一种无需屏气的fMRI方法研究人类嗅觉功能

本视频的总体目标是介绍并讲解一种高效且易于调整的fMRI方法，以便在不受自然呼吸干扰的情况下，有效探索人类嗅觉系统的功能定位。使用嗅觉fMRI研究大脑对气味刺激的激活反应时，一个主要障碍是重复性气味刺激的不一致性，这种不一致性源于呼吸与气味传递之间的不同步。如图所示，当在固定时间间隔的气味刺激范式中，气味呈现未与呼吸同步时，重复的气味刺激可能发生在呼吸周期的不同阶段。

解决此问题的方法是建立一种呼吸触发的嗅觉fMRI实验范式。有效的嗅觉fMRI数据采集首先需要在嗅觉刺激仪上设计一个与呼吸事件相关的、触发式的嗅觉刺激范式，该范式应能抵抗嗅觉适应以及不一致的吸气模式带来的干扰。第二步是准备用于嗅觉刺激的气味剂，需注意选择能够最小化三叉神经刺激和适应效应的气味剂。

第三步是在磁共振成像（MRI）环境中搭建并运行实验，通过组装具备执行呼吸触发范式能力的嗅觉刺激装置来实现。最后一步是使用 ONSET 程序处理数据，以确定刺激的实际起始时间和持续时间向量。最终，该技术有望促进对人类嗅觉系统更敏感的探索及其功能连接的研究。

在此，我们将演示如何使用ETT嗅觉仪建立一个呼吸触发的嗅觉fMRI实验。要创建实验范式，需将气味通道分配给特定的气味剂。该嗅觉仪系统提供六个气味通道。

输入并编辑这些通道开关的序列和时序。按下触摸屏上的“范式设置”按钮。如需输入或编辑气味通道开关的序列，请按下“阀门序列”的“编辑”按钮。

完成后，再次按下“编辑”按钮以退出编辑模式。要输入或编辑气味通道开启和关闭的时间参数，请按下“时间序列”的“设置”按钮。完成后，再次按下“设置”按钮以退出编辑模式。

完成范式设置后，按下返回按钮以回到主窗口。本视频演示的是相同浓度的同一种气味剂的简单刺激范式。每次气味剂呈现均与新鲜空气的呈现交替进行。

在此范式中，同一种气味会呈现12次。每次气味呈现持续六秒，气味呈现之间的间隔时间可变。请根据需要设置阀门开启和关闭的持续时间。

在本实验中，制备一种浓度的薰衣草油。我们选用薰衣草油是因为其对三叉神经的刺激极小，并能激活特定脑区。气味物质的浓度可根据所选气味物质的不同而进行调整。

根据气味的理想感知阈值选择浓度。通过改变浓度，可降低对气味物质产生适应性的可能性。配制浓度时，将薰衣草油与丙二醇混合。

丙二醇是一种常用的气味剂溶剂，具有稳定且几乎无味的特性。按照范式设计中所述将所有溶液混合后，将等量的气味剂倒入每个容器瓶中。然后，按正确顺序将瓶子连接到气味载体上。

在MRI中设置嗅觉仪时，将气味载体放置在磁体室内的设备旁边。将管路穿过波导管，连接至载体，并确保管路的顺序与连接至嗅觉仪的顺序一致。为方便操作，我们对管路进行颜色编码，以匹配相应的气味通道。

打开设备。根据需要调节主气流，以及载气和清洗气的各自流速。然后将呼吸带连接至嗅觉仪，并将呼吸带穿过波导管。

呼吸带将记录受试者的呼吸活动以及呼吸触发器的使用情况。将受试者带入磁体室，并为其佩戴面罩。当受试者躺下后，将呼吸带环绕在其胸部或腹部有明显呼吸运动的部位。

在嗅觉仪的屏幕上检查呼吸模式。如果波形出现平台期，则说明绑带过紧，呼吸触发将无法正常工作。应调整绑带，直至能够看到完整的呼吸轨迹，因为清晰的呼吸峰信号对于成功执行呼吸触发范式至关重要。

在嗅觉仪上创建一个数据文件夹，用于存储呼吸数据。应使用“范式检查”并根据需要调整触发延迟时间，以测试气味呈现与呼吸的同步准确性。按下触摸屏上的“范式检查”按钮，并监测气味释放是否发生在呼吸周期的吸气阶段。

气味递送时段在呼吸轨迹上以粉红色高亮显示。如果气味递送在呼气阶段开始，请返回“实验范式设置”，调整时间序列中的触发延迟，然后重新执行范式检查。将范式设置为“触发输入”模式，以便气味刺激范式的执行由MRI扫描触发。

然后选择呼吸触发开始功能。此时实验范式已准备就绪，可以开始运行。完成气味刺激范式后，检查记录在嗅觉仪中的呼吸数据。

该文件包含每次功能磁共振成像图像的时间戳以及呼吸信号、呼吸触发信号、每个气味通道的开启与关闭信号，以及受试者的反应信号（通过反应装置记录）。可使用 ONSET 程序处理该文件，以获取实际刺激起始时间向量和持续时间，用于功能磁共振成像数据处理。ONSET 可在 IDL 虚拟机中运行。

要获取气味刺激起始向量和持续时间，请点击“呼吸验证”。加载从嗅觉仪保存的呼吸数据文件，并设置用于ONSET处理的后处理参数。运行ONSET。

实际的刺激起始向量（即在气味呈递期间每次吸气的开始）将根据气味呈现的时间和呼吸轨迹自动检测。所得结果（包括起始和持续时间向量）可用于fMRI数据处理。请按照标准流程处理fMRI数据。

以下是使用 SPM8 进行数据处理的示例。根据 SPM 实验范式设计中选择的时间单位，使用图像编号或“onset”输出中的以秒为单位的刺激起始时间向量和持续时间向量。通过将实际的刺激起始时间向量和持续时间向量与功能数据拟合，并采用标准血流动力学响应函数，生成个体水平的统计参数图。

以下是初级嗅觉皮层在气味刺激下产生反应的一个示例。与呼吸触发的气味刺激范式相比，例如本例中同一受试者采用的固定时间刺激范式，气味释放并非由呼吸活动触发。由于未对受试者的呼吸进行控制，因此吸入的气味剂数量存在显著变异。

采用与先前呼吸触发fMRI数据相同的统计阈值，按照标准流程处理这些fMRI数据后，在初级嗅皮层中未检测到显著激活。然而，当实施呼吸触发时，气味刺激的呈现始终与吸气同步，从而提高了嗅觉刺激的一致性和准确性。观看本视频后，您应对当前使用事件相关呼吸触发范式进行嗅觉fMRI研究的实践方法有充分的理解。

一旦掌握了本视频中演示的技术，便可进一步应用其他嗅觉刺激范式的设计与分析方法，以绘制人类中枢嗅觉系统的功能图谱，并深入探索神经退行性疾病中的嗅觉功能障碍。