Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Neuroscience
Click here for the English version

Neuroscience

הערכת שינויי האישון בליקום כפיית-עוררות בתיווך באמצעות גירוי מעורר

Published: November 26, 2019 doi: 10.3791/59970
Automatic Translation
*1, *2,3, *1, 4, 5, 1, 6, 1, 2,3, 1,7, 1
1Department of Translational Research and of New Surgical and Medical Technologies, University of Pisa, 2The BioRobotics Institute, Scuola Superiore Sant'Anna, 3Department of Excellence in Robotics & AI, Scuola Superiore Sant'Anna, 4Institut des Maladie Neurodegeneratives, University of Bordeaux, 5Department of Physics, University of Pisa, 6Department of Surgical, Medical, Molecular Pathology and Critical Care Medicine, University of Pisa, 7Department of Developmental Neuroscience, IRCCS Foundation Stella Maris
* These authors contributed equally

Summary

כדי לוודא אם ההשפעות השליליות על הביצועים הקוגניטיביים כרוכות לוקוס הפעילות כפיית, שני פרוטוקולים מוצגים כי המטרה להעריך את היחסים האפשריים בין הביצועים הקשורים לפעילות שינויים בגודל התלמיד הנגרמת על ידי לעיסת. פרוטוקולים אלה עשויים להיות מיושם על תנאים שבהם התרומה כפיית לוקוס מהווה חשד.

Abstract

הספרות המדעית הנוכחית מספקת ראיות לכך שהפעילות הsensorimotor הקשורה ללעיסה עלולה להשפיע על עוררות, תשומת לב וביצועים קוגניטיביים. תופעות אלו עשויות לנבוע מקשרים נרחבים של המערכת הטרימגית למערכת ההפעלה המקולרית העולה (מארס), שאליה משתייך הנוירונים הנואדרריגיים של מקום הלינה כפיית (LC). נוירונים LC מכילים תחזיות למוח כולו, ידוע כי השחרור שלהם שיתוף משתנה עם גודל התלמיד. הפעלת LC היא הכרחית עבור ה, מעורר את mydriasis הקשור לפעילות. אם לעיסת אפקטים על ביצועים קוגניטיביים מתווכת על ידי LC, סביר לצפות כי שינויים בביצועים קוגניטיביים מקושרים לשינויים mydriasis הקשורים לפעילות. שני הפרוטוקולים החדשניים מוצגים כאן כדי לאמת את ההשערה הזאת ומסמך כי השפעות לעיסה אינם מייחס להפעלה מוטורית באמצעות aspecific. בשני הפרוטוקולים, ביצועים ושינויים בגודל התלמיד שנצפו במהלך משימות ספציפיות נרשמים לפני, זמן קצר לאחר מכן, וחצי שעה לאחר תקופה של 2 דקות של: a) אין פעילות, b) קצבית, אחיזת ידיים, c) לעיסה דו צדדית של גלולה רכה, ו d) . לעיסה דו-צדדית של גלולה קשה הפרוטוקול הראשון מודד את רמת הביצועים באיתור מספרי יעד המוצגים בתוך מטריצות מספריות. מאז הקלטות גודל התלמיד נרשמות על ידי מדידת הפופילמטר המתאים הפוגעת בראייה כדי להבטיח רמות תאורה קבועות, mydriasis הקשורות למשימות מוערך במהלך משימה האפוטית. תוצאות פרוטוקול זה לגלות כי 1) שינויים המושרה ביצועים הקשורים mydriasis משימה מתואמים 2) לא ביצועים ולא mydriasis משופרים על ידי אחיזת ידיים. בפרוטוקול השני, שימוש במטרים לבישים מאפשר מדידה של שינויים בגודל התלמיד ואת הביצועים במהלך אותה משימה, ובכך מאפשר אפילו ראיות חזקות יותר לקבל לגבי מעורבות LC בהשפעות המשולש על פעילות קוגניטיבית. שני הפרוטוקולים מופעל במשרדו ההיסטורי של פרופ ' ג'וזפה מורצי, הגלה של אראס, ב אוניברסיטת פיזה.

Introduction

בבני אדם, ידוע כי לעיסת מהירות עיבוד קוגניטיבית1,2 ומשפרת את התעוררות3,4, תשומת לב5, למידה, ו זיכרון6,7. אפקטים אלה משויכים קיצור של השהיות של פוטנציאל הקשורות לאירועים הקשורים לאירוע8 ועלייה בפרזיה של מספר מבנים הקורטיקליים והקורטיקליים2,9.

בתוך עצבי הגולגולת, המידע הרלוונטי ביותר העומד בפני הדלקת הקורטיתית והתעוררות מתבצעת על-ידי סיבי הטריברינאלה10, כנראה עקב התחברות מטריברית חזקה למערכת ההפעלה המקולרית העולה (אראס)11. בין מבני מאראס, ה-לוקוס כפיית (LC) מקבל כניסות מודולים11 ו מודולריטיות התעוררות12,13, ופעילותה משתנה עם התלמיד מידה14,15,16,17,18. למרות הקשר בין פעילות מנוחה LC ביצועים קוגניטיביים הוא מורכב, שיפור הפעילות הקשורות של פעילות LC מוביל התעוררות משויך19 התלמיד mydriasis20 וביצועים קוגניטיביים משופרת21. יש וריאציה אמינה בין פעילות LC לבין גודל התלמיד, והאחרון נחשב כיום פרוקסי של פעילות נוראדררגית מרכזית22,23,24,25,26.

הפעלה אסימטרית של הענפים sensorimotor טריגורייום משרה אסימטריות (anisocoria)27,28, מאשרת את הכוח של הטריאמסטינו-כפיית הקשר. אם ה-LC משתתף בהשפעות הגירוי של לעיסת ביצועים קוגניטיביים, זה עשוי להשפיע mydriasis הקשורות למשימות מקבילי, אשר הוא מחוון של הפעלה LC phasic במהלך משימה. זה עשוי גם להשפיע על הביצועים, כך ניתן לצפות מתאם בין שינויים המושרה לעיסה בביצועים מיקאזיס. יתר על כן, אם אפקטים המשולש הם ספציפיים, השפעות לעיסה צריך להיות גדול יותר מאשר אלה המהרוויח על ידי משימה אחרת מנוע קצבי. , כדי לבחון את ההשערות האלה. שני פרוטוקולים ניסיוניים מוצגים בזאת הם מבוססים על מדידות משולבות של ביצועים קוגניטיביים וגודל התלמיד, המבוצעים לפני ואחרי תקופה קצרה של פעילות לעיסה. פרוטוקולים אלה לנצל מבחן המורכב במציאת מספרי היעד המוצגים בתוך מטריצות קשוב מספריים29, לצד עם מספרים שאינם מטרה. בדיקה זו מאמתת ביצועים קשובים וקוגניטיביים.

המטרה הכוללת של הפרוטוקולים הללו היא להמחיש כי גירוי המשולש מעורר שינויים ספציפיים ביצועים קוגניטיביים, אשר לא ניתן לשנות באופן מיוחד לדור של פקודות מנוע והם קשורים שינויים מקושרים התלמיד ב-LC-תיווך עוררות. יישומים של הפרוטוקולים להאריך את כל התנאים התנהגותיים שבהם ניתן למדוד ביצועים ומעורבות של ה-LC הוא חשד.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

כל השלבים לעקוב אחר ההנחיות של ועדת אתית של אוניברסיטת פיזה.

1. גיוס משתתפים

  1. גייס אוכלוסיית נושא לפי המטרה הספציפית של המחקר (כלומר, נושאים נורמליים ו/או חולים, זכרים ו/או נקבות, צעירים ו/או חונכים).

2. הכנת חומרים

  1. הכינו גלולה רכה; להשתמש במסטיקלעיסה זמין מסחרית (לוח חומרים; קשיות הראשונית= 20 חוף OO).
  2. הכינו גלולה קשה; השימוש כדורי גומי סיליקון (טבלה של חומרים; קשיות קבוע = 60 החוף OO)30.
  3. הכינו כדור נגד לחץ למשימת אחיזת ידיים. השתמש מקצף פוליאוריטן כדור (טבלה של חומרים; קשיות קבוע = 30 חוף OO)30.
  4. להכין חידה טנגרם (טבלת חומרים; מספר חלקים = שבעה) לביצוע המשימה האפוטית.

3. תרשים זרימה של הניסוי

  1. תרשים זרימה של פרוטוקול 1
    1. הערכת ביצועים בסיסיים (ראה סעיף 4.1) במבחן הקוגניטיבי (מטריצות) (T0, שליטה).
    2. הערך את גודל האישון (ראה סעיף 4.2) במנוחה (לא נדרשת פעילות מהנושא) (T0, פקד).
    3. הערכת גודל האישון במהלך משימה האפוטית בהתבסס על טנגרם (T0, שליטה).
      1. להסיר את אחד השברים מתוך הפאזל ולמקם אותו ביד של הנבדק.
      2. בקשו מהנושא להחזיר את היצירה לפאזל, מבלי להביט בפאזל.
    4. בקש מכל נושא לבצע שלוש פעילויות ספציפיות עבור 2 דקות או למנוחה עבור 2 דקות, לפי שלבים 3.1.4.1 – 3.1.4.4. בקש מהנושאים לבצע פעילויות אלה בהפעלות נפרדות המתרחשות בימים שונים (2-3 ימים בין הפעלות).
      1. בקשו מהנושא ללעוס גלולה רכה שניתנת לטיפול עצמי במשך 2 דקות, ומאפשרים לו לבחור באופן ספונטני הן את שיעור הלעיסה והצד של הפה ללעוס. לאחר 1 דקות של לעיסה, לשאול אותו/לה לשנות את הצד לעיסה (ואת הגלולה).
      2. בקשו מהנושא ללעוס גלולה קשה הניתנת לטיפול עצמי במשך 2 דקות. לאחר 1 דקות, בקש ממנו לשנות את הצד הלעיסה (אך לא את הגלולה).
      3. בקשו מהנושא לבצע סחיטה קצבית של כדור נגד סטרס (תרגיל אחיזת ידיים) עבור 2 דקות בקצב וביד בחירתם. לאחר 1 דקות, בקשו מהנושא להחליף ידיים.
      4. בקש מהנושא לנוח (ללא פעילות) עבור 2 דקות.
    5. רק לאחר סוף כל שלב (3.1.4.1 – 3.1.4.4), להעריך את הביצועים במבחן מטריצות וגודל התלמיד במנוחה במהלך המשימה האפוטית (T7).
      הערה: המונח "במנוחה" פירושו שהנושא במהלך מדידת גודל התלמיד מרגיע. המונח "במהלך הפעילות האפוטית" פירושו שהנושא במהלך מדידת גודל התלמיד מבצע את המשימה על בסיס טנגרם.
    6. שלושים דקות לאחר סיום כל שלב (3.1.4.1 – 3.1.4.4), מעריכים את הביצועים ואת גודל התלמיד במנוחה ובמהלך הפעילות האפוטית (T37).
  2. תרשים זרימה של פרוטוקול 2
    1. הערכת גודל האישון בזמן שהנושא מונח (T0, שליטה; ראה סעיף 4.3).
    2. הערכת ביצועים בסיסיים במבחן הקוגניטיבי (מטריצות) תוך כדי בדיקת גודל האישון (T0, שליטה).
    3. בקש מכל נושא לבצע שלוש פעילויות ספציפיות עבור 2 דקות או למנוחה עבור 2 דקות, לפי שלבים 3.2.3.1 – 3.2.3.4. בקש מהנושאים לבצע פעילויות אלה בהפעלות נפרדות המתרחשות בימים שונים (2-3 ימים בין הפעלות).
      1. בקשו מהנושא ללעוס גלולה רכה שניתנת לטיפול עצמי במשך 2 דקות, ומאפשרים לו לבחור באופן ספונטני הן את שיעור הלעיסה והצד של הפה ללעוס. לאחר 1 דקות של לעיסה, לשאול אותו/לה לשנות את הצד לעיסה (ואת הגלולה).
      2. בקשו מהנושא ללעוס גלולה קשה הניתנת לטיפול עצמי במשך 2 דקות. לאחר 1 דקות, בקש ממנו לשנות את הצד הלעיסה (אך לא את הגלולה).
      3. בקשו מהנושא לבצע סחיטה קצבית של כדור נגד סטרס (תרגיל אחיזת ידיים) עבור 2 דקות בקצב ובצד הבחירה שלהם. לאחר 1 דקות, בקשו מהנושא להחליף ידיים.
      4. בקש מהנושא להירגע (ללא פעילות) עבור 2 דקות.
    4. בדיוק לאחר סיום כל שלב (צעדים 3.2.3.1 – 3.2.3.4), הערך את גודל האישון במנוחה והן את הביצועים ואת גודל התלמיד במבחן מטריצות (T7).
    5. שלושים דקות לאחר סיום כל שלב (צעדים 3.2.3.1 – 3.2.3.4), מעריכים את גודל האישון במנוחה והן את הביצועים ואת גודל האישון במבחן המיטריצות (T37).

4. משתנים מדודים בפרוטוקולים 1 ו-2

  1. ביצועים קוגניטיביים
    הערה: בשני הפרוטוקולים 1 ו-2, למדוד ביצועים קוגניטיביים באמצעות בדיקה מבוסס על גרסה שונה של מטריצות Spinnler-Tognoni מספרי29.
    1. הצגת שלושה מטריצות מספריות (10 x 10) מודפס על נייר לנושא. לאחר מכן, בקש מהנושא לסרוק את קווי המטריצה באופן רציף, תוך שהוא מתקתק עם עיפרון כמו רבים ממספרי היעד ככל האפשר (60 מטרות מתוך 300 מספרים כולל) המצוין מעל כל מטריצה (איור 1) בתוך 15 s.
    2. לנצל מטריצות עם תנוחות שונות של מספרי היעד ב T0, T7, ו T37 כדי למנוע את המבוא של המייסדים הקשורים תהליכי למידה.
    3. הערך לא מקוון את אינדקס הביצועים (PI), קצב הסריקה (SR) וקצב השגיאה (ER) כדלקמן: PI = (מספרי יעד מסומנים בקו 15)/15; SR = (יעד + מספרים שאינם יעד שנסרקו בתוך 15 s)/15; ER = (מספרי היעד החמיץ + מספרים שאינם מטרה מסומנים בקו 15 s)/15.
  2. גודל התלמיד בפרוטוקול 1
    1. הכינו את הנושא למדידת גודל התלמיד עם טופוגרף הקרנית (לוח חומרים), המונע את החזון של הסביבה, תוך שימוש באחת משתי הליכי הרכישה הבאים.
      1. הקלט מצלמה אחת בודדת של התלמיד (איור 2א, ב) עם רמת תאורה קבועה של 40 lux, לחיצה על הכפתור הספציפי על טופוגרף הקרנית-פופיללוגרף. שמרו על מרחק עבודה אופטימלי של 56 מ"מ בין המצלמה לתלמיד.
        הערה: מדידה אחת מספיקה, בשל רמת ההשתנות הנמוכה של גודל התלמיד הנמדד בהארה מתמדת.
      2. ביצוע הקלטה רציפה של התלמיד (קצב דגימה = 5 הרץ; איור 2ג, ד) במודאליות של רכישה רציפה. להיפטר 20-50 המדידות הראשונות (4-10 s), מאז במהלך הצניחה של הזמן, קוטר התלמיד גדל (הרכישה מתחילה על ידי החלפת התלמידים התאורה ב 40 lux). ממוצע המידות הנותרות.
    2. הקלט את גודל האישון של העין השמאלית והימנית בנפרד במנוחה (שלבים 3.1.2, 3.1.5 ו3.1.6).
    3. הקלטת גודל תלמיד במהלך הפעילות האפוטית (שלבים 3.1.3, 3.1.5 ו3.1.6; שמאל וימין בנפרד). בעת שימוש במודאליות בודדת (שלב 4.2.1.1), לרכוש את התמונה במהלך השנייה של שתי חזרות משימה, בתחילת הפאזל משטח החקירה. במצב מתמשך של הקלטה (שלב 4.2.1.2), להתחיל את הרכישה כאשר פיסת הפאזל הוצב בידו של הנושא.
    4. הערכת גודל האישון הלא מקוון והימני של התלמיד במנוחה ובמהלך הפעילות האפוטית על-ידי רכישה ישירה של הערכים (ב-mm) המוצגת על-ידי התוכנה. חשב את mydriasis הקשור למשימות על-ידי הפחתת גודל האישון במנוחה מגודל התלמיד במהלך הפעילות האפוטית והשגת כל הערכים השמאליים-ימניים הממוצעים.
  3. גודל התלמיד בפרוטוקול 2
    1. הכינו את הנושא למדידת גודל האישון בעזרת מכשיר מדידה/עין (איור 3א), ניחן במבנה זכוכית מודפס תלת-ממדי, באמצעות ההליך הבא.
      1. שהנושא ילבש את. הפופילמטר הלבישים להתאים את המיקום של שתי מצלמות אינפרא אדום (איור 3A-2, 3) רכוב על הסורגים הנובעים מהמסגרת (טבלה של חומרים), כך העיניים הן בתוך שדה הראייה של המצלמות ובפוקוס.
      2. השיגו תמונות של התלמידים (שיעור הדגימה = 120 Hz), אשר מעובדים באופן מקוון על ידי התוכנה המסופקת עם מדידת הלחץ הלבישים ומספק קוטר הפופילארי (ב מ) תוך שימוש במודל גיאומטרי של העינית האנושית הממוצעת. התעלמות מחפצי מצמוץ.
      3. הקלט ברציפות את רמת התאורה הסביבתית באמצעות חיישן אור לוגריתמי מכויל המותקן על מסגרת הפפילמטר לבישים. השתמש במצלמת RGB חזיתית הנטענת על המטרים הלבישים (איור 3א -1) כדי להקליט את שדה הנושא של התצוגה (קצב דגימה = 30 Hz) שימושי ללמוד התנהגות מבט.
    2. הקלט במקביל את גודל שני התלמידים במנוחה של 20 (איור 3ב').
    3. תעד את גודל התלמידים בזמן שהנושא מבצע את הבדיקה Spinnler-Tognoni, כדי להיות בעלי גודל האישון והביצועים הקוגניטיביים שנרשמו בו (שלבים 3.2.2, 3.2.4 ו3.2.5).
    4. הערכת גודל האישון הלא מקוון והימני של התלמיד במנוחה ובמהלך מבחן Spinnler-Tognoni, לפי חישוב ממוצע של ערכים נרכשים (n = 2,400) עבור כל תלמיד. חשב את mydriasis הקשור לפעילות על-ידי הפחתת גודל האישון במנוחה מגודל התלמיד במהלך הבדיקה של המטריצות, כל הערכים השמאליים-ימניים הממוצעים.
  4. מיקום מבט
    הערה: בנייה מקוונת של נקודת הקיבוע בתמונות של שני התלמידים שהתקבלו מסעיף 4.3. עבד את המסגרות שנרכשו בזמן אמת והערך את נקודת הקיבוע של המבט באמצעות פונקציית העברה שחושבה בעבר31 ספציפית עבור כל נושא החובש את מכשיר המעקב של העין.
    1. במקרה הצורך, בעת ביצוע הפרוטוקול 2, לשחזר את מיקום המבט מתוך תמונות התלמידים. כדי לעשות זאת, להוסיף ארבעה סמנים לזיהוי מחשב המחשב (ארוקו או AprilTag ספריות של תוכנת המכשיר) לארבע פינות של הגיליון מטריצות המשמש בסעיף 4.1.
    2. אפשר למערכת הכיול (המוטבעת בתוכנת גשש העין לשימוש באוזניית האישון) כדי לרכוש את הנתונים, ולהעריך את הפרמטרים של פונקציית ההעברה הממפות את נקודת הקיבוע, החל מתמונות של שני התלמידים. לדוגמה, בקש מהנושא להתבונן ברצף מוגדר מראש של נקודות המוצגות בשדה הראייה שלו (כלומר, ארבע פינות הגיליון המטריצות ובמרכז הגיליון עצמו), אשר נרשמות בו זמנית על ידי מצלמת ה-RGB הנוספת הטעונה על המסגרת וניצבת מול שדה הראייה.
    3. הקלטת גודל תלמיד במהלך מבחן הטריצות.
    4. חשב מיקום מבט לא מקוון המופיע כסימון בכל מסגרת בשדה התצוגה של הנושא. השתמש בארבעת הסמנים כדי לעקוב אחר מיקום המבט מעל המטריצות על פני מסגרות.

5. אנליזה סטטיסטית

  1. ניתוח גודל התלמיד במנוחה ובמהלך המשימה, mydriasis המושרה המשימה, PI, SR, ו-ER תחת ארבעה תנאים (אין פעילות, אחיזת ידיים, גלולה רכה, גלולה קשה) במשך שלוש פעמים (T0, T7, T37) באמצעות אמצעים חוזרים ונשנים ANOVA וסטטיסטיקה חבילת תוכנה.
  2. ניתוח שינויים במשתנים ביחס לערכים בסיסיים (T0) מתחת לארבעה תנאים, (אין פעילות, אחיזת ידיים, גלולה רכה, גלולה קשה) במשך פעמיים (T7, T37) באמצעות מדדים חוזרים באמצעות ANOVA.
  3. בעת הפעלת ANOVA, אם התוכנה מציינת שהפצת הנתונים אינה כדורית, קח את ערך ה-p המתאים לתיקון ε של חממות-Geisser מהטבלה הסטטיסטית המפוטרת.
  4. התאם את השינויים בביצועים (PI, SR, ER) ב-T7 ו-T37 עם אלה שנצפו בתהליך mydriasis הקשור למשימות באמצעות ניתוח רגרסיה ליניארית.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

איור 4 מציג דוגמה מייצגת של התוצאות המתקבלות כאשר פרוטוקול 1 הוחל על נושא אחד (בן 46 שנים, נקבה). PI הוגדלה בזמן הקרוב לאחר שלעס (T7) הן קשה (מ 1.73 ו/s כדי 2.27 רדומות/s) ואת הגלולה רך (מ 1.67 רדומות/s כדי 1.87 רדומות/s) (איור 4א). עם זאת, 30 דקות מאוחר יותר (T37), הביצועים המוגבר המשיכו רק על הגלולה הקשה. מצד שני, הן חוסר פעילות והתרגיל אחיזת ידיים היתה השפעה שלילית על הביצועים, אשר ירד מ 1.73 ו/s כדי 1.67 רדומות/s ו מ 1.6 רדומות/s כדי 1.53 רדומות/s, עם נטייה לשחזר נצפה 30 דקות מאוחר יותר, במהלך ההערכה הניסיונית האחרונה.

כפי שנצפה באיור 4B, נצפו שינויים דומים באיכות המידע עבור mydriasis הקשור למשימות. במקרה זה, המידות היו מורכבת מדגימות בודדות שנלקחו באופן אקראי כאשר הנושא נח. במהלך הפעילות האפוטית נרשמו שתי דגימות, אך הראשון נמחק. לחילופין, במצב רכישה רציפה של המכשיר, 100 דגימות נרשמו 20 s, עם הראשון 20-50 מדידות התעלמו, ואת הנותרים היו אז בממוצע בעקבות ההסרה של חפצי מצמוץ (איור 2ג, ד). דגימות אישיות משקפות היטב את הערך הממוצע, בשל העובדה כי גודל התלמיד מגיע לרמה יציבה מאוד 4-10 בעקבות המעבר של תאורה העין (איור 2ג, ד). נתונים מאוירים באיור 4 ואיור 5 שוכפלו באוכלוסיה של 30 נושאים, והשינויים שבוצעו באמצעות לעיסה ואחיזת ידיים היו מאושרים מבחינה סטטיסטית. מצד שני, כאשר הנבדקים לא היו מעורבים בפעילות כלשהי, לא היו שינויים בביצועים קוגניטיביים ומידריאזיס30 שניהם ב T7 ו T37.

למרות העובדה 1) הביצועים וmydriasis נרשמו במשימות שונות 2) את 12 נקודות ניסיוני מומחש באיור 5א, B נרשמו ב 4 ימים נפרדים, זה מדהים כי מתאם חזק נצפתה בין ביצועים הקשורות משימה mydriasis (r = 0.939, p < 0.0005, y = 1.166 x-0.417). כפי שניתן להסיק מאיור 5א, קשר זה היה בשל השינויים שנגרמה על ידי לעיסת כדוריות קשות ורכות. אפילו יותר באופן מפתיע, מתאם היה ברור גם כאשר השינויים המתאימים ביחס ערכים בסיסיים נחשבו (r = 0.924, p < 0.001, y = 1.210 x + 0.101; איור 5ב).

בין 30 הנושאים שנותחו במחקר של מיונטי Fantozzi et al.30, PI ו mydriasis היו מתואמים באופן משמעותי 26 מהם, עם מדרונות של קווי הרגרסיה המקביל החל 0.310 – 1.327 רדומות/s/mm. השינויים המקבילים היו בקורלציה משמעותית ב -22 נושאים (מגוון מדרונות: 0.390 – 1.408).

אפילו ראיות חזקות יותר של מעורבות LC בהשפעות גירוי של לעיסת ביצועים קוגניטיביים ניתן להשיג על ידי התייחסות השינויים המושרה לעיסה ב-PI עם שינוי mydriasis נצפתה רק במהלך ביצוע של מבחן מטריצות. ניתן להשיג זאת תחת התנאים הטבעיים יותר של פרוטוקול 2, שבו נושאים לבצע את הבדיקה מטריצות בזמן שגודל התלמיד נרשם בו (איור 6).

Figure 1
איור 1: דוגמה של מטריצות מספריות של Spinnler-Tognoni. הבדיקה מורכבת בזיהוי מספרי היעד המצוין מעל כל מטריצה, אשר תיקלו על ידי הנושא. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 2
איור 2: דוגמה להקלטות של גודל האישון מנושא אחד בפרוטוקול 1. (א) הקלטת גודל התלמיד במנוחה, יריה בודדת. (ב) הקלטת גודל התלמיד במהלך משימה האפוטית, יריה בודדת. (ג) הקלטה רציפה של גודל התלמיד במנוחה עבור 20 ס. (ד) הקלטה רציפה של גודל התלמיד במהלך משימה האפוטית עבור 20 s. חיצים מציינים פריטים מהבהבים. בתוך (ג) ו-(ד), נתונים שנלקחו מזמן 0 לזמן 4 s נמחקים מהניתוח. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 3
איור 3: דוגמה של הקלטות גודל האישון בפרוטוקול 2. (א) תמונה של נושא לבישת הפופילמטר. המספרים 1 – 3 מציינים את המיקום של שלוש המצלמות, אשר מאפשרות התנהגות (1) וגודל התלמיד (2-3) הקלטות. (ב) מעקב עליון: רמת הברק הסביבתי. עקבות באמצע ובתחתית: גודל האישון השמאלי והימני במהלך ביצוע הבדיקה של מטריצות Spinnler-Tognoni. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 4
איור 4: שינויים בביצועים ובמידריאזיס הקשורים למשימות המושרה על-ידי פעילויות sensorimotor שונות בפרוטוקול 1. (א) שינויים ב-PI. (ב) שינויים בmydriasis הקשור למשימות. ב (א) ו (ב), נקודות, ריבועים שחורים, עיגולים וריבועים לבנים לייצג נתונים ביחס לעיסת גלולה קשה, לעיסת גלולה רכה, אחיזת ידיים, ואין פעילות, בהתאמה. כל פעילות בוצעה עבור 2 דקות מזמן 5 דקות לזמן 7 דקות. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 5
איור 5: הקשר בין מידריאזיס הקשור ל-PI ולפעילות. (A) ערכי PI המתקבלים במועדים שונים במהלך הפעילויות השונות המומחשות באיור 4 מותווים כפונקציה של הערכים המתאימים של mydriasis הקשור למשימות. (ב) שינויים ב-PI ביחס ל-T0 (מוערך כהפרש) הותוו כפונקציה של השינויים המקבילים בmydriasis הקשור למשימות. ב (א) ו-(ב), נקודות, ריבועים שחורים, עיגולים, וריבועים לבנים מייצגים נתונים ביחס ללעיסה גלולה קשה, לעיסת גלולה רכה, אחיזת ידיים, ולא פעילות, בהתאמה. קווים מקווקווים הם קווי רגרסיה של כל נקודות הנתונים. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 6
איור 6: הקלטה בו של ביצועים והקשורות למשימות. תצוגת מסגרת בודדת של נושא המבצע את מבחן ההמטריצות הקשוב, שנלקח מהמצלמה הנטענת על מסגרת הפפילמטר. הכניסה בפינה הימנית מראה את התמונות הסימולטניות של שני התלמידים. העיגול הירוק מייצג את נקודת הקיבוע. הכתם האדום והעיגולים שטובעים על התלמיד הם מרכז התלמידים והמתאר, כפי שמוערך על ידי מערכת המעקב הפועלת על סרטוני העין. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

הפרוטוקולים שהוצגו במחקר זה כתובת ההשפעות החריפה של פעילות sensorimotor טריגבית על ביצועים קוגניטיביים ואת תפקידה של LC בתהליך זה. נושא זה יש כמה רלוונטיות, בהתחשב בכך 1) במהלך הזדקנות, הידרדרות של פעילות masticatory התואם לריקבון קוגניטיבי32,33,34; אנשים ששמרו על בריאות הפה נוטים פחות לתופעות ניווניות; 2) מניעת שיניים ומיצוי השיניים גורמת לתופעות ניווניות בבעלי חיים בהיפוקמאליום ובמישור הקורטיקלית35,36,37,38,39; 3) את הפעולה LC הזנה על המוח, מסדיר צימוד נוירוכלי, ומעכב נוירודלקת והצטברות של בטא עמילואיד11,40; 4) יש ראיות כי מחלות ניווניות יכול להיות מופעלות על ידי תהליכים ניווניות ברמה LC11,40.

פרוטוקול 1 מאפשר את הגדרת ההשפעות הספציפיות של לעיסה ביחס לתהליכי למידה מסוימים אשר מאפשרים חזרות רצופות של הפעילות ו-b) סוגים אחרים של פעילות מוטורית רגילה. כמו-כן, היא מבססת את הנוכחות/היעדרות של מתאם בין שינויים בביצועים לבין mydriasis, עם האחרון נחשב מחוון של הפעלה LC phasic במהלך משימה. ראיות אלה מרמזות מאוד על מעורבות של ה-LC בהשפעות של הפעלת sensorimotor המשולש. פרוטוקול כזה הוחל בהצלחה על ידי Tramonti Fantozzi ואח '30. כפי שניתן לראות בסעיף התוצאות, זה יכול להיות גם מנוצל כדי להעריך את מידת התלות של הביצועים על שינויי התלמידים הקשורים התעוררות LC-תיווך ברמה של נושאים בודדים. קבלת מדידה זו (ביצועים/LC הפעלה) מייצגת משתנה נוירופסיכולוגי חדש וחשוב שניתן ללמוד ביחס למין, גיל, מינהל התרופות, וכל מצב התנהגותי.

המגבלה העיקרית של פרוטוקול 1 היא כי מדידות גודל האישון מתבצעות בברק קבוע, מסכל הראייה ומקל הערכה של mydriasis מעורר במהלך סריקת מטריצות. הדבר מחייב הקלטה של mydriasis במהלך משימה שונה. בעיה זו נפתרה על-ידי ביצוע פרוטוקול 2, שבו מוצג מדידת מהירות לבישים הניחן בחיישן אור. בדרך זו, ניתן להקליט באופן הגיוני הן ביצועים קוגניטיביים ו mydriasis במהלך אותה משימה, מתן ראיות משכנעות אפילו יותר על ההשפעות של פעילות sensorimotor על LC וביצועים. זה גם עוזר לטפל במחקרים שמטרתם התייחסות להפעלת LC לתנאים התנהגותיים. לקבלת יישום נכון של פרוטוקול 2, יש לנקוט כדי לשמור על רמה קבועה של תאורה סביבתית וכיול ראשוני של כלים לבישים.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

. למחברים אין מה לגלות

Acknowledgments

המחקר נתמך על ידי מענקים של אוניברסיטת פיזה. אנו מודים למר פאולו אורסיני, מר פרנצ'סקו מונטנארי, וגברת כריסטינה פוצ'י לסיוע טכני רב ערך, כמו גם את חברת רח' אינרוסטריאלניה I.A.C.E.R. עבור תמיכה Dr. מריה פאולה טרמונטי Fantozzi עם התמחות. לבסוף, אנו מודים לחברת הפרויקטים של OCM להכנת כדורי קשה וביצוע קשיות ומדידות קבועות באביב.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Hirano, Y., et al. Effects of chewing on cognitive processing speed. Brain and Cognition. 81 (3), 376-381 (2013).
  2. Hirano, Y., Onozuka, M. Chewing and cognitive function. Brain and Nerve. 66 (1), 25-32 (2014).
  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. Smith, A. Effects of chewing gum on mood, learning, memory and performance of an intelligence test. Nutritional Neuroscience. 12 (2), 81-88 (2009).
  8. 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).
  9. Hirano, Y., et al. Effects of chewing in working memory processing. Neuroscience Letters. 436 (2), 189-192 (2008).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. Carter, M. E., et al. Tuning arousal with optogenetic modulation of locus coeruleus neurons. Nature Neuroscience. 13 (12), 1526-1533 (2010).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. 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).
  19. Bradshaw, J. Pupil size as a measure of arousal during information processing. Nature. 216 (5114), 515-516 (1967).
  20. Gabay, S., Pertzov, Y., Henik, A. Orienting of attention, pupil size, and the norepinephrine system. Attention, Perception & Psychophysics. 73 (1), 123-129 (2011).
  21. 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).
  22. 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).
  23. 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).
  24. 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).
  25. 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).
  26. 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).
  27. 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).
  28. 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).
  29. 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).
  30. 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).
  31. 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).
  32. 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).
  33. 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).
  34. 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).
  35. 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).
  36. 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).
  37. 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).
  38. 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).
  39. Oue, H., et al. Tooth loss induces memory impairment and neuronal cell loss in APP transgenic mice. Behavioural Brain Research. 252, 318-325 (2013).
  40. 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).

Tags

מדעי המוח סוגיה 153 קלט מטרימטיבי גודל תלמיד ביצועים קוגניטיביים לוקוס כפיית גירוי מדידת לבישים
הערכת שינויי האישון בליקום כפיית-עוררות בתיווך באמצעות גירוי מעורר
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Fantozzi, M. P. T., Banfi, T., De… More

Fantozzi, M. P. T., Banfi, T., De Cicco, V., Barresi, M., Cataldo, E., De Cicco, D., Bruschini, L., d'Ascanio, P., Ciuti, G., Faraguna, U., Manzoni, D. Assessing Pupil-linked Changes in Locus Coeruleus-mediated Arousal Elicited by Trigeminal Stimulation. J. Vis. Exp. (153), e59970, doi:10.3791/59970 (2019).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter