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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다음 실험 프로토콜은 펜실베이니아 주립 대학 의과 대학의 기관 검토위원회 (Institutional Review Board)의 지침을 따랐으며, 인간 피험자는 연구에 참여하기 전에 서면 동의를 얻었다. 참고 : 데모 목적으로 시판되는 MRI 호환 감각 계를 사용하여 간단한 악취 자극 패러다임을 제시합니다. 이 패러다임은 요법의 효과를 감소시키는 데 효과적이며 신뢰할 수있는 후각 fMRI 데이터를 제공합니다 15 . 이 프로토콜에서 설명 된 특정 단계는 사용 된 감각계의 유형에 따라 다를 수 있습니다. 그러나 유사한 기능을 갖춘 가정용 또는 상업용으로 사용할 수있는 모든 유형의 장비를 유사한 방식으로 사용할 수 있습니다. 감각계는 호흡을 모니터링 할 수 있어야하고 정확한 타이밍으로 냄새를 유발할 수 있어야합니다. 전체 냄새 전달 시스템 (( 예 : 유리 및 폴리 테트라 플루오로 에틸렌)에 불활성 인 물질로 만들어졌으며, 악취 경로는 최소한의 사 공간으로 부드럽고 기밀합니다. 1. 패러다임 디자인 <ol><li> 프로그래머블 감각계에서 공기 흐름 밸브 시퀀스를 지정하여 새로운 패러다임을 만듭니다. 참고 : 밸브 시퀀스는 다양한 농도 또는 유형의 냄새 물질을 담고있는 특정 공기 채널의 개폐 순서 및 타이밍입니다. 이 시연에서 6 개의 채널에 대한 각 밸브가 두 번 열렸으며 총 12 개의 악취 전달이 이루어졌습니다. 하나의 밸브가 열릴 때마다 다른 모든 밸브는 닫히고 다른 모든 밸브가 이미 한 번 열렸을 때마다 각 밸브가 다시 열렸습니다. <ol><li> 자극을위한 지속 시간 (특정 채널의 열림)과 채널을 닫을 시간을 지정하십시오. 참고 :이 데모에서 악취 표현의 지속 시간은 6 초 였고,닫히는 채널의 지속 시간은 22 초에서 38 초까지 다양했다. </li><li> 밸브 열림과 닫음의 반복 횟수를 설정하십시오. 여기서 반복 횟수는 1입니다. </li><li> 각 유분의 프리젠 테이션을 동일한 유속의 무취 공기를 사용하여 삽입하십시오. 예를 들어 상대 습도 50 %, 실내 온도 22 ° C에서 6 L / 분의 유속으로 냄새가 있거나없는 공기 흐름을 피사체에 전달하십시오. 참고 : 공기 흐름이 다양 할 때 촉감을 유발할 수 있으므로 이는 중요합니다. </li></ol></li></ol> 2. 냄새 처리제 준비 <ol><li> 악취 원자가, 쾌감, 강도, 친숙 함 및 삼차 성분을 고려하여 냄새 자극 패러다임에 적절한 향기를 선택하십시오 ( 표 1 참조). 참고 : 표 1 은 일반적으로 사용되는 냄새 성분을 나열합니다. 라벤더 냄새가 저온에서 중등도의 삼차 자극을 최소화하기 때문에이 시연을 위해 선택되었습니다.일반적으로 쾌적하고 익숙한 것으로 인식됩니다. </li><li> 냄새 제거제를 준비하기 위해 적절한 용매 ( 예 : 물, 미네랄 오일, 1,2- 프로판 디올, 에탄올)를 선택하십시오. 참고 : 여기에서는 1,2- 프로판 디올을 냄새 처리제 제조용 용매로 사용했습니다. </li><li> 냄새 자극 패러다임에 적합한 악취제 농도를 선택하십시오. 예를 들어, 후각 자극 19에 대한 0.10 % (부피 / 부피) 농도의 1,2- 프로판 디올에서 라벤더 오일을 희석하십시오. 참고 : 이것은 정상적인 피실험자 집단에 의해 일련의 상이한 농도의 정신 물리학 적 평가에 의해 수행 될 수있다. </li><li> 냄새 제거제 용기에 적절한 냄새 제거제를 넣으십시오. 모든 용기의 공간과 용액의 양, 용액의 표면적이 같아야합니다. 예를 들어 냄새 제거제 용기에는 300 mL 크기의 유리 병 6 개를 사용하고 0.10 % 라벤더 오일 용액 50 mL를 넣습니다. </li><li> 연결냄새 전달을위한 적절한 채널로 향기 용기를 놓습니다. </li></ol> 3. 올포 커미터 (Olfactometer) 설정 <ol><li> 연결구를 점검하여 모든 냄새 제거제 용기가 냄새 제거제 운반기에 제대로 부착되었는지 확인하십시오. 과도하게 조이지 마십시오. 씰이 손상 될 수 있습니다. 적절한 냄새는 각 냄새 제거제 용기를 통과하는 공기 흐름을 점검하여 나중에 단계에서 보장됩니다. </li><li> 냄새 제거제 캐리어를 자석 실에 넣고 각 튜브를 실내 외부의 감각계에 연결하십시오. 주 장치는 MR과 호환되지 않습니다. 공기 흐름에 영향을 줄 수 있으므로 튜빙에 꼬임이 있는지 육안으로 확인하십시오. 각 채널의 기류는 이후 단계에서 점검됩니다. </li><li> 번호를 올바른 포트에 맞추면 olfactometer의 모든 튜브를 냄새 제거제 캐리어에 안전하게 연결하십시오. 정확성을 위해, 컬러 코드, 튜브, 채널 1이되도록 핑크 등의 2 채널, 블루. </li><li> 흐름을 첨부하여 모든 채널의 공기 흐름을 일관되게 유지하십시오.유량계를 튜브의 출력단에 연결하십시오. 혈압계의 제어판에서 각 채널을 수동으로 열고 각 채널의 유량이 일정해질 때까지 총 공기 흐름과 각 채널 및 플러시 라인의 유량을 조정하십시오. </li><li> Polytetrafluoroethylene (PTFE) 튜빙을 사용하여 얼굴 마스크 또는 노즈 피스를 냄새 제거제 캐리어에 연결하십시오. 채널을 전환 할 때 피사체에 전달되는 공기 흐름 ( 예 : 6 L / 분)이 일치하는지 확인하십시오. </li><li> 냄새 자극 패러다임과 fMRI 이미지 수집을 동기화하기 위해 olfactometer의 &quot;trigger in&quot;포트에 MRI 시스템의 고주파 트리거를 연결하십시오. 광 - 전기 신호 변환기가 필요할 수 있습니다. </li><li> 각 채널 및 플러시 라인의 총 기류 및 유량을 설계된 양으로 조정하십시오. 예를 들어, 총 공기 유량은 6 L / min이고 각 채널 및 플러시 라인의 유량은 3 L / min입니다. </li><li> 공압 호흡기를 연결하십시오.r 벨트를 통해 공압 전기 신호 변환기 박스를 통해 감각 계의 응답 포트에 연결합니다. </li><li> 주관적인 반응이 필요한 경우 공압식 전기 신호 변환기 상자를 통해 공압 응답 패드를 혈압계의 응답 포트에 연결하십시오. </li></ol> 4. 실험 절차 <ol><li> MRI 절차가 환자에게 안전한지 확인하기 위해 사전 검사를 실시하십시오. <ol><li> 잠재적 인 임플란트, 폐쇄 공포증 또는 fMRI 연구에 안전하게 참여할 수있는 피험자의 능력을 방해 할 수있는 다른 기존 상태를 포함하여 병력에 대해 주제를 물어보십시오. 또한, 실험 중 냄새 물질의 냄새를 맡을 수 있는지 확인하기 위해 냄새 물질의 냄새 역치 테스트를 수행하십시오. </li></ol></li><li> MRI 검사 침대에서 피검자를 위로 놓습니다. 콧 구멍으로 공기가 불어 날 수 있도록 피사체에 얼굴 마스크 또는 노우즈 피스를 올립니다. 호흡 센서를 t그는 가슴이나 복부. 피검자에게 정상적으로 호흡하도록하십시오. 호기계 표시 장치에 표시된 호흡 패턴에 따라 호흡 센서를 고정하는 벨트의 조임과 위치를 수동으로 조정하십시오. </li><li> olfactometer에 호흡 데이터를 기록하는 데이터 폴더를 만듭니다. &quot;파일 관리자&quot;를 클릭하고 현재 제목에 할당 된 제목 ID를 입력 한 다음 입력을 &quot;확인&quot;하십시오. </li><li> &quot;패러다임 체크&quot;옵션을 사용하여 자극 전달을 포함하지 않고 냄새 전달 및 흡입의 동조를 테스트하고 필요한 경우 냄새 전달의 시작이 피험자의 흡입 단계와 동기화되도록 &quot;밸브 지연&quot;시간을 수동으로 조정하십시오. </li><li> olfactometer의 컨트롤 유닛에서 &quot;trigg-in&quot;모드를 선택하여 악취 자극과 fMRI 이미지 수집 사이의 동기화를 설정하십시오. 참고 :이 기능은 악취 자극 패러다임이 외부 트리거를 통해 &quot;MRI 시스템에서 시작된 포트에서 트리거하십시오. 따라서 패러다임은 스캐너의 외부 트리거가 수신 될 때까지 실행되지 않습니다. MRI 스캐너가 보내는 어떤 종류의 트리거 펄스 (전기 또는 가벼운)인지 확인하십시오. 두 시스템을 연결하려면 신호 변환기가 필요할 수 있습니다. </li><li> 감각계의 컨트롤 유닛에서 &quot;resp trigger start&quot;를 선택하여 호흡 트리거를 활성화하십시오. 참고 : 활성화되면 각 패러다임 시퀀스 요소의 시작이 흡입과 동기화됩니다. 이것은 호기 단계의 시작부터 호흡주기의 약 절반 정도의 냄새 전달을 지연시킴으로써 경험적으로 달성 할 수 있습니다. </li><li> MRI 콘솔에서 fMRI 이미지 수집을 시작합니다. 이미지 수집이 시작되면 곧 냄새 자극 패러다임이 시작됩니다. 불규칙한 호흡 활동이 있는지 호흡 패턴을 모니터링하십시오. 주 : 불규칙한 호흡기 활동은 고원, 더 길고 더 긴주기의 형태 일 수 있습니다.이상한 파도. 여기에서 BOLD 신호에 민감한 T 2 * 가중 에코 평면 영상 시퀀스는 fMRI 영상 획득을 위해 2000ms 반복 시간, 30ms 에코 시간, 90 ° 플립 각, 220mm x 220mm 시야, 80 × 80 획득 매트릭스, 30 mm 두께의 축 슬라이스 30 개, 통합 평행 영상 기술을위한 가속 계수 2를 지원합니다. </li><li> 이미징 프로토콜이 끝나면 피사체를 자석 밖으로 옮겨 얼굴 마스크 / 노즈 피스를 제거합니다. </li></ol> 5. 올 팔소 미터 클린업 <ol><li> 공기 펌프의 전원을 끕니다. 냄새 제거제 운반선에서 냄새 제거제 용기를 떼어 내고 깨끗한 빈 용기로 교체하십시오. </li><li> 공기 펌프의 전원을 켭니다. 각 채널을 무취 공기로 5 분 동안 플러싱하여 공기 라인의 잔류 냄새 물질을 제거하십시오. </li><li> 감각계를 종료하십시오. </li><li> 알코올 닦개로 코 조각이나 안면 마스크를 소독합니다. 따뜻한 물로 얼굴 마스크 나 코 부분을 헹구고 나서 공기 건조하십시오. </li></ol&gt; 6. 데이터 분석 <ol><li> 데이터를 처리하기 위해 오픈 소스 소프트웨어 후각 네트워크 자극 편집 도구 (시작) (www.pennstatehershey.org/web/nmrlab/resources/software/onset) 15 호흡 데이터 파일을로드 참고 : ONSET 소프트웨어는 Xiaoyu Sun에서 개발했습니다. 패러다임과 호흡 추적의 타이밍에 기반한 악취 자극의 시작이 자동으로 감지됩니다. 실제 자극 벡터는 냄새 전달 중 각 효과적인 흡입의 시작 시간으로 정의됩니다. <ol><li> 측정 냄새 무취 기간 (15) 사이의 호흡률 및 볼륨 (각 흡입 및 호기 위상 쌍 아래 영역)을 비교한다. 참고 :이 호흡 매개 변수는 냄새와 무취 사이에 큰 차이가 없어야합니다. </li><li> 중앙 olfac의 활성화를 위해 ONSET의 실제 시작 및 지속 시간 벡터를 사용하여 fMRI 데이터를 처리합니다.시스템 15 . </li></ol></li></ol>

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D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Intranasal+trigeminal+stimulation+from+odorous+volatiles:+Psychometric+responses+from+anosmic+and+normal+humans.">Intranasal trigeminal stimulation from odorous volatiles: Psychometric responses from anosmic and normal humans.</a> Physiol Behav. 20 (2), 175-185 (1978).</li><li>Kobal, G., Hummel, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Olfactory+and+intranasal+trigeminal+event-related+potentials+in+anosmic+patients.">Olfactory and intranasal trigeminal event-related potentials in anosmic patients.</a> Laryngoscope. 108 (7), 1033-1035 (1998).</li><li>Frasnelli, J., Lundstr&#246;m, J. N., Sch&#246;pf, V., Negoias, S., Hummel, T., Lepore, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dual+processing+streams+in+chemosensory+perception.">Dual processing streams in chemosensory perception.</a> Front Hum Neurosci. 6, (2012).</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=Gender+effects+on+odor-stimulated+functional+magnetic+resonance+imaging.">Gender effects on odor-stimulated functional magnetic resonance imaging.</a> Brain Res. 818 (2), 480-487 (1999).</li><li>Koulivand, P. H., Ghadiri, M. 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>

저자는 공개 할 것이 없습니다.

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?...

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.

<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

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.

그림 1 은 MR- 호환성을 고려하여 자석 실 내외부의 후각 fMRI 설정을 보여줍니다. 그림 2a 는 표준 고정 타이밍 패러다임을 보여 주며, 그림 2b 는 &quot;호흡 트리거&quot;가 냄새 전달 및 흡입을 동기화 할 수있는 패러다임을 보여줍니다. 명확한 흡입 피크가있는 ?...

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A Free-breathing fMRI Method to Study Human Olfactory Function

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.

인간의 후각 기능을 연구하기위한 자유 호흡 fMRI 방법

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

9.6K 조회수.  Pennsylvania State University College of Medicine.  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. 

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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.

기본 모드 네트워크를 검사하기 위해 Transcranial 자석 자극과 fMRI를 결합

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 ...

연구

신경과학

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.

간단하고 컴퓨터 지원 마우스에 대한 후각 테스트를

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 ...

행동분석학

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.

강한 감각 뉴런의 Lentivirus - 중재 유전자 조작 및 시각화 생체내에</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.

인간의 전두엽 피질에서 fMRI 신호에 행동 응답을 연관 : 작업 분석을 사용하여인지 과정을 검토

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.

광 반사율과 Autofluorescence 신호를 사용하여 마우스 후각 망울에서 이미징 냄새 Evoked 활동

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.

Odorants의 후 각 컨텍스트 종속 메모리: 직접 프레 젠 테이 션

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.

깨어 있는 훈련견, 억제되지 않은 기능성 자기 공명 영상

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>설치류 후각 실험을 위한 유연하고 비용 효율적인 후각계 설계

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>설치류의 후각 행동 연구를 위한 후각계 구축, 근적외선 분광법, 심리 상담에서의 하이퍼스캐닝 연구

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.

인간의 후각 기능을 연구하기위한 자유 호흡 fMRI 방법

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광 반사율과 Autofluorescence 신호를 사용하여 마우스 후각 망울에서 이미징 냄새 Evoked 활동

Odorants의 후 각 컨텍스트 종속 메모리: 직접 프레 젠 테이 션

깨어 있는 훈련견, 억제되지 않은 기능성 자기 공명 영상

설치류 후각 행동 연구를 위한 후각계 구축

설치류 후각 행동 연구를 위한 후각계 구축

설치류 후각 행동 연구를 위한 후각계 구축