Kombination eines atemsynchronisierten Olfaktometers mit Gehirnsimulation, um den Einfluss von Gerüchen auf die kortikospinale Erregbarkeit und effektive Konnektivität zu untersuchen

Es ist allgemein anerkannt, dass olfaktorische Stimulation automatische Reaktionen und motorisches Verhalten hervorruft. Zum Beispiel wurde beim Menschen kürzlich die Existenz einer vermeidungsmotorischen Reaktion (Weglehnen von der Geruchsquelle) nachgewiesen, die 500 ms nach dem negativen Geruchsbeginn auftritt¹. Chalençon et al. (2022) zeigten durch die Aufzeichnung frei beweglicher menschlicher Teilnehmer, die Gerüche untersuchten, die von Kolben ausgehen, dass motorische Verhaltensweisen (d. h. die Geschwindigkeit der Annäherung an die Nase und das Zurückziehen des Kolbens, der das Geruchsmittel enthält) eng mit der Geruchshedonik verbunden sind². Darüber hinaus wurde kürzlich ein enger Zusammenhang zwischen der Verarbeitung im olfaktorischen System und der Aktivität im motorischen Kortex beim Menschen mit Hilfe der Elektroenzephalographie nachgewiesen¹. Insbesondere wurde etwa 350 ms nach dem Auftreten negativer Gerüche eine spezifische mu-Rhythmus-Desynchronisation beobachtet, von der bekannt ist, dass sie Prozesse der Aktionsvorbereitung widerspiegelt, über und innerhalb des primären motorischen Kortex (M1), kurz gefolgt von einer verhaltensbezogenen Rückwärtsbewegung¹. Eine weitere kürzlich durchgeführte Studie untermauerte die Idee einer Beziehung zwischen dem olfaktorischen und motorischen System und zeigte, dass die Exposition gegenüber einem angenehmen Geruchsstoff die kortikospinale Erregbarkeit im Vergleich zu einem geruchlosen Zustand erhöhte³. In dieser Studie wurde die transkranielle Einzelpuls-Magnetstimulation (spTMS) auf M1 angewendet, um ein motorisch evoziertes Potential (MEP) in einem Zielhandmuskel hervorzurufen, das peripher mit Elektromyographie (EMG) während der Geruchswahrnehmung aufgezeichnet wurde. Die Exposition gegenüber dem angenehmen Geruchsstoff erfolgte passiv durch Papierstreifen, die mit reinem ätherischem Bergamotteöl getränkt und auf einem Metallhalter unter der Nase platziert wurden³. In diesem Zusammenhang bleibt unklar, ob die Erleichterung der kortikospinalen Erregbarkeit auf die angenehme Geruchsstimulation oder auf unspezifische Verhaltenseffekte wie Schnüffeln und Zähnepressen zurückzuführen ist ^4,5. Darüber hinaus ist noch unbekannt, wie ein unangenehmer Geruchsstoff die Erregbarkeit von M1 moduliert, die durch TMS untersucht wird.

Zusammenfassend unterstreicht dies die Notwendigkeit, eine Methode zu entwickeln, die die folgenden Vorteile gegenüber bestehenden Techniken bietet, die in früheren Studien verwendet wurden ^3,6: (1) Randomisierung der Präsentation verschiedener Geruchszustände (angenehm/unangenehm/kein Geruch) innerhalb derselben Versuchsphase, (2) präzise Synchronisierung der Geruchspräsentation und des TMS-Timings entsprechend den menschlichen Nasenatmungsphasen (Inspiration und Exspiration) bei der Untersuchung des motorischen Systems.

TMS kann auch als Werkzeug verwendet werden, um kortiko-kortikale Interaktionen, auch effektive Konnektivität genannt, zwischen mehreren kortikalen Arealen und M1 mit einer hohen zeitlichen Auflösung^{zu untersuchen} 7,8,9,10,11,12. Hier verwenden wir ein Dual-Site-TMS-Paradigma (dsTMS), bei dem eine erste konditionierende Stimulation (CS) ein kortikales Zielareal aktiviert und eine zweite Teststimulation (TS) über M1 mit einer anderen Spule angewendet wird, um einen MEP hervorzurufen. Der Effekt des CS wird bewertet, indem die Amplitude des konditionierten MEP (dsTMS-Bedingung) auf die Amplitude des unkonditionierten MEP (spTMS-Bedingung) normalisiert ^wird13. Dann deuten negative Verhältniswerte auf unterdrückende kortiko-kortikale Interaktionen hin, während positive Verhältniswerte auf unterstützende kortiko-kortikale Interaktionen zwischen den beiden stimulierten Arealen hinweisen. Das dsTMS-Paradigma bietet somit eine einzigartige Gelegenheit, die Art (d.h. erleichternd oder unterdrückend), die Stärke und die Modulationen der effektiven Konnektivität zwischen dem voraktivierten Bereich und M1 zu identifizieren. Wichtig ist, dass kortiko-kortikale Interaktionen ein komplexes Gleichgewicht von Erleichterung und Unterdrückung widerspiegeln, das in verschiedenen Zeitpunkten und mentalen Zuständen oder Aufgaben moduliert werden kann ^7,14.

Unseres Wissens wurde das relativ neue dsTMS-Paradigma noch nie verwendet, um kortiko-kortikale Interaktionen während der Geruchswahrnehmung mit unterschiedlichen hedonischen Werten zu untersuchen. Neuroimaging-Studien haben jedoch gezeigt, dass die Exposition gegenüber angenehmen und unangenehmen Geruchsstoffen Konnektivitätsveränderungen in Bereichen hervorruft, die an Emotionen, Entscheidungsfindung und Handlungskontrolle beteiligt sind, einschließlich des ergänzenden motorischen Bereichs, des anterioren cingulären Kortex und des dorsolateralen präfrontalen Kortex (DLPFC)^15,16. In der Tat ist der DLPFC ein Schlüsselknoten, der emotionale Kontrolle, sensorische Verarbeitung und übergeordnete Aspekte der motorischen Kontrolle, wie z. B. vorbereitende Prozesse, vermittelt 17,18,19. Darüber hinaus haben sowohl Human- als auch Tierstudien den Nachweis erbracht, dass der DLPFC verschiedene neuronale Projektionen zu M1^aufweist 17,18,20,21,22. Je nach Kontext können diese DLPFC-Projektionen die M1-Aktivität erleichtern oder hemmen ^7,19,20. Daher scheint es möglich, dass die effektive Konnektivität zwischen DLPFC und M1 während der Geruchspräsentation moduliert wird und dass angenehme und unangenehme Geruchsstoffe getrennte kortikale Netzwerke rekrutieren, was zu einem differentiellen Effekt auf die DLPFC-M1-Konnektivität führt.

Hier schlagen wir eine neue Methode vor, die sich für die methodisch strenge Untersuchung der Modulationen der kortikospinalen Erregbarkeit und der effektiven Konnektivität eignet, die während der Wahrnehmung angenehmer und unangenehmer Gerüche auftreten können, die alle synchron mit der menschlichen Nasenatmung abgegeben werden.