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Abstract
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神经科学

Combinaison d’un olfactomètre synchronisé avec la respiration et d’une simulation cérébrale pour étudier l’impact des odeurs sur l’excitabilité corticospinale et la connectivité efficace

Published: January 19, 2024
doi:
10.3791/65714
, , , , , ,
1PSYR2, Centre de Recherche en Neurosciences de Lyon, Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale U1028, Centre National de la Recherche Scientifique UMR5292,Université Claude Bernard Lyon 1, 2Centre Hospitalier Le Vinatier, 3NEUROPOP, Centre de Recherche en Neurosciences de Lyon, Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale U1028, Centre National de la Recherche Scientifique UMR5292,Université Claude Bernard Lyon 1

Summary

Cet article décrit l’utilisation d’un olfactomètre synchronisé avec la respiration pour déclencher une stimulation magnétique transcrânienne (TMS) à simple et double bobine lors de la présentation de l’odorant synchronisée avec la respiration nasale humaine. Cette combinaison nous permet d’étudier objectivement l’impact des odeurs agréables et désagréables sur l’excitabilité corticospinale et la connectivité cérébrale efficace chez un individu donné.

Abstract

Il est largement admis que la stimulation olfactive suscite des comportements moteurs, tels que l’approche des odeurs agréables et l’évitement des odeurs désagréables, chez les animaux et les humains. Récemment, des études utilisant l’électroencéphalographie et la stimulation magnétique transcrânienne (TMS) ont démontré un lien étroit entre le traitement dans le système olfactif et l’activité dans le cortex moteur chez l’homme. Pour mieux comprendre les interactions entre les systèmes olfactif et moteur et surmonter certaines des limites méthodologiques précédentes, nous avons développé une nouvelle méthode combinant un olfactomètre qui synchronise la présentation en ordre aléatoire des odorants avec différentes valeurs hédoniques et le déclenchement TMS (single- and dual-coil) avec les phases de respiration nasale. Cette méthode permet de sonder les modulations de l’excitabilité corticospinale et de la connectivité ipsilatérale efficace entre le cortex préfrontal dorsolatéral et le cortex moteur primaire qui pourraient se produire lors de la perception d’odeurs agréables et désagréables. L’application de cette méthode permettra de discriminer objectivement la valeur d’agrément d’un odorant chez un participant donné, indiquant l’impact biologique de l’odorant sur la connectivité effective et l’excitabilité du cerveau. En outre, cela pourrait ouvrir la voie à des investigations cliniques chez les patients atteints de troubles neurologiques ou neuropsychiatriques qui peuvent présenter des altérations hédoniques des odeurs et des comportements d’évitement d’approche inadaptés.

Introduction

Il est largement admis que la stimulation olfactive provoque des réactions automatiques et des comportements moteurs. Par exemple, chez l’homme, l’existence d’une réponse motrice d’évitement (s’éloigner de la source d’odeur) se produisant 500 ms après l’apparition d’une odeur négative a été récemment démontrée1. En enregistrant des participants humains se déplaçant librement explorant les odeurs émanant des flacons, Chalençon et al. (2022) ont montré que les comportements moteurs (c’est-à-dire la vitesse d’approche du nez et le retrait de la fiole contenant l’odorant) sont étroitement liés à l’hédonisme olfactif2. De plus, un lien étroit entre le traitement dans le système olfactif et l’activité dans le cortex moteur a été récemment démontré chez l’homme en utilisant l’électroencéphalographie1. Plus précisément, environ 350 ms après l’apparition des odeurs négatives, une désynchronisation spécifique du rythme mu, connue pour refléter des processus de préparation à l’action, a été observée au-dessus et à l’intérieur du cortex moteur primaire (M1), suivie peu de temps d’un mouvement comportemental vers l’arrière1. Renforçant l’idée d’une relation entre les systèmes olfactif et moteur, une autre étude récente a montré que l’exposition à un odorant agréable augmentait l’excitabilité corticospinale par rapport à une condition sans odeur3. Dans cette étude, la stimulation magnétique transcrânienne à impulsion unique (spTMS) a été appliquée à M1 pour évoquer un potentiel évoqué moteur (MEP) dans un muscle cible de la main, enregistré en périphérie avec électromyographie (EMG) lors de la perception des odeurs. L’exposition à l’odorant agréable était fournie passivement par des bandes de papier imbibées d’huile essentielle de bergamote pure et placées sur un support métallique sous le nez3. Dans ce contexte, il n’est pas clair si la facilitation de l’excitabilité corticospinale est due à la stimulation odorante agréable ou à des effets comportementaux non spécifiques tels que le reniflement et le serrement des dents 4,5. De plus, on ne sait toujours pas comment un odorant désagréable module l’excitabilité M1 sondée par TMS.

En résumé, cela met en évidence la nécessité de développer une méthode qui offre les avantages suivants par rapport aux techniques existantes utilisées dans les études précédentes 3,6 : (1) randomiser la présentation de différentes conditions olfactives (agréable/désagréable/sans odeur) au sein d’une même phase expérimentale, (2) synchroniser précisément la présentation des odorants et le timing de la TMS en fonction des phases de respiration nasale humaine (inspiration et expiration) lors de l’étude du système moteur.

La TMS peut également être utilisée comme un outil pour étudier les interactions cortico-corticales, également appelées connectivité effective, entre plusieurs aires corticales et M1 avec une résolution temporelle élevée 7,8,9,10,11,12. Ici, nous utilisons un paradigme TMS à double site (dsTMS), dans lequel une stimulation de premier conditionnement (CS) active une zone corticale cible, et une stimulation de second test (TS) est appliquée sur M1 en utilisant une autre bobine pour évoquer une MEP. L’effet de la CS est évalué en normalisant l’amplitude de la MEP conditionnée (condition dsTMS) à l’amplitude de la MEP non conditionnée (condition spTMS)13. Ensuite, les valeurs négatives indiquent des interactions cortico-corticales suppressives, tandis que les valeurs positives indiquent des interactions cortico-corticales facilitatrices entre les deux zones stimulées. Le paradigme de la SMTd offre donc une occasion unique d’identifier la nature (c’est-à-dire facilitatrice ou suppressive), la force et les modulations de la connectivité effective entre la zone préactivée et M1. Il est important de noter que les interactions cortico-corticales reflètent un équilibre complexe de facilitation et de suppression qui peut être modulé en fonction du moment et des états mentauxou des tâches 7,14.

À notre connaissance, le paradigme relativement nouveau de la SMTd n’a jamais été utilisé pour étudier les interactions cortico-corticales lors de la perception d’odeurs avec différentes valeurs hédoniques. Cependant, des études de neuroimagerie ont montré que l’exposition à des odeurs agréables et désagréables induit des changements de connectivité dans les zones impliquées dans l’émotion, la prise de décision et le contrôle de l’action, y compris l’aire motrice supplémentaire, le cortex cingulaire antérieur et le cortex préfrontal dorsolatéral (DLPFC)15,16. En effet, le DLPFC est un nœud clé qui médie le contrôle émotionnel, le traitement sensoriel et les aspects de niveau supérieur du contrôle moteur, tels que les processus préparatoires 17,18,19. De plus, des études chez l’homme et l’animal ont fourni des preuves que le DLPFC a diverses projections neuronales vers M1 17,18,20,21,22. Selon le contexte, ces projections DLPFC peuvent faciliter ou inhiber l’activité de M1 7,19,20. Ainsi, il semble possible que la connectivité effective entre DLPFC et M1 soit modulée lors de la présentation des odeurs et que les odorants agréables et désagréables recrutent des réseaux corticaux séparés, conduisant à un effet différentiel sur la connectivité DLPFC-M1.

Nous proposons ici une nouvelle méthode adaptée à l’étude méthodologiquement rigoureuse des modulations de l’excitabilité corticospinale et de la connectivité effective qui pourraient se produire lors de la perception d’odeurs agréables et désagréables, le tout délivré en synchronie avec la respiration nasale humaine.

Protocol

Toutes les procédures expérimentales décrites dans les sections suivantes ont été approuvées par un Comité d’éthique (CPP Ile de France VII, Paris, France, numéro de protocole 2022-A01967-36) conformément à la Déclaration d’Helsinki. Tous les participants ont donné leur consentement éclairé par écrit avant l’inscription à l’étude. 1. Recrutement des participants Critères d’inclusion/exclusion.Inclure les participants adultes (> 18…

Representative Results

Les données représentatives présentées ici reflètent les enregistrements des participants après avoir suivi le protocole étape par étape ci-dessus pour donner un aperçu préliminaire de ce à quoi nous pourrions nous attendre. La figure 2 montre un exemple de signaux respiratoires représentatifs d’un participant enregistré avec le logiciel d’olfactomètre. Les phases expiratoire et inspiratoire sont bien détectées lorsque les seuils sont franchis….

Discussion

Le protocole ci-dessus décrit une nouvelle méthode combinant l’utilisation d’un olfactomètre synchronisé avec la respiration avec une TMS à simple et double bobine pour étudier les changements dans l’excitabilité corticospinale et la connectivité effective en fonction de la valeur hédonique des odorants. Cette configuration permettra de discriminer objectivement la valeur d’agrément d’un odorant chez un participant donné, indiquant l’impact biologique de l’odorant sur la connectivité et la réac…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Ce travail a été soutenu par la Fondation de France, Subvention N° : 00123049/WB-2021-35902 (subvention reçue par J.B. et N.M.). Les auteurs remercient la Fondation Pierre Deniker pour son soutien (subvention reçue par C.N.) et le personnel de la plateforme Neuro-Immersion pour leur aide précieuse dans la conception du dispositif.

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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