Um método de fmRI de respiração livre para estudar a função olfativa humana
Summary
Apresentamos os desafios técnicos e as soluções para a obtenção de dados confiáveis de imagem por ressonância magnética funcional (fMRI) do sistema olfativo central humano. Isso inclui considerações especiais no projeto olfativo de paradigma de fMRI, descrições de aquisição de dados fMRI com um olfactômetro compatível com MRI, seleção de odorantes e uma ferramenta de software especial para pós-processamento de dados.
Abstract
O estudo da olfação humana é um campo altamente complexo e valioso com aplicações que vão desde a pesquisa biomédica até a avaliação clínica. Atualmente, a avaliação das funções do sistema olfativo central humano com ressonância magnética funcional (fMRI) ainda é um desafio devido a várias dificuldades técnicas. Existem algumas variáveis significativas a serem consideradas quando se considera um método efetivo para mapear a função do sistema olfativo central usando fMRI, incluindo a seleção adequada de odorantes, a interação entre apresentação de odor e respiração, e potencial antecipação ou habituação de odorantes. Uma técnica de fMRI olfactiva desencadeada por eventos, relacionada ao evento, pode administrar com precisão odorantes para estimular o sistema olfativo, minimizando a interferência potencial. Ele pode efetivamente capturar os ataques precisos de sinais de fMRI no córtex olfativo primário usando nosso método de pós-processamento de dados. A técnica préAqui, fornece um meio eficiente e prático para gerar resultados confiáveis de fMRI olfativos. Tal técnica pode, em última instância, ser aplicada no campo clínico como uma ferramenta de diagnóstico para doenças associadas à degeneração olfativa, incluindo a doença de Alzheimer e Parkinson, à medida que começamos a compreender melhor as complexidades do sistema olfativo humano.
Introduction
O sistema olfativo humano é entendido como muito mais do que um sistema sensorial porque o olfato também desempenha um papel importante na regulação homeostática e nas emoções. Clinicamente, o sistema olfativo humano é conhecido por ser vulnerável a ataques de muitas doenças neurológicas prevalentes e transtornos psiquiátricos, como doença de Alzheimer, doença de Parkinson, transtorno de estresse pós-traumático e depressão 1 , 2 , 3 , 4 , 5 . Atualmente, a ressonância magnética funcional (fMRI) com contraste dependente do nível de oxigênio no sangue (BOLD) é a técnica mais valiosa para mapear funções do cérebro humano. Uma quantidade significativa de conhecimento sobre funções específicas das estruturas olfativas centrais ( por exemplo , córtex piriforme, córtex orbitofrontal, amígdala e córtex insular) foi adquirida com este tecnológicoIque 6 , 7 , 8 , 9 , 10 .
A aplicação de fMRI aos estudos do sistema olfativo central humano e doenças associadas, no entanto, tem sido dificultada por dois grandes obstáculos: aceleração rápida do sinal BOLD e modulação variável pela respiração. No cotidiano, quando exposto a um odorante por um período de tempo, habitamos rapidamente o aroma. De fato, quando estudado usando fMRI olfatório, o sinal fMRI induzido por odor é rapidamente atenuado pela habituação, o que representa um desafio nos projetos de paradigma de estimulação 8 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 . O sinal BOLD significativo inicial no córtex primário olfativo só persisteS por vários segundos após o início do odor. Portanto, os paradigmas olfativos de fMRI devem evitar estimulações de odor prolongadas ou freqüentes em um curto período de tempo. Para reduzir o efeito de habituação, alguns estudos tentaram apresentar odores alternados em um paradigma de IRMF. No entanto, essa abordagem pode complicar a análise de dados, pois cada odorante pode ser tratado como um evento de estimulação independente.
Outra questão técnica surge com a variabilidade nos padrões de respiração dos sujeitos; A inalação nem sempre se sincroniza com a administração de odorantes durante um paradigma de temporização fixa. O início ea duração da estimulação olfativa são modulados pela respiração de cada indivíduo, o que confunde a qualidade e a análise dos dados do fMRI. Alguns estudos tentaram mitigar esse problema com pistas visuais ou auditivas para sincronizar o início da respiração e odorantes, mas a conformidade dos sujeitos é variável, especialmente na população clínica. As ativações cerebrais associadas wiEssas dicas também podem complicar a análise de dados em determinadas aplicações. Assim, a sincronização da inalação com entrega odorante pode ser crucial para os estudos olfativos de fMRI 15 .
Uma consideração adicional vital para o fMRI olfativo, especialmente no processo de análise de dados, é a seleção de odorantes. Encontrar uma concentração apropriada de odorantes em relação à intensidade percebida é importante para quantificação e comparação de níveis de ativação no cérebro em várias condições experimentais ou doenças. A seleção de odorantes também deve levar em consideração valência de odor ou prazeres. Isso é conhecido por causar perfis temporais divergentes na aprendizagem olfativa 16 , 17 . O odor de lavanda foi escolhido para esta demonstração parcialmente por esse motivo. Dependendo da finalidade de um estudo específico, diferentes odorantes podem ser melhores escolhas. Além disso, a estimulação trigeminal deve ser minimizada para reduçãoE ativação não diretamente relacionada ao olfato 18 .
Neste relatório, demonstramos uma técnica fMRI para configurar e executar um paradigma desencadeado pela respiração usando um olfatômetro no ambiente de ressonância magnética. Também apresentamos uma ferramenta de pós-processamento que pode diminuir alguns erros de temporização que podem ter ocorrido durante a aquisição de dados na tentativa de melhorar ainda mais a análise de dados.
Protocol
Representative Results
Discussion
Os procedimentos experimentais devem ser cuidadosamente considerados e executados corretamente para a coleta de dados confiáveis de ativação olfativa. Os passos críticos dentro do protocolo incluem a implementação de um paradigma desencadeado pela respiração para sincronizar o fornecimento de odor com a aquisição da imagem, preparando concentrações adequadas de odorantes para controlar as respostas psicofísicas, estabelecendo o olfatômetro com sinal de respiração estável confiável e fluxo de ar c…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Os autores não têm reconhecimento.
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 |
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