Summary
För att kontrollera om trigeminusneuralgi effekter på kognitiva prestanda innebär Locus coeruleus aktivitet, två protokoll presenteras som syftar till att utvärdera möjliga korrelationer mellan prestanda och uppgiftsrelaterade elev storlek förändringar induceras av tugga. Dessa protokoll kan tillämpas på de villkor i vilka Locus coeruleus bidrag misstänks.
Abstract
Aktuell vetenskaplig litteratur ger belägg för att trigeminussensorimotorisk aktivitet i samband med tugg kan påverka upphetsning, uppmärksamhet och kognitiva prestanda. Dessa effekter kan bero på utbredd anslutningar av trigeminusneuralgi systemet till stigande retikulära aktiverande systemet (ARAS), som noradrenerga neuroner i Locus coeruleus (LC) tillhör. LC neuroner innehåller projektioner till hela hjärnan, och det är känt att deras utsläpp samvarierar med elev storlek. LC-aktivering är nödvändig för att framkalla uppgiftsrelaterad mydriasis. Om tugg effekter på kognitiva prestanda förmedlas av LC, det är rimligt att förvänta sig att förändringar i kognitiva prestanda är korrelerade till förändringar i uppgiftsrelaterade mydriasis. Två nya protokoll presenteras här för att kontrollera denna hypotes och dokumentera att tugg effekter inte kan hänföras till aspecific motorisk aktivering. I både protokoll, prestanda och elev storlek förändringar observeras under specifika uppgifter registreras före, strax efter, och en halvtimme efter en 2 min period av antingen: a) ingen aktivitet, b) rytmiska, bilaterala handtag, c) bilaterala tugga av mjuk pellet, och d) bilaterala tugga av hård pellet. Det första protokollet mäter prestandanivå vid spotting av mål nummer som visas inom numeriska matriser. Eftersom elev storlek inspelningar registreras av en lämplig pupillometer som hindrar visionen att säkerställa konstant belysning nivåer, uppgiftsrelaterade mydriasis utvärderas under en haptiska uppgift. Resultaten från detta protokoll visar att 1) tugg-inducerad förändringar i prestanda och uppgiftsrelaterade mydriasis är korrelerade och 2) varken prestanda eller mydriasis förstärks av handgrip. I det andra protokollet, användning av en bärbar pupillometer möjliggör mätning av elev storlek förändringar och prestanda under samma uppgift, vilket möjliggör ännu starkare bevis som kan erhållas om LC engagemang i trigeminala effekter på kognitiv aktivitet. Båda protokollen har körts i det historiska ämbetet som prof. Giuseppe moruzzi, upptäckaren av ARAS, vid universitetet i Pisa.
Introduction
Hos människor, det är känt att tugga quickens kognitiv bearbetning1,2 och förbättrar upphetsning3,4, uppmärksamhet5, lärande, och minne6,7. Dessa effekter är förknippade med förkortning av latenser av kortikala händelserelaterade potentialer8 och en ökning av perfusion av flera kortikala och subkortikala strukturer2,9.
Inom kranialnerver, den mest relevanta informationen upprätthålla kortikala Desynchronization och upphetsning bärs av trigeminala fibrer10, sannolikt på grund av starka trigeminala anslutningar till stigande retikulära aktiverande systemet (Aras)11. Bland Aras strukturer, Locus coeruleus (LC) får trigeminala ingångar11 och modulerar upphetsning12,13, och dess aktivitet samvarierar med elev storlek14,15,16,17,18. Även om relationen mellan LC vilande aktivitet och kognitiva prestanda är komplex, uppgiftsrelaterad förbättring av LC aktivitet leder till upphetsning-associerade19 elev mydriasis20 och förbättrad kognitiv prestanda21. Det finns tillförlitlig samvariation mellan LC aktivitet och elev storlek, och den senare är för närvarande betraktas som en proxy av centrala noradrenerga aktivitet22,23,24,25,26.
Asymmetrisk aktivering av sensomotoriska trigeminusneuralgi grenar inducerar elev asymmetrier (anisocoria)27,28, bekräftar styrkan i trigemino-coerulear anslutning. Om LC deltar i stimulerande effekterna av tugga på kognitiva prestanda, det kan påverka parallella uppgiftsrelaterade mydriasis, som är en indikator på LC phasic aktivering under en uppgift. Det kan också påverka prestanda, så en korrelation kan förväntas mellan tugg-inducerad förändringar i prestanda och mydriasis. Dessutom, om trigeminala effekter är specifika, tugga effekter bör vara större än de som framkallas av en annan rytmisk motor uppgift. För att testa dessa hypoteser presenteras härmed två experimentella protokoll. De är baserade på kombinerade mätningar av kognitiva prestanda och elev storlek, utförs före och efter en kort period av tugg aktivitet. Dessa protokoll använder ett test som består i att hitta mål nummer som visas i numeriska uppmärksamma matriser29, tillsammans med icke-målnummer. Det här testet verifierar uppmärksam och kognitiva prestanda.
Det övergripande målet för dessa protokoll är att illustrera att trigeminusstimulering framkallar specifika förändringar i kognitiva prestanda, som inte kan tillskrivas aspeciellt till generering av motor kommandon och är relaterade till elev-länkade förändringar i LC-medierad Upphetsning. Tillämpningarna av protokollen sträcker sig till alla beteende förhållanden där prestanda kan mätas och medverkan av LC misstänks.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Alla steg följer riktlinjerna från den etiska kommittén vid universitetet i Pisa.
1. rekrytering av deltagare
- Rekrytera en försöks population enligt det specifika målet för studien (dvs. normala försökspersoner och/eller patienter, män och/eller kvinnor, ungdomar och/eller äldre).
2. material beredning
- Förbered en mjuk pellet; Använd kommersiellt tillgängliga tuggummi (tabell över material; initial hårdhet = 20 Shore oo).
- Förbered en hård pellet; Använd kisel gummi pellets (tabell över material; konstant hårdhet = 60 Shore oo)30.
- Förbered en anti-Stressboll för en handtag uppgift. Använd en polyuretanskum-Made Ball (tabell över material; konstant hårdhet = 30 Shore oo)30.
- Förbered en Tangram pussel (tabell över material; antal stycken = sju) för att utföra den haptiska uppgiften.
3. flödesschemat för experimentet
- Flödesschema för protokoll 1
- Utvärdera baslinjens prestanda (se avsnitt 4,1) i det kognitiva (Matrices) testet (t0, kontroll).
- Utvärdera elev storlek (se avsnitt 4,2) i vila (ingen aktivitet begärs från motivet) (t0, kontroll).
- Utvärdera elev storlek under en haptiska uppgift baserat på Tangram (t0, kontroll).
- Ta bort en av bitarna från pusslet och placera den i ämnet hand.
- Fråga ämnet att sätta pjäsen tillbaka i pusslet, utan att titta på pusslet.
- Fråga varje ämne att utföra tre specifika aktiviteter för 2 min eller vila i 2 min, enligt steg 3.1.4.1 – 3.1.4.4. Be försökspersonerna att utföra dessa aktiviteter i separata sessioner som inträffar på olika dagar (2 – 3 dagar mellan sessionerna).
- Be ämnet att tugga en självadministrerad mjuk pellet för 2 min, låta honom/henne spontant välja både graden av tugga och sidan av munnen som att tugga. Efter 1 min av tugga, be honom/henne att ändra tugg sidan (och pelleten).
- Be ämnet att tugga en självadministrerad hård pellet för 2 min. Efter 1 min, be honom/henne att ändra tugg sidan (men inte pelleten).
- Fråga ämnet att utföra en rytmisk klämma av en anti-Stressboll (handtag övning) för 2 min i takt och på handen att välja. Efter 1 min, be motivet att byta händer.
- Be ämnet att vila (ingen aktivitet) för 2 min.
- Strax efter slutet av varje steg (3.1.4.1 – 3.1.4.4), utvärdera prestanda i matriserna test och elev storlek i vila och under den haptiska uppgiften (T7).
Anmärkning: Termen "i vila" innebär att motivet under elev storleks mätningen är avslappnande. Termen "under haptiska uppgift" innebär att motivet under elev storleks mätningen utför uppgiften baserat på Tangram. - Trettio minuter efter utgången av varje steg (3.1.4.1 – 3.1.4.4), utvärdera prestanda och elev storlek i vila och under den haptiska uppgiften (T37).
- Flödesschema för protokoll 2
- Utvärdera elev storlek medan motivet vilar (t0, kontroll; se avsnitt 4,3).
- Utvärdera baslinjens prestanda i det kognitiva (Matrices) testet samtidigt som du testar elev storlek (t0, kontroll).
- Fråga varje ämne att utföra tre specifika aktiviteter för 2 min eller vila i 2 min, enligt steg 3.2.3.1 – 3.2.3.4. Be försökspersonerna att utföra dessa aktiviteter i separata sessioner som inträffar på olika dagar (2 – 3 dagar mellan sessionerna).
- Be ämnet att tugga en självadministrerad mjuk pellet för 2 min, låta honom/henne spontant välja både graden av tugga och sidan av munnen som att tugga. Efter 1 min av tugga, be honom/henne att ändra tugg sidan (och pelleten).
- Be ämnet att tugga en självadministrerad hård pellet för 2 min. Efter 1 min, be honom/henne att ändra tugg sidan (men inte pelleten).
- Fråga ämnet att utföra en rytmisk klämma av en anti-Stressboll (handtag övning) för 2 min i takt och på sidan av deras val. Efter 1 min, be motivet att byta händer.
- Be motivet att slappna av (ingen aktivitet) i 2 minuter.
- Strax efter slutet av varje steg (steg 3.2.3.1 – 3.2.3.4), utvärdera elev storlek i vila och både prestanda och elev storlek i matriserna test (T7).
- Trettio minuter efter utgången av varje steg (steg 3.2.3.1 – 3.2.3.4), utvärdera elev storlek i vila och både prestanda och elev storlek i matriserna test (T37).
4. uppmätta variabler i protokoll 1 och 2
- Kognitiva prestanda
Anmärkning: I både protokoll 1 och 2, mäta kognitiva prestanda med hjälp av ett test baserat på en modifierad version av spinnler-Tognoni numeriska matriser test29.- Visa tre numeriska matriser (10 x 10) utskrivna på papper till motivet. Sedan, fråga ämnet att sekventiellt Skanna mat ris linjer, medan tickar med en penna så många av de mål nummer som möjligt (60 mål av 300 totalt visade siffror) anges ovan varje matris (figur 1) inom 15 s.
- Använd matriser med olika positioner av mål nummer på t0, T7 och T37 för att undvika införandet av störfaktorer relaterade till inlärningsprocesser.
- Utvärdera offline Performance index (PI), skanning hastighet (SR) och felfrekvens (ER) enligt följande: PI = (mål nummer understrukna i 15 s)/15; SR = (mål + icke-målnummer skannade i 15 s)/15; ER = (mål nummer missade + icke-målnummer understrukna i 15 s)/15.
- Elev storlek i protokoll 1
- Förbered motivet för elev storleks mätningen med en korneal topograf-pupillograf (tabell över material), som förebygger synen på miljön, med hjälp av en av följande två förvärvsmetoder.
- Spela in en enda kamera skott av eleven (figur 2a, B) med en konstant belysningsnivå på 40 Lux, trycka på den specifika knappen på hornhinnan topograf-pupillographer. Bibehålla ett optimalt arbetsavstånd på 56 mm mellan kameran och eleven.
Anmärkning: En enda mätning är tillräcklig, på grund av den låga variationen i elev storlek mätt vid konstant belysning. - Utföra en kontinuerlig inspelning av eleven (samplingsfrekvens = 5 Hz; Figur 2C, D) i den kontinuerliga förvärvs modaliteten. Kassera de första 20 – 50 mätningarna (4 – 10 s), eftersom elevens diameter under denna tid ökar (förvärvet startar genom avstängning av elev belysningen vid 40 lux). Genomsnittliga återstående mätningar.
- Spela in en enda kamera skott av eleven (figur 2a, B) med en konstant belysningsnivå på 40 Lux, trycka på den specifika knappen på hornhinnan topograf-pupillographer. Bibehålla ett optimalt arbetsavstånd på 56 mm mellan kameran och eleven.
- Spela in elev storlek för vänster och höger öga separat i vila (steg 3.1.2, 3.1.5 och 3.1.6).
- Spela in elev storlek under den haptiska uppgiften (steg 3.1.3, 3.1.5 och 3.1.6; vänster och höger separat). När du använder Single Shot modalitet (steg 4.2.1.1), förvärva fotot under den andra av två uppgift repetitioner, i början av pusslet yta utforskning. I den kontinuerliga inspelningsläge (steg 4.2.1.2), starta förvärvet när pusselbiten har placerats i handen av ämnet.
- Utvärdera offline vänster och höger elev storlek i vila och under haptiska uppgift genom direkt förvärv av de värden (i mm) som visas av programvaran. Beräkna den uppgiftsrelaterade mydriasis genom att subtrahera elev storleken i vila från elev storleken under den haptiska uppgiften och hämta alla genomsnittliga värden för vänster till höger.
- Förbered motivet för elev storleks mätningen med en korneal topograf-pupillograf (tabell över material), som förebygger synen på miljön, med hjälp av en av följande två förvärvsmetoder.
- Elev storlek i protokoll 2
- Förbered motivet för elevens storleksmätning med hjälp av en bärbar pupillometer/Eye Tracker (figur 3a), utrustad med en 3D-tryckt glas ramstruktur, med hjälp av följande procedur.
- Ha motivet bära den bärbara pupillometern. Justera positionen för de två infraröda kamerorna (figur 3A-2, 3) monterad på staplar som härrör från ramen (tabell över material), så att ögonen är inom synfältet av kamerorna och i fokus.
- Förvärva bilder av eleverna (samplingsfrekvens = 120 Hz), som bearbetas på nätet av programvaran som levereras med den bärbara pupilometer och ger pupill diameter (i mm) med hjälp av en geometrisk modell av den "genomsnittliga" mänskliga ögat. Bortse från Blink artefakter.
- Registrera kontinuerligt miljö belysningsnivån med hjälp av en kalibrerad logaritmisk ljussensor monterad på den bärbara pupillometerramen. Använd en frontal RGB-kamera monterad på den bärbara pupillometern (figur 3a-1) för att registrera ämnesfältet (samplingsfrekvens = 30 Hz) som är användbar för att studera syn beteende.
- Spela samtidigt in storleken på de två eleverna i vila för 20 s (figur 3B).
- Spela in elevernas storlek medan motivet utför Spinnler-Tognoni-testet, så att elev storleken och den kognitiva prestandan registreras samtidigt (steg 3.2.2, 3.2.4 och 3.2.5).
- Utvärdera offline vänster och höger elev storlek i vila och under Spinnler-Tognoni test, genom medelvärdes förvärvade värden (n = 2 400) för varje elev. Beräkna den uppgiftsrelaterade mydriasis genom att subtrahera elev storleken i vila från elev storlek under matriserna test, sedan alla genomsnittliga vänster-höger värden.
- Förbered motivet för elevens storleksmätning med hjälp av en bärbar pupillometer/Eye Tracker (figur 3a), utrustad med en 3D-tryckt glas ramstruktur, med hjälp av följande procedur.
- Blicken position
Anmärkning: Rekonstruera nätet fixeringspunkten med hjälp av bilderna från de två elever som erhålls från avsnitt 4,3. Bearbeta de förvärvade ramarna i realtid och uppskatta blicken fixering punkt med hjälp av en tidigare beräknad överföring funktion31 specifik för varje ämne bär Eye Tracker.- Om det behövs, när du utför protokoll 2, rekonstruera blicken position från elev bilderna. För att göra detta, lägga till fyra datordetekterbara syn markörer (aruco eller apriltag bibliotek av instrumentet programvara) till fyra hörn av matriser blad som används i avsnitt 4,1.
- Tillåt kalibrerings systemet (inbäddat i Eye Tracker-programvaran som för elevheadset som används) för att hämta data och utvärdera parametrarna för överföringsfunktionen som kartlägger fixeringspunkten, med utgångspunkt från bilder från de två eleverna. Som ett exempel, be motivet att stirra på en fördefinierad sekvens av punkter som visas i hans/hennes synfält (dvs. de fyra hörnen av matriserna arket och i mitten av arket själv), som registreras samtidigt av ytterligare RGB-kamera monterad på ramen och vänd mot synfältet.
- Spela in elev storlek under matriserna test.
- Beräkna offline blicken position som visas som en markering på varje bildruta av motivet synfält. Använd de fyra markörerna för att spåra blick positionen över matriserna över ramar.
5. statistisk analys
- Analysera elev storlek i vila och under uppgiften, Task-inducerad mydriasis, PI, SR, och ER under fyra förhållanden (ingen aktivitet, handtag, mjuk pellet, hård pellet) för tre gånger (t0, T7, T37) med hjälp av upprepade åtgärder ANOVA och statistik mjukvarupaket.
- Analysera förändringar i variabler med avseende på baslinjevärden (t0) under fyra förhållanden, (ingen aktivitet, handtag, mjuk pellet, hård pellet) för två gånger (T7, T37) med upprepade åtgärder ANOVA.
- När du kör ANOVA, om programvaran indikerar att datadistributionen inte är sfärisk, ta p-värdet som motsvarar den växthus-Geisser ε korrigering från utdata statistiktabellen.
- Korrelera förändringarna i prestanda (PI, SR, ER) på T7 och T37 med de som observerats i uppgiftsrelaterade mydriasis av linjär regressionsanalys.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Figur 4 visar ett representativt exempel på de resultat som erhållits när protokoll 1 tillämpades på ett enda ämne (46 år gammal, kvinna). PI ökades strax efter att ha tuggat (T7) både en hård (från 1,73 Numb/s till 2,27 Numb/s) och mjuk pellet (från 1,67 Numb/s till 1,87 Numb/s) (figur 4a). Men 30 min senare (T37), den ökade prestandan kvarstår endast för den hårda pelleten. Å andra sidan hade både en brist på aktivitet och handtag övning en negativ effekt på prestanda, som sjönk från 1,73 Numb/s till 1,67 Numb/s och från 1,6 Numb/s till 1,53 Numb/s, med en tendens att återhämta observerade 30 min senare, under den senaste experimentella utvärderingen.
Som observerats i figur 4B, observerades kvalitativt likartade förändringar för den uppgiftsrelaterade mydriasis. I detta fall bestod mätningarna av enskilda prover som togs slumpmässigt när motivet vilade. Under den haptiska uppgiften registrerades två samplingar, men den första förkastades. Alternativt, i instrumentets kontinuerliga förvärvs läge, registrerades 100 prover i 20 s, varvid de första 20 – 50 mätningarna inte beaktades, och de återstående var sedan i genomsnitt efter avlägsnandet av Blink artefakter (figur 2C, D). Enskilda prover återspeglar noggrant medelvärdet, på grund av att elev storleken uppnår en mycket stabil nivå på 4 – 10 s efter avstängning av ögon belysningen (figur 2C, D). Data som illustreras i figur 4 och figur 5 har replikerats i en population med 30 försökspersoner, och både de tugg-och handgripsinducerade förändringarna bekräftades statistiskt. Å andra sidan, när försökspersonerna inte var inblandade i någon aktivitet, det fanns inga ändringar i kognitiva prestanda och mydriasis30 både på T7 och T37.
Trots att 1) prestanda och mydriasis registrerades i olika uppgifter och 2) de 12 experimentella punkter illustreras i figur 5A, B spelades in på 4 separata dagar, är det anmärkningsvärt att en stark korrelation observerades mellan prestanda och uppgiftsrelaterade mydriasis (r = 0,939, p < 0,0005, y = 1.166 x-0,417). Som kan härledas från figur 5A, var denna relation på grund av de modifieringar som induceras av tugg hårda och mjuka pellets. Ännu mer överraskande var en korrelation uppenbar även när motsvarande förändringar med avseende på utgångsvärden övervägdes (r = 0,924, p < 0,001, y = 1.210 x + 0,101; Figur 5B).
Bland de 30 försökspersonerna som analyserades i studiet av Tramonti, var Al.30, Pi och mydriasis korrelerade signifikant i 26 av dem, med sluttningar motsvarande Regressions linjer som sträcker sig från 0.310 – 1.327 Numb/s/mm. Motsvarande förändringar var signifikant korrelerade i 22 försökspersoner (intervall av pister: 0.390 – 1.408).
Ännu starkare bevis för LC engagemang i de stimulerande effekterna av tugga på kognitiva prestanda kan erhållas genom korrelering av tugg-inducerad förändringar i PI med förändringen i mydriasis observerats endast under utförandet av matriserna testet. Detta kan åstadkommas under de mer naturliga förhållandena i protokoll 2, där försökspersonerna utför matriserna medan elev storleken registreras samtidigt (figur 6).
Figur 1: exempel på numeriska matriser för Spinnler-Tognoni. Testet består i att identifiera de mål nummer som anges ovan varje matris, som har kryssats av ämnet. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2: exempel på inspelningar av elev storlek från ett enskilt ämne i protokoll 1. (A) inspelning av elev storlek i vila, Single Shot. (B) inspelning av elev storlek under haptisk uppgift, Single Shot. C) kontinuerlig inspelning av elev storlek i vila under 20 s.D) kontinuerlig inspelning av elev storlek under haptisk uppgift för 20 s. pilar indikerar blinkande artefakter. I (C) och (D), data som tagits från tid 0 till tid 4 s kasseras från analysen. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3: exempel på inspelningar av elev storlek i protokoll 2. (A) foto av ett motiv som bär pupillometern. Siffrorna 1 – 3 anger placeringen av de tre kamerorna, som tillåter inspelningar av beteende (1) och elev storlek (2-3). (B) Top trace: nivån på den miljömässiga Lightening. Mellersta och nedre spår: vänster och höger elev storlek under utförandet av den spinnler-Tognoni matriser test. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 4: förändringar i prestanda och uppgiftsrelaterad mydriasis induceras av olika Sensorimotoriska aktiviteter i protokoll 1. (A) ändringar i PI. B) förändringar i uppgiftsrelaterad mydriasis. I (A) och (B), prickar, svarta fyrkanter, cirklar och vita kvadrater representerar data i förhållande till tugga hård pellet, tugga mjuk pellet, handtag, och ingen aktivitet, respektive. Varje aktivitet utfördes för 2 min från tid 5 min till tid 7 min. vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 5: relation mellan Pi och uppgiftsrelaterad mydriasis. API-värden som erhålls vid olika tidpunkter under de olika aktiviteter som illustreras i figur 4 ritas som en funktion av motsvarande värden för uppgiftsrelaterad mydriasis. (B) förändringar i PI med avseende på t0 (utvärderad som en skillnad) har ritats som en funktion av motsvarande förändringar i uppgiftsrelaterad mydriasis. I (A) och (B), prickar, svarta fyrkanter, cirklar och vita kvadrater representerar data i förhållande till tugga hård pellet, tugga mjuk pellet, handtag, och ingen aktivitet, respektive. Streckade linjer är Regressions linjer för alla datapunkter. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 6: samtidig inspelning av prestanda och uppgiftsrelaterad mydriasis. Enkel Bildrutevisning av ett motiv som utför de uppmärksamma matriserna testet, tagna från kameran monterad på pupilometerramen. Insetet i övre högra hörnet visar samtidiga bilder av båda eleverna. Den gröna cirkeln representerar fixeringspunkten. Den röda fläcken och cirklarna som drunknar på eleven är elev centret och konturerna, vilket utvärderas av spårningssystemet som fungerar på ögats videor. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
De protokoll som presenteras i denna studie ta itu med de akuta effekterna av sensomotoriska trigeminusneuralgi aktivitet på kognitiva prestanda och roll LC i denna process. Detta ämne har viss relevans, med tanke på att 1) under åldrandet korrelerar försämringen av tugg aktivitet med kognitiv förfall32,33,34; människor som bevarar munhälsa är mindre benägna att neurodegenerativa fenomen; 2) malocklusion och tänder extraktion inducerar neurodegenerativa effekter hos djur på Hippocampus och kortikal nivå35,36,37,38,39; 3) LC utövar trofiska åtgärder på hjärnan, reglerar neurovaskulär koppling, och hämmar neuroinflammation och ackumulering av beta-amyloid11,40; 4) det finns belägg för att neurodegenerativa sjukdomar kan utlösas av neurodegenerativa processer på LC-nivå11,40.
Protokoll 1 gör det möjligt att definiera specifika effekter av tugg med avseende på a) inlärningsprocesser som framkallas av successiva upprepningar av uppgiften och b) andra typer av vanlig motorisk aktivitet. Dessutom fastställs förekomsten/frånvaron av ett samband mellan förändringar i prestanda och mydriasis, med den senare betraktas som en indikator på phasic LC aktivering under uppgift. Detta bevis tyder starkt medverkan av LC i effekterna av sensomotoriska trigeminusneuralgi aktivering. Ett sådant protokoll har tillämpats på ett framgångsrikt sätt av Tramonti Som framgår av resultat sektionen, kan det också utnyttjas för att bedöma graden av beroende av prestanda på elev förändringar kopplade till LC-medierad upphetsning på individnivå. Att få denna mätning (Performance/LC aktivering) representerar en ny och viktig neuropsykologisk variabel som kan studeras i relation till kön, ålder, läkemedelsadministration, och eventuella beteendemässiga tillstånd.
Den viktigaste begränsningen av protokoll 1 är att elev storleks mätningar utförs vid konstant belysning, hindrar synen och utesluter bedömningen av Mydriasis som framkallas under matriserna skanning. Detta tvingar inspelningen av mydriasis under en annan uppgift. Detta problem löses genom att utföra protokoll 2, där en bärbar pupillometer utrustad med en ljussensor introduceras. På detta sätt är det möjligt att kontextuellt spela in både kognitiva prestanda och mydriasis under samma uppgift, vilket ger ännu mer övertygande bevis om effekterna av sensorimotorisk aktivitet på LC och prestanda. Detta bidrar också till att ta itu med studier som syftar till att relaterade LC aktivering till beteende förhållanden. För en korrekt tillämpning av protokoll 2 måste man vara noga med att hålla en konstant nivå av miljö belysning och preliminär kalibrering av bärbara instrument.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna har inget att avslöja.
Acknowledgments
Forskningen stöddes av stipendier från universitetet i Pisa. Vi tackar Paolo Orsini, Francesco Montanari, och Mrs Cristina Pucci för värdefull teknisk assistans, liksom I.A.C.E.R. S.r.L. Company för att stödja Dr Maria Paola Tramonti fans med en gemenskap. Slutligen tackar vi OCM-projekten företaget för att förbereda hårda pellets och utföra hårdhet och fjädrar konstant mätningar.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Anti-stress ball | Artengo, Decathlon, France | TB600 | |
| Chewing gum | Vigorsol, Perfetti, Italy | Commercially available product | |
| Infrared Camera-Wearable pupillometer | Pupil Labs, Berlin, Germany | Pupil Labs headset | |
| Pupillographer | CSO, Florence, Italy | MOD i02, with chin support | |
| Silicon rubber | Prochima, Italy | gls50 | |
| Software for pupil detection - wearable pupillometer | Pupil Labs, Berlin, Germany | Pupil Labs headset | |
| Tangram Puzzle | Città del Sole srl, Milano, Italy | Tangram Puzzle | |
| Wearable pupillometer | Pupil Labs, Berlin, Germany | Pupil labs model | Dimension of the frame: 13.5 cm x 15.5 cm |
References
- Hirano, Y., et al. Effects of chewing on cognitive processing speed. Brain and Cognition. 81 (3), 376-381 (2013).
- Hirano, Y., Onozuka, M.
- Allen, A. P., Smith, A. P. Effects of chewing gum and time-on-task on alertness and attention. Nutritional Neuroscience. 15 (4), 176-185 (2012).
- Johnson, A. J., et al. The effect of chewing gum on physiological and self-rated measures of alertness and daytime sleepiness. Physiology & Behavior. 105 (3), 815-820 (2012).
- Tucha, O., Mecklinger, L., Maier, K., Hammerl, M., Lange, K. W. Chewing gum differentially affects aspects of attention in healthy subjects. Appetite. 42 (3), 327-329 (2004).
- Allen, K. L., Norman, R. G., Katz, R. V. The effect of chewing gum on learning as measured by test performance. Nutrition Bulletin. 33 (2), 102-107 (2008).
- Smith, A. Effects of chewing gum on mood, learning, memory and performance of an intelligence test. Nutritional Neuroscience. 12 (2), 81-88 (2009).
- Sakamoto, K., Nakata, H., Kakigi, R. The effect of mastication on human cognitive processing: a study using event-related potentials. Clinical Neurophysiology: Official Journal of the International Federation of Clinical Neurophysiology. 120 (1), 41-50 (2009).
- Hirano, Y., et al. Effects of chewing in working memory processing. Neuroscience Letters. 436 (2), 189-192 (2008).
- Roger, A., Rossi, G. F., Zirondoli, A. Le rôle des afferences des nerfs crâniens dans le maintien de l'etat vigile de la preparation "encephale isolé". Electroencephalography and Clinical Neurophysiology. 8 (1), 1-13 (1956).
- De Cicco, V., et al. Trigeminal, Visceral and Vestibular Inputs May Improve Cognitive Functions by Acting through the Locus Coeruleus and the Ascending Reticular Activating System: A New Hypothesis. Frontiers in Neuroanatomy. 11, 130 (2017).
- Samuels, E. R., Szabadi, E. Functional neuroanatomy of the noradrenergic locus coeruleus: its roles in the regulation of arousal and autonomic function part I: principles of functional organisation. Current Neuropharmacology. 6 (3), 235-253 (2008).
- Carter, M. E., et al. Tuning arousal with optogenetic modulation of locus coeruleus neurons. Nature Neuroscience. 13 (12), 1526-1533 (2010).
- Rajkowski, J., Kubiak, P., Aston-Jones, G. Correlations between locus coeruleus (LC) neural activity, pupil diameter and behaviour in monkey support a role of LC in attention. Society for Neuroscience Abstracts. 19, 974 (1993).
- Rajkowski, J., Kubiak, P., Aston-Jones, G. Locus coeruleus activity in monkey: phasic and tonic changes are associated with altered vigilance. Brain Research Bulletin. 35 (5-6), 607-616 (1994).
- Alnæs, D., et al. Pupil size signals mental effort deployed during multiple object tracking and predicts brain activity in the dorsal attention network and the locus coeruleus. Journal of Vision. 14 (4), (2014).
- Murphy, P. R., O'Connell, R. G., O'Sullivan, M., Robertson, I. H., Balsters, J. H. Pupil diameter covaries with BOLD activity in human locus coeruleus. Human Brain Mapping. 35 (8), 4140-4154 (2014).
- Joshi, S., Li, Y., Kalwani, R. M., Gold, J. I. Relationships between Pupil Diameter and Neuronal Activity in the Locus Coeruleus, Colliculi, and Cingulate Cortex. Neuron. 89 (1), 221-234 (2016).
- Bradshaw, J. Pupil size as a measure of arousal during information processing. Nature. 216 (5114), 515-516 (1967).
- Gabay, S., Pertzov, Y., Henik, A. Orienting of attention, pupil size, and the norepinephrine system. Attention, Perception & Psychophysics. 73 (1), 123-129 (2011).
- Usher, M., Cohen, J. D., Servan-Schreiber, D., Rajkowski, J., Aston-Jones, G. The role of locus coeruleus in the regulation of cognitive performance. Science (New York, NY). 283 (5401), 549-554 (1999).
- Laeng, B., et al. Invisible emotional expressions influence social judgments and pupillary responses of both depressed and non-depressed individuals. Frontiers in Psychology. 4, (2013).
- Silvetti, M., Seurinck, R., van Bochove, M. E., Verguts, T. The influence of the noradrenergic system on optimal control of neural plasticity. Frontiers in Behavioral Neuroscience. 7, 160 (2013).
- Hoffing, R. C., Seitz, A. R. Pupillometry as a glimpse into the neurochemical basis of human memory encoding. Journal of Cognitive Neuroscience. 27 (4), 765-774 (2015).
- Kihara, K., Takeuchi, T., Yoshimoto, S., Kondo, H. M., Kawahara, J. I. Pupillometric evidence for the locus coeruleus-noradrenaline system facilitating attentional processing of action-triggered visual stimuli. Frontiers in Psychology. 6, 827 (2015).
- Hayes, T. R., Petrov, A. A. Pupil Diameter Tracks the Exploration-Exploitation Trade-off during Analogical Reasoning and Explains Individual Differences in Fluid Intelligence. Journal of Cognitive Neuroscience. 28 (2), 308-318 (2016).
- De Cicco, V., Cataldo, E., Barresi, M., Parisi, V., Manzoni, D. Sensorimotor trigeminal unbalance modulates pupil size. Archives Italiennes De Biologie. 152 (1), 1-12 (2014).
- De Cicco, V., Barresi, M., Tramonti Fantozzi, M. P., Cataldo, E., Parisi, V., Manzoni, D. Oral Implant-Prostheses: New Teeth for a Brighter Brain. PloS One. 11 (2), e0148715 (2016).
- Spinnler, H., Tognoni, G. Italian standardization and classification of Neuropsychological tests. The Italian Group on the Neuropsychological Study of Aging. Italian Journal of Neurological Sciences. 8, 1 (1987).
- Tramonti Fantozzi, M. P., et al. Short-Term Effects of Chewing on Task Performance and Task-Induced Mydriasis: Trigeminal Influence on the Arousal Systems. Frontiers in Neuroanatomy. 11, 68 (2017).
- Kassner, M., Patera, W., Bulling, A. Pupil: An Open Source Platform for Pervasive Eye Tracking and Mobile Gaze-based Interaction. arXiv.org. , http://arxiv.org/abs/1405.0006 (2014).
- Gatz, M., et al. Potentially modifiable risk factors for dementia in identical twins. Alzheimer's & Dementia: The Journal of the Alzheimer's Association. 2 (2), 110-117 (2006).
- Okamoto, N., et al. Relationship of tooth loss to mild memory impairment and cognitive impairment: findings from the Fujiwara-kyo study. Behavioral and Brain Functions. 6, 77 (2010).
- Weijenberg, R. A. F., Lobbezoo, F., Knol, D. L., Tomassen, J., Scherder, E. J. A. Increased masticatory activity and quality of life in elderly persons with dementia--a longitudinal matched cluster randomized single-blind multicenter intervention study. BMC Neurology. 13, 26 (2013).
- Kato, T., et al. The effect of the loss of molar teeth on spatial memory and acetylcholine release from the parietal cortex in aged rats. Behavioural Brain Research. 83 (1-2), 239-242 (1997).
- Onozuka, M., et al. Impairment of spatial memory and changes in astroglial responsiveness following loss of molar teeth in aged SAMP8 mice. Behavioural Brain Research. 108 (2), 145-155 (2000).
- Watanabe, K., et al. The molarless condition in aged SAMP8 mice attenuates hippocampal Fos induction linked to water maze performance. Behavioural Brain Research. 128 (1), 19-25 (2002).
- Kubo, K. Y., Iwaku, F., Watanabe, K., Fujita, M., Onozuka, M. Molarless-induced changes of spines in hippocampal region of SAMP8 mice. Brain Research. 1057 (1-2), 191-195 (2005).
- Oue, H., et al. Tooth loss induces memory impairment and neuronal cell loss in APP transgenic mice. Behavioural Brain Research. 252, 318-325 (2013).
- Mather, M., Harley, C. W. The Locus Coeruleus: Essential for Maintaining Cognitive Function and the Aging Brain. Trends in Cognitive Sciences. 20 (3), 214-226 (2016).
