Ihmisen hajuaistin amygdala-ala-alueiden karakterisointi

Erityiset tavoitteet:

Ihmisen amygdala on osa primaarista hajukuorta, koska se vastaanottaa suoraa monosynaptista syöttöä hajulampusta 1-4. Tämä viittaa siihen, että amygdalalla on tärkeä rooli hajunkäsittelyssä, mutta ihmisen amygdalaan syöttävien hajuaineiden anatomisia ja toiminnallisia ominaisuuksia ei ole suurelta osin tutkittu. Tämän ehdotuksen yleisenä tavoitteena on selvittää amygdala-ala-alueiden roolia ihmisen hajunkäsittelyssä.

Hajulamppu työntyy rinnakkain useiden aivokuoren alueiden kanssa, joilla kullakin uskotaan olevan ainutlaatuinen rooli hajunkäsittelyssä5-10. Amygdalassa useat erilliset ala-alueet saavat suoraa, monosynaptista lamppua, mikä viittaa erilaisiin rooleihin, mutta niiden hajutoimintoja ei täysin ymmärretä. Jyrsijätutkimukset ovat alkaneet tutkia näiden osa-alueiden mahdollisia rooleja hajuohjatussa sosiaalisessa ja lähestymis-/välttämiskäyttäytymisessä11–15. Äskettäin tehtiin ensimmäiset tallenteet posterolateraalisesta kortikaalisesta amygdalasta16. Ymmärryksemme näistä alueista on kuitenkin vielä epätäydellinen. Erityisesti useimmat jyrsijätutkimukset hajumygdala-ala-alueilla ovat keskittyneet apuhajujärjestelmään, joka ihmisiltä puuttuu. Lisäksi useimmissa ihmisillä tehdyissä tutkimuksissa ei ole käsitelty hajuaistin amygdala-ala-alueita erikseen17-21. Tämä on kriittinen näkökohta, koska suurin osa amygdala-ala-alueista ei saa hajusyöttöä ja koska niillä, joilla on todennäköisesti erillinen rooli hajunkäsittelyssä. Näitä rooleja ei voi ymmärtää analysoimatta osa-alueita erikseen. Siten on olemassa vahva tarve lisätutkimukselle ihmisen amygdala-ala-alueiden roolista hajussa. Tärkeää on, että hajun amygdala-ala-alueet on liitetty SUDEP22-26:een, joka on ohimolohkon epilepsian johtava kuolinsyy. Näiden alueiden anatomisten ja toiminnallisten ominaisuuksien ymmärtäminen on siksi myös kliinistä merkitystä.

Tässä tutkimuksessa tutkitaan ihmisen hajuaistin amygdala-ala-alueita käyttämällä monitahoista ja tiukkaa lähestymistapaa. Siinä yhdistyvät erikoistunut korkearesoluutioinen diffuusiopainotettu kuvantaminen, korkearesoluutioinen amygdala-kohdennettu fMRI, harvinainen suora sähköinen ihmisen amygdala-stimulaatio (puhtaasti kliinisesti määrätty) ja ihmisen psykofysiikka, jotka sopivat vastaamaan eri kysymykseen.

Tavoite 1: Anatomisesti ja toiminnallisesti karakterisoida ihmisen amygdalan ensisijaiset hajukuoren alueet. Tätä tarkoitusta varten tehdyt kokeet karakterisoivat huolellisesti ihmisen primaarisia hajun amygdala-ala-alueita anatomisella ja toiminnallisella tasolla. Kokeessa 1A käytetään erikoistunutta diffuusiopainotettua kuvantamista amygdala-ala-alueille ulkonevien hajuteiden paikallistamiseksi. Kokeessa 1B käytetään lepotilassa olevia fMRI- ja k-mean-klusterointialgoritmeja amygdala-ala-alueiden jakamiseen ja karakterisoimiseen erillisten kokoaivojen toiminnallisten yhteysprofiilien perusteella. Kokeessa 1C käytetään tapahtumiin liittyvää fMRI:tä paikallistamaan toiminnallisesti hajuherkät amygdala-alueet. Hypoteesi on, että amygdalan mediaalisilla, aivokuoren ja periamygdaloidiala-alueilla on rakenteellinen yhteys hajulampun kanssa, parantunut hajuherkkyys muihin osa-alueisiin verrattuna ja erilaiset kokoaivojen toiminnalliset yhteysprofiilit.

Tavoite 2: Testaa hypoteesi, jonka mukaan aktiivisuus eri amygdala-ala-alueilla heijastelee erillisiä hajukäyttäytymiä. Tätä tarkoitusta varten tehdyissä kokeissa käytetään fMRI-peräisiä kokonaisuuskuvioita ja aikasarjoja amygdala-ala-alueiden erillisten hajuroolien tutkimiseen erinomaisella avaruudellisella resoluutiolla ja samanaikaisesti koko amygdalan peitolla. FMRI-yhdistelmäkuvioiden käyttö on ihanteellista, koska hajukuoren alueet, mukaan lukien amygdala, käyttävät jakautuvaa koodaustapaa16. Kokeessa 2A käytetään fMRI:tä aktiivisuuden mittaamiseen kaikilla amygdala-ala-alueilla ja samalla identtisiä hajuja eri ekologisesti merkityksellisissä yhteyksissä (sosiaalinen, spatiaalinen ja ruoka). Kokeessa 2B käytetään fMRI:tä tutkimaan korrelaatioita amygdala fMRI-kuvioiden ja hajumenetelmän/välttämiskäyttäytymisen välillä. Hypoteesi on, että kuten jyrsijöillä, aktiivisuus mediaalisessa amygdalassa heijastelee hajuohjattuja sosiaalisia havaintopäätöksiä ja että aktiivisuus aivokuoren amygdalassa heijastaa hajuohjattua lähestymistapaa/välttämiskäyttäytymistä.

Tavoite 3: Arvioida hajun amygdala-ala-alueiden tarpeellisuutta erilaisissa hajukäyttäytymisessä. Arvioidakseen hajun amygdala-ala-alueiden tarpeellisuutta edellä tavoitteessa 2 kuvatuissa erillisissä hajukäyttäytymistavoissa, kokeessa 3 käytetään kallonsisäisiä elektrofysiologisia menetelmiä tallentamaan suoraan ihmisen hajun amygdala-ala-alueilta ja toimittamaan sähköstimulaatiota suoraan niille Aimin hajutehtävien aikana. 2. Stimulaatio ei poikkea kliinisistä protokollista, ja sen suorittavat vain kliinikot. Tämä menetelmä mahdollistaa hermotoiminnan suoria tallennuksia ja mahdollistaa hermotoiminnan häiriöiden testaamiseksi tiettyjen alueiden tarpeellisuuden tietylle käyttäytymiselle. Hypoteesi on, että aivokuoren amygdalassa tapahtuva värähtelytoiminnan häiriintyminen häiritsee hajuaistiota/välttää käyttäytymistä, kun taas värähtelytoiminnan häiriö mediaalisessa amygdalassa häiritsee hajuaistimia koskevia sosiaalisia havaintoja.