Denna artikel beskriver användningen av en andningssynkroniserad olfaktometer för att utlösa transkraniell magnetisk stimulering (TMS) med en eller två spolar under luktpresentation synkroniserad med mänsklig nasal andning. Denna kombination gör det möjligt för oss att objektivt undersöka hur behagliga och obehagliga lukter påverkar kortikospinal excitabilitet och hjärneffektiv anslutning hos en given individ.
Det är allmänt accepterat att luktstimulering framkallar motoriska beteenden, som att närma sig behagliga luktämnen och undvika obehagliga lukter, hos djur och människor. Nyligen har studier med elektroencefalografi och transkraniell magnetstimulering (TMS) visat en stark koppling mellan bearbetning i luktsystemet och aktivitet i den motoriska cortex hos människor. För att bättre förstå interaktionerna mellan lukt- och motorsystemet och för att övervinna några av de tidigare metodologiska begränsningarna utvecklade vi en ny metod som kombinerar en olfaktometer som synkroniserar den slumpmässiga ordningspresentationen av luktämnen med olika hedoniska värden och TMS (enkel- och dubbelspole) som utlöses med nasala andningsfaser. Denna metod gör det möjligt att undersöka modulationerna av kortikospinal excitabilitet och effektiv ipsilateral anslutning mellan den dorsolaterala prefrontala cortex och den primära motoriska cortex som kan uppstå under behaglig och obehaglig luktuppfattning. Tillämpningen av denna metod kommer att göra det möjligt att objektivt urskilja behaglighetsvärdet för ett luktämne hos en given deltagare, vilket indikerar den biologiska effekten av luktämnet på hjärnans effektiva konnektivitet och excitabilitet. Dessutom kan detta bana väg för kliniska undersökningar hos patienter med neurologiska eller neuropsykiatriska störningar som kan uppvisa lukthedoniska förändringar och maladaptiva beteenden för att undvika närmande.
Det är allmänt accepterat att luktstimulering framkallar automatiska reaktioner och motoriska beteenden. Till exempel, hos människor, har förekomsten av en undvikande motorisk respons (att luta sig bort från luktkällan) som inträffar 500 ms efter negativ luktdebut nyligen påvisats1. Genom att registrera fritt rörliga mänskliga deltagare som utforskar lukter som kommer från flaskor, visade Chalençon et al. (2022) att motoriska beteenden (dvs. hastighet för att närma sig näsan och dra tillbaka kolven som innehåller luktämnet) är nära kopplade till lukthedonik2. Dessutom har en nära koppling mellan bearbetning i luktsystemet och aktivitet i den motoriska hjärnbarken nyligen påvisats hos människor med hjälp av elektroencefalografi1. Specifikt, cirka 350 ms efter uppkomsten av negativa lukter, observerades en specifik mu-rytmdesynkronisering, känd för att återspegla handlingsförberedande processer, över och inom den primära motoriska cortex (M1), kort följt av en beteendemässig bakåtrörelse1. En annan nyligen genomförd studie visade att exponering för ett behagligt luktämne ökade kortikospinal excitabilitet jämfört med ett tillstånd utan lukt3. I denna studie applicerades transkraniell magnetisk stimulering (spTMS) på M1 för att framkalla en motorframkallad potential (MEP) i en målhandmuskel, registrerad perifert med elektromyografi (EMG) under luktuppfattning. Exponeringen för det behagliga luktämnet tillhandahölls passivt av pappersremsor indränkta med ren eterisk bergamottolja och placerades på en metallhållare under näsan3. I detta sammanhang är det fortfarande oklart om underlättandet av den kortikospinala retbarheten beror på den behagliga luktstimuleringen eller på ospecifika beteendeeffekter som sniffning och sammanbitning av tänderna 4,5. Dessutom är det fortfarande okänt hur ett obehagligt luktämne modulerar M1-excitabilitet som undersöks av TMS.
Sammanfattningsvis belyser detta behovet av att utveckla en metod som erbjuder följande fördelar jämfört med befintliga tekniker som använts i tidigare studier 3,6: (1) randomisering av presentationen av olika lukttillstånd (behaglig/obehaglig/ingen lukt) inom samma experimentella fas, (2) exakt synkronisering av luktpresentation och TMS-timing enligt de mänskliga nasala andningsfaserna (inspiration och utandning) vid studier av det motoriska systemet.
TMS kan också användas som ett verktyg för att undersöka kortiko-kortikala interaktioner, även kallad effektiv konnektivitet, mellan flera kortikala områden och M1 med en hög tidsupplösning 7,8,9,10,11,12. Här använder vi ett dual-site TMS (dsTMS) paradigm, där en första konditioneringsstimulering (CS) aktiverar ett målkortikalt område, och en andra teststimulering (TS) appliceras över M1 med hjälp av en annan spole för att framkalla en MEP. Effekten av CS utvärderas genom att normalisera amplituden för den konditionerade MEP (dsTMS-tillståndet) till amplituden för den okonditionerade MEP (spTMS-tillståndet)13. Sedan indikerar negativa kvotvärden suppressiva kortiko-kortikala interaktioner, medan positiva kvotvärden indikerar underlättande kortikokortikala interaktioner mellan de två stimulerade områdena. dsTMS-paradigmet ger således en unik möjlighet att identifiera karaktären (dvs. underlättande eller undertryckande), styrkan och modulationerna av den effektiva konnektiviteten mellan det föraktiverade området och M1. Det är viktigt att notera att kortiko-kortikala interaktioner återspeglar en komplex balans mellan underlättande och undertryckande som kan moduleras vid olika tidpunkter och mentala tillstånd eller uppgifter 7,14.
Såvitt vi vet har det relativt nya dsTMS-paradigmet aldrig använts för att undersöka kortiko-kortikala interaktioner under luktperception med olika hedoniska värden. Neuroradiologiska studier har dock visat att exponering för behagliga och obehagliga luktämnen inducerar konnektivitetsförändringar i områden som är involverade i känslor, beslutsfattande och handlingskontroll, inklusive det kompletterande motoriska området, den främre cingulate cortex och den dorsolaterala prefrontala cortex (DLPFC)15,16. Faktum är att DLPFC är en nyckelnod som förmedlar känslomässig kontroll, sensorisk bearbetning och aspekter av motorisk kontroll på högre nivå, såsom förberedande processer 17,18,19. Dessutom har både studier på människor och djur gett belägg för att DLPFC har olika neuronala projektioner till M1 17,18,20,21,22. Beroende på sammanhanget kan dessa DLPFC-prognoser antingen underlätta eller hämma M1-aktivitet 7,19,20. Således verkar det möjligt att den effektiva konnektiviteten mellan DLPFC och M1 moduleras under luktpresentationen och att behagliga och obehagliga luktämnen rekryterar separerade kortikala nätverk, vilket leder till en differentierad effekt på DLPFC-M1-konnektiviteten.
Här föreslår vi en ny metod som är lämplig för den metodologiskt rigorösa studien av modulationerna av kortikospinal excitabilitet och effektiv konnektivitet som kan uppstå under uppfattningen av behagliga och obehagliga lukter, allt levererat synkroniserat med mänsklig näsandning.
Protokollet ovan beskriver en ny metod som kombinerar användningen av en andningssynkroniserad olfaktometer med enkel- och dubbelspolig TMS för att undersöka förändringar i kortikospinal excitabilitet och effektiv konnektivitet beroende på luktämnenas hedoniska värde. Denna inställning kommer att göra det möjligt att objektivt urskilja behaglighetsvärdet för ett luktämne hos en given deltagare, vilket indikerar luktämnets biologiska inverkan på hjärnans effektiva anslutning och reaktivitet. De kritiska s…
The authors have nothing to disclose.
Detta arbete stöddes av Fondation de France, Grant N°: 00123049/WB-2021-35902 (ett bidrag som mottagits av J.B. och N.M.). Författarna vill tacka Fondation Pierre Deniker för dess stöd (bidrag som C.N.) och personalen på Neuro-Immersion-plattformen för deras värdefulla hjälp med att utforma installationen.
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 |