Waiting
Login processing...

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

Neuroscience

Vurdering elev-tilknyttede endringer i geometrisk Coeruleus-mediert opphisselse elicited av Trigeminal stimulering

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

For å verifisere om Trigeminal effekter på kognitiv ytelse innebære geometriske coeruleus aktivitet, presenteres to protokoller som tar sikte på å evaluere mulige sammenhenger mellom ytelse og oppgave-relaterte elev størrelse endringer indusert ved å tygge. Disse protokollene kan anvendes på tilstander der det mistenkes at det coeruleus bidraget.

Abstract

Nåværende vitenskapelig litteratur gir bevis for at Trigeminal Sensorimotor aktivitet forbundet med å tygge kan påvirke opphisselse, oppmerksomhet, og kognitiv ytelse. Disse effektene kan skyldes omfattende tilkoblinger av Trigeminal systemet til stigende retikulære aktiveringssystem (ARAS), som noradrenerge neurons av det geometriske coeruleus (LC) tilhører. LC neurons inneholder anslag til hele hjernen, og det er kjent at deres utslipp co-varierer med eleven størrelse. LC-aktivering er nødvendig for fremlokkende oppgaverelaterte mydriasis. Hvis tygge effekter på kognitiv ytelse formidles av LC, er det rimelig å forvente at endringer i kognitiv ytelse er korrelert til endringer i oppgave-relaterte mydriasis. To romanen protokoller er presentert her for å bekrefte denne hypotesen og dokumentere at tygge effekter ikke kan tilskrives aspecific motor aktivering. I begge protokoller, ytelse og elev størrelse endringer observert under bestemte oppgaver er registrert før, kort tid etter, og en halv time etter en 2 min periode på enten: a) ingen aktivitet, b) rytmisk, bilateral håndtak, c) bilateral tygge av myk pellet, og d) bilateral tygge på hard pellet. Den første protokollen måler nivået av ytelse i spotting måltall vises innenfor numerisk matriser. Ettersom opptak av elev størrelse registreres av en passende pupillometer som hemmer synet for å sikre konstant belysningsnivå, evalueres oppgave relatert mydriasis under en Haptic oppgave. Resultater fra denne protokollen avslører at 1) tygge-indusert endringer i ytelse og oppgaverelaterte mydriasis er korrelert og 2) verken ytelse eller mydriasis forsterkes av håndtak. I den andre protokollen, bruk av en bærbar pupillometer tillater måling av eleven størrelse endringer og ytelse under samme oppgave, og dermed gir enda sterkere bevis som skal innhentes om LC engasjement i Trigeminal effekter på kognitiv aktivitet. Begge protokollene har blitt kjørt i det historiske kontoret til Prof. Giuseppe Moruzzi, oppdageren av ARAS, ved Universitetet i Pisa.

Introduction

Hos mennesker er det kjent at tygge quickens kognitiv prosessering1,2 og forbedrer opphisselse3,4, Attention5, læring og minne6,7. Disse effektene er forbundet med forkortelse av latencies av kortikale hendelser-relaterte potensialer8 og en økning i mengden av flere kortikale og subkortikal strukturer2,9.

Innenfor skallen nerver, den mest relevante informasjonen opprettholde kortikale Desynchronization og opphisselse bæres av Trigeminal fibre10, sannsynligvis på grunn av sterke Trigeminal forbindelser til stigende retikulære aktiveringssystem (ARAS)11. Blant ARAS strukturer, den geometriske coeruleus (LC) mottar Trigeminal innganger11 og modulerer opphisselse12,13, og dens aktivitet covaries med elev størrelse14,15,16,17,18. Selv om forholdet mellom LC hvile aktivitet og kognitiv ytelse er kompleks, oppgave-relatert forbedring av LC aktivitet fører til opphisselse-assosiert19 elev mydriasis20 og forbedret kognitiv ytelse21. Det er pålitelig covariation mellom LC aktivitet og elev størrelse, og sistnevnte er i dag betraktet som en proxy av sentrale noradrenerge aktivitet22,23,24,25,26.

Asymmetrisk aktivering av Sensorimotor Trigeminal grener induserer elev asymmetrier (anisocoria)27,28, bekrefter styrken av trigemino-coerulear tilkobling. Hvis LC deltar i den stimulerende effekten av å tygge på kognitiv ytelse, kan det påvirke parallelle oppgaverelaterte mydriasis, som er en indikator på LC phasic aktivering under en oppgave. Det kan også påvirke ytelsen, så en korrelasjon kan forventes mellom tygge-indusert endringer i ytelse og mydriasis. Videre, hvis Trigeminal effekter er spesifikke, tygge effekter bør være større enn de elicited av en annen rytmisk motor oppgave. For å teste disse hypoteser, er to eksperimentelle protokoller herved presentert. De er basert på kombinerte målinger av kognitiv ytelse og elev størrelse, utført før og etter en kort periode med tygge aktivitet. Disse protokollene bruke en test som består i å finne måltall vises i numerisk oppmerksomme matriser29, sammen med ikke-Target tall. Denne testen verifiserer oppmerksom og kognitiv ytelse.

Det overordnede målet med disse protokollene er å illustrere at Trigeminal stimulering utløser spesifikke endringer i kognitiv ytelse, som ikke kan tilskrives aspecifically til generering av motor kommandoer og er relatert til elev-tilknyttede endringer i LC-mediert Opphisselse. Anvendelser av protokollene strekker seg til alle atferds forhold der ytelsen kan måles og involvering av LC mistenkes.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Alle trinnene følger retningslinjene i etisk komité ved Universitetet i Pisa.

1. deltaker rekruttering

  1. Rekruttere et befolkning i henhold til det spesifikke målet med studien (dvs. normale og/eller pasienter, menn og/eller kvinner, unge og/eller eldre).

2. materiale forberedelse

  1. Forbered en myk pellet; bruke kommersielt tilgjengelig tyggegummi (tabell av materialer; Initial hardhet = 20 Shore OO).
  2. Forbered en hard pellet; Bruk silisium gummi pellets (tabell av materialer; konstant hardhet = 60 Shore OO)30.
  3. Forbered en anti-stress ball for en håndtak oppgave. Bruk en polyuretanskum-laget ball (tabell av materialer; konstant hardhet = 30 Shore OO)30.
  4. Forbered et Tangram puslespill (tabell med materialer; antall brikker = sju) for å utføre den Haptic oppgaven.

3. flytdiagram av eksperimentet

  1. Flytskjema for protokoll 1
    1. Evaluere Baseline ytelse (se avsnitt 4,1) i kognitiv (matriser) test (T0, kontroll).
    2. Evaluer elevens størrelse (se avsnitt 4,2) ved hvile (ingen aktivitet forespurt fra subjektet) (T0, kontroll).
    3. Evaluer elevens størrelse under en Haptic oppgave basert på Tangram (T0, kontroll).
      1. Fjern en av brikkene fra puslespillet og plassere den i faget hånd.
      2. Spør faget å sette brikken tilbake i puslespillet, uten å se på puslespillet.
    4. Anmode hver motiv å utføre tre spesifikk aktivitetene for 2 min eller å hvile for 2 min, alt etter skritt 3.1.4.1 – 3.1.4.4. Be emnene om å utføre disse aktivitetene i separate økter som forekommer på forskjellige dager (2 – 3 dager mellom øktene).
      1. Spør faget å tygge en selv administrert myk pellet i 2 min, la ham/henne spontant velge både frekvensen av tygge og siden av munnen som å tygge. Etter 1 min av tygge, spør ham/henne til å endre tygge side (og pellet).
      2. Spør faget å tygge en selv-administrert Hard pellet i 2 min. Etter 1 min, spør ham/henne til å endre tygge side (men ikke pellet).
      3. Spør faget å utføre en rytmisk klemme av en anti-stress ball (håndtak øvelse) for 2 min på hastighet og på hånden for å velge sine. Etter 1 min, spør faget for å bytte hender.
      4. Be faget om å hvile (ingen aktivitet) i 2 min.
    5. Bare etter slutten av hvert trinn (3.1.4.1-3.1.4.4), evaluere ytelsen i matriser test og elev størrelse i ro og under Haptic oppgave (T7).
      Merk: Begrepet "i ro" betyr at motivet under eleven størrelse målingen er avslappende. Begrepet "under Haptic oppgave" betyr at motivet under eleven størrelses måling utfører oppgaven basert på Tangram.
    6. Tretti minutter etter slutten av hvert trinn (3.1.4.1-3.1.4.4), evaluere ytelse og elev størrelse i hvile og under Haptic oppgave (T37).
  2. Flytskjema for protokoll 2
    1. Evaluer elevens størrelse mens motivet hviler (T0, kontroll; se avsnitt 4,3).
    2. Evaluer Baseline ytelse i kognitiv (matriser) test mens samtidig testing elev størrelse (T0, kontroll).
    3. Anmode hver motiv å utføre tre spesifikk aktivitetene for 2 min eller å hvile for 2 min, alt etter skritt 3.2.3.1 – 3.2.3.4. Be emnene om å utføre disse aktivitetene i separate økter som forekommer på forskjellige dager (2 – 3 dager mellom øktene).
      1. Spør faget å tygge en selv administrert myk pellet i 2 min, la ham/henne spontant velge både frekvensen av tygge og siden av munnen som å tygge. Etter 1 min av tygge, spør ham/henne til å endre tygge side (og pellet).
      2. Spør faget å tygge en selv-administrert Hard pellet i 2 min. Etter 1 min, spør ham/henne til å endre tygge side (men ikke pellet).
      3. Spør faget å utføre en rytmisk klemme av en anti-stress ball (håndtak øvelse) for 2 min på hastighet og på siden av deres valg. Etter 1 min, spør faget for å bytte hender.
      4. Spør faget til å slappe av (ingen aktivitet) i 2 min.
    4. Like etter slutten av hvert trinn (trinn 3.2.3.1-3.2.3.4), evaluere elev størrelse i ro og både ytelse og elev størrelse i matriser test (T7).
    5. Tretti minutter etter slutten av hvert trinn (trinn 3.2.3.1-3.2.3.4), evaluere elev størrelse i ro og både ytelse og elev størrelse i matriser test (T37).

4. målte variabler i protokoller 1 og 2

  1. Kognitiv ytelse
    Merk: I begge protokollene 1 og 2, måle kognitiv ytelse ved hjelp av en test basert på en modifisert versjon av Spinnler-Tognoni numerisk matriser test29.
    1. Vis tre numeriske matriser (10 x 10) som er trykt på papir, til motivet. Deretter spør faget å sekvensielt skanne matrisen linjer, mens tikkende med en blyant så mange av målet tallene som mulig (60 mål ut av 300 totalt vist tall) angitt over hver matrise (figur 1) innen 15 s.
    2. Bruk matriser med ulike posisjoner måltall på T0, T7 og T37 å unngå innføring av confounders knyttet til læringsprosesser.
    3. Vurdere frakoblet Ytelsesindeks (PI), skanning rate (SR) og feil rate (ER) som følger: PI = (måltall understreket i 15 s)/15; SR = (mål + ikke-Target tall skannet i 15 s)/15; ER = (Måltallene gikk tapt + ikke-Target tall understreket i 15 s)/15.
  2. Elev størrelse i protokoll 1
    1. Forbered motivet for eleven størrelses måling med en hornhinne topografien-pupillographer (tabell av materialer), som hindrer visjon av miljøet, ved hjelp av en av de følgende to anskaffelsesprosedyrer.
      1. Spille inn et enkelt kamera bilde av eleven (figur 2a, B) med en konstant belysning nivå på 40 Lux, trykke på spesifikke knappen på hornhinnen topografien-pupillographer. Opprettholde en optimal arbeidsavstand på 56 mm mellom kameraet og eleven.
        Merk: En enkelt måling er tilstrekkelig, på grunn av det lave nivået av variasjon av elev størrelse målt ved konstant belysning.
      2. Utfør et kontinuerlig opptak av eleven (samplingsfrekvens = 5 Hz; Figur 2C, D) i den kontinuerlige oppkjøpet modalitet. Kast de første 20 – 50 målingene (4 – 10 s), siden i løpet av denne tiden øker elev diameteren (oppkjøpet starter ved å slå av elev belysningen ved 40 Lux). Gjennomsnittlig de resterende målingene.
    2. Record elev størrelsen på venstre og høyre øynene separat i ro (trinn 3.1.2, 3.1.5, og 3.1.6).
    3. Record elev størrelse under Haptic oppgave (trinn 3.1.3, 3.1.5 og 3.1.6; venstre og høyre separat). Når du bruker ett skudd modalitet (trinn 4.2.1.1), tilegne seg bildet i den andre av to oppgaven repetisjoner, i begynnelsen av puslespillet overflaten leting. I den kontinuerlige opptaksmodus (trinn 4.2.1.2), starter oppkjøpet når brikken i puslespillet har blitt plassert i hånden av motivet.
    4. Vurder frakoblet venstre og høyre elev størrelse ved hvile og under den Haptic oppgaven ved direkte anskaffelse av verdiene (i mm) som vises av programvaren. Beregn den oppgaverelaterte mydriasis ved å trekke elev størrelsen i hvile fra elev størrelse under Haptic oppgaven, og få alle gjennomsnittlige verdier fra venstre mot høyre.
  3. Elev størrelse i protokoll 2
    1. Forbered motivet for eleven størrelses måling ved hjelp av en bærbar pupillometer/Eye Tracker (Figur 3a), utstyrt med en 3D-trykt glass ramme struktur, ved hjelp av følgende prosedyre.
      1. La motivet ha på seg den bærbare pupillometer. Juster plasseringen av de to infrarøde kameraene (Figur 3A-2, 3) montert på barer som stammer fra rammen (tabell over materialer), slik at øynene er innenfor synsfeltet til kameraene og i fokus.
      2. Tilegne seg bilder av elevene (samplingsfrekvens = 120 Hz), som behandles online av programvaren som følger med bærbar pupilometer og gir Pupillary diameter (i mm) ved hjelp av en geometrisk modell av "gjennomsnittlig" menneskelig øye. Ignorer blink artefakter.
      3. Record kontinuerlig miljø belysning nivå ved hjelp av en kalibrert logaritmisk lyssensor montert på bærbar pupillometer ramme. Bruk en frontal RGB kamera montert på bærbar pupillometer (Figur 3a-1) for å registrere emne synsfelt (samplingsfrekvens = 30 Hz) nyttig å studere blikket atferd.
    2. Ta opp samtidig størrelsen på de to elevene i ro i 20 s (Figur 3B).
    3. Ta opp størrelsen på elevene mens motivet utfører Spinnler-Tognoni-testen, så for å få elev størrelse og kognitiv ytelse samtidig registrert (trinn 3.2.2, 3.2.4 og 3.2.5).
    4. Vurder frakoblet venstre og høyre elev størrelse ved hvile og under Spinnler-Tognoni test, etter gjennomsnitt ervervet verdier (n = 2 400) for hver elev. Beregn oppgaverelaterte mydriasis ved å trekke eleven størrelse i ro fra eleven størrelse under matriser testen, så alle de gjennomsnittlige venstre-høyre verdier.
  4. Blikk posisjon
    Merk: Rekonstruere festepunktet ved hjelp av bildene av de to elevene innhentet fra avsnitt 4,3. Behandle mottatte rammer i sanntid og anslå blikket fiksering punktet ved hjelp av en tidligere beregnet overføringsfunksjon31 spesifikk for hvert emne iført øye tracker.
    1. Om nødvendig, når du utfører protokoll 2, rekonstruere blikket posisjon fra eleven bildene. For å gjøre dette, legger fire datamaskinen oppdages visjon markører (ArUco eller AprilTag biblioteker av instrumentet programvare) til fire hjørner av matriser ark som brukes i § 4,1.
    2. Tillat kalibreringssystemet (innebygd i øyet tracker programvare som for eleven headsettet brukes) til å erverve data, og evaluere parametrene av overføringen funksjonen som kart festepunktet, fra bilder av de to elevene. Som et eksempel, spør faget å stirre på en forhåndsdefinert sekvens av punkter som er vist i hans/hennes synsfelt (dvs. de fire hjørnene av matriser arket og i midten av arket selv), som er registrert samtidig av ekstra RGB kamera montert på rammen og mot synsfelt.
    3. Record elev størrelse under matriser testen.
    4. Beregn frakoblet blikket posisjon som vises som et merke på hver ramme i faget synsfelt. Bruk de fire markørene til å spore blikk posisjon over matriser på tvers av rammene.

5. statistisk analyse

  1. Analysere elevenes størrelse i ro og under oppgaven, oppgave-indusert mydriasis, PI, SR, og ER under fire betingelser (ingen aktivitet, håndtak, myk pellet, hard pellet) for tre ganger (T0, T7, T37) ved hjelp av gjentatte tiltak ANOVA og statistikk programvarepakke.
  2. Analysere endringer i variabler med hensyn til Baseline verdier (T0) under fire forhold, (ingen aktivitet, håndtak, myk pellet, hard pellet) for to ganger (T7, T37) ved hjelp av gjentatte tiltak ANOVA.
  3. Når du kjører ANOVA, hvis programvaren indikerer at data fordelingen ikke er sfærisk, kan du ta p-verdien som tilsvarer Greenhouse-Geisser ε korreksjon fra produseres statistikktabell.
  4. Koordinere endringene i ytelse (PI, SR, ER) på T7 og T37 med de som er observert i oppgaverelaterte mydriasis av lineær regresjonsanalyse.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Figur 4 viser et representativt eksempel på resultatene som ble oppnådd når protokoll 1 ble brukt på ett enkelt emne (46 år gammel, hunn). PI ble økt kort tid etter å ha tygget (T7) både en hard (fra 1,73 nummen/s til 2,27 nummen/s) og myk pellet (fra 1,67 nummen/s til 1,87 nummen/s) (Figur 4a). Men 30 min senere (T37), den økte ytelsen opprettholdt bare for hard pellet. På den annen side, både mangel på aktivitet og håndtaket øvelsen hadde en negativ effekt på ytelse, som falt fra 1,73 nummen/s til 1,67 nummen/s og fra 1,6 nummen/s til 1,53 nummen/s, med en tendens til å gjenopprette observert 30 min senere, under den siste eksperimentelle evalueringen.

Som observert i Figur 4B, ble kvalitativt lignende endringer observert for oppgaverelaterte mydriasis. I dette tilfellet besto målingene av individuelle prøver som ble tatt tilfeldig da motivet hvilte. I løpet av den Haptic oppgaven ble det registrert to prøver, men den første ble forkastet. Alternativt, i den kontinuerlige anskaffelses modus av instrumentet, 100 prøvene ble registrert i 20 s, med de første 20-50 målingene ignorert, og de resterende ble deretter gjennomsnitt etter fjerning av blink gjenstander (figur 2C, D). De enkelte prøvene reflekterer den gjennomsnittlige verdien nøye, på grunn av at elev størrelsen når et svært stabilt nivå 4 – 10 s etter å ha slått av øye belysningen (figur 2C, D). Data illustrert i Figur 4 og figur 5 har blitt replisert i en befolkning på 30, og både tygge-og håndtak-indusert endringer ble statistisk bekreftet. På den annen side, da fagene ikke var involvert i noen aktivitet, var det ingen modifikasjoner i kognitiv ytelse og mydriasis30 både på T7 og T37.

Til tross for at 1) ytelse og mydriasis ble registrert i ulike oppgaver og 2) de 12 eksperimentelle poeng illustrert i figur 5A, B ble spilt inn på 4 separate dager, er det bemerkelsesverdig at en sterk korrelasjon ble observert mellom ytelse og oppgaverelaterte mydriasis (r = 0,939, p < 0,0005, y = 1.166 x-0,417). Som kan utledes fra figur 5A, dette forholdet var på grunn av modifikasjoner indusert av tygge harde og myke pellets. Enda mer overraskende, var en korrelasjon tydelig også når de tilsvarende endringene med hensyn til Baseline verdier ble vurdert (r = 0,924, p < 0,001, y = 1.210 x + 0,101; Figur 5B).

Blant de 30 fagene analysert i studiet av Tramonti Fantozzi et al.30, pi og mydriasis var signifikant korrelert i 26 av dem, med skråninger av tilsvarende regresjon linjer som spenner fra 0.310-1.327 nummen/s/mm. De tilsvarende endringene ble signifikant korrelert i 22 (utvalg av bakker: 0.390 – 1.408).

Selv sterkere bevis på LC engasjement i den stimulerende effekten av å tygge på kognitiv ytelse kan fås ved samkjøre den tygge-indusert endringer i PI med endringen i mydriasis observert bare under utførelsen av matriser testen. Dette kan oppnås under de mer naturlige forholdene i protokoll 2, der fagene utføre matriser testen mens eleven størrelse er samtidig registrert (figur 6).

Figure 1
Figur 1: eksempel på Spinnler-Tognoni numeriske matriser. Testen består i å identifisere Måltallene angitt over hver matrise, som har blitt krysset av faget. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 2
Figur 2: eksempel på opptak av elev størrelse fra ett enkelt emne i protokoll 1. (A) innspilling av elev størrelse i ro, enkelt skudd. (B) innspilling av elev størrelse under Haptic oppgave, enkelt skudd. (C) kontinuerlig innspilling av elev størrelse i hvile for 20 s. (D) kontinuerlig innspilling av elev størrelse under Haptic oppgave for 20 s. piler indikerer blinkende artefakter. I (C) og (D), data Hentet fra tid 0 til tid 4 s er forkastet fra analysen. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 3
Figur 3: eksempel på opptak av elev størrelse i protokoll 2. (A) bilde av et motiv iført pupillometer. Tallene 1 – 3 angir plasseringen til de tre kameraene, som tillater at det er mulig å ta stilling (1) og elevens størrelse (2-3). (B) Top Trace: nivå av miljømessige lightening. Midtre og nedre spor: venstre og høyre elev størrelse under utførelsen av Spinnler-Tognoni matriser test. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 4
Figur 4: endringer i ytelse og oppgaverelaterte mydriasis indusert av ulike Sensorimotor aktiviteter i protokoll 1. (A) endringer i pi. (B) endringer i oppgaverelaterte mydriasis. I (A) og (B), prikker, svarte firkanter, sirkler og hvite firkanter representerer data i forhold til å tygge hard pellet, tygge myk pellet, håndtak, og ingen aktivitet, henholdsvis. Hver aktivitet ble utført i 2 minutter fra tid 5 min til tid 7 min. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 5
Figur 5: relasjon mellom pi og oppgaverelaterte mydriasis. (A) PI verdier innhentet til forskjellige tider under de ulike aktivitetene illustrert i Figur 4 er plottet som en funksjon av tilsvarende verdier av oppgave-relaterte mydriasis. (B) endringer i PI med hensyn til T0 (evaluert som en forskjell) har blitt plottet som en funksjon av de tilsvarende endringene i oppgaverelaterte mydriasis. I (A) og (B), prikker, svarte firkanter, sirkler og hvite firkanter representerer data i forhold til å tygge hard pellet, tygge myk pellet, håndtak, og ingen aktivitet, henholdsvis. Stiplede linjer er regresjon linjer av alle datapunkter. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 6
Figur 6: samtidig innspilling av ytelse og oppgaverelaterte mydriasis. Single Frame visning av et emne utføre oppmerksomme matriser testen, tatt fra kameraet montert på pupilometer rammen. Den innfelte i øvre høyre hjørne viser samtidige bilder av begge elevene. Den grønne sirkelen representerer festepunktet. Den røde flekken og sirkler drukne på Eleven er eleven sentrum og kontur, som evalueres av sporing systemet opererer på øyet ' s videoer. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Protokollene som presenteres i denne studien tar for seg de akutte virkningene av Sensorimotor Trigeminal aktivitet på kognitiv ytelse og rollen til LC i denne prosessen. Dette emnet har noen relevans, med tanke på at 1) under aldring, forringelse av tygge aktivitet samsvarer med kognitiv forfall32,33,34; mennesker som bevarer oral helse er mindre utsatt for nevrodegenerative fenomener; 2) malocclusion og tann trekking induserer nevrodegenerative effekter hos dyr på hippocampus og kortikale nivå35,36,37,38,39; 3) LC utøver trofiske handling på hjernen, regulerer nevrovaskulære kopling, og hemmer nevroinflammasjon og akkumulering av beta-amyloid11,40; 4) det er bevis for at nevrodegenerative sykdommer kan utløses av nevrodegenerative prosesser på LC nivå11,40.

Protokoll 1 gjør det mulig å definere spesifikke effekter av å tygge med hensyn til a) læringsprosesser elicited av suksessive repetisjoner av oppgaven og b) andre typer vanlig motorisk aktivitet. Videre etablerer det tilstedeværelse/fravær av en sammenheng mellom endringer i ytelse og mydriasis, med sistnevnte betraktet som en indikator på phasic LC aktivering under oppgaven. Dette beviset antyder sterkt involvering av LC i virkningene av Sensorimotor Trigeminal aktivering. En slik protokoll har blitt brukt av Tramonti Fantozzi et al.30. Som sett i resultat seksjonen, kan det også benyttes for å vurdere graden av avhengighet av ytelse på elevenes endringer knyttet til LC-mediert opphisselse på nivå med individuelle. Få denne målingen (Performance/LC aktivering) representerer en ny og viktig nevropsykologiske variabel som kan bli studert i forhold til kjønn, alder, narkotika administrasjon, og enhver atferds tilstand.

Den viktigste begrensningen i protokoll 1 er at eleven størrelse målinger utføres ved konstant lightening, hindrer visjon og utelukker vurderingen av mydriasis elicited under matriser skanning. Dette forplikter innspillingen av mydriasis under en annen oppgave. Dette problemet er løst ved å utføre protokoll 2, der en bærbar pupillometer utstyrt med en lyssensor er innført. På denne måten er det mulig å innholdsfortegnelse både kognitiv ytelse og mydriasis under samme oppgave, noe som gir enda mer overbevisende bevis om virkningene av Sensorimotor aktivitet på LC og ytelse. Dette bidrar også til adressen studier rettet mot om LC aktivering til atferdsmessige forhold. For en korrekt anvendelse av protokoll 2, må forsiktighet tas for å holde et konstant nivå av miljø belysning og foreløpige kalibrering av bærbare instrumenter.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ingenting å avsløre.

Acknowledgments

Forskningen ble støttet av tilskudd fra Universitetet i Pisa. Vi takker Mr. Paolo Orsini, Mr. Francesco Montanari, og Mrs. Cristina Pucci for verdifull teknisk assistanse, samt I.A.C.E.R. S.r.L. selskap for å støtte Dr. Maria Paola Tramonti Fantozzi med et fellesskap. Til slutt, vi takker OCM prosjekter selskapet for å forberede harde pellets og utføre hardhet og våren konstante målinger.

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

Nevrovitenskap Trigeminal innspill elev størrelse kognitiv ytelse geometrisk coeruleus opphisselse slitesterk pupilometer
Vurdering elev-tilknyttede endringer i geometrisk Coeruleus-mediert opphisselse elicited av Trigeminal stimulering
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