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神经科学

呼気同期嗅覚計と脳シミュレーションを組み合わせて、皮質脊髄の興奮性と効果的な接続性に対する匂いの影響を研究

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

この論文では、呼吸同期嗅覚計を使用して、ヒトの鼻呼吸に同期した匂い物質の提示中にシングルコイルおよびデュアルコイルの経頭蓋磁気刺激(TMS)をトリガーする方法について説明します。この組み合わせにより、心地よい匂いと不快な匂いが、特定の個人の皮質脊髄興奮性と脳に効果的な接続性にどのように影響するかを客観的に調査することができます。

Abstract

動物やヒトにおいて、嗅覚刺激が心地よい匂い物質に近づいたり、不快な匂いを避けたりするなどの運動行動を誘発することは広く認められています。最近、脳波検査と経頭蓋磁気刺激(TMS)を用いた研究により、ヒトの嗅覚系における処理と運動皮質における活動との間に強い関連性があることが実証されています。嗅覚と運動系の相互作用をよりよく理解し、以前の方法論的限界を克服するために、異なるヘドニック値を持つ匂い物質のランダムな順序表示を同期させる嗅覚計と、鼻呼吸位相によるTMS(シングルコイルおよびデュアルコイル)トリガーを組み合わせた新しい方法を開発しました。この方法により、皮質脊髄の興奮性の調節と、心地よい匂いと不快な匂いの知覚中に発生する可能性のある背外側前頭前野と一次運動皮質の間の効果的な同側接続を調べることができます。この方法の適用により、特定の参加者の匂い物質の快感値を客観的に識別できるようになり、脳の効果的な接続性と興奮性に対する匂い物質の生物学的影響を示します。さらに、これは、匂いの快楽性の変化と不適応な接近回避行動を示す可能性のある神経学的または神経精神障害のある患者の臨床研究への道を開く可能性があります。

Introduction

嗅覚刺激が自動反応や運動行動を誘発することは広く認められています。例えば、ヒトでは、陰性の匂いが始まってから500ミリ秒後に発生する回避運動反応(匂い源から遠ざかる)の存在が最近実証されています1。Chalençon et al.(2022)は、フラスコから発せられる匂いを探索する人間の参加者が自由に動く様子を記録することで、運動行動(すなわち、鼻に近づく速度と匂い物質の入ったフラスコの引き抜き)が匂いの快楽学と密接に関連していることを示しました2。さらに、嗅覚系における処理と運動皮質における活動との密接な関係は、最近、脳波計を用いてヒトで実証されています1。具体的には、悪臭の発生から約350ms後に、一次運動野(M1)の上で、行動準備過程を反映することが知られている特定のミューリズムの非同期が観察され、その後まもなく行動的な後退運動が観察されました1。嗅覚系と運動系の関係という考えを強める別の最近の研究では、心地よい匂い物質への曝露は、無臭状態と比較して皮質脊髄の興奮性を高めることが示されました3。この研究では、シングルパルス経頭蓋磁気刺激(spTMS)をM1に適用して、匂い知覚中に筋電図(EMG)で末梢に記録されたターゲットの手の筋肉に運動誘発電位(MEP)を誘発しました。心地よい匂い物質への曝露は、純粋なベルガモットエッセンシャルオイルで浸した紙片によって受動的に提供され、鼻の下の金属ホルダーに置かれました3。これに関連して、皮質脊髄の興奮性の促進が心地よい匂い刺激によるものなのか、それとも嗅ぎや歯の食いしばりなどの非特異的な行動効果によるものなのかは不明のままである4,5。さらに、TMSによって調べられた不快な匂い物質がM1の興奮性をどのように調節するかはまだ不明です。

要約すると、これは、以前の研究で使用された既存の技術よりも次の利点を提供する方法を開発する必要性を強調しています3,6:(1)同じ実験段階内で異なる匂い条件(快/不快/無臭)の提示をランダム化します、(2)運動系を研究する際の人間の鼻呼吸段階(吸気と呼気)に応じて、匂い物質の提示とTMSのタイミングを正確に同期させます。

TMSは、複数の皮質領域とM1の間の皮質-皮質相互作用(有効接続性とも呼ばれる)を高い時間分解能7,8,9,10,11,12で調査するためのツールとしても使用できます。ここでは、第1条件付け刺激(CS)が標的皮質領域を活性化し、別のコイルを使用してM1に第2テスト刺激(TS)を適用してMEPを喚起するデュアルサイトTMS(dsTMS)パラダイムを使用します。CSの効果は、条件付けされたMEPの振幅(dsTMS条件)を無条件のMEPの振幅(spTMS条件)に正規化することによって評価される13。次に、負の比率値は抑制的な皮質-皮質相互作用を示し、正の比率値は2つの刺激領域間の促進的な皮質-皮質相互作用を示します。したがって、dsTMSパラダイムは、前もって活性化された領域とM1の間の効果的な接続性の性質(すなわち、促進的または抑制的)、強度、および変調を特定するユニークな機会を提供します。重要なことに、皮質-皮質相互作用は、促進と抑制の複雑なバランスを反映しており、さまざまなタイミングや精神状態、またはタスクで調節される可能性があります7,14。

私たちの知る限り、比較的新しいdsTMSパラダイムは、異なる快楽的値を持つ匂い知覚中の皮質-皮質相互作用を調査するために使用されたことはありません。しかし、神経画像研究では、心地よい匂い物質と不快な匂い物質への曝露は、補足運動野、前帯状皮質、背外側前頭前皮質(DLPFC)など、感情、意思決定、行動制御に関与する領域の接続性の変化を誘発することが示されています15,16。実際、DLPFCは、感情制御、感覚処理、および準備プロセス17、18、19などの運動制御の高レベルの側面を媒介する重要なノードです。さらに、ヒトと動物の両方の研究により、DLPFCがM1 17、18、20、21、22に多様なニューロン投射を持っているという証拠が提供されています。状況に応じて、これらのDLPFC投影は、M1活性を促進するか阻害するかのいずれかです7、19、20。したがって、DLPFCとM1の間の効果的な接続性は、匂いの提示中に調節され、心地よい匂い物質と不快な匂い物質が分離した皮質ネットワークを動員し、DLPFC-M1の結合性に異なる効果をもたらす可能性があると思われます。

ここでは、皮質脊髄の興奮性の調節と、人間の鼻呼吸と同期して提供される心地よい匂いと不快な匂いの知覚中に発生する可能性のある効果的な接続性の方法論的に厳密な研究に適した新しい方法を提案します。

Protocol

以下のセクションで説明するすべての実験手順は、ヘルシンキ宣言に従って倫理委員会(CPP Ile de France VII、Paris、France、プロトコル番号2022-A01967-36)によって承認されています。すべての参加者は、研究登録前に書面によるインフォームドコンセントを提供しました。 1. 参加者募集 包含/除外基準。成人(18歳>)の参加者を含めます。国際的な専門家?…

Representative Results

ここで紹介する代表的なデータは、上記のステップバイステップのプロトコルを完了した後の参加者の記録を反映しており、私たちが何を期待するかについての予備的な洞察を提供します。 図2は、嗅覚計ソフトウェアで記録された代表的な参加者の呼吸信号の例を示しています。呼気期と吸気期は、閾値を超えるとよく検出されます。匂い物質は?…

Discussion

上記のプロトコルは、呼気同期嗅覚計とシングルコイルおよびデュアルコイルTMSの使用を組み合わせて、匂い物質の快楽的価値に応じて皮質脊髄の興奮性と効果的な接続性の変化を調査する新しい方法を説明しています。このセットアップにより、特定の参加者の匂い物質の快感値を客観的に識別し、脳の効果的な接続性と反応性に対する匂い物質の生物学的影響を示すことができます。こ?…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

この研究は、Fondation de France, Grant N°: 00123049/WB-2021-35902 (J.B. and N.M.が受け取った助成金)の支援を受けました。著者らは、Pierre Deniker財団の支援(CNが助成金を受領)と、セットアップの設計に貴重な協力をしてくれたNeuro-Immersionプラットフォームのスタッフに感謝します。

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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