Dette papir beskriver brugen af et åndedrætssynkroniseret olfactometer til at udløse enkelt- og dobbeltspoletranskraniel magnetisk stimulering (TMS) under lugtpræsentation synkroniseret med menneskelig nasal vejrtrækning. Denne kombination giver os mulighed for objektivt at undersøge, hvordan behagelige og ubehagelige lugte påvirker kortikospinal excitabilitet og hjerneeffektiv forbindelse hos et givet individ.
Det er almindeligt accepteret, at olfaktorisk stimulering fremkalder motorisk adfærd, såsom at nærme sig behagelige lugtstoffer og undgå ubehagelige hos dyr og mennesker. For nylig har undersøgelser ved hjælp af elektroencefalografi og transkraniel magnetisk stimulering (TMS) vist en stærk sammenhæng mellem behandling i det olfaktoriske system og aktivitet i motorcortex hos mennesker. For bedre at forstå interaktionerne mellem olfaktoriske og motoriske systemer og for at overvinde nogle af de tidligere metodologiske begrænsninger udviklede vi en ny metode, der kombinerer et olfactometer, der synkroniserer tilfældig ordrepræsentation af lugtstoffer med forskellige hedoniske værdier og TMS (enkelt- og dobbeltspole), der udløser med nasale vejrtrækningsfaser. Denne metode gør det muligt at undersøge modulationerne af kortikospinal excitabilitet og effektiv ipsilateral forbindelse mellem den dorsolaterale præfrontale cortex og den primære motoriske cortex, der kan forekomme under behagelig og ubehagelig lugtopfattelse. Anvendelsen af denne metode vil muliggøre objektivt at diskriminere behagelighedsværdien af et lugtstof hos en given deltager, hvilket indikerer lugtstoffets biologiske indvirkning på hjernens effektive forbindelse og ophidselse. Derudover kan dette bane vejen for kliniske undersøgelser hos patienter med neurologiske eller neuropsykiatriske lidelser, der kan udvise lugthedoniske ændringer og maladaptive tilgangsundgåelsesadfærd.
Det er almindeligt accepteret, at olfaktorisk stimulering fremkalder automatiske reaktioner og motorisk adfærd. For eksempel hos mennesker er eksistensen af et undgåelsesmotorrespons (læner sig væk fra lugtkilden), der forekommer 500 ms efter negativ lugtdebut, for nylig blevet demonstreret1. Ved at optage frit bevægelige menneskelige deltagere, der udforskede lugte fra kolber, viste Chalençon et al. (2022), at motorisk adfærd (dvs. hastighed for tilgang til næsen og tilbagetrækning af kolben, der indeholder lugtstoffet) er tæt forbundet med lugthedonik2. Desuden er en tæt sammenhæng mellem behandling i det olfaktoriske system og aktivitet i motorcortex for nylig blevet påvist hos mennesker ved hjælp af elektroencefalografi1. Specifikt blev ca. 350 ms efter begyndelsen af negative lugte observeret en specifik mu-rytme desynkronisering, kendt for at afspejle handlingsforberedelsesprocesser, over og inden for den primære motoriske cortex (M1), kort efterfulgt af en adfærdsmæssig baglæns bevægelse1. Styrkelse af ideen om et forhold mellem olfaktoriske og motoriske systemer viste en anden nylig undersøgelse, at eksponering for et behageligt lugtstof øgede kortikospinal excitabilitet sammenlignet med en lugtfri tilstand3. I denne undersøgelse blev enkeltpuls transkraniel magnetisk stimulering (spTMS) anvendt på M1 for at fremkalde et motorfremkaldt potentiale (MEP) i en målhåndmuskel, registreret perifert med elektromyografi (EMG) under lugtopfattelse. Eksponering for det behagelige lugtstof blev tilvejebragt passivt af papirstrimler gennemblødt med ren bergamot æterisk olie og anbragt på en metalholder under næsen3. I denne sammenhæng forbliver det uklart, om faciliteringen af kortikospinal excitabilitet skyldes den behagelige lugtstimulering eller uspecifikke adfærdsmæssige virkninger såsom sniffing og tænder, der knytter sig 4,5. Desuden er det stadig ukendt, hvordan et ubehageligt lugtstof modulerer M1-excitabilitet undersøgt af TMS.
Sammenfattende fremhæver dette behovet for at udvikle en metode, der giver følgende fordele i forhold til eksisterende teknikker, der er anvendt i tidligere undersøgelser 3,6: (1) randomisering af præsentationen af forskellige lugtforhold (behagelig / ubehagelig / ingen lugt) inden for samme eksperimentelle fase, (2) nøjagtigt synkronisering af lugtpræsentation og TMS-timing i henhold til de menneskelige nasale vejrtrækningsfaser (inspiration og udløb), når man studerer motorsystemet.
TMS kan også bruges som et værktøj til at undersøge kortikokortikale interaktioner, også kaldet effektiv forbindelse, mellem flere kortikale områder og M1 med en høj tidsmæssig opløsning 7,8,9,10,11,12. Her bruger vi et dual-site TMS (dsTMS) paradigme, hvor en førstekonditioneringsstimulering (CS) aktiverer et målkortikalt område, og en anden teststimulering (TS) påføres over M1 ved hjælp af en anden spole for at fremkalde en MEP. Effekten af CS evalueres ved at normalisere amplituden af den betingede MEP (dsTMS-tilstand) til amplituden af den ubetingede MEP (spTMS-tilstand)13. Derefter indikerer negative forholdsværdier suppressive kortiko-kortikale interaktioner, mens positive forholdsværdier indikerer faciliterende kortiko-kortikale interaktioner mellem de to stimulerede områder. dsTMS-paradigmet giver således en unik mulighed for at identificere arten (dvs. faciliterende eller undertrykkende), styrken og modulationerne af den effektive forbindelse mellem det præaktiverede område og M1. Det er vigtigt, at kortiko-kortikale interaktioner afspejler en kompleks balance mellem facilitering og undertrykkelse, der kan moduleres i forskellige timing og mentale tilstande eller opgaver 7,14.
Så vidt vi ved, er det relativt nye dsTMS-paradigme aldrig blevet brugt til at undersøge kortikokortikale interaktioner under lugtopfattelse med forskellige hedoniske værdier. Imidlertid har neuroimaging undersøgelser vist, at eksponering for behagelige og ubehagelige lugtstoffer inducerer forbindelsesændringer i områder, der er involveret i følelser, beslutningstagning og handlingskontrol, herunder det supplerende motorområde, den forreste cingulate cortex og den dorsolaterale præfrontale cortex (DLPFC)15,16. Faktisk er DLPFC en nøgleknude, der medierer følelsesmæssig kontrol, sensorisk behandling og aspekter på højere niveau af motorstyring, såsom forberedende processer 17,18,19. Derudover har både humane og dyreforsøg givet bevis for, at DLPFC har forskellige neuronale fremskrivninger til M1 17,18,20,21,22. Afhængigt af konteksten kan disse DLPFC-fremskrivninger enten lette eller hæmme M1-aktivitet 7,19,20. Det synes således muligt, at den effektive forbindelse mellem DLPFC og M1 moduleres under lugtpræsentation, og at behagelige og ubehagelige lugtstoffer rekrutterer adskilte kortikale netværk, hvilket fører til en differentiel effekt på DLPFC-M1-forbindelse.
Her foreslår vi en ny metode, der er egnet til den metodologisk strenge undersøgelse af modulationerne af kortikospinal excitabilitet og effektiv forbindelse, der kan opstå under opfattelsen af behagelige og ubehagelige lugte, alt sammen leveret synkront med menneskelig nasal vejrtrækning.
Protokollen ovenfor beskriver en ny metode, der kombinerer brugen af et åndedrætssynkroniseret olfactometer med enkelt- og dobbeltspole-TMS for at undersøge ændringer i kortikospinal excitabilitet og effektiv forbindelse afhængigt af lugtstoffernes hedoniske værdi. Denne opsætning giver mulighed for objektivt at skelne behagelighedsværdien af et lugtstof hos en given deltager, hvilket indikerer lugtstoffets biologiske indvirkning på hjernens effektive forbindelse og reaktivitet. De kritiske trin i denne protokol…
The authors have nothing to disclose.
Dette arbejde blev støttet af Fondation de France, Grant N°: 00123049/WB-2021-35902 (et tilskud modtaget af J.B. og N.M.). Forfatterne vil gerne takke Fondation Pierre Deniker for dens støtte (bevilling modtaget af C.N.) og personalet på Neuro-Immersion-platformen for deres værdifulde hjælp med at designe opsætningen.
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 |