İnsanın Koku Fonksiyonunu İncelemek İçin Free-breathing fMRI Yöntemi
Summary
İnsan merkezindeki koku sisteminden güvenilir fonksiyonel manyetik rezonans görüntüleme (fMRI) verilerinin elde edilmesine yönelik teknik zorlukları ve çözümleri sunuyoruz. Bu, olfaktör fMRI paradigması tasarımında özel hususlar, bir MRI uyumlu olfaktometre ile fMRI veri edinimi tanımları, koku seçimi ve veri post-processing için özel bir yazılım aracı içerir.
Abstract
İnsan koku alma çalışması, biyomedikal araştırmalardan klinik değerlendirmeye kadar geniş bir yelpazeye yayılmış çok karmaşık ve değerli bir alandır. Şu anda, fonksiyonel manyetik rezonans görüntüleme (fMRI) ile insan merkez odontakt sisteminin işlevlerinin değerlendirilmesi, birkaç teknik zorluk yüzünden hala bir sorundur. Uygun koku seçimi, koku sunumu ile solunum arasındaki etkileşim ve odorantlara karşı potansiyel beklenti veya alışkanlık gibi fMRI'yi kullanarak merkezi koku sisteminin işlevini haritalamak için etkili bir yöntem düşünürken dikkate alınması gereken bazı önemli değişkenler vardır. Olayla ilişkili, solunum ile tetiklenen olfaktör fMRI tekniği potansiyel girişimin en aza indirgenmesi ile koku sistemini uyarmak için odorantları doğru bir şekilde uygulayabilir. Veri post-processing yöntemimizi kullanarak primer koku korteksindeki fMRI sinyallerinin kesin başlangıçlarını etkin bir şekilde yakalar. Teknik öncesiBurada gönderilen, güvenilir olfaktör fMRI sonuçları üretmek için etkili ve pratik bir yöntem sağlar. Böyle bir teknik klinik alana, Alzheimer ve Parkinson hastalığı dahil olfaktör dejenerasyonla ilişkili hastalıklar için bir teşhis aracı olarak uygulanabilir, çünkü insan koku sisteminin karmaşıklıklarını daha da iyi anlamaya başlarız.
Introduction
İnsan koku sistemi, duyusal bir sistemden çok daha fazla olduğu anlaşılıyor çünkü olistolizm, homeostatik düzenlemede ve duygularda da önemli bir rol oynamaktadır. Klinik olarak, insan koku sisteminin, Alzheimer hastalığı, Parkinson hastalığı, travma sonrası stres bozukluğu ve depresyon 1 , 2 , 3 , 4 , 5 gibi yaygın görülen nörolojik hastalıkların ve psikiyatrik bozuklukların saldırılarına karşı savunmasız olduğu bilinmektedir. Günümüzde, kan-oksijen seviyesine bağlı (BOLD) kontrastlı fonksiyonel manyetik rezonans görüntüleme (fMRI), insan beyninin işlevlerini haritalama için en değerli tekniktir. Merkezi şaşkın yapıların ( örneğin piriform korteks, orbitofrontal korteks, amigdala ve insular korteks) spesifik fonksiyonları hakkında önemli miktarda bilgi bu teknikle elde edilmiştir6 , 7 , 8 , 9 , 10 .
Bununla birlikte fMRI'nin insan merkez odiyofari sistemi ve ilgili hastalıklarla ilgili çalışmalarına uygulanması iki önemli engel ile engellenmiştir: BOLD sinyalinin hızla alışması ve solunum ile değişken modülasyon. Günlük yaşamda, belli bir süre bir kokuya maruz kaldıkça, kokuyu hızla rahatlatırız. Gerçekten de, olfaktör fMRI kullanılarak incelendiğinde, koku indüklenen fMRI sinyali, uyarılma paradigması tasarımları 8 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14'te bir zorluk oluşturan yaşama yoluyla hızlı bir şekilde zayıflatılır. Birincil koku korteksindeki başlangıçtaki BOLD sinyali sadece devam ederIzgaranın başlamasından birkaç saniye sonra. Bu nedenle, koku fMRI paradigmaları kısa sürede uzun süreli veya sık koku uyaranlarından kaçınmalıdır. Alışkanlık etkisini azaltmak için bazı çalışmalar, fMRI paradigmasında alternatif kokular ortaya koymaya çalışmaktadır. Bununla birlikte, bu yaklaşım veri analizini zorlaştırabilir, çünkü her bir odorant bağımsız bir stimülasyon olayı olarak değerlendirilebilir.
Bir başka teknik sorun, kişilerin solunum modellerinde değişkenlik ile ortaya çıkar; Soluma, sabit zamanlama paradigması sırasında odorant uygulamasıyla her zaman eşzamanlı değildir. Koku alma uyarısının başlangıcı ve süresi, fMRI veri kalitesini ve analizini karıştıran her bir kişinin solunumuyla modüle edilir. Bazı çalışmalar nefes alma ve koku başlatmanın senkronize edilmesi için görsel veya işitsel ipuçları ile bu sorunu hafifletmeye çalıştı ancak özellikle klinik popülasyonda deneklerin uygunluğu değişkenlik göstermektedir. Beyin aktivasyonları ilişkiliBu ipuçları bazı uygulamalarda veri analizini de zorlaştırabilir. Koku fMRI 15 çalışmalar için Böylece koku teslim inhalasyon senkronize önemli olabilir.
Koku fMRI'sinde hayati önem taşıyan ek bir husus, özellikle veri analizi sürecinde, koku yapıcı maddenin seçimi. Algılanan yoğunluğa göre uygun bir odorant konsantrasyonunun bulunması, beyindeki çeşitli deneysel koşullar veya hastalıklardaki aktivasyon seviyelerinin nicelleştirilmesi ve karşılaştırılması için önemlidir. Koku seçimi aynı zamanda koku değeri veya hoşluğu da hesaba katmalıdır. Bu koku öğrenme 16, 17 içinde farklı zamansal profillerini yol açtığı bilinmektedir. Bu gösteri için kısmen bu nedenle lavanta kokusu seçildi. Belli bir araştırmanın amacına bağlı olarak, farklı odorantlar daha iyi seçimler olabilir. Buna ek olarak, trigeminal uyarı azaltılması için asgari düzeye indirilmelidirOlimpiyat ile doğrudan ilgili olmayan aktivasyon 18 .
Bu raporda, manyetik rezonans ortamında bir olfaktometre kullanarak bir solunum tetiklemeli paradigması oluşturmak ve çalıştırmak için bir fMRI tekniği gösteriyoruz. Ayrıca, veri analizinde daha fazla gelişme sağlamak amacıyla veri edinimi sırasında oluşabilecek bazı zamanlama hatalarını azaltabilecek bir işleme sonrası araç sunuyoruz.
Protocol
Representative Results
Discussion
Deneysel prosedürler, güvenilir olfaktör aktivasyon verilerinin toplanması için dikkatlice düşünülmeli ve doğru şekilde uygulanmalıdır. Protokoldeki kritik adımlar, koku alımını görüntü alımı ile senkronize etmek için solunum tetiklemeli bir paradigmanın uygulanmasını, psikofizik yanıtları kontrol etmek için uygun yoğunlaştırıcı odorantların hazırlanmasını, olfaktometreyi güvenilir kararlı solunum sinyali ve sabit hava akışı ile ayarlamayı ve sabit hava akışı ve post-proces…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Yazarların onayları yok.
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).
