Een vrije ademhaling fMRI methode om menselijke olfactieve functie te bestuderen
Summary
Wij presenteren de technische uitdagingen en oplossingen voor het verkrijgen van betrouwbare functionele magnetische resonantiebeeldvorming (fMRI) data van het menselijke centrale olfactorische systeem. Dit omvat speciale overwegingen in het olfactorisch fMRI-paradigma-ontwerp, beschrijvingen van fMRI-dataverzameling met een MRI-compatibele olfactometer, geurverdeling en een speciaal softwareprogramma voor data post-processing.
Abstract
De studie van menselijke vervloeking is een zeer complex en waardevol gebied met toepassingen, variërend van biomedisch onderzoek naar klinische evaluatie. Momenteel is evaluatie van de functies van het menselijke centrale olfactorische systeem met functionele magnetische resonantiebeeldvorming (fMRI) nog steeds een uitdaging vanwege technische problemen. Er zijn enkele significante variabelen om rekening te houden bij het overwegen van een effectieve methode voor het in kaart brengen van de functie van het centrale olfactorische systeem met behulp van fMRI, met inbegrip van de juiste reukstofselectie, de interactie tussen geurpresentatie en ademhaling, en mogelijke anticipatie of aanpassing aan geurstoffen. Een gebeurtenisgerelateerde, respiratie-geactiveerde olfactieve fMRI-techniek kan geurstoffen nauwkeurig aansturen om het olfactorische systeem te stimuleren, terwijl potentiële interferentie wordt beperkt. Het kan effectief vastleggen van de precieze aanvang van fMRI signalen in de primaire olfactieve cortex met behulp van onze data post-processing methode. De techniek voorafHier verzonden, biedt een efficiënte en praktische manier om betrouwbare olfactieve fMRI resultaten te genereren. Zo'n techniek kan uiteindelijk in het klinische rijk worden toegepast als een diagnostisch hulpmiddel voor ziektes die verband houden met olfactieve degeneratie, met inbegrip van de ziekte van Alzheimer en Parkinson, als we de complexiteit van het menselijke olfactorische systeem verder begrijpen.
Introduction
Het menselijke olfactorische systeem wordt veel meer begrepen dan een zintuiglijk systeem, omdat olfaction ook een belangrijke rol speelt bij homeostatische regulering en emoties. Klinisch is het menselijk olfactorische systeem bekend om kwetsbaar te zijn tegen aanvallen van veel voorkomende neurologische ziekten en psychiatrische stoornissen, zoals de ziekte van Alzheimer, de ziekte van Parkinson, posttraumatische stressstoornis en depressie 1 , 2 , 3 , 4 , 5 . Momenteel is functionele magnetische resonantiebeeldvorming (fMRI) met bloed-zuurstofgehaltenafhankelijk (BOLD) contrast de meest waardevolle techniek voor het mappen van functies van het menselijke brein. Een aanzienlijke hoeveelheid kennis over specifieke functies van centrale olfactorische structuren ( bijv . Piriforme cortex, orbitofrontale cortex, amygdala en insulaire cortex) is verkregen met deze techniekIque 6 , 7 , 8 , 9 , 10 .
De toepassing van fMRI op studies van het menselijke centrale olfactorische systeem en bijbehorende aandoeningen is echter belemmerd door twee belangrijke obstakels: snelle aanwending van het BOLD signaal en variabele modulatie door ademhaling. In het dagelijks leven, wanneer we gedurende een bepaalde tijd aan een geurstof blootgesteld worden, raken we snel aan de geur. In feite, wanneer het met behulp van olfactief fMRI wordt bestudeerd, wordt het geurgeïnduceerde fMRI-signaal snel verzwakt door habituation, wat een uitdaging vormt voor de ontwerpen van stimulatieparadigma 8 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 . Het eerste significante BOLD-signaal in de primaire olfactieve cortex blijft alleen bestaanS enkele seconden na het ontstaan van de geur. Daarom moeten olfactieve fMRI-paradigma's langdurige of frequente geurstimulaties in een korte periode vermijden. Om het wervingseffect te verminderen, hebben sommige studies geprobeerd alternerende geuren in een fMRI-paradigma te presenteren. Deze aanpak kan echter data-analyse compliceren, aangezien elke geurstof als een onafhankelijke stimulatie-gebeurtenis kan worden behandeld.
Een ander technisch probleem is ontstaan met variabiliteit in de ademhalingspatronen van proefpersonen; Inhalatie synchroniseert niet altijd met geuradministratie tijdens een fixed-timing paradigma. Het begin en de duur van de olfactorische stimulatie worden gemoduleerd door de ademhaling van elke individu, waardoor fMRI-data kwaliteit en analyse wordt verstoord. Sommige studies hebben geprobeerd dit probleem te verminderen met visuele of auditieve signalen om het adem- en geurend begin te synchroniseren, maar de naleving van de onderwerpen is variabel, vooral in de klinische populatie. De hersenactivaties geassocieerd met wiDeze cues kunnen ook data-analyse compliceren in bepaalde toepassingen. Zodoende kan synchronisatie van inhalatie met geurstoflevering cruciaal zijn voor olfactieve fMRI studies 15 .
Een extra overweging die essentieel is voor olfactorische fMRI, in het bijzonder in het data-analyseproces, is de selectie van geurstoffen. Het vinden van een passende geurstofconcentratie met betrekking tot de waargenomen intensiteit is belangrijk voor kwantificering en vergelijking van activeringsniveaus in de hersenen onder verschillende experimentele aandoeningen of ziekten. De selectie van geurstoffen moet ook rekening houden met geurvalentie of aangename smaak. Dit is bekend dat divergente temporale profielen in olfactisch leren 16 , 17 veroorzaken . Lavendelgeur is voor deze reden voor deze demonstratie gekozen. Afhankelijk van het doel van een specifieke studie kunnen verschillende geurstoffen betere keuzes zijn. Bovendien moet trigeminale stimulatie minimaal worden verminderdE-activering niet direct verband houdend met olfaction 18 .
In dit rapport demonstreert we een fMRI techniek om een respiratie-triggered paradigma op te zetten en uit te voeren met behulp van een olfactometer in de magnetische resonantie omgeving. We presenteren ook een postverwerkingshulpmiddel dat bepaalde timingfouten kan verminderen die zich tijdens de acquisitie kunnen voordoen in een poging om de data-analyse verder te verbeteren.
Protocol
Representative Results
Discussion
Experimentele procedures dienen zorgvuldig te worden overwogen en correct uitgevoerd te worden voor het verzamelen van betrouwbare, activeringsactivering data. De kritieke stappen in het protocol omvatten het implementeren van een ademhaling-triggered paradigma om de geurafgifte te synchroniseren met beeldverwerving, de juiste concentraties geurstoffen op te stellen om psychofysische reacties te regelen, de olfactometer op te zetten met een betrouwbaar stabiel ademhalingssignaal en een constante luchtstroom, en respirat…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs hebben geen erkenningen.
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 |
References
- Doty, R. L., Reyes, P. F., Gregor, T. Presence of both odor identification and detection deficits in Alzheimer’s disease. Brain Res Bull. 18 (5), 597-600 (1987).
- Hummel, T., et al. Olfactory FMRI in patients with Parkinson’s disease. Front Integr Neurosci. 4, 125 (2010).
- Mesholam, R. I., Moberg, P. J., Mahr, R. N., Doty, R. L. Olfaction in neurodegenerative disease: a meta-analysis of olfactory functioning in Alzheimer’s and Parkinson’s diseases. Arch Neurol. 55 (1), 84-90 (1998).
- Pause, B. M., Miranda, A., Göder, R., Aldenhoff, J. B., Ferstl, R. Reduced olfactory performance in patients with major depression. J Psychiatr Res. 35 (5), 271-277 (2001).
- Vasterling, J. J., Brailey, K., Sutker, P. B. Olfactory identification in combat-related posttraumatic stress disorder. J Trauma Stress. 13 (2), 241-253 (2000).
- Anderson, A. K., et al. Dissociated neural representations of intensity and valence in human olfaction. Nat Neurosci. 6 (2), 196-202 (2003).
- Gottfried, J. A., Deichmann, R., Winston, J. S., Dolan, R. J. Functional heterogeneity in human olfactory cortex: an event-related functional magnetic resonance imaging study. J Neurosci. 22 (24), 10819-10828 (2002).
- Sobel, N., et al. Sniffing and smelling: separate subsystems in the human olfactory cortex. Nature. 392 (6673), 282-286 (1998).
- Sun, X., Wang, J., Weitekamp, C. W., Yang, Q. X. A Novel Data Processing Method for Olfactory fMRI Examinations. Proc Intl Soc Mag Res Med. 18 (2010), 1161 (2010).
- Zatorre, R. J., Jones-Gotman, M., Evans, A. C., Meyer, E. Functional localization and lateralization of human olfactory cortex. Nature. 360 (6402), 339-340 (1992).
- Boley, J. C., Pontier, J. P., Smith, S., Fulbright, M. Facial changes in extraction and nonextraction patients. Angle Orthod. 68 (6), 539-546 (1998).
- Furman, J. M., Koizuka, I. Reorientation of poststimulus nystagmus in tilted humans. J Vestib Res. 4 (6), 421-428 (1994).
- Loevner, L. A., Yousem, D. M. Overlooked metastatic lesions of the occipital condyle: a missed case treasure trove. Radiographics. 17 (5), 1111-1121 (1997).
- Tabert, M. H., et al. Validation and optimization of statistical approaches for modeling odorant-induced fMRI signal changes in olfactory-related brain areas. Neuroimage. 34 (4), 1375-1390 (2007).
- Wang, J., Sun, X., Yang, Q. X. Methods for olfactory fMRI studies: Implication of respiration. Hum Brain Mapp. 35 (8), 3616-3624 (2014).
- Gottfried, J. A., O’Doherty, J., Dolan, R. J. Appetitive and aversive olfactory learning in humans studied using event-related functional magnetic resonance imaging. J Neurosci. 22 (24), 10829-10837 (2002).
- Popp, R., Sommer, M., Müller, J., Hajak, G. Olfactometry in fMRI studies: odor presentation using nasal continuous positive airway pressure. Acta Neurobiol Exp (Wars). 64 (2), 171-176 (2004).
- Wang, J., et al. Olfactory Habituation in the Human Brain. Proc Intl Soc Mag Res Med. 20, 2150 (2012).
- Grunfeld, R., et al. The responsiveness of fMRI signal to odor concentration). , A237-A238 (2005).
- Jia, H., et al. Functional MRI of the olfactory system in conscious dogs. PLoS One. 9 (1), e86362 (2014).
- Karunanayaka, P., et al. Networks involved in olfaction and their dynamics using independent component analysis and unified structural equation modeling. Hum Brain Mapp. 35 (5), 2055-2072 (2014).
- Royet, J. P., et al. Functional neuroanatomy of different olfactory judgments. Neuroimage. 13 (3), 506-519 (2001).
- Doty, R. L. Influence of age and age-related diseases on olfactory function. Ann N Y Acad Sci. 561, 76-86 (1989).
- Wang, J., et al. Olfactory deficit detected by fMRI in early Alzheimer’s disease. Brain Res. 1357, 184-194 (2010).
- Moessnang, C., et al. Altered activation patterns within the olfactory network in Parkinson’s disease. Cereb Cortex. 21 (6), 1246-1253 (2011).
- Vasavada, M. M., et al. Olfactory cortex degeneration in Alzheimer’s disease and mild cognitive impairment. J Alzheimers Dis. 45 (3), 947-958 (2015).
- Jacobs, H. I., Radua, J., Lückmann, H. C., Sack, A. T. Meta-analysis of functional network alterations in Alzheimer’s disease: toward a network biomarker. Neurosci Biobehav Rev. 37 (5), 753-765 (2013).
- Murphy, C., Cerf-Ducastel, B., Calhoun-Haney, R., Gilbert, P. E., Ferdon, S. ERP, fMRI and functional connectivity studies of brain response to odor in normal aging and Alzheimer’s disease. Chem Senses. 30 Suppl 1, i170-i171 (2005).
- Hummel, T., Kobal, G. Differences in human evoked potentials related to olfactory or trigeminal chemosensory activation. Electroen Clin Neuro. 84 (1), 84-89 (1992).
- Cerf-Ducastel, B., Murphy, C. FMRI brain activation in response to odors is reduced in primary olfactory areas of elderly subjects. Brain Res. 986 (1-2), 39-53 (2003).
- Cain, W. S. Contribution of the trigeminal nerve to perceived odor magnitude. Ann NY Acad Sci. 237, 28-34 (1974).
- Murphy, C., Gilmore, M. M., Seery, C. S., Salmon, D. P., Lasker, B. R. Olfactory thresholds are associated with degree of dementia in Alzheimer’s disease. Neurobiol Aging. 11 (4), 465-469 (1990).
- Doty, R. L., Brugger, W. E., Jurs, P. C., Orndoff, M. A., Snyder, P. J., Lowry, L. D. Intranasal trigeminal stimulation from odorous volatiles: Psychometric responses from anosmic and normal humans. Physiol Behav. 20 (2), 175-185 (1978).
- Kobal, G., Hummel, T. Olfactory and intranasal trigeminal event-related potentials in anosmic patients. Laryngoscope. 108 (7), 1033-1035 (1998).
- Frasnelli, J., Lundström, J. N., Schöpf, V., Negoias, S., Hummel, T., Lepore, F. Dual processing streams in chemosensory perception. Front Hum Neurosci. 6, (2012).
- Yousem, D. M., et al. Gender effects on odor-stimulated functional magnetic resonance imaging. Brain Res. 818 (2), 480-487 (1999).
- Koulivand, P. H., Ghadiri, M. K., Gorji, A. Lavender and the nervous system. Evid Based Compl Alt Med. 2013, (2013).
- Yousem, D. M., et al. Functional MR imaging during odor stimulation: Preliminary data. Neuroradiology. 204 (3), 833-838 (1997).
- Hummel, T., Doty, R. L., Yousem, D. M. Functional MRI of intranasal chemosensory trigeminal activation. Chem Senses. 30 (suppl. 1), i205-i206 (2005).
