Summary
Para verificar se os efeitos trigeminal no desempenho cognitivo envolvem a atividade do locus coeruleus, dois protocolos são apresentados que visam avaliar possíveis correlações entre o desempenho e as mudanças de tamanho da pupila relacionadas à tarefa induzidas pela mastigação. Esses protocolos podem ser aplicados a condições em que se suspeita a contribuição locus coeruleus.
Abstract
A literatura científica atual fornece evidências de que a atividade sensorimotora trigeminal associada à mastigação pode afetar a excitação, a atenção e o desempenho cognitivo. Estes efeitos podem ser devido a conexões generalizadas do sistema trigeminal para o sistema de ativação reticular ascendente (ARAS), ao qual os neurônios noradrenergic do locus coeruleus (LC) pertence. Os neurônios LC contêm projeções para todo o cérebro, e sabe-se que sua descarga co-varia com o tamanho da pupila. A ativação da LC é necessária para obter midrase relacionada à tarefa. Se os efeitos de mastigação no desempenho cognitivo são mediados pela LC, é razoável esperar que as mudanças no desempenho cognitivo estejam correlacionadas a mudanças na midriose relacionada à tarefa. Dois novos protocolos são apresentados aqui para verificar essa hipótese e documentar que os efeitos de mastigação não são atribuíveis à ativação motora específica. Em ambos os protocolos, as mudanças de desempenho e tamanho do aluno observadas durante tarefas específicas são registradas antes, logo depois, e meia hora após um período de 2 min de qualquer um: a) sem atividade, b) rítmica, aperto de mão bilateral, c) mastigação bilateral de pelotas macias e d) mastigação bilateral de pelotas duras. O primeiro protocolo mede o nível de desempenho na detecção de números-alvo exibidos dentro de matrizes numéricas. Uma vez que as gravações do tamanho dos alunos são gravadas por um alunocômetro apropriado que impede a visão para garantir níveis constantes de iluminação, a midrase relacionada com a tarefa é avaliada durante uma tarefa háptica. Os resultados deste protocolo revelam que 1) as mudanças induzidas por mastigação no desempenho e a midrase relacionada à tarefa estão correlacionadas e 2) nem o desempenho nem a midrase são reforçadas pelo aperto de mão. No segundo protocolo, o uso de um pupilômetro vestível permite a medição de mudanças de tamanho e desempenho do aluno durante a mesma tarefa, permitindo assim que evidências ainda mais fortes sejam obtidas sobre o envolvimento da LC nos efeitos trigeminal na atividade cognitiva. Ambos os protocolos foram executados no escritório histórico do Prof. Giuseppe Moruzzi, o descobridor do ARAS, da Universidade de Pisa.
Introduction
Em seres humanos, sabe-se que mastigar acelera o processamento cognitivo1,2 e melhora a excitação3,4,atenção5,aprendizagem e memória6,7. Esses efeitos estão associados ao encurtamento das latências dos potenciais corticais relacionados ao evento8 e ao aumento da perfusão de várias estruturas corticais e subcorticais2,9.
Dentro dos nervos cranianos, a informação mais relevante que sustenta a dessincronização e a excitação cortical é transportada por fibras trigeminal10,provavelmente devido a fortes conexões trigeminal ao sistema de ativação reticular ascendente (ARAS)11. Entre as estruturas aras, o locus coeruleus (LC) recebe insumos trigeminal11 e modula a excitação12,13,e sua atividade covaries com o tamanho da pupila14,15,16,17,18. Embora a relação entre a atividade de repouso lc e desempenho cognitivo seja complexa, o aprimoramento da atividade lc relacionada à tarefa leva à micria20 associada à excitação e ao desempenho cognitivo aprimorado21. Há uma covariação confiável entre a atividade lc e o tamanho do aluno, e este último é atualmente considerado um proxy da atividade noradrenergic central22,23,24,25,26.
A ativação assimétrica de ramos trigemina sensório-motor induz as simetrias pupilas (anisocoria)27,28,confirmando a força da conexão trigemino-coerulear. Se a LC participar dos efeitos estimulantes da mastigação no desempenho cognitivo, ela pode afetar a midrase relacionada à tarefa paralela, que é um indicador de ativação de fásicos lc durante uma tarefa. Também pode afetar o desempenho, de modo que uma correlação pode ser esperada entre mudanças induzidas por mastigação no desempenho e midrase. Além disso, se os efeitos trigeminal são específicos, os efeitos de mastigação devem ser maiores do que aqueles eliciados por uma outra tarefa rítmica do motor. A fim de testar essas hipóteses, dois protocolos experimentais são apresentados. Eles são baseados em medições combinadas de desempenho cognitivo e tamanho da pupila, realizadas antes e após um curto período de atividade de mastigação. Esses protocolos utilizam um teste que consiste em encontrar números-alvo exibidos em matrizes numéricas e atenciosas29,juntamente com números não-alvo. Este teste verifica o desempenho atento e cognitivo.
O objetivo geral desses protocolos é ilustrar que a estimulação trigeminal provoca mudanças específicas no desempenho cognitivo, que não podem ser atribuídas especificamente à geração de comandos motores e estão relacionadas a mudanças ligadas ao aluno na mediada por LC Excitação. As aplicações dos protocolos se estendem a todas as condições comportamentais em que o desempenho pode ser medido e o envolvimento da LC é suspeito.
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Protocol
Todas as etapas seguem as diretrizes do Comitê de Ética da Universidade de Pisa.
1. Recrutamento de participantes
- Recrutar uma população sujeita de acordo com o objetivo específico do estudo (ou seja, indivíduos normais e/ou pacientes, homens e/ou mulheres, jovens e/ou idosos).
2. Preparação material
- Prepare uma pelota macia; use chiclete comercialmente disponível(Mesa de Materiais; dureza inicial = 20 Shore OO).
- Prepare uma pelota dura; use pelotas de borracha de silício(Mesa de Materiais; dureza constante = 60 Shore OO)30.
- Prepare uma bola anti-stress para uma tarefa de aperto de mão. Use uma bola feita por espuma de poliuretano(Mesa de Materiais; dureza constante = 30 Shore OO)30.
- Prepare um quebra-cabeça tangram (Tabela de Materiais; número de peças = sete) para realizar a tarefa háptica.
3. Fluxograma do Experimento
- Fluxograma do protocolo 1
- Avalie o desempenho de base (ver seção 4.1) no teste cognitivo (matrizes) (T0, controle).
- Avalie o tamanho do aluno (ver seção 4.2) em repouso (nenhuma atividade solicitada do assunto) (T0, controle).
- Avalie o tamanho da pupila durante uma tarefa tátil baseada no tangram (T0, controle).
- Retire uma das peças do quebra-cabeça e coloque-o na mão do sujeito.
- Peça ao assunto para colocar a peça de volta no quebra-cabeça, sem olhar para o quebra-cabeça.
- Peça a cada sujeito para realizar três atividades específicas para 2 minutos ou para descansar por 2 minutos, de acordo com etapas 3.1.4.1-3.1.4.4. Peça aos sujeitos que realizem essas atividades em sessões separadas que ocorrem em dias diferentes (2 a 3 dias entre as sessões).
- Peça ao sujeito para mastigar uma pelota macia autoadministrada por 2 min, deixando-o espontaneamente escolher tanto a taxa de mastigação quanto o lado da boca para mastigar. Após 1 min de mastigação, pedir-lhe para mudar o lado de mastigação (e a pelota).
- Peça ao sujeito para mastigar uma pelota dura autoadministrada por 2 min. Após 1 min, peça-lhe para mudar o lado mastigador (mas não a pelota).
- Peça ao sujeito para realizar um aperto rítmico de uma bola anti-stress (exercício de aperto de mão) para 2 min na taxa e na mão de sua escolha. Após 1 min, peça ao sujeito para trocar de mãos.
- Peça ao sujeito para descansar (sem atividade) por 2 min.
- Logo após o final de cada etapa (3,1,4,1-3,1,4,4), avaliar o desempenho no teste matrices e tamanho da pupila em repouso e durante a tarefa háptica (T7).
Nota: O termo "em repouso" significa que o assunto durante a medida do tamanho da pupila é relaxante. O termo "durante a tarefa háptica" significa que o assunto durante a medição do tamanho da pupila está realizando a tarefa com base no tangram. - Trinta minutos após o final de cada etapa (3,1.4.1-3.1.4.4), avaliar o desempenho e o tamanho da pupila em repouso e durante a tarefa háptica (T37).
- Fluxograma do protocolo 2
- Avalie o tamanho do aluno enquanto o sujeito está descansando (T0, controle; ver seção 4.3).
- Avalie o desempenho de base no teste cognitivo (matrizes) enquanto testa simultaneamente o tamanho da pupila (T0, controle).
- Peça a cada sujeito para realizar três atividades específicas para 2 minutos ou para descansar por 2 minutos, de acordo com etapas 3.2.3.1-3.2.3.4. Peça aos sujeitos que realizem essas atividades em sessões separadas que ocorrem em dias diferentes (2 a 3 dias entre as sessões).
- Peça ao sujeito para mastigar uma pelota macia autoadministrada por 2 min, deixando-o espontaneamente escolher tanto a taxa de mastigação quanto o lado da boca para mastigar. Após 1 min de mastigação, pedir-lhe para mudar o lado de mastigação (e a pelota).
- Peça ao sujeito para mastigar uma pelota dura autoadministrada por 2 min. Após 1 min, peça-lhe para mudar o lado mastigador (mas não a pelota).
- Peça ao sujeito para realizar um aperto rítmico de uma bola anti-stress (exercício de aperto de mão) para 2 min na taxa e no lado de sua escolha. Após 1 min, peça ao sujeito para trocar de mãos.
- Peça ao assunto para relaxar (sem atividade) por 2 min.
- Logo após o final de cada etapa (passos 3.2.3.1-3.2.3.4), avalie o tamanho da pupila em repouso e o desempenho e o tamanho da pupila no teste de matrizes (T7).
- Trinta minutos após o final de cada etapa (passos 3.2.3.1-3.2.3.4), avaliar o tamanho da pupila em repouso e desempenho e tamanho da pupila no teste de matrizes (T37).
4. Variáveis medidas nos protocolos 1 e 2
- Desempenho cognitivo
Nota: Em ambos os protocolos 1 e 2, medir o desempenho cognitivo usando um teste com base em uma versão modificada do Spinnler-Tognoni matrices numéricas teste29.- Exibir três matrizes numéricas (10 x 10) impressas em papel ao assunto. Em seguida, peça ao sujeito para escanear sequencialmente as linhas matrizis, enquanto marca com um lápis o maior número possível de números-alvo (60 alvos de 300 números totais exibidos) indicados acima de cada matriz(Figura 1)dentro de 15 s.
- Utilize matrizes com diferentes posições de números-alvo em T0, T7 e T37 para evitar a introdução de confundidores relacionados a processos de aprendizagem.
- Avalie offline o índice de desempenho (PI), taxa de digitalização (SR) e taxa de erro (ER) da seguinte forma: PI = (números-alvo sublinhados em 15 s)/15; SR = (alvo + números não-alvo digitalizados em 15 s)/15; ER = (números-alvo não atingiram + números não-alvo sublinhados em 15 s)/15.
- Tamanho da pupila no protocolo 1
- Prepare o assunto para a medida do tamanho da pupila com um topógrafo-pupilógrafo da córnea (Tabela de Materiais),que impede a visão do meio ambiente, utilizando um dos dois procedimentos de aquisição a seguir.
- Grave uma única foto de câmera do aluno(Figura 2A,B)com um nível constante de iluminação de 40 lux, pressionando o botão específico no topografista-pupilógrafo da córnea. Mantenha uma distância de trabalho ideal de 56 mm entre a câmera e o aluno.
Nota: Uma única medida é suficiente, devido ao baixo nível de variabilidade do tamanho da pupila medido em iluminação constante. - Realizar uma gravação contínua do aluno (taxa de amostragem = 5 Hz; Figura 2C,D)na modalidade de aquisição contínua. Descarte as primeiras medições de 20 a 50 (4-10 s), já que durante esse lapso de tempo, o diâmetro da pupila está crescendo (a aquisição começa por desligar a iluminação da pupila a 40 lux). Média das medidas restantes.
- Grave uma única foto de câmera do aluno(Figura 2A,B)com um nível constante de iluminação de 40 lux, pressionando o botão específico no topografista-pupilógrafo da córnea. Mantenha uma distância de trabalho ideal de 56 mm entre a câmera e o aluno.
- Tamanho recorde da pupila dos olhos esquerdo e direito separadamente em repouso (passos 3.1.2, 3.1.5 e 3.1.6).
- Tamanho recorde da pupila durante a tarefa haptic (etapas 3.1.3, 3.1.5 e 3.1.6; esquerdo e direito separada). Ao usar a modalidade de tiro único (passo 4.2.1.1), adquirir a foto durante a segunda de duas repetições de tarefa, no início da exploração da superfície do quebra-cabeça. No modo contínuo de gravação (passo 4.2.1.2), iniciar a aquisição quando a peça do quebra-cabeça foi colocado na mão do assunto.
- Avalie o tamanho da pupila offline esquerda e direita em repouso e durante a tarefa háptica pela aquisição direta dos valores (em mm) exibidos pelo software. Calcule a midrase relacionada com a tarefa subtraindo o tamanho da pupila em repouso do tamanho da pupila durante a tarefa háptica e obtenha todos os valores médios esquerda-direita.
- Prepare o assunto para a medida do tamanho da pupila com um topógrafo-pupilógrafo da córnea (Tabela de Materiais),que impede a visão do meio ambiente, utilizando um dos dois procedimentos de aquisição a seguir.
- Tamanho da pupila no protocolo 2
- Prepare o assunto para a medida do tamanho da pupila usando um pupillometer wearable/eye tracker(Figura 3A),dotado de uma estrutura de vidro impresso em 3D, usando o seguinte procedimento.
- Peça ao assunto que use o pupilômetro vestível. Ajuste a posição das duas câmeras infravermelhas(Figura 3A-2,3)montadas em barras provenientes do quadro(Tabela de Materiais),para que os olhos estejam dentro do campo de visão das câmeras e em foco.
- Adquirir imagens dos alunos (taxa de amostragem = 120 Hz), que são processados on-line pelo software fornecido com o pupilômetro wearable e fornece diâmetro pupillar (em mm) usando um modelo geométrico da "média" ocular humana. Desconsidere artefatos piscos.
- Registre continuamente o nível de iluminação ambiental usando um sensor de luz logarítica calibrado montado no quadro do pupilômetro vestível. Use uma câmera RGB frontal montada no pupilômetro wearable(Figura 3A-1)para registrar o campo de visão do assunto (taxa de amostragem = 30 Hz) útil para estudar o comportamento do olhar.
- Registre simultaneamente o tamanho dos dois alunos em repouso por 20 s(Figura 3B).
- Registre o tamanho dos alunos enquanto o sujeito realiza o teste Spinnler-Tognoni, de modo a ter o tamanho da pupila e desempenho cognitivo registrados simultaneamente (passos 3.2.2, 3.2.4 e 3.2.5).
- Avalie o tamanho da pupila esquerda e direita off-line em repouso e durante o teste Spinnler-Tognoni, com média de valores adquiridos (n = 2.400) para cada aluno. Calcule a midrase relacionada com a tarefa subtraindo o tamanho da pupila em repouso do tamanho da pupila durante o teste de matrizes, então todos os valores médios esquerda-direita.
- Prepare o assunto para a medida do tamanho da pupila usando um pupillometer wearable/eye tracker(Figura 3A),dotado de uma estrutura de vidro impresso em 3D, usando o seguinte procedimento.
- Posição do olhar
Nota: Reconstrua online o ponto de fixação usando as imagens dos dois alunos obtidos a partir da seção 4.3. Processe os quadros adquiridos em tempo real e estime o ponto de fixação do olhar usando uma função de transferência calculada anteriormente31 específica para cada sujeito usando o rastreador ocular.- Se necessário, ao executar o protocolo 2, reconstrua a posição do olhar das imagens da pupila. Para fazer isso, adicione quatro marcadores de visão detectáveis por computador (bibliotecas ArUco ou AprilTag do software de instrumentos) a quatro cantos da folha de matrizes usadas na seção 4.1.
- Permita que o sistema de calibração (incorporado no software do eye tracker quanto ao headset de pupila usado) adquira os dados e avalie os parâmetros da função de transferência que mapeiam o ponto de fixação, a partir de imagens dos dois alunos. Como exemplo, peça ao sujeito que olhe para uma sequência predefinida de pontos que são mostrados em seu campo de visão (ou seja, os quatro cantos da folha de matrizes e no centro da própria folha), que são registrados simultaneamente pela câmera RGB adicional montada no quadro e de frente para o campo de visão.
- Recorde o tamanho da pupila durante o teste de matrizes.
- Calcule a posição de olhar offline que apareça como uma marca em cada quadro do campo de visão do sujeito. Use os quatro marcadores para acompanhar a posição do olhar sobre as matrizes em todos os quadros.
5. Análise Estatística
- Analise o tamanho da pupila em repouso e durante a tarefa, mydriasis induzida por tarefas, PI, SR e ER em quatro condições (sem atividade, aperto de mão, pelota macia, pelota dura) por três vezes (T0, T7, T37) usando medidas repetidas ANOVA e pacote de software de estatísticas.
- Analise as alterações nas variáveis em relação aos valores de base (T0) em quatro condições( sem atividade, aperto de mão, pelota macia, pelota dura) por duas vezes (T7, T37) usando medidas repetidas ANOVA.
- Ao executar ANOVA, se o software indica que a distribuição de dados não é esférica, pegue o p-valor correspondente à correção de Greenhouse-Geisser ε da tabela de estatística saciada.
- Correlacione as mudanças no desempenho (PI, SR, ER) no T7 e T37 com as observadas na midríase relacionada à tarefa por análise de regressão linear.
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Representative Results
A figura 4 mostra um exemplo representativo dos resultados obtidos quando o protocolo 1 foi aplicado a um único sujeito (46 anos, do sexo feminino). Pi foi aumentada logo após ter mastigado (T7) tanto um duro (de 1,73 dormente / s para 2,27 dormente / s) e pelota macia (de 1,67 dormente / s para 1,87 numb / s) (Figura 4A). No entanto, 30 min mais tarde (T37), o aumento do desempenho persistiu apenas para a pelota dura. Por outro lado, tanto a falta de atividade quanto o exercício de aperto de mão tiveram um efeito negativo sobre o desempenho, que caiu de 1,73 dormentes/s para 1,67 dormentes/s e de 1,6 dormente/s para 1,53 dormentes/s, com tendência a recuperar observada 30 min mais tarde, durante a última avaliação experimental.
Como observado na Figura 4B,foram observadas alterações qualitativamente semelhantes para a midriose relacionada à tarefa. Neste caso, as medidas consistiram em amostras individuais colhidas aleatoriamente quando o sujeito estava descansando. Durante a tarefa háptica, duas amostras foram registradas, mas a primeira foi descartada. Alternativamente, no modo de aquisição contínua do instrumento, 100 amostras foram registradas em 20 s, com as primeiras medições de 20 a 50 desconsideradas, e as restantes foram então em média após a remoção de artefatos piscos(Figura 2C,D). Amostras individuais refletem de perto o valor médio, devido ao fato de que o tamanho da pupila atinge um nível muito estável 4-10 s após a desligar a iluminação ocular (Figura 2C,D). Os dados ilustrados na Figura 4 e na Figura 5 foram replicados em uma população de 30 indivíduos, e as alterações induzidas por mastigação e aperto de mão foram estatisticamente confirmadas. Por outro lado, quando os sujeitos não estavam envolvidos em nenhuma atividade, não houve modificações no desempenho cognitivo e midrase30 tanto no T7 quanto no T37.
Apesar do fato de que 1) desempenho e midrase foram registrados em diferentes tarefas e 2) os 12 pontos experimentais ilustrados na Figura 5A,B foram registrados em 4 dias separados, é notável que uma forte correlação tenha sido observada entre desempenho e midrase relacionada à tarefa (r = 0,939, p < 0,0005, y = 1.166x - 0,417). Como pode ser inferido da Figura 5A,essa relação deveu-se às modificações induzidas pela mastigação de pelotas duras e macias. Ainda mais surpreendente, uma correlação ficou evidente também quando foram consideradas as alterações correspondentes em relação aos valores de base (r = 0,924, p < 0,001, y = 1.210x + 0,101; Figura 5B).
Entre os 30 indivíduos analisados no estudo de Tramonti Fantozzi et al.30,PI e midrase foram significativamente correlacionados em 26 deles, com encostas das linhas de regressão correspondentes variando de 0,310-1.327 dormente/s/mm. As alterações correspondentes foram significativamente correlacionadas em 22 indivíduos (intervalo de pistas: 0,390-1.408).
Evidências ainda mais fortes do envolvimento da LC nos efeitos estimulantes da mastigação no desempenho cognitivo podem ser obtidas correlacionando as alterações induzidas pela mastigação na PI com a mudança na midríase observada apenas durante a execução do teste de matrizes. Isso pode ser alcançado as condições mais naturais do protocolo 2, em que os sujeitos realizam o teste de matrizes, enquanto o tamanho do aluno é registrado simultaneamente(Figura 6).
Figura 1: Exemplo de matrizes numéricas Spinnler-Tognoni. O teste consiste na identificação dos números-alvo indicados acima de cada matriz, que foram marcados pelo sujeito. Clique aqui para ver uma versão maior deste número.
Figura 2: Exemplo de gravações do tamanho do aluno de um único assunto no protocolo 1. (A)Gravação do tamanho da pupila em repouso, único tiro. (B) Gravação do tamanho da pupila durante a tarefa háptica, único tiro. (C) Gravação contínua do tamanho da pupila em repouso por 20 s. (D)Gravação contínua do tamanho da pupila durante a tarefa háptica para 20 s. Setas indicam artefatos piscando. Em (C) e (D), os dados retirados do tempo 0 ao tempo 4 s são descartados da análise. Clique aqui para ver uma versão maior deste número.
Figura 3: Exemplo de gravações do tamanho do aluno no protocolo 2. (A)Foto de um sujeito usando o pupilômetro. Os números 1-3 indicam a posição das três câmeras, que permitem gravações de comportamento (1) e tamanho do aluno (2-3). (B) Traço superior: nível do clareamento ambiental. Traços médios e inferiores: tamanho da pupila esquerdo e direito durante o desempenho do teste das matrizes de Spinnler-Tognoni. Clique aqui para ver uma versão maior deste número.
Figura 4: Alterações no desempenho e na midrase relacionada à tarefa induzidas por diferentes atividades sensório-motoras no protocolo 1. (A)Mudanças no PI. (B) Mudanças na mindra relacionada à tarefa. Em (A) e (B), pontos, quadrados pretos, círculos e quadrados brancos representam dados relativos à mastigação de pelotas duras, mastigação de pelotas macias, aperto suspeição e nenhuma atividade, respectivamente. Cada atividade foi realizada por 2 min do tempo 5 min ao tempo 7 min. Por favor, clique aqui para ver uma versão maior deste número.
Figura 5: Relação entre PI e midrase relacionada à tarefa. (A)Os valores pi obtidos em diferentes momentos durante as diferentes atividades ilustradas na Figura 4 são traçados em função dos valores correspondentes da midrase relacionada à tarefa. (B) Mudanças no PI em relação ao T0 (avaliado como uma diferença) foram traçadas em função das mudanças correspondentes na midríase relacionada à tarefa. Em (A) e (B), pontos, quadrados pretos, círculos e quadrados brancos representam dados relativos à mastigação de pelotas duras, mastigação de pelotas macias, aperto suspeição e nenhuma atividade, respectivamente. Linhas tracejadas são linhas de regressão de todos os pontos de dados. Clique aqui para ver uma versão maior deste número.
Figura 6: Gravação simultânea de performance e midrase relacionada à tarefa. Única vista do frame de um assunto que executa o teste atento das matrizes, tomado da câmera montada no frame do pupilometer. A inserção no canto superior direito mostra as imagens simultâneas de ambos os alunos. O círculo verde representa o ponto de fixação. A mancha vermelha e os círculos afogam-se na pupila são o centro e o contorno da pupila, como avaliado pelo sistema de seguimento que opera-se nos vídeos do olho. Clique aqui para ver uma versão maior deste número.
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Discussion
Os protocolos apresentados neste estudo abordam os efeitos agudos da atividade trigeminal sensorimotor a performance cognitiva e o papel da LC nesse processo. Este tema tem alguma relevância, considerando que 1) durante o envelhecimento, a deterioração da atividade masticária correlaciona-se comadecadência cognitiva32,33,34; as pessoas que preservam a saúde bucal são menos propensas a fenômenos neurodegenerativos; 2) a extração de maloclusão e dentes induz efeitos neurodegenerativos em animais no nível hipocampal e cortical35,36,37,38,39; 3) a LC exerce ação trófica no cérebro, regula o acoplamento neurovascular e inibe a neuroinflamação e o acúmulo de beta-amilóide11,40; 4) há evidências de que doenças neurodegenerativas podem ser desencadeadas por processos neurodegenerativos no nível LC11,40.
O Protocolo 1 permite a definição de efeitos específicos da mastigação em relação a a a) processos de aprendizagem provocados por sucessivas repetições da tarefa e b) outros tipos de atividade motora comum. Além disso, estabelece a presença/ausência de correlação entre mudanças no desempenho e midrase, sendo este último considerado um indicador de ativação de LC phasic durante a tarefa. Esta evidência sugere fortemente o envolvimento da LC nos efeitos da ativação trigeminal sensorialmotora. Tal protocolo foi aplicado com sucesso por Tramonti Fantozzi et al.30. Como visto na seção de resultados, também pode ser utilizado para avaliar o grau de dependência do desempenho das alterações dos alunos ligadas à excitação mediada por LC ao nível de disciplinas individuais. A obtenção dessa medida (ativação de desempenho/LC) representa uma variável neuropsicológica nova e importante que pode ser estudada em relação ao sexo, idade, administração de medicamentos e qualquer condição comportamental.
A principal limitação do protocolo 1 é que as medições do tamanho da pupila são realizadas em constante clareamento, impedindo a visão e impedindo a avaliação da midríase eliciada durante a digitalização de matrizes. Isso obriga a gravação de midrase durante uma tarefa diferente. Este problema é resolvido apartir da realização do protocolo 2, no qual é introduzido um pupilômetro vestível dotado de um sensor de luz. Desta forma, é possível registrar contextualmente tanto o desempenho cognitivo quanto a midrase durante a mesma tarefa, fornecendo evidências ainda mais convincentes sobre os efeitos da atividade sensório-motora na LC e no desempenho. Isso também ajuda a abordar estudos destinados a relacionar a ativação de LC a condições comportamentais. Para uma aplicação correta do protocolo 2, deve ser tomado cuidado para manter um nível constante de iluminação ambiental e calibração preliminar de instrumentos vestíveis.
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Disclosures
Os autores não têm nada a divulgar.
Acknowledgments
A pesquisa foi apoiada por bolsas da Universidade de Pisa. Agradecemos ao Sr. Paolo Orsini, ao Sr. Francesco Montanari e à Sra. Cristina Pucci por uma valiosa assistência técnica, bem como à empresa I.A.C.E.R. S.r.L. por apoiar a Dra. Finalmente, agradecemos à empresa Projetos OCM para preparar pelotas duras e realização de dureza e medidas constantes de primavera.
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).
