Artículo de método

Evaluación de los cambios vinculados a los alumnos en La estimulación trigéminal mediada por Locus Coeruleus

DOI:

10.3791/59970

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26 de noviembre de 2019

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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

En este artículo

Resumen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Para verificar si los efectos trigéminos sobre el rendimiento cognitivo implican actividad de locus coeruleus, se presentan dos protocolos que tienen como objetivo evaluar posibles correlaciones entre el rendimiento y los cambios en el tamaño de la pupila relacionados con la tarea inducidos por la masticación. Estos protocolos pueden aplicarse a condiciones en las que se sospeche la contribución de locus coeruleus.

Resumen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

La literatura científica actual proporciona evidencia de que la actividad sensorimotor trigémino asociada con la masticación puede afectar la excitación, la atención y el rendimiento cognitivo. Estos efectos pueden deberse a conexiones generalizadas del sistema trigémino al sistema de activación reticular ascendente (ARAS), al que pertenecen las neuronas noradrenérgicas del locus coeruleus (LC). Las neuronas LC contienen proyecciones a todo el cerebro, y se sabe que su secreción varía con el tamaño de la pupila. La activación de LC es necesaria para provocar la midriasis relacionada con tareas. Si los efectos de masticación en el rendimiento cognitivo están mediados por la LC, es razonable esperar que los cambios en el rendimiento cognitivo se correlacionan con los cambios en la midaría relacionada con la tarea. Aquí se presentan dos protocolos novedosos para verificar esta hipótesis y documentar que los efectos de masticación no son atribuibles a la activación del motor específico. En ambos protocolos, los cambios de rendimiento y tamaño de la pupila observados durante tareas específicas se registran antes, poco después, y media hora después de un período de 2 minutos de cualquiera de: a) sin actividad, b) agarre rítmico, bilateral, c) masticación bilateral de pellets blandos, y d) masticación bilateral de pellet duro. El primer protocolo mide el nivel de rendimiento en la detección de números de destino que se muestran en matrices numéricas. Dado que las grabaciones del tamaño de la pupila se registran mediante un pupilómetro adecuado que impide la visión para garantizar niveles de iluminación constantes, la midriasis relacionada con la tarea se evalúa durante una tarea háptica. Los resultados de este protocolo revelan que 1) los cambios inducidos por la masticación en el rendimiento y la midriasis relacionada con tareas están correlacionados y 2) ni el rendimiento ni la midriasis se mejoran con la empuñadura. En el segundo protocolo, el uso de un pupilómetro portátil permite medir los cambios de tamaño de la pupila y el rendimiento durante la misma tarea, permitiendo así obtener pruebas aún más sólidas con respecto a la participación de LC en los efectos trigéminos sobre la actividad cognitiva. Ambos protocolos se han ejecutado en la oficina histórica del profesor Giuseppe Moruzzi, el descubridor de ARAS, en la Universidad de Pisa.

Introducción

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

En los seres humanos, se sabe que masticar acelera el procesamiento cognitivo1,2 y mejora laexcitación 3,4, atención5, aprendizaje, y la memoria6,7. Estos efectos se asocian con el acortamiento de las latencias de las potencialidades corticales relacionadas con eventos8 y un aumento de la perfusión de varias estructuras corticales y subcorticales2,9.

Dentro de los nervios craneales, la información más relevante que sustenta la desincronización cortical y la excitación se transporta mediante fibras trigéminos10,probablemente debido a fuertes conexiones trigémino al sistema ascendente de activación reticular (ARAS)11. Entre las estructuras ARAS, el locus coeruleus (LC) recibe las entradas trigéminos11 y modula la excitación12,13, y su actividad covarios con pupila tamaño14,15,16,17,18. Aunque la relación entre la actividad de reposo de LC y el rendimiento cognitivo es compleja, la mejora relacionada con las tareas de la actividad lc conduce a la momiasis de19 alumnos asociada a la excitación20 y un rendimiento cognitivo mejorado21. Existe una covariación fiable entre la actividad LC y el tamaño de la pupila, y esta última se considera actualmente un apoderado de la actividad central noradrenérgica22,23,24,25,26.

La activación asimétrica de las ramas trigéminos sensorimotor induce asimetrías pupilas (anisocoria)27,28,confirmando la fuerza de la conexión trigemino-coerulear. Si la LC participa en los efectos estimulantes de masticar en el rendimiento cognitivo, puede afectar a la midriasis paralela relacionada con la tarea, que es un indicador de activación fásica LC durante una tarea. También puede afectar el rendimiento, por lo que se puede esperar una correlación entre los cambios inducidos por masticar en el rendimiento y la midriasis. Por otra parte, si los efectos del trigémino son específicos, los efectos de masticación deben ser mayores que los provocados por otra tarea motora rítmica. Para probar estas hipótesis, se presentan dos protocolos experimentales. Se basan en mediciones combinadas de rendimiento cognitivo y tamaño de la pupila, realizadas antes y después de un corto período de actividad de masticación. Estos protocolos utilizan una prueba que consiste en encontrar los números de destino mostrados en las matrices numéricas atentas29,junto con los números no objetivo. Esta prueba verifica el rendimiento atento y cognitivo.

El objetivo general de estos protocolos es ilustrar que la estimulación trigémino provoca cambios específicos en el rendimiento cognitivo, que no se pueden atribuir específicamente a la generación de comandos motores y están relacionados con los cambios vinculados a los alumnos en Excitación. Las aplicaciones de los protocolos se extienden a todas las condiciones de comportamiento en las que se puede medir el rendimiento y se sospecha la participación de la LC.

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Protocolo

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Todos los pasos siguen las directrices del Comité Ético de la Universidad de Pisa.

1. Reclutamiento de participantes

  1. Reclutar a una población sujeta de acuerdo con el objetivo específico del estudio (es decir, sujetos normales y/o pacientes, hombres y/o mujeres, jóvenes y/o ancianos).

2. Preparación de materiales

  1. Preparar un pellet suave; utilizar goma de mascar disponible en el uso comercial(Tabla de materiales;dureza inicial 20 Shore OO).
  2. Preparar un pellet duro; utilizar pellets de caucho de silicio(Tabla de materiales;dureza constante á 60 Shore OO)30.
  3. Prepara una bola antiestrés para una tarea de empuñadura. Utilice una bola de poliuretano hecha con espuma(Tabla de materiales;dureza constante 30 Shore OO)30.
  4. Preparar un rompecabezas de tangram(Tabla de materiales; número de piezas de siete) para realizar la tarea háptica.

3. Diagrama de flujo del experimento

  1. Diagrama de flujo del protocolo 1
    1. Evaluar el rendimiento basal (ver sección 4.1) en la prueba cognitiva (matrices) (T0, control).
    2. Evaluar el tamaño de la pupila (ver sección 4.2) en reposo (no se solicita ninguna actividad al sujeto) (T0, control).
    3. Evaluar el tamaño de la pupila durante una tarea háptica basada en el tangram (T0, control).
      1. Retire una de las piezas del rompecabezas y colóquela en la mano del sujeto.
      2. Pídale al sujeto que vuelva a poner la pieza en el rompecabezas, sin mirar el rompecabezas.
    4. Pida a cada sujeto que realice tres actividades específicas durante 2 minutos o que descanse durante 2 min, de acuerdo con los pasos 3.1.4.1–3.1.4.4. Pida a los sujetos que realicen estas actividades en sesiones separadas que ocurren en días diferentes (2-3 días entre sesiones).
      1. Pídale al sujeto que mastique un pellet suave autoadministrado durante 2 minutos, dejándole elegir espontáneamente tanto la tasa de masticación como el lado de la boca en el que masticar. Después de 1 minuto de masticar, pídale que cambie el lado masticador (y el pellet).
      2. Pida al sujeto que mastique un pellet duro autoadministrado durante 2 min. Después de 1 min, pídale que cambie el lado masticador (pero no el pellet).
      3. Pídale al sujeto que realice una compresión rítmica de una bola antiestrés (ejercicio de agarre de la mano) durante 2 minutos a la velocidad y en la mano de su elección. Después de 1 min, pida al sujeto que cambie de manos.
      4. Pregunte al sujeto a descansar (sin actividad) durante 2 min.
    5. Justo después del final de cada paso (3.1.4.1–3.1.4.4), evalúe el rendimiento en la prueba de matrices y el tamaño de la pupila en reposo y durante la tarea háptica (T7).
      NOTA: El término "en reposo" significa que el sujeto durante la medida del tamaño de la pupila es relajante. El término "durante la tarea háptica" significa que el sujeto durante la medición del tamaño de la pupila está realizando la tarea basada en el tangram.
    6. Treinta minutos después del final de cada paso (3.1.4.1–3.1.4.4), evaluar el rendimiento y el tamaño de la pupila en reposo y durante la tarea háptica (T37).
  2. Diagrama de flujo del protocolo 2
    1. Evaluar el tamaño de la pupila mientras el sujeto está en reposo (T0, control; ver sección 4.3).
    2. Evalúe el rendimiento basal en la prueba cognitiva (matrices) mientras prueba simultáneamente el tamaño de la pupila (T0, control).
    3. Pida a cada sujeto que realice tres actividades específicas durante 2 minutos o que descanse durante 2 min, de acuerdo con los pasos 3.2.3.1–3.2.3.4. Pida a los sujetos que realicen estas actividades en sesiones separadas que ocurren en días diferentes (2-3 días entre sesiones).
      1. Pídale al sujeto que mastique un pellet suave autoadministrado durante 2 minutos, dejándole elegir espontáneamente tanto la tasa de masticación como el lado de la boca en el que masticar. Después de 1 minuto de masticar, pídale que cambie el lado masticador (y el pellet).
      2. Pida al sujeto que mastique un pellet duro autoadministrado durante 2 min. Después de 1 min, pídale que cambie el lado masticador (pero no el pellet).
      3. Pídale al sujeto que realice una compresión rítmica de una bola antiestrés (ejercicio de agarre de la mano) durante 2 minutos a la velocidad y en el lado de su elección. Después de 1 min, pida al sujeto que cambie de manos.
      4. Pida al sujeto que se relaje (sin actividad) durante 2 min.
    4. Justo después del final de cada paso (pasos 3.2.3.1–3.2.3.4), evalúe el tamaño de la pupila en reposo y el rendimiento y el tamaño de la pupila en la prueba de matrices (T7).
    5. Treinta minutos después del final de cada paso (pasos 3.2.3.1–3.2.3.4), evaluar el tamaño de la pupila en reposo y el rendimiento y el tamaño de la pupila en la prueba de matrices (T37).

4. Variables medidas en los protocolos 1 y 2

  1. Rendimiento cognitivo
    NOTA: En ambos protocolos 1 y 2, mida el rendimiento cognitivo utilizando una prueba basada en una versión modificada de la prueba29de matrices numéricas Spinnler-Tognoni.
    1. Muestre tres matrices numéricas (10 x 10) impresas en papel al sujeto. A continuación, pida al sujeto que escanee secuencialmente las líneas de la matriz, mientras marca con un lápiz tantos de los números de destino como sea posible (60 objetivos de 300 números totales mostrados) indicados encima de cada matriz(Figura 1) dentro de 15 s.
    2. Utilice matrices con diferentes posiciones de números objetivo en T0, T7 y T37 para evitar la introducción de confundistas relacionados con los procesos de aprendizaje.
    3. Evalúe sin conexión el índice de rendimiento (PI), la tasa de análisis (SR) y la tasa de error (ER) de la siguiente manera: PI (números objetivo subrayados en 15 s)/15; SR (objetivo + números no objetivo escaneados en 15 s)/15; ER (números objetivo perdidos + números no objetivo subrayados en 15 s)/15.
  2. Tamaño de la pupila en el protocolo 1
    1. Preparar la asignatura para la medición del tamaño de la pupila con un topógrafo-alumno corneal(Tabla de Materiales),que impide la visión del medio ambiente, utilizando uno de los dos procedimientos de adquisición siguientes.
      1. Grabe una sola toma de cámara de la pupila(Figura 2A,B)con un nivel de iluminación constante de 40 lux, pulsando el botón específico en el topógrafo corneal-alumno. Mantenga una distancia de trabajo óptima de 56 mm entre la cámara y la pupila.
        NOTA: Una sola medida es suficiente, debido al bajo nivel de variabilidad del tamaño de la pupila medido en iluminación constante.
      2. Realizar un registro continuo de la pupila (velocidad de muestreo de 5 Hz; Figura 2C,D) en la modalidad de adquisición continua. Descarte las primeras 20–50 mediciones (4-10 s), ya que durante este lapso de tiempo, el diámetro de la pupila está creciendo (la adquisición comienza apagando la iluminación de la pupila a 40 lux). Promedio de las mediciones restantes.
    2. Registre el tamaño de las pupilas de los ojos izquierdo y derecho por separado en reposo (pasos 3.1.2, 3.1.5 y 3.1.6).
    3. Registre el tamaño de la pupila durante la tarea háptica (pasos 3.1.3, 3.1.5 y 3.1.6; izquierda y derecha por separado). Cuando utilice la modalidad de disparo único (paso 4.2.1.1), adquiera la foto durante la segunda de las dos repeticiones de tareas, al principio de la exploración de la superficie del rompecabezas. En el modo continuo de grabación (paso 4.2.1.2), iniciar la adquisición cuando la pieza del rompecabezas se ha colocado en la mano del sujeto.
    4. Evaluar el tamaño de la pupila izquierda y derecha sin conexión en reposo y durante la tarea háptica mediante la adquisición directa de los valores (en mm) mostrados por el software. Calcule la midriasis relacionada con la tarea restando el tamaño de la pupila en reposo del tamaño de la pupila durante la tarea háptica y obtenga todos los valores medio izquierda-derecha.
  3. Tamaño de la pupila en el protocolo 2
    1. Prepare el sujeto para la medida del tamaño de la pupila utilizando un pupilómetro portátil/rastreador de ojos(Figura 3A),dotado de una estructura de marco de vidrio impresa en 3D, utilizando el siguiente procedimiento.
      1. Pida al sujeto que use el pupilómetro portátil. Ajustar la posición de las dos cámaras infrarrojas(Figura 3A-2,3) montadas en barras derivadas del marco(Tabla de Materiales),de modo que los ojos estén dentro del campo de visión de las cámaras y en foco.
      2. Adquirir imágenes de las pupilas (velocidad de muestreo a 120 Hz), que son procesadas en línea por el software suministrado con el pupilómetro portátil y proporciona diámetro pupilar (en mm) utilizando un modelo geométrico del "promedio" ocular humano. Ignore los artefactos parpadeante.
      3. Registre continuamente el nivel de iluminación ambiental utilizando un sensor de luz logarítmica calibrado montado en el marco del pupilómetro portátil. Utilice una cámara RGB frontal montada en el pupilómetro portátil(Figura 3A-1)para registrar el campo de visión sujeto (velocidad de muestreo a 30 Hz) útil para estudiar el comportamiento de la mirada.
    2. Registre simultáneamente el tamaño de los dos alumnos en reposo durante 20 s(Figura 3B).
    3. Registre el tamaño de las pupilas mientras el sujeto realiza la prueba Spinnler-Tognoni, para que el tamaño de la pupila y el rendimiento cognitivo se registren simultáneamente (pasos 3.2.2, 3.2.4 y 3.2.5).
    4. Evaluar el tamaño de la pupila izquierda y derecha fuera de línea en reposo y durante la prueba Spinnler-Tognoni, promediando los valores adquiridos (n a 2.400) para cada alumno. Calcule la midriasis relacionada con la tarea restando el tamaño de la pupila en reposo del tamaño de la pupila durante la prueba de matrices y, a continuación, todos los valores medios izquierda-derecha.
  4. Posición de la mirada
    NOTA: Reconstruir en línea el punto de fijación utilizando las imágenes de los dos alumnos obtenidos de la sección 4.3. Procesar los fotogramas adquiridos en tiempo real y estimar el punto de fijación de la mirada utilizando una función de transferencia calculada previamente31 específica para cada sujeto que lleva el rastreador de ojos.
    1. Si es necesario, al realizar el protocolo 2, reconstruya la posición de la mirada a partir de las imágenes de la pupila. Para ello, añada cuatro marcadores de visión detectables por ordenador (bibliotecas ArUco o AprilTag del software de instrumentos) a cuatro esquinas de la hoja de matrices utilizada en la sección 4.1.
    2. Permita que el sistema de calibración (incrustado en el software de seguimiento ocular en cuanto a los auriculares de pupila utilizados) adquiera los datos y evalúe los parámetros de la función de transferencia que mapean el punto de fijación, a partir de imágenes de las dos pupilas. Como ejemplo, pida al sujeto que mire una secuencia predefinida de puntos que se muestran en su campo de visión (es decir, las cuatro esquinas de la hoja de matrices y en el centro de la propia hoja), que se graban simultáneamente por la cámara RGB adicional montada en el marco y orientada hacia el campo de visión.
    3. Registre el tamaño de la pupila durante la prueba de matrices.
    4. Calcule la posición de mirada sin conexión que aparece como una marca en cada fotograma del campo de visión del sujeto. Utilice los cuatro marcadores para realizar un seguimiento de la posición de la mirada sobre las matrices a través de fotogramas.

5. Análisis estadístico

  1. Analice el tamaño de la pupila en reposo y durante la tarea, la midadrlasis inducida por tareas, PI, SR y ER en cuatro condiciones (sin actividad, empuñadura, pellet suave, pellet duro) durante tres veces (T0, T7, T37) utilizando medidas repetidas ANOVA y paquete de software de estadísticas.
  2. Analizar los cambios en las variables con respecto a los valores basales (T0) en cuatro condiciones, (sin actividad, empuñadura, pellet suave, pellet duro) durante dos veces (T7, T37) utilizando medidas repetidas ANOVA.
  3. Al ejecutar ANOVA, si el software indica que la distribución de datos no es esférica, tome el valor p correspondiente a la corrección greenhouse-Geisser de la tabla de estadísticas de salida.
  4. Correlacionar los cambios en el rendimiento (PI, SR, ER) en T7 y T37 con los observados en la midriasis relacionada con tareas mediante análisis de regresión lineal.

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Resultados

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

La Figura 4 muestra un ejemplo representativo de los resultados obtenidos cuando el protocolo 1 se aplicó a un solo sujeto (46 años, mujer). La PI se incrementó poco después de haber masticado (T7) tanto un fuerte (de 1,73 numb/s a 2.27 numb/s) como un pellet suave (de 1,67 numb/s a 1,87 numb/s)(Figura 4A). Sin embargo, 30 minutos más tarde (T37), el mayor rendimiento persistió sólo para el pellet duro. Por otro lado, tanto la falta de actividad...

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Discusión

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Los protocolos presentados en este estudio abordan los efectos agudos de la actividad trigémino sensorimotor en el rendimiento cognitivo y el papel de la LC en este proceso. Este tema tiene cierta relevancia, teniendo en cuenta que 1) durante el envejecimiento, el deterioro de la actividad masticatoria se correlaciona con la decadencia cognitiva32,33,34; las personas que preservan la salud bucal son menos propensas a fenómenos n...

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Divulgaciones

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Los autores no tienen nada que revelar.

Agradecimientos

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

La investigación fue apoyada por subvenciones de la Universidad de Pisa. Agradecemos al Sr. Paolo Orsini, al Sr. Francesco Montanari y a la Sra. Cristina Pucci la valiosa asistencia técnica, así como a la compañía I.A.C.E.R. S.r.L. por apoyar a la Dra. Maria Paola Tramonti Fantozzi con una beca. Por último, agradecemos a la empresa OCM Projects por preparar pellets duros y realizar mediciones constantes de dureza y resorte.

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Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo
NombreEmpresaNúmero de catálogoComentarios
Balón antiestrésArtengo, Decathlon, FranciaTB600
Goma de mascarVigorsol, Perfetti, ItaliaProducto
Cámara infrarroja Pupilómetro portátilPupil Labs, Berlín, AlemaniaAuriculares
PupillographerCSO, Florencia, ItaliaMOD i02, con mentonera
caucho de siliconaProchima, Italiagls50
Software para la detección de alumnos - pupilómetro portátilPupil Labs, Berlín, AlemaniaAuriculares
Tangram PuzzleCittà del Sole srl, Milán, ItaliaTangram Puzzle
Alumómetro portátilPupil Labs, Berlín, AlemaniaMaqueta de Pupil LabsDimensiones del marco: 13,5 cm x 15,5 cm
disponible en el mercadoPupil Labs de Pupil Labs

Referencias

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
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