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JoVE Journal Neuroscience
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Neuroscience

Interrupção do lóbulo Frontal sincronia Neural durante controle cognitivo por intoxicação alcoólica

Published: February 6, 2019 doi: 10.3791/58839
Automatic Translation
1,2, 1, 1,3, 4, 1
1Department of Psychology, San Diego State University, 2Department of Radiology, University of California San Diego, 3Department of Neurosciences, University of California San Diego, 4San Diego State University/UC San Diego Joint Doctoral Program in Clinical Psychology

Summary

Este experimento usa um método de magnetoencefalografia anatomicamente restrita (aMEG) para examinar o cérebro oscilatório dinâmica e sincronia funcional de longo alcance durante o noivado de controle cognitivo em função da intoxicação alcoólica aguda.

Abstract

Tomada de decisão depende de interações dinâmicas de regiões distribuídas, principalmente frontal do cérebro. Extensas evidências de estudos de ressonância magnética funcional (fMRI) indicam que o cingulado anterior (ACC) e os córtices pré-frontal laterais (latPFC) são essenciais nós subserving controle cognitivo. No entanto, devido a sua limitada resolução temporal, fMRI não reflete com precisão o calendário e a natureza de sua interação presumida. O presente estudo combina modelagem fonte distribuído do sinal temporalmente precisos magnetoencefalografia (MEG) com ressonância magnética em forma de "cinema do cérebro", para: (1) estimativa as áreas corticais envolvidas no controle cognitivo ("onde"), (2) caracterizar sua sequência temporal ("quando") e (3) quantificar a dinâmica oscilatória de suas interações neurais em tempo real. Interferência de Stroop foi associada com maior poder de evento-relacionado theta (4-7 Hz) da CCA durante a detecção de conflitos, seguida de sensibilidade sustentada às demandas cognitivas na ACC e latPFC durante a preparação de integração e resposta. Uma análise de bloqueio de fase revelou co-oscillatory interações entre estas áreas indicando sua maior sincronia neural em banda theta durante os ensaios de incongruentes indutora de conflito. Estes resultados confirmam que as oscilações de theta são fundamentais para a sincronização de longo alcance, necessária para a integração de influências de cima para baixo durante controle cognitivo. MEG reflete a atividade neural diretamente, que o torna adequado para manipulações farmacológicas em contraste com fMRI sensível a vasoativas confunde. No presente estudo, bebedores sociais saudáveis receberam uma dose moderada de álcool e placebo em um projeto dentro de assunto. Intoxicação aguda atenuadas poder de theta de Stroop conflito e desregulação co oscilações entre a ACC e latPFC, confirmando que o álcool é prejudicial para a sincronia neural subserving controle cognitivo. Interfere com o comportamento objetivo-dirigido que pode resultar em autocontrole deficiente, contribuindo para beber compulsivo. Em suma, este método pode fornecer insights sobre interações em tempo real durante o processamento cognitivo e pode caracterizar a sensibilidade seletiva desafio farmacológico através de redes neurais pertinentes.

Introduction

O objetivo geral deste estudo é examinar os efeitos da intoxicação aguda de álcool em alterações espaço-temporais na dinâmica oscilatória de cérebro e integração funcional de longo alcance durante controle cognitivo. O trabalhador assalariado multimodal imagem abordagem combina magnetoencefalografia (MEG) e ressonância magnética estrutural (MRI) para fornecer uma visão geral sobre a base neurológica da tomada de decisão com alta precisão temporal e ao nível de um sistema interativo.

Comportamento flexível torna possível adaptar-se às novas exigências contextuais e estrategicamente alternar entre diferentes tarefas e requisitos de acordo com os propósitos e objetivos. A capacidade de suprimir respostas automáticas em favor de ações relevantes para a meta, mas não habitual é um aspecto essencial do controle cognitivo. Extensas evidências sugerem que ele é subserved por uma rede cortical predominantemente frontal do córtex cingulado anterior (ACC) como um nó central desta rede interativa1,2,3,4. Enquanto a conectividade anatômica abundante entre a ACC e córtices frontais laterais é bem descrita5,6, as características funcionais da comunicação entre estas regiões durante controle cognitivo, seleção de resposta e execução, são mal compreendido.

O conflito altamente influente teoria7,8 de monitoramento propõe que controle cognitivo surge de uma interação dinâmica entre os córtices pré-frontal medial e laterais. Esta conta propõe que o ACC monitora o conflito entre concorrentes representações e envolve o córtex pré-frontal lateral (latPFC) para implementar o controle de resposta e otimizar o desempenho. No entanto, essa conta é baseada principalmente sobre os estudos de MRI (ressonância magnética) funcionais usando o sangue oxigenação nível dependente (BOLD) sinal. O sinal BOLD fMRI é uma ferramenta de mapeamento espacial excelente, mas sua resolução temporal é limitada porque reflecte alterações hemodinâmicas regionais mediadas por acoplamento neurovascular. Como resultado, as alterações do sinal bold (realce) se desdobrar em uma muito mais lenta escala de tempo (em segundos) que o subjacente de eventos neurais (em milissegundos)9. Além disso, o sinal bold (realce) é sensível ao vasoativas efeitos10 do álcool e pode não representar fielmente a magnitude de mudanças neurais, que o torna menos adequados para estudos de intoxicação alcoólica aguda. Portanto, a interação presumida entre os córtices pré-frontal medial e laterais e sua sensibilidade à intoxicação por álcool precisa ser examinado por métodos que registram eventos neurais de forma temporalmente precisa. MEG tem uma excelente resolução temporal, desde que diretamente reflete correntes pós-sinápticas. A metodologia de MEG (aMEG) anatomicamente restrito empregada aqui é distribuída de uma abordagem multimodal que combina modelagem de origem do sinal MEG com ressonância magnética. Permite a estimativa de onde que as conflito e bebidas relacionadas ao cérebro oscilatório mudanças estão ocorrendo e para entender a sequência temporal ("quando") dos componentes neurais envolvidos.

Tomada de decisão baseia-se na interação entre regiões do cérebro distribuídos dinamicamente envolvidos para lidar com exigências de aumentada de controle cognitivo. Uma maneira de estimar as alterações relacionadas a eventos em sincronia de longo alcance entre duas regiões corticais é para calcular a sua fase de acoplamento como um índice de suas oscilações co11,12. O presente estudo aplicado uma bloqueio de fase de análise para testar o princípio básico do conflito monitoramento teoria examinando as interações co-oscillatory entre a ACC e latPFC. Oscilações neurais na escala do theta (4-7 Hz) são associadas com o controle cognitivo e foram propostas como um mecanismo fundamental de suporte a sincronização de longo alcance necessária para o processamento cognitivo de cima para baixo13,14, 15,16. Eles são gerados em áreas pré-frontal em função da dificuldade da tarefa e são significativamente atenuados por intoxicação aguda de álcool17,18,19,de20.

A longo prazo ingestão excessiva de álcool está associado com uma variedade de déficits cognitivos pré-frontal circuitos, sendo especialmente afetada21,22. Intoxicação aguda de álcool é prejudicial para o controle cognitivo sob condições de maior dificuldade, ambiguidade ou aqueles que induzem resposta incompatibilidade17,23,24. Por que afetam a tomada de decisão, álcool pode interferir com o comportamento objetivo-dirigido, pode resultar em pobre auto-controle e beber aumentado e também pode contribuir para tráfego ou trabalho relacionadas a perigos25,26,27 . O presente estudo utiliza uma abordagem aMEG para medir a atividade oscilatória em banda theta e sincronia entre as principais áreas executivas com excelente resolução temporal. Os efeitos do álcool sobre a atividade theta e co oscilações entre a ACC e o latPFC são examinados em função do conflito eliciada a tarefa de interferência de Stroop. Nós hypothesize que aumento de demandas cognitivas estão associadas com maior sincronia funcional e deficiências no controle cognitivo subjacente a esse hipotalâmica induzida pelo álcool da atividade síncrona dos córtices pré-frontal medial e laterais.

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Protocol

Este protocolo experimental foi aprovado pelo Comitê de proteção humana assuntos da Universidade da Califórnia, San Diego.

1. os humanos

  1. Recrutar voluntários saudáveis de adultos destros, obter o seu consentimento e tela-los sobre os critérios de inclusão/exclusão.
    Nota: Neste estudo, vinte indivíduos saudáveis jovens (± desvio padrão [SD] idade média = 25,3 ± 4,4 anos) incluindo 8 mulheres foram recrutadas que bebem com moderação, que nunca foram no tratamento ou preso por drogas ou álcool crimes conexos, que relatam não sintomas relacionados com o alcoolismo o curta Michigan alcoolismo Screening Test28, quem não fumar nem usar substâncias ilegais, que não têm um histórico de distúrbios neuropsiquiátricos ou problemas de saúde atual, e que são medicamentos gratuitos e não têm objetos ferromagnéticos internos ou implantes.

2. o delineamento

  1. Varredura de cada participante quatro vezes, incluindo três sessões de MEG (uma sessão introdutória não-bebidas e duas sessões de bebida experimental em que álcool e placebo são administrados de forma contrabalançada) e uma varredura de MRI estrutural.
    Nota: Neste projeto dentro-assunto, os participantes servem como seus próprios controles através da participação em sessões tanto álcool e placebo. Esta concepção reduz a variância do erro e aumenta o poder estatístico, minimizando a influência da variabilidade individual na anatomia do cérebro, padrões de atividade e metabolismo do álcool.

3. coletar MEG varreduras

  1. Realize a sessão de familiarização.
    1. Durante a sessão inicial e introdutória, administrar questionários para obter mais informações sobre o histórico médico dos participantes, seus padrões de consumo e severidade de sintomas relacionados com o alcoolismo28,29, história familiar de alcoolismo30e traços de personalidade, incluindo a impulsividade31,32.
    2. Realize uma gravação inicial, em que o scanner de MEG, seguindo o protocolo descrito abaixo em etapas, 3.2, 3.3 e 3.5. Não fornecem qualquer bebida. Explicar a tarefa e executar os participantes permitindo versão de prática para se familiarizar com ele antes.
      Nota: A aclimatação à situação experimental serve o propósito de minimizar os efeitos potenciais de excitação induzida em situação33, desse modo igualando álcool subsequente e sessões de placebo sobre essa dimensão.
  2. Realize as sessões experimentais de álcool/placebo.
    Nota:     siga os mesmos procedimentos experimentais durante sessões tanto álcool e placebo, com exceção da bebida administrada. Contrabalançar a ordem de bebidas através da administração de bebida alcóolica primeiro a uma metade dos participantes e placebo para a outra metade em uma ordem aleatória.
    1. Em sua chegada ao laboratório de MEG, execute uma varredura breve teste colocando o participante no scanner e verificando os canais para magnetização possível. Medir seu peso. Tela-los com um bafômetro eletrônico. Consultá-los sobre a conformidade com os requisitos para se abster de álcool por 48 h e de alimentos para 3h antes do experimento.
    2. Coletar amostras de urina para um painel de teste de todos os participantes e excluir aqueles que teste positivo para qualquer droga. Além disso, verificar participantes femininas para a gravidez com uma urina teste e excluem aqueles que teste positivo ou se suspeitam que eles podem estar grávidos.
    3. Avaliar as mudanças dinâmicas nos efeitos subjetivos do álcool pelos participantes pedindo para classificar seus sentimentos momentâneos e Estados em uma escala padronizada34 antes de beber e em duas ocasiões adicionais durante o experimento - o limbo ascendente (~ 15 min após consumir bebida) e descendente do membro da curva de concentração de álcool respiração (BrAC), após a gravação da MEG.
    4. Administre uma execução prática da tarefa Stroop em um laptop com o software de apresentação de estímulo para garantir que os participantes entendem a tarefa antes da gravação.
      Nota: Esta versão da tarefa de Stroop combina a leitura e a cor de nomenclatura (Figura 1). A condição congruente consiste de palavras de cor (ou seja, vermelho, verde, azul, amarelo) que são impressas em cor da fonte correspondente (ou seja, a palavra "verde" é impresso em verde). Na condição de incongruente, palavras de cor são impressos em uma cor que não coincide com seu significado (isto é, a palavra "verde" é impresso em amarelo). Peça aos participantes para pressionar um dos quatro botões correspondente a cor da fonte, sempre que uma palavra é escrita em cor, ou, quando uma palavra é escrita em cinza, pressionar o botão correspondente ao significado da palavra18,23.
  3. Prepare a gravação de MEG/EEG.
    Nota:     detalhes MEG de aquisição de dados têm sido descritos em publicações anteriores35,36,37.
    1. Posicione a tampa de EEG ou eletrodos de EEG individuais sobre a cabeça do participante e verificar se todas as impedâncias abaixo kΩ 5.
    2. Anexe as bobinas de indicador (HPI) posição de cabeça em ambos os lados da testa e atrás de cada orelha.
      Nota: Este passo é específico para sistemas de Neuromag.
    3. Digitalizar as posições dos pontos fiduciais incluindo o nasion e dois pontos pré-auricular, posições de HPI bobinas, eletrodos de EEG e obter um grande número de pontos adicionais (~ 200) delineando a forma da cabeça. Use essas informações para o registo co com imagens MRI anatômicas (Figura 2).
  4. Administre a bebida.
    1. Preparar a bebida alcóolica pela mistura de vodca de qualidade premium com suco de laranja fresco (25% v/v), com base no sexo e peso (0,60 g/kg de álcool para os homens, o álcool de 0,55 g/kg para as mulheres), do cada participante direcionamento um BrAC de 0,06%38. Sirva o mesmo volume de suco de laranja em copos com bordas limpei com vodka como uma bebida placebo. Pergunta o participante a consumir a bebida em cerca de 10 min.
    2. Verifique BrAC dos participantes com o bafômetro, começando no ~ 15 min depois de beber e depois a cada 5 min até que entram na câmara de gravação. Desde que os dispositivos eletrônicos não podem ser usados no quarto blindado, use um teste de álcool de saliva, que consiste de um cotonete de algodão que está saturado na saliva e é inserido em um recipiente que fornece uma leitura.
  5. Adquirir dados de MEG/EEG.
    1. Posição do participante confortavelmente no scanner. Desde que a atividade pré-frontal é de particular interesse, certifique-se de que o participante está posicionado para que sua cabeça está tocando na parte superior do capacete e é alinhada ao longo da frente.
      Nota: Posição de cabeça pode afetar a atividade estimativas de maneira significativa porque os gradientes de campo magnético diminuem com o cubo da distância entre os sensores e o cérebro fontes39.
    2. Conecte todos os eléctrodos e o HPI bobinas para suas respectivas entradas no scanner. Posicione as almofadas de resposta para que os botões podem ser pressionados confortavelmente. Verificar que a fonte seja claramente legível na tela de projeção na frente do participante.
    3. Dentro do quarto de console, verifique se o interfone está funcionando corretamente. Lembre o participante para minimizar a piscar e evitar movimentos incluindo cabeça movimento provocado por falar. Instrua o participante a responder a perguntas pressionando os botões de resposta, em vez disso.
    4. Verifique que todos os gatilhos de resposta e estímulo são gravados corretamente. Examinar todos os canais para artefatos e medir a posição de cabeça no scanner.
    5. Iniciar a aquisição de dados e iniciar a tarefa. Dê pausas cada ~2.5 min para descansar os olhos. Salvar os dados após a conclusão da tarefa e escoltar o participante fora da câmara de gravação.
    6. Quando o participante foi encerrado o scanner, adquira aproximadamente dois minutos de dados a partir do quarto vazio como uma medida de ruído instrumental.
    7. Pergunta o participante a taxa percebida a dificuldade da tarefa, conteúda da bebida absorvida, como intoxicado sentiam-se, assim como seus humores momentâneos e sentimentos34.

4. aquisição e reconstrução Cortical de ressonância magnética de imagem

  1. Obter uma ressonância de alta resolução anatômica para cada participante e reconstruir a superfície cortical do cada participante com4241,40,do software FreeSurfer.
  2. Use a superfície interna do crânio derivada as imagens de MRI estruturais segmentadas para gerar um modelo de elemento de limite do maestro volume, que é usado para fornecer um modelo para a solução para a frente que é consistente com cérebro anatomia43 cada indivíduo , 44.

5. análise de dados MEG

Nota: Analise os dados com a abordagem de MEG anatomicamente restritos que usa a superfície cortical reconstruído de cada participante para restringir a fonte estimativas para a cortical fita40,,45,46. O fluxo de análise baseia-se em funções personalizadas com dependências de pacotes publicamente disponíveis, incluindo passeio47, EEGLab48e MNE49.

  1. Durante o pré-processamento de dados, use um filtro passa-banda permissiva (por exemplo, 0,1 - 100 Hz) e dados de época em relação ao aparecimento de estímulo em segmentos que incluem estofamento intervalos em cada extremidade (por exemplo,-600 para 1100 ms para um intervalo de interesse -300-800 ms depois de abrangência a remoção de preenchimento).
  2. Remova canais ruidosos e planos, bem como ensaios contendo artefatos por inspeção visual e usando baseado em limite de rejeição. Use o componente independente análise48 para remover artefatos eyeblink e batimento cardíaco. Elimine os ensaios com respostas incorretas.
  3. Aplica Morlet wavelets (Figura 3)47 para calcular o espectro de potência complexa para cada julgamento em incrementos de 1 Hz para a banda de frequência theta (4-7 Hz). Remova quaisquer artefatos adicionais. Calcule a covariância do ruído de dados quarto vazio.
  4. Co, registre os dados da MEG com imagens MRI usando a informação tridimensional (3D) digitalização de cabeça (Figura 2).
    1. Abra o módulo de MRIlab.
    2. Selecione o arquivo | Aberto | Selecione o ressonância magnética da assunto.
    3. Selecione o arquivo | Importação | Dados de Isotrak | Selecione o arquivo data.fif-prima | Faça pontos.
    4. Selecione Windows | Marcos | Ajustar a fiduciais Marcos até co registo dos dados de MEG e ressonância magnética são aceitáveis.
    5. Selecione o arquivo | Salvar.
  5. Calcule estimativas de sensibilidade ao ruído normalizada de theta fonte de poder e de fase com uma abordagem de mapeamento espectral de estatística dinâmica18,50. Expressar o poder da fonte theta relacionadas a eventos como por cento sinal de mudança em relação à linha de base.
  6. Crie as médias do grupo de poder da fonte de evento-relacionado theta morphing estimativas do cada participante para uma representação cortical média51.
  7. Visualize as estimativas de fonte em uma superfície média inflada para aumentar a visibilidade da sulcal estimativas (Figura 4).
    1. Abra o software do MNE.
    2. Selecione o arquivo | Carga de superfície | Carga inflado superfície cortical de FreeSurfer média do grupo.
    3. Selecione o arquivo | Gerenciar as sobreposições | Carregar o stc | Carregar dados em média grupo | Selecione o arquivo carregado de sobreposições disponíveis.
    4. Selecione sobreposição tipo como os outros.
    5. Ajustar o limiar de escala de cores | Mostrar.
    6. Ver os filmes do cérebro e examinar espácio-temporais fases de transformação através da identificação de áreas e janelas de tempo caracterizadas pela ativação mais elevada.
  8. Crie imparcial de regiões de interesse (ROIs) com base em estimativas de grupo-média geral para incorporar localizações corticais com notável poder da fonte. Calcule cursos de tempo para cada assunto, condição e ROI (Figura 5).
  9. Apresenta as estimativas de energia de fonte theta obtidos para a análise estatística.
    1. Extrair as janelas de tempo de interesse de cada curso de tempo ROI e realizar a análise de variância (ANOVA) com bebidas (álcool, placebo) e tipo trial (congruente, incongruente) como dentro de fatores de assunto. Use um de teste não paramétrico baseado em cluster de permutação52 para examinar comparações das bebidas e a condição de poder relacionados ao evento theta como bem como fase de bloqueio de valores (PLV).
  10. Estimar as alterações relacionadas a tarefas na sincronização de longa distância entre os focos principais da ativação da CCA e o latPFC computando o PLV12. Express PLV como variação percentual em relação à linha de base.
    Nota: O PLV é um indicador de consistência do ângulo de fase entre o dois ROIs através de ensaios que mede o grau ao qual eles co oscilam em uma frequência particular e em tempo real (filme 1).
  11. Calcule as correlações entre as estimativas de actividade de ROI MEG, índices de desempenho comportamental e golo de questionário para informar a interpretação dos resultados observados.

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Representative Results

Resultados comportamentais indicam que a tarefa de Stroop com sucesso manipulado interferência de resposta porque a precisão foi a mais baixa e a resposta vezes mais tempo em ensaios incongruentes (Figura 6). Intoxicação por álcool diminuiu precisão mas não afetou a tempos de reação18.

A sequência espaço-temporal da atividade na banda de frequência theta revelada-se com a abordagem de aMEG é em geral de acordo com modelos geralmente aceites de funções cognitivas neste tipo de tarefa. Conforme ilustrado no cinema (filme 2) cérebro, o córtex visual é ativado em cerca de 100 ms após o início do estímulo, seguido por um padrão de ativação posterior-para-anterior que envolve córtices frontais principalmente durante as fases de integração cognitiva Depois de Miss ~ 300 a ACC é particularmente sensível a incongruente (INC), ensaios de alta-conflito, indicando seu noivado durante conflitam monitoramento. A ACC é o principal gerador de oscilações de theta durante tarefas controle cognitivo de sondagem, mas o latPFC também é ativa durante a fase de integração em ao redor 350-600 ms. da ativação do córtex motor é visível depois de ~ 600 ms durante a preparação de resposta estágio (filme 2B). Poder de theta relacionados ao evento é maior em ensaios INC, que é consistente com a sua sensibilidade às demandas de conflito (Figura 5), especialmente no córtex pré-frontal13,17,19,20. Poder de Theta é diminuída por intoxicação aguda de álcool global. No entanto, quando comparado com congruente ensaios (CONG), álcool diminui poder de theta em ensaios INC (grande conflito armado) seletivamente na ACC e latPFC18.

O presente estudo se estende os resultados de Kovacevic et al.18 , centrando-se na dinâmicas interações entre estas áreas durante o processamento de Stroop interferência à luz de uma conta prevalecente do controle cognitivo rede7, 8. para compreender melhor o tempo, grau e natureza das interações entre estas duas áreas corticais principalmente engajadas, os PLVs foram calculados para cada condição de bebida e tarefa e para cada participante. Como mostrado em uma média de grupo na Figura 7, co oscilações entre a ACC e latPFC variam ao longo do tempo, com um aumento geral início co oscilações durante um estágio de processamento de estímulo. Sob placebo, isto é seguido por um aumento sustentado após ~ 400 ms em ensaios incongruentes durante a fase de preparação de integração e resposta. Assim, oscilações co sincronizadas entre os córtices pré-frontal medial e laterais são observadas somente sobre os julgamentos mais difíceis, INC, evocando o conflito resposta F(1,19) = 5.5, p < 0,05. Esta evidência apoia a proposta que o ACC e o latPFC funcionalmente interagem em tempo real para subserve controle cognitivo. Em contraste, intoxicação alcoólica aguda significativamente dysregulates as oscilações co, produzindo uma condição x interação de bebidas, F(1,19) = 5,1, p < 0.05, em que incongruente ensaios especificamente foram afetados pelo álcool F (1,19) = 8,8, p < 0,01 (Figura 7). Isto pode subjacentes induzida pelo álcool deficiências de controle inibitório e indica a vulnerabilidade das funções reguladora de cima para baixo do córtex pré-frontal para intoxicação aguda.

Figure 1
Figura 1 : Combina tarefa de Stroop color de nomenclatura e leitura. São apresentados exemplos de julgamento para cada uma das três condições junto com a cor da resposta correta. Na condição de congruente (CONG), cor da fonte é consistente com o significado da palavra, enquanto trilhas incongruente ensaios (INC) provocam conflito resposta devido à interferência do significado da palavra. Os participantes são instruídos para pressionar um botão correspondente a cor da fonte, quando as palavras são escritas em cor (CONG, INC) e responder para o significado da palavra (leitura), quando eles são escritos em cinza. Os ensaios são apresentados para 300 ms e então substituídos por uma tela de fixação para tipos de julgamento de MS. 1700 são apresentados em uma ordem aleatória. Nesta versão especial, as condições CONG e INC foram ergodicidade e foram apresentadas em ensaios 16,7% cada fora totais 576 testes. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 2
Figura 2 : Registro co de MEG e ressonância magnética. Pontos digitalizados em toda a cabeça coletados durante a MEG gravação são utilizados para registo co com imagens MRI anatômicas. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 3
Figura 3 : Wavelet de Morlet. As wavelets Morlet são usadas para calcular o espectro de potência complexa para cada julgamento em incrementos de frequência 1 Hz para a frequência de banda theta (4-7 Hz). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 4
Figura 4 : Reconstrução cortical e inflação. Superfícies corticais individuais são reconstruídas e são usadas para restringir o poder da fonte estimado. Aqui é mostrada uma média superfície cortical, que é inflada para aumentar a visibilidade das fontes estima-se que sulcos corticais. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 5
Figura 5 : Cursos de tempo média do grupo de relacionados ao evento theta fonte estimativas de poder em regiões selecionadas de interesse. Incongruentes estímulos (INC) que suscitou aumentaram poder theta relacionados ao evento em comparação com congruente estímulos (CONG) no córtex cingulado anterior (ACC; F (1,19) = 34,1, p < 0,0001) assim como o córtex pré-frontal lateral (latPFC; F (1,19) = 11,0, p < 0,01), durante 480-670 Miss conflito processamento é particularmente sensível à intoxicação alcoólica como poder de theta para INC foi atenuada pela intoxicação por álcool (F(1,19) = 9,9, p < 0,01). O eixo y retrata o poder da fonte de base-corrigido theta ruído normalizado de relacionados ao evento. Esta figura foi modificada de Kovacevic et al.18. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 6
Figura 6 : Resultados comportamentais sobre a tarefa de Stroop. Interferência de Stroop reflectiu-se na diminuição da precisão e tempos de resposta mais a incongruentes ensaios (INC). Intoxicação alcoólica (Alc) prejudicada a precisão em comparação com placebo (Plac) mas não afetou a tempos de reação. Barras de erro significam erro padrão da média. Esta figura foi modificada de Kovacevic et al 18. clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 7
Figura 7 : Cursos de altura média do grupo da fase-bloqueio de valores (PLVs) na banda de theta. Co-oscillatory sincronia entre o córtex cingulado anterior (ACC) e o córtex pré-frontal lateral (latPFC) na banda de theta expressado em variação percentual da linha de base para o placebo (à esquerda) e condições (à direita) de álcool. Após um início aumento PLVs durante um estímulo estágio (400-600 ms), um aumento sustentado no co oscilações de processamento é observado no incongruentes trilhas (INC) em resposta ao crescente controle cognitivo comparado com congruente (CONG) trilhas sob placebo, F (1,19) = 5.5, p < 0,05. Intoxicação alcoólica aguda prejudicado seletivamente as oscilações co em ensaios INC, F(1,19) = 8,8, p < 0,01. Mapas de ativação (inserir) mostram o efeito de incongruência (INC-CONG), que é proeminente na ACC e latPFC. A escala de cores denota estimativas de energia fonte de linha de base-corrigido em 480 ms após o início do estímulo, com vermelho (atividade > 0.2) para amarelo (atividade > 0.3) indicando o poder mais forte do theta para ensaios INC, em comparação com ensaios de CONG. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Movie 1
Filme 1: oscilações co. Bloqueio de fase valores foram calculados na faixa de frequência theta (4-7 Hz) entre o córtex cingulado anterior (ACC) e o córtex pré-frontal lateral (latPFC) como uma medida de sincronização que é sensível para a consistência da diferença de fase entre Estes dois ROIs independentemente de sua amplitude de poder de theta. Clique aqui para baixar este filme.

Movie 2
Movie 2: cérebro filmes. Distribuído modelagem de origem do sinal MEG combinado com estrutural que MRI permite para a estimativa das principais áreas corticais gerando energia theta e a sequência temporal de sua ativação em resposta à interferência de Stroop. (A) após processamento sensorial precoce, o córtex cingulado anterior (ACC) é seletivamente ativado por ensaios incongruentes, alta-conflito depois Miss ~ 350 (B) enquanto a ACC é o principal gerador de oscilações de theta durante tarefas de sondagem controle cognitivo, o córtex pré-frontal lateral (latPFC) dedica-se também durante a fase de integração em torno de 350-600 ms. da ativação do córtex motor é observado após ~ 600 ms durante a preparação de resposta. A escala de cor denota estimativas de poder diferencial fonte de linha de base-corrigido, com cor vermelha, indicando ativação maior que 0,79 medialmente (0,57 lateralmente) e amarelo indica ativação maior que 0,9 medialmente (0.8 lateralmente). Por favor, note que estes dois filmes devem ser mostradas junto com o desenrolar dos cursos de tempo referentes ao ACC e latPFC, respectivamente. Clique aqui para baixar estes filmes.

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Discussion

A multimodal de imagens método utilizado neste estudo é composto por fonte distribuído modelagem do sinal MEG temporalmente preciso junto com restrições espaciais das estimativas inversas, derivadas de ressonância magnética da cada participante. A abordagem de aMEG combina os pontos fortes destas técnicas para fornecer insights sobre os estágios espácio-temporais da dinâmica oscilatória e a integração de longo alcance subserving controle cognitivo. Este método fornece maior precisão temporal do que outras técnicas de neuroimagem como BOLD fMRI cuja resolução temporal é sobre a magnitude dos segundos devido a sua sensibilidade indirecta à mudanças neurais através de neurovascular acoplamento9. Em comparação, a precisão de milissegundos de sinal MEG permite a investigação dos estágios de processamento neural, como demonstrado no presente estudo. O modelo aMEG assume fontes distribuídas do sinal MEG ao longo da cortical de superfície que, quando reconstruído a partir de imagens de MRI estruturais, prevê restrições espaciais atividade estima45,53. Estas estimativas espaciais podem ser usadas para investigar não só a ativação local mas a comunicação de longo alcance um nível de rede interativa na forma de bloqueio de fase16,20. Além disso, a abordagem da aMEG é bem adequada para investigar os efeitos da manipulação farmacológica em funções neurais, dado que o sinal BOLD fMRI é confundido pelos efeitos vasoativas de manipulações farmacológicas tais como álcool e não podem reflete com precisão a magnitude de mudanças neurais10.

A alta sensibilidade deste método para minuto neural muda significa que ele também é sensível ao ruído não-neurais, incluindo movimentos musculares ou piscadas de olho, então os vários artefatos precisam ser detectado e removido cuidadosamente do sinal bruto. Além disso, a posição de cabeça pode ter efeitos significativos nas estimativas de atividade devido a sensibilidade do sensor de campo magnético gradientes39. Tendo em conta os pressupostos do modelo aMEG, fonte estimativas são restritos a superfície cortical45,46, então não pode ser estimada a atividade suscitou de estruturas subcorticais.

Baseado em resultados publicados anteriormente18, o presente estudo tem ilustrado mudanças no poder relacionados ao evento theta (4-7 Hz) durante o conflito de Stroop-induzida em função da intoxicação aguda de álcool em bebedores sociais saudáveis. Como mostrado na Figura 5, o poder de theta é diferencialmente sensível às demandas cognitivas impostas pelas condições de tarefa de Stroop. Incongruência é especialmente eficaz na realização de controle cognitivo como refletido no maior poder de theta no córtex pré-frontal, em comparação com a linha de base prestimulus. O diretor estimado gerador de oscilações de theta é o ACC que é sensível ao conflito de resposta durante o início e final de processamento estágios18. Esses achados suportam o papel do ACC no monitoramento para conflito em concordância com o proeminente contas7,8. Assim, o método aMEG forneceu uma introspecção de sensível temporalmente o compromisso sustentado da ACC durante experimentações impor maior carga no controle cognitivo. Juntamente com amplas conexões anatômicas entre a ACC e distribuído cérebro regiões5,6, esta evidência corrobora seu papel multifacetado na auto-regulação. Sobre esse ponto de vista, o ACC é um hub de chave do sistema Neurofuncional que subserves controle cognitivo, alinhando os objetivos e intenções com restrições contextuais e motivacional54,55. Córtex pré-frontal ínfero-lateral, especialmente à direita, é outra área importante dentro desse sistema que tem sido associado com a inibição de respostas prepotent, controle de atenção e memória de trabalho no serviço de atualização de representações de tarefa 56 , 57 , 58.

Estabeleceu que as oscilações de theta mediam integração neural necessária para cognitivos e afetivos processamento13,16,59,60. Comunicação neural pode invocar assim sincronizada excitabilidade dos conjuntos neuronais distantes em banda theta com ritmos rápidos aninhados, mediando o processamento local61,62. PLVs refletem a coerência de fase entre áreas corticais e são comumente usados para estimar sua sincronia oscilatória, como supõe-se que duas áreas interagem quando eles co oscilam63. Na verdade, aumentos transitórios em PLV são observados esses intervalos de atividade neural que seria esperado para exigir interações síncronas12,20. O presente estudo confirma evidências anteriores e adiciona refinamento espácio-temporais para a sincronização funcional entre as fontes, estima-se que o ACC e o latPFC. Consistente com anteriores relatórios64, os presentes resultados indicam que PLVs estão aumentados e sustentadas em ensaios incongruentes na tarefa de Stroop. Quantificando a sincronização de fase entre estas duas áreas com elevada precisão temporal, esses achados estendem o conflito monitoramento conta e indicam que a sua interação é particularmente proeminente após ~ 350 ms em ensaios incongruentes. Durante este estágio de integração cognitiva, os córtices pré-frontal medial e laterais são propensos a interagir para apoiar o desempenho comportamental durante condições de tarefa mais difícil impor exigências na memória trabalhando, inibição de resposta e atenção. Extensas evidências de estudos baseados em fMRI conectividade funcional indicam que estas áreas corticais formam uma rede cingulo-odontódios dinâmica, interativa que oferece suporte a controle de cima para baixo cognitivo65,66, 67. mais amplamente, o cérebro otimiza respondendo às exigências ambientais, de forma coerente e adaptável através de sincronização flexível e dinâmica de Neurofuncional distribuído sistemas68,69.

A abordagem de MEG anatomicamente restrito utilizada no presente estudo se baseia em uma combinação de métodos de imagem complementares. Isso pode caracterizar a sequência espaço-temporal da atividade neural e pode fornecer insights sobre a dinâmica das interações de longo alcance importantes para a integração de influências de cima para baixo durante o noivado de controle cognitivo. O sinal de MEG reflete correntes sinápticas diretamente, o que permite testar hipóteses sobre as interações co-oscillatory dentro e entre sistemas Neurofuncional com alta precisão temporal. Além disso, este método é adequado para manipulações farmacológicas porque não é suscetível a vasoativas confunde. Pesquisas de laboratório e outros indicam que as funções de controle cognitivo prefrontally mediada são particularmente vulneráveis ao álcool intoxicação17,18,19,20,23 ,24,70,,71,72,73,74. O presente estudo mostra que intoxicação aguda de álcool diminui a atividade nas áreas pré-frontal subserving conflito de resposta. Além disso, álcool interrompe sincronizado co oscilações20,75 pode subjacentes a supressão da resposta prejudicada ou adaptativos. Como resultado, intoxicado a exposição de indivíduos de autocontrole deficiente resultando em desinibição que possam contribuir para beber compulsivo e o desenvolvimento da dependência de álcool a25,26,76. Em suma, as estimativas das oscilações co síncronas pode iluminar interações em tempo real dos sistemas neurais envolvidos por uma demanda cognitiva particular e pode informar um modelo realista de cérebro. Podem caracterizar a sensibilidade seletiva ao desafio de álcool através de redes e servir como biomarcadores de vulnerabilidade individual para efeitos farmacológicos.

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Disclosures

Os autores não têm nada para divulgar.

Acknowledgments

Este trabalho foi apoiado pelo National Institutes of Health (R01-AA016624). Nós estamos gratos ao Dr. Sanja Kovacevic por suas importantes contribuições.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Elekta Neuromag Elekta Magnetoencephalography system
1.5 T GE EXCITE HG General Electric Magnetic Resonance Imaging scanner
Gold Cup Electrodes OpenBCI Electroencephalography electrodes for optional simultaneous EEG recording
Prep Check Impedance Meter General Devices Check electrode impedances
HPI Coils Elekta Head position indicator coils for co-registration
Alcotest Draeger Breathalyzer
Fiber Optic Response Pad Current Designs, Inc MEG-compatible response pad
Grey Goose Vodka Bacardi Vodka is used during the alcohol session
Orange Juice Naked Orange juice is used as the beverage during the placebo session as well as mixed with vodka during the alcohol session
Discover Drug Test Card American Screening Corp Multi-screen drug test
QED Saliva Alcohol Test OraSure Technologies Saliva alcohol test
Urine Hcg Test Strips Joylive Pregnancy test
Short Michigan Alcohol Screening Test Selzer et al., 1975 Alcoholism screening questionnaire
Zuckerman Sensation Seeking Scale Zuckerman, 1971 Questionnaire: disinhibitory, novelty-seeking, and socialization traits
Eysenck Impulsivity Inventory Eysenck & Eysenck, 1978 Questionnaire: impulsivity traits
Eysenck Personality Questionnaire Eysenck & Eysenck, 1975 Questionnaire: personality traits
Biphasic Alcohol Effects Scale  Martin et al., 1993 Questionnaire: subjective experience of the effects of alcohol

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