Waiting
Login processing...

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

Neuroscience

Оценка связанных с учащимися изменений в Локус Coeruleus-опосредованного возбуждения, вызванных trigeminal стимуляции

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

Чтобы проверить, связано ли тройничное воздействие на когнитивные функции, представляют сярку coeruleus активность, представлены два протокола, которые направлены на оценку возможных корреляций между производительностью и связанных с задачами изменений размера зрачка, вызванных жеванием. Эти протоколы могут применяться к условиям, в которых подозревается вклад локуса coeruleus.

Abstract

Современная научная литература дает доказательства того, что тройничная сенсорная активность, связанная с жеванием, может повлиять на возбуждение, внимание и когнитивные способности. Эти эффекты могут быть связаны с широким подключением тройничной системы к восходящей ретикулярной активационной системы (ARAS), к которой относятся норрадренергические нейроны локус-коэрулеус (LC). LC нейроны содержат проекции на весь мозг, и известно, что их разряда изменяется с размером зрачка. Активация LC необходима для получения связанных с задачами мидриаза. Если жевательные эффекты на когнитивные функции опосредовано LC, разумно ожидать, что изменения в когнитивной деятельности коррелируют с изменениями в задаче, связанных с мироизе. Здесь представлены два новых протокола для проверки этой гипотезы и документ, что жевательные эффекты не связаны с активацией конкретного двигателя. В обоих протоколах, производительность и размер зрачка изменения, наблюдаемые во время конкретных задач, регистрируются до, вскоре после, и через полчаса после 2 мин период либо: а) нет деятельности, б) ритмические, двусторонние рукопожатия, в) двустороннего жевания мягких гранул, и г) двустороннее жевание твердых гранул. Первый протокол измеряет уровень производительности при обнаружении целевых чисел, отображаемых в числовых матрицах. Так как записи размера зрачка регистрируются соответствующим зрачником, который препятствует зрению для обеспечения постоянного освещения, связанный с задачами мидриаз оценивается во время тактильной задачи. Результаты этого протокола показывают, что 1) жевательные изменения в производительности и связанных с задачами мидриаза коррелируют и 2) ни производительность, ни мидриаз не усиливаются рукоятки. Во втором протоколе использование носимого зрачка позволяет измерять изменения размера зрачка и производительность во время той же задачи, что позволяет получить еще более убедительные доказательства относительно участия ЛК в тройничном воздействии на когнитивную активность. Оба протокола были запущены в историческом офисе профессора Джузеппе Моруцци, первооткрывателя ARAS, в Университете Пизы.

Introduction

У людей, известно, что жевание ускоряет когнитивную обработку1,2 и улучшает возбуждение3,4, внимание5, обучение, и память6,7. Эти эффекты связаны с сокращением поздних потенциалов, связанных скоркой, 8 и увеличением перфузии нескольких корковых и подкорковых структур2,9.

В черепных нервов, наиболее релевантной информации поддержания корковой десинхронизации и возбуждения осуществляется тройничных волокон10, вероятно, из-за сильных тройничных соединений с восходящей ректикулярной активации системы (ARAS)11. Среди структур ARAS, локус coeruleus (LC) получает тройничные входы11 и модулирует возбуждение12,13, и его деятельность covaries с размером зрачка14,15,16,17,18. Хотя связь между LC отдыха деятельности и когнитивных функций является сложным, связанные с задачами повышение активности LC приводит к возбуждению связанных19 ученик мидриаз20 и повышение когнитивной деятельности21. Существует надежное совариации между активностью LC и размером зрачка, и последний в настоящее время считается прокси центральной норадренергической деятельности22,23,24,25,26.

Асимметричная активация сенсорной тройничной ветви индуцирует асимметрию зрачка (анисокория)27,28,подтверждая прочность тройнично-керулеарного соединения. Если LC участвует в стимулирующем воздействии жевания на когнитивные функции, это может повлиять на параллельные задачи, связанные с мидриазом, который является показателем LC phasic активации во время задачи. Это также может повлиять на производительность, так что корреляция можно ожидать между жевательной индуцированной изменения в производительности и мидриаза. Кроме того, если тройничные эффекты являются специфическими, жевательные эффекты должны быть больше, чем те, вызванные другой ритмической двигательной задачи. Для того, чтобы проверить эти гипотезы, представлены два экспериментальных протокола. Они основаны на комбинированных измерениях когнитивных функций и размера зрачка, выполняемых до и после короткого периода жевательной активности. Эти протоколы используют тест, состоящий в поиске целевых чисел, отображаемых в числовых внимательных матрицах29,наряду с нецелевыми числами. Этот тест проверяет внимательную и когнитивную работу.

Общая цель этих протоколов состоит в том, чтобы проиллюстрировать, что тройничная стимуляция вызывает конкретные изменения в когнитивной деятельности, которые не могут быть приписаны конкретно к поколению моторных команд и связаны с учеником связанных изменений в LC-опосредованных Возбуждение. Применение протоколов распространяется на все поведенческие условия, в которых можно измерить производительность и участие LC подозревается.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Все шаги следуют руководящим принципам Комитета по этике Университета Пизы.

1. Набор участников

  1. Набирать подданную подданную группу населения в соответствии с конкретной целью исследования (т.е. нормальными субъектами и/или пациентами, мужчинами и/или женщинами, молодыми людьми и/или старейшинами).

2. Подготовка материала

  1. Приготовьте мягкую гранулу; использовать коммерчески доступные жевательной резинки (Таблица материалов; начальная твердость No 20 Берег OO).
  2. Подготовьте твердую гранулу; использовать кремниевые резиновыегранулы (Таблица материалов; постоянная твердость No 60 Shore OO)30.
  3. Подготовьте антистрессовый шар для выполнения задачи по рукоятке. Используйте полиуретановый пенопластовый шарик(Таблица материалов;постоянная твердость No 30 Shore OO)30.
  4. Подготовьте головоломку tangram (Таблица материалов;количество частей и семь) для выполнения тактильной задачи.

3. Flowchart эксперимента

  1. Flowchart протокола 1
    1. Оцените базовую производительность (см. раздел 4.1) в когнитивном (матрицах) тесте (T0, контроль).
    2. Оцените размер зрачка (см. раздел 4.2) в состоянии покоя (никакой деятельности, запрошенной у субъекта) (T0, контроль).
    3. Оцените размер зрачка во время тактильной задачи на основе танрама (T0, контроль).
      1. Удалите одну из частей из головоломки и поместите его в руку субъекта.
      2. Попросите тему положить кусок обратно в головоломку, не глядя на головоломку.
    4. Попросите каждого субъекта выполнить три конкретных вида деятельности в течение 2 мин или отдохнуть в течение 2 минут, в соответствии с шагами 3.1.4.1-3.1.4.4. Попросите испытуемых выполнять эти действия в отдельных сеансах, происходящих в разные дни (2-3 дня между сессиями).
      1. Попросите субъекта жевать самоуправляемые мягкие гранулы в течение 2 минут, позволяя ему / ей спонтанно выбрать как скорость жевания и стороны рта, на котором жевать. После 1 мин жевания попросите его изменить жевательную сторону (и гранулы).
      2. Попросите субъекта жевать самоуправляемые твердые гранулы в течение 2 минут. После 1 мин попросите его поменять жевательную сторону (но не гранулы).
      3. Попросите субъекта выполнить ритмическое сжатие антистрессового шара (упражнение для рук) в течение 2 минут по курсу и на руке по своему выбору. После 1 мин попросите субъекта поменяться руками.
      4. Попросите предмет отдохнуть (без деятельности) в течение 2 мин.
    5. Сразу после окончания каждого шага (3.1.4.1-3.1.4.4), оцените производительность в тесте матриц и размер зрачка в состоянии покоя и во время тактильной задачи (T7).
      ПРИМЕЧАНИЕ: Термин "в покое" означает, что предмет во время измерения размера зрачка расслабляет. Термин "во время тактильной задачи" означает, что субъект во время измерения размера зрачка выполняет задачу, основанную на танраме.
    6. Тридцать минут после окончания каждого шага (3.1.4.1-3.1.4.4), оценить производительность и размер зрачка в состоянии покоя и во время тактильной задачи (T37).
  2. Flowchart протокола 2
    1. Оцените размер зрачка во время отдыха субъекта (T0, контроль; см. раздел 4.3).
    2. Оцените базовую производительность в когнитивном (матрицах) тесте при одновременном тестировании размера зрачка (T0, контроль).
    3. Попросите каждого субъекта выполнить три конкретных вида деятельности в течение 2 мин или отдохнуть в течение 2 минут, в соответствии с шагами 3.2.3.1-3.2.3.4. Попросите испытуемых выполнять эти действия в отдельных сеансах, происходящих в разные дни (2-3 дня между сессиями).
      1. Попросите субъекта жевать самоуправляемые мягкие гранулы в течение 2 минут, позволяя ему / ей спонтанно выбрать как скорость жевания и стороны рта, на котором жевать. После 1 мин жевания попросите его изменить жевательную сторону (и гранулы).
      2. Попросите субъекта жевать самоуправляемые твердые гранулы в течение 2 минут. После 1 мин попросите его поменять жевательную сторону (но не гранулы).
      3. Попросите субъекта выполнить ритмическое сжатие антистрессового шара (упражнение для рук) в течение 2 минут по курсу и на стороне по своему выбору. После 1 мин попросите субъекта поменяться руками.
      4. Попросите предмета расслабиться (без активности) в течение 2 минут.
    4. Сразу после окончания каждого шага (шаги 3.2.3.1-3.2.3.4) оцените размер зрачка в состоянии покоя, а также производительность и размер зрачка в тесте матриц (T7).
    5. Тридцать минут после окончания каждого шага (шаги 3.2.3.1-3.2.3.4), оценить размер ученика в состоянии покоя и производительность и размер зрачка в тесте матриц (T37).

4. Измеренные переменные в протоколах 1 и 2

  1. Когнитивная производительность
    ПРИМЕЧАНИЕ: В обоих протоколах 1 и 2, измерить когнитивные функции с помощью теста на основе модифицированной версии Spinnler-Tognoni численных матриц тест29.
    1. Отобразите три численных матрицы (10 x 10), напечатанные на бумаге к объекту. Затем спросите предмет последовательного сканирования матричных линий, в то время как тиканье с карандашом, как многие из целевых чисел, как это возможно (60 целей из 300 всего отображаются номера), указанные выше каждой матрицы (Рисунок 1) в течение 15 с.
    2. Используйте матрицы с различными позициями целевых чисел на T0, T7 и T37, чтобы избежать введения confounders, связанных с процессами обучения.
    3. Оценить в автономном режиме индекс производительности (PI), скорость сканирования (SR) и частоту ошибок (ER) следующим образом: PI (целевые номера, подчеркнутые в 15 с)/15; SR (целевые номера, отсканированные в 15 с)/15; ER -15 (целевые числа пропущены - нецелевые номера, подчеркнутые в 15 с)/15.
  2. Размер ученика в протоколе 1
    1. Подготовьте предмет для измерения размера зрачка с топографом-учеником роговицы(Таблица материалов),который предотвращает зрение окружающей среды, используя одну из следующих 2 процедур приобретения.
      1. Запись одной камеры выстрел ученика(Рисунок 2A,B) с постоянным уровнем освещения 40 люкс, нажав на конкретную кнопку на роговице топограф-ученик. Поддерживайте оптимальное рабочее расстояние 56 мм между камерой и зрачком.
        ПРИМЕЧАНИЕ: Одного измерения достаточно из-за низкого уровня изменчивости размера зрачка, измеряемого при постоянном освещении.
      2. Выполнение непрерывной записи зрачка (коэффициент выборки 5 Гц; Рисунок 2C,D) в непрерывном механизме приобретения. Откажитесь от первых 20-50 измерений (4-10 с), так как в течение этого промена времени, диаметр зрачка растет (приобретение начинается с выключения освещения зрачка на 40 люкс). Среднее значение оставшихся измерений.
    2. Запись размера зрачка левого и правого глаза отдельно в состоянии покоя (шаги 3.1.2, 3.1.5 и 3.1.6).
    3. Запись размера зрачка во время тактильной задачи (шаги 3.1.3, 3.1.5 и 3.1.6; левая и правая отдельно). При использовании одного выстрела модальности (шаг 4.2.1.1), приобрести фотографию во время второго из двух повторений задач, в начале исследования поверхности головоломки. В непрерывном режиме записи (шаг 4.2.1.2) начните приобретение, когда часть головоломки была помещена в руку предмета.
    4. Оцените автономный размер левого и правого зрачка в состоянии покоя и во время тактильной задачи путем прямого приобретения значений (в мм), отображаемых программным обеспечением. Рассчитайте мирриаз, связанный с задачей, вычитая размер зрачка в состоянии покоя от размера зрачка во время тактильной задачи, и получите все средние значения слева направо.
  3. Размер ученика в протоколе 2
    1. Подготовьте предмет для измерения размера зрачка с помощью носимого зрачкового трекера(рисунок 3А),наделенного 3D-печатной структурой стеклянной рамы, используя следующую процедуру.
      1. Поимеет сятное носить носимый зрачок. Отрегулируйте положение двух инфракрасных камер(рисунок 3A-2,3),установленных на брусьях, вытекающих из рамы(Таблица материалов), так что глаза находятся в поле зрения камер и в фокусе.
      2. Приобретайте изображения зрачков (коэффициент выборки 120 Гц), которые обрабатываются онлайн программным обеспечением, поставляемым с носимым зрачкометром и обеспечивают диаметр зрачка (в мм) с помощью геометрической модели "среднего" человеческого глазного. Игнорирование мигать артефактами.
      3. Непрерывно записывай уровень экологической освещенности с помощью калиброватого логарифмического датчика света, установленного на носимой раме зрачков. Используйте фронтальную камеру RGB, установленную на носимом зрачнике(рисунок 3A-1) для записи предметного поля зрения (частота выборки - 30 Гц), полезного для изучения поведения взгляда.
    2. Запись одновременно размер двух учеников в покое на 20 с(рисунок 3B).
    3. Запись размер учеников в то время как предмет выполняет spinnler-Tognoni тест, так что иметь размер ученика и когнитивные функции одновременно записаны (шаги 3.2.2, 3.2.4, и 3.2.5).
    4. Оцените автономный размер левого и правого зрачка в состоянии покоя и во время теста Spinnler-Tognoni, усредняя приобретенные значения (n 2400) для каждого ученика. Рассчитайте связанный с задачей мидриаз, вычитая размер зрачка в состоянии покоя от размера зрачка во время теста матриц, а затем все средние значения слева направо.
  4. Позиция взгляда
    ПРИМЕЧАНИЕ: Реконструкция онлайн точки фиксации с использованием изображений двух учеников, полученных из раздела 4.3. Обработайте приобретенные кадры в режиме реального времени и оцените точку фиксации взгляда, используя ранее рассчитанную функцию передачи31, специфичную для каждого субъекта, носящего трекер глаз.
    1. При необходимости при выполнении протокола 2 реконструируют положение взгляда из изображений ученика. Для этого добавьте четыре компьютерных обнаруживаемых маркера зрения (arUco или AprilTag библиотеки программного обеспечения прибора) в четырех углах листа матриц, используемых в разделе 4.1.
    2. Разрешить калибровочной системы (встроенные в программное обеспечение глаз трекер, как для ученика гарнитуры используется) для получения данных, и оценить параметры функции передачи, которые карта точки фиксации, начиная с изображений двух учеников. В качестве примера попросите субъекта взглянуть на заданную последовательность точек, которые показаны в его/ее поле зрения (т.е. в четырех углах листа матриц и в центре самого листа), которые регистрируются одновременно дополнительной камерой РГБ, установленной на раме и обращенной к полю зрения.
    3. Запись размера зрачка во время теста матриц.
    4. Рассчитайте положение остывательского взгляда в автономном режиме, которое отображается в качестве отметки на каждом кадре поля зрения субъекта. Используйте четыре маркера, чтобы отслеживать положение взгляда над матрицами через кадры.

5. Статистический анализ

  1. Анализ размера зрачка в состоянии покоя и во время выполнения задания, вызванный задачами mydriasis, PI, SR и ER в четырех условиях (отсутствие активности, рукоятки, мягких гранул, твердых гранул) в три раза (T0, T7, T37) с использованием повторяющихся мер ANOVA и пакета программного обеспечения статистики.
  2. Анализ изменений переменных в отношении базовых значений (T0) в четырех условиях (без активности, рукоятки, мягких гранул, твердых гранул) в течение двух раз (T7, T37) с использованием повторяющихся мер ANOVA.
  3. При запуске ANOVA, если программное обеспечение указывает на то, что распределение данных не является сферическим, возьмите p-значение, соответствующее greenhouse-Geisser - коррекция из выдвитой статистической таблицы.
  4. Соотнесите изменения в производительности (PI, SR, ER) на T7 и T37 с изменениями, наблюдаемыми в смилиазах, связанных с задачами, линейным регрессионным анализом.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

На рисунке 4 показан репрезентативный пример результатов, полученных при применении протокола 1 к одному предмету (46 лет, женщина). PI был увеличен вскоре после того, жевал (T7) как жесткий (от 1,73 онемение /с до 2,27 онемения/с) и мягкие гранулы (с 1,67 онемение / с до 1,87 онемение/с) (Рисунок 4А). Тем не менее, 30 минут спустя (T37), увеличение производительности сохраняется только для твердых гранул. С другой стороны, как отсутствие активности, так и упражнение для рук оказали негативное влияние на производительность, которая снизилась с 1,73 онемения/с до 1,67 онемения/с и с 1,6 онемения/с до 1,53 онемения/с, с тенденцией к восстановлению наблюдается 30 мин позже, во время последней экспериментальной оценки.

Как отмечено на рисунке 4B, качественно аналогичные изменения наблюдались для задачи, связанные с mydriasis. В данном случае измерения состояли из отдельных образцов, взятых случайным образом, когда объект отдыхал. Во время тактильной задачи были записаны два образца, но первый был отброшен. Кроме того, в режиме непрерывного приобретения инструмента, 100 образцов были зарегистрированы в 20 с, с первых 20-50 измерений игнорируются, а остальные были затем усреднены после удаления мигать артефактов (Рисунок 2C,D). Отдельные образцы тесно отражают среднее значение, в связи с тем, что размер зрачка достигает очень стабильного уровня 4-10 с после выключения освещения глаз(Рисунок 2C,D). Данные, иллюстрированные на рисунке 4 и рисунке 5, были воспроизведены среди населения в 30 субъектов, и как жевательные и ручной работы индуцированных изменений были статистически подтверждены. С другой стороны, когда испытуемые не были вовлечены в какую-либо деятельность, не было никаких изменений в когнитивной деятельности и мидриаза30 как на T7 и T37.

Несмотря на то, что 1) производительность и мидриаз были записаны в различных задач и 2) 12 экспериментальных точек, иллюстрированных на рисунке 5A,B были записаны на 4 отдельных днях, примечательно, что сильная корреляция наблюдалась между производительностью и задачи, связанных с мирдиазом (р 0,939, р-lt; 0,0005, у 1,166x - 0,417). Как можно сделать вывод из рисунка 5А,это отношение было связано с изменениями, вызванными жеванием твердых и мягких гранул. Еще более удивительно, что корреляция была очевидна и тогда, когда были учтены соответствующие изменения в отношении базовых значений (р- 0,924, стр. л.с.; 0,001, у 1,210х0 х 0,101; Рисунок 5B).

Среди 30 испытуемых, проанализированных в исследовании Tramonti Fantozzi et al.30,PI и mydriasis были значительно коррелированы в 26 из них, со склонами соответствующих регрессионных линий в диапазоне от 0,310-1,327 онемение/с/мм. Соответствующие изменения были существенно коррелированы по 22 предметам (диапазон наклонов: 0.390-1.408).

Еще более убедительные доказательства участия LC в стимулирующее воздействие жевания на когнитивные функции могут быть получены путем сопоставления жевательных индуцированных изменений в ИП с изменением милиоз наблюдается только во время выполнения теста матриц. Это может быть достигнуто в более естественных условиях протокола 2, в котором испытуемые выполняют тест матриц, в то время как размер зрачка одновременно регистрируется(рисунок 6).

Figure 1
Рисунок 1: Пример численных матриц Spinnler-Tognoni. Тест состоит в определении целевых чисел, указанных над каждой матрицей, которые были отмечены субъектом. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Figure 2
Рисунок 2: Пример записей размера зрачка из одного предмета в протоколе 1. (A) Запись размера ученика в покое, один выстрел. (B) Запись размера зрачка во время тактильной задачи, одиночный выстрел. (C) Непрерывная запись размера зрачка в покое для 20 s. (D) Непрерывная запись размера зрачка во время тактильной задачи на 20 s. Стрелки указывают на мигающие артефакты. В (C) и (D) данные, взятые из времени 0 к времени 4 s, отбрасываются из анализа. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Figure 3
Рисунок 3: Пример записей размера зрачка в протоколе 2. (A) Фотография субъекта носить зрачок. Цифры 1-3 указывают на положение трех камер, которые позволяют поведение (1) и размер зрачка (2-3) записи. (B) Верхний след: уровень экологического освещения. Средние и нижние следы: левый и правый размер зрачка во время выполнения теста матриц Ыннтор-Тоньони. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Figure 4
Рисунок 4: Изменения в производительности и связанных с задачами мидриаза, вызванных различными сенсомоторными действиями в протоколе 1. (A) Изменения в ИП. (B) Изменения в задаче, связанных с mydriasis. В (A) и (B) точки, черные квадраты, круги и белые квадраты представляют данные относительно жевательных твердых гранул, жевательных мягких гранул, рук и никакой активности, соответственно. Каждое мероприятие было выполнено в течение 2 минут от времени 5 мин до времени 7 мин. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Figure 5
Рисунок 5: Связь между Pi и связанных с задачами мидриаза. (A) Значения PI, полученные в разное время во время различных действий, иллюстрированных на рисунке 4, построены как функция соответствующих значений мирриаза, связанного с задачами. (B) Изменения в ИП в отношении T0 (оценивается как разница) были построены как функция соответствующих изменений в задачи, связанных с мирриазом. В (A) и (B) точки, черные квадраты, круги и белые квадраты представляют данные относительно жевательных твердых гранул, жевательных мягких гранул, рук и никакой активности, соответственно. Dashed lines являются регрессионными линиями всех точек данных. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Figure 6
Рисунок 6: Одновременная запись производительности и связанных с задачами мидриаза. Однокадровый вид субъекта, выполняющего внимательный тест матриц, взятый с камеры, установленной на раме зрачков. Входе в правом верхнем углу показаны одновременные изображения обоих зрачков. Зеленый круг представляет собой точку фиксации. Красное пятно и круги тонут на зрачок центр зрачка и контур, как оценено системой слежения работая на видео глаза. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Протоколы, представленные в этом исследовании, касаются острых последствий сенсомоторной тройничной активности на когнитивные функции и роль LC в этом процессе. Эта тема имеет некоторое значение, учитывая, что 1) во время старения, ухудшение маститативной активности коррелирует с когнитивным распадом32,33,34; люди, которые сохраняют здоровье полости рта менее склонны к нейродегенеративным явлениям; 2) malocclusion и извлечение зубов индуцирует нейродегенеративные эффекты у животных на гиппокампе и корковом уровне35,36,37,38,39; 3) LC оказывает трофические действия на мозг, регулирует нервно-сосудистые связи, и подавляет нейровоспаление и накопление бета-амилоида11,40; 4) есть доказательства того, что нейродегенеративные заболевания могут быть вызваны нейродегенеративными процессами на уровне LC11,40.

Протокол 1 допускает определение специфических эффектов жевания в отношении а) учебных процессов, вызванных последовательными повторениями задачи и б) другими видами обычной двигательной активности. Кроме того, он устанавливает наличие/отсутствие корреляции между изменениями в производительности и милиазами, причем последний считается индикатором почасовой активации LC во время выполнения задачи. Эти данные убедительно свидетельствуют об участии LC в воздействии сенсомоторной тройничной активации. Такой протокол успешно применяется Tramonti Fantozzi et al.30. Как видно из раздела результатов, он может также использоваться для оценки степени зависимости успеваемости от изменений в учащихся, связанных с возбуждением поозренным lc на уровне отдельных предметов. Получение этого измерения (производительность / LC активации) представляет собой новую и важную нейропсихологическую переменную, которая может быть изучена в отношении пола, возраста, введения наркотиков, и любое поведенческое состояние.

Основное ограничение протокола 1 заключается в том, что измерения размера зрачка выполняются при постоянном освещении, препятствуя зрению и исключая оценку мироизеза, вызываемую во время сканирования матриц. Это обязывает запись мидриаза во время другой задачи. Эта проблема решается путем выполнения протокола 2, в котором вводится носимый зрачок, наделенный датчиком света. Таким образом, можно контекстуально записывать как когнитивные функции и мидриаз во время той же задачи, обеспечивая еще более убедительные доказательства о влиянии сенсомоторной активности на LC и производительности. Это также помогает рассмотреть исследования, направленные на связь активации LC с поведенческими условиями. Для правильного применения протокола 2 необходимо позаботиться о том, чтобы поддерживать постоянный уровень освещения окружающей среды и предварительную калибровку носимых приборов.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Авторам нечего раскрывать.

Acknowledgments

Исследование было поддержано грантами Университета Пизы. Мы благодарим г-на Паоло Орсини, г-на Франческо Монтанари и г-жу Кристину Пуччи за ценную техническую помощь, а также компанию I.A.C.E.R. S.r.L. за поддержку д-ра Марии Паолы Трамонти Фантоцци в стипендии. Наконец, мы благодарим компанию OCM Projects за подготовку твердых гранул и выполнение твердости и весенних постоянных измерений.

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

Нейронаука Выпуск 153 тройничный вход размер зрачка когнитивные функции локус coeruleus возбуждение носимый зрачометр
Оценка связанных с учащимися изменений в Локус Coeruleus-опосредованного возбуждения, вызванных trigeminal стимуляции
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