Darstellung olfaktorischer Areale mittels funktionellem MRT – wieviele Reize sind notwendig?

Zusammenfassung

Hintergrund: Eine vielversprechende Methode zur Untersuchung des humanen olfaktorischen Systems ist die funktionelle Magnetresonanztomografie (fMRT). Da die Länge der fMRT-Untersuchung ein limitierender Faktor für einen möglichen Einsatz in der klinischen Routine ist, sollte in der vorliegenden Studie ein kurzes, zuverlässiges Paradigma gefunden werden, um die Gesamtuntersuchungszeit und somit auch die olfaktorische Habituation zu minimieren.

Methode: Ein MRT-kompatibles Konstantflussolfaktometer wurde eingesetzt. 9 gesunde, normosmische Probanden wurden 16-mal mit dem Duftstoff Phenylethylalkohol (PEA) in einem Ereignis-bezogenen Paradigma (event-related design) stimuliert. Die statistische Datenauswertung erfolgte MATLAB-basiert mittels SPM5.

Ergebnisse: Die Gruppenanalyse zeigte bilaterale cerebrale Aktivierungen in der Insel, dem angrenzendem Operculum und orbitofrontalen Kortex. Weiterhin wurden bilaterale Aktivierungen im Cingulum, piriformen Kortex und dem Cerebellum dargestellt. Alle diese Areale waren bereits nach 8 Duftstoffapplikationen aktiviert. Bilaterale Inselaktivierungen und Aktivierungen im linken piriformen Kortex wurden in der Gruppenanalyse bereits nach 4 Reizwiederholungen gefunden. Auch in den Einzelanalysen konnte nach 4 Reizen bei allen 9 Probanden Inselaktivität sowie bei 3 Probanden eine Aktivität im piriformen Kortex gesehen werden.

Schlussfolgerung: Eine Erhöhung der Stimulusanzahl auf über 8 verbessert nicht die Qualität und Reliabilität der Ergebnisse bei olfaktorischen fMRT-Untersuchungen. 4–8 Reize werden als ausreichend angesehen.

Abstract

Detection of Olfactory Areas in Functional MRI – How Many Repetitions are Necessary?

Background and Purpose: A useful tool for the investigation of the human olfactory system is functional magnetic resonance tomography (fMRI). Since the length of the fMRI examination is a limiting factor for its usefulness in clinical routine in this study a fast, reliable paradigm should be found in order to reduce the overall examination time and the olfactory habituation.

Methods: A MRI-compatible constant flow olfactometer was developed. 9 healthy normosmic subjects were stimulated 16 times with the odorant phenyl-ethyl-alcohol (PEA) using an event-related design. The statistical evaluation of the data was performed by the MATLAB based SPM5 software package.

Results: The group analysis showed cerebral activations within the insula, the adjacent operculum and orbitofrontal cortex bilaterally. Furthermore, bilateral activations were measured in the cingulum, piriform cortex and the cerebellum. All mentioned areas could be already identified after 8 repetitions of odorant condition. Bilateral insular activations and activations in the left piriform cortex were even shown after 4 repetitions. In the single subject analysis, all 9 subjects exhibited insular activity and in 3 subjects showed activation of the piriform cortex after 4 repetitions.

Conclusion: In olfactory fMRI, stimulus repetition more than 8 did not improve the quality and reliability of the results. Therefore, 4–8 stimuli are expected to be sufficient.

Schlüsselwörter

fMRT - Riechen - event-related design - Stimuluswiederholung - Olfaktometer

Key words

fMRI - olfaction - event-related design - stimulus repetition

Literatur

• 1 Albers MW, Tabert MH, Devanand DP. Olfactory dysfunction as a predictor of neurodegenerative disease.  Curr Neurol Neurosci Rep. 2006;  6 379-386
• 2 Poellinger A, Thomas R, Lio P, Lee A, Makris N, Rosen BR, Kwong KK. Activation and habituation in olfaction – an fMRI study.  Neuroimage. 2001;  13 547-560
• 3 Cramer SC. Functional magnetic resonance imaging in stroke recovery.  Phys Med Rehabil Clin N Am. 2003;  14 S47-S55
• 4 Welge-Lussen A, Wolfensberger M. Olfactory disorders following upper respiratory tract infections.  Adv Otorhinolaryngol. 2006;  63 125-132
• 5 Kobal G, Hummel T. Olfactory (chemosensory) event-related potentials.  Toxicol Ind Health. 1994;  10 587-596
• 6 Dade LA, Zatorre RJ, Evans AC, Jones-Gotman M. Working memory in another dimension: functional imaging of human olfactory working memory.  Neuroimage. 2001;  14 650-660
• 7 Sobel N, Prabhakaran V, Hartley CA, Desmond JE, Zhao Z, Glover GH, Gabrieli JD, Sullivan EV. Odorant-induced and sniff-induced activation in the cerebellum of the human.  J Neurosci. 1998;  18 8990-9001
• 8 Maldjian JA, Laurienti PJ, Kraft RA, Burdette JH. An automated method for neuroanatomic and cytoarchitectonic atlas-based interrogation of fMRI data sets.  Neuroimage. 2003;  19 1233-1239
• 9 Rolls ET, Kringelbach ML, de Araujo IET. Different representations of pleasant and unpleasant odours in the human brain.  European Journal of Neuroscience. 2003;  18 695-703
• 10 Kara E. Etablierung eines Blockdesigns zum Nachweis einer Hirnaktivierung beim Menschen nach olfaktorischer Stimulation mittels funktioneller Magnetresonanztomografie (fMRT). In: Medizinische Fakultät Munich: Ludwig-Maximilians-Universität; 2008: 97
• 11 Smejkal V, Druga R, Tintera J. Olfactory activity in the human brain identified by fMRI.  Bratisl Lek Listy. 2003;  104 184-188
• 12 Westermann B, Wattendorf E, Schwerdtfeger U, Husner A, Fuhr P, Gratzl O, Hummel T, Bilecen D, Welge-Lussen A. Functional imaging of the cerebral olfactory system in patients with Parkinson's disease.  J Neurol Neurosurg Psychiatry. 2008;  79 19-24
• 13 Lombion S, Comte A, Tatu L, Brand G, Moulin T, Millot JL. Patterns of cerebral activation during olfactory and trigeminal stimulations.  Hum Brain Mapp. 2008; 
• 14 Wang J, Eslinger PJ, Smith MB, Yang QX. Functional magnetic resonance imaging study of human olfaction and normal aging.  J Gerontol A Biol Sci Med Sci. 2005;  60 510-514
• 15 Boyle JA, Frasnelli J, Gerber J, Heinke M, Hummel T. Cross-modal integration of intranasal stimuli: A functional magnetic resonance imaging study.  Neuroscience. 2007;  149 223-231
• 16 Suzuki Y, Critchley HD, Suckling J, Fukuda R, Williams SC, Andrew C, Howard R, Ouldred E, Bryant C, Swift CG, Jackson SH. Functional magnetic resonance imaging of odor identification: the effect of aging.  J Gerontol A Biol Sci Med Sci. 2001;  56 M756-M760

Korrespondenzadresse