Name: a free-breathing fmri method to study human olfactory function
Uploaded: 2017-07-30T13:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 42 s
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Die Autoren haben keine Anerkennung.

Das folgende experimentelle Protokoll folgte den Richtlinien des Institutional Review Board der Pennsylvania State University College of Medicine, und das menschliche Subjekt gab schriftlich informierte Zustimmung vor der Teilnahme an der Studie. Anmerkung: Zur Demonstration wird ein einfaches Geruchsstimulations-Paradigma mit einem handelsüblichen MRI-kompatiblen Olfaktometer vorgestellt. Dieses Paradigma hat sich bewährt bei der Verringerung der Gewöhnungseffekt und hat zuverlässige olfaktorische fMRI Daten 15 produziert . Bestimmte Schritte, die in diesem Protokoll beschrieben werden, können spezifisch für die Art des verwendeten Olfaktometers sein. Jedoch kann jede Art von Ausrüstung, die selbstgemacht oder im Handel mit ähnlichen Fähigkeiten erhältlich ist, in analoger Weise verwendet werden. Das Olfaktometer muss in der Lage sein, die Atmung zu überwachen und eine Sequenz von Gerüchten mit präzisen Timing zu präsentieren. Stellen Sie sicher, dass das gesamte Geruchsabgabesystem (einschließlich derOlfaktometer) besteht aus Materialien, die gegenüber geruchshemmenden Chemikalien ( z. B. Glas und Polytetrafluorethylen) inert sind, und der Geruchsweg ist glatt und luftdicht mit minimalem Totraum. 1. Paradigma Design <ol><li> Erstellen Sie ein neues Paradigma, indem Sie die Luftstromventilsequenz auf einem programmierbaren Olfaktometer angeben. HINWEIS: Die Ventilsequenz ist die Reihenfolge und das Timing des Öffnens und Schließens von spezifischen Luftkanälen, die unterschiedliche Konzentrationen oder Arten von Geruchsstoffen enthalten. Bei dieser Demonstration wurde jedes der Ventile für die sechs Kanäle zweimal für insgesamt zwölf Geruchslieferungen geöffnet. Immer wenn ein Ventil offen war, wurden alle anderen Ventile geschlossen, und jedes Ventil wurde erst wieder geöffnet, nachdem alle anderen Ventile schon einmal geöffnet hatten. <ol><li> Zuordnen der Dauer für den Stimulus (das Öffnen eines bestimmten Kanals) sowie die Dauer des zu schließenden Kanals. HINWEIS: Bei dieser Demonstration war die Dauer für die Geruchsdarstellung 6 s, währendDie Dauer für die zu schließenden Kanäle variiert von 22 s bis 38 s. </li><li> Legen Sie die Anzahl der Wiederholungen für die Reihenfolge des Ventils öffnet und schließt. Hier ist die Anzahl der Wiederholungen 1. </li><li> Interleave jede Duft-Präsentation mit einer Präsentation von geruchloser Luft bei der gleichen Durchflussrate. Zum Beispiel den Luftstrom mit oder ohne Geruch bei einer Durchflussmenge von 6 l / min bei 50% relativer Feuchtigkeit und Raumtemperatur bei 22 ° C abgeben. HINWEIS: Dies ist wichtig, da Variationen im Luftstrom zu taktiler Empfindung führen können. </li></ol></li></ol> 2. Odorant Vorbereitung <ol><li> Wählen Sie ein richtiges Geruch für das Geruchsstimulations-Paradigma, indem Sie die Geruchsvalenz, die Annehmlichkeit, die Intensität, die Vertrautheit und die Trigeminuskomponente berücksichtigen (siehe Tabelle 1 ). Anmerkung: Tabelle 1 listet einige häufig verwendete Geruchsstoffe auf. Lavendel Geruch wurde für diese Demonstration gewählt, weil es minimale trigeminale Stimulation bei niedrigen bis mäßigen co hatNcentrations und wird allgemein als angenehm und vertraut empfunden. </li><li> Wählen Sie ein geeignetes Lösungsmittel ( z. B. Wasser, Mineralöl, 1,2-Propandiol, Ethanol), um die Geruchslösungen herzustellen. HINWEIS: Hier wurde 1,2-Propandiol als Lösungsmittel für die Geruchslösung verwendet. </li><li> Wählen Sie eine richtige Duftstoffkonzentration für das Geruchsstimulations-Paradigma. Zum Beispiel verdünntes Lavendelöl in 1,2-Propandiol bei 0,10% (Volumen / Volumen) Konzentration für die olfaktorische Stimulation 19 . ANMERKUNG: Dies kann durch eine psychophysische Bewertung einer Reihe von verschiedenen Konzentrationen durch eine Gruppe von normalen Themen erfolgen. </li><li> Setzen Sie die richtigen Geruchslösungen in die Duftstoffbehälter. Stellen Sie sicher, dass alle Behälter die gleiche Menge an Platz haben, gleiche Menge an Lösung und die gleiche Oberfläche für die Lösung. Verwenden Sie zum Beispiel sechs Trinkflaschen mit 300 ml Größe als Duftstoffbehälter, wobei jede Flasche 50 ml 0,10% Lavendelöllösung enthält. </li><li> Verbinden Sie aLl die Duftstoffbehälter zu den richtigen Kanälen zur Geruchslieferung. </li></ol> 3. Olfaktometer Aufstellung <ol><li> Überprüfen Sie die Anschlüsse, um sicherzustellen, dass alle Riechstoffbehälter ordnungsgemäß am Riechstoffträger befestigt sind. Nicht zu fest anziehen, da dies die Dichtung beschädigen kann. Die richtige Dichtheit wird in einem späteren Schritt gewährleistet, indem der Luftstrom durch jeden Riechstoffbehälter überprüft wird. </li><li> Legen Sie den Duftstoffträger in den Magnetraum und verbinden Sie jeden Schlauch mit dem Olfaktometer außerhalb des Raumes, da das Hauptgerät nicht MR-kompatibel ist. Achten Sie auf eventuelle Knicke im Schlauch, da dies den Luftstrom beeinflusst. Der Luftstrom jedes Kanals wird in einem späteren Schritt überprüft. </li><li> Sichern Sie alle Röhren vom Olfaktometer an den Riechstoffträger, indem Sie die Nummern an die richtigen Anschlüsse anpassen. Für die Genauigkeit, Farb-Code die Röhren, so dass rosa für Kanal 1, blau für Kanal 2, etc. </li><li> Vergewissern Sie sich, dass der Luftstrom durch alle Kanäle durch den Anschluss eines Durchflusses beständig istMeter zum Ausgangsende des Schlauches. Manuell öffnen Sie jeden Kanal auf dem Bedienfeld des Olfaktometers, stellen Sie den gesamten Luftstrom sowie die Durchflussraten jedes Kanals und der Spülleitung ein, bis die Durchflussrate jedes Kanals konsistent ist. </li><li> Verbinden Sie die Gesichtsmaske oder das Nasenstück mit dem Duftstoffträger mit Polytetrafluorethylen (PTFE) -Röhrchen. Vergewissern Sie sich, dass der Luftstrom ( zB 6 L / min), der an das Motiv geliefert wird, bei der Umschaltung der Kanäle konsistent ist. </li><li> Verbinden Sie den Hochfrequenz-Trigger vom MRI-System mit dem &quot;Trigger in&quot; -Anschluss am Olfaktometer, um das Geruchsstimulations-Paradigma und die fMRI-Bildaufnahme zu synchronisieren. Ein optisch-elektrischer Signalwandler kann erforderlich sein. </li><li> Stellen Sie den gesamten Luftstrom und die Durchflussraten für jeden Kanal und die Spülleitung auf die ausgelegten Mengen ein. Beispielsweise beträgt ein Gesamtluftstrom von 6 l / min und die Durchflussraten für jeden Kanal und die Spülleitung 3 l / min. </li><li> Verbinden Sie die pneumatische respiratorische SensoR-Riemen an den Ansprechport des Olfaktometers über die pneumatisch-elektrische Signalwandlerbox. </li><li> Wenn eine subjektive Antwort erforderlich ist, schließen Sie das pneumatische Ansprechfeld über die pneumatisch-elektrische Signalwandlerbox an den Ansprechanschluss des Olfaktometers an. </li></ol> 4. Experimentelles Verfahren <ol><li> Führen Sie eine Vor-Screening durch, um sicherzustellen, dass das MRT-Verfahren für das Thema sicher ist. <ol><li> Fragen Sie das Thema über die Anamnese, einschließlich potenzieller Implantate, Klaustrophobie oder andere vorbestehende Zustände, die die Fähigkeit des Subjekts beeinträchtigen können, sich sicher an der fMRI-Studie zu beteiligen. Zusätzlich führen Sie einen Geruchsschwellen-Test der Geruchsstoffe durch, um sicherzustellen, dass das Subjekt die Geruchsstoffe während des Experiments riechen kann. </li></ol></li><li> Lassen Sie das Thema auf dem MRI-Untersuchungsbett liegen. Legen Sie die Gesichtsmaske oder das Nasenstück richtig auf das Motiv, um Luft in die Nasenlöcher zu bringen. Stellen Sie den Atmungssensor entweder auf tEr Brust oder Bauch. Fragen Sie das Thema, um normal zu atmen. Manuelles Einstellen der Dichtheit und Platzierung des Gürtels, der den Atemsensor hält, entsprechend dem Atmungsmuster, das auf dem Olfaktometer-Display zu sehen ist. </li><li> Erstellen Sie einen Datenordner, um die Atemdaten im Olfaktometer aufzuzeichnen. Klicken Sie auf &quot;Dateimanager&quot;, geben Sie die Betreff-ID ein, die dem aktuellen Betreff zugewiesen ist, und bestätigen Sie dann die Eingabe. </li><li> Verwenden Sie die Option &quot;Paradigmenprüfung&quot;, um die Synchronisation von Geruchsabgabe und Inhalation ohne Stimulusabgabe zu testen und ggf. die &quot;Ventilverzögerungszeit&quot; manuell einzustellen, um sicherzustellen, dass der Beginn der Geruchsabgabe mit der Inhalationsphase des Patienten synchronisiert wird. </li><li> Setzen Sie die Synchronisation zwischen Geruchsstimulation und fMRI-Bilderfassung durch Auswahl von &quot;Trigg-In&quot; -Modus auf der Steuereinheit des Olfaktometers. Hinweis: Damit kann das Geruchsstimulations-Paradigma mit einem externen Trigger über die &quot;Trigger in &quot;Port aus dem MRI-System stammt. So wird das Paradigma nicht laufen, bis der externe Trigger vom Scanner empfangen wird. Bitte beachten Sie, welche Art von Trigger-Puls (elektrisch oder Licht), die der MRT-Scanner aussendet. Zur Verknüpfung der beiden Systeme kann ein Signalwandler benötigt werden. </li><li> Aktivieren Sie den Atmungsauslöser, indem Sie auf der Steuereinheit des Olfaktometers &quot;resp trigger start&quot; wählen. Hinweis: Wenn aktiviert, wird der Start jedes Paradigmensequenzelements mit dem Inhalieren synchronisiert. Dies kann empirisch erreicht werden, indem die Geruchsabgabe etwa die Hälfte eines Atomzyklus vom Beginn der Ausatmungsphase verzögert wird. </li><li> Starten Sie die fMRI-Bilderfassung auf der MRI-Konsole. Das Geruchsstimulations-Paradigma beginnt, sobald die Bildaufnahme beginnt. Überwachen Sie das Atmungsmuster für jede unregelmäßige Atmungsaktivität. Anmerkung: Unregelmäßige Atmungsaktivität kann in Form von Plateaus, breiter und längerer Zyklen vorliegen, oderUnregelmäßige Wellen Hier wurde für die fMRI-Bilderfassung mit 2.000 ms Wiederholungszeit, 30 ms Echozeit, 90 ° Flipwinkel, 220 mm × 220 mm Sichtfeld, eine BOLD-signalempfindliche T 2 * -gewichtete Echoplanar-Bildsequenz verwendet × 80 Erfassungsmatrix, 30 4 mm dicke Axialscheiben und Beschleunigungsfaktor von 2 für integrierte parallele Bildgebungsverfahren. </li><li> Nach Beendigung des Imaging-Protokolls, bewegen Sie das Motiv aus dem Magneten und entfernen Sie die Gesichtsmaske / Nase Stück. </li></ol> 5. Olfaktometer Aufräumen <ol><li> Schalten Sie die Luftpumpe aus. Die Duftstoffbehälter vom Duftstoffträger abziehen und mit sauberen, leeren ersetzen. </li><li> Schalten Sie die Luftpumpe ein. Spülen Sie jeden Kanal mit geruchloser Luft für 5 min, um restliche Geruchsstoffe in der Luftleitung zu entfernen. </li><li> Schalte das Olfaktometer herunter. </li><li> Desinfizieren Sie das Nasenstück oder die Gesichtsmaske mit Alkoholtüchern. Spülen Sie die Gesichtsmaske oder Nase Stück mit warmem Wasser und dann lufttrocknen. </li></olAufgaben 6. Datenanalyse <ol><li> Um die Daten zu verarbeiten, laden Sie die Atmungsdatendatei in die Open-Source-Software. Olfactory Network Stimulation Editing Tool (ONSET) (www.pennstatehershey.org/web/nmrlab/resources/software/onset) 15 Hinweis: Die ONSET Software wurde von Xiaoyu Sun entwickelt. Onsets der Geruchsstimulation, die auf dem Timing des Paradigmas und der Atmungsspur basiert, wird automatisch erkannt. Der eigentliche Stimulationsvektor ist definiert als die Startzeit jeder effektiven Inhalation während der Geruchsabgabe. <ol><li> Messen und vergleichen Sie die Atmungsrate und das Volumen (die Fläche unter jedem Inhalations- und Ausatmungsphasenpaar) zwischen Geruch und geruchlosen Perioden 15 . HINWEIS: Es sollte kein signifikanter Unterschied in diesen Atemparametern zwischen Geruch und geruchlosen Perioden bestehen. </li><li> Verarbeiten Sie die fMRI-Daten mit den tatsächlichen Einsetz- und Dauervektoren von ONSET für die Aktivierung des zentralen olfacTory system 15 </li></ol></li></ol>

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K., Gorji, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Lavender+and+the+nervous+system.">Lavender and the nervous system.</a> Evid Based Compl Alt Med. 2013, (2013).</li><li>Yousem, D. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Functional+MR+imaging+during+odor+stimulation:+Preliminary+data.">Functional MR imaging during odor stimulation: Preliminary data.</a> Neuroradiology. 204 (3), 833-838 (1997).</li><li>Hummel, T., Doty, R. L., Yousem, D. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Functional+MRI+of+intranasal+chemosensory+trigeminal+activation.">Functional MRI of intranasal chemosensory trigeminal activation.</a> Chem Senses. 30 (suppl. 1), i205-i206 (2005).</li></ol>

Die Autoren haben nichts zu offenbaren.

Experimentelle Verfahren sollten sorgfältig geprüft und ordnungsgemäß für die Erfassung von zuverlässigen olfaktorischen Aktivierungsdaten durchgeführt werden. Die kritischen Schritte innerhalb des Protokolls beinhalten die Implementierung eines respirationsgesteuerten Paradigmas zur Synchronisation der Geruchsabgabe mit der Bilderfassung, die Vorbereitung geeigneter Konzentrationen von Geruchsstoffen zur Kontrolle psychophysikalischer Reaktionen, die Einrichtung des Olfaktometers mit zuverlässigem stabilen Atmu...

Das menschliche olfaktorische System wird viel mehr als ein sensorisches System verstanden, da die Orangenheit auch eine wichtige Rolle bei der homöostatischen Regulation und Emotionen spielt. Klinisch ist bekannt, dass das menschliche olfaktorische System anfällig für Angriffe vieler vorherrschender neurologischer Erkrankungen und psychiatrischer Erkrankungen wie Alzheimer-Krankheit, Parkinson-Krankheit, posttraumatischer Belastungsstörung und Depression 1 , 2 , 3 , 4 , 5 ist . Derzeit ist die funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRI) mit dem Blut-Sauerstoff-Niveau-abhängigen (BOLD) -Kontrast die wertvollste Technik für die Abbildung von Funktionen des menschlichen Gehirns. In dieser Technik wurde ein erheblicher Wissenswert über spezifische Funktionen zentraler olfaktorischer Strukturen ( zB piriforme Kortex, orbitofrontale Kortex, Amygdala und Inselrinde) erworbenIque 6 , 7 , 8 , 9 , 10 Die Anwendung von fMRI auf Studien des menschlichen zentralen olfaktorischen Systems und damit verbundenen Krankheiten wurde jedoch durch zwei große Hindernisse behindert: schnelle Gewöhnung des BOLD-Signals und variable Modulation durch Atmung. Im Alltag, wenn sie für einen Zeitraum von einem Riechstoff ausgesetzt sind, haben wir schnell den Duft gewohnt. In der Tat, wenn man mit olfaktorischem fMRI studiert, wird das geruchsinduzierte fMRI-Signal durch Gewöhnung schnell abgeschwächt, was eine Herausforderung für die Stimulations-Paradigmen-Designs 8 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 darstellt . Das anfängliche signifikante BOLD-Signal im primären olfaktorischen Kortex bleibt nur bestehenS für einige Sekunden nach dem geruchlichen Beginn. Daher sollten olfaktorische fMRI-Paradigmen längere oder häufige Geruchsstimulationen in kurzer Zeit vermeiden. Um den Gewöhnungseffekt zu reduzieren, haben einige Studien versucht, abwechselnde Gerüche in einem fMRI-Paradigma zu präsentieren. Dieser Ansatz kann jedoch die Datenanalyse erschweren, da jedes Odorant als ein unabhängiges Stimulationsereignis behandelt werden kann. Ein weiteres technisches Problem ergibt sich aus der Variabilität der Atmungsmuster der Subjekte; Inhalation synchronisiert sich nicht immer mit einer geruchlosen Verabreichung während eines Festzeit-Paradigmas. Der Beginn und die Dauer der olfaktorischen Stimulation werden durch die Atmung jedes Individuums moduliert, was die Datenqualität und -analyse von fMRI verwechselt. Einige Studien haben versucht, dieses Problem mit visuellen oder auditiven Stichwörtern zu mildern, um Atmung und Geruchsbefall zu synchronisieren, aber die Einhaltung von Themen ist variabel, vor allem in der klinischen Population. Die Gehirnaktivierungen assoziiert wiDiese Cues könnten auch die Datenanalyse in bestimmten Anwendungen komplizieren. Somit kann die Synchronisierung Inhalation mit Riechstoff Lieferung von entscheidenden Bedeutung seines für olfaktorischen fMRI 15 Studien. Eine zusätzliche Betrachtung, die für das olfaktorische fMRI entscheidend ist, insbesondere im Datenanalyseverfahren, ist eine Geruchsauswahl. Die Suche nach einer geeigneten Odorierungskonzentration in Bezug auf die wahrgenommene Intensität ist wichtig für die Quantifizierung und den Vergleich von Aktivierungsniveaus im Gehirn unter verschiedenen experimentellen Bedingungen oder Krankheiten. Die Geruchsauswahl muss auch die Geruchsvalenz oder die Annehmlichkeit berücksichtigen. Dies ist bekannt, um divergierende zeitliche Profile im olfaktorischen Lernen 16 , 17 zu verursachen . Lavendelgeruch wurde für diese Demonstration teilweise aus diesem Grund gewählt. Je nach dem Zweck einer bestimmten Studie können verschiedene Geruchsstoffe bessere Entscheidungen treffen. Darüber hinaus muss die Trigeminusstimulation minimiert werden, um zu reduzierenE Aktivierung nicht direkt mit der Auflösung verknüpft 18 . In diesem Bericht zeigen wir eine fMRI-Technik zur Einrichtung und Durchführung eines respirationsgesteuerten Paradigmas mit einem Olfaktometer in der Magnetresonanzumgebung. Wir stellen auch ein Nachbearbeitungswerkzeug vor, das einige Zeitfehler beeinträchtigen kann, die bei der Datenerfassung aufgetreten sind, um die Datenanalyse weiter zu verbessern.

<table><tbody><tr><td>3T MR scanner</td><td>Siemens</td><td></td><td>Any MR scanner is acceptable.&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>Olfactometer</td><td>Emerging Tech Trans, LLC</td><td></td><td>Any olfactometer with similar capabilities is acceptable.</td></tr><tr><td>6-channel odorant carrier</td><td>Emerging Tech Trans, LLC</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Nosepiece/applicator</td><td>Emerging Tech Trans, LLC</td><td></td><td></td></tr><tr><td>PTFE tubing</td><td>Emerging Tech Trans, LLC</td><td></td><td></td></tr><tr><td>TTL convertor box</td><td>Emerging Tech Trans, LLC</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Respiratory sensor belt</td><td>Emerging Tech Trans, LLC</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Lavender oil</td><td>Givaudan Flavors Corporation</td><td></td><td></td></tr><tr><td>1,2 propanediol</td><td>Sigma</td><td>P6209</td><td></td></tr><tr><td>ONSET</td><td></td><td></td><td>www.pennstatehershey.org/web/nmrlab/resources/software/onset</td></tr><tr><td>SPM8&amp;nbsp;</td><td>Wellcome Trust Center for Neuroimaging, University College London, London, UK&amp;nbsp;</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

a free-breathing fmri method to study human olfactory function

Das Studium der menschlichen Olfusion ist ein hochkomplexes und wertvolles Feld mit Anwendungen von der biomedizinischen Forschung bis zur klinischen Evaluation. Derzeit ist die Auswertung der Funktionen des menschlichen zentralen olfaktorischen Systems mit funktioneller Magnetresonanztomographie (fMRI) aufgrund vieler technischer Schwierigkeiten immer noch eine Herausforderung. Es gibt einige signifikante Variablen, die bei der Betrachtung einer wirksamen Methode zur Abbildung der Funktion des zentralen olfaktorischen Systems unter Verwendung von fMRI berücksichtigt werden, einschließlich der richtigen Odorantauswahl, der Wechselwirkung zwischen Geruchsdarstellung und Atmung und der möglichen Vorwegnahme oder Gewöhnung an Geruchsstoffe. Eine ereignisbezogene, atmungsgesteuerte olfaktorische fMRI-Technik kann die Geruchsstoffe genau anregen, um das olfaktorische System zu stimulieren und gleichzeitig mögliche Störungen zu minimieren. Es kann effektiv die genauen Onsets von fMRI-Signalen in der primären olfaktorischen Kortex mit unserer Daten nach der Verarbeitung Methode zu erfassen. Die Technik vorHier finden Sie ein effizientes und praktisches Mittel zur Erstellung zuverlässiger olfaktorischer fMRI-Ergebnisse. Eine solche Technik kann letztlich im klinischen Bereich als diagnostisches Werkzeug für Krankheiten angewendet werden, die mit einer olfaktorischen Degeneration, einschließlich der Alzheimer- und Parkinson-Krankheit, verbunden sind, da wir beginnen, die Komplexität des menschlichen Geruchsystems weiter zu verstehen.

Abbildung 1 zeigt den Aufbau von olfaktorischen fMRI innerhalb und außerhalb des Magnetraums unter Berücksichtigung der MR-Kompatibilität. Abbildung 2a zeigt ein standardmäßiges Festzeit-Paradigma, während Abbildung 2b ein Paradigma zeigt, in dem der &quot;Atmungsauslöser&quot; die Synchronisation der Geruchsabgabe und des Inhalierens ermöglicht. <p class="jove_content" fo:keep-together....

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A Free-breathing fMRI Method to Study Human Olfactory Function

Wir stellen die technischen Herausforderungen und Lösungen für den Erhalt zuverlässiger funktioneller Magnetresonanztomographie (fMRI) Daten aus dem menschlichen zentralen olfaktorischen System vor. Dazu gehören besondere Überlegungen im olfaktorischen fMRI-Paradigmen-Design, Beschreibungen der fMRI-Datenerfassung mit einem MRI-kompatiblen Olfaktometer, Odorant-Auswahl und einem speziellen Software-Tool für die Daten-Nachbearbeitung.

Eine frei atmende fMRI-Methode zur Untersuchung der menschlichen olfaktorischen Funktion

The study of human olfaction is a highly complex and valuable field with applications ranging from biomedical research to clinical evaluation. Currently, ...

a-free-breathing-fmri-method-to-study-human-olfactory-function

Research

JoVE Journal

Neuroscience

9.5K Aufrufe.  Pennsylvania State University College of Medicine.  Wir stellen die technischen Herausforderungen und Lösungen für den Erhalt zuverlässiger funktioneller Magnetresonanztomographie (fMRI) Daten aus dem menschlichen zentralen olfaktorischen System vor. Dazu gehören besondere Überlegungen im olfaktorischen fMRI-Paradigmen-Design, Beschreibungen der fMRI-Datenerfassung mit einem MRI-kompatiblen Olfaktometer, Odorant-Auswahl und einem speziellen Software-Tool für die Daten-Nachbearbeitung. 

Serie: A Free-breathing fMRI Method to Study Human Olfactory Function

Combining Transcranial Magnetic Stimulation and fMRI to Examine the Default Mode Network

The default mode network is a group of brain regions that are active when an individual is not focused on the outside world and the brain is at "wakeful rest."1,2,3 It is thought the default mode network corresponds to self-referential or "internal mentation".2,3
It has been hypothesized that, in humans, activity within the default mode network is correlated with certain pathologies (for instance, hyper-activation has been linked to schizophrenia 4,5,6 and autism spectrum disorders 7 whilst hypo-activation of the network has been linked to Alzheimer's and other neurodegenerative diseases 8). As such, noninvasive modulation of this network may represent a potential therapeutic intervention for a number of neurological and psychiatric pathologies linked to abnormal network activation. One possible tool to effect this modulation is Transcranial Magnetic Stimulation: a non-invasive neurostimulatory and neuromodulatory technique that can transiently or lastingly modulate cortical excitability (either increasing or decreasing it) via the application of localized magnetic field pulses.9
In order to explore the default mode network's propensity towards and tolerance of modulation, we will be combining TMS (to the left inferior parietal lobe) with functional magnetic resonance imaging (fMRI). Through this article, we will examine the protocol and considerations necessary to successfully combine these two neuroscientific tools.

In this article, we examine the methodology and considerations relevant to the combination of TMS and fMRI to examine the effects of brain stimulation on the default network.

Die Kombination TMS und fMRT dem Standard-Modus Netzwerk Untersuchen

The default mode network is a group of brain regions that are active when an individual is not focused on the outside world and the brain is at "wakeful ...

Forschung

Neurowissenschaften

Simple and Computer-assisted Olfactory Testing for Mice

Olfaction is highly conserved among species and is required for reproduction and survival.
In humans, olfaction is also one of the senses that is affected with aging and is a strong predictor of neurodegenerative diseases. Thus, olfaction testing is used as a non-invasive diagnostic method to detect neurological deficits early on. In order to understand the mechanisms underlying olfactory network susceptibility, olfactory research in rodents has gained momentum in the past decade.
Here, we present a very simple, time efficient and reproducible olfactory testing method of innate odor perception and sensitivity in mice without the need of any prior food or water restriction. The tests are performed in a familiar environment to the mice, require only the scents and a 2 min session of odorant exposure. The analysis is performed, post-hoc, using computer-assisted commands on ImageJ and can be, therefore, carried out from start to end by one researcher.
This protocol does not require any special hardware or setup and is indicated for any laboratory interested in testing olfactory perception and sensitivity.

We present a simple and unbiased olfactory test in mice. With this protocol olfactory discrimination, preference, avoidance and sensitivity to a novel odor as compared to water can be assessed in single behavioral sessions. This method is indicated for a single experimenter and analysis is based on computer-assisted video processing.

Einfache und Computergestützte Riechtests für Mäuse

Olfaction is highly conserved among species and is required for reproduction and survival.
In humans, olfaction is also one of the senses that is affected ...

Verhalten

Lentivirus-mediated Genetic Manipulation and Visualization of Olfactory Sensory Neurons in vivo

Development of a precise olfactory circuit relies on accurate projection of olfactory sensory neuron (OSN) axons to their synaptic 
targets in the olfactory bulb (OB). The molecular mechanisms of OSN axon growth and targeting are not well understood. Manipulating gene expression and subsequent 
visualizing of single OSN axons and their terminal arbor morphology have thus far been challenging. To study gene function at the single cell level within a specified 
time frame, we developed a lentiviral based technique to manipulate gene expression in OSNs in vivo. Lentiviral particles are delivered to OSNs by microinjection 
into the olfactory epithelium (OE). Expression cassettes are then permanently integrated into the genome of transduced OSNs. Green fluorescent protein expression 
identifies infected OSNs and outlines their entire morphology, including the axon terminal arbor. Due to the short turnaround time between microinjection and 
reporter detection, gene function studies can be focused within a very narrow period of development. With this method, we have detected GFP expression within as 
few as three days and as long as three months following injection. We have achieved both over-expression and shRNA mediated knock-down by lentiviral microinjection. 
This method provides detailed morphologies of OSN cell bodies and axons at the single cell level in vivo, and thus allows characterization of candidate gene function 
during olfactory development.

Lentivirus-mediated Genetic Manipulation and Visualization of Olfactory Sensory Neurons in vivo

We present a lentiviral technique for genetic manipulation and visualization of single olfactory sensory neuron axon and its terminal arborization in vivo.

Lentivirus-vermittelte Gen-Manipulation und Visualisierung von Riechzellen In vivo</em

Development of a precise olfactory circuit relies on accurate projection of olfactory sensory neuron (OSN) axons to their synaptic 
targets in the ...

Correlating Behavioral Responses to fMRI Signals from Human Prefrontal Cortex: Examining Cognitive Processes Using Task Analysis

The aim of this methods paper is to describe how to implement a neuroimaging technique to examine complementary brain processes engaged by two similar tasks. Participants' behavior during task performance in an fMRI scanner can then be correlated to the brain activity using the blood-oxygen-level-dependent signal. We measure behavior to be able to sort correct trials, where the subject performed the task correctly and then be able to examine the brain signals related to correct performance. Conversely, if subjects do not perform the task correctly, and these trials are included in the same analysis with the correct trials we would introduce trials that were not only for correct performance. Thus, in many cases these errors can be used themselves to then correlate brain activity to them. We describe two complementary tasks that are used in our lab to examine the brain during suppression of an automatic responses: the stroop1 and anti-saccade tasks. The emotional stroop paradigm instructs participants to either report the superimposed emotional 'word' across the affective faces or the facial 'expressions' of the face stimuli1,2. When the word and the facial expression refer to different emotions, a conflict between what must be said and what is automatically read occurs. The participant has to resolve the conflict between two simultaneously competing processes of word reading and facial expression. Our urge to read out a word leads to strong 'stimulus-response (SR)' associations; hence inhibiting these strong SR's is difficult and participants are prone to making errors. Overcoming this conflict and directing attention away from the face or the word requires the subject to inhibit bottom up processes which typically directs attention to the more salient stimulus. Similarly, in the anti-saccade task3,4,5,6, where an instruction cue is used to direct only attention to a peripheral stimulus location but then the eye movement is made to the mirror opposite position. Yet again we measure behavior by recording the eye movements of participants which allows for the sorting of the behavioral responses into correct and error trials7 which then can be correlated to brain activity. Neuroimaging now allows researchers to measure different behaviors of correct and error trials that are indicative of different cognitive processes and pinpoint the different neural networks involved.

The goal of our research is to correlate behavior to brain activity. Accurate behavioral measures and imaging techniques allow us to elucidate brain-behavior relationships.

Korrelation von Verhaltensreaktionen auf fMRI Signalen von Human präfrontalen Kortex: Untersuchung kognitiver Prozesse mit dem Task Analysis

The aim of this methods paper is to describe how to implement a neuroimaging technique to examine complementary brain processes engaged by two similar ...

Imaging Odor-Evoked Activities in the Mouse Olfactory Bulb using Optical Reflectance and Autofluorescence Signals

In the brain, sensory stimulation activates distributed populations of neurons among functional modules which participate to the coding of the stimulus. Functional optical imaging techniques are advantageous to visualize the activation of these modules in sensory cortices with high spatial resolution. In this context, endogenous optical signals that arise from molecular mechanisms linked to neuroenergetics are valuable sources of contrast to record spatial maps of sensory stimuli over wide fields in the rodent brain.
Here, we present two techniques based on changes of endogenous optical properties of the brain tissue during activation. First the intrinsic optical signals (IOS) are produced by a local alteration in red light reflectance due to: (i) absorption by changes in blood oxygenation level and blood volume (ii) photon scattering. The use of in vivo IOS to record spatial maps started in the mid 1980's with the observation of optical maps of whisker barrels in the rat and the orientation columns in the cat visual cortex1. IOS imaging of the surface of the rodent main olfactory bulb (OB) in response to odorants was later demonstrated by Larry Katz's group2. The second approach relies on flavoprotein autofluorescence signals (FAS) due to changes in the redox state of these mitochondrial metabolic intermediates. More precisely, the technique is based on the green fluorescence due to oxidized state of flavoproteins when the tissue is excited with blue light. Although such signals were probably among the first fluorescent molecules recorded for the study of brain activity by the pioneer studies of Britton Chances and colleagues3, it was not until recently that they have been used for mapping of brain activation in vivo. FAS imaging was first applied to the somatosensory cortex in rodents in response to hindpaw stimulation by Katsuei Shibuki's group4.
The olfactory system is of central importance for the survival of the vast majority of living species because it allows efficient detection and identification of chemical substances in the environment (food, predators). The OB is the first relay of olfactory information processing in the brain. It receives afferent projections from the olfactory primary sensory neurons that detect volatile odorant molecules. Each sensory neuron expresses only one type of odorant receptor and neurons carrying the same type of receptor send their nerve processes to the same well-defined microregions of &tilde;100&mu;m3 constituted of discrete neuropil, the olfactory glomerulus (Fig. 1). In the last decade, IOS imaging has fostered the functional exploration of the OB5, 6, 7 which has become one of the most studied sensory structures. The mapping of OB activity with FAS imaging has not been performed yet.
Here, we show the successive steps of an efficient protocol for IOS and FAS imaging to map odor-evoked activities in the mouse OB.

This article presents the protocols of intrinsic optical signals and flavoproteins autofluorescence signals imaging to map odor-evoked activities at the surface of the olfactory bulb in mice.

Imaging Gerüche hervorgerufene Aktivitäten in der Maus Riechhirn mit Optical Reflexions-und Autofluoreszenzsignale

In the brain, sensory stimulation activates distributed populations of neurons among functional modules which participate to the coding of the stimulus. ...

Olfactory Context Dependent Memory: Direct Presentation of Odorants

Information is retrieved more effectively when the retrieval occurs in the same context as that in which the information was first encoded. This is termed context dependent memory (CDM). One category of cues that have been shown to effectively produce CDM effects are odors. However, it is unclear what the boundary conditions of these CDM effects are. In particular, given that olfaction has been called an implicit sense, it is possible that odors are only effective mnemonic cues when they are presented in the background. This assertion seems even more likely given that previous research has shown odors to be poor cues during paired associate memory tests, where odors are in the focus of attention as mnemonic cues for other information. In order to determine whether odors are only effective contextual mnemonic cues when presented outside the central focus of an observer, an olfactory CDM experiment was performed in which odorants were presented directly, rather than ambiently. Direct presentation was accomplished with the aid of an olfactometer. The olfactometer not only allows for direct presentation of odorants, but provides other methodological benefits, including the allowance of trial by trial manipulations of odorant presentations and, relatedly, time-specific releases of odorants. The presence of the same odor during both encoding and retrieval enhanced memory performance, regardless of whether the odor was presented ambiently or directly. This finding can serve as a basis for future olfactory CDM research which can utilize the benefits of direct presentation.

The use of an olfactometer for directly presenting odorants opens exciting opportunities for researchers of olfactory memory. The current paper discusses issues related to this methodology as related to a previously published experiment on olfactory context dependent memory.

Olfaktorische Kontext abhängige Speicher: Direkte Darstellung der Riechstoffe

Information is retrieved more effectively when the retrieval occurs in the same context as that in which the information was first encoded. This is termed ...

Training Dogs for Awake, Unrestrained Functional Magnetic Resonance Imaging

We present a canine functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI) training protocol that can be done in a cost-effective manner, with high-energy dogs, for acquisition of functional and structural data. This method of training dogs for awake, unrestrained fMRI employs a generalization procedure of stationing in several dissimilar locations to facilitate transfer of the stationing behavior to the real MRI scan environment; it does so without the need for extensive training time in the MRI scan environment, which can be expensive. Further, this method splits the training of a stationing (i.e., chin rest) behavior from desensitization to the MRI environment (i.e., 100+ decibel scan audio), the latter accomplished during dedicated Auditory Exposure conditioning sessions. The complete training and testing protocol required 14 hours and resulted in immediate transfer to novel locations. We also present examples of canine fMRI data that have been acquired from visual face processing and olfactory discrimination paradigms.

Magnetic resonance imaging (MRI) on unrestrained awake dogs is a new method with several advantages over imaging with physical or chemical restraint. This protocol introduces a cost-effective training method that minimizes training in the MRI environment, which can be expensive, and maximizes the subject pool available for canine functional MRI.

Trainingshunde für Wache, hemmungslose funktionelle Magnetresonanztomographie

We present a canine functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI) training protocol that can be done in a cost-effective manner, with high-energy dogs, for ...

<meta charset="utf8"></head><body>Entwicklung eines flexiblen, kostengünstigen Olfaktometers für Geruchsexperimente an Nagetieren

Constructing an Olfactometer for Rodent Olfactory Behavior Studies

The use of olfactometers to study rodent behavior and brain activity during olfactory tasks is crucial for understanding brain circuits. These sophisticated devices allow researchers to precisely control and deliver odor stimuli, enabling the investigation of complex olfactory processes in rodents. Although commercially available olfactometers are convenient, they present challenges when technical issues arise, often requiring costly assistance and potentially disrupting research timelines. This article details the construction of a custom olfactometer specifically designed for mouse olfactory behavior experiments, providing a comprehensive list of parts and step-by-step instructions. The olfactometer is controlled through MATLAB, offering a user-friendly interface for researchers. Importantly, the open-source code allows users to modify and adapt the system, tailoring behavioral tasks to meet specific experimental needs. Building a customized olfactometer empowers users with the knowledge and capability to perform custom experimental design and troubleshooting independently, saving both time and resources. This approach not only enhances research flexibility but also fosters a deeper understanding of the equipment's functionality, ultimately leading to more robust and reliable olfactory studies in rodents.

<meta charset="utf8"></head><body>Bau eines Olfaktometers für Studien zum Geruchsverhalten von Nagetieren Nahinfrarotspektroskopie Hyperscanning-Studie in der psychologischen Beratung

This protocol describes the construction of an olfactometer for go/no-go olfactory behavior experiments. Step-by-step instructions, along with images, are provided to ensure the successful construction of the olfactometer. Information for troubleshooting issues encountered during the process is also included.

Eine frei atmende fMRI-Methode zur Untersuchung der menschlichen olfaktorischen Funktion

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Die Kombination TMS und fMRT dem Standard-Modus Netzwerk Untersuchen

Einfache und Computergestützte Riechtests für Mäuse

Lentivirus-vermittelte Gen-Manipulation und Visualisierung von Riechzellen In vivo

Korrelation von Verhaltensreaktionen auf fMRI Signalen von Human präfrontalen Kortex: Untersuchung kognitiver Prozesse mit dem Task Analysis

Imaging Gerüche hervorgerufene Aktivitäten in der Maus Riechhirn mit Optical Reflexions-und Autofluoreszenzsignale

Olfaktorische Kontext abhängige Speicher: Direkte Darstellung der Riechstoffe

Trainingshunde für Wache, hemmungslose funktionelle Magnetresonanztomographie

Bau eines Olfaktometers für Studien zum Geruchsverhalten von Nagetieren

Bau eines Olfaktometers für Studien zum Geruchsverhalten von Nagetieren

Bau eines Olfaktometers für Studien zum Geruchsverhalten von Nagetieren