评估三叉神经刺激诱发的蓝斑介导觉醒中与瞳孔相关的变化

摘要

为了验证三叉神经对认知表现的影响是否涉及蓝斑核的活动，本文提供了两种实验方案，旨在评估咀嚼所引起的认知表现与任务相关瞳孔大小变化之间的可能关联。这些方案可应用于怀疑存在蓝斑核参与的各类情况。

摘要

现有科学文献表明，与咀嚼相关的三叉神经感觉运动活动可能影响觉醒、注意力和认知表现。这些效应可能是由于三叉神经系统与上行网状激活系统（ARAS）存在广泛连接，而蓝斑（LC）的去甲肾上腺素能神经元属于该系统的一部分。LC神经元向全脑发出投射，且已知其放电活动与瞳孔大小共变。LC的激活是引发任务相关性瞳孔扩张所必需的。如果咀嚼对认知表现的影响是通过LC介导的，那么可以合理推测，认知表现的变化应与任务相关性瞳孔扩张的变化相关。本文提出了两种新颖的实验方案，用于验证这一假设，并证明咀嚼效应并非源于非特异性的运动激活。在两种方案中，均记录受试者在特定任务期间的表现和瞳孔大小变化，时间点包括：2分钟干预前、干预后即刻以及干预后半小时。干预条件包括：a）无活动，b）节律性双侧握力运动，c）双侧咀嚼软质颗粒，d）双侧咀嚼硬质颗粒。第一种方案通过检测受试者在数字矩阵中识别目标数字的表现来评估认知水平。由于瞳孔大小由专用瞳孔测量仪记录，该设备会遮挡视觉以确保光照条件恒定，因此任务相关性瞳孔扩张是在触觉任务中进行评估的。该方案的结果显示：1）咀嚼引起的表现变化与任务相关性瞳孔扩张变化呈正相关；2）握力运动既不能提升表现，也不能增强瞳孔扩张。第二种方案采用可穿戴式瞳孔测量仪，能够在执行相同任务的同时同步测量瞳孔大小变化和认知表现，从而为LC在三叉神经对认知活动影响中的作用提供更有力的证据。这两项方案均在比萨大学已故教授朱塞佩·莫鲁齐（Giuseppe Moruzzi）——ARAS的发现者——的历史性办公室内实施。

引言

在人类中，已知咀嚼可加快认知处理速度^1,2，并改善觉醒状态^3,4、注意力⁵、学习和记忆功能^6,7。这些效应与皮层事件相关电位潜伏期缩短⁸以及多个皮层和皮层下结构的灌注增加相关^2,9。

在脑神经中，三叉神经纤维传递的信息对维持大脑皮层去同步化和觉醒状态最为重要¹⁰，可能是由于三叉神经与上行网状激活系统（ARAS）之间存在强烈的连接¹¹在ARAS结构中，蓝斑（LC）接收三叉神经传入信号¹¹ 并调节觉醒状态^12,13，其活动与瞳孔大小共变^{14,15,16,17,18}尽管蓝斑静息活动与认知表现之间的关系较为复杂，但与任务相关的蓝斑活动增强可导致与觉醒相关的¹⁹ 瞳孔散大²⁰ 并增强认知功能表现²¹. 蓝斑核活动与瞳孔大小之间存在可靠的共变关系，目前后者被视为中枢去甲肾上腺素能活动的间接指标^{22,23,24,25,26}.

感觉运动三叉神经分支的不对称激活会引发瞳孔不等（瞳孔不等大）^27,28，从而证实了三叉神经-蓝斑连接的强度。如果蓝斑（LC）参与咀嚼对认知表现的促进作用，则可能影响与任务相关的平行性瞳孔扩张，后者是任务过程中蓝斑相位性激活的指标。蓝斑也可能影响行为表现，因此可预期咀嚼引起的表现变化与瞳孔扩张之间存在相关性。此外，若三叉神经的作用具有特异性，则咀嚼引起的效果应大于其他节律性运动任务所诱发的效果。为了验证这些假设，本文提出了两种实验方案。这些方案基于在短暂咀嚼活动前后对认知表现和瞳孔大小进行联合测量。这些方案采用一种测试方法，即在数字注意力矩阵中寻找目标数字²⁹，同时忽略非目标数字。该测试用于评估注意力和认知表现。

这些实验方案的总体目标是证明三叉神经刺激会引起认知表现的特定变化，这些变化不能笼统地归因于运动指令的产生，而是与瞳孔相关的蓝斑介导的觉醒状态变化有关。这些方案的应用范围涵盖所有可测量行为表现且怀疑蓝斑参与的实验条件。

方案

所有步骤均遵循比萨大学伦理委员会的指导方针。

1. 受试者招募

1. 根据研究的具体目标招募受试者群体（即正常受试者和/或患者、男性和/或女性、年轻人和/或老年人）。

2. 材料准备

1. 制备一个软质颗粒；使用市售口香糖（材料表；初始硬度 = 20 Shore OO）。
2. 制备一个硬质颗粒；使用硅橡胶颗粒（材料表；恒定硬度 = 60 Shore OO）³⁰。
3. 准备一个用于握力任务的减压球。使用聚氨酯泡沫制成的球（材料表；恒定硬度 = 30 Shore OO）³⁰。
4. 准备一个七巧板拼图（材料表；组件数量 = 7个），用于执行触觉任务。

3. 实验流程图

1. 方案1的流程图
   1. 在认知（矩阵）测试中评估基线表现（参见第4.1节）（T0，对照）。
   2. 在静息状态下（不要求受试者进行任何活动）评估瞳孔大小（参见第4.2节）（T0，对照）。
   3. 在基于七巧板的触觉任务过程中评估瞳孔大小（T0，对照）。
      1. 从拼图中取出一块拼片并放入受试者手中。
      2. 要求受试者在不看拼图的情况下将该拼片放回原位。
   4. 要求每位受试者根据步骤3.1.4.1–3.1.4.4执行三项特定活动之一，持续2分钟，或静息2分钟。要求受试者在不同日期的独立会话中完成这些活动（会话之间间隔2–3天）。
      1. 要求受试者自行咀嚼一颗软质颗粒2分钟，允许其自主选择咀嚼频率和咀嚼侧。咀嚼1分钟后，要求其更换咀嚼侧（同时更换颗粒）。
      2. 要求受试者自行咀嚼一颗硬质颗粒2分钟。咀嚼1分钟后，要求其更换咀嚼侧（但不更换颗粒）。
      3. 要求受试者在其自选频率和手部的情况下，对减压球进行有节奏的挤压（握力练习）2分钟。1分钟后，要求受试者更换手部。
      4. 要求受试者静息（无活动）2分钟。
   5. 在每个步骤（3.1.4.1–3.1.4.4）结束后立即评估矩阵测试中的表现，以及静息状态和触觉任务过程中的瞳孔大小（T7）。
      注意：术语 "静息状态"指在测量瞳孔大小时受试者处于放松状态。术语 "触觉任务过程中"指在测量瞳孔大小时受试者正在执行基于七巧板的任务。
   6. 在每个步骤（3.1.4.1–3.1.4.4）结束30分钟后，评估表现以及静息状态和触觉任务过程中的瞳孔大小（T37）。
2. 方案2的流程图
   1. 在受试者静息时评估瞳孔大小（T0，对照；参见第4.3节）。
   2. 在同时测量瞳孔大小的情况下，评估认知（矩阵）测试的基线表现（T0，对照）。
   3. 要求每位受试者根据步骤3.2.3.1–3.2.3.4执行三项特定活动之一，持续2分钟，或静息2分钟。要求受试者在不同日期的独立会话中完成这些活动（会话之间间隔2–3天）。
      1. 要求受试者自行咀嚼一颗软质颗粒2分钟，允许其自主选择咀嚼频率和咀嚼侧。咀嚼1分钟后，要求其更换咀嚼侧（同时更换颗粒）。
      2. 要求受试者自行咀嚼一颗硬质颗粒2分钟。咀嚼1分钟后，要求其更换咀嚼侧（但不更换颗粒）。
      3. 要求受试者在其自选频率和手部的情况下，对减压球进行有节奏的挤压（握力练习）2分钟。1分钟后，要求受试者更换手部。
      4. 要求受试者静息（无活动）2分钟。
   4. 在每个步骤（3.2.3.1–3.2.3.4）结束后立即评估静息状态下的瞳孔大小，以及矩阵测试中的表现和瞳孔大小（T7）。
   5. 在每个步骤（3.2.3.1–3.2.3.4）结束30分钟后，评估静息状态下的瞳孔大小，以及矩阵测试中的表现和瞳孔大小（T37）。

4. 方案1和2中的测量变量

1. 认知表现
   注意： 在方案1和方案2中，均采用基于Spinnler-Tognoni数字矩阵测试的改良版本来评估认知功能表现²⁹.
   1. 向受试者展示三张印在纸上的数字矩阵（10 × 10）。然后要求受试者依次逐行扫描每个矩阵，并用铅笔尽可能多地圈出每个矩阵上方指定的目标数字（每张矩阵中有60个目标数字，共300个显示数字）图115 秒内
   2. 在T0、T7和T37时间点使用目标数字位置不同的矩阵，以避免引入与学习过程相关的混杂因素。
   3. 离线评估性能指数（PI）、扫描速率（SR）和错误率（ER），计算方法如下：PI = 15 秒内正确标记的目标数字数量 / 15；SR = 15 秒内扫描的总数字数量（目标 + 非目标） / 15；ER = （15 秒内漏掉的目标数字数量 + 错误标记的非目标数字数量） / 15。
2. 方案1中的瞳孔大小
   1. 使用角膜地形图-瞳孔测量仪为受试者准备瞳孔大小测量材料表），从而阻碍对周围环境的观察，可采用以下两种采集方法之一。
      1. 记录瞳孔的单次摄像镜头（图2A，B使用角膜地形图-瞳孔测量仪上特定的按钮，保持40勒克斯的恒定光照强度。相机与瞳孔之间保持56毫米的最佳工作距离。
         注意： 单次测量即可，因为在恒定光照条件下瞳孔大小的变异程度较低。
      2. 以连续方式记录瞳孔（采样率 = 5 Hz； 图2C，D以连续采集模式进行测量。舍弃前20–50次（4–10秒）的数据，因为在该时间段内瞳孔直径处于扩张阶段（采集开始时瞳孔照明从40 lux关闭）。对剩余的测量值取平均。
   2. 分别记录左右眼在静息状态下的瞳孔大小（步骤 3.1.2、3.1.5 和 3.1.6）。
   3. 在触觉任务期间记录瞳孔大小（步骤 3.1.3、3.1.5 和 3.1.6；左右眼分别记录）。当使用单次拍摄模式（步骤 4.2.1.1）时，在任务重复两次中的第二次、拼图表面探索开始时拍摄照片。在连续记录模式（步骤 4.2.1.2）下，当拼图块被放置于受试者手中时即开始采集。
   4. 在静息状态及触觉任务期间，通过直接获取软件显示的数值（单位：mm），评估离线条件下的左右瞳孔大小。通过从触觉任务中的瞳孔大小减去静息状态下的瞳孔大小，计算任务相关性瞳孔扩张，并获取所有左右瞳孔的平均值。
3. 方案2中的瞳孔大小
   1. 使用可穿戴瞳孔测量仪/眼动仪为受试者准备瞳孔大小测量图3A），采用以下步骤，使用3D打印的玻璃框架结构。
      1. 让受试者佩戴可穿戴瞳孔测量仪。调整两个红外摄像头的位置（图3A-2,3）安装在从框架延伸出的杆上（材料表，以确保眼睛位于相机视野范围内并处于对焦状态。
      2. 使用可穿戴式瞳孔计配套软件在线处理以120 Hz采样率采集的瞳孔图像，并通过几何模型计算瞳孔直径（单位：mm） "平均值" 人眼。忽略眨眼伪影。
      3. 使用安装在可穿戴瞳孔测量仪框架上的经校准的对数光传感器，持续记录环境光照水平。使用安装在可穿戴瞳孔测量仪上的前置RGB摄像头（图3A-1以记录受试者的视野范围（采样率 = 30 Hz），用于研究注视行为。
   2. 同时记录静息状态下两个瞳孔的大小，持续 20 秒（图3B).
   3. 在受试者进行斯宾勒-托尼奥尼测验时记录瞳孔大小，以便同时获取瞳孔大小与认知表现数据（步骤 3.2.2、3.2.4 和 3.2.5）。
   4. 在静息状态和斯宾勒-托尼奥尼测试期间，通过取每只瞳孔采集值（n = 2,400）的平均值来评估离线左、右瞳孔大小。通过从矩阵测试期间的瞳孔大小中减去静息状态下的瞳孔大小，计算任务相关性瞳孔扩张，然后计算所有左-右瞳孔平均值。
4. 注视位置
   注意： 使用第4.3节获取的两个瞳孔图像，在线重建注视点。对采集到的图像帧进行实时处理，并利用预先计算的传递函数估计视线注视点。³¹ 针对每位佩戴眼动仪的受试者而特定。
   1. 如有需要，在执行方案2时，可根据瞳孔图像重建注视位置。为此，需在第4.1节所用矩阵表的四个角上添加四个计算机可识别的视觉标记（仪器软件中的ArUco或AprilTag库）。
   2. 让校准系统（嵌入于眼动仪软件中，适用于所用的瞳孔式头戴设备）采集数据，并基于双眼瞳孔图像评估映射注视点的传递函数参数。例如，要求受试者注视视野内预先设定的一系列位置点（即矩阵表的四个角点及表中心点），这些点位由安装在镜架上、面向受试者视野的额外RGB相机同步记录。
   3. 在矩阵测试期间记录瞳孔大小。
   4. 离线计算受试者视野每帧画面上出现的注视位置标记。利用四个标记追踪各帧间矩阵上的注视位置。

5. 统计分析

1. 使用重复测量方差分析（ANOVA）和统计软件包，在四种条件（无活动、握力、软颗粒、硬颗粒）下，于三个时间点（T0、T7、T37）分析静息状态下的瞳孔大小、任务期间的瞳孔大小、任务诱发的瞳孔扩张、PI、SR 和 ER。
2. 使用重复测量方差分析，在四种条件（无活动、握力、软颗粒、硬颗粒）下，于两个时间点（T7、T37）分析各变量相对于基线值（T0）的变化。
3. 进行方差分析时，若软件提示数据分布不满足球形假设，则从输出的统计表中采用 Greenhouse-Geisser ε 校正对应的 p 值。
4. 通过线性回归分析，将 T7 和 T37 时性能指标（PI、SR、ER）的变化与任务相关瞳孔扩张的变化进行相关性分析。

结果

图4展示了一个代表性结果示例，该结果来自将方案1应用于一名受试者（女性，46岁）时的实验数据。在咀嚼（T7）硬质（从1.73 numb/s增至2.27 numb/s）和软质颗粒（从1.67 numb/s增至1.87 numb/s）后，PI值均迅速升高（图4A）。然而，30分钟后（T37），性能的提升仅在硬质颗粒条件下持续存在。另一方面，不进行任何活动或进行握力运动均对表现产生负面影响，PI值分别从1.73 numb/s下降至1.67 numb/s，以及从1.6 numb/s下降至1.53 numb/s；在30分钟后的最后一次实验评估中，观察到有恢复趋势。

如图4B所示，任务相关性瞳孔扩张也观察到了定性上相似的变化。在此情况下，测量值是在受试者静息状态下随机采集的单个样本。在触觉任务期间记录了两个样本，但第一个样本被舍弃。或者，在仪器的连续...

讨论

本研究中介绍的实验方案探讨了感觉运动性三叉神经活动对认知功能的急性影响，以及蓝斑（LC）在此过程中的作用。该课题具有一定的相关性，因为：1）在衰老过程中，咀嚼功能的退化与认知能力下降相关^32,33,34；保持口腔健康的人群较少出现神经退行性现象；2）动物模型中，咬合不正和拔牙可在海马和皮层水平诱导神经退行性改变^{35,36,37,38,39}；3）蓝斑对大脑具有营养作用，可调节神经血管耦合，并抑制神经炎症及β-淀粉样蛋白的积聚^11,

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
抗压球	Artengo, Decathlon, 法国	TB600
口香糖	Vigorsol, Perfetti, 意大利	市售产品
红外摄像机-可穿戴式瞳孔测量仪	Pupil Labs, 柏林, 德国	Pupil Labs 头戴设备
瞳孔测量仪	CSO, 佛罗伦萨, 意大利	MOD i02, 配下巴托架
硅橡胶	Prochima, 意大利	gls50
瞳孔检测软件 - 可穿戴式瞳孔测量仪	Pupil Labs, 柏林, 德国	Pupil Labs 头戴设备
七巧板拼图	Città del Sole srl, 米兰, 意大利	七巧板拼图
可穿戴式瞳孔测量仪	Pupil Labs, 柏林, 德国	Pupil Labs 型号	框架尺寸：13.5 cm x 15.5 cm