ללא תשלום נשימה fMRI שיטה לחקר האדם חוש הריח פונקציה
Summary
אנו מציגים את האתגרים הטכניים ופתרונות להשגת אמין פונקציונלי מגנטי תהודה הדמיה (fMRI) נתונים ממערכת חוש הריח האנושי האנושי. זה כולל שיקולים מיוחדים בעיצוב fMRI חוש הריח חוש הריח, תיאורים של רכישת נתונים fMRI עם OLfactometer תואם MRI, מבחר אודורנט, וכלי תוכנה מיוחדת לעיבוד נתונים לאחר.
Abstract
המחקר של זית האדם הוא שדה מורכב מאוד בעל ערך עם יישומים החל מחקר ביו-רפואי להערכה קלינית. נכון לעכשיו, הערכה של הפונקציות של מערכת חוש הריח האנושי האנושי עם הדמיה תפקודית מגנטית (fMRI) הוא עדיין אתגר בגלל קשיים טכניים שונים. יש כמה משתנים משמעותיים לקחת בחשבון כאשר בוחנים שיטה יעילה למיפוי הפונקציה של מערכת חוש הריח המרכזי באמצעות fMRI, כולל בחירה בריאה נכונה, את האינטראקציה בין ריח הריחוף ואת הנשימה, וכן ציפייה פוטנציאלית של או הרגלה odorants. אירוע הקשורים, הנשימה מופעלות הריח FMRI טכניקה יכול במדויק odorants כדי לעורר את מערכת חוש הריח תוך צמצום הפרעה פוטנציאלית. זה יכול למעשה ללכוד את onsets מדויק של אותות fMRI בקליפה חוש הריח העיקרי באמצעות הנתונים שלנו שלאחר עיבוד השיטה. הטכניקה מראששנשלחו כאן מספק אמצעי יעיל ומעשי ליצירת תוצאות fMRI חוש הריח אמין. טכניקה כזו יכולה להיות מיושמת בסופו של דבר בתחום הקליני ככלי אבחון למחלות הקשורות ניוון ריח, כולל מחלת אלצהיימר ופרקינסון, כפי שאנו מתחילים להבין עוד יותר את המורכבות של מערכת חוש הריח האנושי.
Introduction
מערכת חוש הריח האנושי נתפסת כמערכת סנסורית הרבה יותר, משום שאולקציה גם ממלאת תפקיד חשוב ברגולציה וברגשות הומיאוסטטיים. מבחינה רפואית, מערכת חוש הריח האנושי ידועה כבעלת פגיעות להתקפות של מחלות נוירולוגיות נפוצות רבות והפרעות פסיכיאטריות, כגון מחלת האלצהיימר, מחלת פרקינסון, הפרעת דחק פוסט טראומטית ודיכאון 1 , 2 , 3 , 4 , 5 . נכון לעכשיו, דימות תהודה מגנטית תפקודית (fMRI) עם ניגוד תלוי ברמת חמצן בדם (BOLD) הוא הטכניקה החשובה ביותר עבור פונקציות המיפוי של המוח האנושי. כמות משמעותית של ידע על פונקציות ספציפיות של מבנים חוש הריח המרכזי ( למשל , קליפת piriform, קליפת המוח אורביטופרונלית, אמיגדלה, קליפת המוח) נרכשה עם זה techn6 , 7 , 8 , 9 , 10 .
היישום של fMRI למחקרים על מערכת חוש הריח האנושי ומחלות הקשורות, עם זאת, כבר הפריעו על ידי שני מכשולים עיקריים: הרגלה מהירה של אות BOLD ו אפנון משתנה על ידי הנשימה. בחיי היום-יום, כאשר אנו נחשפים לניחוח במשך תקופה מסוימת, אנו ממהרים להתרגל לריח. למעשה, כאשר למד באמצעות fMRI הריח, האות fMRI ריח המושרה הוא נחלש במהירות על ידי הרגלה, אשר מציב אתגר על עיצובים הפרדיגמה גירוי 8 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 . האות הראשון משמעותי BOLD בקליפה חוש הריח העיקרי רק להתמידS במשך כמה שניות לאחר הופעת אודור. לכן, הפרדיגמות fMRI חוש הריח צריך להימנע ממושך או תכופים גירויים ריח בתקופה קצרה של זמן. כדי להפחית את אפקט ההרגלה, כמה מחקרים ניסו להציג ריחות לסירוגין בפרדיגמת fMRI. עם זאת, גישה זו עלולה לסבך ניתוח נתונים מאז כל ריח יכול להיות מטופל כאירוע גירוי עצמאי.
בעיה טכנית נוספת מתעוררת עם השתנות דפוסי הנשימה של הנבדקים; שאיפה לא תמיד מסתנכרנת עם ממשל אודור במהלך פרדיגמת עיתוי קבוע. תחילת ומשך גירוי חוש הריח מאופננים על ידי הנשימה של כל אדם, אשר confounds fMRI איכות הנתונים וניתוח. כמה מחקרים ניסו לצמצם את הבעיה עם רמזים חזותיים או שמיעה כדי לסנכרן את הנשימה ואת התפרצות ריח, אבל ההתאמה של נושאים משתנה, במיוחד באוכלוסייה קלינית. הפעלות המוח הקשורות wiרמזים אלה יכולים גם לסבך ניתוח נתונים ביישומים מסוימים. לפיכך, סינכרון שאיפה עם משלוח odorant יכול להיות מכריע עבור מחקרים fMRI חוש הריח 15 .
שיקול נוסף חיוני fMRI חוש הריח, במיוחד בתהליך ניתוח הנתונים, הוא בחירה ריחניים. מציאת ריכוז ריחני מתאים ביחס לעוצמות נתפסת חשוב לכימות והשוואה של רמות ההפעלה במוח תחת תנאים ניסיוניים שונים או מחלות. בחירת המבחר צריך גם לקחת בחשבון את ריח הריח, או נעימות. זה ידוע כדי לגרום פרופילים זמניים שונים בלמידה חוש הריאה 16 , 17 . ריח לבנדר נבחר להפגנה זו חלקית מסיבה זו. בהתאם למטרה מסוימת של מחקר, odorants שונים עשויים להיות בחירה טובה יותר. בנוסף, גירוי טריגמינלי חייב להיות ממוזער כדי להפחיתלא קשור ישירות לאולפקיון 18 .
בדו"ח זה, אנו מדגימים טכניקת fMRI כדי להקים ולהפעיל פרדיגמה מופעלת באמצעות נשימה באמצעות אולפקטומטר בסביבת התהודה המגנטית. כמו כן, אנו מציגים כלי לעיבוד לאחר, שיכול לצמצם כמה טעויות תזמון שעשויות להתרחש במהלך רכישת נתונים בניסיון לשפר עוד יותר את ניתוח הנתונים.
Protocol
Representative Results
Discussion
נהלים ניסיוני צריך להיחשב בזהירות והוצא להורג כראוי עבור איסוף נתונים ההפעלה חוש הריח אמין. השלבים הקריטיים בפרוטוקול כוללים יישום הפרדיגמה הנגרמת על ידי הנשימה כדי לסנכרן משלוח ריח עם רכישת התמונה, הכנת ריכוזים נאותים של odorants כדי לשלוט בתגובות פסיכו-פיסיקליות, הגד…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
למחברים אין תודות.
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 |
Referências
- 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).
