Свободно-дыхательный метод FMRI для изучения обонятельной функции человека
Summary
Мы представляем технические проблемы и решения для получения надежных данных о функциональном магнитно-резонансном томографе (fMRI) из центральной обонятельной системы человека. Это включает в себя особые соображения в конструкции парадигмы обонятельной fMRI, описания сбора данных fMRI с помощью MFP-совместимого ольфактометра, выбор одорантов и специальный программный инструмент для последующей обработки данных.
Abstract
Изучение обоняния человека представляет собой очень сложную и ценную область с приложениями, начиная от биомедицинских исследований и заканчивая клинической оценкой. В настоящее время оценка функций центральной обонятельной системы человека с функциональной магнитно-резонансной томографией (fMRI) по-прежнему является проблемой из-за нескольких технических трудностей. При рассмотрении эффективного метода сопоставления функции центральной обонятельной системы с использованием fMRI следует учитывать некоторые важные переменные, включая правильный выбор одорантов, взаимодействие между представлением запаха и дыханием и потенциальное ожидание или привыкание к одорантам. Связанная с событиями, вызванная дыханием обонятельная методика МРТ может точно вводить одоранты для стимуляции обонятельной системы при минимизации потенциальных помех. Он может эффективно фиксировать точные наборы сигналов fMRI в первичной обонятельной коре, используя наш метод пост-обработки данных. Техника предварительнойПриведенный здесь, обеспечивает эффективное и практическое средство для создания надежных обонятельных результатов ФМР. Такая методика в конечном счете может быть применена в клинической области как диагностический инструмент для заболеваний, связанных с обонятельной дегенерацией, включая болезнь Альцгеймера и Паркинсона, поскольку мы начинаем более подробно понимать сложность обонятельной системы человека.
Introduction
Человеческая обонятельная система понимается гораздо больше, чем сенсорная система, потому что обоняние также играет важную роль в гомеостатической регуляции и эмоциях. Известно, что человеческая обонятельная система уязвима для нападений многих распространенных неврологических заболеваний и психических расстройств, таких как болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона, посттравматическое стрессовое расстройство и депрессия 1 , 2 , 3 , 4 , 5 . В настоящее время функциональная магнитно-резонансная томография (fMRI) с контрастностью, зависящей от уровня кислородного уровня (BOLD), является наиболее ценным методом картирования функций мозга человека. Значительный объем знаний о специфических функциях центральных обонятельных структур ( например , пиртовой коры, орбитофронтальной коры, миндалины и островной коры) был приобретен с помощью этих технологийIque 6 , 7 , 8 , 9 , 10 .
Однако применение МРТ к исследованиям центральной центральной обонятельной системы человека и связанных с ними заболеваний было затруднено двумя основными препятствиями: быстрым привыканием сигнала BOLD и переменной модуляцией дыханием. В повседневной жизни, когда вы подвергаетесь одоранту в течение определенного периода времени, мы быстро привыкаем к запаху. Фактически, при изучении с использованием обонятельного fMRI, индуцированный запахом сигнал fMRI быстро ослабляется привыканием, что создает проблему для конструкций парадигмы стимуляции 8 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 . Исходный значительный сигнал BOLD в первичной обонятельной коре сохраняется толькоС в течение нескольких секунд после начала одоранта. Следовательно, обонятельные парадигмы МРТ должны избегать длительных или частых стимулов запаха за короткий промежуток времени. Чтобы уменьшить эффект привыкания, некоторые исследования попытались представить чередующиеся запахи в парадигме fMRI. Однако такой подход может усложнить анализ данных, поскольку каждый одорант можно рассматривать как независимое событие стимуляции.
Другая техническая проблема возникает из-за изменчивости в образцах дыхания у субъектов; Ингаляция не всегда синхронизируется с администрированием одоранта во время парадигмы фиксированного времени. Начало и продолжительность обонятельной стимуляции модулируются дыханием каждого человека, что смешивает качество и анализ данных МРТ. В некоторых исследованиях была предпринята попытка смягчить эту проблему визуальными или звуковыми сигналами для синхронизации дыхания и одоранта, но соответствие субъектов варьируется, особенно в клинической популяции. Активации мозга связаны с wiЭти сигналы также могут усложнить анализ данных в некоторых приложениях. Таким образом, синхронизирующая ингаляция с доставкой одорантом может иметь решающее значение для обонятельных исследований МРТ 15 .
Дополнительным соображением, важным для обонятельного fMRI, особенно в процессе анализа данных, является выбор одорантов. Поиск подходящей концентрации одоранта в отношении воспринимаемой интенсивности имеет важное значение для количественной оценки и сравнения уровней активации в головном мозге при различных экспериментальных условиях или заболеваниях. Выбор одоранта также должен учитывать валентность запаха или приятность. Это, как известно, вызывает расходящиеся временные профили в обонятельном обучении 16 , 17 . По этой причине для этой демонстрации был выбран запах лаванды. В зависимости от цели конкретного исследования, различные одоранты могут быть лучшим выбором. Кроме того, стимуляция тройничного нерва должна быть минимизирована для уменьшенияE активация, не связанная напрямую с обонянием 18 .
В этом отчете мы демонстрируем метод fMRI для создания и запуска парадигмы, вызванной дыханием, с использованием ольфактометра в среде магнитного резонанса. Мы также представляем инструмент для последующей обработки, который может уменьшить некоторые ошибки времени, которые могли произойти во время сбора данных, с целью дальнейшего улучшения анализа данных.
Protocol
Representative Results
Discussion
Экспериментальные процедуры следует тщательно рассмотреть и правильно выполнить для сбора надежных данных об активации обонятельной системы. Критические этапы в протоколе включают в себя реализацию парадигмы, вызванной дыханием, для синхронизации доставки запаха с получением изоб?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
У авторов нет подтверждений.
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 |
References
- Doty, R. L., Reyes, P. F., Gregor, T. Presence of both odor identification and detection deficits in Alzheimer’s disease. Brain Res Bull. 18 (5), 597-600 (1987).
- Hummel, T., et al. Olfactory FMRI in patients with Parkinson’s disease. Front Integr Neurosci. 4, 125 (2010).
- Mesholam, R. I., Moberg, P. J., Mahr, R. N., Doty, R. L. Olfaction in neurodegenerative disease: a meta-analysis of olfactory functioning in Alzheimer’s and Parkinson’s diseases. Arch Neurol. 55 (1), 84-90 (1998).
- Pause, B. M., Miranda, A., Göder, R., Aldenhoff, J. B., Ferstl, R. Reduced olfactory performance in patients with major depression. J Psychiatr Res. 35 (5), 271-277 (2001).
- Vasterling, J. J., Brailey, K., Sutker, P. B. Olfactory identification in combat-related posttraumatic stress disorder. J Trauma Stress. 13 (2), 241-253 (2000).
- Anderson, A. K., et al. Dissociated neural representations of intensity and valence in human olfaction. Nat Neurosci. 6 (2), 196-202 (2003).
- Gottfried, J. A., Deichmann, R., Winston, J. S., Dolan, R. J. Functional heterogeneity in human olfactory cortex: an event-related functional magnetic resonance imaging study. J Neurosci. 22 (24), 10819-10828 (2002).
- Sobel, N., et al. Sniffing and smelling: separate subsystems in the human olfactory cortex. Nature. 392 (6673), 282-286 (1998).
- Sun, X., Wang, J., Weitekamp, C. W., Yang, Q. X. A Novel Data Processing Method for Olfactory fMRI Examinations. Proc Intl Soc Mag Res Med. 18 (2010), 1161 (2010).
- Zatorre, R. J., Jones-Gotman, M., Evans, A. C., Meyer, E. Functional localization and lateralization of human olfactory cortex. Nature. 360 (6402), 339-340 (1992).
- Boley, J. C., Pontier, J. P., Smith, S., Fulbright, M. Facial changes in extraction and nonextraction patients. Angle Orthod. 68 (6), 539-546 (1998).
- Furman, J. M., Koizuka, I. Reorientation of poststimulus nystagmus in tilted humans. J Vestib Res. 4 (6), 421-428 (1994).
- Loevner, L. A., Yousem, D. M. Overlooked metastatic lesions of the occipital condyle: a missed case treasure trove. Radiographics. 17 (5), 1111-1121 (1997).
- Tabert, M. H., et al. Validation and optimization of statistical approaches for modeling odorant-induced fMRI signal changes in olfactory-related brain areas. Neuroimage. 34 (4), 1375-1390 (2007).
- Wang, J., Sun, X., Yang, Q. X. Methods for olfactory fMRI studies: Implication of respiration. Hum Brain Mapp. 35 (8), 3616-3624 (2014).
- Gottfried, J. A., O’Doherty, J., Dolan, R. J. Appetitive and aversive olfactory learning in humans studied using event-related functional magnetic resonance imaging. J Neurosci. 22 (24), 10829-10837 (2002).
- Popp, R., Sommer, M., Müller, J., Hajak, G. Olfactometry in fMRI studies: odor presentation using nasal continuous positive airway pressure. Acta Neurobiol Exp (Wars). 64 (2), 171-176 (2004).
- Wang, J., et al. Olfactory Habituation in the Human Brain. Proc Intl Soc Mag Res Med. 20, 2150 (2012).
- Grunfeld, R., et al. The responsiveness of fMRI signal to odor concentration). , A237-A238 (2005).
- Jia, H., et al. Functional MRI of the olfactory system in conscious dogs. PLoS One. 9 (1), e86362 (2014).
- Karunanayaka, P., et al. Networks involved in olfaction and their dynamics using independent component analysis and unified structural equation modeling. Hum Brain Mapp. 35 (5), 2055-2072 (2014).
- Royet, J. P., et al. Functional neuroanatomy of different olfactory judgments. Neuroimage. 13 (3), 506-519 (2001).
- Doty, R. L. Influence of age and age-related diseases on olfactory function. Ann N Y Acad Sci. 561, 76-86 (1989).
- Wang, J., et al. Olfactory deficit detected by fMRI in early Alzheimer’s disease. Brain Res. 1357, 184-194 (2010).
- Moessnang, C., et al. Altered activation patterns within the olfactory network in Parkinson’s disease. Cereb Cortex. 21 (6), 1246-1253 (2011).
- Vasavada, M. M., et al. Olfactory cortex degeneration in Alzheimer’s disease and mild cognitive impairment. J Alzheimers Dis. 45 (3), 947-958 (2015).
- Jacobs, H. I., Radua, J., Lückmann, H. C., Sack, A. T. Meta-analysis of functional network alterations in Alzheimer’s disease: toward a network biomarker. Neurosci Biobehav Rev. 37 (5), 753-765 (2013).
- Murphy, C., Cerf-Ducastel, B., Calhoun-Haney, R., Gilbert, P. E., Ferdon, S. ERP, fMRI and functional connectivity studies of brain response to odor in normal aging and Alzheimer’s disease. Chem Senses. 30 Suppl 1, i170-i171 (2005).
- Hummel, T., Kobal, G. Differences in human evoked potentials related to olfactory or trigeminal chemosensory activation. Electroen Clin Neuro. 84 (1), 84-89 (1992).
- Cerf-Ducastel, B., Murphy, C. FMRI brain activation in response to odors is reduced in primary olfactory areas of elderly subjects. Brain Res. 986 (1-2), 39-53 (2003).
- Cain, W. S. Contribution of the trigeminal nerve to perceived odor magnitude. Ann NY Acad Sci. 237, 28-34 (1974).
- Murphy, C., Gilmore, M. M., Seery, C. S., Salmon, D. P., Lasker, B. R. Olfactory thresholds are associated with degree of dementia in Alzheimer’s disease. Neurobiol Aging. 11 (4), 465-469 (1990).
- Doty, R. L., Brugger, W. E., Jurs, P. C., Orndoff, M. A., Snyder, P. J., Lowry, L. D. Intranasal trigeminal stimulation from odorous volatiles: Psychometric responses from anosmic and normal humans. Physiol Behav. 20 (2), 175-185 (1978).
- Kobal, G., Hummel, T. Olfactory and intranasal trigeminal event-related potentials in anosmic patients. Laryngoscope. 108 (7), 1033-1035 (1998).
- Frasnelli, J., Lundström, J. N., Schöpf, V., Negoias, S., Hummel, T., Lepore, F. Dual processing streams in chemosensory perception. Front Hum Neurosci. 6, (2012).
- Yousem, D. M., et al. Gender effects on odor-stimulated functional magnetic resonance imaging. Brain Res. 818 (2), 480-487 (1999).
- Koulivand, P. H., Ghadiri, M. K., Gorji, A. Lavender and the nervous system. Evid Based Compl Alt Med. 2013, (2013).
- Yousem, D. M., et al. Functional MR imaging during odor stimulation: Preliminary data. Neuroradiology. 204 (3), 833-838 (1997).
- Hummel, T., Doty, R. L., Yousem, D. M. Functional MRI of intranasal chemosensory trigeminal activation. Chem Senses. 30 (suppl. 1), i205-i206 (2005).
