A التنفس-- التنفس طريقة الرنين المغناطيسي الوظيفي لدراسة وظيفة الإنسان الشمية
Summary
نقدم التحديات التقنية والحلول للحصول على موثوقية وظيفية التصوير بالرنين المغناطيسي (فمري) البيانات من نظام الشم المركزي البشري. وهذا يشمل اعتبارات خاصة في تصميم نموذج الرنين المغناطيسي الوظيفي الشمية، ووصف الحصول على البيانات الرنين المغناطيسي الوظيفي مع أولفاكتوميتر متوافق مع التصوير بالرنين المغناطيسي، واختيار رائحة، وأداة برامج خاصة للبيانات ما بعد المعالجة.
Abstract
دراسة الشم الشم البشري هو حقل معقد للغاية وقيمة مع تطبيقات تتراوح بين البحوث الطبية الحيوية لتقييم السريرية. حاليا، وتقييم وظائف نظام الشم المركزي البشري مع وظيفية التصوير بالرنين المغناطيسي (الرنين المغناطيسي الوظيفي) لا يزال تحديا بسبب العديد من الصعوبات التقنية. هناك بعض المتغيرات الهامة التي يجب أخذها في الاعتبار عند النظر في طريقة فعالة لرسم خرائط وظيفة نظام الشمية المركزي باستخدام الرنين المغناطيسي الوظيفي، بما في ذلك اختيار الرائحة المناسبة، والتفاعل بين عرض الرائحة والتنفس، والتوقع المحتمل أو التعود على الروائح. تقنية ذات صلة بالحدث، تقنية التنفس بالرنين المغناطيسي الشمية ذات الصلة بالحدث ذات الصلة بالحدث يمكن أن تدير بدقة أودورانتس لتحفيز نظام الشم مع تقليل التدخل المحتمل. فإنه يمكن التقاط فعال إيسيتس دقيقة من إشارات الرنين المغناطيسي الوظيفي في القشرة الشمية الأولية باستخدام البيانات لدينا طريقة ما بعد المعالجة. تقنية ما قبلأرسلت هنا يوفر وسيلة فعالة وعملية لتوليد موثوقة نتائج الرنين المغناطيسي الوظيفي الشمية. ويمكن تطبيق هذه التقنية في نهاية المطاف في المجال السريري كأداة تشخيصية للأمراض المرتبطة بالتنكس الشم، بما في ذلك مرض الزهايمر ومرض باركنسون، ونحن نبدأ في مزيد من فهم تعقيدات نظام الشم الشمسي.
Introduction
ومن المفهوم أن نظام الشم الإنسان أن يكون أكثر بكثير من مجرد نظام الحسية لأن الشم أيضا يلعب دورا هاما في التنظيم والعواطف التماثل. سريريا، ومن المعروف أن نظام الشم الإنسان لتكون عرضة لهجمات العديد من الأمراض العصبية السائدة والاضطرابات النفسية، مثل مرض الزهايمر، ومرض باركنسون، واضطراب ما بعد الصدمة، والاكتئاب 1 ، 2 ، 3 ، 4 ، 5 . حاليا، والتصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي (الرنين المغناطيسي الوظيفي) مع الدم على الأكسجين تعتمد على (بولد) النقيض هو الأسلوب الأكثر قيمة لرسم الخرائط وظائف الدماغ البشري. وقد تم الحصول على قدر كبير من المعرفة حول وظائف محددة من الهياكل المركزية حاسة الشم (على سبيل المثال ، القشرة الكمثرية، القشرة المخية الجبهية، اللوزة، والقشرة العازلة) مع هذه التقنيةإيك 6 ، 7 ، 8 ، 9 ، 10 .
ومع ذلك، فقد أعيق تطبيق الرنين المغناطيسي الوظيفي لدراسات النظام الشمسي المركزي البشري والأمراض المرتبطة بها من قبل اثنين من العقبات الرئيسية: التعود السريع للإشارة بولد وتشكيل متغير عن طريق التنفس. في الحياة اليومية، عندما تتعرض لرائحة لفترة من الزمن، ونحن نعود بسرعة إلى رائحة. في الواقع، عندما درس باستخدام الرنين المغناطيسي الوظيفي الشمية، يتم تخفيف إشارة الرنين المغناطيسي الوظيفي الناجم عن رائحة بسرعة عن طريق التعود، مما يشكل تحديا على نماذج تحفيز نموذج 8 ، 10 ، 11 ، 12 ، 13 ، 14 . لا تزال إشارة بولد كبيرة الأولية في القشرة الشمية الأولية فقطثانية لعدة ثوان بعد ظهور الرائحة. لذلك، ينبغي أن نماذج النمذجة الرنين المغناطيسي الوظيفي الشم تجنب التحفيز رائحة لفترات طويلة أو متكررة في فترة قصيرة من الزمن. للحد من تأثير التعود، وقد حاولت بعض الدراسات لتقديم الروائح بالتناوب في نموذج الرنين المغناطيسي الوظيفي. ومع ذلك، فإن هذا النهج قد يعقد تحليل البيانات منذ كل رائحة يمكن أن تعامل على أنها حدث تحفيز مستقل.
وهناك مشكلة فنية أخرى تنشأ مع التباين في أنماط التنفس في المواضيع. الاستنشاق لا تزامن دائما مع إدارة رائحة خلال نموذج ثابت توقيت. يتم تشكيل بداية ومدة التحفيز حاسة الشم من قبل التنفس كل فرد، الذي يخلط جودة البيانات الرنين المغناطيسي الوظيفي والتحليل. وقد حاولت بعض الدراسات للتخفيف من هذه المشكلة مع الإشارات البصرية أو السمعية لمزامنة التنفس ورائحة رائحة، ولكن الامتثال للموضوعات متغير، وخاصة في السكان السريرية. تنشيط الدماغ المرتبطة وايهذه العظة يمكن أيضا تعقيد تحليل البيانات في بعض التطبيقات. وهكذا، مزامنة استنشاق مع تسليم الرائحة يمكن أن تكون حاسمة لدراسات الرنين المغناطيسي الوظيفي الشمية 15 .
وهناك اعتبار إضافي حيوي للرنين المغناطيسي الشري، وخاصة في عملية تحليل البيانات، هو اختيار الرائحة. العثور على تركيز الرائحة المناسب فيما يتعلق كثافة ينظر مهمة لقياس الكمي ومقارنة مستويات التنشيط في الدماغ تحت مختلف الظروف التجريبية أو الأمراض. اختيار الرائحة يجب أيضا أن تأخذ بعين الاعتبار رائحة التكافؤ، أو لطيف. ومن المعروف أن هذا يسبب التشكيلات الزمنية المتباعدة في التعلم حاسة الشم 16 ، 17 . تم اختيار رائحة الخزامى لهذه المظاهرة جزئيا لهذا السبب. اعتمادا على الغرض من دراسة محددة، ورائحة مختلفة قد تكون خيارات أفضل. وبالإضافة إلى ذلك، يجب الحد من التحفيز الثلاثي التوائم للحدe تفعيل لا ترتبط مباشرة إلى الشم 18 .
في هذا التقرير، علينا أن نظهر تقنية الرنين المغناطيسي الوظيفي لاقامة وتشغيل التنفس– أثارت استخدام نموذج أولفاكتوميتر في بيئة الرنين المغناطيسي. كما نقدم أداة ما بعد المعالجة التي يمكن أن تقلل من بعض الأخطاء توقيت التي قد حدثت أثناء الحصول على البيانات في محاولة لزيادة تحسين تحليل البيانات.
Protocol
Representative Results
Discussion
وينبغي النظر بعناية في الإجراءات التجريبية وتنفيذها بشكل صحيح لجمع بيانات تفعيل الشم الحميدة. وتشمل الخطوات الحاسمة داخل البروتوكول تنفيذ نموذج التنفس أثار لمزامنة تسليم الرائحة مع الحصول على الصور، وإعداد تركيزات مناسبة من أودورانتس للسيطرة على الاستجابات النفس…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
المؤلفين ليس لديهم اعترافات.
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).
