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Neuroscience

Kombination eines atemsynchronisierten Olfaktometers mit Gehirnsimulation, um den Einfluss von Gerüchen auf die kortikospinale Erregbarkeit und effektive Konnektivität zu untersuchen

Published: January 19, 2024
doi:
10.3791/65714
, , , , , ,
1PSYR2, Centre de Recherche en Neurosciences de Lyon, Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale U1028, Centre National de la Recherche Scientifique UMR5292,Université Claude Bernard Lyon 1, 2Centre Hospitalier Le Vinatier, 3NEUROPOP, Centre de Recherche en Neurosciences de Lyon, Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale U1028, Centre National de la Recherche Scientifique UMR5292,Université Claude Bernard Lyon 1

Summary

In dieser Arbeit wird die Verwendung eines atemsynchronisierten Olfaktometers beschrieben, um eine transkranielle Magnetstimulation (TMS) mit einer und zwei Spulen während der Geruchsstoffpräsentation auszulösen, die mit der menschlichen Nasenatmung synchronisiert ist. Diese Kombination ermöglicht es uns, objektiv zu untersuchen, wie sich angenehme und unangenehme Gerüche auf die kortikospinale Erregbarkeit und die gehirneffektive Konnektivität bei einem bestimmten Individuum auswirken.

Abstract

Es ist allgemein anerkannt, dass die olfaktorische Stimulation bei Tieren und Menschen motorische Verhaltensweisen hervorruft, wie z. B. die Annäherung an angenehme Gerüche und das Vermeiden unangenehmer Gerüche. In jüngster Zeit haben Studien mit Elektroenzephalographie und transkranieller Magnetstimulation (TMS) einen starken Zusammenhang zwischen der Verarbeitung im olfaktorischen System und der Aktivität im motorischen Kortex beim Menschen gezeigt. Um die Wechselwirkungen zwischen dem olfaktorischen und dem motorischen System besser zu verstehen und einige der bisherigen methodischen Einschränkungen zu überwinden, haben wir eine neue Methode entwickelt, die ein Olfaktometer kombiniert, das die zufällige Präsentation von Geruchsstoffen mit unterschiedlichen hedonischen Werten synchronisiert, und die TMS-Auslösung (Single- und Dual-Coil) mit nasalen Atemphasen kombiniert. Diese Methode ermöglicht es, die Modulationen der kortikospinalen Erregbarkeit und der effektiven ipsilateralen Konnektivität zwischen dem dorsolateralen präfrontalen Kortex und dem primären motorischen Kortex zu untersuchen, die während der angenehmen und unangenehmen Geruchswahrnehmung auftreten können. Die Anwendung dieser Methode ermöglicht es, den Angenehmheitswert eines Geruchsstoffs bei einem bestimmten Teilnehmer objektiv zu unterscheiden, was auf die biologische Wirkung des Geruchsstoffs auf die effektive Konnektivität und Erregbarkeit des Gehirns hinweist. Darüber hinaus könnte dies den Weg für klinische Studien bei Patienten mit neurologischen oder neuropsychiatrischen Erkrankungen ebnen, die hedonische Geruchsveränderungen und maladaptives Annäherungsvermeidungsverhalten aufweisen können.

Introduction

Es ist allgemein anerkannt, dass olfaktorische Stimulation automatische Reaktionen und motorisches Verhalten hervorruft. Zum Beispiel wurde beim Menschen kürzlich die Existenz einer vermeidungsmotorischen Reaktion (Weglehnen von der Geruchsquelle) nachgewiesen, die 500 ms nach dem negativen Geruchsbeginn auftritt1. Chalençon et al. (2022) zeigten durch die Aufzeichnung frei beweglicher menschlicher Teilnehmer, die Gerüche untersuchten, die von Kolben ausgehen, dass motorische Verhaltensweisen (d. h. die Geschwindigkeit der Annäherung an die Nase und das Zurückziehen des Kolbens, der das Geruchsmittel enthält) eng mit der Geruchshedonik verbunden sind2. Darüber hinaus wurde kürzlich ein enger Zusammenhang zwischen der Verarbeitung im olfaktorischen System und der Aktivität im motorischen Kortex beim Menschen mit Hilfe der Elektroenzephalographie nachgewiesen1. Insbesondere wurde etwa 350 ms nach dem Auftreten negativer Gerüche eine spezifische mu-Rhythmus-Desynchronisation beobachtet, von der bekannt ist, dass sie Prozesse der Aktionsvorbereitung widerspiegelt, über und innerhalb des primären motorischen Kortex (M1), kurz gefolgt von einer verhaltensbezogenen Rückwärtsbewegung1. Eine weitere kürzlich durchgeführte Studie untermauerte die Idee einer Beziehung zwischen dem olfaktorischen und motorischen System und zeigte, dass die Exposition gegenüber einem angenehmen Geruchsstoff die kortikospinale Erregbarkeit im Vergleich zu einem geruchlosen Zustand erhöhte3. In dieser Studie wurde die transkranielle Einzelpuls-Magnetstimulation (spTMS) auf M1 angewendet, um ein motorisch evoziertes Potential (MEP) in einem Zielhandmuskel hervorzurufen, das peripher mit Elektromyographie (EMG) während der Geruchswahrnehmung aufgezeichnet wurde. Die Exposition gegenüber dem angenehmen Geruchsstoff erfolgte passiv durch Papierstreifen, die mit reinem ätherischem Bergamotteöl getränkt und auf einem Metallhalter unter der Nase platziert wurden3. In diesem Zusammenhang bleibt unklar, ob die Erleichterung der kortikospinalen Erregbarkeit auf die angenehme Geruchsstimulation oder auf unspezifische Verhaltenseffekte wie Schnüffeln und Zähnepressen zurückzuführen ist 4,5. Darüber hinaus ist noch unbekannt, wie ein unangenehmer Geruchsstoff die Erregbarkeit von M1 moduliert, die durch TMS untersucht wird.

Zusammenfassend unterstreicht dies die Notwendigkeit, eine Methode zu entwickeln, die die folgenden Vorteile gegenüber bestehenden Techniken bietet, die in früheren Studien verwendet wurden 3,6: (1) Randomisierung der Präsentation verschiedener Geruchszustände (angenehm/unangenehm/kein Geruch) innerhalb derselben Versuchsphase, (2) präzise Synchronisierung der Geruchspräsentation und des TMS-Timings entsprechend den menschlichen Nasenatmungsphasen (Inspiration und Exspiration) bei der Untersuchung des motorischen Systems.

TMS kann auch als Werkzeug verwendet werden, um kortiko-kortikale Interaktionen, auch effektive Konnektivität genannt, zwischen mehreren kortikalen Arealen und M1 mit einer hohen zeitlichen Auflösungzu untersuchen 7,8,9,10,11,12. Hier verwenden wir ein Dual-Site-TMS-Paradigma (dsTMS), bei dem eine erste konditionierende Stimulation (CS) ein kortikales Zielareal aktiviert und eine zweite Teststimulation (TS) über M1 mit einer anderen Spule angewendet wird, um einen MEP hervorzurufen. Der Effekt des CS wird bewertet, indem die Amplitude des konditionierten MEP (dsTMS-Bedingung) auf die Amplitude des unkonditionierten MEP (spTMS-Bedingung) normalisiert wird13. Dann deuten negative Verhältniswerte auf unterdrückende kortiko-kortikale Interaktionen hin, während positive Verhältniswerte auf unterstützende kortiko-kortikale Interaktionen zwischen den beiden stimulierten Arealen hinweisen. Das dsTMS-Paradigma bietet somit eine einzigartige Gelegenheit, die Art (d.h. erleichternd oder unterdrückend), die Stärke und die Modulationen der effektiven Konnektivität zwischen dem voraktivierten Bereich und M1 zu identifizieren. Wichtig ist, dass kortiko-kortikale Interaktionen ein komplexes Gleichgewicht von Erleichterung und Unterdrückung widerspiegeln, das in verschiedenen Zeitpunkten und mentalen Zuständen oder Aufgaben moduliert werden kann 7,14.

Unseres Wissens wurde das relativ neue dsTMS-Paradigma noch nie verwendet, um kortiko-kortikale Interaktionen während der Geruchswahrnehmung mit unterschiedlichen hedonischen Werten zu untersuchen. Neuroimaging-Studien haben jedoch gezeigt, dass die Exposition gegenüber angenehmen und unangenehmen Geruchsstoffen Konnektivitätsveränderungen in Bereichen hervorruft, die an Emotionen, Entscheidungsfindung und Handlungskontrolle beteiligt sind, einschließlich des ergänzenden motorischen Bereichs, des anterioren cingulären Kortex und des dorsolateralen präfrontalen Kortex (DLPFC)15,16. In der Tat ist der DLPFC ein Schlüsselknoten, der emotionale Kontrolle, sensorische Verarbeitung und übergeordnete Aspekte der motorischen Kontrolle, wie z. B. vorbereitende Prozesse, vermittelt 17,18,19. Darüber hinaus haben sowohl Human- als auch Tierstudien den Nachweis erbracht, dass der DLPFC verschiedene neuronale Projektionen zu M1aufweist 17,18,20,21,22. Je nach Kontext können diese DLPFC-Projektionen die M1-Aktivität erleichtern oder hemmen 7,19,20. Daher scheint es möglich, dass die effektive Konnektivität zwischen DLPFC und M1 während der Geruchspräsentation moduliert wird und dass angenehme und unangenehme Geruchsstoffe getrennte kortikale Netzwerke rekrutieren, was zu einem differentiellen Effekt auf die DLPFC-M1-Konnektivität führt.

Hier schlagen wir eine neue Methode vor, die sich für die methodisch strenge Untersuchung der Modulationen der kortikospinalen Erregbarkeit und der effektiven Konnektivität eignet, die während der Wahrnehmung angenehmer und unangenehmer Gerüche auftreten können, die alle synchron mit der menschlichen Nasenatmung abgegeben werden.

Protocol

Alle in den folgenden Abschnitten beschriebenen experimentellen Verfahren wurden von einer Ethikkommission (CPP Ile de France VII, Paris, Frankreich, Protokollnummer 2022-A01967-36) in Übereinstimmung mit der Deklaration von Helsinki genehmigt. Alle Teilnehmer gaben vor der Aufnahme in die Studie eine schriftliche Einverständniserklärung ab. 1. Rekrutierung von Teilnehmern Ein-/Ausschlusskriterien.Schließen Sie erwachsene Teilnehmer (> 18 Jahre) ein. Unte…

Representative Results

Die hier präsentierten repräsentativen Daten spiegeln Aufzeichnungen von Teilnehmern wider, nachdem sie das obige Schritt-für-Schritt-Protokoll abgeschlossen haben, um einen ersten Einblick in das zu geben, was wir erwarten könnten. Abbildung 2 zeigt ein Beispiel für die Atemsignale eines repräsentativen Teilnehmers, die mit der Olfaktometer-Software aufgezeichnet wurden. Die exspiratorische und inspiratorische Phase werden gut erkannt, wenn die Schwellenwer…

Discussion

Das obige Protokoll beschreibt eine neuartige Methode, die die Verwendung eines atemsynchronisierten Olfaktometers mit einer und zwei Spulen TMS kombiniert, um Veränderungen der kortikospinalen Erregbarkeit und der effektiven Konnektivität in Abhängigkeit vom hedonischen Wert der Geruchsstoffe zu untersuchen. Dieser Aufbau ermöglicht es, den Angenehmheitswert eines Geruchsstoffs bei einem bestimmten Teilnehmer objektiv zu unterscheiden, was den biologischen Einfluss des Geruchsstoffs auf die effektive Konnektivität …

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Diese Arbeit wurde unterstützt von der Fondation de France, Stipendium Nr.: 00123049/WB-2021-35902 (ein Stipendium von J.B. und N.M.). Die Autoren danken der Fondation Pierre Deniker für die Unterstützung (Zuschuss von C.N.) und den Mitarbeitern der Neuro-Immersion-Plattform für ihre wertvolle Hilfe bei der Gestaltung des Setups.

Materials

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
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Neige, C., Imbert, L., Dumas, M., Athanassi, A., Thévenet, M., Mandairon, N., Brunelin, J. Combining a Breath-Synchronized Olfactometer with Brain Simulation to Study the Impact of Odors on Corticospinal Excitability and Effective Connectivity. J. Vis. Exp. (203), e65714, doi:10.3791/65714 (2024).
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