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