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Neuroscienze

Combinando um Olfatômetro Sincronizado com a Respiração com Simulação Cerebral para Estudar o Impacto dos Odores na Excitabilidade Corticoespinhal e Conectividade Eficaz

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

Este trabalho descreve o uso de um olfatômetro sincronizado com a respiração para desencadear a estimulação magnética transcraniana (EMT) de bobina única e dupla durante a apresentação do odor sincronizada à respiração nasal humana. Essa combinação nos permite investigar objetivamente como odores agradáveis e desagradáveis afetam a excitabilidade corticoespinhal e a conectividade cerebral efetiva em um determinado indivíduo.

Abstract

É amplamente aceito que a estimulação olfatória provoca comportamentos motores, como aproximar-se de odorantes agradáveis e evitar os desagradáveis, em animais e humanos. Recentemente, estudos utilizando eletroencefalografia e estimulação magnética transcraniana (EMT) têm demonstrado uma forte ligação entre o processamento no sistema olfatório e a atividade no córtex motor em humanos. Para melhor compreender as interações entre os sistemas olfatório e motor e superar algumas das limitações metodológicas anteriores, desenvolvemos um novo método combinando um olfatômetro que sincroniza a apresentação em ordem aleatória de odorantes com diferentes valores hedônicos e o disparo da EMT (bobina única e dupla) com as fases da respiração nasal. Este método permite sondar as modulações da excitabilidade corticoespinhal e conectividade ipsilateral efetiva entre o córtex pré-frontal dorsolateral e o córtex motor primário que poderiam ocorrer durante a percepção de odor agradável e desagradável. A aplicação deste método permitirá discriminar objetivamente o valor de agradabilidade de um odorante em um determinado participante, indicando o impacto biológico do odorante na conectividade e excitabilidade efetiva do cérebro. Além disso, isso poderia abrir caminho para investigações clínicas em pacientes com distúrbios neurológicos ou neuropsiquiátricos que podem apresentar alterações hedônicas de odor e comportamentos desadaptativos de evitação de abordagem.

Introduction

É amplamente aceito que a estimulação olfatória provoca reações automáticas e comportamentos motores. Por exemplo, em humanos, a existência de uma resposta motora de evitação (inclinando-se para longe da fonte de odor) ocorrendo 500 ms após o início do odor negativo foi recentemente demonstrada1. Ao registrar participantes humanos em movimento livre explorando odores emanados de frascos, Chalençon e colaboradores (2022) mostraram que comportamentos motores (ou seja, velocidade de aproximação ao nariz e retirada do frasco contendo o odorante) estão intimamente ligados aos odors hedônicos2. Além disso, uma estreita ligação entre o processamento no sistema olfatório e a atividade no córtex motor foi recentemente demonstrada em humanos usando eletroencefalografia1. Especificamente, aproximadamente 350 ms após o início dos odores negativos, uma dessincronização específica do ritmo mu, conhecida por refletir processos de preparação da ação, foi observada sobre e dentro do córtex motor primário (M1), logo seguida por um movimento comportamental para trás1. Fortalecendo a ideia de uma relação entre os sistemas olfatório e motor, outro estudo recente mostrou que a exposição a um odorante agradável aumentou a excitabilidade corticoespinhal em comparação com uma condição sem odor3. Neste estudo, a estimulação magnética transcraniana de pulso único (EMTsp) foi aplicada a M1 para evocar um potencial evocado motor (PEmáx) em um músculo alvo da mão, registrado perifericamente com eletromiografia (EMG) durante a percepção do odor. A exposição ao odorante agradável foi proporcionada passivamente por tiras de papel sodden com óleo essencial de bergamota puro e colocadas em um suporte metálico sob o nariz3. Nesse contexto, ainda não está claro se a facilitação da excitabilidade corticoespinhal se deve à estimulação odorante agradável ou a efeitos comportamentais inespecíficos, como cheirar e apertar os dentes 4,5. Além disso, ainda não se sabe como um odorante desagradável modula a excitabilidade M1 sondada pela EMT.

Em síntese, ressalta-se a necessidade de se desenvolver um método que ofereça as seguintes vantagens em relação às técnicas existentes em estudosanteriores3,6: (1) randomizar a apresentação de diferentes condições de odor (agradável/desagradável/sem odor) dentro de uma mesma fase experimental, (2) sincronizar com precisão a apresentação odorante e o tempo da EMT de acordo com as fases da respiração nasal humana (inspiração e expiração) ao estudar o sistema motor.

A EMT também pode ser utilizada como ferramenta para investigar interações córtico-corticais, também chamadas de conectividade efetiva, entre múltiplas áreas corticais e M1 com alta resolução temporal7,8,9,10,11,12. Aqui, usamos um paradigma de EMT de sítio duplo (EMTd), no qual uma estimulação de primeiro condicionamento (EC) ativa uma área cortical alvo, e uma estimulação de segundo teste (TS) é aplicada sobre M1 usando outra bobina para evocar uma PEmáx. O efeito do EC é avaliado normalizando a amplitude da PEmáx condicionada (condição EMTd) para a amplitude da PEmáx não condicionada (condição EMTsp)13. Assim, valores de razão negativa indicam interações corticocorticais supressoras, enquanto valores de razão positiva indicam interações corticocorticais facilitatórias entre as duas áreas estimuladas. O paradigma dsTMS fornece, portanto, uma oportunidade única para identificar a natureza (isto é, facilitatória ou supressiva), a força e as modulações da conectividade efetiva entre a área pré-ativada e M1. É importante ressaltar que as interações corticocorticais refletem um complexo equilíbrio de facilitação e supressão que pode ser modulado em diferentes tempos e estados mentais ou tarefas 7,14.

Até onde sabemos, o paradigma relativamente novo da dsTMS nunca foi usado para investigar interações córtico-corticais durante a percepção de odor com diferentes valores hedônicos. No entanto, estudos de neuroimagem têm mostrado que a exposição a odorantes agradáveis e desagradáveis induz alterações de conectividade em áreas envolvidas na emoção, tomada de decisão e controle da ação, incluindo a área motora suplementar, o córtex cingulado anterior e o córtex pré-frontal dorsolateral (CPFDL)15,16. De fato, o CPFDL é um nó chave mediador do controle emocional, do processamento sensorial e de aspectos de alto nível do controle motor, como processos preparatórios 17,18,19. Além disso, estudos em humanos e animais têm fornecido evidências de que o CPFDL possui diversas projeções neuronais para M1 17,18,20,21,22. Dependendo do contexto, essas projeções de CPFD podem facilitar ou inibir a atividade de M1 7,19,20. Assim, parece possível que a conectividade efetiva entre o CPFDL e M1 seja modulada durante a apresentação do odor e que odorantes agradáveis e desagradáveis recrutem redes corticais separadas, levando a um efeito diferencial na conectividade DLPFC-M1.

Aqui, propomos um novo método adequado para o estudo metodologicamente rigoroso das modulações da excitabilidade corticoespinhal e conectividade efetiva que podem ocorrer durante a percepção de odores agradáveis e desagradáveis, todos entregues em sincronia com a respiração nasal humana.

Protocol

Todos os procedimentos experimentais descritos nas seções a seguir foram aprovados por um Comitê de Ética (CPP Ile de France VII, Paris, França, número de protocolo 2022-A01967-36) de acordo com a Declaração de Helsinque. Todos os participantes assinaram o termo de consentimento livre e esclarecido antes da inclusão no estudo. 1. Recrutamento de participantes Critérios de inclusão/exclusão.Incluir participantes adultos (> 18 anos). Rastrear todos …

Representative Results

Os dados representativos aqui apresentados refletem gravações dos participantes após o preenchimento do protocolo passo-a-passo acima para fornecer uma visão preliminar sobre o que poderíamos esperar. A Figura 2 mostra um exemplo de sinais respiratórios representativos de um participante registrados com o software olfatômetro. As fases expiratória e inspiratória são bem detectadas quando os limiares são ultrapassados. O odorante é acionado imediatament…

Discussion

O protocolo acima descreve um novo método combinando o uso de um olfatômetro sincronizado com respiração sincronizada com EMT de bobina única e dupla para investigar mudanças na excitabilidade corticoespinhal e conectividade efetiva dependendo do valor hedônico dos odorantes. Esta configuração permitirá discriminar objetivamente o valor de agradabilidade de um odorante em um determinado participante, indicando o impacto biológico do odorante na conectividade e reatividade efetiva do cérebro. As etapas crític…

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Este trabalho foi apoiado pela Fondation de France, Grant N°: 00123049/WB-2021-35902 (uma bolsa recebida por J.B. e N.M.). Os autores gostariam de agradecer à Fondation Pierre Deniker por seu apoio (bolsa recebida por C.N.) e à equipe da plataforma Neuro-Immersion por sua valiosa ajuda na concepção da configuração.

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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Riferimenti

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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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