Évaluation des changements liés aux élèves dans l'excitation médiée par Locus Coeruleus suscitée par la stimulation trigéninale
26 novembre 2019
Pour vérifier si les effets trigéminaux sur la performance cognitive impliquent l'activité locus coeruleus, deux protocoles sont présentés qui visent à évaluer les corrélations possibles entre les performances et les changements de taille des pupilles liés à la tâche induits par la mastication. Ces protocoles peuvent être appliqués aux conditions dans lesquelles la contribution locus coeruleus est suspectée.
Le locus coeruleus est une structure cérébrale profonde qui régule l’excitation comportementale, l’attention et la performance cognitive. Son activité peut être enregistrée indirectement en mesurant la taille de la pupille. Cette approche permet de vérifier où les stimuli qui stimulent les performances cognitives, telles que la stimulation gemina, modulent l’activité du LC à mesure que le diamètre change dans la taille de la pupille.
Les preuves expérimentales suggèrent que les maladies neurodegenerative soient associées au dysfonctionnement de coeruleus de locus. L’approche actuelle ouvrira la voie à la modulation de l’entrée geminale au locus coeruleus à des fins thérapeutiques. Vincenzo De Cicco, médecin professionnel et odontologue, démontrera la procédure avec Tommaso Banfi.
Pour réaliser l’expérience, un morceau de chewing-gum disponible dans le commerce, appelé granulé souple, et une pastille en caoutchouc de silicium, appelée granulé dur, sont nécessaires. Un puzzle tangram doit également être préparé pour la tâche haptique. Pour le protocole 1, fournissez un papier affichant trois matrices numériques de 10 par 10 sur le sujet, et demandez au sujet de scanner séquentiellement les lignes matricielles tout en utilisant un crayon pour cocher autant de nombres cibles indiqués au-dessus de chaque matrice dans les 15 secondes pour mesurer la performance cognitive de base du sujet.
Évaluez ensuite manuellement l’indice de performance, le taux de numérisation et le taux d’erreur. Pour mesurer la taille de la pupille de base, placez le sujet à une distance de travail optimale de 56 millimètres à partir d’un élève topographe cornéen, et acquérez des prises de vue simples et séparées des pupilles gauche et droite sous un éclairage constant de 40 lux. Pour évaluer la taille de la pupille au cours d’une tâche haptique tangram, placez l’une des pièces du puzzle dans la main du sujet, et demandez au sujet de retourner la pièce au tangram tout en enregistrant la taille de la pupille du sujet.
Pour mesurer la taille de la pupille pendant la tâche haptique, acquérez les photos pendant que le sujet effectue la deuxième des deux répétitions de tâches au début de l’exploration de la surface du puzzle. Évaluation de la taille de la pupille gauche et droite par acquisition directe des valeurs affichées par le logiciel en millimètres. Ensuite, soustrayez la taille de la pupille au repos de la taille de la pupille pendant la tâche haptique pour calculer la mydriase liée à la tâche et obtenir la valeur moyenne pour les élèves de droite et de gauche.
Ensuite, demandez au sujet de mâcher une pastille molle auto-administrée, en laissant le sujet choisir spontanément à la fois le taux de mastication et le côté préféré bouche-mastication. Après une minute, fournir au sujet une nouvelle pastille molle, et demander au sujet de changer le côté de mastication pour une minute de plus de mastication. Immédiatement après, mettre fin à l’exercice de mastication, évaluer la performance du sujet dans le test matrices comme démontré tout en mesurant la taille de la pupille à la fois au repos et pendant la tâche haptique.
30 minutes après la fin de l’exercice de mastication, évaluez la performance du sujet et la taille de la pupille, au repos et pendant la tâche haptique. Pour le protocole deux, équipez le sujet avec le traqueur portable d’oeil de pupillomètre doté d’une structure de cadre en verre 3D-imprimée, et ajustez la position des deux caméras infrarouges montées sur le cadre de sorte que les yeux du sujet soient au point avec le champ de vision des caméras. À l’aide d’un capteur de lumière logarithmique calibré monté sur le cadre du pupillomètre portable pour enregistrer en continu et simultanément le niveau d’éclairage environnemental, acquérir des images des pupilles du sujet au repos à un taux d’échantillonnage de 120 Hertz dans le logiciel de pupillomètre portable pendant 20 secondes.
Pour obtenir les données de performance cognitive de base, enregistrez la taille des pupilles pendant que le sujet effectue le test Spinnler-Tognoni. Élever manuellement les tailles de pupille gauche et droite au repos et pendant le test Spinnler-Tognoni en faisant la moyenne des valeurs acquises pour chaque élève. Calculez ensuite la mydriase liée aux tâches comme démontré pour obtenir les valeurs moyennes pour les élèves de gauche et de droite.
Ensuite, demandez au sujet de mâcher une pastille molle auto-administrée, laissant le sujet choisir spontanément à la fois le taux de mastication et le côté bouche-mastication. Après une minute, fournir au sujet une nouvelle pastille molle, et demander au sujet de changer le côté de mastication pour une minute supplémentaire de mastication. Immédiatement à la fin de l’exercice de mastication, évaluez la taille de la pupille au repos tant dans la performance que dans la taille de la pupille pendant le test des matrices.
30 minutes après la fin de l’exercice de mastication, évaluez à la fois la taille de la pupille au repos et la taille de la pupille de performance pendant le test de matrices. Dans cet exemple représentatif, l’indice de performance a été augmenté peu de temps après avoir mâché une pastille dure ou molle. Cependant, après 30 minutes, l’augmentation des performances n’a persisté que pour la pastille dure.
Deux conditions de contrôle, telles qu’un manque d’activité et l’exercice de poignée, ont eu un effet négatif sur la performance, avec une tendance à récupérer après 30 minutes. Des changements qualitativement similaires ont été observés pour la mydriase liée à la tâche dans le même sujet affiché dans l’intrigue précédente. Dans le mode d’acquisition continue de l’instrument, les échantillons individuels finaux sont représentatifs de la valeur moyenne finale puisque la pupille atteint une taille stable dans les cinq secondes à partir du moment où la lumière est éteinte.
Chez les sujets simples, une forte corrélation a été observée entre la performance et la mydriase liée à la tâche après avoir mâché des granulés durs et mous. Une corrélation est également évidente lorsque les changements correspondants sont normalisés pour les valeurs de base. Des preuves encore plus solides de la participation de LC dans les effets stimulants de la mastication sur la performance cognitive peuvent être obtenues en corrélant les changements chewing-induits dans l’indice de performance avec le changement de mydriase observé pendant l’exécution du même essai de matrices.
En utilisant la procédure, il est très important de contrôler soigneusement l’éclairage environnemental car la lumière extérieure peut être un déterminant majeur de la taille de l’élève, confondant les résultats. Cette procédure pourrait trouver plusieurs applications, par exemple, nous étudions actuellement si la correction d’une assymétrie occlusale peut augmenter la performance en affectant l’activité de coeruleus de locus.
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Aperçu
Cette étude examine le rôle de l'activité du locus coeruleus dans la performance cognitive, influencée par une stimulation trigéminale via la mastication. À l'aide de deux protocoles expérimentaux, la recherche analyse les corrélations entre les indicateurs de performance et les variations de la taille de la pupille, qui servent de mesure indirecte de l'activité du locus coeruleus.
Composantes clés de l'étude
Domaine scientifique
- Neurosciences
- Performance cognitive
- Pupillométrie
Contexte
- Le locus cœruleus participe à la régulation de l'éveil et des fonctions cognitives.
- Les variations du diamètre de la pupille reflètent l'activité neurophysiologique cérébrale.
- Un dysfonctionnement du locus cœruleus a été associé à des maladies neurodégénératives.
- Ces recherches pourraient conduire à de nouvelles interventions ciblant l'activité du locus cœruleus.
Objectif de l'étude
- Évaluer comment la stimulation trigéminale affecte les capacités cognitives par l'intermédiaire du locus coeruleus.
- Corréler la performance à la tâche avec la taille de la pupille durant des tâches cognitives.
- Explorer le potentiel thérapeutique des stimuli de mastication sur la fonction cognitive.
Méthodes utilisées
- L'étude comprend deux protocoles mesurant la taille de la pupille lors de tâches cognitives associées à la mastication.
- Le modèle biologique principal comprenait des sujets réalisant des tâches cognitives avec et sans stimulation trigéminale.
- Des métriques quantitatives telles que les indices de performance et la taille de la pupille ont été enregistrées.
- Les tâches comprenaient l'exploration haptique et l'analyse matricielle afin de déterminer la performance cognitive de base.
- L'effet de la mastication de granulés durs et mous sur la cognition a été comparé.
Résultats principaux
- La mastication de granulés durs ou mous a positivement influencé la performance à la tâche.
- Des corrélations plus fortes ont été identifiées entre les variations de la taille de la pupille et la performance cognitive.
- Une mydriase liée à la tâche a été observée, indiquant une activation du locus coeruleus pendant les tâches.
- Les améliorations de la performance se sont maintenues uniquement après la mastication du granulé dur pendant 30 minutes.
Conclusions
- Les résultats démontrent que la stimulation trigéminale par la mastication peut améliorer la performance cognitive et refléter l'activité du locus coeruleus.
- Cette étude ouvre la voie à une exploration approfondie de la mastication en tant qu'améliorateur cognitif non invasif.
- Les connaissances acquises pourraient améliorer notre compréhension des mécanismes neuronaux affectant la cognition ainsi que des stratégies thérapeutiques potentielles.
Questions fréquemment posées
Pertinence professionnelle pour l'industrie
Cette étude établit une méthode non invasive pour évaluer l'activation du locus coeruleus par stimulation trigéminale, offrant un lien mécanistique entre l'entrée sensorielle et la performance cognitive. En corrélant les variations pupillaires avec la performance à la tâche, elle fournit un indicateur quantifiable pour la validation ciblée dans les stratégies de neuromodulation. L'approche permet une réduction précoite des risques associés aux hypothèses reliant la stimulation périphérique aux voies centrales noradrénergiques impliquées dans les troubles de l'attention et de l'éveil.
Applications stratégiques en recherche et développement biopharmaceutique
Découverte précoce et validation de cibles
- Valeur scientifique : Permet l'interrogation de l'axe trigéminocœléus locus comme voie de modulation de l'éveil et de la performance cognitive.
- Valeur opérationnelle : Fournit un indicateur fondé sur la pupilométrie de l'activité du cœléus locus, réduisant ainsi la dépendance aux enregistrements neuronaux invasifs.
- Valeur prédictive : Corrèle la stimulation trigéminale avec la mydriase liée à la tâche et la performance, soutenant ainsi l'évaluation ciblée basée sur des hypothèses.
Développement de tests et criblage
- Valeur scientifique : Normalise la stimulation trigéminale (paradigmes de mastication) en tant que stimulus reproductible pour explorer les réseaux d'éveil.
- Valeur opérationnelle : Définit des paramètres quantitatifs — indices de performance et mydriase liée à la tâche — pour évaluer la prêts à l'essai et assurer la cohérence entre laboratoires.
- Extensibilité : Permet une adaptation à la pupillométrie portable pour des conceptions d'études longitudinales ou de criblage à haut débit.
Recherche translationnelle et préclinique
- Continuité translationnelle : Associe la stimulation trigéminale aiguë à des effets cognitifs durables, éclairant ainsi la durée d’action envisagée.
- Pertinence pour la maladie : Corrèle avec le dysfonctionnement du locus coeruleus dans les modèles neurodégénératifs, soutenant l’exploration de biomarqueurs.
- Réduction des risques mécanistiques : Distingue les effets neuromodulateurs spécifiques de l’activation motrice non spécifique grâce à des contrôles mains libres et poignement.
Intégration du pipeline et du flux de travail
La méthode s'intègre aux flux de travail de la phase de découverte précoce, où l'engagement de la cible et la modulation de la voie nécessitent des lectures fonctionnelles ancrées dans la physiologie, avant l'identification du composé candidat.
- Biologie de la découverte : Évalue si l'entrée trigéminale module l'activité du locus coeruleus, comme le suggèrent les dynamiques pupillaires et la performance cognitive.
- Dépistage : Établit la stimulation par mastication comme déclencheur standardisé de changements d'état d'éveil dans les tests cognitifs.
- Analytique : Fournit des mesures de corrélation entre les variations de la taille de la pupille et les indices de performance afin de quantifier l'intensité de la neuromodulation.
- Recherche translationnelle : Permet d'explorer les effets prolongés (par exemple, la persistance du comprimé dur à 30 min) pour modéliser la durée d'action.
- Réutilisation en milieu professionnel : Propose le défi trigéminal associé à la pupillométrie comme plateforme réutilisable pour l'exploration des voies de l'éveil dans des études chimogénétiques ou pharmacologiques.
Impact opérationnel et organisationnel
- Valeur scientifique : Désamorçage mécanistique du rôle du locus cœruleus dans les effets cognitifs médiés par le nerf trijumeau.
- Valeur opérationnelle : Paradigme standardisé et reproductible de stimulus-réponse incluant des contrôles internes (repos, contraction isométrique de la main).
- Valeur stratégique : Permet de prendre des décisions de type « aller/ne pas aller » concernant des cibles de neuromodulation, fondées sur des paramètres physiologiques et comportementaux corrélés.
- Impact sur le portefeuille : Facilite la priorisation d'interventions ciblant les réseaux d'éveil à l'aide de marqueurs quantifiables d'engagement de la cible.
Considérations relatives à la mise en œuvre
- Nécessite une expertise en pupillométrie, en conception de tâches cognitives et en protocoles de stimulation trigéminale.
- Dépendance à un éclairage contrôlé afin d'éviter des interférences dans les mesures de la taille de la pupille.
- Nécessité de protocoles de mastication standardisés (type de pellette, durée, alternance latérale) pour assurer la reproductibilité.
- Considérations d'adaptation entre systèmes de pupillométrie portables et stationnaires selon les modèles utilisés.
- Limite pratique : la variabilité de la lumière externe doit être rigoureusement contrôlée afin d'éviter les bruits de signal dans les enregistrements pupillométriques.
