Summary
Om te controleren of trigeminus effecten op de cognitieve prestaties betrekken Locus coeruleus activiteit, twee protocollen worden gepresenteerd die gericht zijn op mogelijke correlatie tussen de prestaties en taak-gerelateerde pupilgrootte veranderingen geïnduceerd door kauwen evalueren. Deze protocollen kunnen worden toegepast op omstandigheden waarin de bijdrage van Locus coeruleus wordt vermoed.
Abstract
De huidige wetenschappelijke literatuur geeft aan dat de activiteit van trigeminus sensorimotorische met kauwen van invloed kan zijn op opwinding, aandacht en cognitieve prestaties. Deze effecten kunnen te wijten zijn aan wijdverbreide verbindingen van het trigeminus systeem naar het oplopende reculaire activerende systeem (ARAS), waartoe noradrenerge neuronen van de Locus coeruleus (LC) behoren. LC neuronen bevatten projecties voor de hele hersenen, en het is bekend dat hun ontlading co-varieert met pupilgrootte. LC-activatie is noodzakelijk voor het opwekken van taakgerelateerde mydriasis. Als kauwen effecten op de cognitieve prestaties worden bemiddeld door de LC, het is redelijk om te verwachten dat veranderingen in de cognitieve prestaties zijn gecorreleerd aan veranderingen in taakgerelateerde mydriasis. Hier worden twee nieuwe protocollen getoond om deze hypothese te verifiëren en te documenteren dat het kauwen van effecten niet te wijten is aan aspecifieke motorische activatie. In beide protocollen worden de prestaties en de pupilgrootte tijdens specifieke taken geregistreerd voor, kort daarna, en een half uur na een periode van 2 min van een van beide: a) geen activiteit, b) ritmische, bilaterale handgreep, c) bilaterale kauwen van zachte pellet, en d) bilaterale kauwen van harde pellet. Het eerste protocol meet het prestatieniveau bij het spotten van doel nummers die worden weergegeven in numerieke matrices. Aangezien leerlingformaat opnames worden geregistreerd door een geschikte pupillometer die het zicht belemmert om constante verlichtingsniveaus te garanderen, wordt taak-gerelateerde mydriasis geëvalueerd tijdens een haptische taak. Resultaten van dit protocol blijkt dat 1) kauwen-geïnduceerde veranderingen in de prestaties en taakgerelateerde mydriasis zijn gecorreleerd en 2) noch prestaties noch mydriasis worden versterkt door handgreep. In het tweede protocol maakt het gebruik van een draagbare pupillometer het mogelijk om de veranderingen van de pupilgrootte en de prestaties tijdens dezelfde taak te meten, waardoor nog sterker bewijsmateriaal kan worden verkregen met betrekking tot de betrokkenheid van de LC bij de trigeminus effecten op de cognitieve activiteit. Beide protocollen zijn uitgevoerd in het historisch kantoor van Prof. Giuseppe Moruzzi, de ontdekker van ARAS, aan de Universiteit van Pisa.
Introduction
Bij de mens, het is bekend dat kauwen versnelt cognitieve verwerking1,2en verbetert opwinding3,4, aandacht5, leren, en geheugen6,7. Deze effecten zijn geassocieerd met verkorting van de latenties van corticale gebeurtenisgerelateerde mogelijkheden8 en een toename van de perfusie van verschillende corticale en subcorticale structuren2,9.
Binnen de craniale zenuwen wordt de meest relevante informatie die de corticale desynchronisatie en opwinding onderdoet, gedragen door trigeminus vezels10, waarschijnlijk als gevolg van sterke trigeminus verbindingen met het oplopende reticulyactiesysteem (Aras)11. Onder Aras structuren, de Locus coeruleus (LC) ontvangt trigeminus ingangen11 en moduleert opwinding12,13, en de activiteit covarieert met pupilgrootte14,15,16,17,18. Hoewel de relatie tussen LC-rust activiteit en cognitieve prestaties complex is, leidt taak-gerelateerde verbetering van LC-activiteit tot Arousal-geassocieerde19 pupil mydriasis20 en verbeterde cognitieve prestaties21. Er is betrouwbare covariatie tussen LC-activiteit en pupilgrootte, en de laatste wordt momenteel beschouwd als een proxy van de centrale noradrenerge activiteit22,23,24,25,26.
Asymmetrische activering van sensorische motor trigeminus takken induceert pupil asymmetrieën (anisocoria)27,28, bevestiging van de sterkte van de trigemino-coerulear verbinding. Als de kredietbrief deelneemt aan de stimulerende effecten van kauwen op cognitieve prestaties, kan dit van invloed zijn op parallelle taakgerelateerde mydriasis, wat een indicator is van LC namen af multifasische-activering tijdens een taak. Het kan ook invloed hebben op de prestaties, dus een correlatie kan worden verwacht tussen chewing-geïnduceerde veranderingen in de prestaties en mydriasis. Bovendien, als trigeminus effecten specifiek zijn, moeten de kauw effecten groter zijn dan die welke worden opgewekt door een andere ritmische motorische taak. Om deze hypotheses te testen, worden hierbij twee experimentele protocollen voorgesteld. Ze zijn gebaseerd op gecombineerde metingen van cognitieve prestaties en pupilgrootte, uitgevoerd voor en na een korte periode van kauwen activiteit. Deze protocollen maken gebruik van een test bestaande uit het vinden van doel nummers weergegeven in numerieke aandachtige matrices29, samen met niet-doel nummers. Deze test controleert de attente en cognitieve prestaties.
Het algemene doel van deze protocollen is om te illustreren dat trigeminus stimulatie specifieke veranderingen in cognitieve prestaties uitlokte, die niet specifiek kunnen worden toegeschreven aan het genereren van motor commando's en gerelateerd zijn aan leerlinggebonden veranderingen in LC-gemedieerde Opwinding. Toepassingen van de protocollen strekken zich uit tot alle gedrags omstandigheden waarin de prestaties kunnen worden gemeten en de betrokkenheid van de KREDIETBRIEF wordt vermoed.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Alle stappen volgen de richtlijnen van het ethisch comité van de Universiteit van Pisa.
1. rekrutering van deelnemers
- Rekruteer een subject populatie volgens het specifieke doel van de studie (d.w.z. normale proefpersonen en/of patiënten, mannetjes en/of vrouwtjes, jongeren en/of ouderlingen).
2. materiaal voorbereiding
- Bereid een zachte pellet; gebruik in de handel verkrijgbare kauwgom (tabel van materialen; initiële hardheid = 20 Shore OO).
- Maak een harde pellet; gebruik silicium rubber pellets (tabel van materialen; constante hardheid = 60 Shore OO)30.
- Bereid een anti-stress bal voor een handgreep taak. Gebruik een polyurethaan schuim-gemaakt bal (tabel van materialen; constante hardheid = 30 Shore OO)30.
- Bereid een Tangram puzzel (tabel van materialen, aantal stukken = zeven) voor het uitvoeren van de haptische taak.
3. stroomschema van het experiment
- Stroomschema van Protocol 1
- Evalueer de baseline prestaties (zie paragraaf 4,1) in de cognitieve (matrices) test (T0, Control).
- Evalueer de pupilgrootte (zie paragraaf 4,2) in rust (geen activiteit gevraagd van het onderwerp) (T0, controle).
- Evalueer de pupilgrootte tijdens een haptische taak op basis van Tangram (T0, Control).
- Verwijder een van de stukken uit de puzzel en plaats het in de hand van het onderwerp.
- Vraag het onderwerp om het stuk terug te zetten in de puzzel, zonder te kijken naar de puzzel.
- Vraag elk onderwerp om drie specifieke activiteiten uit te voeren voor 2 minuten of om te rusten voor 2 minuten, volgens de stappen 3.1.4.1 – 3.1.4.4. Vraag de onderwerpen om deze activiteiten uit te voeren in afzonderlijke sessies die plaatsvinden op verschillende dagen (2 – 3 dagen tussen sessies).
- Vraag het onderwerp om een zelf toegediende zachte pellet gedurende 2 minuten te kauwen, zodat hij/zij spontaan zowel het kauwen als de zijkant van de mond kan kiezen om op te kauwen. Na 1 minuut kauwen, vraag hem/haar om de kauwen zijde (en de pellet) te veranderen.
- Vraag het onderwerp om een zelftoegediende harde pellet 2 minuten te kauwen. Vraag hem na 1 minuut om de kauw zijde te veranderen (maar niet de pellet).
- Vraag het onderwerp om een ritmische knijpen van een anti-stress bal (handgreep oefening) voor 2 min tegen de snelheid en aan de hand van hun keuze uit te voeren. Vraag het onderwerp na 1 min om van de handen te wisselen.
- Vraag het onderwerp om te rusten (geen activiteit) voor 2 min.
- Net na het einde van elke stap (3.1.4.1 – 3.1.4.4), evalueer je de prestaties in de matrices-test en de pupilgrootte in rust en tijdens de haptische taak (T7).
Opmerking: De term "in rust" betekent dat het onderwerp tijdens de meting van de pupilgrootte ontspannend is. De term "tijdens haptische taak" betekent dat het onderwerp tijdens de meting van de pupilgrootte de taak uitvoert op basis van Tangram. - Dertig minuten na afloop van elke stap (3.1.4.1 – 3.1.4.4), evalueer de prestaties en pupilgrootte in rust en tijdens de haptische taak (T37).
- Stroomschema van Protocol 2
- Evalueer de pupilgrootte terwijl het onderwerp rust (T0, controle; Zie paragraaf 4,3).
- Evalueer de baseline prestaties in de cognitieve (matrices) test en test tegelijkertijd de pupilgrootte (T0, Control).
- Vraag elk onderwerp om drie specifieke activiteiten uit te voeren voor 2 minuten of om te rusten voor 2 minuten, volgens de stappen 3.2.3.1 – 3.2.3.4. Vraag de onderwerpen om deze activiteiten uit te voeren in afzonderlijke sessies die plaatsvinden op verschillende dagen (2 – 3 dagen tussen sessies).
- Vraag het onderwerp om een zelf toegediende zachte pellet gedurende 2 minuten te kauwen, zodat hij/zij spontaan zowel het kauwen als de zijkant van de mond kan kiezen om op te kauwen. Na 1 minuut kauwen, vraag hem/haar om de kauwen zijde (en de pellet) te veranderen.
- Vraag het onderwerp om een zelftoegediende harde pellet 2 minuten te kauwen. Vraag hem na 1 minuut om de kauw zijde te veranderen (maar niet de pellet).
- Vraag het onderwerp om een ritmische knijpen van een anti-stress bal (handgreep oefening) voor 2 min aan de snelheid en aan de zijkant van hun keuze uit te voeren. Vraag het onderwerp na 1 min om van de handen te wisselen.
- Vraag het onderwerp om te ontspannen (geen activiteit) voor 2 minuten.
- Net na het einde van elke stap (stappen 3.2.3.1 – 3.2.3.4), evalueer de pupilgrootte in rust en zowel de prestaties als de pupilgrootte in de matrices-test (T7).
- Dertig minuten na afloop van elke stap (stappen 3.2.3.1 – 3.2.3.4), evalueer de pupilgrootte in rust en zowel de prestaties als de pupilgrootte in de matrices-test (T37).
4. gemeten variabelen in de protocollen 1 en 2
- Cognitieve prestaties
Opmerking: In beide protocollen 1 en 2, meten van cognitieve prestaties met behulp van een test op basis van een aangepaste versie van de Spinnler-Tognoni numerieke matrices test29.- Laat drie numerieke matrices (10 x 10) op papier op het onderwerp drukken. Vraag het onderwerp vervolgens om de matrix lijnen sequentieel te scannen, terwijl u met een potlood tikt zo veel mogelijk van de doel nummers (60 targets uit 300 totaal weergegeven getallen) die boven elke matrix (Figuur 1) worden aangegeven binnen 15 sec.
- Gebruik matrices met verschillende posities van doel nummers op T0, T7 en T37 om de introductie van medeoprichters met betrekking tot leerprocessen te vermijden.
- Evalueer offline de prestatie-index (PI), scansnelheid (SR) en foutratio (ER) als volgt: PI = (streefcijfers onderstreept in 15 s)/15; SR = (target + niet-doel nummers gescand in 15 s)/15; ER = (doel nummers gemist + niet-doel nummers onderstreept in 15 s)/15.
- Pupil grootte in Protocol 1
- Bereid het onderwerp voor op de meting van de pupilgrootte met een corneale topograaf-pupillographer (tabel van de materialen), die een van de volgende twee verwervings procedures voorkomt voor het milieu.
- Neem een enkel camera schot van de leerling op (Figuur 2a, B) met een constant verlichtingsniveau van 40 Lux en druk op de specifieke knop op de corneale topograaf-pupillograaf. Handhaaf een optimale werkafstand van 56 mm tussen de camera en de leerling.
Opmerking: Een enkele meting volstaat door de geringe variabiliteit van de pupilgrootte, gemeten bij constante belichting. - Voer een continue opname van de leerling uit (bemonsteringsfrequentie = 5 Hz; Figuur 2C, D) in de modaliteit van continue overname. Gooi de eerste 20 – 50 metingen (4 – 10 s) weg, aangezien tijdens dit verstrijken van de tijd de pupil diameter groeit (de acquisitie begint met het uitzetten van de pupil verlichting bij 40 Lux). Gemiddelde van de resterende metingen.
- Neem een enkel camera schot van de leerling op (Figuur 2a, B) met een constant verlichtingsniveau van 40 Lux en druk op de specifieke knop op de corneale topograaf-pupillograaf. Handhaaf een optimale werkafstand van 56 mm tussen de camera en de leerling.
- Noteer de pupilgrootte van de linker-en rechter ogen afzonderlijk in rust (stap 3.1.2, 3.1.5 en 3.1.6).
- Noteer de pupilgrootte tijdens de haptische taak (stappen 3.1.3, 3.1.5 en 3.1.6; links en rechts afzonderlijk). Bij het gebruik van de single shot modaliteit (stap 4.2.1.1), het verwerven van de foto tijdens de tweede van twee taak herhalingen, aan het begin van de puzzel oppervlakte verkenning. In de continue modus van de opname (stap 4.2.1.2), start de overname wanneer het stuk van de puzzel is geplaatst in de hand van het onderwerp.
- Evalueer offline linker-en rechter pupilgrootte in rust en tijdens de haptische taak door directe acquisitie van de waarden (in mm) die door de software worden weergegeven. Bereken de taakgerelateerde mydriasis door de pupilgrootte in rust af te trekken van de pupilgrootte tijdens de haptische taak en alle gemiddelde linker-rechts waarden te verkrijgen.
- Bereid het onderwerp voor op de meting van de pupilgrootte met een corneale topograaf-pupillographer (tabel van de materialen), die een van de volgende twee verwervings procedures voorkomt voor het milieu.
- Pupil grootte in Protocol 2
- Het onderwerp voorbereiden voor de meting van de pupilgrootte met behulp van een draagbare pupillometer/oogtracker (Figuur 3a), voorzien van een 3D-gedrukte glazen frame structuur, aan de hand van de volgende procedure.
- Laat het onderwerp de draagbare pupillometer dragen. Pas de positie van de twee infraroodcamera's (Figuur 3A-2, 3) aan op staven die voortvloeien uit het frame (tabel met materialen), zodat de ogen zich binnen het gezichtsveld van de camera's en in de focus bevinden.
- Het verwerven van beelden van de leerlingen (bemonsteringsfrequentie = 120 Hz), die online worden verwerkt door de software die wordt geleverd met de draagbare pupilometer en biedt pupil diameter (in mm) met behulp van een geometrisch model van de "gemiddelde" menselijke oculaire. Negeer Blink-artefacten.
- Registreer continu het omgevings verlichtingsniveau met behulp van een gekalibreerde logaritmische lichtsensor gemonteerd op het draagbare pupillometer frame. Gebruik een frontale RGB-camera gemonteerd op de wearable pupillometer (Figuur 3a-1) om het onderwerpveld van de weergave te registreren (bemonsteringssnelheid = 30 Hz) die nuttig is om kijkgedrag te bestuderen.
- Noteer gelijktijdig de grootte van de twee leerlingen in rust voor 20 sec. (Figuur 3B).
- Noteer de grootte van de leerlingen terwijl het onderwerp de Spinnler-Tognoni-test uitvoert, zodat de pupilgrootte en de cognitieve prestaties gelijktijdig worden geregistreerd (stappen 3.2.2, 3.2.4 en 3.2.5).
- Evalueer offline linker-en rechter pupilgrootte in rust en tijdens de test van Spinnler-Tognoni door middel van verkregen waarden (n = 2.400) voor elke leerling. Bereken de taakgerelateerde mydriasis door de pupilgrootte in rust af te trekken van de pupilgrootte tijdens de matrices test, dan alle gemiddelde linker-rechts waarden.
- Het onderwerp voorbereiden voor de meting van de pupilgrootte met behulp van een draagbare pupillometer/oogtracker (Figuur 3a), voorzien van een 3D-gedrukte glazen frame structuur, aan de hand van de volgende procedure.
- Gaze-positie
Opmerking: Reconstrueren online het fixatie punt met behulp van de beelden van de twee leerlingen verkregen uit paragraaf 4,3. Verwerk de verworven frames in real-time en schat het blik fixatie punt met behulp van een eerder berekende overdrachtsfunctie31 specifiek voor elk onderwerp dat de oogtracker draagt.- Indien nodig, bij het uitvoeren van Protocol 2, reconstrueren blik positie van de leerlingen beelden. Om dit te doen, voeg vier computer detecteerbare Vision markers (ArUco of AprilTag bibliotheken van de instrument software) aan vier hoeken van de matrices blad gebruikt in paragraaf 4,1.
- Laat het kalibratiesysteem (ingesloten in de oogtracker-software als voor de gebruikte leerling-headset) de gegevens verkrijgen en evalueer de parameters van de overdrachtsfunctie die het fixatie punt in kaart brengen, beginnend bij beelden van de twee leerlingen. Vraag het onderwerp bijvoorbeeld om een vooraf gedefinieerde reeks punten te bekijken die worden weergegeven in zijn/haar gezichtsveld (d.w.z. de vier hoeken van het matrices blad en in het midden van het blad zelf), die tegelijkertijd worden opgenomen door de extra RGB-camera die op het frame is bevestigd en die uitkijkt op het gezichtsveld.
- Noteer de pupilgrootte tijdens de matrices test.
- Bereken de offline-kijkpositie die als een teken wordt weergegeven op elk frame van het gezichtsveld van de persoon. Gebruik de vier markeringen om de kijkpositie over de matrices in de kaders bij te houden.
5. statistische analyse
- Analyseer de pupilgrootte in rust en tijdens de taak, door de taak geïnduceerde mydriasis, PI, SR en ER onder vier omstandigheden (geen activiteit, handgreep, zachte pellet, harde pellet) gedurende driemaal (T0, T7, T37) met herhaalde maatregelen ANOVA en statistiek softwarepakket.
- Analyseer veranderingen in variabelen met betrekking tot baselinewaarden (T0) onder vier condities (geen activiteit, handgreep, zachte pellet, harde pellet) gedurende tweemaal (T7, T37) met herhaalde maatregelen ANOVA.
- Bij het uitvoeren van ANOVA, als de software aangeeft dat de Gegevensdistributie niet bolvormig is, neemt u de p-waarde die overeenkomt met de Greenhouse-geisser ε-correctie uit de tabel met gegenereerd-statistieken.
- Correleren de veranderingen in prestaties (PI, SR, ER) op T7 en T37 met die waargenomen in taakgerelateerde mydriasis door lineaire regressieanalyse.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Figuur 4 toont een representatief voorbeeld van de resultaten die werden behaald toen Protocol 1 werd toegepast op één enkel onderwerp (46 jaar oud, vrouwelijk). PI werd snel verhoogd na kauwde (T7) zowel een harde (van 1,73 gevoelb/s tot 2,27 gevoelb/s) en zachte pellet (van 1,67 Numb/s tot 1,87 gevoelb/s) (Figuur 4a). Echter, 30 min later (T37), de verhoogde prestaties bleef alleen voor de harde pellet. Aan de andere kant, zowel een gebrek aan activiteit en de handgreep oefening had een negatief effect op de prestaties, die daalde van 1,73 gevoelb/s tot 1,67 gevoelb/s en van 1,6 Numb/s tot 1,53 gevoelb/s, met de neiging om te herstellen waargenomen 30 min later, tijdens de laatste experimentele evaluatie.
Zoals waargenomen in Figuur 4B, werden kwalitatief vergelijkbare veranderingen waargenomen voor de taakgerelateerde mydriasis. In dit geval bestond de meting uit afzonderlijke monsters die willekeurig werden genomen toen het onderwerp rustte. Tijdens de haptische taak werden twee samples opgenomen, maar de eerste werd weggegooid. In de continue acquisitie-modus van het instrument werden 100 samples opgenomen in 20 s, waarbij de eerste 20 – 50 metingen buiten beschouwing werden gelaten, en de resterende werden vervolgens gemiddeld na het verwijderen van Blink-artefacten (Figuur 2C, D). Individuele monsters weerspiegelen de gemiddelde waarde, vanwege het feit dat de pupilgrootte een zeer stabiel niveau van 4 – 10 s bereikt na het uitschakelen van de oogverlichting (Figuur 2C, D). De gegevens in Figuur 4 en Figuur 5 zijn gerepliceerd in een populatie van 30 proefpersonen en zowel de vretende als de handgreep veroorzaakte veranderingen werden statistisch bevestigd. Aan de andere kant, wanneer de onderwerpen waren niet betrokken bij een activiteit, er waren geen wijzigingen in de cognitieve prestaties en mydriasis30 zowel op T7 en T37.
Ondanks het feit dat 1) prestaties en mydriasis werden opgenomen in verschillende taken en 2) de 12 experimentele punten geïllustreerd in Figuur 5A, B werden geregistreerd op 4 afzonderlijke dagen, het is opmerkelijk dat een sterke correlatie werd waargenomen tussen prestaties en taakgerelateerde mydriasis (r = 0,939, p < 0,0005, y = 1.166 x-0,417). Zoals kan worden afgeleid uit Figuur 5A, was deze relatie te wijten aan de wijzigingen die werden veroorzaakt door het kauwen van harde en zachte pellets. Nog verrassend, een correlatie was ook duidelijk wanneer de overeenkomstige veranderingen met betrekking tot de uitgangswaarden werden overwogen (r = 0,924, p < 0,001, y = 1.210 x + 0,101; Figuur 5B).
Onder de 30 proefpersonen die werden geanalyseerd in de studie van Tramonti Fantozzi et al.30, werden Pi en mydriasis significant gecorreleerd in 26 van hen, met hellingen van de corresponderende regressie lijnen variërend van 0.310 – 1.327 gevoelb/s/mm. De bijbehorende veranderingen waren significant gecorreleerd in 22 onderwerpen (bereik van hellingen: 0.390 – 1.408).
Nog sterker bewijs van betrokkenheid van LC bij de stimulerende effecten van kauwen op cognitieve prestaties kan worden verkregen door de door kauwen veroorzaakte veranderingen in PI te correleren met de verandering in mydriasis die alleen tijdens de uitvoering van de matrices test wordt waargenomen. Dit kan worden bereikt onder de meer natuurlijke omstandigheden van Protocol 2, waarbij proefpersonen de matrices test uitvoeren terwijl de pupilgrootte gelijktijdig wordt geregistreerd (Figuur 6).
Figuur 1: voorbeeld van de numerieke matrices van Spinnler-Tognoni. De test bestaat uit het identificeren van de doel nummers die boven elke matrix zijn aangegeven, die door het onderwerp zijn aangevinkt. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 2: voorbeeld van opnamen van leerlingen grootte van een enkel onderwerp in Protocol 1. A) opname van de pupilgrootte in rust, enkel schot. (B) opname van de pupilgrootte tijdens haptische taak, enkel schot. C) doorlopende registratie van de pupilgrootte in rust gedurende 20 sec. (D) continue registratie van de pupilgrootte tijdens haptische taak voor 20 s. pijlen geven knipperende artefacten aan. In (C) en (D) worden gegevens die van tijd 0 tot tijd 4 s zijn genomen, uit de analyse verwijderd. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 3: voorbeeld van opnamen van leerlingen grootte in Protocol 2. A) fotovan een onderwerp dat de pupillometer draagt. De getallen 1 – 3 geven de positie van de drie camera's aan, die gedrag (1) en pupilgrootte (2-3) opnamen mogelijk maken. B) bovenste spoor: niveau van het verlichten van het milieu. Middelste en onderste sporen: linker-en rechter pupilgrootte tijdens de uitvoering van de test van de Spinnler-Tognoni-matrices. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 4: veranderingen in prestatie-en taakgerelateerde mydriasis geïnduceerd door verschillende sensorimotorische activiteiten in Protocol 1. A) wijzigingen in pi. B) veranderingen in taakgerelateerde mydriasis. In (A) en (B) vertegenwoordigen stippen, zwarte vierkantjes, cirkels en witte vierkantjes gegevens ten opzichte van het kauwen van harde pellet, kauwen zachte pellet, handgreep, en geen activiteit, respectievelijk. Elke activiteit werd uitgevoerd voor 2 min van tijd 5 min tot tijd 7 min. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 5: relatie tussen pi en taakgerelateerde mydriasis. A) Pi-waarden die op verschillende tijdstippen zijn verkregen tijdens de verschillende activiteiten geïllustreerd in Figuur 4 , worden uitgezet als een functie van de overeenkomstige waarden van taakgerelateerde mydriasis. B) veranderingen in pi ten opzichte van T0 (geëvalueerd als een verschil) zijn uitgezet als een functie van de overeenkomstige veranderingen in taakgerelateerde mydriasis. In (A) en (B) vertegenwoordigen stippen, zwarte vierkantjes, cirkels en witte vierkantjes gegevens ten opzichte van het kauwen van harde pellet, kauwen zachte pellet, handgreep en geen activiteit, respectievelijk. Onderbroken lijnen zijn regressie lijnen van alle gegevenspunten. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 6: gelijktijdige opname van prestatie-en taakgerelateerde mydriasis. Enkele Frameweergave van een onderwerp dat de aandachtige matrices test uitvoert, genomen van de camera die op het pupilometer frame is gemonteerd. De inzet in de rechterbovenhoek toont de gelijktijdige beelden van beide leerlingen. De groene cirkel staat voor het fixatie punt. De rode vlek en cirkels die op de leerling worden verdrinken, zijn het leerlingcentrum en de contour, zoals geëvalueerd door het tracking systeem dat op de Video's van het oog werkt. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
De in deze studie gepresenteerde protocollen hebben betrekking op de acute effecten van sensorimotorische trigeminus activiteit op de cognitieve prestaties en de rol van de KREDIETBRIEF in dit proces. Dit onderwerp heeft enige relevantie, gezien het feit dat 1) tijdens veroudering, de verslechtering van de kauw stelsel activiteit correleert met cognitieve verval32,33,34; mensen die de mondgezondheid te behouden zijn minder vatbaar voor neurodegeneratieve fenomenen; 2) malocclusie en tanden extractie induceert neurodegeneratieve effecten bij dieren op hippocampal en corticale niveau35,36,37,38,39; 3) de LC oefent trofische actie op de hersenen, reguleert neurovasculaire koppeling, en remt neuro ontsteking en accumulatie van bèta-amyloid11,40; 4) er zijn aanwijzingen dat neurodegeneratieve ziekten kunnen worden veroorzaakt door neurodegeneratieve processen op LC-niveau11,40.
Protocol 1 maakt het definiëren van specifieke effecten van kauwen met betrekking tot a) leerprocessen die worden opgewekt door opeenvolgende herhalingen van de taak en b) andere soorten gewone motorische activiteit mogelijk. Bovendien wordt de aanwezigheid/afwezigheid van een correlatie tussen veranderingen in prestaties en mydriasis vastgesteld, waarbij laatstgenoemde een indicator van de activering van de namen af multifasische LC tijdens de taak beschouwde. Dit bewijs suggereert sterk de betrokkenheid van de LC bij de effecten van de activering van sensorimotorische trigeminus. Dit protocol is met succes toegepast door Tramonti Fantozzi et al.30. Zoals te zien in de resultaten sectie, het kan ook worden gebruikt om te beoordelen van de mate van afhankelijkheid van prestaties op leerlingen veranderingen gekoppeld aan LC-gemedieerde opwinding op het niveau van individuele onderwerpen. Het verkrijgen van deze meting (performance/LC Activation) vertegenwoordigt een nieuwe en belangrijke neuropsychologische variabele die kan worden bestudeerd in relatie tot geslacht, leeftijd, geneesmiddelen administratie en elke gedrags voorwaarde.
De belangrijkste beperking van Protocol 1 is dat de metingen van de pupilgrootte worden uitgevoerd bij constante blikseminslag, een belemmering van het zicht en het tegengaan van de beoordeling van mydriasis die tijdens het scannen van matrices wordt opgewekt. Dit verplicht de opname van mydriasis tijdens een andere taak. Dit probleem wordt opgelost door Protocol 2 uit te voeren, waarin een draagbare pupillometer met een lichtsensor wordt geïntroduceerd. Op deze manier is het mogelijk om zowel cognitieve prestaties als mydriasis te registreren tijdens dezelfde taak, waardoor nog meer overtuigend bewijs wordt geleverd over de effecten van sensorimotorische activiteit op LC en prestaties. Dit helpt ook bij het aanpakken van studies die gericht zijn op het verband tussen LC-activatie en gedrags condities. Voor een correcte toepassing van Protocol 2 moet ervoor worden gezorgd dat een constant niveau van omgevingsverlichting en voorlopige kalibratie van draagbare instrumenten behouden blijft.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs hebben niets te onthullen.
Acknowledgments
Het onderzoek werd gesteund door subsidies van de Universiteit van Pisa. Wij danken de heer Paolo Orsini, de heer Francesco Montanari, en mevrouw Cristina Pucci voor waardevolle technische assistentie, evenals het bedrijf I.A.C.E.R. S.r.L. voor de ondersteuning van Dr. Maria Paola Tramonti Fantozzi met een Fellowship. Tot slot bedanken we het OCM projects bedrijf voor het bereiden van harde pellets en het uitvoeren van hardheids-en veerconstante metingen.
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 |
References
- Hirano, Y., et al. Effects of chewing on cognitive processing speed. Brain and Cognition. 81 (3), 376-381 (2013).
- Hirano, Y., Onozuka, M.
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Smith, A. Effects of chewing gum on mood, learning, memory and performance of an intelligence test. Nutritional Neuroscience. 12 (2), 81-88 (2009).
- 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).
- Hirano, Y., et al. Effects of chewing in working memory processing. Neuroscience Letters. 436 (2), 189-192 (2008).
- 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).
- 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).
- 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).
- Carter, M. E., et al. Tuning arousal with optogenetic modulation of locus coeruleus neurons. Nature Neuroscience. 13 (12), 1526-1533 (2010).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Bradshaw, J. Pupil size as a measure of arousal during information processing. Nature. 216 (5114), 515-516 (1967).
- Gabay, S., Pertzov, Y., Henik, A. Orienting of attention, pupil size, and the norepinephrine system. Attention, Perception & Psychophysics. 73 (1), 123-129 (2011).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Oue, H., et al. Tooth loss induces memory impairment and neuronal cell loss in APP transgenic mice. Behavioural Brain Research. 252, 318-325 (2013).
- 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).
