Dette papiret beskriver bruk av et pustesynkronisert olfactometer for å utløse enkelt- og dobbeltspole transkraniell magnetisk stimulering (TMS) under luktpresentasjon synkronisert med menneskelig nesepust. Denne kombinasjonen lar oss objektivt undersøke hvordan behagelige og ubehagelige lukter påvirker kortikospinal eksitabilitet og hjerneeffektiv tilkobling i et gitt individ.
Det er allment akseptert at olfaktorisk stimulering fremkaller motorisk atferd, for eksempel å nærme seg behagelige luktstoffer og unngå ubehagelige, hos dyr og mennesker. Nylig har studier ved bruk av elektroencefalografi og transkraniell magnetisk stimulering (TMS) vist en sterk sammenheng mellom prosessering i olfaktorisk system og aktivitet i motorbarken hos mennesker. For bedre å forstå samspillet mellom lukt- og motorsystemene og for å overvinne noen av de tidligere metodologiske begrensningene, utviklet vi en ny metode som kombinerer et olfactometer som synkroniserer tilfeldig rekkefølgepresentasjon av odoranter med forskjellige hedoniske verdier og TMS (single- og dual-coil) utløser med nasale pustefaser. Denne metoden tillater undersøkelse av modulasjonene av kortikospinal eksitabilitet og effektiv ipsilateral tilkobling mellom den dorsolaterale prefrontale cortex og den primære motoriske cortex som kan oppstå under behagelig og ubehagelig luktoppfattelse. Anvendelsen av denne metoden vil tillate objektivt å diskriminere behagelighetsverdien til en odorant i en gitt deltaker, noe som indikerer den biologiske effekten av lukten på hjernens effektive tilkobling og spenning. I tillegg kan dette bane vei for kliniske undersøkelser hos pasienter med nevrologiske eller nevropsykiatriske lidelser som kan utvise lukthedoniske endringer og maladaptiv tilnærmingsunngåelsesatferd.
Det er allment akseptert at olfaktorisk stimulering fremkaller automatiske reaksjoner og motoriske atferd. For eksempel, hos mennesker, har eksistensen av en unngåelsesmotorrespons (lener seg bort fra luktkilden) som forekommer 500 ms etter negativ luktutbrudd, nylig blitt demonstrert1. Ved å registrere fritt bevegelige menneskelige deltakere som utforsker lukt som kommer fra kolber, viste Chalençon et al. (2022) at motorisk atferd (dvs. hastighet på tilnærming til nesen og tilbaketrekking av kolben som inneholder luktstoffet) er nært knyttet til lukthedonikk2. Videre har en nær sammenheng mellom prosessering i luktesystemet og aktivitet i motorbarken nylig blitt demonstrert hos mennesker ved bruk av elektroencefalografi1. Nærmere bestemt, ca. 350 ms etter utbruddet av negativ lukt, ble en spesifikk mu-rytmedesynkronisering, kjent for å reflektere handlingsforberedelsesprosesser, observert over og innenfor den primære motoriske cortex (M1), kort etterfulgt av en atferdsmessig bakoverbevegelse1. Styrking av ideen om et forhold mellom olfaktoriske og motoriske systemer, viste en annen nylig studie at eksponering for en behagelig lukt økte kortikospinal excitability sammenlignet med en ikke-lukttilstand3. I denne studien ble enkeltpuls transkraniell magnetisk stimulering (spTMS) brukt på M1 for å fremkalle et motorfremkalt potensial (MEP) i en målhåndsmuskel, registrert perifert med elektromyografi (EMG) under luktoppfattelse. Eksponering for det behagelige luktestoffet ble gitt passivt av papirstrimler sodden med ren bergamott essensiell olje og plassert på en metallholder under nesen3. I denne sammenheng er det fortsatt uklart om tilretteleggingen av kortikospinal eksitabilitet skyldes den behagelige luktstimuleringen eller uspesifikke atferdseffekter som sniffing og tenner som kniper 4,5. Videre er det fortsatt ukjent hvordan en ubehagelig luktant modulerer M1-spenning undersøkt av TMS.
Oppsummert fremhever dette behovet for å utvikle en metode som gir følgende fordeler i forhold til eksisterende teknikker brukt i tidligere studier 3,6: (1) randomisere presentasjonen av forskjellige luktforhold (behagelig / ubehagelig / ikke-lukt) innenfor samme eksperimentelle fase, (2) nøyaktig synkronisere luktpresentasjon og TMS-timing i henhold til menneskets nesepustefaser (inspirasjon og utløp) når man studerer motorsystemet.
TMS kan også brukes som et verktøy for å undersøke kortiko-kortikale interaksjoner, også kalt effektiv tilkobling, mellom flere kortikale områder og M1 med høy temporal oppløsning 7,8,9,10,11,12. Her bruker vi et dual-site TMS (dsTMS) paradigme, der en førstekondisjoneringsstimulering (CS) aktiverer et målkortikal område, og en andre teststimulering (TS) påføres over M1 ved hjelp av en annen spole for å fremkalle en MEP. Effekten av CS evalueres ved å normalisere amplituden til den betingede MEP (dsTMS-tilstanden) til amplituden til den ubetingede MEP (spTMS-tilstanden)13. Deretter indikerer negative forholdsverdier undertrykkende kortiko-kortikale interaksjoner, mens positive forholdsverdier indikerer tilretteleggende kortikokortikale interaksjoner mellom de to stimulerte områdene. dsTMS-paradigmet gir dermed en unik mulighet til å identifisere naturen (dvs. tilretteleggende eller undertrykkende), styrken og modulasjonene av den effektive forbindelsen mellom det forhåndsaktiverte området og M1. Det er viktig at kortiko-kortikale interaksjoner gjenspeiler en kompleks balanse mellom tilrettelegging og undertrykkelse som kan moduleres i forskjellige timing og mentale tilstander eller oppgaver 7,14.
Så vidt vi vet, har det relativt nye dsTMS-paradigmet aldri blitt brukt til å undersøke kortiko-kortikale interaksjoner under luktoppfattelse med forskjellige hedoniske verdier. Imidlertid har neuroimaging studier vist at eksponering for behagelige og ubehagelige luktstoffer induserer tilkoblingsendringer i områder som er involvert i følelser, beslutningstaking og handlingskontroll, inkludert det supplerende motoriske området, fremre cingulate cortex og dorsolateral prefrontal cortex (DLPFC) 15,16. Faktisk er DLPFC en nøkkelnode som formidler emosjonell kontroll, sensorisk behandling og høyere nivå aspekter av motorstyring, for eksempel forberedende prosesser 17,18,19. I tillegg har både menneske- og dyreforsøk gitt bevis på at DLPFC har forskjellige nevronprojeksjoner til M1 17,18,20,21,22. Avhengig av konteksten kan disse DLPFC-projeksjonene enten lette eller hemme M1-aktivitet 7,19,20. Dermed virker det mulig at den effektive tilkoblingen mellom DLPFC og M1 moduleres under luktpresentasjon, og at behagelige og ubehagelige luktstoffer rekrutterer separerte kortikale nettverk, noe som fører til en differensiell effekt på DLPFC-M1-tilkobling.
Her foreslår vi en ny metode som er egnet for metodologisk streng studie av modulasjonene av kortikospinal excitabilitet og effektiv tilkobling som kan oppstå under oppfatningen av behagelige og ubehagelige lukt, alt levert synkront med menneskelig nesepust.
Protokollen ovenfor beskriver en ny metode som kombinerer bruken av et pustesynkronisert olfactometer med single- og dual-coil TMS for å undersøke endringer i kortikospinal eksitabilitet og effektiv tilkobling avhengig av den hedoniske verdien av luktemidlene. Dette oppsettet vil tillate objektivt diskriminering av behagelighetsverdien til en luktant i en gitt deltaker, noe som indikerer den biologiske effekten av luktemidlet på hjernens effektive tilkobling og reaktivitet. De kritiske trinnene i denne protokollen inv…
The authors have nothing to disclose.
Dette arbeidet ble støttet av Fondation de France, Grant N°: 00123049/WB-2021-35902 (et stipend mottatt av J.B. og N.M.). Forfatterne vil gjerne takke Fondation Pierre Deniker for støtten (stipend mottatt av C.N.) og personalet på Neuro-Immersion-plattformen for deres verdifulle hjelp til å designe oppsettet.
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 |