인간의 후각 기능을 연구하기위한 자유 호흡 fMRI 방법
Summary
우리는 인간의 중앙 후각 시스템에서 신뢰할 수있는 기능적 자기 공명 영상 (fMRI) 데이터를 얻기위한 기술적 난제와 해결책을 제시합니다. 여기에는 후각 fMRI 패러다임 디자인, MRI 호환 감각 계의 fMRI 데이터 수집, 악취 선택 및 데이터 후 처리를위한 특수 소프트웨어 도구에 대한 특수 고려 사항이 포함됩니다.
Abstract
인간의 고환에 대한 연구는 생물 의학 연구에서 임상 평가에 이르기까지 응용 분야가 매우 복잡하고 가치있는 분야입니다. 현재, 기능적 자기 공명 영상 (fMRI)을 이용한 인간 중심 후각 기능의 평가는 몇 가지 기술적 어려움 때문에 여전히 어려운 과제이다. 적절한 냄새 물질 선택, 냄새 표현과 호흡 사이의 상호 작용, 냄새 물질에 대한 기대감이나 습관을 포함하여 fMRI를 사용하여 중앙 후각 기관 기능을 매핑하는 효과적인 방법을 고려할 때 고려해야 할 몇 가지 중요한 변수가 있습니다. 이벤트 관련 호흡 유발 후각 fMRI 기술은 냄새 물질을 정확하게 관리하여 잠재적 인 간섭을 최소화하면서 후각 시스템을 자극 할 수 있습니다. 우리의 데이터 후 처리 방법을 사용하여 주요 후각 피질에서 fMRI 신호의 정확한 온셋을 효과적으로 포착 할 수 있습니다. 기술 사전여기에 보냄으로써 신뢰할 수있는 후각 fMRI 결과를 생성하는 효율적이고 실질적인 방법을 제공합니다. 그러한 기술은 알츠하이머 및 파킨슨 병을 비롯한 후각 퇴행과 관련된 질병의 진단 도구로서 임상 영역에서 궁극적으로 적용될 수 있습니다. 우리는 인간의 후각 기관의 복잡성을 더 깊이 이해하기 시작합니다.
Introduction
인간의 후각 시스템은 감각 시스템보다 훨씬 더 많은 것으로 이해된다. 왜냐하면 올레핀 작용은 또한 항상성 조절 및 감정에 중요한 역할을하기 때문이다. 임상 적으로, 인간의 후각 시스템은 알츠하이머 병, 파킨슨 병, 외상 후 스트레스 장애, 우울증 1, 2, 3, 4, 5 등 많은 유행 신경 질환 및 정신 질환의 공격에 취약한 것으로 알려져있다. 현재, 혈액 – 산소 – 레벨 – 의존성 (BOLD) 콘트라스트를 갖는 기능적 자기 공명 영상 (fMRI)은 인간 두뇌의 맵핑 기능을위한 가장 가치있는 기술이다. 중추 신경 구조 ( 예 : piriform cortex, orbitofrontal cortex, 편도선 및 섬피 피질)의 특정 기능에 대한 상당한 지식이이 기술로 획득되었습니다6 , 7 , 8 , 9 , 10 .
그러나 인간의 중앙 후각 기관 및 관련 질환에 대한 연구에 fMRI를 적용하는 데는 BOLD 신호의 신속한 습관 변화와 호흡에 의한 다양한 조절이 두 가지 주요 장애물로 인해 어려움을 겪고 있습니다. 일상 생활에서 일정 기간 동안 냄새에 노출되면 우리는 빠르게 냄새에 익숙해집니다. 사실, 후각 fMRI를 사용하여 연구했을 때, 냄새 유발 fMRI 신호는 요법에 의해 빠르게 감쇠되며, 이는 자극 패러다임 디자인 8 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 에 대한 도전 과제입니다. 주요 후각 피질에서 초기의 유의미한 BOLD 신호는 지속됩니다odorant가 발병 한 후 몇 초 동안 지속됩니다. 따라서 후각 fMRI 패러다임은 단기간에 오랜 자극이나 잦은 냄새 자극을 피해야합니다. 요법의 효과를 줄이기 위해 일부 연구에서는 fMRI 패러다임에 악취를 번갈아 표시하려고 시도했습니다. 그러나,이 접근법은 각각의 냄새 물질이 독립적 인 자극 이벤트로서 취급 될 수 있기 때문에 데이터 분석을 복잡하게 할 수있다.
피실험자의 호흡 패턴이 다양 할 때 또 다른 기술적 인 문제가 발생한다. 흡입은 고정 타이밍 패러다임 (fixed-timing paradigm) 동안 냄새 물질 투여와 항상 동기화되는 것은 아니다. 후각 자극의 발병 및 지속 기간은 각 개인의 호흡에 의해 조절되며, 이는 fMRI 데이터 품질 및 분석을 혼란스럽게합니다. 일부 연구에서는 호흡과 냄새 발병을 동기화하기 위해 시각 또는 청각 단서로이 문제를 완화하려고 시도했지만 피험자의 순응도는 특히 임상 인구에서 다양합니다. 위장 관련 뇌 활성화이러한 단서는 특정 애플리케이션에서 데이터 분석을 복잡하게 만들 수도 있습니다. 따라서, 냄새 전달과 흡입을 동기화시키는 것은 후각 fMRI 연구 15에서 결정적 일 수있다.
특히 데이터 분석 과정에서 후각 fMRI에 중요한 추가 고려 사항은 냄새 물질 선택입니다. 인지 강도와 관련하여 적절한 냄새 물질 농도를 찾는 것은 다양한 실험 조건 또는 질병 하에서 뇌의 활성화 수준을 정량하고 비교하는 데 중요합니다. 악취 물질 선택은 또한 냄새 원자가 또는 즐거움을 고려해야합니다. 이것은 후각 학습 16 , 17 에서 분기되는 시간적 프로파일을 유발하는 것으로 알려져있다. 이런 이유 때문에 라벤더 냄새가 부분적으로이 데모 용으로 선택되었습니다. 특정 연구의 목적에 따라 다른 냄새 성분이 더 나은 선택 일 수 있습니다. 또한, 삼차 자극은 최소화해야합니다olfaction과 직접적인 관련이없는 활성화 18 .
이 보고서에서는 자기 공명 환경에서 감각계를 사용하여 호흡 유발 패러다임을 설정하고 실행하는 fMRI 기술을 시연합니다. 또한 데이터 수집 중에 발생할 수있는 일부 타이밍 오류를 줄여 데이터 분석을 더욱 향상시킬 수있는 사후 처리 도구를 제시합니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
실험 절차는 신중하게 고려하여 신뢰할만한 후각 활성화 데이터를 수집하기 위해 적절하게 실행되어야합니다. 프로토콜 내에서 중요한 단계는 냄새 전달을 이미지 수집과 동기화하고, 냄새 물질을 적절하게 농축하여 정신 물리학 적 반응을 조절하고, 안정적인 안정된 호흡 신호 및 일정한 공기 흐름을 갖춘 은폐계를 설정하고 호흡을 후 처리하는 호흡 유발 패러다임을 구현하는 것을 포함합니?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
저자는 인정하지 않습니다.
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 |
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