onduidelijk of de facilitering van de corticospinale prikkelbaarheid te wijten is aan de aangename geurprikkeling of aan niet-specifieke gedragseffecten zoals snuiven en tanden op elkaar klemmen ^4,5. Bovendien is het nog onbekend hoe een onaangename geurstof de door TMS onderzochte M1-prikkelbaarheid moduleert.

Samenvattend benadrukt dit de noodzaak om een methode te ontwikkelen die de volgende voordelen biedt ten opzichte van bestaande technieken die in eerdere studies werden gebruikt ^3,6: (1) randomisatie van de presentatie van verschillende geurcondities (aangenaam/onaangenaam/geen-geur) binnen dezelfde experimentele fase, (2) nauwkeurige synchronisatie van geurstofpresentatie en TMS-timing volgens de menselijke neusademhalingsfasen (inspiratie en uitademing) bij het bestuderen van het motorische systeem.

TMS kan ook worden gebruikt als een hulpmiddel om cortico-corticale interacties, ook wel effectieve connectiviteit genoemd, tussen meerdere corticale gebieden en M1 te onderzoeken met een hoge temporele resolutie 7,8,9,10,11,12. Hier gebruiken we een dual-site TMS (dsTMS)-paradigma, waarbij een first-conditioning stimulatie (CS) een doelcorticaal gebied activeert, en een second-test stimulatie (TS) wordt toegepast op M1 met behulp van een andere spoel om een MEP op te roepen. Het effect van de CS wordt geëvalueerd door de amplitude van de geconditioneerde MEP (dsTMS-conditie) te normaliseren naar de amplitude van de ongeconditioneerde MEP (spTMS-conditie)¹³. Vervolgens duiden negatieve ratiowaarden op onderdrukkende cortico-corticale interacties, terwijl positieve ratiowaarden duiden op faciliterende cortico-corticale interacties tussen de twee gestimuleerde gebieden. Het dsTMS-paradigma biedt dus een unieke kans om de aard (d.w.z. faciliterend of onderdrukkend), de sterkte en de modulaties van de effectieve connectiviteit tussen het vooraf geactiveerde gebied en M1 te identificeren. Belangrijk is dat cortico-corticale interacties een complexe balans van facilitering en onderdrukking weerspiegelen die kan worden gemoduleerd in verschillende timing en mentale toestanden of taken ^7,14.

Voor zover wij weten, is het relatief nieuwe dsTMS-paradigma nooit gebruikt om cortico-corticale interacties tijdens geurperceptie met verschillende hedonische waarden te onderzoeken. Neuroimaging-onderzoeken hebben echter aangetoond dat blootstelling aan aangename en onaangename geurstoffen connectiviteitsveranderingen induceert in gebieden die betrokken zijn bij emotie, besluitvorming en actiecontrole, waaronder het aanvullende motorische gebied, de cortex cingularis anterior en de dorsolaterale prefrontale cortex (DLPFC)^15,16. De DLPFC is inderdaad een belangrijk knooppunt dat emotionele controle, sensorische verwerking en aspecten van motorische controle op een hoger niveau bemiddelt, zoals voorbereidende processen 17,18,19. Bovendien hebben zowel studies bij mensen als bij dieren aangetoond dat de DLPFC verschillende neuronale projecties heeft naar M1 17,18,20,21,22. Afhankelijk van de context kunnen deze DLPFC-projecties de M1-activiteit vergemakkelijken of remmen ^7,19,20. Het lijkt dus mogelijk dat de effectieve connectiviteit tussen DLPFC en M1 wordt gemoduleerd tijdens geurpresentatie en dat aangename en onaangename geurstoffen gescheiden corticale netwerken rekruteren, wat leidt tot een differentieel effect op DLPFC-M1-connectiviteit.

Hier stellen we een nieuwe methode voor die geschikt is voor de methodologisch rigoureuze studie van de modulaties van corticospinale prikkelbaarheid en effectieve connectiviteit die kunnen optreden tijdens de perceptie van aangename en onaangename geuren, allemaal synchroon met de menselijke neusademhaling.