Articolo metodologico

Valutazione dei cambiamenti legati agli pupili in Arousal mediato da Locus Coeruleus, suscitato dalla stimolazione trigeminale

DOI:

10.3791/59970

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26 novembre 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

In questo articolo

Sommario

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

Per verificare se gli effetti trigeminisuli sulle prestazioni cognitive comportano l'attività del locus coeruleus, vengono presentati due protocolli che mirano a valutare le possibili correlazioni tra le prestazioni e i cambiamenti delle dimensioni delle pupille relative ai compiti indotti dalla masticazione. Questi protocolli possono essere applicati a condizioni in cui si sospetta il contributo di locus coeruleus.

Abstract

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

La letteratura scientifica attuale fornisce la prova che l'attività sensomotoria trigeminale associata alla masticazione può influenzare l'eccitazione, l'attenzione e le prestazioni cognitive. Questi effetti possono essere dovuti a connessioni diffuse del sistema trigemino al sistema di attivazione reticolare ascendente (ARAS), a cui appartengono i neuroni noradrenergici del locus coeruleus (LC). I neuroni LC contengono proiezioni per l'intero cervello, ed è noto che la loro scarica co-varia con la dimensione della pupilla. L'attivazione LC è necessaria per suscitare la mitologia correlata alle attività. Se gli effetti di masticazione sulle prestazioni cognitive sono mediati dalla LC, è ragionevole aspettarsi che i cambiamenti nelle prestazioni cognitive sono correlati ai cambiamenti nella midriasi relativa alle attività. Due nuovi protocolli sono presentati qui per verificare questa ipotesi e documentare che gli effetti di masticazione non sono attribuibili ad una specifica attivazione motoria. In entrambi i protocolli, le variazioni delle prestazioni e delle dimensioni della pupilla osservate durante compiti specifici vengono registrate prima, subito dopo, e mezz'ora dopo un periodo di 2 min di entrambi: a) nessuna attività, b) ritmica, handgrip bilaterale, c) masticazione bilaterale di pellet molle e d) masticazione bilaterale di pellet duro. Il primo protocollo misura il livello di prestazioni nell'avvistamento dei numeri di destinazione visualizzati all'interno di matrici numeriche. Poiché le registrazioni delle dimensioni della pupilla sono registrate da un pupillometro appropriato che impedisce alla visione di garantire livelli di illuminazione costanti, la midriasi correlata all'attività viene valutata durante un'attività aptica. I risultati di questo protocollo rivelano che 1) le variazioni indotte da masticare nelle prestazioni e nella mitologia correlata alle attività sono correlate e 2) né le prestazioni né la midriasi sono migliorate dalla manoa. Nel secondo protocollo, l'uso di un pupillometro indossabile consente di misurare i cambiamenti delle dimensioni delle pupille e delle prestazioni durante lo stesso compito, consentendo così di ottenere prove ancora più solide per quanto riguarda il coinvolgimento di LC negli effetti trigeminici sull'attività cognitiva. Entrambi i protocolli sono stati gestiti nello storico studio del prof.

Introduzione

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

Negli esseri umani, è noto che la masticazione acceleral'elaborazionecognitiva 1,2 e migliora l'eccitazione3,4, attenzione5, apprendimento, e la memoria6,7. Questi effetti sono associati all'accorciamento delle latenze dei potenziali corticali legati agli eventi8 e all'aumento della perfusione di diverse strutture corticali e subcorticali2,9.

All'interno dei nervi cranici, le informazioni più rilevanti che sostengono la dissincronizzazione corticale e l'eccitazione sono trasportate da fibre trigeminee10, probabilmente a causa di forti connessioni trigeminali al sistema di attivazione reticolare ascendente (ARAS)11. Tra le strutture ARAS, il locus coeruleus (LC) riceve ingressi trigeminiali11 e modula l'eccitazione12,13e la sua attività covarie con la dimensione della pupilla14,15,16,17,18. Anche se la relazione tra l'attività a riposo di LC e le prestazioni cognitive è complessa, il miglioramento legato alle attività dell'attività LC porta all'eccitazione19 pupilla midriasi20 e a migliorare le prestazioni cognitive21. Esiste una covariazione affidabile tra l'attività LC e la dimensione della pupilla, e quest'ultima è attualmente considerata un proxy dell'attività noradrenergica centrale22,23,24,25,26.

L'attivazione asimmetrica dei rami trigeminiali sensoriali induce asimmetrie pupille (anisocoria)27,28, confermando la forza della connessione trigemino-coeruleare. Se l'LC partecipa agli effetti stimolanti della masticazione sulle prestazioni cognitive, può influenzare la midriasi parallela legata al task, che è un indicatore dell'attivazione fasica LC durante un'attività. Può anche influire sulle prestazioni, quindi ci si può aspettare una correlazione tra i cambiamenti indotti dalla masticazione nelle prestazioni e la midriasi. Inoltre, se gli effetti trigeminali sono specifici, gli effetti di masticazione dovrebbero essere maggiori di quelli suscitati da un altro compito motorio ritmico. Per testare queste ipotesi, vengono presentati due protocolli sperimentali. Essi si basano su misurazioni combinate delle prestazioni cognitive e delle dimensioni della pupilla, eseguite prima e dopo un breve periodo di attività di masticazione. Questi protocolli utilizzano un test consistente nel trovare i numeri di destinazione visualizzati in matrici numeriche e di attente29, insieme a numeri non di destinazione. Questo test verifica le prestazioni attente e cognitive.

L'obiettivo generale di questi protocolli è quello di illustrare che la stimolazione trigeminale suscita cambiamenti specifici nelle prestazioni cognitive, che non possono essere attribuiti in modo specifico alla generazione di comandi motori e sono correlati ai cambiamenti legati agli pupille in LC mediati Eccitazione. Le applicazioni dei protocolli si estendono a tutte le condizioni comportamentali in cui le prestazioni possono essere misurate e si sospetta il coinvolgimento della LC.

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Protocollo

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Tutti i passaggi seguono le linee guida del Comitato Etico dell'Università di Pisa.

1. Reclutamento dei partecipanti

  1. Reclutare una popolazione in materia in base all'obiettivo specifico dello studio (ad esempio, soggetti normali e/o pazienti, maschi e/o femmine, giovani e/o anziani).

2. Preparazione del materiale

  1. Preparare un pellet morbido; utilizzare gomma da masticare disponibile in commercio(Tabella dei materiali;durezza iniziale - 20 Shore OO).
  2. Preparare un pellet duro; utilizzare pellet in gomma di silicio (Tabella dei Materiali; durezza costante - 60 Shore OO)30.
  3. Preparare una palla anti-stress per un compito handgrip. Utilizzare una palla in schiuma di poliuretano(Tavolo dei materiali; durezza costante - 30 Shore OO)30.
  4. Preparare un rompicapo tangram(Tabella dei materiali; numero di pezzi - sette) per l'esecuzione del compito aptico.

3. Diagramma di flusso dell'esperimento

  1. Diagramma di flusso del protocollo 1
    1. Valutare le prestazioni di base (vedere la sezione 4.1) nel test cognitivo (matrici) (T0, controllo).
    2. Valutare la dimensione della pupilla (vedere la sezione 4.2) a riposo (nessuna attività richiesta dall'oggetto) (T0, controllo).
    3. Valutare le dimensioni della pupilla durante un'attività aptica basata sul tangram (T0, controllo).
      1. Rimuovere uno dei pezzi dal puzzle e metterlo nella mano del soggetto.
      2. Chiedi al soggetto di rimettere il pezzo nel puzzle, senza guardare il puzzle.
    4. Chiedi a ciascun soggetto di svolgere tre attività specifiche per 2 min o di riposare per 2 min, secondo i passaggi 3.1.4.1–3.1.4.4. Chiedi ai soggetti di svolgere queste attività in sessioni separate che si verificano in giorni diversi (2-3 giorni tra le sessioni).
      1. Chiedi al soggetto di masticare un pellet morbido autosompartito per 2 min, lasciandolo spontaneo scegliere sia il tasso di masticazione che il lato della bocca su cui masticare. Dopo 1 min di masticazione, chiedigli di cambiare il lato masticatore (e il pellet).
      2. Chiedere al soggetto di masticare un hard pellet auto-somministrato per 2 min. Dopo 1 min, chiedigli di cambiare il lato masticatore (ma non il pellet).
      3. Chiedere al soggetto di eseguire una spremitura ritmica di una palla anti-stress (esercizio di handgrip) per 2 min al tasso e sulla mano di loro scelta. Dopo 1 min, chiedere al soggetto di passare da una mano all'altra.
      4. Chiedere al soggetto di riposare (nessuna attività) per 2 min.
    5. Subito dopo la fine di ogni passaggio (3.1.4.1–3.1.4.4), valutare le prestazioni nel test delle matrici e nelle dimensioni della pupilla a riposo e durante l'attività aptica (T7).
      NOT: Il termine "a riposo" significa che il soggetto durante la misurazione della dimensione della pupilla è rilassante. Il termine "durante il compito aptico" significa che il soggetto durante la misurazione delle dimensioni della pupilla sta eseguendo il compito in base al tangram.
    6. Trenta minuti dopo la fine di ogni passaggio (3.1.4.1–3.1.4.4), valutano le prestazioni e le dimensioni della pupilla a riposo e durante l'attività aptica (T37).
  2. Diagramma di flusso del protocollo 2
    1. Valutare la dimensione della pupilla mentre il soggetto è a riposo (T0, controllo; vedere sezione 4.3).
    2. Valutare le prestazioni di base nel test cognitivo (matrici) testando contemporaneamente le dimensioni della pupilla (T0, controllo).
    3. Chiedi a ciascun soggetto di svolgere tre attività specifiche per 2 min o di riposare per 2 min, secondo i passaggi da 3.2.3.1–3.2.3.4. Chiedi ai soggetti di svolgere queste attività in sessioni separate che si verificano in giorni diversi (2-3 giorni tra le sessioni).
      1. Chiedi al soggetto di masticare un pellet morbido autosompartito per 2 min, lasciandolo spontaneo scegliere sia il tasso di masticazione che il lato della bocca su cui masticare. Dopo 1 min di masticazione, chiedigli di cambiare il lato masticatore (e il pellet).
      2. Chiedere al soggetto di masticare un hard pellet auto-somministrato per 2 min. Dopo 1 min, chiedigli di cambiare il lato masticatore (ma non il pellet).
      3. Chiedere al soggetto di eseguire una spremitura ritmica di una palla anti-stress (esercizio di handgrip) per 2 minuti alla velocità e sul lato di loro scelta. Dopo 1 min, chiedere al soggetto di passare da una mano all'altra.
      4. Chiedere al soggetto di rilassarsi (nessuna attività) per 2 min.
    4. Subito dopo la fine di ogni passaggio (passaggi 3.2.3.1–3.2.3.4), valutare le dimensioni della pupilla a riposo e sia le prestazioni che le dimensioni della pupilla nel test delle matrici (T7).
    5. Trenta minuti dopo la fine di ogni passaggio (passaggi 3.2.3.1–3.2.3.4), valutare la dimensione della pupilla a riposo e sia le prestazioni che le dimensioni della pupilla nel test delle matrici (T37).

4. Variabili misurate nei protocolli 1 e 2

  1. Prestazioni cognitive
    NOT: In entrambi i protocolli 1 e 2 misurare le prestazioni cognitive utilizzando un test basato su una versione modificata del test29delle matrici numeriche Spinnler-Tognoni.
    1. Visualizzare tre matrici numeriche (10 x 10) stampate su carta sul soggetto. Quindi, chiedere al soggetto di eseguire la scansione sequenziale delle linee della matrice, mentre ticchettare con una matita il maggior numero possibile di numeri di destinazione (60 bersagli su 300 numeri totali visualizzati) indicato sopra ogni matrice (Figura 1) entro 15 s.
    2. Utilizza matrici con diverse posizioni dei numeri target su T0, T7 e T37 per evitare l'introduzione di confondenti relativi ai processi di apprendimento.
    3. Valutare offline l'indice delle prestazioni (PI), il tasso di scansione (SR) e il tasso di errore (ER) come segue: PI (numeri di destinazione sottolineati in 15 s)/15; SR (destinazione e numeri non bersaglio scansionati in 15 s)/15; ER (numeri di destinazione persi: numeri non bersaglio sottolineati in 15 s)/15.
  2. Dimensioni della pupilla nel protocollo 1
    1. Preparare il soggetto per la misurazione delle dimensioni della pupilla con un topografo-pupillografo corneale (Tabella dei materiali), che impedisce la visione dell'ambiente, utilizzando una delle due procedure di acquisizione seguenti.
      1. Registrare una singola ripresa fotocamera dell'alunno (Figura 2A,B) con un livello di illuminazione costante di 40 lux, premendo il pulsante specifico sul topografo-pupillografo corneale. Mantenere una distanza di lavoro ottimale di 56 mm tra la fotocamera e la pupilla.
        NOT: Una singola misura è sufficiente, a causa del basso livello di variabilità delle dimensioni della pupilla misurato all'illuminazione costante.
      2. Eseguire una registrazione continua della pupilla (frequenza di campionamento è di 5 Hz; Figura 2C,D) nella modalità di acquisizione continua. Scartare le prime 20-50 misurazioni (4-10 s), poiché durante questo lasso di tempo, il diametro della pupilla è in crescita (l'acquisizione inizia con la disattivazione dell'illuminazione della pupilla a 40 lux). Media delle misurazioni rimanenti.
    2. Registrare le dimensioni della pupilla degli occhi sinistro e destro separatamente a riposo (passaggi 3.1.2, 3.1.5 e 3.1.6).
    3. Registrare le dimensioni della pupilla durante l'attività aptica (passaggi 3.1.3, 3.1.5 e 3.1.6; sinistra e destra separatamente). Quando si utilizza la modalità a singola ripresa (passaggio 4.2.1.1), acquisire la foto durante la seconda delle due ripetizioni di attività, all'inizio dell'esplorazione della superficie del puzzle. Nella modalità di registrazione continua (passaggio 4.2.1.2), avviare l'acquisizione quando il pezzo del puzzle è stato inserito nella mano del soggetto.
    4. Valutare le dimensioni della pupilla offline a sinistra e a destra a riposo e durante l'attività aptica con l'acquisizione diretta dei valori (in mm) visualizzati dal software. Calcolare la midriasi correlata all'attività sottraendo la dimensione della pupilla a riposo dalla dimensione della pupilla durante l'attività aptica e ottenere tutti i valori medi di sinistra-destra.
  3. Dimensioni dell'alunno nel protocollo 2
    1. Preparare il soggetto per la misura delle dimensioni della pupilla utilizzando un pupillometro/eye tracker indossabile (Figura 3A), dotato di una struttura di telaio in vetro stampata in 3D, attenendosi alla seguente procedura.
      1. Chiedi al soggetto di indossare il pupillometro indossabile. Regolare la posizione delle due telecamere a infrarossi (Figura 3A-2,3) montate su barre che si scandisce dal fotogramma (Tabella dei materiali), in modo che gli occhi siano all'interno del campo visivo delle telecamere e a fuoco.
      2. Acquisire le immagini delle pupille (frequenza di campionamento - 120 Hz), che vengono elaborate online dal software fornito con il pupilometro indossabile e fornisce diametro pupillare (in mm) utilizzando un modello geometrico dell'oculare umano "medio". Ignora gli artefatti lampeggianti.
      3. Registrare continuamente il livello di illuminazione ambientale utilizzando un sensore di luce logaritmico calibrato montato sul telaio pupillometro indossabile. Utilizzare una telecamera RGB frontale montata sul pupillometro indossabile (Figura 3A-1) per registrare il campo visivo della vista (frequenza di campionamento - 30 Hz) utile per studiare il comportamento dello sguardo.
    2. Registrare contemporaneamente le dimensioni dei due alunni a riposo per 20 s (Figura 3B).
    3. Registrare le dimensioni degli alunni mentre il soggetto esegue il test Spinnler-Tognoni, in modo da registrare contemporaneamente le dimensioni della pupilla e le prestazioni cognitive (passaggi 3.2.2, 3.2.4 e 3.2.5).
    4. Valutare le dimensioni della pupilla offline a sinistra e a destra a riposo e durante il test Spinnler-Tognoni, calcolando la media dei valori acquisiti (n - 2.400) per ogni alunno. Calcolare la midriasi relativa alle attività sottraendo la dimensione della pupilla a riposo dalla dimensione della pupilla durante il test delle matrici, quindi tutti i valori medi sinistra-destra.
  4. Posizione dello sguardo
    NOT: Ricostruire online il punto di fissaggio utilizzando le immagini dei due alunni ottenuti dalla sezione 4.3. Elaborare i fotogrammi acquisiti in tempo reale e stimare il punto di fissaggio dello sguardo utilizzando una funzione di trasferimento calcolata in precedenza31 specifica per ogni soggetto che indossa il tracciatore oculare.
    1. Se necessario, quando si esegue il protocollo 2, ricostruire la posizione dello sguardo dalle immagini della pupilla. Per fare questo, aggiungere quattro indicatori di visione rilevabili al computer (arUco o AprilTag librerie del software strumento) a quattro angoli del foglio matrici utilizzato nella sezione 4.1.
    2. Consentire al sistema di calibrazione (incorporato nel software eye tracker come per l'auricolare della pupilla utilizzato) di acquisire i dati e valutare i parametri della funzione di trasferimento che mappano il punto di fissaggio, a partire dalle immagini dei due alunni. Ad esempio, chiedere al soggetto di guardare una sequenza predefinita di punti che sono mostrati nel suo campo visivo (cioè i quattro angoli del foglio matrici e al centro del foglio stesso), che vengono registrati contemporaneamente dalla telecamera RGB aggiuntiva montata sul telaio e rivolta verso il campo visivo.
    3. Registrare le dimensioni della pupilla durante il test delle matrici.
    4. Calcola la posizione dello sguardo offline che appare come un segno su ogni fotogramma del campo visivo del soggetto. Utilizzate i quattro marcatori per tracciare la posizione dello sguardo sulle matrici tra i fotogrammi.

5. Analisi statistiche

  1. Analizzare le dimensioni della pupilla a riposo e durante l'attività, midriasi indotta dal compito, PI, SR ed ER in quattro condizioni (nessuna attività, manopola, pellet morbido, pellet duro) per tre volte (T0, T7, T37) utilizzando misure ripetute ANOVA e pacchetto software statistiche.
  2. Analizzare le modifiche delle variabili rispetto ai valori di base (T0) in quattro condizioni, (nessuna attività, handgrip, soft pellet, hard pellet) per due volte (T7, T37) utilizzando misure ripetute ANOVA.
  3. Quando si esegue ANOVA, se il software indica che la distribuzione dei dati non è sferica, prendere il valore p corrispondente alla correzione Greenhouse-Geisser dalla tabella statistica uscita.
  4. Correlare i cambiamenti nelle prestazioni (PI, SR, ER) a T7 e T37 con quelli osservati nella mitologia correlata alle attività mediante l'analisi della regressione lineare.

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Risultati

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La figura 4 mostra un esempio rappresentativo dei risultati ottenuti quando il protocollo 1 è stato applicato a un singolo soggetto (46 anni, femmina). PI è stato aumentato subito dopo aver masticato (T7) sia un duro (da 1,73 intorpidimento /s a 2,27 intorpidimento/s) e pellet morbido (da 1,67 intorpiditi/s a 1,87 intorpiditi/s) (Figura 4A). Tuttavia, 30 min più tardi (T37), l'aumento delle prestazioni persistette solo per il pellet duro. D'altr...

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Discussione

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

I protocolli presentati in questo studio affrontano gli effetti acuti dell'attività trigeminale sensomotoria sulle prestazioni cognitive e il ruolo dell'LC in questo processo. Questo argomento ha una certa rilevanza, considerando che 1) durante l'invecchiamento, il deterioramento dell'attività masticatoria è correlato al decadimento cognitivo32,33,34; le persone che preservano la salute orale sono meno inclini a fenomeni neurode...

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Dichiarazioni

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

Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Ringraziamenti

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

La ricerca è stata sostenuta da sovvenzioni dell'Università di Pisa. Ringraziamo Paolo Orsini, Francesco Montanari e la signora Cristina Pucci per una preziosa assistenza tecnica, nonché la società I.A.C.E.R. S.r.L. per aver sostenuto la Dott.ssa Maria Paola Tramonti Fantozzi con una borsa di studio. Infine, ringraziamo l'azienda OCM Projects per aver preparato pellet duri ed eseguendo durezza e misurazioni costanti primaverili.

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
Palla antistressArtengo, Decathlon, FranciaTB600
Gomma da masticareVigorsol, Perfetti, ItaliaProdotto disponibile
Pupillometro indossabile con telecamera a infrarossiPupil Labs, Berlino, GermaniaCuffie
PupillographerCSO, Firenze, ItaliaMOD i02, con supporto
Gomma siliconicaProchima, Italiagls50
Software per il rilevamento delle pupille - pupillometro indossabilePupil Labs, Berlino, GermaniaCuffie
Tangram PuzzleCittà del Sole srl, Milano, ItaliaTangram Puzzle
Pupillometro indossabilePupil Labs, Berlino, GermaniaModello di Pupil LabsDimensioni del telaio: 13,5 cm x 15,5 cm
in commercioPupil Labsper il mentoPupil Labs

Riferimenti

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