Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Neuroscience
Click here for the English version

Neuroscience

Vurdering af elev-linkede ændringer i locus Coeruleus-medieret ophidselse, fremkaldt af trigeminal stimulation

Published: November 26, 2019 doi: 10.3791/59970
Automatic Translation
*1, *2,3, *1, 4, 5, 1, 6, 1, 2,3, 1,7, 1
1Department of Translational Research and of New Surgical and Medical Technologies, University of Pisa, 2The BioRobotics Institute, Scuola Superiore Sant'Anna, 3Department of Excellence in Robotics & AI, Scuola Superiore Sant'Anna, 4Institut des Maladie Neurodegeneratives, University of Bordeaux, 5Department of Physics, University of Pisa, 6Department of Surgical, Medical, Molecular Pathology and Critical Care Medicine, University of Pisa, 7Department of Developmental Neuroscience, IRCCS Foundation Stella Maris
* These authors contributed equally

Summary

For at kontrollere, om trigeminus effekter på kognitiv ydeevne involverer locus coeruleus aktivitet, to protokoller præsenteres, der har til formål at evaluere mulige korrelationer mellem ydeevne og opgave-relaterede pupilstørrelse ændringer induceret af tygge. Disse protokoller kan anvendes på betingelser, hvorunder der er mistanke om et bidrag fra locus coeruleus.

Abstract

Aktuel videnskabelig litteratur giver bevis for, at trigeminus sensorimotor aktivitet forbundet med tygge kan påvirke ophidselse, opmærksomhed, og kognitive præstationer. Disse virkninger kan skyldes udbredte forbindelser af trigeminus systemet til det opstigende retikulære aktiveringssystem (ARAS), som noradrenerge neuroner i locus coeruleus (LC) tilhører. LC neuroner indeholder fremskrivninger til hele hjernen, og det er kendt, at deres udledning Co-varierer med pupilstørrelse. LC-aktivering er nødvendig for at fremkalde opgaverelateret mydriasis. Hvis tygge effekter på kognitive præstationer er medieret af LC, er det rimeligt at forvente, at ændringer i kognitiv ydeevne er korrelerede til ændringer i opgave-relaterede mydriasis. To nye protokoller præsenteres her for at verificere denne hypotese og dokumentere, at tygge effekter ikke kan henføres til aspecifik motor aktivering. I begge protokoller registreres de ændringer af ydeevnen og elev størrelsen, der er observeret under specifikke opgaver, før, kort efter og en halv time efter en 2-minutters periode på enten: a) ingen aktivitet, b) rytmisk, bilateralt håndgreb, c) bilateral tygning af blød pellet og d) bilateral tygning af hård pellet. Den første protokol måler præstationsniveauet ved at spotte måltal, som vises i numeriske matricer. Da elev størrelses optagelser registreres af et passende pupillometer, der hæmmer synet for at sikre konstante belysningsniveauer, evalueres opgaverelateret mydriasis under en haptisk opgave. Resultater fra denne protokol afslører, at 1) tygge-induceret ændringer i ydeevne og opgave-relaterede mydriasis er korreleret og 2) hverken ydeevne eller mydriasis forstærkes af håndgreb. I den anden protokol, brug af en wearable pupillometer tillader måling af elev størrelse ændringer og ydeevne under den samme opgave, således at der kan opnås endnu stærkere beviser for LC involvering i trigeminus effekter på kognitiv aktivitet. Begge protokoller er blevet kørt i den historiske afdeling af Prof. Giuseppe Moruzzi, Discoverer af ARAS, ved universitetet i Pisa.

Introduction

Hos mennesker, det er kendt, at tygge levendegør kognitiv behandling1,2 og forbedrer ophidselse3,4, opmærksomhed5, læring, og hukommelse6,7. Disse virkninger er forbundet med afkortning af latencer af kortikale hændelsesrelaterede potentialer8 og en stigning i perfusion af flere kortikale og subkortikale strukturer2,9.

Inden for kranielle nerver bæres de mest relevante oplysninger, der opretholder kortikale desynkronisering og ophidselse, med trigeminus fibre10, sandsynligvis på grund af kraftige trigeminus forbindelser til det opstigende retikulære aktiveringssystem (ARAS)11. Blandt ARAS strukturer, locus coeruleus (LC) modtager trigeminus indgange11 og modulerer ophidselse12,13, og dens aktivitet covarier med pupilstørrelse14,15,16,17,18. Selvom relationen mellem LC-hvile aktivitet og kognitiv ydeevne er kompleks, fører opgaverelateret forbedring af LC-aktivitet til ophidselse-associeret19 pupil mydriasis20 og forbedret kognitiv ydeevne21. Der er pålidelig covariation mellem LC aktivitet og pupilstørrelse, og sidstnævnte er i øjeblikket betragtes som en proxy af centrale noradrenerge aktivitet22,23,24,25,26.

Asymmetrisk aktivering af sensorimotor trigeminus grene inducerer elev asymmetrier (Anisocoria)27,28, hvilket bekræfter styrken af trigemino-coerulear-forbindelsen. Hvis LC deltager i de stimulerende virkninger af at tygge på kognitiv ydeevne, det kan påvirke parallel opgave-relaterede mydriasis, som er en indikator for LC phasic aktivering under en opgave. Det kan også påvirke ydeevnen, så en korrelation kan forventes mellem tygge-induceret ændringer i ydeevne og mydriasis. Desuden, hvis trigeminus effekter er specifikke, tygge effekter bør være større end dem, der er fremkaldt af en anden rytmisk motorisk opgave. For at afprøve disse hypoteser præsenteres to forsøgsprotokoller hermed. De er baseret på kombinerede målinger af kognitiv ydeevne og pupilstørrelse, udført før og efter en kort periode med tygge aktivitet. Disse protokoller anvender en test, der består i at finde måltal, som vises i numeriske, opmærksomme matricer29sammen med ikke-måltal. Denne test kontrollerer opmærksomme og kognitive præstationer.

Det overordnede mål med disse protokoller er at illustrere, at trigeminus stimulation fremkalder specifikke ændringer i kognitiv ydeevne, som ikke specifikt kan tilskrives generering af motoriske kommandoer og er relateret til elev relaterede ændringer i LC-medierede Ophidselse. Anvendelser af protokollerne strækker sig til alle adfærdsmæssige forhold, hvor ydeevnen kan måles og involvering af LC er mistænkt.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Alle trin følger retningslinjerne fra det etiske udvalg på universitetet i Pisa.

1. deltagerrekruttering

  1. Rekruttere en population i henhold til undersøgelsens specifikke mål (dvs. normale forsøgspersoner og/eller patienter, mænd og/eller kvinder, unge og/eller ældre).

2. materiale forberedelse

  1. Forbered en blød pille; Brug kommercielt tilgængelige tyggegummi (tabel over materialer; Initial hårdhed = 20 Shore oO).
  2. Forbered en hård pellet; Brug silicium gummi pellets (tabel over materialer; konstant hårdhed = 60 Shore oO)30.
  3. Forbered en anti-stress kugle for en håndgreb opgave. Brug en polyuretanskum-lavet kugle (tabel af materialer; konstant hårdhed = 30 Shore oO)30.
  4. Forbered en Tangram puslespil (tabel over materialer; antal stykker = syv) for at udføre den haptiske opgave.

3. rutediagram over eksperimentet

  1. Rutediagram over protokol 1
    1. Evaluer baseline Performance (Se afsnit 4,1) i den kognitive (matrices) test (t0, Control).
    2. Vurder elev størrelsen (Se afsnit 4,2) i hvile (ingen aktivitet, der anmodes om fra forsøgsemnet) (t0, Control).
    3. Evaluer elev størrelsen under en haptisk opgave baseret på Tangram (t0, Control).
      1. Fjern et af brikkerne fra puslespillet og placere det i emnet hånd.
      2. Bed emnet om at sætte stykket tilbage i puslespillet, uden at kigge på puslespillet.
    4. Bed hvert emne om at udføre tre specifikke aktiviteter i 2 min eller for at hvile i 2 min, i henhold til trin 3.1.4.1 – 3.1.4.4. Bed emnerne om at udføre disse aktiviteter i separate sessioner, der forekommer på forskellige dage (2 – 3 dage mellem sessioner).
      1. Bed emnet om at tygge en selvadministreret blød pille i 2 min, så han/hun spontant vælger både hastigheden af tygge og side af munden, hvorpå der skal tygges. Efter 1 minut af tygge, bede ham/hende til at ændre tygge side (og pellet).
      2. Bed motivet om at tygge en selvadministreret hård pille i 2 min. Efter 1 min, bede ham/hende til at ændre tygge side (men ikke pellet).
      3. Bed motivet om at udføre en rytmisk klemning af en anti-stress kugle (handgrip motion) i 2 minutter ved den hastighed og på hånden, de vælger. Efter 1 min, bede om at skifte hænder.
      4. Bed motivet om at hvile (ingen aktivitet) i 2 min.
    5. Lige efter afslutningen af hvert trin (3.1.4.1 – 3.1.4.4) evaluerer du ydeevnen i matricer-testen og elev størrelsen i hvile og under den haptiske opgave (T7).
      Bemærk: Udtrykket "i hvile" betyder, at motivet under elev størrelses målingen er afslappende. Udtrykket "under haptisk opgave" betyder, at motivet under elev størrelses målingen udfører opgaven baseret på Tangram.
    6. Tredive minutter efter afslutningen af hvert trin (3.1.4.1 – 3.1.4.4), evaluere ydeevne og elev størrelse i hvile og under den haptiske opgave (T37).
  2. Rutediagram over protokol 2
    1. Evaluer elevernes størrelse, mens motivet hviler (t0, kontrol; se afsnit 4,3).
    2. Evaluer baseline performance i den kognitive (matrices) test, mens du samtidig tester pupil størrelsen (t0, Control).
    3. Bed hvert emne om at udføre tre specifikke aktiviteter i 2 min eller for at hvile i 2 min, i henhold til trin 3.2.3.1 – 3.2.3.4. Bed emnerne om at udføre disse aktiviteter i separate sessioner, der forekommer på forskellige dage (2 – 3 dage mellem sessioner).
      1. Bed emnet om at tygge en selvadministreret blød pille i 2 min, så han/hun spontant vælger både hastigheden af tygge og side af munden, hvorpå der skal tygges. Efter 1 minut af tygge, bede ham/hende til at ændre tygge side (og pellet).
      2. Bed motivet om at tygge en selvadministreret hård pille i 2 min. Efter 1 min, bede ham/hende til at ændre tygge side (men ikke pellet).
      3. Bed motivet om at udføre en rytmisk klemning af en anti-stress kugle (handgrip motion) i 2 minutter ved hastigheden og på siden af deres valg. Efter 1 min, bede om at skifte hænder.
      4. Bed motivet om at slappe af (ingen aktivitet) i 2 min.
    4. Lige efter afslutningen af hvert trin (trin 3.2.3.1 – 3.2.3.4) evalueres elev størrelsen i hvile og både ydeevne og elev størrelse i matricer testen (T7).
    5. Tredive minutter efter afslutningen af hvert trin (trin 3.2.3.1-3.2.3.4), evaluere pupilstørrelse i hvile og både ydeevne og pupilstørrelse i matricer test (T37).

4. målte variabler i protokol 1 og 2

  1. Kognitive præstationer
    Bemærk: I begge protokoller 1 og 2, måle kognitiv ydeevne ved hjælp af en test baseret på en modificeret version af Spinnler-Tognoni numeriske matricer test29.
    1. Vis tre numeriske matricer (10 x 10) trykt på papir til motivet. Så spørg emnet for sekventielt at scanne matrix linjer, mens tikkende med en blyant så mange af målnumrene som muligt (60 mål ud af 300 samlede viste tal) angivet over hver matrix (figur 1) inden for 15 s.
    2. Udnyt matricer med forskellige positioner af målnumre på t0, T7 og T37 for at undgå, at der indføres konfoundere i forbindelse med læringsprocesser.
    3. Evaluer offline ydelses indekset (PI), scanningshastigheden (SR) og fejlfrekvensen (ER) på følgende måde: PI = (måltal understreget i 15 s)/15; SR = (mål + ikke-målnumre scannet i 15 s)/15; ER = (måltal savnet + ikke-måltal understreget i 15 s)/15.
  2. Elev størrelse i protokol 1
    1. Forbered motivet til elev størrelses målingen med en cornea-topograf-pupillographer (tabel over materialer), som forebygger synet af miljøet ved hjælp af en af følgende to anskaffelses procedurer.
      1. Optag et enkelt kamera billede af eleven (figur 2a, B) med et konstant belysningsniveau på 40 Lux, og tryk på den specifikke knap på cornea topographer-pupillographer. Oprethold en optimal arbejdsafstand på 56 mm mellem kameraet og eleven.
        Bemærk: En enkelt måling er tilstrækkelig på grund af den lave grad af variation i elev størrelsen målt ved konstant belysning.
      2. Foretage en kontinuerlig optagelse af eleven (samplingfrekvens = 5 Hz; Figur 2C, D) i den kontinuerlige anskaffelses modalitet. Kassér de første 20 – 50 målinger (4 – 10 s), da elev diameteren i løbet af dette tidsrum vokser (erhvervelsen starter ved at slukke elev belysningen ved 40 Lux). Gennemsnitlige de resterende målinger.
    2. Optag elev størrelse af venstre og højre øjne separat i hvile (trin 3.1.2, 3.1.5 og 3.1.6).
    3. Optag elev størrelse under den haptiske opgave (trin 3.1.3, 3.1.5 og 3.1.6, venstre og højre separat). Når du bruger enkelt skudt modalitet (trin 4.2.1.1), erhverve billedet i løbet af den anden af to opgave gentagelser, i begyndelsen af puslespillet overflade udforskning. I den kontinuerlige optagelsestilstand (trin 4.2.1.2), starte købet, når brik i puslespillet er blevet placeret i hånden af emnet.
    4. Evaluer offline venstre og højre elev størrelse i hvile og under den haptiske opgave ved direkte erhvervelse af de værdier (i mm), som softwaren har vist. Beregn den opgaverelaterede mydriasis ved at trække elev størrelsen i hvile fra elev størrelse under den haptiske opgave, og få alle gennemsnitlige venstre-højre værdier.
  3. Elev størrelse i protokol 2
    1. Forbered motivet til elev størrelses målingen ved hjælp af en bærbar pupillometer/Eye tracker (figur 3a), udstyret med en 3D-trykt glas rammestruktur, ved hjælp af følgende procedure.
      1. Har motivet bære den bærbare pupillometer. Juster placeringen af de to infrarøde kameraer (figur 3A-2,3) monteret på stænger stammer fra rammen (tabel over materialer), således at øjnene er inden for synsfeltet af kameraerne og i fokus.
      2. Erhverve billeder af eleverne (sampling rate = 120 Hz), som behandles online af den software, der leveres med den bærbare pupilometer og giver pupildiameter (i mm) ved hjælp af en geometrisk model af "gennemsnitlige" humane okulære. Se bort fra blink artefakter.
      3. Optag kontinuerligt det miljømæssige belysningsniveau ved hjælp af en kalibreret logaritmisk lyssensor, som er monteret på den bærbare pupillometer ramme. Brug et frontal RGB-kamera monteret på det bærbare pupillometer (figur 3a-1) til at registrere emne synsfeltet (samplingfrekvens = 30 Hz), der er nyttigt til at studere gaze adfærd.
    2. Optag samtidig størrelsen af de to elever i hvile for 20 s (figur 3B).
    3. Optag elevernes størrelse, mens motivet udfører Spinnler-Tognoni-testen, så elev størrelsen og den kognitive ydeevne registreres samtidigt (trin 3.2.2, 3.2.4 og 3.2.5).
    4. Evaluer offline venstre og højre elev størrelse i hvile og under Spinnler-Tognoni-testen ved at gennemsnitlige erhvervede værdier (n = 2.400) for hver elev. Beregn den opgaverelaterede mydriasis ved at trække elev størrelsen i hvile fra elev størrelsen under matricer testen, derefter alle de gennemsnitlige venstre-højre værdier.
  4. Gaze position
    Bemærk: Rekonstruere fikserings punktet online ved hjælp af billederne fra de to elever, som er fremstillet af punkt 4,3. Behandl de erhvervede rammer i realtid, og anslå gaze fikserings punktet ved hjælp af en tidligere beregnet overførselsfunktion31 specifik for hvert motiv iført Eye tracker.
    1. Hvis det er nødvendigt, når du udfører protokol 2, rekonstruere gaze position fra elev billederne. For at gøre dette, skal du tilføje fire computer detekterbare vision markører (ArUco eller AprilTag biblioteker af instrumentet software) til fire hjørner af matricer ark, der anvendes i afsnit 4,1.
    2. Lad kalibrerings systemet (indlejret i Eye tracker-softwaren som for det anvendte elev-headset) erhverve dataene og evaluere parametrene for den overførselsfunktion, der kort sætter fikserings punktet, begyndende med billeder af de to elever. Som et eksempel, bede om at stirre på en foruddefineret sekvens af punkter, der er vist i hans/hendes synsfelt (dvs. de fire hjørner af matricer ark og i midten af selve arket), som er optaget samtidigt af den ekstra RGB-kamera monteret på rammen og vender synsfeltet.
    3. Optag elev størrelse under matricer testen.
    4. Beregn offline gaze position, der vises som et mærke på hver ramme i motivet synsfelt. Brug de fire markører til at spore blik positionen over matricer på tværs af rammer.

5. statistisk analyse

  1. Analysér elev størrelse i hvile og under opgaven, task-induceret mydriasis, PI, SR, og ER under fire betingelser (ingen aktivitet, håndgreb, blød pellet, hård pellet) for tre gange (t0, T7, T37) ved hjælp af gentagne foranstaltninger ANOVA og statistik softwarepakke.
  2. Analysere ændringer i variabler med hensyn til baselineværdier (t0) under fire betingelser (ingen aktivitet, håndgreb, blød pellet, hård pellet) for to gange (T7, T37) ved hjælp af gentagne foranstaltninger ANOVA.
  3. Når du kører ANOVA, hvis softwaren indikerer, at data distributionen ikke er sfærisk, skal du tage den p-værdi, der svarer til Green House-geisser ε-korrektionen, fra den forbruges-statistiktabel.
  4. Korrelerer ændringerne i ydeevnen (PI, SR, ER) ved T7 og T37 med dem, der er observeret i opgaverelateret mydriasis ved lineær regressionsanalyse.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Figur 4 viser et repræsentativt eksempel på de resultater, der blev opnået, da protokol 1 blev anvendt på et enkelt emne (46 år gammel, kvinde). PI blev forøget hurtigt efter at have tygget (T7) både en hård (fra 1,73 Numb/s til 2,27 Numb/s) og blød pellet (fra 1,67 Numb/s til 1,87 Numb/s) (figur 4a). Men, 30 min senere (T37), den øgede ydeevne varede kun for den hårde pellet. På den anden side havde både en mangel på aktivitet og håndgrebet-øvelsen en negativ effekt på ydeevnen, som faldt fra 1,73 Numb/s til 1,67 Numb/s og fra 1,6 Numb/s til 1,53 Numb/s, med en tendens til at inddrive observeret 30 min senere, under den sidste eksperimentelle evaluering.

Som det ses i figur 4B, blev der observeret kvalitativt lignende ændringer for den opgaverelaterede mydriasis. I dette tilfælde bestod målingerne af enkeltprøver udtaget tilfældigt, da motivet hvilede. Under den haptiske opgave blev der indspillet to prøver, men den første blev kasseret. Alternativt blev der i instrumentets kontinuerlige anskaffelses tilstand registreret 100 prøver i 20 s, mens de første 20 – 50 målinger blev ignoreret, og de resterende blev derefter gennemsnitligt efter fjernelsen af blink artefakter (figur 2C, D). De enkelte prøver afspejler nøje gennemsnitsværdien, fordi elev størrelsen når et meget stabilt niveau 4 – 10 s efter slukning af øjen belysningen (figur 2C, D). Data illustreret i figur 4 og figur 5 er blevet gentaget i en population med 30 personer, og både de tygge-og handgrip-inducerede ændringer blev statistisk bekræftet. På den anden side, når emnerne ikke var involveret i nogen aktivitet, der var ingen ændringer i kognitiv ydeevne og mydriasis30 både på T7 og T37.

På trods af, at 1) ydeevne og mydriasis blev indspillet i forskellige opgaver og 2) de 12 eksperimentelle punkter illustreret i figur 5A, B blev indspillet på 4 separate dage, det er bemærkelsesværdigt, at en stærk korrelation blev observeret mellem ydeevne og opgave-relaterede mydriasis (r = 0,939, p < 0,0005, y = 1.166 x-0,417). Som det kan udledes af figur 5A, denne relation skyldtes de modifikationer induceret af tygge hårde og bløde pellets. Endnu mere overraskende var en sammenhæng tydelig, også når de tilsvarende ændringer med hensyn til baselineværdier blev overvejet (r = 0,924, p < 0,001, y = 1.210 x + 0,101; Figur 5B).

Blandt de 30, der blev analyseret i studiet af Tramonti Fantozzi et al.30, var PI og mydriasis signifikant korreleret i 26 af dem, med skråninger af de tilsvarende regressions linjer, der spænder fra 0.310-1.327 Numb/s/mm. De tilsvarende ændringer var signifikant korreleret i 22 (række skråninger: 0.390 – 1.408).

Endnu stærkere tegn på LC involvering i de stimulerende virkninger af tygge på kognitiv ydeevne kan opnås ved at korrelation de tygge-induceret ændringer i PI med ændringen i mydriasis observeret kun under udførelsen af matricer test. Dette kan opnås under de mere naturlige betingelser i protokol 2, hvor emnerne udfører matricer-testen, mens elev størrelsen registreres samtidig (figur 6).

Figure 1
Figur 1: eksempel på Spinnler-Tognoni numeriske matricer. Testen består i at identificere de målnumre, der er angivet ovenfor hver matrix, som er blevet afkrydset af motivet. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 2
Figur 2: eksempel på elev størrelses optagelser fra et enkelt emne i protokol 1. (A) optagelse af elev størrelse i hvile, enkelt skud. B) optagelse af elev størrelse under haptisk opgave, enkelt skud. C) kontinuerlig registrering af elev størrelse i hvile i 20 s.D) kontinuerlig optagelse af elev størrelse under haptisk opgave i 20 s. pilene indikerer blinkende artefakter. I litra C) og D) kasseres data, der er taget fra tid 0 til tidspunkt 4 s, fra analysen. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 3
Figur 3: eksempel på optagelser af elev størrelse i protokol 2. (A) foto af et motiv iført pupillometer. Tallene 1 – 3 angiver placeringen af de tre kameraer, som tillader opførsel (1) og elev størrelse (2-3) optagelser. (B) top Trace: niveau af miljømæssig lettelse. Midterste og nederste spor: venstre og højre pupilstørrelse under udførelsen af Spinnler-Tognoni matricer test. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 4
Figur 4: ændringer i ydeevne og opgaverelateret mydriasis induceret af forskellige sensorimotoriske aktiviteter i protokol 1. A) ændringer i pi. B) ændringer i den opgaverelaterede mydriasis. I (A) og (B), prikker, sorte firkanter, cirkler og hvide firkanter repræsenterer data i forhold til tygge hård pellet, tygge blød pellet, håndgreb, og ingen aktivitet, hhv. Hver aktivitet blev udført i 2 minutter fra tid 5 min til tid 7 min. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 5
Figur 5: forholdet mellem pi og opgaverelateret mydriasis. A) pi-værdier opnået på forskellige tidspunkter i de forskellige aktiviteter, der er illustreret i figur 4 , afbildes som en funktion af de tilsvarende værdier for den opgaverelaterede mydriasis. B) ændringer i pi med hensyn til t0 (vurderet som en forskel) er blevet plottet som en funktion af de tilsvarende ændringer i den opgaverelaterede mydriasis. I (A) og (B), prikker, sorte firkanter, cirkler og hvide firkanter repræsenterer data i forhold til tygge hård pellet, tygge blød pellet, håndgreb, og ingen aktivitet, hhv. Stiplede linjer er regressions linjer for alle datapunkter. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 6
Figur 6: samtidig registrering af ydeevne og opgaverelateret mydriasis. Enkelt ramme visning af et motiv, der udfører den opmærksomme matricer test, taget fra kameraet monteret på pupilometer rammen. Indsættet i højre øverste hjørne viser de samtidige billeder af begge elever. Den grønne cirkel repræsenterer fikserings punktet. Den røde plet og cirkler drukne på eleven er elev Center og kontur, som evalueret af tracking system, der opererer på øjets videoer. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

De protokoller, der præsenteres i denne undersøgelse adresse de akutte virkninger af sensorimotor trigeminus aktivitet på kognitive præstationer og rollen af LC i denne proces. Dette emne har en vis relevans, i betragtning af at 1) under aldring, forringelse af mastikatorisk aktivitet korrelerer med kognitiv forfald32,33,34; mennesker, der bevarer oral sundhed er mindre tilbøjelige til neurodegenerative fænomener; 2) malokklusion og tænder ekstraktion inducerer neurodegenerative virkninger hos dyr på Hippocampus og kortikale niveau35,36,37,38,39; 3) LC udøver trofisk handling på hjernen, regulerer neurovaskulær kobling, og hæmmer neuroinflammation og ophobning af beta-amyloid11,40; 4) der er tegn på, at neurodegenerative sygdomme kan udløses af neurodegenerative processer på LC-niveau11,40.

Protokol 1 gør det muligt at definere specifikke virkninger af at tygge med hensyn til a) læringsprocesser fremkaldt af gentagne gentagelser af opgaven og b) andre former for almindelig motorisk aktivitet. Desuden, det fastslås tilstedeværelsen/fravær af en sammenhæng mellem ændringer i ydeevne og mydriasis, med sidstnævnte betragtes som en indikator for phasic LC aktivering under opgaven. Disse beviser tyder stærkt på involvering af LC i virkningerne af sensorimotor trigeminus aktivering. En sådan protokol er blevet anvendt med succes af Tramonti Fantozzi et al.30. Som det ses i afsnittet resultater, kan det også udnyttes til at vurdere graden af afhængighed af ydeevne på elev ændringer i forbindelse med LC-medieret ophidselse på niveau med de enkelte. Opnåelse af denne måling (ydeevne/LC aktivering) repræsenterer en ny og vigtig Neuropsykologisk variabel, der kan undersøgt i forhold til køn, alder, Drug Administration, og enhver adfærdsmæssige tilstand.

Den vigtigste begrænsning i protokol 1 er, at elev størrelses målinger udføres ved konstant lysning, hæmmer synet og udelukker vurderingen af mydriasis fremkaldt under matricer scanning. Dette forpligter optagelsen af mydriasis under en anden opgave. Dette problem løses ved at udføre protokol 2, hvor en wearable pupillometer udstyret med en lyssensor introduceres. På denne måde, det er muligt at kontekstuelt registrere både kognitive præstationer og mydriasis under den samme opgave, giver endnu mere overbevisende dokumentation om virkningerne af sensorimotorik på LC og ydeevne. Dette hjælper også til at behandle undersøgelser med henblik på at relateret LC aktivering til adfærdsmæssige forhold. For at protokol 2 kan anvendes korrekt, skal der udvises forsigtighed for at bevare et konstant niveau af miljø belysning og foreløbig kalibrering af bærbare instrumenter.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har intet at afsløre.

Acknowledgments

Forskningen blev støttet af tilskud fra universitetet i Pisa. Vi takker hr. Paolo Orsini, hr. Francesco Montanari, og fru Cristina Pucci for værdifuld teknisk assistance, samt I.A.C.E.R. S.r.L. Company for at støtte Dr. Maria Paola Tramonti Fantozzi med et stipendium. Endelig takker vi OCM projects Company for at forberede hårde pellets og udføre hårdhed og fjeder konstante målinger.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Anti-stress ball Artengo, Decathlon, France TB600
Chewing gum Vigorsol, Perfetti, Italy Commercially available product
Infrared Camera-Wearable pupillometer Pupil Labs, Berlin, Germany Pupil Labs headset
Pupillographer CSO, Florence, Italy MOD i02, with chin support
Silicon rubber Prochima, Italy gls50
Software for pupil detection - wearable pupillometer Pupil Labs, Berlin, Germany Pupil Labs headset
Tangram Puzzle Città del Sole srl, Milano, Italy Tangram Puzzle
Wearable pupillometer Pupil Labs, Berlin, Germany Pupil labs model Dimension of the frame: 13.5 cm x 15.5 cm

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Hirano, Y., et al. Effects of chewing on cognitive processing speed. Brain and Cognition. 81 (3), 376-381 (2013).
  2. Hirano, Y., Onozuka, M. Chewing and cognitive function. Brain and Nerve. 66 (1), 25-32 (2014).
  3. Allen, A. P., Smith, A. P. Effects of chewing gum and time-on-task on alertness and attention. Nutritional Neuroscience. 15 (4), 176-185 (2012).
  4. Johnson, A. J., et al. The effect of chewing gum on physiological and self-rated measures of alertness and daytime sleepiness. Physiology & Behavior. 105 (3), 815-820 (2012).
  5. Tucha, O., Mecklinger, L., Maier, K., Hammerl, M., Lange, K. W. Chewing gum differentially affects aspects of attention in healthy subjects. Appetite. 42 (3), 327-329 (2004).
  6. Allen, K. L., Norman, R. G., Katz, R. V. The effect of chewing gum on learning as measured by test performance. Nutrition Bulletin. 33 (2), 102-107 (2008).
  7. Smith, A. Effects of chewing gum on mood, learning, memory and performance of an intelligence test. Nutritional Neuroscience. 12 (2), 81-88 (2009).
  8. Sakamoto, K., Nakata, H., Kakigi, R. The effect of mastication on human cognitive processing: a study using event-related potentials. Clinical Neurophysiology: Official Journal of the International Federation of Clinical Neurophysiology. 120 (1), 41-50 (2009).
  9. Hirano, Y., et al. Effects of chewing in working memory processing. Neuroscience Letters. 436 (2), 189-192 (2008).
  10. Roger, A., Rossi, G. F., Zirondoli, A. Le rôle des afferences des nerfs crâniens dans le maintien de l'etat vigile de la preparation "encephale isolé". Electroencephalography and Clinical Neurophysiology. 8 (1), 1-13 (1956).
  11. De Cicco, V., et al. Trigeminal, Visceral and Vestibular Inputs May Improve Cognitive Functions by Acting through the Locus Coeruleus and the Ascending Reticular Activating System: A New Hypothesis. Frontiers in Neuroanatomy. 11, 130 (2017).
  12. Samuels, E. R., Szabadi, E. Functional neuroanatomy of the noradrenergic locus coeruleus: its roles in the regulation of arousal and autonomic function part I: principles of functional organisation. Current Neuropharmacology. 6 (3), 235-253 (2008).
  13. Carter, M. E., et al. Tuning arousal with optogenetic modulation of locus coeruleus neurons. Nature Neuroscience. 13 (12), 1526-1533 (2010).
  14. Rajkowski, J., Kubiak, P., Aston-Jones, G. Correlations between locus coeruleus (LC) neural activity, pupil diameter and behaviour in monkey support a role of LC in attention. Society for Neuroscience Abstracts. 19, 974 (1993).
  15. Rajkowski, J., Kubiak, P., Aston-Jones, G. Locus coeruleus activity in monkey: phasic and tonic changes are associated with altered vigilance. Brain Research Bulletin. 35 (5-6), 607-616 (1994).
  16. Alnæs, D., et al. Pupil size signals mental effort deployed during multiple object tracking and predicts brain activity in the dorsal attention network and the locus coeruleus. Journal of Vision. 14 (4), (2014).
  17. Murphy, P. R., O'Connell, R. G., O'Sullivan, M., Robertson, I. H., Balsters, J. H. Pupil diameter covaries with BOLD activity in human locus coeruleus. Human Brain Mapping. 35 (8), 4140-4154 (2014).
  18. Joshi, S., Li, Y., Kalwani, R. M., Gold, J. I. Relationships between Pupil Diameter and Neuronal Activity in the Locus Coeruleus, Colliculi, and Cingulate Cortex. Neuron. 89 (1), 221-234 (2016).
  19. Bradshaw, J. Pupil size as a measure of arousal during information processing. Nature. 216 (5114), 515-516 (1967).
  20. Gabay, S., Pertzov, Y., Henik, A. Orienting of attention, pupil size, and the norepinephrine system. Attention, Perception & Psychophysics. 73 (1), 123-129 (2011).
  21. Usher, M., Cohen, J. D., Servan-Schreiber, D., Rajkowski, J., Aston-Jones, G. The role of locus coeruleus in the regulation of cognitive performance. Science (New York, NY). 283 (5401), 549-554 (1999).
  22. Laeng, B., et al. Invisible emotional expressions influence social judgments and pupillary responses of both depressed and non-depressed individuals. Frontiers in Psychology. 4, (2013).
  23. Silvetti, M., Seurinck, R., van Bochove, M. E., Verguts, T. The influence of the noradrenergic system on optimal control of neural plasticity. Frontiers in Behavioral Neuroscience. 7, 160 (2013).
  24. Hoffing, R. C., Seitz, A. R. Pupillometry as a glimpse into the neurochemical basis of human memory encoding. Journal of Cognitive Neuroscience. 27 (4), 765-774 (2015).
  25. Kihara, K., Takeuchi, T., Yoshimoto, S., Kondo, H. M., Kawahara, J. I. Pupillometric evidence for the locus coeruleus-noradrenaline system facilitating attentional processing of action-triggered visual stimuli. Frontiers in Psychology. 6, 827 (2015).
  26. Hayes, T. R., Petrov, A. A. Pupil Diameter Tracks the Exploration-Exploitation Trade-off during Analogical Reasoning and Explains Individual Differences in Fluid Intelligence. Journal of Cognitive Neuroscience. 28 (2), 308-318 (2016).
  27. De Cicco, V., Cataldo, E., Barresi, M., Parisi, V., Manzoni, D. Sensorimotor trigeminal unbalance modulates pupil size. Archives Italiennes De Biologie. 152 (1), 1-12 (2014).
  28. De Cicco, V., Barresi, M., Tramonti Fantozzi, M. P., Cataldo, E., Parisi, V., Manzoni, D. Oral Implant-Prostheses: New Teeth for a Brighter Brain. PloS One. 11 (2), e0148715 (2016).
  29. Spinnler, H., Tognoni, G. Italian standardization and classification of Neuropsychological tests. The Italian Group on the Neuropsychological Study of Aging. Italian Journal of Neurological Sciences. 8, 1 (1987).
  30. Tramonti Fantozzi, M. P., et al. Short-Term Effects of Chewing on Task Performance and Task-Induced Mydriasis: Trigeminal Influence on the Arousal Systems. Frontiers in Neuroanatomy. 11, 68 (2017).
  31. Kassner, M., Patera, W., Bulling, A. Pupil: An Open Source Platform for Pervasive Eye Tracking and Mobile Gaze-based Interaction. arXiv.org. , http://arxiv.org/abs/1405.0006 (2014).
  32. Gatz, M., et al. Potentially modifiable risk factors for dementia in identical twins. Alzheimer's & Dementia: The Journal of the Alzheimer's Association. 2 (2), 110-117 (2006).
  33. Okamoto, N., et al. Relationship of tooth loss to mild memory impairment and cognitive impairment: findings from the Fujiwara-kyo study. Behavioral and Brain Functions. 6, 77 (2010).
  34. Weijenberg, R. A. F., Lobbezoo, F., Knol, D. L., Tomassen, J., Scherder, E. J. A. Increased masticatory activity and quality of life in elderly persons with dementia--a longitudinal matched cluster randomized single-blind multicenter intervention study. BMC Neurology. 13, 26 (2013).
  35. Kato, T., et al. The effect of the loss of molar teeth on spatial memory and acetylcholine release from the parietal cortex in aged rats. Behavioural Brain Research. 83 (1-2), 239-242 (1997).
  36. Onozuka, M., et al. Impairment of spatial memory and changes in astroglial responsiveness following loss of molar teeth in aged SAMP8 mice. Behavioural Brain Research. 108 (2), 145-155 (2000).
  37. Watanabe, K., et al. The molarless condition in aged SAMP8 mice attenuates hippocampal Fos induction linked to water maze performance. Behavioural Brain Research. 128 (1), 19-25 (2002).
  38. Kubo, K. Y., Iwaku, F., Watanabe, K., Fujita, M., Onozuka, M. Molarless-induced changes of spines in hippocampal region of SAMP8 mice. Brain Research. 1057 (1-2), 191-195 (2005).
  39. Oue, H., et al. Tooth loss induces memory impairment and neuronal cell loss in APP transgenic mice. Behavioural Brain Research. 252, 318-325 (2013).
  40. Mather, M., Harley, C. W. The Locus Coeruleus: Essential for Maintaining Cognitive Function and the Aging Brain. Trends in Cognitive Sciences. 20 (3), 214-226 (2016).

Tags

Neurovidenskab trigeminus input elev størrelse kognitiv ydeevne locus coeruleus ophidselse wearable pupilometer
Vurdering af elev-linkede ændringer i locus Coeruleus-medieret ophidselse, fremkaldt af trigeminal stimulation
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Fantozzi, M. P. T., Banfi, T., De… More

Fantozzi, M. P. T., Banfi, T., De Cicco, V., Barresi, M., Cataldo, E., De Cicco, D., Bruschini, L., d'Ascanio, P., Ciuti, G., Faraguna, U., Manzoni, D. Assessing Pupil-linked Changes in Locus Coeruleus-mediated Arousal Elicited by Trigeminal Stimulation. J. Vis. Exp. (153), e59970, doi:10.3791/59970 (2019).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter