Charakterisierung menschlicher olfaktorischer Amygdala-Subregionen

Spezifische Ziele:

Die menschliche Amygdala ist Teil des primären olfaktorischen Kortex, indem sie direkten monosynaptischen Input vom Riechkolben erhält1-4. Dies deutet auf eine wichtige Rolle der Amygdala bei der olfaktorischen Verarbeitung hin, doch die anatomischen und funktionellen Eigenschaften der olfaktorischen Eingaben in die menschliche Amygdala sind weitgehend unerforscht. Das übergeordnete Ziel dieses Vorschlags ist es, die Rolle der Amygdala-Subregionen bei der menschlichen Geruchsverarbeitung aufzuklären.

Der Riechkolben projiziert parallel zu mehreren kortikalen Bereichen, von denen angenommen wird, dass jeder eine einzigartige Rolle bei der Geruchsverarbeitung spielt5-10. Innerhalb der Amygdala erhalten mehrere unterschiedliche Unterregionen direkten, monosynaptischen Zwiebeleingang, was auf unterschiedliche Rollen hindeutet, ihre olfaktorischen Funktionen sind jedoch nicht vollständig verstanden. Nagetierstudien haben damit begonnen, mögliche Rollen dieser Subregionen in olfaktorisch gesteuerten sozialen und Annäherungs-/Vermeidungsverhalten zu untersuchen11-15, wobei die allerersten Aufzeichnungen der posterolateralen kortikalen Amygdala vor kurzem durchgeführt wurden16. Unser Verständnis dieser Bereiche ist jedoch noch unvollständig. Bemerkenswerterweise haben sich die meisten Nagetierstudien zu den Unterregionen der olfaktorischen Amygdala auf das akzessorische olfaktorische System konzentriert, das dem Menschen fehlt. Darüber hinaus haben die meisten Humanstudien die Subregionen der olfaktorischen Amygdala nicht separat betrachtet17-21. Dies ist eine kritische Überlegung, sowohl weil die Mehrheit der Amygdala-Subregionen keine olfaktorischen Eingaben erhalten, als auch weil diejenigen, die dies tun, wahrscheinlich eine unterschiedliche Rolle bei der olfaktorischen Verarbeitung spielen. Diese Rollen können nicht verstanden werden, ohne die Teilregionen separat zu analysieren. Daher besteht ein starker Bedarf an weiterer Erforschung der Rolle der menschlichen Amygdala-Subregionen beim Geruchssinn. Wichtig ist, dass Subregionen der olfaktorischen Amygdala mit SUDEP22-26, der Haupttodesursache bei Temporallappenepilepsie, in Verbindung gebracht wurden. Das Verständnis der anatomischen und funktionellen Eigenschaften dieser Regionen ist daher auch von klinischer Bedeutung.

Diese Forschung wird Unterregionen der menschlichen olfaktorischen Amygdala mit einem facettenreichen, rigorosen Ansatz untersuchen. Es wird spezialisierte hochauflösende diffusionsgewichtete Bildgebung, hochauflösende Amygdala-gerichtete fMRT, seltene direkte elektrische Stimulation der menschlichen Amygdala (rein klinisch vorgeschrieben) und menschliche Psychophysik kombinieren, die jeweils geeignet sind, eine andere Frage zu beantworten.

Ziel 1: Die primären olfaktorischen kortikalen Regionen der menschlichen Amygdala anatomisch und funktionell zu charakterisieren. Experimente zu diesem Zweck werden die menschlichen primären olfaktorischen Amygdala-Subregionen auf anatomischer und funktioneller Ebene sorgfältig charakterisieren. Experiment 1A wird spezialisierte diffusionsgewichtete Bildgebung verwenden, um Riechbahnen zu lokalisieren, die zu und von Unterregionen der Amygdala projizieren. Experiment 1B wird Ruhe-fMRI- und k-Means-Clustering-Algorithmen verwenden, um Amygdala-Unterregionen basierend auf unterschiedlichen funktionellen Konnektivitätsprofilen des gesamten Gehirns zu parzellieren und zu charakterisieren. Experiment 1C wird ereignisbezogene fMRT verwenden, um geruchsempfindliche Unterregionen der Amygdala funktionell zu lokalisieren. Die Hypothese ist, dass die medialen, kortikalen und periamygdaloiden Unterregionen der Amygdala eine strukturelle Konnektivität mit dem Riechkolben, eine verbesserte Geruchsempfindlichkeit im Vergleich zu anderen Unterregionen und unterschiedliche funktionelle Konnektivitätsprofile des gesamten Gehirns aufweisen.

Ziel 2: Testen der Hypothese, dass Aktivität in unterschiedlichen Amygdala-Subregionen unterschiedliche olfaktorische Verhaltensweisen widerspiegelt. Experimente zu diesem Zweck werden fMRI-abgeleitete Ensemblemuster und Zeitreihen verwenden, um unterschiedliche olfaktorische Rollen für Amygdala-Unterregionen mit ausgezeichneter räumlicher Auflösung und gleichzeitiger Abdeckung der gesamten Amygdala zu untersuchen. Die Verwendung von fMRI-Ensemble-Mustern ist ideal, da olfaktorische kortikale Bereiche, einschließlich der Amygdala, einen distributiven Codierungsmodus verwenden16. Experiment 2A wird fMRI verwenden, um die Aktivität in allen Amygdala-Subregionen zu messen, während identische Gerüche unter verschiedenen ökologisch relevanten Kontexten (sozial, räumlich und Nahrung) präsentiert werden. Experiment 2B wird fMRI verwenden, um Korrelationen zwischen Amygdala-fMRI-Mustern und olfaktorischem Annäherungs-/Vermeidungsverhalten zu untersuchen. Die Hypothese ist, dass, wie bei Nagetieren, die Aktivität in der medialen Amygdala olfaktorisch geleitete soziale Wahrnehmungsentscheidungen widerspiegelt und dass die Aktivität in der kortikalen Amygdala olfaktorisch geleitete Annäherungs-/Vermeidungsverhalten widerspiegelt.

Ziel 3: Bewertung der Notwendigkeit olfaktorischer Amygdala-Subregionen in unterschiedlichen olfaktorischen Verhaltensweisen. Um die Notwendigkeit von olfaktorischen Amygdala-Unterregionen in den oben in Ziel 2 beschriebenen unterschiedlichen olfaktorischen Verhaltensweisen zu bewerten, wird Experiment 3 intrakranielle Elektrophysiologiemethoden verwenden, um während der olfaktorischen Aufgaben von Ziel direkt von menschlichen olfaktorischen Amygdala-Unterregionen aufzuzeichnen und elektrische Stimulation direkt in diese zu liefern 2. Die Stimulation weicht nicht von den klinischen Protokollen ab und wird nur von Ärzten durchgeführt. Diese Methode liefert direkte Aufzeichnungen der neuralen Aktivität und ermöglicht die Unterbrechung der neuralen Aktivität, um die Notwendigkeit bestimmter Regionen für bestimmte Verhaltensweisen zu testen. Die Hypothese ist, dass eine Unterbrechung der oszillatorischen Aktivität in der kortikalen Amygdala das olfaktorische Annäherungs-/Vermeidungsverhalten stört, während eine Unterbrechung der oszillatorischen Aktivität in der medialen Amygdala olfaktorische soziale Wahrnehmungsentscheidungen stört.