삼차 자극에 의해 유도 된 로커스 Coeruleus 중재 각성에서 동공 연결 변경 평가

요약

인지 성능에 대한 삼차 적 영향이 궤적 coeruleus 활동을 포함 여부를 확인하기 위해, 두 프로토콜은 츄잉에 의해 유도 된 성능과 작업 관련 동공 크기 변화 사이의 가능한 상관 관계를 평가하는 것을 목표로 제시된다. 이 프로토콜은 궤적 coeruleus 기여가 의심되는 조건에 적용될 수 있습니다.

초록

현재 과학 문헌은 츄잉과 관련된 삼차 감각 운동 활동이 각성, 주의 및 인지 성능에 영향을 미칠 수 있다는 증거를 제공합니다. 이러한 효과는 궤적 코에룰러스(LC)의 노르아드레날린 뉴런이 속하는 오름차순 망상 활성화 시스템(ARAS)에 삼차 시스템의 광범위한 연결 때문일 수 있다. LC 뉴런은 전체 뇌에 대한 돌기를 포함하고 있으며, 그들의 방전은 동공 크기에 따라 동공이 다릅니다. LC 활성화는 작업 관련 mydriasis를 유도하는 데 필요합니다. 인지 성능에 대한 츄잉 효과가 LC에 의해 매개되는 경우, 인지 성능의 변화가 작업 관련 근선증의 변화와 상관관계가 있다고 기대하는 것이 합리적입니다. 이 가설을 확인하고 특정 모터 활성화로 인한 것이 아니라는 두 가지 새로운 프로토콜이 여기에 제시되어 있습니다. 두 프로토콜 에서, 특정 작업 중 관찰 성능 및 동공 크기 변화는 전, 곧 후, 그리고 중 의 2 분 기간 다음 반 시간 기록: a) 활동 없음, b) 리듬, 양측 핸드 그립, c) 부드러운 펠릿의 양측 츄잉, 및 d) 하드 펠릿의 양측 체어링. 첫 번째 프로토콜은 숫자 행렬 내에 표시되는 대상 번호를 찾아내면 성능 수준을 측정합니다. 동공 크기 기록은 일정한 조명 수준을 보장하기 위해 시력을 방해하는 적절한 동공계에 의해 기록되기 때문에, 작업 관련 mydriasis는 햅틱 작업 중에 평가됩니다. 이 프로토콜의 결과는 1) 성능 및 작업 관련 mydriasis에 있는 츄잉 유도한 변경이 상관되고 2) 성과도 mydriasis도 손잡이에 의해 강화된다는 것을 보여줍니다. 두 번째 프로토콜에서 웨어러블 동공계를 사용하면 동일한 작업 중에 동공 크기 변화와 성능을 측정할 수 있으므로 인지 활동에 대한 삼차 효과에 대한 LC 참여에 관한 더 강력한 증거를 얻을 수 있습니다. 두 프로토콜은 피사 대학에서 ARAS의 발견자 인 주세페 모루지 교수의 역사적인 사무실에서 실행되었습니다.

서론

인간에서는, 그것은 인지 처리를 빠르게 하는 것으로 알려져 있다^1,2 각성^3,4,주의^5,학습, 그리고 메모리^6,7. 이러한 효과는 피질 이벤트 관련 전위^8의 대기 시간 단축 및 여러 피질 및 피질 및 피질 구조의 관류 증가^2,9와관련이 있다.

두개골 신경 내에서, 피질 비동기화 및 각성을 유지하는 가장 관련성이 높은 정보는 삼차^{섬유(10)에}의해 수행되며, 이는 오름차순 망상 활성화 시스템(ARAS)에 대한 강한 삼차 연결로 인한 것 일 가능성이^높다. ARAS 구조 중에서, 궤적 코에룰루스(LC)는 삼차^{입력(11)을} 수신하고 각성^12,13,동공 크기^{14,15,16,17,18을}가진 활성 코소를 변조한다. LC 휴식 활동과 인지 성능 사이의 관계는 복잡하지만, LC 활동의 작업 관련 향상은 각성 관련¹⁹ 동공 mydriasis에 이르게²⁰ 향상된 인지 성능^21. LC 활동과 동공 크기 사이에 신뢰할 수있는 동시 변이가 있으며, 후자는 현재 중앙 노르 아드레날린 활동^{22,23,24,25,26의}프록시로 간주됩니다.

감각운동 삼차가지의 비대칭 활성화는 동공 비대칭(anisocoria)^27,28을유도하여 삼차-코룰러 연결의 강도를 확인한다. LC인지 성능에 대한 츄잉의 자극 효과에 참여하는 경우, 그것은 병렬 작업 관련 mydriasis에 영향을 미칠 수 있습니다, 이는 작업 중 LC 의 단계적 활성화의 지표입니다. 그것은 또한 성능에 영향을 미칠 수 있습니다., 그래서 성능에 츄잉 유발 된 변화 와 mydriasis 사이 상관 관계를 기대할 수 있습니다. 더욱이, 삼차 효과 특정 하는 경우, 츄잉 효과 다른 리듬 모터 작업에 의해 유도 보다 더 큰 해야. 이러한 가설을 테스트하기 위해, 두 개의 실험 프로토콜이 제시된다. 그들은 인지 성능과 동공 크기의 결합 된 측정을 기반으로, 츄잉 활동의 짧은 기간 전후 수행. 이러한 프로토콜은 숫자 세심한 행렬^29에표시되는 대상 번호를 비대상 번호와 함께 찾는 것으로 구성된 테스트를 활용합니다. 이 테스트는 세심하고 인지 성능을 확인합니다.

이 프로토콜의 전반적인 목표는 삼차 자극이 인지 성능의 특정 변화를 유도한다는 것을 설명하는 것입니다, 이는 모터 명령의 생성에 구체적으로 분류 할 수 없으며 LC 중재의 동공 연결 변화와 관련이있습니다 흥분. 프로토콜의 응용 프로그램은 성능을 측정할 수 있고 LC의 개입이 의심되는 모든 행동 조건으로 확장됩니다.

프로토콜

모든 단계는 피사 대학의 윤리위원회의 지침을 따릅니다.

1. 참가자 모집

1. 연구의 특정 목표에 따라 대상 인구를 모집 (즉, 정상 과목 및 / 또는 환자, 남성 및 / 또는 여성, 젊은 사람 및 / 또는 장로).

2. 재료 준비

1. 부드러운 펠릿을 준비; 상업적으로 이용 가능한 츄잉 껌(재료 표; 초기 경도 = 20 쇼어 OO)를 사용합니다.
2. 단단한 펠릿을 준비; 실리콘 고무 펠릿(재료의 표; 일정한 경도 = 60 쇼어 OO)³⁰.
3. 핸드그립 작업을 위해 응력 방지 볼을 준비합니다. 폴리우레탄 폼 제 공(재료 표;일정한 경도 = 30 Shore OO)^30을사용한다.
4. 햅틱 작업을 수행하기 위한 탕그람퍼즐(재료 표;조각 수 = 7개)을 준비합니다.

3. 실험의 순서도

1. 프로토콜 1의 순서도
   1. 인지(행렬) 시험(T0, 대조군)에서 기준선 성능(섹션 4.1 참조)을 평가한다.
   2. 미취전 상태(섹션 4.2 참조)를 평가합니다(피험자로부터 요청된 활동 없음) (T0, 대조군).
   3. 탕그람(T0, 제어)을 기반으로 햅틱 작업 중에 동공 크기를 평가합니다.
      1. 퍼즐에서 조각 중 하나를 제거하고 피사체의 손에 놓습니다.
      2. 퍼즐을 보고하지 않고, 퍼즐에 다시 조각을 넣어 피사체를 부탁드립니다.
   4. 3.1.4.1-3.1.4.4 단계에 따라 각 과목에 2분 동안 3개의 특정 활동을 수행하거나 2분 동안 쉬도록 요청한다. 주제에게 다른 날(세션 간 2-3일)에 발생하는 별도의 세션에서 이러한 활동을 수행하도록 요청한다.
      1. 피험자가 2 분 동안 자체 투여 된 부드러운 펠릿을 츄우도록 요청하여 자발적으로 츄잉 속도와 입의 측면을 모두 선택하게하십시오. 1 분 동안 체어 한 후, 그 / 그녀에게 체킹 면 (및 펠릿)을 변경하도록 요청하십시오.
      2. 2 분 동안 자체 투여 하드 펠릿을 츄어 대상에게 물어. 1 분 후, 그 / 그녀에게 체킹 면을 변경하도록 요청하십시오 (펠릿은 아님).
      3. 피사체에 2 분 동안 안티 스트레스 볼 (핸드 그립 운동)을 리듬 감은 채 로 하고 선택한 손으로 수행하도록 요청하십시오. 1 분 후, 손을 전환 하는 피사체에 게 물어.
      4. 피사체에 2 분 동안 휴식 (활동 없음)을 요청하십시오.
   5. 각 단계(3.1.4.1-3.1.4.4)가 끝난 직후, 휴지 작업 및 햅틱 작업(T7) 동안 행렬 테스트 및 동공 크기의 성능을 평가합니다.
      참고: 용어 "휴식"은 동공 크기 측정 동안 피사체가 편안하다는 것을 의미합니다. 용어 "햅틱 작업 중"은 동공 크기 측정 동안 피사체가 탕람에 기초하여 작업을 수행한다는 것을 의미한다.
   6. 각 단계(3.1.4.1-3.1.4.4)가 끝난 후 30분 후, 휴식 시간 및 햅틱 작업(T37) 동안 성능과 동공 크기를 평가합니다.
2. 프로토콜 2의 순서도
   1. 피사체가 쉬는 동안 동공 크기를 평가합니다(T0, 제어; 섹션 4.3 참조).
   2. 동공 크기(T0, 제어)를 동시에 테스트하면서 인지(행렬) 테스트에서 기준선 성능을 평가합니다.
   3. 3.2.3.1-3.3.4 단계에 따라 각 과목에 2분 동안 3개의 특정 활동을 수행하거나 2분 동안 쉬도록 요청한다. 주제에게 다른 날(세션 간 2-3일)에 발생하는 별도의 세션에서 이러한 활동을 수행하도록 요청한다.
      1. 피험자가 2 분 동안 자체 투여 된 부드러운 펠릿을 츄우도록 요청하여 자발적으로 츄잉 속도와 입의 측면을 모두 선택하게하십시오. 1 분 동안 체어 한 후, 그 / 그녀에게 체킹 면 (및 펠릿)을 변경하도록 요청하십시오.
      2. 2 분 동안 자체 투여 하드 펠릿을 츄어 대상에게 물어. 1 분 후, 그 / 그녀에게 체킹 면을 변경하도록 요청하십시오 (펠릿은 아님).
      3. 피사체에 2 분 동안 안티 스트레스 볼 (핸드 그립 운동)을 리듬 감은 채 로 하고 선택한 쪽으로 가보라고 합니다. 1 분 후, 손을 전환 하는 피사체에 게 물어.
      4. 피사체에 2 분 동안 휴식을 취하도록 요청하십시오 (활동 없음).
   4. 각 단계(단계 3.2.3.1-3.2.3.4 단계)가 끝난 직후, 휴지 시 동공 크기와 행렬 검정(T7)에서 성능과 동공 크기를 모두 평가합니다.
   5. 각 단계의 끝(단계 3.2.3.1-3.2.3.4)의 끝에 30분, 휴게시 동공 크기와 행렬 시험(T37)에서 의 성능 및 동공 크기를 모두 평가합니다.

4. 프로토콜 1 및 2에서 측정된 변수

1. 인지 성능
   참고: 두 프로토콜 1과 2에서, 스피너-토그노니 숫자 행렬 테스트^29의수정된 버전을 기반으로 한 시험을 사용하여 인지 성능을 측정한다.
   1. 종이에 인쇄된 세 개의 숫자 행렬(10 x 10)을 피사체에 표시합니다. 이어서, 각 매트릭스 위에 표시된 대상 번호(총 300개 중 60개 대상)를 가능한 한 많은 대상 숫자로 똑치면서 매트릭스 선을 순차적으로 스캔하도록 피사체에 물어본다(도1)15s 이내.
   2. T0, T7 및 T37에서 대상 번호의 위치가 다른 행렬을 활용하여 학습 프로세스와 관련된 혼란의 도입을 방지합니다.
   3. 다음과 같이 성능 지수(PI), 스캔 률(SR) 및 오류율(ER)을 오프라인으로 평가합니다: PI = (15s에 밑줄이 그어진 대상 수)/15; SR = (대상 + 15 s에서 스캔 된 비 대상 번호)/15; ER = (누락 된 대상 번호 + 15 s에 밑줄이 그을린 비 대상 번호)/15.
2. 프로토콜 1의 동공 크기
   1. 다음 두 가지 수집 절차 중 하나를 사용하여 환경의 시력을 방해하는 각막 침엽수 -동공 학자(재료 표)로동공 크기 측정을위한 피사체를 준비하십시오.
      1. 동공의 단일 카메라 샷을 기록(그림 2A, B)40 lux의 일정한 조명 수준으로, 각막 토포 그래퍼 - pupilraper에 특정 버튼을 누릅니다. 카메라와 동공 사이의 최적의 작동 거리를 56mm유지합니다.
         참고: 일정한 조명에서 측정된 동공 크기의 가변성이 낮기 때문에 단일 측정으로 충분합니다.
      2. 동공의 연속 레코딩을 수행합니다(샘플링 속도 = 5 Hz; 도 2C,D)에서연속 획득 양상. 처음 20-50 측정 (4-10 초)을 폐기하십시오.이 시간 경과 동안 동공 직경이 증가하기 때문에 (수집은 40 lux에서 동공 조명을 끄고 시작). 나머지 측정값을 평균합니다.
   2. 왼쪽 눈과 오른쪽 눈의 눈 동공 크기를 휴식 시간에 별도로 기록합니다(단계 3.1.2, 3.1.5 및 3.1.6).
   3. 햅틱 작업 중 동공 크기를 기록합니다(단계 3.1.3, 3.1.5 및 3.1.6; 왼쪽및 오른쪽 별도). 단일 샷 양식(4.2.1.1 단계)을 사용하는 경우 퍼즐 표면 탐색을 시작할 때 두 번째 작업 반복 중에 사진을 획득합니다. 연속 적인 기록 모드(단계 4.2.1.2)에서, 퍼즐의 조각이 피사체의 손에 놓였을 때 수집을 시작한다.
   4. 소프트웨어에 의해 표시되는 값(mm)을 직접 수집하여 휴식 중 및 햅틱 작업 중에 오프라인 왼쪽 및 오른쪽 동공 크기를 평가합니다. 햅틱 작업 중에 나머지 동공 크기를 동공 크기에서 빼서 작업 관련 근진증을 계산하고 모든 평균 왼쪽-오른쪽 값을 얻습니다.
3. 프로토콜 2의 동공 크기
   1. 다음 절차를 사용하여 3D 프린팅 유리 프레임 구조를 부여한 웨어러블 동공계/아이 트래커(그림3A)를사용하여 눈동자 크기 측정을 위한 피사체를 준비합니다.
      1. 피사체가 착용 할 수있는 동공계를 착용하게하십시오. 프레임에서 형태소 분석되는 막대에 장착된 두 개의 적외선카메라(그림 3A-2,3)의위치를 조정하여 눈이 카메라의 시야 내에 있고 초점이 맞춰지되도록 합니다.
      2. 웨어러블 동공계와 함께 제공되는 소프트웨어에 의해 온라인으로 처리되고 "평균" 인간 안구의 기하학적 모델을 사용하여 동공 직경(mm)을 제공하는 동공의 이미지를 획득합니다( 샘플링 속도 = 120Hz). 깜박임 아티팩트를 무시합니다.
      3. 웨어러블 동공계 프레임에 장착된 교정된 로그라이트 라이트 센서를 사용하여 환경 조명 레벨을 지속적으로 기록합니다. 웨어러블 동공계(그림3A-1)에장착된 정면 RGB 카메라를 사용하여 시선 동작을 연구하는 데 유용한 피사체 시야(샘플링 속도 = 30Hz)를 기록합니다.
   2. 20초 동안 휴식을 취하한 두 학생의 크기를 동시에 기록합니다(그림3B).
   3. 피험자가 스피너-토그노니 시험을 수행하는 동안 학생의 크기를 기록하여 동공 크기와 인지 성능을 동시에 기록합니다(단계 3.2, 3.2.4 및 3.2.5).
   4. 각 동공에 대해 획득한 값(n = 2,400)을 평균화하여 휴식 시 및 Spinnler-Tognoni 시험 중에 오프라인 왼쪽 및 오른쪽 동공 크기를 평가합니다. 행렬 테스트 동안 동공 크기에서 나머지 동공 크기를 뺀 다음 모든 평균 왼쪽 -오른쪽 값을 빼서 작업 관련 mydriasis를 계산합니다.
4. 시선 위치
   참고: 섹션 4.3에서 얻은 두 학생의 이미지를 사용하여 온라인으로 고정 지점을 재구성합니다. 획득한 프레임을 실시간으로 처리하고 아이트래커를 착용한 각 피사체에 대해 이전에 계산된 전달^{기능(31)을} 이용하여 시선 고정 지점을 추정한다.
   1. 필요한 경우 프로토콜 2를 수행할 때 동공 이미지에서 시선 위치를 재구성합니다. 이렇게 하려면 섹션 4.1에 사용된 매트릭스 시트의 네 모서리에 4개의 컴퓨터 감지 비전 마커(기기 소프트웨어의 ArUco 또는 AprilTag 라이브러리)를 추가합니다.
   2. 보정 시스템(사용된 동공 헤드셋에 대한 아이 트래커 소프트웨어에 내장)을 허용하여 데이터를 획득하고 두 눈동자의 이미지에서 시작하여 고정 지점을 매핑하는 전달 함수의 파라미터를 평가합니다. 예를 들어, 피사체가 프레임에 장착된 추가 RGB 카메라와 시야를 향하여 동시에 기록되는 미리 정의된 시퀀스(즉, 행렬 시트의 네 모서리와 시트 자체의 중심)에 표시되는 점을 응시하도록 요청합니다.
   3. 행렬 테스트 중에 동공 크기를 기록합니다.
   4. 피사체의 시야의 모든 프레임에 마크로 나타나는 오프라인 시선 위치를 계산합니다. 네 개의 마커를 사용하여 프레임 전체의 행렬 위에 시선 위치를 추적합니다.

5. 통계분석

1. 반복 측정 ANOVA 및 통계 소프트웨어 패키지를 사용하여 휴식 시 및 작업 중 동공 크기를 분석하여 4가지 조건(활동 없음, 핸드그립, 소프트 펠릿, 하드 펠릿)에서 작업 유도 된 mydriasis, PI, SR 및 ER을 3 회 (T0, T7, T37)에 대해 분석하십시오.
2. 반복 측정 ANOVA를 사용하여 4가지 조건 하에서 기준선 값(T0)에 대한 변수의 변화를 2회(T7, T37)에 대해 분석합니다.
3. ANOVA를 실행할 때 소프트웨어가 데이터 분포가 구형이 아님을 나타내는 경우 출력된 통계 테이블에서 온실 가이저 θ 보정에 해당하는 p 값을 취합니다.
4. T7 및 T37의 성능 변화(PI, SR, ER)와 선형 회귀 분석을 통해 작업 관련 근선에서 관찰된 것과 상관관계를 지정합니다.

결과

도 4는 단일 피험자(46세, 여성)에 프로토콜 1을 적용했을 때 얻어진 결과의 대표적인 예를 나타낸다. PI는 하드 (T7)를 하드 (1.73 마비 / s에서 2.27 마비 / s)와 부드러운 펠릿 (1.67 마비 / s에서 1.87 마비 / s)을 모두 한 후 곧 증가했습니다(그림 4A). 그러나, 30분 후(T37) 증가된 성능은 단단한 펠릿에 대해서만 지속되었다. 다른 한편으로는, 활동의 부족과 손잡이 운동은 모두 성능에 부정적인 영향을 미쳤다, 이는 에서 떨어졌다 1.73 마비 / s에 1.67 마비 / s와 에서 1.6 마비 / s에 1.53 마비 / s, 관찰 회복하는 경향 30 분 후, 마지막 실험 평가 동안.

도 4B에서관찰된 바와 같이, 작업 ...

토론

이 연구에서 제시된 프로토콜은 인지 성능에 대한 감각 운동 삼차 활동의 급성 효과와 이 과정에서 LC의 역할을 다룹니다. 이 항목은 몇 가지 관련성을 가지고, 고려 1) 노화 동안, 매 스틱 활동의 악화는 인지 붕괴와 상관 관계^32,33,34; 구강 건강을 보존 하는 사람들은 신경 퇴행 성 현상에 덜 경향이 있다; 2) 부정교합 및 치아 추출은 해마 및 피질 수준^{35,36,37,38,39에서}동물의 신경 퇴행성 효과를 유도한다. 3) LC는 뇌에 영양 작용을 발휘, 신경 혈관 ...

재료

이 논문에 사용된 재료 목록

이름	회사	카탈로그 번호	댓글
안티 스트레스 볼	Artengo, Decathlon, France	TB600
츄잉껌	Vigorsol, Perfetti, 이탈리아	시판식 제품
적외선 카메라 - 웨어러블 동공계	Pupil Labs, 베를린, 독일 Pupil	Labs 헤드셋
Pupillographer	CSO, 피렌체, 이탈리아	MOD i02, 턱 지지대
포함 실리콘 고무	Prochima, Italy	gls50
소프트웨어 - 웨어러블 동공계	Pupil Labs, Berlin, Germany	Pupil Labs 헤드셋
Tangram Puzzle	Città del Sole srl, Milano, Italy	Tangram Puzzle
러블 동공계	Pupil Labs, Berlin, Germany	Pupil labs 모델	프레임의 크기: 13.5 cm x 15.5 cm