PUTTING CRAVING INTO CONTEXT: EFFECTS OF PERCEIVED SMOKING OPPORTUNITY ON THE NEURAL RESPONSE TO CIGARETTE CUE EXPOSURE

Recent years have seen the emergence of research applying functional neuroimaging to the study of cue-elicited drug craving. This research has begun to identify a distributed system of brain activity during drug craving. Functional magnetic resonance imaging (fMRI) was used to examine the effects of smoking expectancy on the neural response to neutral (e.g., roll of tape) and smoking-related (holding a cigarette) stimuli in male cigarette smokers deprived of nicotine for 8 hours. As predicted, several brain regions exhibited differential activation during cigarette versus neutral cue exposure. Moreover, instructions about smoking opportunity affected cue-elicited activation in several regions. These results highlight the importance of perceived drug availability in the neurobiological response to drug cues

Objective Assessment of Olfactory Function Using Functional Magnetic Resonance Imaging=Estudio objetivo del olfato mediante resonancia magnética funcional

Objective: To show the results of a device that generates automated olfactory stimuli suitable for functional magnetic resonance imaging (fMRI) experiments. Material and methods: Te n normal volunteers, 5 women and 5 men, were studied. The system allows the programming of several sequences, providing the capability to synchronise the onset of odour presentation with acquisition by a trigger signal of the MRI scanner. The olfactometer is a device that allows selection of the odour, the event paradigm, the time of stimuli and the odour concentration. The paradigm used during fMRI scanning consisted of 15-s blocks. The odorant event took 2 s with butanol, mint and coffee. Results: We observed olfactory activity in the olfactory bulb, entorhinal cortex (4%), amygdala (2.5%) and temporo-parietal cortex, especially in the areas related to emotional integration. Conclusions: The device has demonstrated its effectiveness in stimulating olfactory areas and its capacity to adapt to fMRI equipment.RESUMEN Objetivo: Mostrar los resultados del olfatómetro capaz de generar tareas olfativas en un equipo de resonancia magnética funcional (fMRI). Material y métodos: Estudiamos 10 sujetos normales: 5 varones y 5 mujeres. El olfatómetro está dise ̃ nado para que el estímulo que produce se sincronice con el equipo de fMRI mediante la se ̃ nal desencadenante que suministra el propio equipo. El olfatómetro es capaz de: selec- cionar el olor, secuenciar los distintos olores, programar la frecuencia y duración de los olores y controlar la intensidad del olor. El paradigma utilizado responde a un dise ̃ no de activación asociada a eventos, en el que la duración del bloque de activación y de reposo es de 15 s. La duración del estímulo olfativo (butanol, menta o café) es de 2 segundos, durante toda la serie que consta de 9 ciclos. Resultados: Se ha observado reactividad (contraste BOLD) en las diferentes áreas cerebrales involucradas en las tareas olfativas: bulbo olfatorio, córtex entorrinal (4%), amigdala (2,5%) y córtex temporoparietal. Las áreas relacionadas con integración de las emociones tienen una reactividad mayor. Conclusiones: El dispositivo propuesto nos permite controlar de forma automática y sincronizada los olores necesarios para estudiar la actividad de las áreas olfatorias cerebrales mediante fMRI

Quality data assessment and improvement in pre-processing pipeline to minimize impact of spurious signals in functional magnetic imaging (fMRI)

In the recent years, the field of quality data assessment and signal denoising in functional magnetic resonance imaging (fMRI) is rapidly evolving and the identification and reduction of spurious signal with pre-processing pipeline is one of the most discussed topic. In particular, subject motion or physiological signals, such as respiratory or/and cardiac pulsatility, were showed to introduce false-positive activations in subsequent statistical analyses. Different measures for the evaluation of the impact of motion related artefacts, such as frame-wise displacement and root mean square of movement parameters, and the reduction of these artefacts with different approaches, such as linear regression of nuisance signals and scrubbing or censoring procedure, were introduced. However, we identify two main drawbacks: i) the different measures used for the evaluation of motion artefacts were based on user-dependent thresholds, and ii) each study described and applied their own pre-processing pipeline. Few studies analysed the effect of these different pipelines on subsequent analyses methods in task-based fMRI.The first aim of the study is to obtain a tool for motion fMRI data assessment, based on auto-calibrated procedures, to detect outlier subjects and outliers volumes, targeted on each investigated sample to ensure homogeneity of data for motion. The second aim is to compare the impact of different pre-processing pipelines on task-based fMRI using GLM based on recent advances in resting state fMRI preprocessing pipelines. Different output measures based on signal variability and task strength were used for the assessment

Investigation of olfactory function and its plasticity

Hintergrund: Der Geruchssinn spielt eine wichtige Rolle in unserem täglichen Leben, während sein Fehlen erhebliche Auswirkungen auf das Leben von Menschen mit Geruchsstörungen hat, einschließlich Veränderungen in ihrer geistigen, sozialen und körperlichen Gesundheit. Der Verlust des Geruchssinns kann eine Vorstufe zu schweren neurodegenerativen Erkrankungen wie Parkinson und Alzheimer sein, und kann mit depressiven Symptomen einhergehen. Daher sollten Menschen mit Riechverlust adäquat untersucht und behandelt werden. In den drei zu einer Arbeit zusammengefassten Veröffentlichungen wurde die MRT zur Untersuchung der Riechfunktion und ihrer Plastizität eingesetzt, vor allem bei Patienten mit Riechstörungen. Publikation 1 befasste sich mit der Verbesserung bestehender Methoden zur Bewertung des Volumens des Bulbus olfactorius (OB) hinsichtlich der strukturellen Bewertung der Riechfunktion. Publikation 2 befasste sich mit der funktionellen Plastizität des olfaktorischen Systems bei Patienten mit angeborener und erworbener Anosmie, wenn der olfaktorische Input fehlt. Publikation 3 befasste sich mit der Plastizität des chemosensorischen Systems am Beispiel der gewohnheitsmäßigen Exposition zu trigeminalen Gerüchen. Methoden: In Publikation 1 wurden 52 Probanden einer 3-T-MRT Untersuchung des Gehirns unterzogen. Alle Probanden wurden mit der 'Sniffin' Sticks'-Testbatterie auf ihre orthonasale Riechfunktion hin getestet. Mit Hilfe der AMIRA®-Software berechneten zwei geschulte Beobachter das OB-Volumen mit einem manuellen Segmentierungsverfahren, der planimetrischen manuellen Konturierung (PMC) (Fläche in mm3). Mit ITK-SNAP®-Software verwendeten die gleichen Beobachter die neue Methode 'box-frame' zur Berechnung des OB-Volumens. Zunächst wurde die Anzahl der Schichten (Länge) mit deutlicher Erkennbarkeit des OB notiert. Bei der Box-Methode wurde angenommen, dass Höhe und Breite der Markierungen in einem Winkel von 90° zueinander stehen. Das Volumen wurde als Vielfaches von L x B x H (Scheibendicke in mm3) berechnet. Bei divergenten Befunden wurde ein dritter Beobachter herangezogen, und die zwei am nächsten liegenden Volumina mit weniger als 10 % Unterschied zur weiteren Betrachtung ausgewählt. In Publikation 2 wurden 40 Probanden mit 3-T-fMRT untersucht. Davon waren 18 gesunde Probanden, 14 waren Probanden mit kongenitaler Anosmie und 8 hatten eine idiopathische Anosmie. Den Probanden wurden 36 Wörter mit starker olfaktorischer Assoziation (OW) und 36 Kontrollwörter mit geringer oder keiner olfaktorischen Assoziation (CW) präsentiert. Die Teilnehmer wurden angewiesen, die Anweisungen und Wörter zu lesen. Vor den Wortblöcken wurden die Teilnehmer darauf hingewiesen, sich auf die olfaktorischen Aspekte der angezeigten Wörter zu konzentrieren, um eine Erwartung für im Folgenden gezeigten Wörter zu wecken und um die OW- von den CW-Blöcken klar zu trennen. Geruchsbezogene semantische Unterschiede wurden als Kriterium für die Unterscheidung zwischen den Aktivierungen gewählt. Wir verglichen vor allem Aktivierungsphasen, in denen OW erwartet wurden mit denjenigen, in denen OW gelesen wurden. In Publikation 3 nahmen 40 gesunde Probanden an einer fMRT-Untersuchung teil. Ein Teil der Probanden kaute regelmäßig Kaugummi mit Minzegeschmack (GC, n = 20), ein anderer Teil verwendete nie bzw. sehr selten Kaugummi oder andere Lebensmittel mit Minzgerüchen, z.B. Pfefferminztee (N'GC, n = 20). Mit Hilfe eines computergesteuerten Olfaktometers wurden den Probanden in vier separaten Sitzungen zwei „trigeminale Gerüche“ (Pfefferminze und Minze) und zwei „olfaktorische Gerüche“ (Kirsche und Erdbeere) verabreicht. Nach jeder Sitzung bewerteten die Probanden die Intensität und die Angenehmheit der angebotenen Gerüche. Ergebnisse: In Publikation 1 berechneten wir die OB-Volumina mit beiden Techniken und fanden vergleichbare Ergebnisse. Für die von beiden Beobachtern berechneten Volumina wurde eine hohe Korrelation festgestellt. Für die manuelle Segmentierung betrug Cronbachs α 0,91 bzw. 0,93 für das rechte bzw. linke OB-Volumen, während für die Box-Frame-Methode α 0,94 bzw. 0,90 für das rechte bzw. linke OB-Volumen betrug. In Publikation 2 zeigten die Teilnehmer mit idiopathischer und congenitaler Anosmie während der Erwartung der OW eine stärkere Aktivierung im posterioren OFC, die sich bis zur rechten Insula, dem Caudatum und dem fronto-medialen OFC erstreckte. Während des Lesens der OW zeigten Teilnehmer mit congenitaler Anosmie eine stärkere Aktivierung im posterioren OFC, die bis zur Insula reichte. In Publikation 3 zeigte die GC-Gruppe eine höhere trigeminale Empfindlichkeit im Vergleich zur N'GC-Gruppe. Olfaktorische Gerüche aktivierten den bilateralen insulären Kortex und die Amygdala. Neben den olfaktorischen Bereichen (Amygdala, insulärer Kortex) führten trigeminale Gerüche auch zu Aktivierungen im rechten Thalamus und der rechten Substantia nigra. In der GC-Gruppe führten olfaktorische Gerüche zu einer stärkeren bilateralen Aktivierung des insularen Kortex als in der N‘GC-Gruppe, während für trigeminale Gerüche keine derartigen Unterschiede beobachtet wurden. GC-Probanden schienen auf trigeminale chemosensorische Reize empfindlicher zu reagieren. Schlussfolgerungen: Mit der Veröffentlichung 1 konnten wir eine neue zuverlässige Methode vorstellen, die plastische Veränderungen auf der Ebene des OB auf effiziente Weise messbar macht. Die Methode ist zeitsparend und erfordert nur einen geringen technologischen Aufwand, was in die klinische Routine bedeutsam ist. Damit können strukturelle plastische Veränderungen des zentralnervösen Riechsystems zu diagnostischen Zwecken effektiv genutzt werden. In Publikation 2 fanden wir funktionelle Plastizität bei Patienten mit angeborener und erworbener Anosmie. Dieser Ansatz zeigte eine Aktivierung in den sekundären Geruchsregionen wie dem posterioren OFC, die sich bei Menschen mit angeborener Anosmie im Vergleich zu Riechgesunden bis zur Insula ausdehnte. Diese Aktivität ist am ehesten im Zusammenhang mit multisensorischer Integration zu sehen, was wiederum auf kompensatorische Mechanismus für die Verarbeitung semantischer Geruchsinformationen bei fehlendem Riechvermögen schließen lässt. In Publikation 3 untersuchten wir die Plastizität des chemosensorischen Systems bei gewohnheitsmäßiger Exposition zu trigeminalen Gerüchen. Gegenüber selektiv olfaktorischen Aktivierungen gibt es Überlappungen aber auch deutliche Unterschiede in der Peripherie und im ZNS, wie trigeminale Gerüche verarbeitet werden. Erwartungsgemäß schienen Teilnehmer mit habituellem Minzgebrauch empfindlicher auf trigeminale chemosensorische Reize zu reagieren. Dies führte jedoch nicht zu Unterschieden in der zentralnervösen Aktivierung für trigeminale Reize. Vielmehr erschienen trigeminale Gerüche für die Gruppe mit geringem Minzkonsum bedeutungsvoller und erregender. In der Summe zeigen die Arbeiten, dass das chemosensorische System außerordentlich plastisch ist, auf stuktureller und funktioneller Ebene und wir uns ständig an unsere Umwelt anpassen.:List of Abbreviations 1 List of figures 1 List of Tables 3 Introduction 4 Olfactory system 4 Olfactory dysfunction 5 Anatomy of olfactory system 6 Chemosensory assessment 8 Psychophysical olfactory tests 8 Psychophysical Trigeminal tests 9 Electrophysiological tests - olfactory event related potentials (OERP) 10 Functional magnetic resonance imaging (fMRI) 10 Publication 1: Assessment of structural plasticity by measuring OB volume 11 Publication 2: Assessing functional plasticity using bottom- up and top- down olfactory processing 12 Publication 3: Assessing plasticity of chemosensory system 12 Methods 13 Method 1 13 Publication 1- A novel technique for olfactory bulb measurements 13 Method 2 18 Publication 3- Habitual Exposure to Trigeminal Stimuli and Its Effects on the processing of Chemosensory Stimuli 18 Contributions in publications 20 Publication 1: 20 Publication 2: 20 Publication 3: 20 Abstract of publication 1 21 Publication 2 (Second study): Neural processing of olfactory‑related words in subjects with congenital and acquired olfactory dysfunction 31 Abstract of publication 2 31 Publication 3 (Third study) Habitual Exposure to Trigeminal Stimuli and Its Effects on the processing of Chemosensory Stimuli 40 Abstract of publication 3 40 Discussion and Outlook 49 Summary in German 55 Hintergrund 55 Methoden 55 Ergebnisse 56 Schlussfolgerungen 56 Summary in English 58 Background 58 Hypothesis 58 Methods 59 Results 59 Conclusions 60 References 61 Curriculum vitae 80 List of scientific publications 82 Anlage 1 84 Anlage 2 8

Neuroimaging research on olfactory rehabilitation after COVID

Els estudis i les evidències dels avantatges que aporten les teràpies de rehabilitació en relació a la neuroplasticitat son cada vegada més abundants. En aquest projecte, amb col·laboració amb el laboratori LAIMBIO (Laboratori d’Anàlisi d’Imatge Mèdica i Biometria) de la Universitat Rey Juan Carlos, s’ha fet un estudi per investigar la rehabilitació olfactiva de pacients amb anòsmia després d’haver passat COVID-19. El TFM s'ha desenvolupat dins del projecte finançat per la URJC “Nova teràpia de rehabilitació olfactòria per al tractament de persones amb seqüeles a l'olfacte per afectació pel COVID-19”. El problema principal és que la malaltia del COVID-19 és molt recent i encara es desconeixen molts dels seus efectes a nivell neuronal. En aquest projecte s’utilitzen tècniques de neuroimatge per veure l’efecte a nivell cerebral. Es comparen imatges del cervell dels pacients abans de fer teràpia de rehabilitació olfactiva, i després de fer-la. En aquest estudi s’ha treballat amb imatges de ressonància magnètica funcional (fMRI) obtingudes a l’Hospital Universitari Quironsalud Madrid. S'han inclòs quatre subjectes a l'estudi i s'han aconseguit identificar les zones cerebrals amb activació abans de fer la teràpia olfactiva i després de fer-la. Per últim, s’han obtingut resultats de les imatges a nivell de preprocessat, anàlisi estadístic (de primer i segon nivell) i anàlisis ROI (region of interest). Aquests resultats han estat interpretats i s’han extret les respectives conclusionsLos estudios y las evidencias de las ventajas que aportan las terapias de rehabilitación en relación con la neuroplasticidad son cada vez más abundantes. En este proyecto, en colaboración con el laboratorio LAIMBIO (Laboratorio de Análisis de Imagen Médica y Biometría) de la Universidad Rey Juan Carlos, se ha realizado un estudio para investigar la rehabilitación olfativa de pacientes con anosmia después de haber pasado COVID-19. El TFM se ha desarrollado dentro del proyecto financiado por la URJC “Nueva terapia de rehabilitación olfatoria para el tratamiento de personas con secuelas en el olfato por afectación por el COVID-19”. El principal problema es que la enfermedad del COVID-19 es muy reciente y todavía se desconocen muchos de sus efectos a nivel neuronal. En este proyecto se utilizan técnicas de neuroimagen para ver el efecto a nivel cerebral. Se comparan imágenes del cerebro de los pacientes antes de realizar terapia de rehabilitación olfativa, y después de realizarla. En este estudio se ha trabajado con imágenes de resonancia magnética funcional (fMRI) obtenidas en el Hospital Universitario Quironsalud Madrid. Se han incluido cuatro sujetos en el estudio y se ha conseguido identificar las zonas cerebrales con activación antes de hacer la terápia olfativa y después de hacerla. Por último, se han obtenido resultados de las imágenes a nivel de preprocesado, análisis estadístico (de primer y segundo nivel) y análisis ROI (region of interest). Estos resultados han sido interpretados y se han extraído las respectivas conclusionesObjectius de Desenvolupament Sostenible::3 - Salut i Benesta

Orientation in space using the sense of smell

Several studies reported that respiration interacts with olfactory perception. Therefore, in the pilot study of this experiment series human breathing was investigated during an olfactory experiment. Breathing parameters (respiratory minute volume, respiratory amplitude, and breathing rate) were quantified in response to odor stimulation and olfactory imagery. We provide evidence that respiration changed during smelling and during olfactory imagery in comparison to the baseline condition. In conclusion, olfactory perception and olfactory imagery both have an impact on the human respiratory profile, which is hypothesized to be based on a common underlying mechanism named sniffing. Our findings underline that for certain aspects of olfactory research it may be necessary to control and/or monitor respiration during olfactory stimulation. The human ability to localize odors has been investigated in a limited number of studies, but the findings are contradictory. We hypothesized that this was mainly due to differential effects of olfactory and trigeminal stimulation. Only few substances excite selectively the olfactory system. One of them is hydrogen sulphide (H2S). In contrast, most odorants stimulate both olfactory and trigeminal receptors of the nasal mucosa. The main goal of this study was to test the human ability to localize substances, which excite the olfactory system selectively. For this purpose we performed localization experiment using low and high concentrations of the pure odorant H2S, the olfactory-trigeminal substance isoamyl acetate (IAA), and the trigeminal substance carbon dioxide (CO2). In preparation for the localization study a detection experiment was carried out to ensure that subjects perceived the applied stimuli consciously. The aim of the detection study was to quantify the human sensitivity in response to stimulation with H2S, IAA, and CO2. We tested healthy subjects using an event-related experimental design. The olfactory stimulation was performed using an olfactometer. The results showed that humans are able to detect H2S in low concentration (2 ppm) with moderate sensitivity, and possess a high sensitivity in response to stimulation with 8ppm H2S, 50% v/v CO2, and 17.5% v/v IAA. The localization experiment revealed that subjects can localize H2S neither in low nor in high concentrations. In contrast to that, subjects possess an ability to localize both IAA and CO2 stimuli. These results clearly demonstrate that humans are able to localize odorants which excite the trigeminal system, but they are not able to localize odors that stimulate the olfactory system exclusively, in spite of consciously perceiving the stimuli

Disruption of transfer entropy and inter-hemispheric brain functional connectivity in patients with disorder of consciousness

Severe traumatic brain injury can lead to disorders of consciousness (DOC) characterized by deficit in conscious awareness and cognitive impairment including coma, vegetative state, minimally consciousness, and lock-in syndrome. Of crucial importance is to find objective markers that can account for the large-scale disturbances of brain function to help the diagnosis and prognosis of DOC patients and eventually the prediction of the coma outcome. Following recent studies suggesting that the functional organization of brain networks can be altered in comatose patients, this work analyzes brain functional connectivity (FC) networks obtained from resting-state functional magnetic resonance imaging (rs-fMRI). Two approaches are used to estimate the FC: the Partial Correlation (PC) and the Transfer Entropy (TE). Both the PC and the TE show significant statistical differences between the group of patients and control subjects; in brief, the inter-hemispheric PC and the intra-hemispheric TE account for such differences. Overall, these results suggest two possible rs-fMRI markers useful to design new strategies for the management and neuropsychological rehabilitation of DOC patients.Comment: 25 pages; 4 figures; 3 tables; 1 supplementary figure; 4 supplementary tables; accepted for publication in Frontiers in Neuroinformatic

Measuring cortical connectivity in Alzheimer's disease as a brain neural network pathology: Toward clinical applications

Objectives: The objective was to review the literature on diffusion tensor imaging as well as resting-state functional magnetic resonance imaging and electroencephalography (EEG) to unveil neuroanatomical and neurophysiological substrates of Alzheimer’s disease (AD) as a brain neural network pathology affecting structural and functional cortical connectivity underlying human cognition. Methods: We reviewed papers registered in PubMed and other scientific repositories on the use of these techniques in amnesic mild cognitive impairment (MCI) and clinically mild AD dementia patients compared to cognitively intact elderly individuals (Controls). Results: Hundreds of peer-reviewed (cross-sectional and longitudinal) papers have shown in patients with MCI and mild AD compared to Controls (1) impairment of callosal (splenium), thalamic, and anterior–posterior white matter bundles; (2) reduced correlation of resting state blood oxygen level-dependent activity across several intrinsic brain circuits including default mode and attention-related networks; and (3) abnormal power and functional coupling of resting state cortical EEG rhythms. Clinical applications of these measures are still limited. Conclusions: Structural and functional (in vivo) cortical connectivity measures represent a reliable marker of cerebral reserve capacity and should be used to predict and monitor the evolution of AD and its relative impact on cognitive domains in pre-clinical, prodromal, and dementia stages of AD. (JINS, 2016, 22, 138–163