アルコール中毒による認知制御期間前頭葉神経同期の中断

Neuroscience

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Summary

この実験では、解剖学的に制約がある脳磁図 (ひらやままどか) メソッドを使用して、急性アルコール中毒の関数として認知的コントロールの婚約中脳振動ダイナミクスと長距離の機能の同調性を調べます。

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Marinkovic, K., Beaton, L. E., Rosen, B. Q., Happer, J. P., Wagner, L. C. Disruption of Frontal Lobe Neural Synchrony During Cognitive Control by Alcohol Intoxication. J. Vis. Exp. (144), e58839, doi:10.3791/58839 (2019).

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Abstract

意思は分散、主に前頭葉の脳領域の動的な相互作用に依存しています。機能磁気共鳴イメージ投射 (fMRI) の研究から広範な証拠は、前方の帯状 (ACC) と外側前頭前皮質 (latPFC) がヒトの認知制御必須ノードであることを示します。しかし、その限られた時空間解像度のため fMRI できません正確に反映タイミングとその推定の相互作用の性質。本研究に「脳映画」の形で構造 MRI で一時的に正確な脳磁図 (MEG) 信号の分散の震源のモデル化を組み合わせた: (1) 認知制御に関与する大脳皮質領域の見積もり (「場所」)、(2) の特徴彼らの一時的な順序 (「いつ」)、および (3) リアルタイムで神経の相互作用振動ダイナミクスを定量化します。ストループ干渉は統合と応答の準備中に ACC、latPFC の認知要求に持続的な感度に続く競合検出中に ACC のイベント関連シータ (4-7 Hz) の力に関連付けられていた。位相同期の解析では、紛争を誘発するちぐはぐな試験中の増加神経同期シータ バンドを示すこれらの地域の co-oscillatory の相互作用を明らかにしました。これらの結果は、シータは長距離同期認知制御中にトップダウンの影響を統合するために必要な基本的なことを確認します。メグは、それに薬理学的操作に敏感な fMRI とは対照的に適した血管作動性神経の活動を直接、混同を反映しています。本研究では、健康社会酒飲みは被験者内デザインの適度なアルコール量とプラセボを与えられました。急性中毒は、ACC とアルコールがヒトの認知制御神経同期に有害であることを確認 latPFC のストループ競合と共同振動するシータ力を減衰します。それは欠乏自制、強迫的な飲酒への貢献可能性があります目的指向行動を妨げます。合計では、このメソッドが認知処理中にリアルタイムの相互作用への洞察力を提供することができ、関連するニューラル ネットワークを介した薬理学の課題に選択的な感度を特徴付けることができます。

Introduction

本研究の全体的な目標は、急性アルコール中毒による脳振動ダイナミクスと認知制御中長距離の機能統合の時空間的変化の影響を調べることです。採用のマルチ モーダル イメージング手法を組み合わせた脳磁図 (MEG) と構造の磁気共鳴画像 (MRI) とインタラクティブ システムのレベルの時間精度の高い意思決定の神経基盤に洞察力を提供します。

柔軟な動作は、コンテキストの要求の変化に適応し、さまざまなタスクと要件の意図と目標に一致して戦略的に切り替えることが可能になります。目標に関連するが非習慣性のアクションを支持して自動応答を抑制する能力は、認知制御の重要な側面です。広範な証拠を示唆ことそれは群主に前頭皮質ネットワークは、この対話型ネットワーク1,2,3,4の中央ノードと前帯状皮質 (ACC)。ACC と外側の前頭皮質の間豊富な解剖学的接続はよく説明5,6、認知制御、反応選択の間にこれらの地域の間の通信の機能特性実行が不十分な理解します。

理論78を監視非常に影響力の競合は、認知制御が内側と外側前頭前皮質の動的な相互作用から起こることを提案します。このアカウントには、ACC が競合する表現の間の競合を監視し、応答制御を実装し、パフォーマンスを最適化する外側前頭前皮質 (latPFC) を行っていますが写っています。ただし、このアカウントは主に血液酸素化レベル依存 (BOLD) 信号を用いた機能的 MRI (fMRI) 研究に基づいています。FMRI 大胆な信号は優れた空間マッピング ツール、神経血管結合を介した地域の循環動態の変動を反映するため、その時間の分解能が制限されます。その結果、BOLD 信号変化は多く遅い時間の尺度 (単位は秒) 基になる (単位はミリ秒) ニューラル イベント9より展開します。また、大胆な信号はアルコールの血管作動性効果10に敏感で、急性アルコール中毒の研究に適さなくなる神経の変化の大きさを正確に表さない可能性があります。内側と外側の前頭皮質、一時的に正確な方法で神経のイベントを記録する方法によって調べられるアルコール中毒の必要性への感度のため、推定される相互作用。メグは優れた時間分解能を以来、それは直接シナプス電流を反映しています。ここ採用解剖学的に制約のあるメグ (ひらやままどか) 方法を組み合わせたマルチ モーダル アプローチ分散構造 MRI と MEG 信号の震源のモデル化です。どこの競合・飲料関連脳律動変化が発生していると理解する、時系列(」と「)かかわる神経のコンポーネントの推定が可能です。

意思決定は認知制御に関するニーズの高まりに対処するため動的に従事している分散の脳領域との相互作用に依存しています。2 つの皮質間長距離同期イベント関連の変更を推定する 1 つの方法は、その共同振動11,12のインデックスとして結合の段階を計算します。本研究では、ACC と latPFC の co-oscillatory の相互作用を調べることにより理論を監視競合の基本的な教義をテストする位相同期解析が適用されます。シータ範囲 (4-7 Hz) の神経振動認知制御に関連付けられている、基本的な機構をトップダウン認知処理13,14に必要な長距離同期をサポートとして提案されています。 15,16。彼らは、前頭前野で作業の難易度の関数として生成され、急性アルコール中毒17,18,19,20によって減衰は大きく。

長期のアルコールの過剰摂取は、特に影響を受ける21,22である前頭前野の回路と認知障害の範囲に関連付けられます。急性アルコール中毒は、増加が困難、あいまいさ、または応答の非互換性17,23,24を誘発するこれらの条件の下で認知制御に有害です。意思決定に影響を与える、アルコール目標指向行動を妨げる可能性、貧しい自制心と増加を飲んで、可能性があります、トラフィック、または仕事関連危険25,26,27 にまた貢献するかもしれない.本研究は、シータ バンドと時間分解能が優れた主エグゼクティブ エリアとの同調性の振動の活動を測定するのにひらやままどかのアプローチを使用します。シータ活動と ACC と、latPFC との間の共同の振動に及ぼすアルコールはストループ干渉課題によって誘発される競合の関数として検討しました。我々 は、認知が高まるの大きい機能同期に関連付けられ、そのアルコール性不全内側と外側前頭前皮質の同期的活動の根底にある認知的制御における障害仮説します。

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Protocol

この実験的なプロトコルは、カリフォルニア大学サンディエゴ校で人間の被験者保護委員会によって承認されています。

1. 被験者

  1. 右利き成人健常者を採用、その同意を得る、包含/除外基準にそれらの画面します。
    注:この研究では、20 の若い、健康な個人 (平均 ± 標準偏差 [SD] 年齢 = 25.3 ± 4.4 歳) など 8 人の女性は、決して治療を受けてまたは逮捕薬物またはアルコール関連の犯罪は、いいえを報告した、適度に飲む人募集されました。煙も違法な物質、精神神経疾患または、現在健康上の問題の歴史を持っていない人で、薬を使用しない人短いミシガン州アルコール依存症スクリーニング テスト28日アルコール依存症に関連する症状は無料、ないです。強磁性体の内部のオブジェクト、またはインプラント。

2. 実験的なデザイン

  1. 3 メグ セッション (飲料入門セッションおよび相殺の方法でアルコールとプラセボが投与される 2 つの実験的飲料セッション)、および 1 つ構造 MRI スキャンを含む 4 回、各参加者をスキャンします。
    注:この被験者内デザインで参加者はアルコールとプラセボの両方のセッションに参加することによって、独自のコントロールとして機能します。このデザインは、誤差分散を削減しの脳の解剖学、行動、アルコール代謝で個々 の変動の影響を最小限に抑えることによって統計的検出力を高めます。

3. 収集するメグをスキャンします。

  1. 習熟セッションを実行します。
    1. 初期導入セッション中に管理アンケート参加者の医療の歴史、自分の飲酒パターンとアルコール依存症に関連する症状28,29、家族の歴史の重大度に関する詳細情報を取得するにはアルコール依存症の30と衝動性31,32を含む性格。
    2. 以下の手順でプロトコルに従うメグ スキャナーの初期録音を行う説明 3.2、3.3、および 3.5。すべての飲料を提供しません。タスクを説明し、練習バージョンできるように参加者の事前に精通を取得を実行します。
      注:実験的状況に馴化は、状況による覚醒33、それによりその後アルコールとそのディメンションのプラセボ セッションを等化の潜在的な影響を最小化する目的を果たします。
  2. アルコール/プラセボ実験的セッションを実行します。
    注:
    投与の飲料を除いてアルコールとプラセボのセッション中に同じ実験手順に従います。最初にアルコール飲料を投与することによって相殺する飲み物オーダーの半分の参加者とランダムな順序で半数にプラセボ。
    1. メグ ラボに到着時にスキャナーで参加者を置くと可能な磁化のチャンネルをチェック簡単なテスト スキャンを実行します。自分の体重を測定します。電子飲酒とそれらを画面します。48 h のアルコールから、実験前に 3 h のための食品からの棄権を要件への準拠についてのクエリします。
    2. すべての参加者から多剤テスト パネルの尿サンプルを収集し、任意の薬物の陽性反応を除きます。さらに、尿で妊娠の女性参加者をチェック テストし、テスト陽性または彼らは彼らが妊娠しているかもしれないと思われるかどうかを除きます。
    3. アルコールを飲む前に標準化されたスケール34と実験中に 2 つの追加の機会 - 昇順肢 (~ 15 自分の瞬間的な感情や状態の評価に尋ねる参加者の主観的な効果の動的変更を評価します。飲料を消費した後の分) と下行脚記録メグ後息のアルコール濃度曲線 (BrAC)。
    4. 録音の前にタスクを参加者に理解できるように刺激呈示ソフトウェアのラップトップ上ストループ課題の実践実行を管理します。
      注:ストループ課題のこのバージョンは、読書とカラー ネーミング (図 1) を組み合わせたものです。合同条件は、一致するフォントの色 (すなわち、「緑」は緑色で印刷された単語) で印刷される色単語 (赤、緑、青、黄色など) で構成されます。ちぐはぐな状態で色の言葉は、その意味 (すなわち、「緑」は黄色で印刷された単語) と一致しない色で印刷されます。ボタンの色、または、灰色、word18,23の意味に対応するボタンを押すことで、単語が書き込まれるときに単語を書いたときに、フォントの色に対応する 4 つのボタンのいずれかを参加者に求めます。
  3. メグ/脳波記録を準備します。
    注:
    前出版物35,36,37に MEG データ集録の詳細が記載されています。
    1. 参加者の頭の上脳波キャップまたは個々 の脳波電極を置き、すべてのインピー ダンスが 5 kΩ の下にあることを確認します。
    2. 各耳の後ろと額のいずれかの側に頭の位置インジケーター (HPI) コイルを取り付けます。
      注:この手順は、Neuromag システムに固有です。
    3. 頭骨を含む基準点と 2 つの耳介前点、HPI コイル、脳波電極の位置の位置をデジタル化し、多数の頭の形の輪郭を描く追加ポイント (200 ~) を取得します。解剖 MRI 画像 (図 2) と共同登録のためこの情報を使用します。
  4. 飲料を管理します。
    1. 各参加者の性別と体重 (男性用、女性用 0.55 g/kg アルコール 0.60 g/kg アルコール)、に基づいてと冷えたオレンジ ジュース (25 %v/v)、プレミアム品質のウォッカを混合することによってアルコール飲料の準備の 0.0638ブラチ島をターゲットします。プラセボ飲料としてウォッカ swabbed リムをガラスのオレンジ ジュースの同じボリュームを添えます。約 10 分で飲料を消費する参加者を求めます。
    2. 記録室に入るまで、飲んだ後 ~ 15 分と 5 分に、始まる飲酒と参加者のブラチ島を確認します。電子機器は、シールド ルームでは使用できません、使用アルコール、サリバテスト唾液が飽和し、読み出しを提供するレセプタクルに挿入する綿棒から成っています。
  5. メグ/脳波データを取得します。
    1. 快適にスキャナーで参加者の位置。前頭前野の活動は特別な関心のため、参加者が、彼/彼女の頭がヘルメットの上部に接触し、前面に揃えられて配置されているを確認します。
      注:頭の位置は、センサーと脳ソース39間の距離のキューブと磁場勾配を減少させるための重要な方法で活動推定を及ぼします。
    2. HPI コイルと電極のすべてをスキャナーの彼らのそれぞれの入力に接続します。応答パッドの位置を取りそろえたボタンを押すことができます。フォントが明確に参加者の前で投影画面上で見やすいことを確かめます。
    3. コンソールの部屋に戻って、インターホンが正常に機能していることを確認します。点滅を最小限に抑えるなど話によって引き起こされる頭部の動きの動きを避けるために、参加者を思い出させます。代わりに応答ボタンを押して質問に返信する参加者に指示します。
    4. 刺激と応答のすべてのトリガーが正しく記録されることを確認します。成果物のすべてのチャンネルを確認し、スキャナーのヘッドの位置を測定します。
    5. データ集録を開始してタスクを開始します。目を休ませる ~2.5 毎分休憩を与えます。タスクの完了時にデータを保存し、記録室から参加者をエスコートします。
    6. 参加者には、スキャナーが終了して、機器のノイズの測定として空の部屋からのデータの約 2 分を取得します。
    7. 評定作業の難易度、彼らは瞬間的な気分や感情34、感じたどの酔うあすかの飲料のコンテンツを参加者を求めます。

4. 画像の取得・構造 MRI の皮質の再構成

  1. 各参加者の高分解能解剖 MRI スキャンを取得し、なソフトウェア40,41,42各参加者の皮質表面を再構築します。
  2. 分割された構造 MRI 画像から派生した内側頭蓋骨表面を使用して、ボリュームの指揮者は、各個人の脳解剖学43と一貫性のある前方のソリューション モデルを提供するために使用の境界要素モデルを生成するには,44

5. 脳磁図データ解析

注:各参加者の再構成の皮質表面を使用して大脳皮質のリボン40,45,46推定を制約する、解剖学的に制約のあるメグ アプローチを使用してデータを分析します。解析ストリームはフィールドト リップ47、EEGLab48、MNE49など公開されているパッケージの依存関係を持つカスタム関数に依存します。

  1. データ前処理中に寛容なバンドパス フィルターを使用 (例えば、0.1 - 100 Hz) とパディングの各端の間隔を含むセグメントに刺激発症に関してエポック データ (後 800 ms に-300 にわたる興味の間隔の 1100 ms-600 など、余白の除去)。
  2. 目視によるアーチファクトと閾値に基づく除去をした試験と同様、騒々しいとフラットのチャンネルを削除します。独立成分解析48を使用して、瞬目とハートビートの成果物を削除します。不正な応答試験を排除します。
  3. Morlet ウェーブレット (図 3)47シータ周波数帯 (4-7 Hz) に 1 Hz 単位で各試験の複雑なパワー スペクトルを計算するを適用します。追加可能なアイテムを削除します。空部屋のデータからノイズの共分散を計算します。
  4. 共同 MRI 画像の 3次元 (3 D) ヘッド デジタル化情報 (図 2) を使用して、MEG データを登録します。
    1. MRIlab モジュールを開きます。
    2. ファイルを選択 |オープン |被写体の構造 MRI を選択
    3. ファイルを選択 |インポート |ディジタイザ データ |生 data.fif ファイルを選択 |作るポイント
    4. ウィンドウを選択 |ランドマーク |基準のランドマークを調整meg と MRI の共同登録が受け入れられるまで。
    5. ファイルを選択 |保存
  5. シータ ソース電力と位相スペクトルの動的な統計に基づくマッピング アプローチ18,50の感受性は、正規化された見積もりを計算します。% 信号変更イベント関連シータ電源を表現ベースラインを基準として。
  6. 平均の皮質表現51に各参加者の見積もりをモーフィングによるイベント関連シータ ソース電力の平均値のグループを作成します。
  7. 溝の見積もり (図 4) の可視性を高めるために膨脹させた平均表面の推定を視覚化します。
    1. MNE ソフトウェアを開きます。
    2. ファイルを選択 |表面を読み込む |負荷水増しグループ平均な皮質表面
    3. ファイルを選択 |オーバーレイの管理 |Stc を読み込む |グループ平均データを読み込む |使用可能なオーバーレイから読み込むファイルを選択します
    4. その他として選択オーバーレイ タイプ。
    5. カラー スケールのしきい値を調整する |表示
    6. 脳映画を表示し、領域および最高の活性化によって特徴付けられるタイム ・ ウィンドウを識別することによって処理の時空間的段階を確認します。
  8. 公平な関心 (ROIs) 最も顕著な電源と皮質の場所を組み込む全体的にグループ平均推定値に基づいて領域を作成します。時間コース各対象、条件、および投資収益率 (図 5) を計算します。
  9. 統計的に得られたシータ ソース電源見積もりを提出します。
    1. 各 ROI 時間コースから興味の時間窓を抽出し、分散分析 (ANOVA) 飲料 (アルコール, プラセボ) と試用版の種類 (不調和、ちぐはぐな) として主題要素内を実行します。ノンパラ メトリックのクラスター ベースの順列テスト52を使用して、同様に位相ロック値 (PLV) としてイベント関連シータ電源の飲料との条件比較を調べます。
  10. PLV12を計算することによって ACC の主な活性化巣と、latPFC 間の長距離同期タスクに関連変化を推定します。ベースラインを基準として変化率 PLV を表現します。
    注:PLV は複数の試験 2 つ・ ロワ間の位相角の一貫性の指標としてのそれを測定する彼らは共同リアルタイム (映画 1)、特定の周波数で振動する程度。
  11. ROI メグ活動推定、行動のパフォーマンス、および観察の結果の解釈を通知するアンケート得点の指標間の相関関係を計算します。

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Representative Results

行動の結果は、精度が低かったため、応答時間最長ちぐはぐな試験 (図 6) に、ストループ課題が応答干渉を正常に操作を示します。アルコール中毒は精度を下げたが、反応時間18に影響しなかった。

ひらやままどかアプローチで明らかにシータ周波数帯における活動の時空間的シーケンスはこの種類のタスクにおける認知機能の一般に認められたモデルと一致して全体的です。視覚野は認知統合段階で主に前頭皮質を従事する後方にアクティベーション パターン続く刺激発症後約 100 ms でアクティブ化脳映画 (映画 2) で示すように、〜 300 ミリ秒、ACC がちぐはぐな (株式会社) に特に敏感、高衝突試験では、その取り組みを示す競合監視します。ACC シータ振動の主発電機認知制御をプロービング タスクの中には周りの統合のステージ中、latPFC がアクティブでも 350 600 さん運動野の活性化は応答の準備中に 〜 600 ミリ秒後表示ステージ (映画 2 b)。イベント関連シータ電源は株式会社試験最大競合需要 (図 5)、特に前頭前野13,17,19,20への感度と一致しています。急性アルコール中毒の全体的なシータ パワーが減少します。ただし、不調和 (コング) 試験と比較して、アルコールは ACC と latPFC18で選択的に株式会社 (高い紛争) 臨床試験シータ電力を抑制します。

本研究は、認知制御ネットワーク7,の支配的なアカウントに照らしてストループ干渉の処理中にこれらの区域間の動的相互作用に焦点を当てたジャンニコバチェビッチら18から結果を拡張します。8. 飲料とタスク条件ごとに、各参加者のために計算された、PLVs タイミング、学位とこれらの 2 つの主に従事している皮質領域との相互作用の性質を理解し。図 7のグループの平均値のように、ACC と latPFC との間の共同の振動は、処理ステージ刺激中に共同振動で全体の増加と時間によって異なります。プラセボ、下が続きます持続的な増加 〜 400 ミリ秒後ちぐはぐな試験の準備段階で統合と応答。応答競合F(1,19) を想起させるより難しい、株式会社試験でのみの内側と外側の前頭皮質間同期の共同振動の観測したがって、5.5、 p < 0.05 を =。この証拠は、ACC と、latPFC 機能的生後認知制御にリアルタイムで対話の提案をサポートします。対照的に、急性アルコール中毒で大幅発がん降伏飲料の交互作用、 F(1,19) 条件、共同振動 = 5.1、 p < 0.05 でちぐはぐな試験専用の影響を受けたアルコールF(1,19) = 8.8, p < 0.01 (図 7)。これは抑制のアルコール誘発性障害の根底にあることができる、急性中毒に対する前頭前野のトップダウン調節機能の脆弱性を示します。

Figure 1
図 1: ストループ タスクを組み合わせた色の命名と読む。正しい応答色と共に 3 つの条件のそれぞれの裁判例が掲載されています。(コング) 不調和の状態でフォントの色は、ちぐはぐな試験 (株式会社) の軌跡を引き出す単語の意味からの干渉により応答紛争中の単語の意味と一貫性が。参加者は、言葉色 (コン、株式会社) に書かれるとき、フォントの色に対応するボタンを押すと灰色で書き込まれるとき単語の意味 (読み) に応答するように指示されます。試験は 300 ms に提示し、1700 さん試験種類、無作為の順序で提示の固定画面によって置き換えられます。この特定のバージョンのコングと株式会社条件が典型と 16.7% 試験合計 576 試験から発表されました。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

Figure 2
図 2: メグと MRI の共同登録します。記録メグの中に収集されたヘッド間でデジタル化されたポイントは、解剖 MRI 画像と共同登録に使用されます。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

Figure 3
図 3: Morlet ウェーブレット。Morlet ウェーブレットは、θ 帯域周波数 (4-7 Hz) の 1 Hz 周波数単位で各試験の複雑なパワー スペクトルを計算するために使用されます。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

Figure 4
図 4: 皮質の再構成とインフレします。個々 の皮質表面再構成し、推定ソースの力を制限するために使用されます。ここで示すように、ソースの可視性を高めるために平均の皮質表面は皮質溝と推定します。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

Figure 5
図 5: イベント関連シータのグループ平均時間コース ソース興味の選択された領域の力推計します。ちぐはぐな (INC) 刺激誘発事象関連シータ パワーアップ前帯状皮質 (ACC; 不調和 (コング) 刺激と比較してF(1,19) = p < 0.0001 34.1) だけでなく、外側前頭前皮質 (latPFC;F(1,19) = 11.0、< p 0.01)、株式会社シータ力だったアルコール中毒によって減衰として 480-670 さん紛争中に処理は特にアルコール中毒に敏感 (F(1,19) = p < 0.01 9.9)。Y 軸は、電源ノイズ-正規化イベント関連のシータのベースライン修正を示しています。この図は、ジャンニコバチェビッチら18から変更されています。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

Figure 6
図 6: ストループ課題の行動結果。ストループ干渉は、減少の精度とちぐはぐな (INC) 試験により長い応答時間に映っていた。アルコール中毒 (Alc) はプラセボ (大分市内の某所) と比較して精度を障害者が、反応時間に影響しなかった。誤差範囲は、平均値の標準誤差を示します。この図は、ジャンニコバチェビッチから変更されています。18.この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

Figure 7
図 7: Θ 帯域の位相ロック値 (PLVs) のグループ平均時間コース。前帯状皮質 (ACC) とプラセボ (左) とアルコール (右) の条件のためのベースラインからの変化率として表されますシータ帯外側前頭前皮質 (latPFC) との間の co-oscillatory の同期。次の PLVs の早い増加処理ステージ (400-600 ms)、共同の振動の持続的な増加刺激中はプラセボ、下の不調和 (コング) コースと比較して増加の認知制御に応答のちぐはぐな (INC) コースに観察されます。F(1,19) = 5.5 p < 0.05。急性アルコール中毒選択的に調節不全F(1,19) 株式会社試験共同振動 = 8.8, p < 0.01。(インセット) の活性化には、違和感の効果 (株式会社コン)、ACC と latPFC で顕著であるが地図表示。カラー スケールは、コング試験と比較して株式会社試験に強いシータ力を示す黄色 (活動 > 0.3) 赤 (活動 > 0.2), 刺激発症後 480 ms のベースライン修正ソース電源見積もりを表します。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

Movie 1
映画 1: 共同振動します。前帯状皮質 (ACC) と位相差の一貫性に敏感な同期の尺度として外側前頭前皮質 (latPFC) とシータ周波数範囲 (4-7 Hz) の位相ロック値を求めたそのシータ電源振幅に関係なくこれら 2 つ・ ロワ。この映画をダウンロードするここをクリックしてください

Movie 2
映画 2: 脳の映画。MRI は、ストループ干渉に対して θ 力とその活性化の時系列を生成の主な皮質領域の推定構造と組み合わせて提案と MEG 信号のソース モデルを配布しました。(A) 次の初期の感覚処理前帯状皮質 (ACC) 選択的にアクティブにちぐはぐな、高衝突試験 〜 350 さん (B) 後中 ACC シータ振動の主発電機プロービング タスク認知的コントロール、外側前頭前皮質 (latPFC) も周りの統合段階で従事している応答の準備中 〜 600 ミリ秒後 350-600 さん運動野の活性化が観察されます。カラー スケールが示す活性化 0.79 より大きい内側色の赤で差分ベースライン修正ソース電源見積もりを表します (0.57 横方向) および黄色は内側 0.9 より高い活性を示します (0.8 横)。これらの 2 つの映画が ACC と latPFC、それぞれに関する展開の時間コースと共に表示されます必要があることに注意してください。これらのムービーをダウンロードするここをクリックしてください

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Discussion

マルチ モーダル イメージング本研究で使用されるメソッドには、各参加者の構造 MRI から派生した逆推定値の空間的制約と時間的正確な提案と MEG 信号の分散ソース モデルが装備されています。ひらやままどかのアプローチは、振動ダイナミクスの時空間的段階とヒトの認知制御長距離の統合への洞察力を提供するためにこれらの手法の長所を組み合わせたものです。このメソッドなど他のニューロ イメージング技術よりも高い時間精度を提供します fMRI 大胆な時空間解像度秒9を結合神経血管を介して神経の変化に間接的な感度の大きさです。比較では、ミリ秒の精度の提案と MEG 信号本研究によって示されるようにニューラル処理段階の調査できます。ひらやままどかのモデルと仮定する提案と MEG 信号の分散ソース皮質に沿って表面に活動推定45,53の構造 MRI 画像から復元されたときは空間的制約を提供します。これらの空間推定値を使用して、地域活性化だけでなく位相ロック16,20の形でインタラクティブなネットワーク レベルでの長距離通信を調査できます。また、ひらやままどかアプローチは太字の fMRI 信号アルコールなど薬理学的操作の血管作動性の効果によって混乱し、ない可能性があることを考える神経機能に関する薬理学的操作の効果を調査に適しています神経の変更10の大きさを正確に反映します。

神経までこのメソッドの高感度は、筋肉の動きや瞬き検出し、慎重に生信号から除去する必要がありますさまざまな成果物など非神経のノイズに敏感であるもことを意味を変更します。また、頭の位置は活動推定磁場勾配39センサーの感度のために重大な影響を持つことができます。ひらやままどかのモデルの仮定を考えると、ソースの見積もりは、皮質下構造から誘発される活動を推定することはできませんので皮質表面45,46, に制限されます。

以前に公開した結果18に基づき、本研究を示しましたイベント関連シータ (4-7 Hz) の力の変化ストループ誘起紛争の間に健全な社会飲酒で急性アルコール中毒の関数として。図 5に示すとおり、シータ力特異的ストループ タスク条件によって課された認知の要求に敏感です。違和感は、シータの力に及ぼす刺激前ベースラインと比較して前頭前野の認知制御を魅力的に特に効果的です。プリンシパルは、シータのジェネレーターは、初期および後期段階18を処理中に応答紛争に機密は ACC と推定。これらの調査結果は、著名なアカウント7,8で競合の監視で ACC の役割をサポートします。したがって、ひらやままどかメソッドは、認知的コントロールのより高い負荷を課す試験中に ACC の持続的な関与に一時的に敏感な洞察力を提供しています。ACC と分散脳領域5,6間、広範な解剖学的接続と共にこの証拠は自主規制で多面的な役割を裏付けます。ビューでは、ACC は目的およびコンテキストと動機付けの制約54,55と意思を合わせ、認知制御を subserves 並存におけるハブ基地として重要。特に右側の下外側前頭前野は呈示応答、注意の制御、およびタスクの表現を更新のサービスにおけるワーキング メモリの抑制に関連付けられているそのシステム内の別の重要な領域56,57,58

それは、シータが認知・情意13,16,59,60の処理に必要な神経の統合を仲介する確立されています。神経コミュニケーション従ってローカル処理61,62を仲介する入れ子になった高速リズムとシータ バンドで遠くの神経細胞集団の同期された興奮性に頼る。PLVs 皮質間位相一貫性を反映し、63共同振動するとき、2 つの領域が相互作用と見なされます、その振動の同調性を推定に使われています。確かに、同期相互作用12,20を必要とする期待される神経活動のそれらの間隔で PLV の一時的な増加が観察されます。本研究では、以前の証拠を確認して、ACC と、latPFC 推定ソース間機能の同期に時空間的洗練を追加します。以前のレポート64と一致して、示唆された PLVs が増加、ストループ課題でちぐはぐな臨床試験を維持します。これらの調査結果は高い時間精度でこれらの 2 つの領域間の位相同期を定量化することで監視アカウント競合を拡張し、ちぐはぐな試験 〜 350 ミリ秒後の相互作用が特に顕著であることを示します。この認知統合段階では、内側と外側前頭前皮質は、注意、反応抑制とワーキング メモリの要求を課す困難な作業条件の中に行動のパフォーマンスをサポートする可能性があります。機能的結合の fMRI を用いた研究からの広範な証拠を示しますこれらの皮質がトップダウン認知制御65,66,をサポートしていますダイナミックでインタラクティブな脳内弁蓋部ネットワークを形成67。 より広く、脳を最適化分散並存システム68,69の柔軟かつ動的な同期によって適応的かつ首尾一貫した方法で環境の要求に応えます。

本研究で使用される解剖学的に制約のあるメグ アプローチは補完的なイメージング手法の組み合わせに依存します。それは神経活動の時空間的順序を特徴付けることができるし、認知的コントロールの婚約中にトップダウンの影響を統合するため重要な長距離相互作用のダイナミクスに洞察力を提供することができます。提案と MEG 信号は、co-oscillatory 相互作用内および並存システム間で高い時間精度についての仮説をテストするため、シナプス電流直接を反映しています。さらに、このメソッドは、血管に影響を受けにくいので混同する薬理学的操作に適しています。この研究室から研究は、prefrontally を介した認知制御機能がアルコール中毒17,18,19,20,23 に特に傷つきやすいことを示します ,24,70,71,72,,7374。本研究は、急性アルコール中毒が応答競合をヒトの前頭前野の活動を低下させることを示しています。さらに、アルコールは、障害や不適応反応抑制の根底にある可能性があります同期した共同振動20,75を混乱させます。その結果、強迫的な飲酒とアルコール依存性25,26,76の開発に貢献するかもしれない、脱抑制の結果個人展示欠乏自制を酔います。合計で推計同期共同振動の特定の認知要求によって従事している神経系のリアルタイムの相互作用を照らすことができるし、脳ベースの現実的なモデルを知らせることができます。ネットワーク経由でアルコールの課題に選択的な感度を特徴付けるし、薬理効果を個々 の脆弱性のバイオ マーカーとして使用できます。

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Disclosures

著者が明らかに何もありません。

Acknowledgments

この作品は、健康の国民の協会 (R01 AA016624) によってサポートされています。彼女の重要な貢献のため博士三社ジャンニコバチェビッチに感謝しております。

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Elekta Neuromag Elekta Magnetoencephalography system
1.5 T GE EXCITE HG General Electric Magnetic Resonance Imaging scanner
Gold Cup Electrodes OpenBCI Electroencephalography electrodes for optional simultaneous EEG recording
Prep Check Impedance Meter General Devices Check electrode impedances
HPI Coils Elekta Head position indicator coils for co-registration
Alcotest Draeger Breathalyzer
Fiber Optic Response Pad Current Designs, Inc MEG-compatible response pad
Grey Goose Vodka Bacardi Vodka is used during the alcohol session
Orange Juice Naked Orange juice is used as the beverage during the placebo session as well as mixed with vodka during the alcohol session
Discover Drug Test Card American Screening Corp Multi-screen drug test
QED Saliva Alcohol Test OraSure Technologies Saliva alcohol test
Urine Hcg Test Strips Joylive Pregnancy test
Short Michigan Alcohol Screening Test Selzer et al., 1975 Alcoholism screening questionnaire
Zuckerman Sensation Seeking Scale Zuckerman, 1971 Questionnaire: disinhibitory, novelty-seeking, and socialization traits
Eysenck Impulsivity Inventory Eysenck & Eysenck, 1978 Questionnaire: impulsivity traits
Eysenck Personality Questionnaire Eysenck & Eysenck, 1975 Questionnaire: personality traits
Biphasic Alcohol Effects Scale  Martin et al., 1993 Questionnaire: subjective experience of the effects of alcohol

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References

  1. Ridderinkhof, K. R., van den Wildenberg, W. P., Segalowitz, S. J., Carter, C. S. Neurocognitive mechanisms of cognitive control: the role of prefrontal cortex in action selection, response inhibition, performance monitoring, and reward-based learning. Brain and Cognition. 56, (2), 129-140 (2004).
  2. Shenhav, A., Cohen, J. D., Botvinick, M. M. Dorsal anterior cingulate cortex and the value of control. Nature Neuroscience. 19, (10), 1286-1291 (2016).
  3. Walton, M. E., Croxson, P. L., Behrens, T. E., Kennerley, S. W., Rushworth, M. F. Adaptive decision making and value in the anterior cingulate cortex. Neuroimage. 36 Suppl 2, T142-T154 (2007).
  4. Heilbronner, S. R., Hayden, B. Y. Dorsal Anterior Cingulate Cortex: A Bottom-Up View. Annual Review of Neuroscience. 39, 149-170 (2016).
  5. Barbas, H. Connections underlying the synthesis of cognition, memory, and emotion in primate prefrontal cortices. Brain Research Bulletin. 52, (5), 319-330 (2000).
  6. Vogt, B. A. Cingulate neurobiology and disease. Oxford University Press. 114-144 (2009).
  7. Botvinick, M. M. Conflict monitoring and decision making: reconciling two perspectives on anterior cingulate function. Cognitive, Affective, & Behavioral Neuroscience. 7, (4), 356-366 (2007).
  8. Carter, C. S., van Veen, V. Anterior cingulate cortex and conflict detection: an update of theory and data. Cognitive, Affective, & Behavioral Neuroscience. 7, (4), 367-379 (2007).
  9. Buxton, R. B. Introduction to Functional Magnetic Resonance Imaging. Cambridge University Press. New York, NY. (2002).
  10. Rickenbacher, E., Greve, D. N., Azma, S., Pfeuffer, J., Marinkovic, K. Effects of alcohol intoxication and gender on cerebral perfusion: an arterial spin labeling study. Alcohol. 45, (8), 725-737 (2011).
  11. Fell, J., Axmacher, N. The role of phase synchronization in memory processes. Nature Reviews Neuroscience. 12, (2), 105-118 (2011).
  12. Lachaux, J. P., Rodriguez, E., Martinerie, J., Varela, F. J. Measuring phase synchrony in brain signals. Human Brain Mapping. 8, (4), 194-208 (1999).
  13. Cavanagh, J. F., Frank, M. J. Frontal theta as a mechanism for cognitive control. Trends in Cognitive Sciences. 18, (8), 414-421 (2014).
  14. Sauseng, P., Griesmayr, B., Freunberger, R., Klimesch, W. Control mechanisms in working memory: a possible function of EEG theta oscillations. Neuroscience & Biobehavioral Reviews. 34, (7), 1015-1022 (2010).
  15. Wang, C., Ulbert, I., Schomer, D. L., Marinkovic, K., Halgren, E. Responses of human anterior cingulate cortex microdomains to error detection, conflict monitoring, stimulus-response mapping, familiarity, and orienting. The Journal of Neuroscience. 25, (3), 604-613 (2005).
  16. Halgren, E., et al. Laminar profile of spontaneous and evoked theta: Rhythmic modulation of cortical processing during word integration. Neuropsychologia. 76, 108-124 (2015).
  17. Rosen, B. Q., Padovan, N., Marinkovic, K. Alcohol hits you when it is hard: Intoxication, task difficulty, and theta brain oscillations. Alcoholism: Clinical and Experimental Research. 40, (4), 743-752 (2016).
  18. Kovacevic, S., et al. Theta oscillations are sensitive to both early and late conflict processing stages: effects of alcohol intoxication. PLoS One. 7, (8), e43957 (2012).
  19. Marinkovic, K., Rosen, B. Q., Cox, B., Kovacevic, S. Event-related theta power during lexical-semantic retrieval and decision conflict is modulated by alcohol intoxication: Anatomically-constrained MEG. Frontiers in Psychology. 3, (121), (2012).
  20. Beaton, L. E., Azma, S., Marinkovic, K. When the brain changes its mind: Oscillatory dynamics of conflict processing and response switching in a flanker task during alcohol challenge. PLoS One. 13, (1), e0191200 (2018).
  21. Oscar-Berman, M., Marinkovic, K. Alcohol: effects on neurobehavioral functions and the brain. Neuropsychology Review. 17, (3), 239-257 (2007).
  22. Le Berre, A. P., Fama, R., Sullivan, E. V. Executive Functions, Memory, and Social Cognitive Deficits and Recovery in Chronic Alcoholism: A Critical Review to Inform Future Research. Alcoholism: Clinical and Experimental Research. 41, (8), 1432-1443 (2017).
  23. Marinkovic, K., Rickenbacher, E., Azma, S., Artsy, E. Acute alcohol intoxication impairs top-down regulation of Stroop incongruity as revealed by blood oxygen level-dependent functional magnetic resonance imaging. Human Brain Mapping. 33, (2), 319-333 (2012).
  24. Marinkovic, K., Rickenbacher, E., Azma, S., Artsy, E., Lee, A. K. Effects of acute alcohol intoxication on saccadic conflict and error processing. Psychopharmacology (Berl). 230, (3), 487-497 (2013).
  25. Field, M., Wiers, R. W., Christiansen, P., Fillmore, M. T., Verster, J. C. Acute alcohol effects on inhibitory control and implicit cognition: implications for loss of control over drinking. Alcoholism: Clinical and Experimental Research. 34, (8), 1346-1352 (2010).
  26. Fillmore, M. T. Drug abuse as a problem of impaired control: current approaches and findings. Behavioral and Cognitive Neuroscience Reviews. 2, (3), 179-197 (2003).
  27. Hingson, R., Winter, M. Epidemiology and consequences of drinking and driving. Alcohol Reseach & Health. 27, (1), 63-78 (2003).
  28. Selzer, M. L., Vinokur, A., Van Rooijen, L. A self-administered Short Michigan Alcoholism Screening Test (SMAST). Journal of Studies on Alcohol. 36, (1), 117-126 (1975).
  29. Babor, T., Higgins-Biddle, J. S., Saunders, J. B., Monteiro, M. G. AUDIT: The Alcohol use disorders identification test: Guidelines for use in primary care. WHO: World Health Organization. Geneva, Switzerland. (2001).
  30. Rice, J. P., et al. Comparison of direct interview and family history diagnoses of alcohol dependence. Alcoholism: Clinical and Experimental Research. 19, (4), 1018-1023 (1995).
  31. Eysenck, H. J., Eysenck, S. B. G. Manual of the Eysenck Personality Questionnaire. Hodder & Staughton. (1975).
  32. Eysenck, S. B., Eysenck, H. J. Impulsiveness and venturesomeness: their position in a dimensional system of personality description. Psychological Reports. 43, (3 Pt 2), 1247-1255 (1978).
  33. Begleiter, H., Kissin, B. The Pharmacology of Alcohol and Alcohol Dependence. Oxford University Press. 248-306 (1996).
  34. Martin, C. S., Earleywine, M., Musty, R. E., Perrine, M. W., Swift, R. M. Development and validation of the Biphasic Alcohol Effects Scale. Alcoholism: Clinical and Experimental Research. 17, (1), 140-146 (1993).
  35. Liu, H., Tanaka, N., Stufflebeam, S., Ahlfors, S., Hamalainen, M. Functional Mapping with Simultaneous MEG and EEG. Journal of Visualized Experiments. (40), (2010).
  36. Lee, A. K., Larson, E., Maddox, R. K. Mapping cortical dynamics using simultaneous MEG/EEG and anatomically-constrained minimum-norm estimates: an auditory attention example. Journal of Visualized Experiments. (68), e4262 (2012).
  37. Balderston, N. L., Schultz, D. H., Baillet, S., Helmstetter, F. J. How to detect amygdala activity with magnetoencephalography using source imaging. Journal of Visualized Experiments. (76), (2013).
  38. Breslin, F. C., Kapur, B. M., Sobell, M. B., Cappell, H. Gender and alcohol dosing: a procedure for producing comparable breath alcohol curves for men and women. Alcoholism: Clinical and Experimental Research. 21, (5), 928-930 (1997).
  39. Marinkovic, K., Cox, B., Reid, K., Halgren, E. Head position in the MEG helmet affects the sensitivity to anterior sources. Neurology and Clinical Neurophysiology. 30 (2004).
  40. Dale, A. M., Sereno, M. I. Improved localization of cortical activity by combining EEG and MEG with MRI cortical surface reconstruction: A linear approach. Journal of Cognitive Neuroscience. 5, 162-176 (1993).
  41. Dale, A. M., Fischl, B., Sereno, M. I. Cortical surface-based analysis. I. Segmentation and surface reconstruction. Neuroimage. 9, (2), 179-194 (1999).
  42. Fischl, B., Sereno, M. I., Dale, A. M. Cortical surface-based analysis. II: Inflation, flattening, and a surface-based coordinate system. Neuroimage. 9, (2), 195-207 (1999).
  43. Gramfort, A., Papadopoulo, T., Olivi, E., Clerc, M. OpenMEEG: opensource software for quasistatic bioelectromagnetics. Biomedical Engineering Online. 9, 45 (2010).
  44. Kybic, J., et al. A common formalism for the integral formulations of the forward EEG problem. IEEE Transactions on Medical Imaging. 24, (1), 12-28 (2005).
  45. Dale, A. M., et al. Dynamic statistical parametric mapping: combining fMRI and MEG for high-resolution imaging of cortical activity. Neuron. 26, (1), 55-67 (2000).
  46. Marinkovic, K. Spatiotemporal dynamics of word processing in the human cortex. The Neuroscientist. 10, (2), 142-152 (2004).
  47. Oostenveld, R., Fries, P., Maris, E., Schoffelen, J. M. FieldTrip: Open source software for advanced analysis of MEG, EEG, and invasive electrophysiological data. Computational Intelligence and Neuroscience. 156869 (2011).
  48. Delorme, A., Makeig, S. EEGLAB: An open source toolbox for analysis of single-trial EEG dynamics. Journal of Neuroscience Methods. 134, 9-21 (2004).
  49. Gramfort, A., et al. MNE software for processing MEG and EEG data. Neuroimage. 86, 446-460 (2014).
  50. Lin, F. H., et al. Spectral spatiotemporal imaging of cortical oscillations and interactions in the human brain. Neuroimage. 23, (2), 582-595 (2004).
  51. Fischl, B., Sereno, M. I., Tootell, R. B., Dale, A. M. High-resolution intersubject averaging and a coordinate system for the cortical surface. Human Brain Mapping. 8, (4), 272-284 (1999).
  52. Maris, E., Oostenveld, R. Nonparametric statistical testing of EEG- and MEG-data. Journal of Neuroscience Methods. 164, (1), 177-190 (2007).
  53. Marinkovic, K., et al. Spatiotemporal dynamics of modality-specific and supramodal word processing. Neuron. 38, (3), 487-497 (2003).
  54. Nachev, P. Cognition and medial frontal cortex in health and disease. Current Opinion in Neurology. 19, (6), 586-592 (2006).
  55. Kennerley, S. W., Walton, M. E., Behrens, T. E., Buckley, M. J., Rushworth, M. F. Optimal decision making and the anterior cingulate cortex. Nature Neuroscience. 9, (7), 940-947 (2006).
  56. Aron, A. R., Robbins, T. W., Poldrack, R. A. Inhibition and the right inferior frontal cortex: one decade on. Trends in Cognitive Sciences. 18, (4), 177-185 (2014).
  57. Erika-Florence, M., Leech, R., Hampshire, A. A functional network perspective on response inhibition and attentional control. Nature Communications. 5, 4073 (2014).
  58. D'Esposito, M., Postle, B. R. The cognitive neuroscience of working memory. Annual Review of Psychology. 66, 115-142 (2015).
  59. Hasselmo, M. E., Stern, C. E. Theta rhythm and the encoding and retrieval of space and time. Neuroimage. 85 Pt 2, 656-666 (2014).
  60. Womelsdorf, T., Johnston, K., Vinck, M., Everling, S. Theta-activity in anterior cingulate cortex predicts task rules and their adjustments following errors. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 107, (11), 5248-5253 (2010).
  61. Fries, P. A mechanism for cognitive dynamics: neuronal communication through neuronal coherence. Trends in Cognitive Sciences. 9, (10), 474-480 (2005).
  62. Canolty, R. T., et al. High gamma power is phase-locked to theta oscillations in human neocortex. Science. 313, (5793), 1626-1628 (2006).
  63. Varela, F., Lachaux, J. P., Rodriguez, E., Martinerie, J. The brainweb: phase synchronization and large-scale integration. Nature Reviews Neuroscience. 2, (4), 229-239 (2001).
  64. Hanslmayr, S., et al. The electrophysiological dynamics of interference during the Stroop task. Journal of Cognitive Neuroscience. 20, (2), 215-225 (2008).
  65. Niendam, T. A., et al. Meta-analytic evidence for a superordinate cognitive control network subserving diverse executive functions. Cognitive, Affective, & Behavioral Neuroscience. 12, (2), 241-268 (2012).
  66. Sadaghiani, S., D'Esposito, M. Functional Characterization of the Cingulo-Opercular Network in the Maintenance of Tonic Alertness. Cerebral Cortex. 25, (9), 2763-2773 (2015).
  67. Dosenbach, N. U., Fair, D. A., Cohen, A. L., Schlaggar, B. L., Petersen, S. E. A dual-networks architecture of top-down control. Trends in Cognitive Sciences. 12, (3), 99-105 (2008).
  68. Bullmore, E., Sporns, O. The economy of brain network organization. Nature Reviews Neuroscience. 13, (5), 336-349 (2012).
  69. Fornito, A., Zalesky, A., Breakspear, M. The connectomics of brain disorders. Nature Reviews Neuroscience. 16, (3), 159-172 (2015).
  70. Anderson, B. M., et al. Functional imaging of cognitive control during acute alcohol intoxication. Alcoholism: Clinical and Experimental Research. 35, (1), 156-165 (2011).
  71. Kareken, D. A., et al. Family history of alcoholism interacts with alcohol to affect brain regions involved in behavioral inhibition. Psychopharmacology (Berl). 228, (2), 335-345 (2013).
  72. Schuckit, M. A., et al. fMRI differences between subjects with low and high responses to alcohol during a stop signal task. Alcoholism: Clinical and Experimental Research. 36, (1), 130-140 (2012).
  73. Nikolaou, K., Critchley, H., Duka, T. Alcohol affects neuronal substrates of response inhibition but not of perceptual processing of stimuli signalling a stop response. PLoS One. 8, (9), e76649 (2013).
  74. Gan, G., et al. Alcohol-induced impairment of inhibitory control is linked to attenuated brain responses in right fronto-temporal cortex. Biology Psychiatry. 76, (9), 698-707 (2014).
  75. Ehlers, C. L., Wills, D. N., Havstad, J. Ethanol reduces the phase locking of neural activity in human and rodent brain. Brain Research. 1450, 67-79 (2012).
  76. Goldstein, R. Z., Volkow, N. D. Dysfunction of the prefrontal cortex in addiction: neuroimaging findings and clinical implications. Nature Reviews Neuroscience. 12, (11), 652-669 (2011).

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