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Neuroscience

酒精中毒在认知控制过程中对前小管神经同步的破坏

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

本实验采用解剖约束的磁脑电图 (ameg) 方法, 在认知控制参与过程中, 作为急性酒精中毒的功能, 检查大脑振荡动力学和远程功能同步。

Abstract

决策依赖于分布的动态交互, 主要是额叶大脑区域。功能磁共振成像 (fmri) 研究的大量证据表明, 前扣带带 (acc) 和额叶外侧皮质 (ltpfc) 是辅助认知控制的重要节点。然而, 由于其有限的时间分辨率, fmri 不能准确地反映其假定的相互作用的时间和性质。本研究将时间精确磁脑电图 (meg) 信号的分布式源建模与结构 mri 结合起来, 以 "脑电影" 的形式出现: (1) 估计认知控制所涉及的皮层区域 ("在哪里"), (2) 特征他们的时间序列 ("当"), 和 (3) 量化他们的神经相互作用的振荡动力学实时。stroop 干扰与冲突检测期间 acc 中更大的事件相关的 theta (4-7 hz) 功率有关, 随后在集成和准备反应过程中对 acc 和 latpfc 的认知需求保持持续敏感。相位锁定分析显示, 在引起冲突的不协调试验中, 这些区域之间的协同振荡相互作用表明它们在 theta 波段的神经同步增加。这些结果证实, 在认知控制过程中, 这种振荡是将自上而下的影响结合起来所需的远程同步的基础。meg 直接反映神经活动, 这使得它适合于药理操作, 而 fmri 是敏感的血管活性混淆。在本研究中, 健康的社会饮酒者在主题内设计中给予适度的酒精剂量和安慰剂。急性中毒减弱了该策略的力量, 以减弱为 stroop 冲突和失调的共同振荡之间的 acc 和 latpfc, 证实酒精是有害的神经同步潜移默化的认知控制。它干扰目标导向的行为, 可能导致缺乏自制力, 导致强迫饮酒。总之, 该方法可以提供对认知处理过程中的实时交互的洞察, 并可以描述相关神经网络对药理挑战的选择性敏感性。

Introduction

本研究的总体目标是探讨急性酒精中毒对认知控制过程中大脑振荡动力学时空变化和长期功能整合的影响。采用多模态成像方法, 结合了磁脑成像 (meg) 和结构磁共振成像 (mri), 以实现高时间精度和交互式系统级别的决策神经基础。

灵活的行为使人们能够适应不断变化的环境需求, 并根据自己的意图和目标在不同的任务和要求之间进行战略转换。抑制自动反应的能力有利于目标相关但非习惯性的行动是认知控制的一个重要方面。大量证据表明, 它是由一个主要的额叶皮质网络, 与前扣带回皮层 (acc) 作为一个中心节点在这个互动网络1,2,3,4。虽然 acc 和额叶侧皮质之间丰富的解剖连接描述得很好,但这些区域之间在认知控制过程中的沟通功能特征, 反应选择和执行, 是鲜为人知的。

影响很大的冲突监测理论7,8提出认知控制产生于内侧和侧向前额皮质之间的动态相互作用。此帐户声称 acc 监视竞争表示之间的冲突, 并与额叶外侧皮层 (latpfc) 进行响应控制和优化性能。然而, 这个帐户主要是基于功能 mri (fmri) 研究使用血液氧合水平相关 (bold) 信号。fmri-bold 信号是一种很好的空间映射工具, 但它的时间分辨率有限, 因为它反映了神经血管耦合介导的区域血流动力学变化。因此, bold 信号的变化在比基础神经事件 (以毫秒为单位) 9 的时间尺度 (以秒为单位)上展开。此外, bold 信号对酒精的血管活性作用 10敏感, 可能不能准确地反映神经变化的大小, 这使得它不太适合急性酒精中毒的研究。因此, 假定的前额叶皮质和它对酒精中毒的敏感性之间的假定相互作用需要通过以时间精确的方式记录神经事件的方法来检查。meg 具有出色的时间分辨率, 因为它直接反映突触后电流。这里采用的解剖约束 meg (amegg) 方法是一种多模态方法, 它将 meg 信号的分布式源建模与结构 mri 相结合。它允许估计与冲突和 bever无休止的大脑振荡变化发生的地点, 并了解所涉及的神经成分的时间序列 ("何时") 。

决策依赖于动态参与处理对认知控制的更高需求的分布式大脑区域的交互。估计两个皮质区域之间远程同步中与事件相关的变化的一种方法是计算它们的相位耦合作为其共同振荡 11、12 的指数。本研究采用相位锁定分析的方法, 通过研究 acc 和 latpfc 之间的共振荡相互作用, 检验冲突监测理论的基本原则。teta 范围 (4-7 hz) 中的神经振荡与认知控制有关, 并被认为是支持自上而下认知处理所需的远程同步的基本机制 13,14, 15,16。它们是在前额叶区域产生的任务困难, 并显著减弱的急性酒精中毒17,18,19, 20.

长期过量饮酒与一系列认知缺陷有关, 前额电路尤其受到 21,22的影响。急性酒精中毒在难度增加、模糊或引起反应不兼容的情况下, 对认知控制有害.通过影响决策, 酒精可能会干扰目标导向的行为, 可能导致自制力差和饮酒增加, 也可能导致交通或与工作有关的危害25,26, 27.本研究采用 a/meg 方法测量了具有良好时间分辨率的主要执行区域之间在 theta 波段和同步的振荡活动。酒精对 acc 和 latpfc 之间的协同振荡的影响被研究为 stroop 干扰任务引起的冲突的函数。我们假设, 认知需求的增加与更大的功能同步有关, 酒精引起的内侧和外侧前额皮质同步活动的失调是认知控制中的损伤的基础。

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Protocol

这一实验协议已得到加州大学圣地亚哥分校人类科目保护委员会的批准。

1. 人的主体

  1. 招募健康的右手成人志愿者, 征得他们的同意, 并根据包容/排除标准对他们进行筛选。
    请注意:在这项研究中, 20名年轻、健康的人 (平均±标准偏差 [sd] 年龄 = 25.3±4.4 岁) 被招募, 其中包括8名妇女, 她们饮酒适度, 从未因吸毒或酗酒罪接受过治疗或逮捕, 她们没有报告与酒精有关的症状在短密歇根州酒精中毒筛查测试28, 谁不吸烟, 也不使用非法物质, 谁没有神经精神障碍或任何当前的健康问题的历史, 谁是免费药物, 没有内部铁磁性物体或植入物。

2. 实验设计

  1. 扫描每个参与者四次, 包括三次 meg 会议 (一次不喝饮料的介绍会和两次以平衡的方式施用酒精和安慰剂的实验性饮料会议), 以及一次结构 mri 扫描。
    请注意:在这个主题内的设计中, 参与者通过参加酒精和安慰剂会议作为自己的控制。这种设计通过最大限度地减少大脑解剖、活动模式和酒精代谢的个体变异性的影响, 减少了误差差异并增加了统计能力。

3. 收集 meg 扫描

  1. 执行熟悉课程。
    1. 在最初的介绍性会议上, 进行问卷调查, 以获得更多关于参与者的病史、饮酒模式和与酒精有关的症状严重程度的信息28,29, 家族史酒精中毒30, 和个性特征, 包括冲动31,32。
    2. 按照步骤3.2、3.3 和3.5 中所述的协议在 meg 扫描仪中进行初始记录。不要提供任何饮料。解释任务并运行练习版本, 让参与者事先熟悉它。
      请注意:适应实验情况的目的是最大限度地减少情境引起的唤醒33的潜在影响, 从而将随后的酒精和安慰剂会等同于该维度。
  2. 执行酒精/安慰剂实验课。
    注:    在酒精和安慰剂疗程期间, 除给药的饮料外, 请遵循相同的实验程序。通过对酒精饮料进行平衡, 首先对一半的参与者和安慰剂以随机顺序对另一半进行平衡。
    1. 到达 meg 实验室后, 通过将参与者放入扫描仪并检查通道是否可能被磁化, 进行简短的测试扫描。测量他们的体重。用电子呼吸分析仪筛查它们。在实验前询问他们是否符合48小时戒酒和3小时内不饮酒的要求。
    2. 收集所有参与者的多药物测试面板的尿液样本, 并排除那些检测出任何药物呈阳性的人。此外, 通过尿液检测检查女性参与者怀孕情况, 并将检测呈阳性或怀疑可能怀孕的参与者排除在外。
    3. 评估酒精主观效果的动态变化, 要求参与者在饮酒前在标准的34比例上对自己的瞬间感受和状态进行评分, 并在实验期间另外两次对上升肢体进行评估 (~ 15在消耗饮料以后的分钟) 和呼吸酒精浓度曲线 (brac) 的下降肢体, 在 meg 记录以后。
    4. 在带有刺激演示软件的笔记本电脑上管理 stroop 任务的练习运行, 以确保参与者在录制前了解任务。
      请注意:此版本的 stroop 任务结合了读取和颜色命名 (图 1)。一致的条件由以匹配的字体颜色打印的颜色词 (即红色、绿色、蓝色、黄色) 组成 (即, "绿色" 一词以绿色打印)。在不协调的情况下, 颜色单词的打印颜色与它们的含义不匹配 (即, "绿色" 一词打印为黄色)。每当一个单词是用灰色书写的时候, 要求参与者按与字体颜色相对应的四个按钮中的一个, 或者, 当一个单词用灰色书写时, 按一个与单词18、23 的含义相对应的按钮。
  3. 准备 megp/脑电图录音。
    注:     meg 数据采集的详细情况已在以前的出版物 35、36、37中说明。
    1. 将脑电图帽或单个脑电图电极放在参与者的头部, 并检查所有阻抗是否低于 5 kω。
    2. 将头部位置指示器 (hpi) 线圈安装在前额两侧和每只耳朵后面。
      请注意:此步骤是特定于神经系统的。
    3. 对基准点的数字化位置, 包括鼻孔和两个耳前点、hpi 线圈的位置、脑电图电极, 并获得大量的附加点 (~ 200) 来描述头部形状。使用此信息与解剖 mri 图像进行共配 (图 2)。
  4. 管理饮料。
    1. 根据每个参与者的性别和体重 (男性 0.60 g/千克酒精, 女性 0.60 g/千克酒精), 将优质伏特加与冰镇橙汁 (25% 升) 混合制备酒精饮料, 目标是 0.06%38的 brac。在杯中使用相同数量的橙汁, 用伏特加擦拭的橙汁作为安慰剂饮料。请参与者在大约10分钟内饮用饮料。
    2. 检查参与者的 brac 与呼吸分析仪开始在大约15分钟后饮用, 然后每 5分钟, 直到他们进入记录室。由于电子设备不能在屏蔽室使用, 使用唾液酒精测试, 其中包括在唾液中饱和的棉签, 并插入提供读数的容器中。
  5. 获取 meg/eeg 数据。
    1. 将参与者舒适地放置在扫描仪中。由于前额前活动是特别有趣的, 确保参与者的位置, 使他/她的头接触到头盔的顶部, 并沿前面对齐。
      请注意:头部位置可以显著影响活动估计, 因为磁场梯度会随着传感器和大脑源之间距离的立方体减少而减少.
    2. 将 hpi 线圈和所有电极连接到扫描仪上各自的输入。放置响应垫, 以便可以舒适地按下按钮。确保在参与者面前的投影屏幕上可以清楚地识别字体。
    3. 回到控制台室, 检查对讲机是否正常工作。提醒参与者尽量减少闪烁, 避免因说话而引起的运动, 包括头部运动。指示参与者通过按响应按钮来回答问题。
    4. 检查是否正确记录了所有响应和刺激触发器。检查所有通道中的工件并测量扫描仪中的头部位置。
    5. 开始数据采集并开始任务。每 ~ 2.5 分钟给休息一次, 让眼睛休息一下。任务完成后保存数据, 并护送参与者离开记录室。
    6. 当参与者退出扫描仪时, 从空房间获取大约两分钟的数据, 作为仪器噪音的测量。
    7. 让参与者对感知到的任务难度、被吸收饮料的内容、他们的陶醉程度以及他们一时的情绪和感受进行评分。

4. 结构磁共振成像的图像采集与皮质重建

  1. 获得每个参与者的高分辨率解剖 mri 扫描, 并使用 freesurfer 软件40、41、42 重建每个参与者的皮质表面。
  2. 利用从分段结构 mri 图像中获得的内颅表面生成体积导体的边界元素模型, 该模型用于为正向解提供与每个人的大脑解剖一致的模型 43,44岁

5. meg 数据分析

请注意:用解剖约束的 meg 方法分析数据, 该方法使用每个参与者重建的皮质表面将源估计约束到皮质丝带40、45、46。分析流依赖于依赖于公开包 (包括 fieldtrip 47、eeglab48和 mne49) 的自定义函数.

  1. 在数据预处理过程中, 使用允许的带通滤波器 (例如, 0.1-100 hz) 和世纪数据, 将刺激开始的数据转换为包括每端填充间隔的部分 (例如,-600 至1100毫秒, 兴趣间隔为-300 至800毫秒后去除填充)。
  2. 删除嘈杂和平坦的通道, 以及通过目视检查和使用基于阈值的拒绝进行包含工件的试验。使用独立的成分分析48来去除眨眼和心跳伪影。消除响应不正确的试验。
  3. 应用 morlet 小波 (图 3)47计算每个试验的复杂功率谱, 以 1 hz 增量计算, 以达到频率 (4-7 hz)。删除任何其他项目。计算空房间数据中的噪声协方差。
  4. 使用三维 (3d) 磁头数字化信息将 meg 数据与 mri 图像共注册 (图 2)。
    1. 打开 mrilab 模块。
    2. 选择文件开盘选择主体的结构核磁共振成像。
    3. 选择文件进口服务等异哈克数据选择原始数据. fif 文件做点.
    4. 选择窗口地标性建筑调整基准地标, 直到 meg 数据和 mri 的共同注册是可以接受的。
    5. 选择文件保存.
  5. 用光谱动态统计映射方法 18,50 计算对其源功率和相位的噪声敏感性归一化估计。按百分比信号相对于基线变化来表达与事件相关的 theta 源电源。
  6. 通过将每个参与者的估计值转换为平均皮质表示 51, 创建与事件相关的 theta 源电源的组平均值.
  7. 在膨胀的平均表面上可视化源估计, 以提高 sulcal 估计的可见性 (图 4)。
    1. 打开 mne 软件。
    2. 选择文件负载表面负载膨胀群平均自由冲浪者皮质表面。
    3. 选择文件管理覆盖负载 stc加载组平均数据从可用的覆盖中选择加载的文件。
    4. 选择叠加类型为"其他"。
    5. 调整颜色刻度阈值显示.
    6. 通过识别以最高激活为特征的区域和时间窗口, 查看大脑电影并检查处理的时空阶段。
  8. 根据组的总体平均估计创建具有利益的无偏见区域 (roi), 以纳入具有最显著源功率的皮质位置。计算每个科目、条件和投资回报率的时间路线 (图 5)。
  9. 将得到的源功率估计提交统计分析。
    1. 从每个 roi 时间过程中提取感兴趣的时间窗口, 并执行差异分析 (anova) 与饮料 (酒精, 安慰剂) 和试验类型 (一致, 不协调) 作为主体因素。使用基于非参数群集的置换测试52来检查与事件相关的 theta 功率以及锁相值 (plv) 的饮料和状态比较。
  10. 通过计算 plv12, 估计 acc 中的主要激活焦点与 latpfc 之间远程同步中与任务相关的变化。相对于基线的百分比变化的快速 plv。
    请注意:plv 是两个实验中两个交战信息的相位角一致性的指示器, 因为它测量它们在特定频率和实时中共同振荡的程度 (电影 1)。
  11. 计算 roi meg 活动估计、行为表现指标和问卷分数之间的相关性, 以便解释观察到的结果。

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Representative Results

行为结果表明, stroop 任务成功地操纵了响应干扰, 因为在不协调的试验中, 响应精度最低, 响应时间最长 (图 6)。酒精中毒降低了准确性, 但不影响反应时间18。

用 amegg 方法揭示的 theta 频段活动的时空序列总体上与这类任务中普遍接受的认知功能模型一致。正如大脑电影 (电影 2) 所示, 在刺激发作后, 视觉皮层在100毫秒左右被激活, 其次是后向前激活模式, 在认知整合阶段主要与额叶皮质接触acc 对不协调 (inc)、高冲突审判特别敏感, 表明它在冲突监测期间的参与。acc 是在探索认知控制的任务中产生 teta 振荡的主要发电机, 但在大约 350, 600 毫秒的积分榜期间, latpfc 也处于活跃状态. 在反应准备过程中, 运动皮层的激活在 ~ 600 毫秒后可见舞台 (电影 2b)。与事件相关的能量在 inc 试验中最为强大, 这与它对冲突需求的敏感性是一致的 (图 5), 尤其是在前额叶皮层13、17、19、20。总的急性酒精中毒降低了 theta 的力量。然而, 与协调 (cong) 试验相比, 酒精会在 acc 和 latpfc18中选择性地降低 inc (高冲突) 试验的威力。

本研究扩大了 kovacevic 等人 18的研究结果, 根据认知控制网络的普遍说明, 重点研究了这些地区在处理 stroop 干扰过程中的动态相互作用.8. 为了更好地了解这两个主要参与的皮质区域之间相互作用的时间、程度和性质, 对每个饮料和任务条件以及每个参与者计算了 plv。如图 7中的组平均值所示, acc 和 latpfc 之间的共同振荡因时间而异, 在刺激处理阶段, 共同振荡总体上提前增加。在安慰剂下, 在整合和反应准备阶段的不协调试验中, 在 ~ 400 毫秒后持续增加。因此, 只有在难度较大的情况下观察到内侧和侧向前额皮质之间的同步共振荡, inc 试验引起反应冲突 f(1, 19) = 5.5, p < 0.05。这一证据支持了 acc 和 latpfc 在功能上实时交互以细分认知控制的建议。相反, 急性酒精中毒明显调节共同振荡, 产生条件 x 饮料相互作用, f(1, 19) = 5.1, p < 0.05,其中不协调试验特别受到酒精f的影响(1, 19) = 8.8, p < 0.01 (图 7)。这可能是酒精引起的抑制控制障碍的原因, 并表明前额叶皮层自上而下的调节功能容易引起急性中毒。

Figure 1
图 1: stroop 任务结合了颜色命名和读取.给出了这三个条件中每个条件的试验例子以及正确的响应颜色。在一致条件下, 字体颜色与词的意思是一致的, 而不协调的试验 (inc) 由于词的意义的干扰而引发反应冲突。当单词以颜色 (cong, inc) 书写时, 参与者被告知按与字体颜色相对应的按钮, 并在用灰色书写单词时对单词意思 (read) 做出响应。试验以300毫秒的形式呈现, 然后由1700毫秒的固定屏幕取代. 试验类型按随机顺序呈现。在这一特定版本中, cong 和 inc 的条件是相等的, 在576项试验中, 每个试验都有16.7% 的试验。请点击这里查看此图的较大版本.

Figure 2
图 2: meg 和 mri 的共同注册.在 meg 记录过程中收集的头部的数字化点用于与解剖 mri 图像的共配。请点击这里查看此图的较大版本.

Figure 3
图 3: 莫莱·小波.摩特小波用于计算每个试验的复杂功率谱, 在 1 hz 的频率增量, 为 theta 频段 (4-7 hz)。请点击这里查看此图的较大版本.

Figure 4
图 4: 皮质重建和通货膨胀.对单个皮质表面进行重建, 并用于约束估计的源功率。这里显示的是一个平均皮质表面, 它被充气, 以提高能见度的来源估计皮质沟。请点击这里查看此图的较大版本.

Figure 5
图 5* 选定感兴趣区域与事件有关的 theta 源功率估计数的群平均时间课程.与前扣带回皮层 (acc) 中的协同刺激相比, 不协调 (inc) 刺激引起了更多的与事件相关的能量;f(1, 19) = 34.1, p < 0.0001) 以及额叶外侧皮质 (lepfc;f(1, 19) = 11.0, p < 0.01), 在 480-670 ms 期间, 冲突处理对酒精中毒特别敏感, 因为酒精中毒削弱了对 inc 的能量 (f (1, 19) = 9.9, p < 0.01)。y 轴描述了基本校正噪声-归一化事件相关的 theta 源电源。kovacevic 等人对这一数字作了修改。请点击这里查看此图的较大版本.

Figure 6
图 6: stroop 任务的行为结果.对不协调 (inc) 试验的准确性下降和反应时间较长, 反映出 stroop 干扰。与安慰剂 (plac) 相比, 酒精中毒 (alc) 的准确性受损, 但不影响反应时间。错误条表示平均值的标准误差。kovacevic 等人对这一数字作了修改.18.请点击此处查看此图的较大版本.

Figure 7
图 7: 相位锁定值 (plv) 在 theta 波段的群平均时间过程.在西塔带的前扣带回皮层 (acc) 和额叶外侧皮层 (闭普区) 之间的共振荡同步, 表示为安慰剂 (左) 和酒精 (右) 条件的基线变化百分比。在刺激处理阶段 (400-600 毫秒) 中, 在多溴型车体内, 由于与安慰剂下的认知控制增加, 在不协调 (inc) 上观察到联合振荡 (inc) 的持续增加,f(1, 19) = 5.5, p < 0.05。急性酒精中毒选择性地调节了 inc 试验中的共振荡, f(1, 19) = 8.8, p < 0.01。激活图 (插入) 显示了不协调效应 (inc-cong), 这在 acc 和 latpfc 中很突出。颜色刻度表示刺激开始后480毫秒的基本修正源功率估计, 红色 (活动 > 0.2) 到黄色 (活动 > 0.3) 表示与 cong 试验相比, inc 试验的能量更强。请点击这里查看此图的较大版本.

Movie 1
电影 1: 共同振荡.在前扣带回皮层 (acc) 和额叶外侧皮层 (latpfc) 之间的相位锁定值 (4-7 hz) 范围内计算了相位锁定值, 作为对相位差一致性敏感的同步测量。这两个 roi, 不管它们的功率振幅如何。请点击这里下载这部电影.

Movie 2
电影 2: 大脑电影.meg 信号的分布式源建模与结构 mri 相结合, 可以估计产生这种能量的主要皮质区域及其在响应 stroop 干扰时的激活时间序列。(a) 在早期感觉处理之后, 前扣带回皮层 (acc) 在 ~ 350 毫秒后, 通过不协调、高冲突的试验有选择地激活。认知控制, 侧前额叶皮层 (latpfc) 也参与在整合阶段约 350-600 ms. 运动皮层的激活观察 ~ 600 毫秒后的反应准备。颜色刻度表示差分基底校正源功率估计, 红色表示激活大于0.79 内侧 (0.79 侧向), 黄色表示激活大于0.9 内侧 (0.8 侧向)。请注意, 这两部电影应分别与与 acc 和 latpfc 相关的展开时间课程一起放映。请点击此处下载这些影片.

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Discussion

本研究采用的多模态成像方法包括时间精确 meg 信号的分布式源建模, 以及从每个参与者的结构 mri 中得到的逆估计的空间约束。ameg 方法结合了这些技术的优势, 提供了对振荡动力学时空阶段和远程整合顺从的认知控制的洞察。与其他神经成像技术 (如 fmri-bold) 相比, 这种方法提供了更高的时间精度, fmri-bold 的时间分辨率达到了秒级, 因为它通过神经血管耦合9对神经变化的间接敏感性.相比之下, meg 信号的毫秒精度允许研究神经处理阶段, 正如本研究所证明的那样。amegg 模型假设了 meg 信号沿皮质表面的分布源, 当从结构 mri 图像重建时, 为活动估计 45,53提供了空间约束。这些空间估计不仅可用于调查局部激活, 还可用于研究以相位锁定16、20的形式在交互式网络一级进行的远程通信。此外, ameg 方法非常适合于研究药物操作对神经功能的影响, 因为 fmri-bold 信号被酒精等药理操作的血管活性效应混淆, 可能不会准确地反映了神经变化的大小10。

这种方法对微小神经变化的高灵敏度意味着它对包括肌肉运动或眼睛眨眼在内的非神经噪声也很敏感, 因此需要检测各种伪影并从原始信号中仔细删除。此外, 由于传感器对磁场梯度的敏感性,头部位置会对活动估计产生重大影响。给定了一个 meg 模型的假设, 源估计被限制在皮质表面45,46, 因此从皮质下结构产生的活动无法估计。

根据先前公布的结果18, 本研究说明了在 stroop 诱发冲突期间与事件有关的 theta (4-7 hz) 功率的变化, 这是健康的社会饮酒者急性酒精中毒的一个函数。如图 5所示, theta 功率对 stroop 任务条件所施加的认知需求具有不同的敏感性。与前室基线相比, 前额叶皮层的超能力更大, 反映出不协调在参与认知控制方面尤其有效。theta 振荡的主要估计生成器是 acc, 它对早期和后期处理阶段18的反应冲突都很敏感。这些调查结果支持行政协调会在监测冲突方面的作用, 与突出的账户一致 7、8.因此, amegg 方法提供了一个时间敏感的洞察, 在试验期间, acc 的持续参与对认知控制施加更高的负荷。这一证据与 acc 与分布的大脑区域5、6 之间的广泛解剖联系一起, 证实了它在自我调节方面的多方面作用。根据这一观点, acc 是神经功能系统中的一个关键枢纽, 它通过将目标和意图与上下文和动机约束54,55对齐, 为认知控制提供服务。无外侧前额叶皮层, 特别是右侧, 是该系统中的另一个重要区域, 它与抑制前作脑源反应、注意力控制和工作记忆有关, 用于更新任务表示56,57,58岁

已经确定, 这种振荡介导认知和情感处理所需的神经整合13, 16,59,60。因此, 神经通信可能依赖于远距离神经元群在 theta 波段的同步兴奋性, 嵌套快速节奏调解局部处理 61,62。plv 反映皮质区域之间的相位一致性, 通常用于估计它们的振荡同步, 因为假定两个区域在它们共同振荡63时相互作用.事实上, plv 的瞬态增加是在神经活动的时间间隔中观察到的, 预计这些时间间隔将需要同步交互 12,20。本研究证实了以前的证据, 并在对行政协调会估计的来源与延迟的常设委员会之间的功能同步中增加了时空细化。与以往的报告64 一致,本研究结果表明, 在 stroop 任务中的不协调试验中, plv 有所增加和维持。通过对这两个区域之间具有较高时间精度的相位同步进行量化, 这些发现扩展了冲突监测帐户, 并表明它们在不协调试验约350毫秒后的相互作用尤为突出。在这一认知整合阶段, 内侧和侧向前额叶皮质可能会在更困难的任务条件下相互作用, 以支持行为表现, 从而对注意力、反应抑制和工作记忆提出要求。来自基于 fmri 的功能连接研究的大量证据表明, 这些皮质区域形成了一个动态的、交互式的 cingulo-周期网络,支持自上而下的认知控制 65,66,67. 更广泛地说, 大脑通过分布式神经功能系统的灵活和动态同步, 以适应性和一致性的方式优化应对环境需求68、69。

本研究中使用的解剖约束 meg 方法依赖于互补成像方法的组合。它可以表征神经活动的时空序列, 并可以提供洞察远程相互作用的动态, 这对于在认知控制参与过程中整合自上而下的影响非常重要。meg 信号直接反映突触电流, 这使得可以测试关于神经功能系统内部和神经功能系统之间的协同振荡相互作用的假设, 具有较高的时间精度。此外, 这种方法是适用于药理操作, 因为它是不容易受到血管活性混淆。来自该实验室和其他机构的研究表明, 前介导的认知控制功能特别容易受到酒精中毒的影响 17、18、19、20、23 24,70, 71,72,73,74.本研究表明, 急性酒精中毒降低了前额区的活性, 潜移默化的反应冲突。此外, 酒精会破坏同步的共同振荡 20,75 , 这可能是受损或适应性差反应抑制的基础。因此, 中毒的个体表现出缺乏自我控制, 导致抑制, 这可能会导致强迫饮酒和酒精依赖的发展25,26,76。总之, 同步共振荡的估计可以阐明特定认知需求所涉及的神经系统的实时交互, 并可以为基于大脑的现实模型提供信息。它们可以描述网络对酒精挑战的选择性敏感性, 并作为个人易受药理作用的生物标志物。

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Disclosures

作者没有什么可透露的。

Acknowledgments

这项工作得到了国家卫生研究院的支持 (r01-aa016624)。我们感谢 sanja kovacevic 博士的重要贡献。

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

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酒精中毒在认知控制过程中对前小管神经同步的破坏
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Marinkovic, K., Beaton, L. E., Rosen, B. Q., Happer, J. P., Wagner, L. C. Disruption of Frontal Lobe Neural Synchrony During Cognitive Control by Alcohol Intoxication. J. Vis. Exp. (144), e58839, doi:10.3791/58839 (2019).

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