Appliziert man Nikotindampf in niedrigen Konzentrationen auf die nasale Mukosa, so ruft es Geruchsempfindungen hervor. In höheren Konzentrationen ruft Nikotin zusätzlich ein Brennen oder Stechen in der Nase hervor. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war, die Hirnaktivierungen nach intranasaler Stimulation von S(-)-Nikotin in niedrigen, olfaktorisch leicht überschwelligen versus hohen, trigeminal leicht überschwelligen Konzentrationen zu vergleichen. Zuerst wurden die individuellen Geruchs- und Schmerzschwellen von Nikotin von jeweils 30 gesunden Gelegenheitsrauchern mittels PC-kontrolliertem Olfaktometer bestimmt. Danach wurden funktionelle Kernspinuntersuchungen mit einem 1,5 Tesla Magnetresonanztomographen während der Applikation von intranasalen Nikotinreizen in olfaktorisch und trigeminal leicht überschwelligen Konzentrationen durchgeführt. Nach den Bildgebungsexperimenten nahm ein Teil der Probanden an einem weiteren Experiment teil. Während dieses Experiments sollten die Probanden die Intensität der olfaktorischen und trigeminalen Wahrnehmung während intranasaler Nikotinstimulation außerhalb des Magnetresonanztomographen bewerten. Dabei wurden die gleichen Stimulationsparadigmen verwendet wie während der Bildgebungsexperimente. Obwohl die subjektive Wahrnehmung von Nikotindampf in niedrigen und hohen Konzentrationen sich deutlich voneinander unterschied, konnten Aktivierungen in nahezu gleichen Hirnarealen in beiden Experimenten gefunden werden. Diese Hirnareale entsprachen Arealen, von denen bekannt ist, dass sie für die olfaktorische Informationsverarbeitung zuständig sind, aber auch Arealen, die spezifisch für die Verarbeitung von schmerzhaften Reizen sind. Die Ergebnisse zeigen, dass sowohl das olfaktorische, als auch das trigeminale System während chemosensorischer Wahrnehmung von Nikotindampf aktiviert werden und dass es nicht möglich ist, olfaktorische von trigeminalen Effekten zu trennen, indem man die Stimuluskonzentration variiert. Die Aktivierungen von olfaktorischen und trigeminalen Arealen nach chemosensorischer Stimulation mit verschiedenen Nikotinkonzentrationen sind weitgehend unabhängig von der wahrgenommenen Intensität der Stimuli.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
2 Theoretischer Hintergrund
2.1 Die Geruchswahrnehmung
2.1.1 Das olfaktorische System
2.1.1.1 Das periphere olfaktorische System
2.1.1.2 Anatomie des zentralen olfaktorischen Systems
2.1.2 Das trigeminale System
2.1.2.1 Das periphere trigeminale System
2.1.2.2 Anatomie des zentralen trigeminalen Systems
2.1.3 Interaktionen zwischen dem olfaktorischen und dem trigeminalen System
2.2 Funktionsweise der Magnetresonanztomographie
2.2.1 Funktionsweise der funktionellen Magnetresonanztomographie
2.2.1.1 Physikalische Grundlagen
2.2.1.2 Physiologische Grundlagen
2.2.1.3 Experimentelle fMRT-Designs
2.3 Die Substanz Nikotin
2.3.1 Struktur von Nikotin
2.3.2 Chemosensorische Eigenschaften von Nikotin
3 Fragestellungen und Hypothesen
4 Methoden
4.1 Experimenteller Ablauf
4.2 Untersuchtes Probandenkollektiv
4.3 Chemosensorische Stimulation der Nasenschleimhaut
4.4 Testsubstanz Nikotin
4.5 Schwellentests
4.5.1 Bestimmung der Geruchsschwelle von Nikotin
4.5.2 Bestimmung der Schmerzschwelle von Nikotin
4.6 Erhebung der funktionellen Bilddaten
4.6.1 Stimulationsparadigma für Nikotin in niedrigen Konzentrationen
4.6.2 Stimulationsparadigma für Nikotin in hohen Konzentrationen
4.7 Bewertung der Nikotinstimuli
4.7.1 Psychometrische Bewertung der Nikotinstimuli
4.7.1.1 Psychometrische Bewertung der Nikotinstimuli nach funktioneller Bildgebung mit niedrigen Nikotinkonzentrationen
4.7.1.2 Psychometrische Bewertung der Nikotinstimuli nach funktioneller Bildgebung mit hohen Nikotinkonzentrationen
4.7.2 Intensitätsbewertung der Nikotinstimuli
4.8 Auswertung der funktionellen Bilddaten
4.8.1 Vorverarbeitung der funktionellen Bilddaten
4.8.1.1 Bewegungskorrektur
4.8.1.2 Korrektur der Magnetfeldinhomogenitäten
4.8.1.3 Räumliche Normalisierung
4.8.1.4 Räumliche Glättung
4.8.2 Statistische Auswertung der funktionellen Bilddaten
4.8.2.1 Statistische Auswertung des fMRT-Experiments mit Nikotin in niedrigen Konzentrationen
4.8.2.2 Statistische Auswertung des fMRT-Experiments mit Nikotin in hohen Konzentrationen
4.8.2.3 Anatomische Zuordnung
4.8.2.4 ‚Voxel of Interest’ Analyse
5 Ergebnisse
5.1 Schwellentests
5.1.1 Geruchsschwellen von Nikotin
5.1.2 Schmerzschwellen von Nikotin
5.1.3 Vergleich der Geruchs- und Schmerzschwellen von Nikotin
5.2 Bewertung der Nikotinstimuli
5.2.1 Psychometrische Bewertung der Nikotinstimuli in niedrigen Konzentrationen nach dem fMRT-Experiment
5.2.2 Psychometrische Bewertung der Nikotinstimuli in hohen Konzentrationen während und nach dem fMRT-Experiment
5.2.3 Vergleich der psychometrischen Bewertungen der Nikotinstimuli in niedrigen versus hohen Konzentrationen
5.2.4 Intensitätsbewertung der Nikotinstimuli in niedrigen Konzentrationen
5.2.5 Intensitätsbewertung der Nikotinstimuli in hohen Konzentrationen
5.2.6 Vergleich der Intensitätsbewertungen der Nikotinstimuli in niedrigen versus hohen Konzentrationen
5.3 Hirnaktivierungen nach intranasaler Stimulation mit Nikotin
5.3.1 Hirnaktivierungen nach intranasaler Stimulation mit Nikotin in niedrigen Konzentrationen (n = 19)
5.3.2 Hirnaktivierungen nach intranasaler Stimulation mit Nikotin in niedrigen Konzentrationen (n = 30)
5.3.3 Hirnaktivierungen nach intranasaler Stimulation mit Nikotin in hohen Konzentrationen (n = 30)
5.3.4 Vergleich der Hirnaktivierungen nach intranasaler Stimulation mit Nikotin in niedrigen versus hohen Konzentrationen
6 Diskussion
6.1 Nikotinstimulation
6.2 Vergleich der Geruchs- und Schmerzschwellen von Nikotin
6.3 Vergleich der Bewertung der Nikotinstimuli in niedrigen versus hohen Konzentrationen
6.4 Hirnaktivierungen nach intranasaler Stimulation mit Nikotin in niedrigen Konzentrationen
6.5 Hirnaktivierungen nach intranasaler Stimulation mit Nikotin in hohen Konzentrationen
6.6 Vergleich der Hirnaktivierungen nach intranasaler Stimulation mit Nikotin in niedrigen versus hohen Konzentrationen
6.7 Schlußbetrachtungen
7 Ausblick
8 Zusammenfassung
9 Summary
Zielsetzung & Themen
Das Hauptziel dieser Dissertation ist die Untersuchung der zentralnervösen Verarbeitung von olfaktorischen und trigeminalen Reizen durch den multimodalen chemosensorischen Stoff Nikotin mittels funktioneller Magnetresonanztomographie (fMRT). Die zentrale Forschungsfrage lautet, inwiefern die Konzentration des applizierten Nikotindampfes die Hirnaktivierungsmuster beeinflusst und ob eine Differenzierung zwischen olfaktorischen und trigeminalen Effekten im Gehirn möglich ist.
- Untersuchung der Interaktion zwischen olfaktorischem und trigeminalem System.
- Ermittlung von Schwellenwerten für Geruch und Schmerz bei intranasaler Nikotinapplikation.
- Analyse kortikaler Hirnaktivierungen bei niedrigen (olfaktorischen) und hohen (trigeminalen) Konzentrationen.
- Vergleich der neuronalen Korrelate zur Erfassung von Unterschieden in der sensorischen Verarbeitung.
- Bewertung der subjektiven Wahrnehmung (Intensität, Valenz, emotionale Erregung) in Korrelation mit fMRT-Daten.
Auszug aus dem Buch
2.1.1 Das olfaktorische System
Die Geruchsrezeptoren sind nicht gleichmäßig über die Nasen- und Rachenschleimhaut verteilt. Der am hinteren Nasendach gelegene Teil der Nasenschleimhaut (Regio olfactoria) beherbergt die meisten Geruchsrezeptoren. Einige olfaktorische Rezeptoren kann man auch an der oberen Nasenmuschel, am oberen Teil der mittleren Nasenmuschel, am Septum sowie im Rachenraum finden.
Die Riechschleimhaut besteht aus dem Riechepithel und der Lamina propia. Das menschliche Riechepithel ist ein mehrreihiges Flimmerepithel, in dem sich mehrere Millionen primäre olfaktorische Neurone befinden. Das Riechepithel wird durch eine Basalmembran von der Lamina propria getrennt. In der Lamina propria befinden sich neben zahlreichen Blutgefäßen und Nervenfasern die Glandulae olfactoriae (Bowman-Drüsen). Diese sind maßgeblich an der Bildung des Riechschleims beteiligt.
Olfaktorische Neurone sind bipolare Nervenzellen, deren apikaler Fortsatz in einer Auftreibung mit zahlreichen feinen Sinneshaaren (Cilia) in der das Epithel bedeckenden Schleimschicht endet. Duftstoffe, welche in den Riechschleim penetrieren, interagieren mit den olfaktorischen Rezeptorproteinen, die in der Plasmamembran der Ciliae lokalisiert sind. Die Bindung des Duftstoffs an den Golf-Protein gekoppelten Rezeptor löst eine ‚Second Messenger’ Kaskade (‚Second Messenger’: cAMP, cGMP oder IP3) aus, die zu einem Membranpotential führt. Dieses breitet sich über den Zellkörper hinweg auf das Axon aus, das basal aus dem Zellkörper des olfaktorischen Neurons hervorgeht. Die Axone der einzelnen Neurone sammeln sich zu Axonbündeln, die als Fila olfactoria bezeichnet werden. Die Gesamtheit der Fila olfactoria bilden den Nervus olfactorius, bei dem es sich nach neuroanatomischen Kriterien nicht um einen Hirnnerv im eigentlichen Sinne handelt, da es kein kranial liegender Spinalnerv ist.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Diese Einleitung führt in die Bedeutung der chemischen Sinne ein und beschreibt das Ziel der Studie, die Interaktionen des olfaktorischen mit dem trigeminalen System bei Nikotinreizen zu untersuchen.
2 Theoretischer Hintergrund: Dieses Kapitel erläutert die anatomischen und physiologischen Grundlagen der Geruchswahrnehmung, die Funktionsweise der Magnetresonanztomographie sowie die Eigenschaften von Nikotin als multimodaler Stimulus.
3 Fragestellungen und Hypothesen: Hier werden das Ziel der Studie zur Isolierung der Effekte olfaktorischer und trigeminaler Systeme sowie die spezifischen Hypothesen zur Differenzierung der neuronalen Korrelate bei unterschiedlichen Nikotinkonzentrationen dargelegt.
4 Methoden: Dieses Kapitel beschreibt detailliert den experimentellen Ablauf, das Probandenkollektiv, die Stimulation mittels Olfaktometer, die Schwellenwertbestimmung sowie die fMRT-Datenerhebung und statistische Auswertung.
5 Ergebnisse: Die Ergebnisse präsentieren die Schwellentests, die psychometrische Bewertung der Stimuli sowie die detaillierten Hirnaktivierungsmuster in Abhängigkeit von den Nikotinkonzentrationen.
6 Diskussion: Die Diskussion interpretiert die Ergebnisse bezüglich der funktionellen Kopplung von olfaktorischen und trigeminalen Systemen, vergleicht die Daten mit bestehender Literatur und beleuchtet die Limitationen der Studie.
7 Ausblick: Der Ausblick schlägt weitere Forschungsansätze vor, etwa die Untersuchung anosmischer Probanden oder die Anwendung des Studienkonzepts auf andere multimodale Stoffe wie Menthol.
8 Zusammenfassung: Diese Zusammenfassung gibt einen prägnanten Überblick über die durchgeführte Studie, deren Zielsetzung, methodische Vorgehensweise und die wichtigsten wissenschaftlichen Erkenntnisse.
9 Summary: Zusammenfassender Überblick in englischer Sprache.
Schlüsselwörter
Nikotin, fMRT, Geruchssinn, trigeminales System, olfaktorisches System, funktionelle Bildgebung, Schmerzschwelle, Geruchsschwelle, BOLD-Effekt, intranasale Stimulation, multimodale Integration, neuronale Korrelate, neurovaskuläre Kopplung, S(-)-Nikotin.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser wissenschaftlichen Arbeit?
Die Arbeit untersucht die neuronale Verarbeitung des multimodalen Stoffes Nikotin im menschlichen Gehirn, wobei der Fokus auf dem Zusammenspiel zwischen olfaktorischen (Riechen) und trigeminalen (Schmerz/Reizung) Systemen liegt.
Welche zentralen Themenfelder werden bearbeitet?
Zentral sind die Anatomie und Physiologie der chemischen Sinne, die Anwendung der funktionellen Magnetresonanztomographie (fMRT) zur Visualisierung von Hirnaktivitäten sowie die pharmakologischen und sensorischen Eigenschaften von Nikotin.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Das primäre Ziel besteht darin, zu analysieren, ob sich durch die Variation der Nikotinkonzentration eine räumliche und funktionelle Trennung zwischen den olfaktorischen und trigeminalen Hirnaktivierungen im fMRT nachweisen lässt.
Welche wissenschaftliche Methode kommt zum Einsatz?
Es werden psychophysikalische Schwellentests zur Bestimmung individueller Geruchs- und Schmerzgrenzen sowie funktionelle Kernspintomographie (fMRT) zur Erhebung bildgebender Daten angewendet.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die theoretische Einführung in die Sinnesphysiologie und MRT-Technik, die methodische Beschreibung der Versuchsaufbauten, die detaillierte Präsentation der Messergebnisse sowie die kritische Diskussion der Befunde.
Welche Schlüsselbegriffe charakterisieren die Studie?
Die Studie lässt sich vor allem über Begriffe wie Nikotin, funktionelle Bildgebung (fMRT), olfaktorisch-trigeminale Interaktion und sensorische Schwellenwerte definieren.
Warum wurde für die Untersuchung speziell S(-)-Nikotin verwendet?
S(-)-Nikotin ist das natürlich in der Tabakpflanze vorkommende Isomer; dessen Verwendung stellt sicher, dass die Ergebnisse nicht durch Oxidationsprodukte verfälscht werden und eine stereoselektive Interaktion mit den Rezeptoren gewährleistet ist.
Konnten olfaktorische und trigeminale Effekte durch die Konzentrationsänderung voneinander getrennt werden?
Nein, die Ergebnisse zeigen, dass eine klare Trennung der Effekte nicht vollständig möglich ist. Auch bei niedrigen Konzentrationen, bei denen vorwiegend olfaktorische Wahrnehmungen berichtet wurden, konnte eine Aktivierung trigeminaler Hirnareale nachgewiesen werden.
Welche Rolle spielt das Cerebellum laut der vorliegenden Ergebnisse?
Das Cerebellum zeigte Aktivierungen während der chemosensorischen Stimulation. Dies deutet auf die Beteiligung an einem Feedback-Mechanismus hin, der das Einatemvolumen (Sniffing) reguliert, selbst wenn keine aktive Inhalation stattfindet.
- Citar trabajo
- Jessica Albrecht (Autor), 2008, Zentrale Verarbeitung multimodaler sensorischer Reize nach Stimulation der Nasenschleimhaut mit Nikotin, Múnich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/88583
