Summary
Bilişsel performans üzerindeki trigeminal etkilerin locus coeruleus aktivitesini içerip içermediğini doğrulamak için, çiğnemenin neden olduğu performans ve görevle ilgili gözbebeği boyutu değişiklikleri arasındaki olası korelasyonları değerlendirmeyi amaçlayan iki protokol sunulmuştur. Bu protokoller locus coeruleus katkısından şüphelenilen durumlara uygulanabilir.
Abstract
Mevcut bilimsel literatür, çiğneme ile ilişkili trigeminal sensorimotor aktivitenin uyarılma, dikkat ve bilişsel performansı etkileyebileceğine dair kanıtlar sunmaktadır. Bu etkiler, trigeminal sistemin çekirge koeruleusunun (LC) noradrenerjik nöronlarının ait olduğu yükselen retiküler aktivasyon sistemine (ARAS) olan yaygın bağlantılarına bağlı olabilir. LC nöronlar tüm beyne projeksiyonlar içerir, ve onların deşarj co-gözbebeği büyüklüğü ile değişir bilinmektedir. LC aktivasyonu görevle ilgili midriazis intifa etmek için gereklidir. Bilişsel performans üzerinde çiğneme etkileri LC aracılık ise, bilişsel performans değişiklikleri görev ile ilgili mydriasis değişiklikleri ile ilişkili olduğunu beklemek makul. Bu hipotezi doğrulamak ve çiğneme etkilerinin belirli bir motor aktivasyona atfedilemez olduğunu belgelemek için burada iki yeni protokol sunulmuştur. Her iki protokolde de, belirli görevler sırasında gözlenen performans ve gözbebeği boyutu değişiklikleri, 2 dakika lık bir süreden önce, kısa bir süre sonra ve yarım saat sonra kaydedilir: a) aktivite yok, b) ritmik, ikili kavrama, c) yumuşak peletin iki taraflı çiğnmesi ve d) sert pelet iki taraflı çiğneme. İlk protokol, sayısal matrisler içinde görüntülenen hedef sayılarıtespit etmede performans düzeyini ölçer. Gözbebeği boyutu kayıtları, sürekli aydınlatma düzeylerini sağlamak için görüşü engelleyen uygun bir pupillometre ile kaydedildiği için, görevle ilgili midriyazis haptik bir görev sırasında değerlendirilir. Bu protokolden elde edilen sonuçlar, 1) performans ve görevle ilgili mydriasiste çiğneme kaynaklı değişikliklerin ilişkili olduğunu ve 2) ne performans ne de midriazisin kavrama ile geliştirilemeyeceğini ortaya koymaktadır. İkinci protokolde, giyilebilir bir pupillometrenin kullanımı aynı görev sırasında öğrenci boyutu değişikliklerinin ve performansının ölçülmesine olanak sağlayarak, bilişsel aktivite üzerindeki trigeminal etkilerde LC tutulumu na ilişkin daha güçlü kanıtlar elde edilmesine olanak tanır. Her iki protokol de Pisa Üniversitesi'nde ARAS'ın kaşifi Prof. Giuseppe Moruzzi'nin tarihi ofisinde yürütüldü.
Introduction
İnsanlarda, bu çiğneme bilişsel işleme hızlandırır bilinmektedir1,2 ve uyarılma geliştirir3,4, dikkat5, öğrenme, ve bellek6,7. Bu etkiler kortikal olay ile ilgili potansiyellerin gecikmelerinin kısaltılması ile ilişkilidir8 ve çeşitli kortikal ve subkortikal yapıların perfüzyon bir artış2,9.
Kranial sinirler içinde, kortikal desenkronizasyon ve uyarılma sürdüren en ilgili bilgi trigeminal lifler tarafından taşınır10, muhtemelen artan retiküler aktive sistemi güçlü trigeminal bağlantıları nedeniyle (ARAS)11. ARAS yapıları arasında, locus coeruleus (LC) trigeminal girişleri alır11 ve uyarılma modüle12,13, ve öğrenci boyutu ile aktivite covaries14,15,16,17,18. LC dinlenme aktivitesi ve bilişsel performans arasındaki ilişki karmaşık olmasına rağmen, LC aktivitesinin görev le ilgili geliştirme uyarılma ile ilişkili yol açar19 gözbebeği mydriasis20 ve gelişmiş bilişsel performans21. LC aktivitesi ve gözbebeği boyutu arasında güvenilir bir covaryasyon vardır, ve ikincisi şu anda merkezi noradrenergic aktivite22,23,24,25,26bir proxy olarak kabul edilir.
Sensorimotor trigeminal dalların asimetrik aktivasyonu gözbebeği asimetrilerini indükler (anisocoria)27,28, trigemino-coerulear bağlantı gücünü doğrulayan. LC bilişsel performans çiğneme uyarıcı etkileri katılırsa, paralel görev ile ilgili mydriasis etkileyebilir, hangi bir görev sırasında LC phasic aktivasyon bir göstergesidir. Aynı zamanda performansı etkileyebilir, bu nedenle performans ve mydriasis çiğneme kaynaklı değişiklikler arasında bir korelasyon beklenebilir. Ayrıca, trigeminal etkileri belirli ise, çiğneme etkileri başka bir ritmik motor görev tarafından ortaya çıkan daha büyük olmalıdır. Bu hipotezleri test etmek için iki deneysel protokol sunulmuştur. Bunlar, kısa bir çiğneme aktivitesi nden önce ve sonra gerçekleştirilen bilişsel performans ve gözbebeği büyüklüğünün kombine ölçümlerine dayanır. Bu protokoller, hedef olmayan sayılarla birlikte sayısal olarak uygunmatris29'dagörüntülenen hedef sayıları bulmaktan oluşan bir test kullanır. Bu test özenli ve bilişsel performansı doğrular.
Bu protokollerin genel amacı, trigeminal stimülasyonun bilişsel performansta belirli değişikliklere yol açabilmektir, bu değişiklikler özellikle motor komutlarının oluşumuna atfedilemez ve LC aracılı öğrencibağlantılı değişikliklerle ilişkilidir. Uyarılma. Protokollerin uygulamaları, performansın ölçülebileceği tüm davranış koşullarını genişletir ve LC'nin katılımından şüphelenilir.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Tüm adımlar Pisa Üniversitesi Etik Komitesi yönergeleriizleyin.
1. Katılımcı Alımı
- Çalışmanın özel amacına göre bir konu popülasyonu (yani, normal denekler ve/veya hastalar, erkekler ve/veya kadınlar, gençler ve/veya yaşlılar) işe almak.
2. Malzeme Hazırlama
- Yumuşak bir pelet hazırlayın; ticari olarak mevcut sakız kullanın(Malzeme Tablosu; başlangıç sertliği = 20 Shore OO).
- Sert bir pelet hazırlayın; silikon kauçuk pelet kullanın (Malzeme Tablosu; sabit sertlik = 60 Shore OO)30.
- Bir grip görevi için bir anti-stres topu hazırlayın. Poliüretan köpükten yapılmış bir top(Malzeme Tablosu; sabit sertlik = 30 Shore OO)30kullanın.
- Dokunsal görevi yerine getirirken bir tangram bulmacası(Malzeme Tablosu; parça sayısı = yedi) hazırlayın.
3. Deneyin Akış Şeması
- Protokol 1'in akış şeması
- Bilişsel (matrisler) testinde (T0, kontrol) temel performansı değerlendirin (bkz. bölüm 4.1).
- Öğrenci boyutunu değerlendirin (bkz. bölüm 4.2) istirahatte (denekten istenen bir etkinlik yok) (T0, kontrol).
- Tangram (T0, kontrol) dayalı bir dokunsal görev sırasında gözbebeği boyutunu değerlendirin.
- Bulmacadan parçalardan birini çıkarın ve nesnenin eline yerleştirin.
- Bulmaca bakmadan, bulmaca içine parça geri koymak için konu isteyin.
- 3.1.4.1-3.1.4.4 adımlarına göre her deneğin 2 dk veya 2 dk dinlenmesi için üç özel etkinlik yapmasını isteyin. Deneklerden bu etkinlikleri farklı günlerde (seanslar arasında 2-3 gün) gerçekleşen ayrı oturumlarda gerçekleştirmelerini isteyin.
- 2 dakika boyunca kendi kendine uygulanan yumuşak pelet çiğnemek için konu isteyin, onu kendiliğinden çiğneme oranı ve çiğnemek için ağız yan hem de seçmenize izin. 1 dakika çiğnendikten sonra çiğneme tarafını (ve peleti) değiştirmesini isteyin.
- 2 dakika boyunca kendi kendine yönetilen sert pelet çiğnemek için konu isteyin. 1 dakika sonra, onu çiğneme tarafı (ama pelet) değiştirmek isteyin.
- Bir anti-stres topu ritmik sıkma gerçekleştirmek için konu isteyin (handgrip egzersiz) 2 dakika için oranda ve kendi seçtikleri elinde. 1 dakika sonra, el değiştirmesini isteyin.
- 2 dakika dinlenme (hiçbir aktivite) için konu isteyin.
- Her adımın bitiminden hemen sonra (3.1.4.1-3.1.4.4), matris testindeki performansı ve istirahatte öğrenci boyutunu ve dokunsal görev sırasında (T7) değerlendirin.
NOT: "Istirahatte" terimi, öğrenci boyutu ölçümü sırasında ki konunun rahatlatıcı olduğu anlamına gelir. "Dokunsal görev sırasında" terimi, öğrenci boyutu ölçümü sırasında ki öznenin görevi tangrama dayalı olarak yerine getirttiği anlamına gelir. - Her adımın bitiminden sonraki otuz dakika (3.1.4.1-3.1.4.4), performans ve gözbebeği boyutunu istirahatte ve dokunsal görev sırasında değerlendirin (T37).
- Protokol 2'nin akış şeması
- Konu dinlenirken gözbebeği boyutunu değerlendirin (T0, kontrol; bkz. bölüm 4.3).
- Aynı anda gözbebeği boyutunu (T0, kontrol) test ederken bilişsel (matrisler) testinde temel performansı değerlendirin.
- 3.2.3.1-3.2.3.4 adımlarına göre her deneğin 2 dk veya 2 dk dinlenmesi için üç özel etkinlik yapmasını isteyin. Deneklerden bu etkinlikleri farklı günlerde (seanslar arasında 2-3 gün) gerçekleşen ayrı oturumlarda gerçekleştirmelerini isteyin.
- 2 dakika boyunca kendi kendine uygulanan yumuşak pelet çiğnemek için konu isteyin, onu kendiliğinden çiğneme oranı ve çiğnemek için ağız yan hem de seçmenize izin. 1 dakika çiğnendikten sonra çiğneme tarafını (ve peleti) değiştirmesini isteyin.
- 2 dakika boyunca kendi kendine yönetilen sert pelet çiğnemek için konu isteyin. 1 dakika sonra, onu çiğneme tarafı (ama pelet) değiştirmek isteyin.
- Bir anti-stres topu ritmik sıkma gerçekleştirmek için konu isteyin (handgrip egzersiz) 2 dakika için oranda ve kendi seçtikleri tarafında. 1 dakika sonra, el değiştirmesini isteyin.
- 2 dakika boyunca dinlenmek için konu isteyin (hiçbir aktivite).
- Her adımın bitiminden hemen sonra (adım 3.2.3.1-3.2.3.4), matris testinde (T7) öğrenci nin büyüklüğünü istirahatte ve hem performans hem de gözbebeği boyutunu değerlendirin.
- Her adımın bitiminden otuz dakika sonra (adım 3.2.3.1-3.2.3.4), matris testinde (T37) öğrenci nin büyüklüğünü istirahatte ve hem performansta hem de gözbebeği boyutunu değerlendirin.
4. Protokol 1 ve 2'de Ölçülen Değişkenler
- Bilişsel performans
NOT: Her iki protokol de 1 ve 2, Spinnler-Tognoni sayısal matris testi29değiştirilmiş bir sürümüne dayalı bir test kullanarak bilişsel performansı ölçmek.- Konuya kağıda basılmış üç sayısal matris (10 x 10) görüntüleyin. Daha sonra, deneğe matris çizgilerini sırayla tarası isteyin, bir kalemle işaretleyerek hedef sayıların mümkün olduğunca çoğunu (300 toplam görüntülenen sayıdan 60'ı) 15 s içinde her matrisin üzerinde belirtilen(Şekil 1)işareteder.
- Öğrenme süreçleri ile ilgili kurucuların girişini önlemek için T0, T7 ve T37'de hedef sayıların farklı konumlarına sahip matrisleri kullan.
- Performans dizini (PI), tarama hızı (SR) ve hata oranını (ER) çevrimdışı olarak aşağıdaki gibi değerlendirin: PI = (15 s)/15'te altı çizili hedef sayılar; SR = (hedef + hedef olmayan sayılar 15 s)/15; ER = (hedef numaraları cevapsız + hedef olmayan sayılar 15 s)/15.
- Protokol 1'de gözbebeği boyutu
- Aşağıdaki iki edinme işleminden birini kullanarak çevrenin görüşünü engelleyen kornea topografsı-pupillographer(Malzeme Tablosu)ile öğrenci boyutu ölçümü için konuyu hazırlayın.
- Kornea topografsı-pupillographer üzerinde özel düğmeye basarak, 40 lux sabit bir aydınlatma seviyesi ile öğrencinin tek bir kamera çekimi(Şekil 2A,B)kaydedin. Kamera ve öğrenci arasında optimum çalışma mesafesini 56 mm'lik bir çalışma mesafesi koruyun.
NOT: Tek bir ölçüm, sürekli aydınlatma ile ölçülen gözbebeği boyutunun değişkenlik düzeyi nin düşük olması nedeniyle yeterlidir. - Öğrencinin sürekli bir kaydını gerçekleştirin (örnekleme hızı = 5 Hz; Şekil 2C,D) sürekli edinme yönteminde. İlk 20-50 ölçümleri atın (4-10 s), çünkü bu zaman atlamasırasında, gözbebeği çapı büyüyor (kazanım 40 lux'ta gözbebeği aydınlatmasını kapatarak başlar). Kalan ölçümlerin ortalamasını alın.
- Kornea topografsı-pupillographer üzerinde özel düğmeye basarak, 40 lux sabit bir aydınlatma seviyesi ile öğrencinin tek bir kamera çekimi(Şekil 2A,B)kaydedin. Kamera ve öğrenci arasında optimum çalışma mesafesini 56 mm'lik bir çalışma mesafesi koruyun.
- Sol ve sağ gözün gözbebeği boyutunu ayrı ayrı kaydedin (3.1.2, 3.1.5 ve 3.1.6. adımlar).
- Dokunsal görev sırasında öğrenci boyutunu kaydedin (3.1.3, 3.1.5 ve 3.1.6 adımları; sol ve sağ ayrı ayrı). Tek çekim yöntemini (adım 4.2.1.1) kullanırken, bulmaca yüzey ikeşfinin başlangıcında, iki görev tekrarının ikinci sırasında fotoğrafı edinin. Sürekli kayıt modunda (adım 4.2.1.2), bulmacanın parçası nesnenin eline verildiğinde edinimi başlatın.
- Yazılım tarafından görüntülenen değerlerin (mm olarak) doğrudan kazanılarak çevrimdışı sol ve sağ gözbebeği boyutunu istirahatte ve dokunsal görev sırasında değerlendirin. Görevle ilgili midriyazisi, dokunsal görev sırasında öğrenci boyutundan istirahat te öğrenci boyutunu çıkararak hesaplayın ve tüm ortalama sol-sağ değerlerini elde edin.
- Aşağıdaki iki edinme işleminden birini kullanarak çevrenin görüşünü engelleyen kornea topografsı-pupillographer(Malzeme Tablosu)ile öğrenci boyutu ölçümü için konuyu hazırlayın.
- Protokol 2'de gözbebeği boyutu
- Aşağıdaki yordamı kullanarak 3D baskılı cam çerçeve yapısına sahip giyilebilir pupillometre/göz izleyicisi(Şekil 3A)kullanarak konuyu öğrenci boyutu ölçümü için hazırlayın.
- Deneğin giyilebilir pupillometreyi giymesini iste. İki kızılötesi kameranın(Şekil 3A-2,3)çerçeveden kaynaklanan çubuklar üzerine monte edilmiş(Malzeme Tablosu)konumunu ayarlayın, böylece gözler kameraların görüş alanı içinde ve odakta olacak şekilde.
- Giyilebilir pupilometre ile birlikte verilen yazılım tarafından çevrimiçi olarak işlenen ve "ortalama" insan okülerin geometrik bir modelini kullanarak pupillarçapı (mm cinsinden) sağlayan öğrencilerin görüntülerini (örnekleme hızı = 120 Hz) elde edin. Göz kırpma artifakıları göz ardı edin.
- Giyilebilir pupillometre çerçevesine monte edilmiş kalibre edilmiş logaritmik ışık sensörü kullanarak çevresel aydınlatma seviyesini sürekli olarak kaydedin. Görünüm konu alanını (örnekleme hızı = 30 Hz) bakış davranışını incelemek için yararlı kaydetmek için giyilebilir pupillometreye(Şekil 3A-1)monte edilmiş bir frontal RGB kamera kullanın.
- Aynı anda 20 s (Şekil 3B)için istirahat iki öğrencinin boyutunukaydedin.
- Konu Spinnler-Tognoni testini gerçekleştirirken öğrencilerin boyutunu kaydedin, böylece aynı anda kaydedilen öğrenci boyutu ve bilişsel performansın (3.2.2, 3.2.4 ve 3.2.5) kaydedilmesi için.
- Her öğrenci için kazanılmış değerlerin (n = 2.400) ortalamasını alarak, spinnler-Tognoni testi sırasında çevrimdışı sol ve sağ gözbebeği boyutunu dinleyin. Matris testi sırasında öğrenci boyutunu öğrenci boyutundan çıkararak görevle ilgili midriyazisi hesaplayın, ardından tüm ortalama sol-sağ değerleri.
- Aşağıdaki yordamı kullanarak 3D baskılı cam çerçeve yapısına sahip giyilebilir pupillometre/göz izleyicisi(Şekil 3A)kullanarak konuyu öğrenci boyutu ölçümü için hazırlayın.
- Bakış pozisyonu
NOT: Bölüm 4.3'ten elde edilen iki öğrencinin görüntülerini kullanarak fiksasyon noktasını çevrimiçi olarak yeniden oluşturun. Edinilmiş çerçeveleri gerçek zamanlı olarak işle ve göz izleyicisini takan her bir nesne için özel olarak önceden hesaplanmış bir aktarım fonksiyonu31 kullanarak bakış sabitleme noktasını tahmin edin.- Gerekirse, protokol 2'yi gerçekleştirirken, öğrenci görüntülerinden bakış konumunu yeniden oluşturun. Bunu yapmak için, bölüm 4.1'de kullanılan matris sayfasının dört köşesine dört bilgisayar algılanabilir görme işaretçisi (enstrüman yazılımının ArUco veya AprilTag kitaplıkları) ekleyin.
- Verileri elde etmek için kalibrasyon sistemine (kullanılan öğrenci kulaklığı için gömülü göz izleme yazılımına) izin verin ve iki öğrencinin görüntülerinden başlayarak fiksasyon noktasını eşleyen transfer fonksiyonunun parametrelerini değerlendirin. Örnek olarak, deneğe, çerçeveye monte edilen ve görüş alanına bakan ek RGB kamera tarafından aynı anda kaydedilen görüş alanında (yani matris sayfasının dört köşesi ve sayfanın merkezinde) önceden tanımlanmış bir nokta sırasına bakmasını isteyin.
- Matris testi sırasında gözbebeği boyutunu kaydedin.
- Öznenin görüş alanının her karesinde işaret olarak görünen çevrimdışı bakış konumunu hesaplayın. Çerçeveler arasındaki matrislerin üzerindeki bakış konumunu izlemek için dört işaretçiyi kullanın.
5. İstatistiksel Analiz
- Tekrarlanan anova ve istatistik yazılım paketini kullanarak dört koşulda (aktivite yok, kavrama, yumuşak pelet, sert pelet) dört koşulda (T0, T7, T37) görev kaynaklı midriyazis, PI, SR ve ER'nin gözbebeği boyutunu istirahatte ve görev sırasında analiz edin.
- ANOVA'da tekrarlanan önlemlerkullanılarak dört koşulda (aktivite yok, kavrama, yumuşak pelet, sert pelet) taban çizgisi değerlerine (T0) ilişkin değişkendeğişiklikleri iki kez (T7, T37) analiz edin.
- ANOVA çalıştırırken, yazılım veri dağıtımının küresel olmadığını gösteriyorsa, çıktı istatistik tablosundan Sera-Geisser ε düzeltmesine karşılık gelen p değerini alın.
- T7 ve T37'deki performans (PI, SR, ER) değişikliklerini, görevle ilgili midriaziste doğrusal regresyon analizi ile gözlenenlerle ilişkilendirin.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Şekil 4, protokol 1 tek bir konuya uygulandığında elde edilen sonuçların temsili bir örneğini gösterir (46 yaşında, kadın). PI çiğnendikten kısa bir süre sonra (T7) hem sert (1,73 uyuşmuş/s'den 2,27 uyuşmuş/s'ye) hem de yumuşak pelet (1,67 uyuşmuş/s'den 1,87 uyuşmuş/s'ye) artırıldı (Şekil 4A). Ancak, 30 dakika sonra (T37), artan performans sadece sert pelet için devam etti. Öte yandan, hem aktivite eksikliği hem de kavrama egzersizi performans üzerinde olumsuz bir etki yaratmış, bu da 1.73'ten 1.67 uyuşuk/s'ye ve 1.6 numb/s'den 1.53 uyuşmuş/s'ye düşmüş, son deney değerlendirmesinde 30 dakika sonra gözlenen iyileşme eğilimi ile birlikte.
Şekil 4B'dede görüldüğü gibi, görevle ilgili midriazisiçin niteliksel olarak benzer değişiklikler gözlendi. Bu örnekte, ölçümler denek dinlenirken rastgele alınan tek tek örneklerden oluşuyordu. Haptik görev sırasında, iki örnek kaydedildi, ancak ilk imiş. Alternatif olarak, enstrümanın sürekli edinme modunda, 100 örnek 20 s olarak kaydedildi, ilk 20-50 ölçümler göz ardı edildi, ve kalan daha sonra yanıp sönen eserlerin kaldırılmasından sonra ortalamaedildi(Şekil 2C,D). Tek tek örnekler, göz bebeği boyutunun göz aydınlatmasının kapatılmasından sonra 4-10 s'lik çok kararlı bir seviyeye ulaşması nedeniyle ortalama değeri yakından yansıtır(Şekil 2C,D). Şekil 4 ve Şekil 5'te gösterilen veriler 30 denek popülasyonunda çoğaltılmış ve hem çiğneme hem de kavramaya bağlı değişiklikler istatistiksel olarak doğrulanmıştır. Öte yandan, denekler herhangi bir aktiviteye dahil olmadığında, t7 ve T37'de bilişsel performans ve mydriasis30'da herhangi bir değişiklik yapılmadı.
1) performans ve midriyazisin farklı görevlerde kaydedilmiş olmasına ve 2) Şekil 5A,B'de gösterilen 12 deneysel noktanın 4 ayrı günde kaydedilmiş olmasına rağmen, performans ve görevle ilgili mydriasis (r = 0.939, p< 0.0005, y = 1.166x - 0.417) arasında güçlü bir korelasyon gözlendiği dikkat çekicidir. Şekil 5A'danda anlaşılabileceği gibi, bu ilişki sert ve yumuşak peletlerin çiğnenme ile indüklenen modifikasyonlarından kaynaklanmaktadır. Daha da şaşırtıcı bir şekilde, temel değerlere ilişkin karşılık gelen değişiklikler göz önünde bulundurulduğunda da bir korelasyon belirgindi (r = 0.924, p < 0.001, y = 1.210x + 0.101; Şekil 5B).
Tramonti Fantozzi ve ark.30,PI ve mydriasis çalışmalarında analiz edilen 30 denek arasında 26'sında pi ve mydriasis anlamlı olarak korelasyon alabildi ve buna karşılık gelen regresyon hatlarının eğimleri 0.310-1.327 numb/s/mm arasında değişmekteydi. Karşılık gelen değişiklikler 22 denekte (eğim aralığı: 0.390-1.408) anlamlı olarak korelasyon da vardı.
Bilişsel performans çiğneme uyarıcı etkileri LC tutulum daha güçlü kanıt sadece matris testinin yürütülmesi sırasında gözlenen mydriasis değişikliği ile PI çiğneme kaynaklı değişiklikler korelasyon elde edilebilir. Bu, deneklerin eşler testi nin aynı anda kaydedilirken eşler testini gerçekleştirdiği protokol 2'nin daha doğal koşullarında elde edilebilir(Şekil 6).
Şekil 1: Spinnler-Tognoni sayısal matrisörneği. Test, özne tarafından işaretlenmiş olan her matrisin üzerinde belirtilen hedef sayıların tanımlanmasından oluşur. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 2: Protokol 1'deki tek bir özneden alınan öğrenci boyutu kayıtlarıörneği. (A) Istirahatte öğrenci boyutunun kaydı, tek çekim. (B) Haptik görev sırasında öğrenci boyutunun kaydedilmesi, tek atış. (C) 20 s. (D) 20 s. Oklar için haptik görev sırasında öğrenci boyutunun sürekli kayıt yanıp sönen eserler gösterir. (C) ve (D)'de, zaman 0'dan zamana 4'lü veriler analizden atılır. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 3: Protokol 2'deki öğrenci boyutu kayıtlarıörneği. (A) Pupillometre yi takan bir deneğin fotoğrafı. 1-3 numaraları davranış (1) ve gözbebeği boyutu (2-3) kayıtları sağlayan üç kamera, konumunu gösterir. (B) Üst izleme: çevresel aydınlatma düzeyi. Orta ve alt izler: Spinnler-Tognoni matris testinin performansı sırasında sol ve sağ gözbebeği boyutu. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 4: Protokol 1'deki farklı sensorimotor aktivitelerin neden olduğu performans ve görevle ilgili mydriasis değişiklikleri. (A) PI'deki değişiklikler. (B) Görevle ilgili mydriasisdeğişiklikleri. (A) ve (B), nokta, siyah kareler, daireler ve beyaz kareler, sırasıyla sert pelet çiğneme, çiğneme yumuşak pelet, el tutuşu ve hiçbir aktivite ye göre verileri temsil eder. Her etkinlik 2 dk zaman 5 dk için 7 dk. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görmek için lütfen buraya tıklayınız.
Şekil 5: PI ve görevle ilgili mydriasis arasındaki ilişki. Şekil 4'te gösterilen farklı etkinlikler sırasında farklı zamanlarda elde edilen PI değerleri, görevle ilgili mydriyazisin karşılık gelen değerlerinin bir fonksiyonu olarak çizilir. (B) T0 ile ilgili PI değişiklikleri (fark olarak değerlendirilir) görevile ilgili mydriasis ilgili değişikliklerin bir fonksiyonu olarak çizilmiştir. (A) ve (B), nokta, siyah kareler, daireler ve beyaz kareler, sırasıyla sert pelet çiğneme, çiğneme yumuşak pelet, el tutuşu ve hiçbir aktivite ile ilgili verileri temsil eder. Kesik çizgiler, tüm veri noktalarının regresyon çizgileridir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 6: Performans ve görevle ilgili mydriasisin eşzamanlı kaydı. Pupilometre çerçevesine monte edilen kameradan alınan özenli matris testini yapan bir deneğin tek kare görünümü. Sağ üst köşedeki inset her iki öğrencinin eşzamanlı görüntülerini gösterir. Yeşil daire fiksasyon noktasını temsil eder. Göz bebeği üzerinde boğulan kırmızı nokta ve daireler, gözün videolarında çalışan izleme sistemi tarafından değerlendirildiği gibi, göz merkezi ve konturdur. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Bu çalışmada sunulan protokoller, sensorimotor trigeminal aktivitenin bilişsel performans üzerindeki akut etkilerini ve LC'nin bu süreçteki rolünü ele almıştır. Bu konu bazı alaka vardır, göz önüne alındığında 1) yaşlanma sırasında, mastikatory aktivite bozulması bilişsel çürüme ile ilişkilidir32,33,34; ağız sağlığını koruyan kişiler nörodejeneratif fenomenlere daha az yatkındır; 2) maloklüzyon ve diş çekimi hipokampal ve kortikal düzeyde hayvanlarda nörodejeneratif etkilerin neden olur35,36,37,38,39; 3) LC beyin üzerinde trofik eylem uygular, nörovasküler kaplin düzenler, ve nöroinflamasyon ve beta-amiloid birikimini inhibe11,40; 4) nörodejeneratif hastalıkların LC düzeyinde nörodejeneratif süreçler tarafından tetiklenebilir kanıtlar vardır11,40.
Protokol 1, çiğnemenin belirli etkilerinin a) görevin art arda tekrarı ve b) diğer sıradan motor aktivitesi ile ortaya çıkan öğrenme süreçlerinin tanımlanmasına olanak sağlar. Ayrıca, performans ve mydriasis değişiklikleri arasında bir korelasyon varlığı / yokluğu kurar, ikinci görev sırasında phasic LC aktivasyonu bir göstergesi olarak kabul ile. Bu kanıt, LC'nin sensorimotor trigeminal aktivasyonun etkilerine karıştığını kuvvetle göstermektedir. Böyle bir protokol başarıyla Tramonti Fantozzi ve ark.30tarafından uygulanmıştır. Sonuçlar bölümünde görüldüğü gibi, bireysel denekler düzeyinde LC aracılı uyarılma ile bağlantılı öğrenci değişikliklerine performansın bağımlılık derecesini değerlendirmek için de kullanılabilir. Bu ölçümün (performans/LC aktivasyonu) kazanılması, cinsiyet, yaş, ilaç uygulaması ve herhangi bir davranışsal durumla ilgili olarak çalışılabilen yeni ve önemli bir nöropsikolojik değişkeni temsil eder.
Protokol 1'in ana sınırlaması, gözbebeği boyutu ölçümlerinin sürekli aydınlatma, görme engeli ve matris taraması sırasında ortaya çıkan midriyazların değerlendirilmesini engelleme de yapılmasıdır. Bu farklı bir görev sırasında mydriasis kayıt zorunludur. Bu sorun, ışık sensörü ile donatılmış giyilebilir bir pupillometrenin tanıtıldığı protokol 2 gerçekleştirilerek çözülür. Bu şekilde, aynı görev sırasında hem bilişsel performansı hem de midriyazisi bağlamsal olarak kaydetmek mümkündür, sensorimotor aktivitenin LC ve performans üzerindeki etkileri hakkında daha da ikna edici kanıtlar sağlar. Bu aynı zamanda davranış koşulları lc aktivasyonu ile ilgili amaçlayan çalışmalar ele yardımcı olur. Protokol 2'nin doğru bir şekilde uygulanması için, sürekli olarak çevresel aydınlatma ve giyilebilir cihazların ön kalibrasyonuna özen verilmelidir.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Yazarların açıklayacak bir şeyi yok.
Acknowledgments
Araştırma Pisa Üniversitesi hibe tarafından desteklendi. Bay Paolo Orsini, Bay Francesco Montanari ve Bayan Cristina Pucci'ye değerli teknik yardımları için teşekkür ederiz. Son olarak, sert peletler hazırlamak ve sertlik ve yay sabit ölçümler icra için OCM Projects şirketi teşekkür ederiz.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Anti-stress ball | Artengo, Decathlon, France | TB600 | |
| Chewing gum | Vigorsol, Perfetti, Italy | Commercially available product | |
| Infrared Camera-Wearable pupillometer | Pupil Labs, Berlin, Germany | Pupil Labs headset | |
| Pupillographer | CSO, Florence, Italy | MOD i02, with chin support | |
| Silicon rubber | Prochima, Italy | gls50 | |
| Software for pupil detection - wearable pupillometer | Pupil Labs, Berlin, Germany | Pupil Labs headset | |
| Tangram Puzzle | Città del Sole srl, Milano, Italy | Tangram Puzzle | |
| Wearable pupillometer | Pupil Labs, Berlin, Germany | Pupil labs model | Dimension of the frame: 13.5 cm x 15.5 cm |
References
- Hirano, Y., et al. Effects of chewing on cognitive processing speed. Brain and Cognition. 81 (3), 376-381 (2013).
- Hirano, Y., Onozuka, M. Chewing and cognitive function. Brain and Nerve. 66 (1), 25-32 (2014).
- Allen, A. P., Smith, A. P. Effects of chewing gum and time-on-task on alertness and attention. Nutritional Neuroscience. 15 (4), 176-185 (2012).
- Johnson, A. J., et al. The effect of chewing gum on physiological and self-rated measures of alertness and daytime sleepiness. Physiology & Behavior. 105 (3), 815-820 (2012).
- Tucha, O., Mecklinger, L., Maier, K., Hammerl, M., Lange, K. W. Chewing gum differentially affects aspects of attention in healthy subjects. Appetite. 42 (3), 327-329 (2004).
- Allen, K. L., Norman, R. G., Katz, R. V. The effect of chewing gum on learning as measured by test performance. Nutrition Bulletin. 33 (2), 102-107 (2008).
- Smith, A. Effects of chewing gum on mood, learning, memory and performance of an intelligence test. Nutritional Neuroscience. 12 (2), 81-88 (2009).
- Sakamoto, K., Nakata, H., Kakigi, R. The effect of mastication on human cognitive processing: a study using event-related potentials. Clinical Neurophysiology: Official Journal of the International Federation of Clinical Neurophysiology. 120 (1), 41-50 (2009).
- Hirano, Y., et al. Effects of chewing in working memory processing. Neuroscience Letters. 436 (2), 189-192 (2008).
- Roger, A., Rossi, G. F., Zirondoli, A. Le rôle des afferences des nerfs crâniens dans le maintien de l'etat vigile de la preparation "encephale isolé". Electroencephalography and Clinical Neurophysiology. 8 (1), 1-13 (1956).
- De Cicco, V., et al. Trigeminal, Visceral and Vestibular Inputs May Improve Cognitive Functions by Acting through the Locus Coeruleus and the Ascending Reticular Activating System: A New Hypothesis. Frontiers in Neuroanatomy. 11, 130 (2017).
- Samuels, E. R., Szabadi, E. Functional neuroanatomy of the noradrenergic locus coeruleus: its roles in the regulation of arousal and autonomic function part I: principles of functional organisation. Current Neuropharmacology. 6 (3), 235-253 (2008).
- Carter, M. E., et al. Tuning arousal with optogenetic modulation of locus coeruleus neurons. Nature Neuroscience. 13 (12), 1526-1533 (2010).
- Rajkowski, J., Kubiak, P., Aston-Jones, G. Correlations between locus coeruleus (LC) neural activity, pupil diameter and behaviour in monkey support a role of LC in attention. Society for Neuroscience Abstracts. 19, 974 (1993).
- Rajkowski, J., Kubiak, P., Aston-Jones, G. Locus coeruleus activity in monkey: phasic and tonic changes are associated with altered vigilance. Brain Research Bulletin. 35 (5-6), 607-616 (1994).
- Alnæs, D., et al. Pupil size signals mental effort deployed during multiple object tracking and predicts brain activity in the dorsal attention network and the locus coeruleus. Journal of Vision. 14 (4), (2014).
- Murphy, P. R., O'Connell, R. G., O'Sullivan, M., Robertson, I. H., Balsters, J. H. Pupil diameter covaries with BOLD activity in human locus coeruleus. Human Brain Mapping. 35 (8), 4140-4154 (2014).
- Joshi, S., Li, Y., Kalwani, R. M., Gold, J. I. Relationships between Pupil Diameter and Neuronal Activity in the Locus Coeruleus, Colliculi, and Cingulate Cortex. Neuron. 89 (1), 221-234 (2016).
- Bradshaw, J. Pupil size as a measure of arousal during information processing. Nature. 216 (5114), 515-516 (1967).
- Gabay, S., Pertzov, Y., Henik, A. Orienting of attention, pupil size, and the norepinephrine system. Attention, Perception & Psychophysics. 73 (1), 123-129 (2011).
- Usher, M., Cohen, J. D., Servan-Schreiber, D., Rajkowski, J., Aston-Jones, G. The role of locus coeruleus in the regulation of cognitive performance. Science (New York, NY). 283 (5401), 549-554 (1999).
- Laeng, B., et al. Invisible emotional expressions influence social judgments and pupillary responses of both depressed and non-depressed individuals. Frontiers in Psychology. 4, (2013).
- Silvetti, M., Seurinck, R., van Bochove, M. E., Verguts, T. The influence of the noradrenergic system on optimal control of neural plasticity. Frontiers in Behavioral Neuroscience. 7, 160 (2013).
- Hoffing, R. C., Seitz, A. R. Pupillometry as a glimpse into the neurochemical basis of human memory encoding. Journal of Cognitive Neuroscience. 27 (4), 765-774 (2015).
- Kihara, K., Takeuchi, T., Yoshimoto, S., Kondo, H. M., Kawahara, J. I. Pupillometric evidence for the locus coeruleus-noradrenaline system facilitating attentional processing of action-triggered visual stimuli. Frontiers in Psychology. 6, 827 (2015).
- Hayes, T. R., Petrov, A. A. Pupil Diameter Tracks the Exploration-Exploitation Trade-off during Analogical Reasoning and Explains Individual Differences in Fluid Intelligence. Journal of Cognitive Neuroscience. 28 (2), 308-318 (2016).
- De Cicco, V., Cataldo, E., Barresi, M., Parisi, V., Manzoni, D. Sensorimotor trigeminal unbalance modulates pupil size. Archives Italiennes De Biologie. 152 (1), 1-12 (2014).
- De Cicco, V., Barresi, M., Tramonti Fantozzi, M. P., Cataldo, E., Parisi, V., Manzoni, D. Oral Implant-Prostheses: New Teeth for a Brighter Brain. PloS One. 11 (2), e0148715 (2016).
- Spinnler, H., Tognoni, G. Italian standardization and classification of Neuropsychological tests. The Italian Group on the Neuropsychological Study of Aging. Italian Journal of Neurological Sciences. 8, 1 (1987).
- Tramonti Fantozzi, M. P., et al. Short-Term Effects of Chewing on Task Performance and Task-Induced Mydriasis: Trigeminal Influence on the Arousal Systems. Frontiers in Neuroanatomy. 11, 68 (2017).
- Kassner, M., Patera, W., Bulling, A. Pupil: An Open Source Platform for Pervasive Eye Tracking and Mobile Gaze-based Interaction. arXiv.org. , http://arxiv.org/abs/1405.0006 (2014).
- Gatz, M., et al. Potentially modifiable risk factors for dementia in identical twins. Alzheimer's & Dementia: The Journal of the Alzheimer's Association. 2 (2), 110-117 (2006).
- Okamoto, N., et al. Relationship of tooth loss to mild memory impairment and cognitive impairment: findings from the Fujiwara-kyo study. Behavioral and Brain Functions. 6, 77 (2010).
- Weijenberg, R. A. F., Lobbezoo, F., Knol, D. L., Tomassen, J., Scherder, E. J. A. Increased masticatory activity and quality of life in elderly persons with dementia--a longitudinal matched cluster randomized single-blind multicenter intervention study. BMC Neurology. 13, 26 (2013).
- Kato, T., et al. The effect of the loss of molar teeth on spatial memory and acetylcholine release from the parietal cortex in aged rats. Behavioural Brain Research. 83 (1-2), 239-242 (1997).
- Onozuka, M., et al. Impairment of spatial memory and changes in astroglial responsiveness following loss of molar teeth in aged SAMP8 mice. Behavioural Brain Research. 108 (2), 145-155 (2000).
- Watanabe, K., et al. The molarless condition in aged SAMP8 mice attenuates hippocampal Fos induction linked to water maze performance. Behavioural Brain Research. 128 (1), 19-25 (2002).
- Kubo, K. Y., Iwaku, F., Watanabe, K., Fujita, M., Onozuka, M. Molarless-induced changes of spines in hippocampal region of SAMP8 mice. Brain Research. 1057 (1-2), 191-195 (2005).
- Oue, H., et al. Tooth loss induces memory impairment and neuronal cell loss in APP transgenic mice. Behavioural Brain Research. 252, 318-325 (2013).
- Mather, M., Harley, C. W. The Locus Coeruleus: Essential for Maintaining Cognitive Function and the Aging Brain. Trends in Cognitive Sciences. 20 (3), 214-226 (2016).
