Summary

Kombinera en andningssynkroniserad olfaktometer med hjärnsimulering för att studera effekten av lukter på kortikospinal excitabilitet och effektiv anslutning

Published: January 19, 2024
doi:

Summary

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.

Abstract

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.

Introduction

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.

Protocol

Alla försöksmetoder som beskrivs i följande avsnitt har godkänts av en etisk kommitté (CPP Ile de France VII, Paris, Frankrike, protokollnummer 2022-A01967-36) i enlighet med Helsingforsdeklarationen. Alla deltagare gav skriftligt informerat samtycke innan de anmälde sig till studien. 1. Rekrytering av deltagare Inklusions-/exklusionskriterier.Inkludera vuxna (> 18 år) deltagare. Undersök alla deltagare för eventuella kontraindikationer för TMS i en…

Representative Results

De representativa data som presenteras här återspeglar inspelningar från deltagare efter att ha slutfört steg-för-steg-protokollet ovan för att ge en preliminär inblick i vad vi kan förvänta oss. Figur 2 visar ett exempel på en representativ deltagares andningssignaler som registrerats med olfaktometerprogramvaran. Utandnings- och inandningsfaserna detekteras väl när trösklarna passeras. Luktämnet utlöses omedelbart efter tröskeln för utgångsfase…

Discussion

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…

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

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.

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

Riferimenti

  1. Iravani, B., Schaefer, M., Wilson, D. A., Arshamian, A., Lundström, J. N. The human olfactory bulb processes odor valence representation and cues motor avoidance behavior. Proceedings of the National Academy of Sciences. 118 (42), e2101209118 (2021).
  2. Chalençon, L., Thevenet, M., Noury, N., Bensafi, M., Mandairon, N. Identification of new behavioral parameters to assess odorant hedonic value in humans: A naturalistic approach. Journal of Neuroscience Methods. 366, 109422 (2022).
  3. Infortuna, C., et al. Motor cortex response to pleasant odor perception and imagery: The differential role of personality dimensions and imagery ability. Frontiers in Human Neuroscience. 16, 943469 (2022).
  4. Ozaki, I., Kurata, K. The effects of voluntary control of respiration on the excitability of the primary motor hand area, evaluated by end-tidal CO2 monitoring. Clinical Neurophysiology. 126 (11), 2162-2169 (2015).
  5. Boroojerdi, B., Battaglia, F., Muellbacher, W., Cohen, L. G. Voluntary teeth clenching facilitates human motor system excitability. Clinical Neurophysiology. 111 (6), 988-993 (2000).
  6. Rossi, S., et al. Distinct olfactory cross-modal effects on the human motor system. PLOS One. 3 (2), e1702 (2008).
  7. Neige, C., Rannaud Monany, D., Lebon, F. Exploring cortico-cortical interactions during action preparation by means of dual-coil transcranial magnetic stimulation: A systematic review. Neuroscience and Biobehavioral Reviews. 128 (October 2020), 678-692 (2020).
  8. Koch, G. Cortico-cortical connectivity: the road from basic neurophysiological interactions to therapeutic applications. Experimental Brain Research. 238 (7-8), 1677-1684 (2020).
  9. Derosiere, G., Vassiliadis, P., Duque, J. Advanced TMS approaches to probe corticospinal excitability during action preparation. NeuroImage. 213 (November 2019), 116746 (2020).
  10. Goldenkoff, E. R., Mashni, A., Michon, K. J., Lavis, H., Vesia, M. Measuring and manipulating functionally specific neural pathways in the human motor system with transcranial magnetic stimulation. Journal of Visualized Experiments JoVE. 156, 60706 (2020).
  11. Malderen, S. V., Hehl, M., Verstraelen, S., Swinnen, S. P., Cuypers, K. Dual-site TMS as a tool to probe effective interactions within the motor network: a review. Reviews in the Neurosciences. 34 (2), 129-221 (2023).
  12. Neige, C., et al. Connecting the dots: Harnessing dual-site transcranial magnetic stimulation to assess the causal influence of medial frontal areas on the motor cortex. Cerebral Cortex. , bhad370 (2023).
  13. Ferbert, A., Priori, A., Rothwell, J. C., Day, B. L., Colebatch, J. G., Marsden, C. D. Interhemispheric inhibition of the human motor cortex. The Journal of physiology. 453, 525-546 (1992).
  14. Rothwell, J. C. Using transcranial magnetic stimulation methods to probe connectivity between motor areas of the brain. Human Movement Science. 30 (5), 906-915 (2011).
  15. Carlson, H., Leitão, J., Delplanque, S., Cayeux, I., Sander, D., Vuilleumier, P. Sustained effects of pleasant and unpleasant smells on resting state brain activity. Cortex. 132, 386-403 (2020).
  16. Farruggia, M. C., Pellegrino, R., Scheinost, D. Functional connectivity of the chemosenses: A review. Frontiers in Systems Neuroscience. 16, 865929 (2022).
  17. Hasan, A., Galea, J. M., Casula, E. P., Falkai, P., Bestmann, S., Rothwell, J. C. Muscle and timing-specific functional connectivity between the dorsolateral prefrontal cortex and the primary motor cortex. Journal of Cognitive Neuroscience. 25 (4), 558-570 (2013).
  18. Brown, M. J. N., Goldenkoff, E. R., Chen, R., Gunraj, C., Vesia, M. Using dual-site transcranial magnetic stimulation to probe connectivity between the dorsolateral prefrontal cortex and ipsilateral primary motor cortex in humans. Brain Sciences. 9 (8), 177 (2019).
  19. Xia, X., et al. Connectivity from ipsilateral and contralateral dorsolateral prefrontal cortex to the active primary motor cortex during approaching-avoiding behavior. Cortex. 157, 155-166 (2022).
  20. Wang, Y., Cao, N., Lin, Y., Chen, R., Zhang, J. Hemispheric differences in functional interactions between the dorsal lateral prefrontal cortex and ipsilateral motor cortex. Frontiers in Human Neuroscience. 14, 1-6 (2020).
  21. Gabbott, P. L. A., Warner, T. A., Jays, P. R. L., Salway, P., Busby, S. J. Prefrontal cortex in the rat: Projections to subcortical autonomic, motor, and limbic centers. Journal of Comparative Neurology. 492 (2), 145-177 (2005).
  22. Yeterian, E. H., Pandya, D. N., Tomaiuolo, F., Petrides, M. The cortical connectivity of the prefrontal cortex in the monkey brain. Cortex. 48 (1), 58-81 (2012).
  23. Rossi, S., et al. Safety and recommendations for TMS use in healthy subjects and patient populations, with updates on training, ethical and regulatory issues: Expert guidelines. Clinical Neurophysiology. 132 (1), 269-306 (2021).
  24. Joussain, P., et al. Application of the European Test of Olfactory Capabilities in patients with olfactory impairment. European Archives of Oto-Rhino-Laryngology. 273 (2), 381-390 (2016).
  25. Oldfield, R. C. The assessment and analysis of handedness: The Edinburgh inventory. Neuropsychologia. 9 (1), 97-113 (1971).
  26. Daligadu, J., Haavik, H., Yielder, P. C., Baarbe, J., Murphy, B. Alterations in cortical and cerebellar motor processing in subclinical neck pain patients following spinal manipulation. Journal of Manipulative and Physiological Therapeutics. 36 (8), 527-537 (2013).
  27. Andersen, K. W., Siebner, H. R. Mapping dexterity and handedness: recent insights and future challenges. Current Opinion in Behavioral Sciences. 20, 123-129 (2018).
  28. Fried, P. J., et al. Training in the practice of noninvasive brain stimulation: Recommendations from an IFCN committee. Clinical Neurophysiology. 132 (3), 819-837 (2021).
  29. Mills, K. R., Boniface, S. J., Schubert, M. Magnetic brain stimulation with a double coil: the importance of coil orientation. Electroencephalography and Clinical Neurophysiology. 85 (1), 17-21 (1992).
  30. Rossini, P. M., et al. Non-invasive electrical and magnetic stimulation of the brain, spinal cord, roots and peripheral nerves: Basic principles and procedures for routine clinical and research application. An updated report from an I.F.C.N. Committee. Clinical Neurophysiology. 126 (6), 1071-1107 (2015).
  31. Awiszus, F. TMS and threshold hunting. Supplements to Clinical Neurophysiology. 56, 13-23 (2003).
  32. Awiszus, F. Using relative frequency estimation of transcranial magnetic stimulation motor threshold does not allow to draw any conclusions about true threshold. Clinical Neurophysiology. 125 (6), 1285-1286 (2014).
  33. Ah Sen, C. B., Fassett, H. J., El-Sayes, J., Turco, C. V., Hameer, M. M., Nelson, A. J. Active and resting motor threshold are efficiently obtained with adaptive threshold hunting. PLoS One. 12 (10), 1-9 (2017).
  34. Neige, C., Rannaud Monany, D., Stinear, C. M., Byblow, W. D., Papaxanthis, C., Lebon, F. Unravelling the modulation of intracortical inhibition during motor imagery: An adaptive threshold-hunting study. Neuroscienze. 434, 102-110 (2020).
  35. Burke, D., Pierrot-Deseilligny, E. Caveats when studying motor cortex excitability and the cortical control of movement using transcranial magnetic stimulation. Clinical Neurophysiology. 121 (2), 121-123 (2010).
  36. Mir-Moghtadaei, A., et al. Updated scalp heuristics for localizing the dorsolateral prefrontal cortex based on convergent evidence of lesion and brain stimulation studies in depression. Brain Stimulation. 15 (2), 291-295 (2022).
  37. Siddiqi, S. H., et al. Brain stimulation and brain lesions converge on common causal circuits in neuropsychiatric disease. Nature Human Behaviour. 5 (12), 1707-1716 (2021).
  38. Caulfield, K. A., Fleischmann, H. H., Cox, C. E., Wolf, J. P., George, M. S., McTeague, L. M. Neuronavigation maximizes accuracy and precision in TMS positioning: Evidence from 11,230 distance, angle, and electric field modeling measurements. Brain Stimulation. 15 (5), 1192-1205 (2022).
  39. Cao, N., et al. Plasticity changes in dorsolateral prefrontal cortex associated with procedural sequence learning are hemisphere-specific. NeuroImage. 259, 119406 (2022).
  40. Brown, M. J. N., et al. Somatosensory-motor cortex interactions measured using dual-site transcranial magnetic stimulation. Brain Stimulation. 12 (5), 1229-1243 (2019).
  41. Fiori, F., Chiappini, E., Candidi, M., Romei, V., Borgomaneri, S., Avenanti, A. Long-latency interhemispheric interactions between motor-related areas and the primary motor cortex: a dual site TMS study. Scientific reports. 7 (1), 14936 (2017).
  42. Fournel, A., Ferdenzi, C., Sezille, C., Rouby, C., Bensafi, M. Multidimensional representation of odors in the human olfactory cortex. Human Brain Mapping. 37 (6), 2161-2172 (2016).
  43. Midroit, M., et al. Neural processing of the reward value of pleasant odorants. Current Biology. 31 (8), 1592-1605.e9 (2021).
  44. Sezille, C., Messaoudi, B., Bertrand, A., Joussain, P., Thévenet, M., Bensafi, M. A portable experimental apparatus for human olfactory fMRI experiments. Journal of Neuroscience Methods. 218 (1), 29-38 (2013).
  45. Kato, M., et al. Spatiotemporal dynamics of odor representations in the human brain revealed by EEG decoding. Proceedings of the National Academy of Sciences. 119 (21), e2114966119 (2022).
  46. Jackson, N., Greenhouse, I. VETA: An open-source Matlab-based toolbox for the collection and analysis of electromyography combined with transcranial magnetic stimulation. Frontiers in Neuroscience. 13, 975 (2019).
  47. Cunningham, D., Zhang, B., Cahn, A. Transcranial magnetic stimulation (TMS) analysis toolbox: A user friendly open source software for basic and advanced analysis and data sharing of TMS related outcomes. Brain Stimulation: Basic, Translational, and Clinical Research in Neuromodulation. 14 (6), 1641-1642 (2021).
  48. Julkunen, P., Säisänen, L., Hukkanen, T., Danner, N., Könönen, M. Does second-scale intertrial interval affect motor evoked potentials induced by single-pulse transcranial magnetic stimulation. Brain Stimulation. 5 (4), 526-532 (2012).
  49. Pellicciari, M. C., Miniussi, C., Ferrari, C., Koch, G., Bortoletto, M. Ongoing cumulative effects of single tms pulses on corticospinal excitability: An intra- and inter-block investigation. Clinical Neurophysiology. 127 (1), 621-628 (2016).
  50. Li, S., Rymer, W. Z. Voluntary breathing influences corticospinal excitability of nonrespiratory finger muscles. Journal of Neurophysiology. 105 (2), 512-521 (2011).
  51. Boesveldt, S., Frasnelli, J., Gordon, A. R., Lundström, J. N. The fish is bad: Negative food odors elicit faster and more accurate reactions than other odors. Biological Psychology. 84 (2), 313-317 (2010).
  52. Neige, C., Mavromatis, N., Gagné, M., Bouyer, L. J., Mercier, C. Effect of movement-related pain on behaviour and corticospinal excitability changes associated with arm movement preparation. Journal of Physiology. 596 (14), 2917-2929 (2018).
  53. Bergmann, T. O., Hartwigsen, G. Inferring causality from noninvasive brain stimulation in cognitive neuroscience. Journal of Cognitive Neuroscience. 33 (2), 195-225 (2021).
  54. Kulason, S., et al. A comparative neuroimaging perspective of olfaction and higher-order olfactory processing: on health and disease. Seminars in Cell & Developmental Biology. 129, 22-30 (2022).
  55. Athanassi, A., Dorado Doncel, R., Bath, K. G., Mandairon, N. Relationship between depression and olfactory sensory function: a review. Chemical Senses. 46, bjab044 (2021).
  56. Grimm, S., et al. Imbalance between left and right dorsolateral prefrontal cortex in major depression is linked to negative emotional judgment: An fmri study in severe major depressive disorder. Biological Psychiatry. 63 (4), 369-376 (2008).
  57. Naudin, M., El-Hage, W., Gomes, M., Gaillard, P., Belzung, C., Atanasova, B. State and trait olfactory markers of major depression. PLOS One. 7 (10), e46938 (2012).
  58. Guidali, G., Roncoroni, C., Bolognini, N. Modulating frontal networks’ timing-dependent-like plasticity with paired associative stimulation protocols: Recent advances and future perspectives. Frontiers in Human Neuroscience. 15, 658723 (2021).
  59. Hernandez-Pavon, J. C., San Agustín, A., Wang, M. C., Veniero, D., Pons, J. L. Can we manipulate brain connectivity? A systematic review of cortico-cortical paired associative stimulation effects. Clinical Neurophysiology. 154, 169-193 (2023).
  60. Deng, Z. -. D., Robins, P. L., Dannhauer, M., Haugen, L. M., Port, J. D., Croarkin, P. E. Optimizing TMS coil placement approaches for targeting the dorsolateral prefrontal cortex in depressed adolescents: An electric field modeling study. Biomedicines. 11 (8), 2320 (2023).
  61. Gomez, L. J., Dannhauer, M., Peterchev, A. V. Fast computational optimization of TMS coil placement for individualized electric field targeting. NeuroImage. 228, 117696 (2021).
  62. Derosiere, G., Duque, J. Tuning the corticospinal system: How distributed brain circuits shape human actions. The Neuroscientist. 26 (4), 359-379 (2020).
  63. Bestmann, S., Krakauer, J. W. The uses and interpretations of the motor-evoked potential for understanding behaviour. Experimental Brain Research. 233 (3), 679-689 (2015).
  64. Reis, J., et al. Contribution of transcranial magnetic stimulation to the understanding of cortical mechanisms involved in motor control. Journal of Physiology. 586 (2), 325-351 (2008).
check_url/it/65714?article_type=t

Play Video

Citazione di questo articolo
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).

View Video