Articolo metodologico

Lo studio degli effetti degli antipsicotici e schizotipia sulla N400 Utilizzando potenziali evento-correlati e la categorizzazione semantica

DOI:

10.3791/52082

⸱

19 novembre 2014

 ,  ,  , 
1Department of Psychology, McGill University, 2Department of Cognitive Science, McGill University, 3Douglas Institute, Department of Psychiatry, McGill University, 4Neurology and Neurosurgery Department, McGill University

In questo articolo

Sommario

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

Uso dei potenziali EEG evento-correlati (ERP), si studiano gli effetti dei farmaci antipsicotici su anormali attivazioni cerebrali semantiche in individui sani con tratti schizotipici. Usiamo ERP per tenere traccia delle modifiche distinti nell'attività cerebrale, spargimento comprensione dei processi cognitivi associati alla categorizzazione semantica.

Abstract

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Nel campo delle neuroscienze cognitive, la risonanza magnetica funzionale (fMRI) è un metodo popolare di visualizzare le funzioni cerebrali. Questo è in parte a causa della sua eccellente risoluzione spaziale, che permette ai ricercatori di identificare le aree del cervello associate con i processi cognitivi specifici. Tuttavia, nel tentativo di localizzare funzioni cerebrali, è importante notare che molti, e processi motori cognitivi, sensoriali hanno distinzioni temporali che sono di importanza fondamentale per catturare, un aspetto che è rimasto irrealizzato dalla risoluzione temporale ottimale di fMRI. Per comprendere meglio i processi cognitivi, è quindi vantaggioso utilizzare potenziale (ERP) registrazione di eventi correlati come metodo di raccolta delle informazioni sul cervello. Alcuni dei suoi vantaggi includono la sua fantastica risoluzione temporale, che conferisce ai ricercatori la capacità di seguire l'attività del cervello al millisecondo. E 'anche direttamente gli indici entrambi i potenziali post-sinaptici eccitatori e inibitoricon cui vengono eseguite maggior calcoli cerebrali. Questo si trova in contrasto con fMRI, che cattura un indice di attività metabolica. Inoltre, il metodo di ERP non invasiva non richiede una condizione di contrasto: ERP prime possono essere esaminati per una sola condizione sperimentale, una distinzione da fMRI in cui le condizioni di controllo devono essere sottratte dalla condizione sperimentale, che porta a incertezza in associazione con le osservazioni sperimentali o contrasto condizioni. Mentre è limitata dalla sua scarsa risoluzione spaziale e l'attività subcorticale, l'utilità registrazioni ERP ", rapporto costo-efficacia, e vantaggi associati offrono una forte motivazione per il suo utilizzo in neuroscienze cognitive per tenere traccia delle modifiche temporali rapidi attività neurale. Nel tentativo di favorire aumento del suo uso come metodo di imaging di ricerca, e la raccolta di dati corretta e precisa, il presente articolo illustrerà - nell'ambito di un paradigma utilizzando categorizzazione semantica per esaminare gli effetti di antipsicoticis e schizotipia sulla N400 - la procedura e gli aspetti chiave associati con l'acquisizione di dati ERP.

Introduzione

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Mentre neuroimaging progressi hanno indubbiamente aumentato la nostra comprensione delle funzioni cerebrali, questi progressi hanno un accento prevalentemente statiche sui chiarire le strutture del cervello. Questo lascia quindi le caratteristiche dinamiche temporali delle reti cerebrali relativamente avvolte nell'oscurità, come metodi di neuroimaging che affrontano questi aspetti temporali, come la risonanza magnetica funzionale e la spettroscopia nel vicino infrarosso (NIRS), producono risoluzioni temporali che sono inadeguati rispetto a quello di EEG. È quindi pertinente per meglio comprendere e impiegare l'uso della registrazione ERP, che è in grado di produrre grandi quantità di informazioni significative che altrimenti sarebbero sconosciute. Registrazione ERP è uno strumento di analisi non invasiva che permette di neuroscienziati cognitivi di monitorare le modulazioni temporali rapidi di attività neurale che sono suscitato da processi sensoriali, motorie e cognitive. Si prevede il posizionamento degli elettrodi sul cuoio capelluto per catturare le reazioni post-sinaptici elettrici di grandi dimensioni npopolazioni euronal 2 a eventi o stimoli specifici. ERP sono cambiamenti elettroencefalografici che sono in tempo bloccato sensoriali, motori, cognitivi o eventi, e si ritiene di rappresentare la somma dei potenziali postsinaptici prodotti durante l'elaborazione delle informazioni 3. Queste forme d'onda ERP sono caratterizzati dalla loro latenza, ampiezza, polarità, e la distribuzione del cuoio capelluto, che fornisce una ricca gamma di dati neurologica che può stimolare ulteriori indicazioni circa le connessioni neurali che contribuiscono alla conoscenza.

L'obiettivo della registrazione ERP e di elettroencefalografia (EEG) è quello di ottenere informazioni sui processi neurali fondamentali coinvolti nella di ordine superiore, operazioni cognitive complesse 4. ERP sono definiti dal loro fluttuazione negativa o positiva, così come la loro posizione sul cuoio capelluto e il tempo in cui compaiono dopo l'inizio dello stimolo. Vari ERP sono stati associati con i diversi aspetti dellaelaborazione cognitiva. Ad esempio, abbiamo cercato durante l'evento-correlato potenziale cervello N400 5, una forma d'onda negativo che si manifesta a 400 ms dopo la comparsa di stimoli significativi, quali parole 6, e la cui distribuzione sul cuoio capelluto è noto a dipendere dalla categoria semantica di questi stimoli. L'N400 è un indice di attivazioni semantiche, e gli studi hanno dimostrato che ha una ampiezza maggiore per le parole che attivano altre rappresentazioni, come ad esempio parole concrete (ad es., Banana) che attivano rappresentazioni sia visivi e verbali, che per parole astratte (ad esempio, , idea), che attivano solo rappresentazioni verbali 7,8. La ricerca sostiene anche l'idea che anche lievi sintomi della schizofrenia, come misurato da scale schizotipia, sono associati con anormalmente eccessiva attivazione semantica del N400 9. Come tale, stiamo esplorando se i farmaci antipsicotici, che diminuisce la presentazione sintomo schizofrenico, normalizza anormale seattivazioni Mantic della N400 in individui sani con elevati livelli di schizotipia. Qui, l'uso di ERP in un paradigma categorizzazione semantica è vantaggioso per studiare gli effetti di antipsicotici sulla N400.

Poiché la registrazione ERP è un metodo non invasivo e relativamente economico per valutare il funzionamento neurale, può essere applicato in una vasta gamma di settori, come dimostra il numero considerevole di studi ERP in neuroscienze cognitive, neurologia, neuropsicologia, psicolinguistica e psicologia cognitiva . La sua versatilità consente agli investigatori di porre domande di ricerca pertinenti circa la relativa tempistica degli eventi neurali in una grande varietà di settori, tra cui la lingua, la cognizione, e lo studio dei vari disturbi psichiatrici 10 come la schizofrenia, il disturbo affettivo bipolare, la depressione, il disordine e l'alcool dipendenza e offre vantaggi sostanziali rispetto ai metodi alternativi di neuroimaging, come funzionale risonanza magnetica funzionale (fMRI). Alcuni di questi includono la sua eccellente risoluzione temporale, che chiarisce l'attività cerebrale fino al millisecondo. Registrazione ERP anche direttamente gli indici eccitatori potenziali post-sinaptici (EPSPS) e inibitori potenziali post-sinaptici (IPSPs) attraverso il quale vengono eseguiti molti calcoli del cervello, qualcosa che la fMRI non fa. Un altro vantaggio della registrazione ERP è che offre la possibilità di distinguere l'attività inibitoria (hyperpolarizations neuronali) dalle attività eccitatoria (depolarizzazione neuronale), mentre in fMRI, i segnali maggiori non sono chiaramente differenziati tra questi due. Inoltre, il metodo ERP non richiede una condizione di contrasto: ERP prime possono essere esaminati per una sola condizione sperimentale, una distinzione da fMRI in cui le condizioni di controllo devono essere sottratte dalla condizione sperimentale, che porta a incertezza associare osservazioni con condizioni sperimentali o di contrasto. Utility registrazioni ERP ", relativocosto-efficacia e vantaggi associati offrono forte razionale per l'uso di ERP in neuroscienze cognitive come un modo per tenere traccia delle modifiche temporali rapidi attività neurale. Seguito è una guida passo-passo per le basi di esecuzione di un esperimento EEG e la registrazione dei potenziali evento-correlati.

Protocollo

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Questo protocollo segue le linee guida stabilite dal Douglas Research Institute e Comitato Etico.

1. Preparazione del paziente

  1. Quando il partecipante arriva, spiegare l'esperimento e ottenere una firma su un modulo di consenso informato che ha ricevuto l'approvazione etica da parte delle istituzioni 'Institutional Review Board.
  2. Fare un segno con la matita rossa sul ponte del naso (nasion), tra le sopracciglia. Utilizzando un metro a nastro, misurare dal nasion alla base inferiore del cranio, la inion. Discernere questa posizione facendo scorrere una mano il collo fino a un urto sulla parte posteriore della testa del partecipante si fa sentire.
  3. Prendere 1/10 della misura tra la nasion e il inion e fare un segno su vicino l'attaccatura dei capelli dal nasion, avendo cura di garantire che tali misure sono in linea con il naso.
  4. Avvolgere il nastro di misura Testa (4 nastro a colori) intorno alla testa a livello del marchioeffettuata al punto 1.3. Determinare il formato della protezione in base a dove alla fine non colorato del nastro incontra il fine di colore: utilizzare un tappo blu se attraversa nella regione blu, utilizzare un berretto blu-rosso se attraversa tra le regioni blu e rosso, ecc

2. Posizionamento degli elettrodi

  1. Posizionare il cappuccio sulla testa del partecipante. Allineare i due elettrodi nella parte anteriore del cappuccio con gli occhi. Inserire i dischi usa e getta spugna sugli elettrodi frontali (FP1 e FP2), per mantenere l'elettro-gel di diffondersi.
  2. Tenere i due elettrodi frontali contro il marchio prossimità dell'attaccatura dei capelli e tirare il cappuccio sulla testa. Assicurarsi che il tappo si adatta perfettamente sulla testa dei partecipanti.
  3. Posizionare gli elettrodi orecchio sul lobo dell'orecchio del partecipante come elettrodi di riferimento. Pulire i lobi delle orecchie con l'alcol. Usando un cotton-fioc, diffondere EEG gel durante la preparazione della pelle abrasiva sui lobi delle orecchie per facilitare la conducibilità.
  4. Prendete una siringa e riempirla con elettrolita gel. Poi, spremere il gel sull'elettrodo orecchio. Posizionare con cura l'elettrodo orecchio gel sul lobo dell'orecchio del partecipante.
  5. Collegare i fili dal tappo e gli elettrodi auricolari per l'amplificatore EEG. Impostare il guadagno dell'amplificatore a 20.000. Fissare il cablaggio per il tappo con le cinghie tappo, assicurandosi che sia perfettamente mantenendo il tappo al suo posto.
  6. Avviare l'applicazione di gel elettrolitico per l'elettrodo di terra, che si trova nel centro anteriore del cappuccio. Elettrolita gel aumenta la connettività elettrica tra la cute e l'elettrodo.
  7. Usare la siringa per spremere il gel elettrolita nell'elettrodo. Inizia inserendo la siringa nel elettrodo e oscillare avanti e indietro fino a quando è a contatto con il cuoio capelluto. Poi, contemporaneamente spremere la siringa e tirare, creando una colonna verticale di gel.
  8. Ripetere il punto 2.7 per tutti gli elettrodi.
  9. Abradere il cuoio capelluto sotto gli elettrodi con un ago smussato. Fate questo mentre observing monitor del computer, che dovrebbe visualizzare una schematica degli elettrodi. Lo scopo di graffiare il cuoio capelluto fino a quando il relativo elettrodo sul lo schermo diventa nero a colori. Si consiglia di iniziare con gli elettrodi per le orecchie, e poi passare agli elettrodi di terra.

3. elettroencefalografia EEG Experiment

  1. Leggere le istruzioni per l'esperimento al soggetto. Aprire il software di acquisizione EEG sul computer.
  2. Osservare l'attività di riposo degli elettrodi. Risoluzione dei problemi per gli elettrodi "cattive", come ad esempio i segnali di linea piatta, o segnali troppo attivi. Se ci sono, ripetere i punti 2.7 e 2.9 per ridurre al minimo l'impedenza.
    strong> NOTA: L'impedenza, che si misura con una corrente di 30 Hz, deve essere mantenuta al di sotto 5 kΩ.
  3. Iniziare a registrare una volta che i segnali degli elettrodi guardare bene e non ci sono segnali di linea piatte o eccessivamente segnali attivi. Cercare eventuali myograms o gli occhi il movimento, e garantire che la partecisi astiene pantaloni di lampeggiare e tendendo i muscoli della mascella e della fronte, in quanto questi producono rumore eccessivo nei dati. A riposo, ci possono essere ritmi beta e alfa presente.
  4. Avviare l'esperimento nel secondo computer. I tempi del disegno sperimentale è importante. Osservare con attenzione al fine di garantire che il software esperimento, ad esempio E-Prime, invia "marcatori" per indicare l'insorgenza dello stimolo. Questo è fondamentale in quanto stimolo insorgenza è spesso usato come punto di riferimento per un evento in paradigmi ERP.
  5. Una volta che l'esperimento è completa, accertarsi che i dati sono stati saved- questo processo sarà diverso a seconda del software utilizzato. Rimuovere con cautela il tappo, e assistere il partecipante con il lavaggio dei capelli e asciugatura.
  6. Rimuovere il tappo e elettrodi auricolari dall'amplificatore, rimuovere i dischi spugna monouso, e pulire gli elettrodi cap e orecchie in acqua corrente con un bastone o la fine di un tampone di cotone. Usa un sapone neutro o shampoo, così come uno spazzolino da denti, per delicatezza clorecchio il gel dagli elettrodi. Sciacquare abbondantemente. Lasciare l'apparecchiatura asciugare all'aria.

4. Elaborazione Dati

  1. Per ottenere i componenti ERP dalla EEG, determinare quale epoca sarà studiata. Ad esempio, per calcolare l'ampiezza N400, utilizzare le tensioni medie nella finestra temporale 300-500 ms per il calcolo.
  2. Prima che la media dei epoche EEG, rifiutare le prove con i movimenti oculari eccessivi o saturazioni di amplificazione. Secondo il paradigma esperimento, può essere rilevante per respingere prove che corrispondono alle risposte errate.
  3. Dopo il calcolo della media, filtrare i ERP e tracciare i dati (vedere la Figura animato 1 per istruzioni specifiche sul trattamento dei dati utilizzando Matlab, EEGLab, e ERPLab).

Risultati

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Cinque cifre sono stati inclusi per aiutare i ricercatori ad ottenere una registrazione ottimale ERP La figura 1 illustra le forme d'onda ERP ottenuti dopo il completamento con successo di questo protocollo.; costituisce un risultato "buono" per la sua registrazione accurata. Figura 2, invece, mostra le forme d'onda ERP che avrebbero caratterizzato una cattiva esecuzione del protocollo, conseguente risultati "cattivi", che sono in particolare individuati nei segnali eccessivamente rumorosi. La figura 3 mostra i problemi comuni che possono sorgere durante la registrazione ERP in grado di ostacolare la corretta raccolta dei dati. Alta attività può essere interpretata in alta frequenza e grandi ampiezze nelle onde. Al contrario, una "linea piatta" indica una mancanza di attività o la connettività improprio. Le figure 4 e 5 mostrano i grandi valori medi per i principali risultati della nostra indagine sugli effetti di antipsicotici e schizotipia sul'N400, misurata utilizzando un paradigma di categorizzazione semantica.

figure-results-1
Figura 1. buon risultato. Questa figura illustra le forme d'onda ERP medi di un soggetto su tutti gli studi successivi corretta esecuzione della tecnica, con conseguente linee piane o rumore eccessivo. Si noti che le onde saranno un aspetto leggermente diverso a seconda compiti paradigma sperimentale Used- che si basano molto su diversi processi (cognitivi, sensoriali e motori) produce diverse forme d'onda a seconda del contenuto del compito e le competenze richieste dal compito. Si prega di clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

figure-results-2 Figura 2. scarso risultato. Questa figura illustra le forme d'onda ERP medi di un soggetto su tutti gli studi successivi eventuali inadempienze della tecnica. Le forme d'onda mostrate qui sono poveri a causa del rumore, nonché la linea piatta nella FP2. Nota anche la mancanza di componenti ERP riconoscibili nel EEG. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

figure-results-3
. Figura 3. Problemi comuni Questa figura illustra i problemi più comuni che si presentano con questa tecnica; vale a dire, il movimento degli occhi, movimento muscolare, o la saturazione. Si noti che questi problemi possono verificarsi in qualsiasi canale, in modo da essere sicuri di controllare tutti loro. Cliccate qui per viewa più grande versione di questa figura.

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Figura 4. Effetto della schizotipia. Questa figura mostra i grandi ERP media nella condizione placebo. Le linee rosse corrispondono ai partecipanti con alti punteggi del questionario di personalità schizotipico. Le linee nere corrispondono ai partecipanti con bassa schizotipia come determinato dal questionario.

figure-results-5
Figura 5. Effetti di farmaci nei soggetti ad alto schizotipia. Questa figura illustra i grandi ERP media, dove il rosso corrisponde ai farmaci (Olanzapina), e corrisponde neri al placebo. Clicca qui per vedere un più ampio versisu questa figura.

Figura animata 1. Questo dato può essere utilizzato come guida per l'elaborazione dei dati e di ottenere ERP.

Discussione

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Nella nostra indagine degli effetti di farmaci antipsicotici sulla N400, abbiamo scoperto che nella condizione placebo, N400s anteriori erano più grandi in individui con alta schizotipia rispetto ai soggetti con bassa schizotipia. Nella condizione di farmaco tuttavia, N400s fronto-centrali sono più piccoli, ma solo negli individui ad alto schizotipia. In tal modo, il farmaco è stato visto per diminuire questi grandi N400s fronto-centrale in alto individui schizotipici, che conferma precedenti ricerche che illustra più piccoli N400s anteriori in pazienti schizofrenici trattati con farmaci antipsicotici, rispetto ai pazienti che hanno ricevuto un placebo 11,12. Negli individui con basso schizotipia, non vi è stato alcun effetto del farmaco. Questi risultati sono stati ottenuti con la corretta applicazione del protocollo, e parlano l'importanza di raccogliere dati chiari e precisi.

Per garantire risultati accurati e validi, ci sono alcuni punti critici da tenere a mente. Aottenere un buon segnale, è fondamentale che il tappo sia perfettamente in forma e posizionato in modo che gli elettrodi sagittali sono esattamente nel mezzo e che l'impedenza viene regolato. Un tappo che è troppo grande può ridurre la qualità di registrazione, in quanto sarà molto più difficile per ridurre impedenze 13. E 'anche importante che i partecipanti capiscano che devono evitare movimenti eccessivi, lampeggiante, o flettere i loro muscoli del viso e della mascella, come queste azioni introdurre modifiche tracce EEG e potenzialmente rendere l'interpretazione dei dati molto difficile 14. Dopo l'esperimento, le attrezzature devono essere puliti per garantire che gli elettrodi non siano ostruiti con residui di gel, che potrebbero influenzare la futura raccolta del segnale.

Se ci sono problemi nel segnale, come il rumore o linee piatte, accertarsi che gli elettrodi sia la terra e di riferimento siano collegati correttamente. Riducendo l'impedenza di questi elettrodi può ridurre il rumore, quindi seci sono problemi nella connettività, riapplicare il gel e ri-graffi il cuoio capelluto sotto gli elettrodi. Se ci sono myograms, consentire al soggetto di rilassarsi prima di procedere. Nel progettare l'esperimento, è rilevante per la registrazione ERP che il disegno sperimentale rappresenta temporizzazione aspetti, come la durata della presentazione dello stimolo e periodi di tempo brevi che consentono al partecipante di lampeggiare.

Prima di iniziare un esperimento EEG, è importante comprendere le limitazioni associate. La risoluzione spaziale relativamente scarsa può essere qualcosa da considerare, nonché la difficoltà di utilizzare EEG per chiarire l'attività subcorticale. Il rumore introdotto da lampeggia e l'attività muscolare è anche svantaggioso, ed i segnali neurali ottenuti sono macchiate che passano attraverso il liquido cerebrospinale, meningi, e del cranio. Queste limitazioni possono essere affrontati con metodi di neuroimaging alternativi independently- come la risonanza magnetica funzionale, NIRS & #8211; o combinando EEG con questi approcci alternativi. Tuttavia, come già accennato, questi approcci portano anche i propri limiti. Le condizioni di contrasto necessari e la mancanza di linea di base e la polarità in fMRI sono esempi notevoli. Per quanto riguarda le tecniche di imaging cerebrale alternative, registrazione ERP ha molti Vantaggi- più in particolare la sua notevole risoluzione temporale, che è a livello di millisecondi. È anche non invasivo e minimamente scomodo per il partecipante, e non è associato a rischi significativi o pericoli. Registrazione ERP è economicamente sana, soprattutto se paragonata ad altre tecniche di neuroimaging come la risonanza magnetica funzionale (fMRI) e la tomografia ad emissione di positroni (PET) 15. Offre uno sguardo sugli eventi neurali che si verificano nei processi cognitivi, sensoriali e motorie, e in futuro, potrebbe essere applicata per esplorare i processi preconsci.

Dichiarazioni

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Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Ringraziamenti

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

Gli autori desiderano ringraziare il cervello e sul comportamento Research Foundation per il loro generoso sostegno.

Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
Software di acquisizione EEG (Scan 4.5)Neuroscanhttp://www.neuroscan.com/scan.cfm
Digital EEG Amplifier (NuAmp)Neuro Scan Labshttp://www.neuroscan.com/documents/AF573-01%20CURRY%20NuAmpsExpressPRESSD4.pdf
2 computer
MatlabThe MathWorks, Inchttp://www.mathworks.com/products/matlab/
EEGLab Matlab toolboxhttp://sccn.ucsd.edu/eeglab/
ERPLAB Toolboxhttp://erpinfo.org/erplab
Software per la generazione di stimoliE-Prime
ECI Cappuccio per elettrodiElectro-cap International, Inchttp://www.electro-cap.com/index.cfm/caps/
Nastro di misurazione per testine speciali (nastro a 4 colori)Electro-cap International, Inchttp://www.electro-cap.com/index.cfm/supplies/
Dischi in spugna monousoElectro-cap International, Inchttp://www.electro-cap.com/index.cfm/supplies/
EEG Gel abrasivo per la preparazione della pelle (Nuprep)Weaver and Companyhttp://www.weaverandcompany.com/nuprep.html
Imbracatura per il corpoElectro-cap International, Inchttp://www.electro-cap.com/index.cfm/supplies/
Cinghie per cappuccioElectro-cap International, Inchttp://www.electro-cap.com/index.cfm/supplies/
Electro-gelElectro-cap International, Inc
Ago smussato (BD Vacutainer PrecisionGlide Multiple Sample Needle)Becton, Dickinson and Company367211; vedi http://www.bd.com/resource.aspx?IDX=7559
SiringaElectro-cap International, Inchttp://www.electro-cap.com/index.cfm/supplies/
2 Elettrodi auricolariElectro-cap International, Inchttp://www.electro-cap.com/index.cfm/supplies/
Salviette imbevute di alcol Matita
Tamponi di
Strutture e forniture per i partecipanti per lavare i capelli dopo l'esperimento: lavandino, shampoo, pettine, asciugamani, asciugacapelli
rossacotone

Riferimenti

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