Interrupción de sincronía neuronal del lóbulo Frontal durante Control cognitivo por intoxicación de Alcohol

Neuroscience

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Summary

Este experimento utiliza un método anatómico limitado Magnetoencefalografía (aMEG) para examinar la dinámica oscilatoria cerebral y sincronía funcional a largo plazo durante la contratación del control cognitivo en función de la intoxicación aguda del alcohol.

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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

Toma de decisiones se basa en interacciones dinámicas de las regiones del cerebro distribuidas, sobre todo frontal. Amplia evidencia de los estudios de la proyección de imagen de resonancia magnética funcional (fMRI) indica que la corteza cingulada anterior (ACC) y las cortezas prefrontales lateral (latPFC) son los nodos esenciales que favorecían el control cognitivo. Sin embargo, debido a su limitada resolución temporal, fMRI no refleja con exactitud el momento y la naturaleza de su interacción presumido. El presente estudio combina modelado de distribución fuente de la señal temporal precisa Magnetoencefalografía (MEG) con resonancia magnética estructural en forma de "películas de cerebro": (1) estimación de las áreas corticales implicadas en el control cognitivo ("Dónde"), (2) caracterizar su secuencia temporal ("cuando") y (3) cuantificar la dinámica oscilatoria de sus interacciones neuronales en tiempo real. Interferencia de Stroop se asoció con mayor poder relacionadas con el evento theta (4-7 Hz) en el CAC durante la detección de conflicto seguida de sensibilidad sostenido demandas cognitivas en el ACC y latPFC durante la preparación de la integración y respuesta. Un análisis fase de cierre reveló co-oscillatory interacciones entre estas áreas indicando su mayor sincronía neuronal en la banda theta durante los ensayos incongruentes inductores de conflicto. Estos resultados confirman que las oscilaciones de la theta son fundamentales para sincronización a largo plazo necesaria para la integración de influencias de arriba hacia abajo durante el control cognitivo. MEG refleja la actividad de los nervios directamente, que lo hace apto para manipulaciones farmacológicas en contraste con fMRI que es sensible a vasoactivo confunde. En el presente estudio, bebedores sociales sanos recibieron una dosis moderada del alcohol y el placebo en un diseño en el tema. Intoxicación aguda atenuada energía theta a Stroop conflicto y altera Co las oscilaciones entre la ACC y latPFC, confirmando que el alcohol es perjudicial para la sincronía neural que favorecían el control cognitivo. Interfiere con el comportamiento meta-dirigido que puede resultar en deficiencias de autocontrol, contribuyendo al consumo compulsivo. En suma, este método puede proporcionar la penetración en las interacciones en tiempo real durante el procesamiento cognitivo y puede caracterizar la sensibilidad selectiva al reto farmacológico a través de las redes neuronales.

Introduction

El objetivo general de este estudio es examinar los efectos de la intoxicación aguda del alcohol sobre los cambios espacio-temporales en la dinámica oscilatoria cerebral e integración funcional a largo plazo durante el control cognitivo. El multimodal empleado imagen enfoque combina la magnetoencefalografía (MEG) y estructurales de resonancia magnética (MRI) para proporcionar la penetración en las bases neurales de la toma de decisiones con la alta precisión temporal y a nivel de un sistema interactivo.

Comportamiento flexible hace posible adaptarse a demandas contextuales y cambiar estratégicamente entre diferentes tareas y requisitos de acuerdo con las intenciones y objetivos. La capacidad para inhibir respuestas automáticas a favor de acciones meta-relevantes pero no habitual es un aspecto esencial del control cognitivo. Extensa evidencia sugiere que es favorecido por una red cortical predominantemente frontal, con la corteza cingulada anterior (ACC) como nodo central en esta red interactiva1,2,3,4. Mientras que la conectividad anatómica abundante entre la ACC y cortezas frontales laterales es bien descrito5,6, las características funcionales de la comunicación entre estas regiones durante el control cognitivo, selección de respuesta y ejecución, son mal entendido.

El conflicto altamente influyente teoría7,8 de monitoreo propone que el control cognitivo se deriva de una interacción dinámica entre las cortezas prefrontales mediales y laterales. Este relato pretende que el ACC monitorea conflicto entre representaciones que compiten y activa la corteza prefrontal lateral (latPFC) para implementar control de respuesta y optimizar el rendimiento. Sin embargo, esta cuenta se basa principalmente en los estudios funcionales de MRI (fMRI) utilizando la señal de sangre oxigenación nivel dependiente (en negrilla). La señal del fMRI en negrilla es una herramienta de mapeo espacial excelente, pero su resolución temporal es limitada porque refleja cambios hemodinámicos regionales mediadas por acoplamiento neurovascular. Como resultado, los cambios de señal audaz despliegan en mucho menor escala de tiempo (en segundos) que el subyacente de eventos neuronales (en milisegundos)9. Además, la señal en negrilla es sensible a los efectos vasoactivos de alcohol10 y puede no representar con precisión la magnitud de los cambios neuronales, que resulta menos adecuado para los estudios de intoxicación aguda del alcohol. Por lo tanto, la supuesta interacción entre las cortezas prefrontales mediales y laterales y su sensibilidad a la intoxicación alcohol deban ser examinadas por métodos que registran eventos neuronales de manera temporal precisa. MEG tiene una excelente resolución temporal puesto que refleja directamente las corrientes postsinápticas. La metodología de MEG (aMEG) anatómicamente restringido aquí es un enfoque multimodal que combina distribuida modelos de fuente de la señal de MEG con MRI estructural. Permite la estimación de donde que están ocurriendo los cambios oscilatorios de cerebro relacionadas con el conflicto y la bebida y a entender la secuencia temporal ("cuando") de los componentes de los nervios implicados.

Toma de decisiones se basa en las interacciones de las regiones del cerebro distribuidas que participan dinámicamente para hacer frente a las demandas crecientes de control cognitivo. Una forma para estimar cambios en sincronía a largo plazo entre dos regiones corticales relacionados con el evento es para el cálculo de su fase de acoplamiento como un índice de sus oscilaciones Co11,12. El presente estudio aplica un bloqueo de fase de análisis para probar el principio básico del conflicto teoría de monitoreo mediante el examen de las interacciones co-oscillatory entre la ACC y latPFC. Las oscilaciones neuronales en rango theta (4-7 Hz) están asociadas con el control cognitivo y se han propuesto como un mecanismo fundamental de apoyo a la sincronización a largo plazo necesaria para el procesamiento cognitivo de arriba hacia abajo13,14, 15,16. Se generan en las áreas prefrontales en función de la dificultad de la tarea y se atenúan significativamente por alcohol aguda intoxicación17,18,19,20.

Consumo excesivo de alcohol a largo plazo se asocia con una serie de déficits cognitivos con un circuito prefrontal siendo especialmente afectados21,22. Intoxicación aguda del alcohol es perjudicial para el control cognitivo bajo condiciones de dificultad creciente, ambigüedad o aquellos que inducen respuesta incompatibilidad17,23,24. Afectando la toma de decisiones, alcohol puede interferir con el comportamiento meta-dirigido, puede resultar en pobre autocontrol y mayor consumo y también puede contribuir a tráfico o laboral riesgos25,26,27 . El presente estudio utiliza un enfoque de aMEG para medir la actividad oscilatoria en banda theta y sincronía entre las principales áreas de ejecutivas con excelente resolución temporal. Se examinan los efectos del alcohol sobre la actividad de la theta y co oscilaciones entre la ACC y la latPFC en función del conflicto suscitado por la tarea de interferencia de Stroop. Presumimos que las demandas cognitivas crecientes se asocian a mayor sincronía funcional y eso dysregulation alcohol-inducida de la actividad sincrónica de las cortezas prefrontales mediales y laterales es la base de deficiencias en el control cognitivo.

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Protocol

Este protocolo experimental ha sido aprobado por el Comité de protección de sujetos humanos en la Universidad de California, San Diego.

1. humanos

  1. Reclutar a voluntarios adultos diestros sanos, obtener su consentimiento y pantalla en los criterios de inclusión y exclusión.
    Nota: En este estudio, veinte individuos jóvenes, sanos (media ± desviación estándar [SD] edad = 25,3 ± 4,4 años) incluya 8 mujeres que beben con moderación, que nunca han estado en tratamiento o arrestado por drogas o alcohol delitos relacionados, que informe no fueron reclutadas síntomas relacionados con el alcoholismo en la prueba de alcoholismo de Michigan corto para detección28, que no fume ni utilice sustancias ilegales, que no tienen antecedentes de trastornos neuropsiquiátricos o cualquier problema de salud actual, y que son medicamentos gratis y no tienen objetos ferromagnéticos internos o implantes.

2. diseño

  1. Analizar a cada participante cuatro veces, incluyendo tres sesiones de MEG (una sesión introductoria no bebida y dos sesiones de bebida experimental en el que el alcohol y placebo son administradas de manera contrapesada) y una resonancia magnética estructural.
    Nota: En este diseño en el tema, los participantes sirven como sus propios controles participando en sesiones de alcohol y placebo. Este diseño reduce la varianza de error y aumenta la potencia estadística al minimizar la influencia de la variabilidad individual en la anatomía cerebral, patrones de actividad y metabolismo del alcohol.

3. recogida de MEG explora

  1. Realizar sesión de familiarización.
    1. Durante la sesión introductoria inicial, administrar cuestionarios para obtener más información sobre el historial médico de los participantes, los patrones de consumo y severidad de los síntomas relacionados con el alcoholismo28,29, historia familiar de alcoholismo30y rasgos de personalidad como la impulsividad31,32.
    2. Llevar a cabo un registro inicial en el escáner de MEG siguiendo el protocolo que se describe a continuación en los pasos 3.2, 3.3 y 3.5. No proporcionan ninguna bebida. Explicar la tarea y ejecutar práctica versión que permite a los participantes familiarizarse con él antes.
      Nota: La aclimatación a la situación experimental tiene el propósito de minimizar los efectos potenciales de excitación inducida por la situación de33, tal modo comparación posterior alcohol y sesiones de placebo en esa dimensión.
  2. Realizar las sesiones experimentales de alcohol/placebo.
    Nota:
    siga el mismo procedimiento experimental durante las sesiones de alcohol y el placebo con la excepción de la bebida administrada. Contrabalancear orden de bebidas mediante la administración de bebidas de alcohol primero a una mitad de los participantes y el placebo a la otra mitad en un orden aleatorio.
    1. A su llegada al laboratorio MEG, ejecute una exploración breve prueba poniendo al participante en el escáner y comprobar los canales para magnetización posible. Medir su peso. Les de la pantalla con un alcoholímetro electrónico. Les consulta sobre el cumplimiento con los requisitos abstenerse del alcohol durante 48 h y del alimento para 3 h antes del experimento.
    2. Recoger muestras de orina para un panel de prueba multi-drug de todos los participantes y excluirlos que tienen prueba positiva para cualquier droga. Además, compruebe los participantes femenino para el embarazo con una orina prueban y los test positivo o si sospecha que podría estar embarazadas excluyen.
    3. Evaluar los cambios dinámicos en los efectos subjetivos del alcohol de los participantes pide a sus sentimientos momentáneos y Estados en una escala estandarizada34 antes de beber y en dos ocasiones adicionales durante el experimento - en la rama ascendente (~ 15 minutos después de consumir bebidas) y rama descendente de la curva de la concentración de alcohol de aliento (BrAC), después de MEG la grabación.
    4. Administrar una carrera de práctica de la tarea de Stroop en un portátil con el software de presentación de estímulos para asegurar que los participantes comprendan la tarea antes de grabar.
      Nota: Esta versión de la tarea Stroop combina lectura y color denominación (figura 1). La condición congruente consiste en palabras de color (es decir, rojo, verde, azul, amarillo) que se imprimen en color de la fuente correspondiente (es decir, la palabra "verde" se imprime en verde). En la condición incongruente, palabras de color se imprimen en color que no coincide con su significado (es decir, la palabra "verde" está impreso en amarillo). Pregúntele a los participantes a la prensa uno de los cuatro botones correspondientes al color de la fuente cuando se escribe una palabra en color, o cuando una palabra está escrita en gris, al botón correspondiente al significado de la palabra18,23.
  3. Preparar la grabación de EEG/MEG.
    Nota:
    datos de MEG de adquisición de datos se han descrito en anteriores publicaciones35,36,37.
    1. Coloque la tapa del EEG o los electrodos de EEG en la cabeza del participante y comprobar que todos impedancias por debajo de 5 kΩ.
    2. Conectar las bobinas del indicador (HPI) de posición de la cabeza a ambos lados de la frente y detrás de cada oreja.
      Nota: Este paso es específico para sistemas Neuromag.
    3. Digitalizar las posiciones de los puntos fiduciales incluyendo el nasion y dos puntos preauriculares, posiciones de las bobinas HPI, electrodos de EEG y obtener un gran número de puntos adicionales (~ 200) delinear la forma de la cabeza. Usar esta información para el co-registro con las imágenes de IRM anatómicas (figura 2).
  4. Administrar bebidas.
    1. Preparar bebidas alcohol mezclando vodka de calidad premium con jugo de naranja refrigerado (25% v/v), basado en el género de cada participante y el peso (alcohol de 0,60 g/kg para los hombres, alcohol de 0,55 g/kg para las mujeres), dirigidos a un BrAC de 0.06%38. Sirva el mismo volumen de jugo de naranja en vasos con llantas aplica con vodka como bebida placebo. Pregunte al participante a consumir la bebida en aproximadamente 10 minutos.
    2. Compruebe BrAC los participantes con el alcoholímetro a partir de ~ 15 minutos después de beber y luego cada 5 min hasta que entran en la sala de grabación. Puesto que los dispositivos electrónicos no pueden utilizarse en la sala blindada, utilice una prueba de alcohol de saliva, que consiste en un hisopo de algodón que está saturado en la saliva y se inserta en un receptáculo que proporciona una lectura.
  5. Adquirir datos de EEG/MEG.
    1. Posición del participante cómodamente en el explorador. Puesto que la actividad prefrontal es de particular interés, asegúrese de que el participante se coloca de modo que su cabeza esté en contacto con la parte superior del casco y está alineada a lo largo de la parte delantera.
      Nota: Posición de la cabeza puede afectar las estimaciones de la actividad en formas significativas debido a los gradientes de campo magnético disminuyen con el cubo de la distancia entre los sensores y el cerebro fuentes39.
    2. Conectar bobinas HPI y todos los electrodos a sus entradas respectivas en el escáner. Coloque las almohadillas de respuesta para que los botones se pueden presionar cómodamente. Comprobar que la fuente es claramente legible en la pantalla de proyección delante del participante.
    3. En la sala de consola, compruebe que el intercomunicador está funcionando correctamente. Recordar a los participantes para reducir al mínimo el parpadeo y evitar movimientos como el movimiento principal causado por hablar. Instruir a los participantes a responder a preguntas presionando los botones de respuesta en su lugar.
    4. Compruebe que todos los desencadenadores de respuesta y el estímulo se registran correctamente. Examinar todos los canales para artefactos y medir la posición de la cabeza en el escáner.
    5. Iniciar la adquisición de datos y comenzar la tarea. Dar saltos cada minuto de ~2.5 para descansar los ojos. Guardar los datos a la finalización de la tarea y acompañar a los participantes de la cámara de grabación.
    6. Cuando el participante ha cerrado el explorador, adquirir aproximadamente dos minutos de datos de la sala vacía como una medida de ruido instrumental.
    7. Pregunte al participante a la tasa que percibe la dificultad de la tarea, contenido de la bebida embebida, como estado de embriaguez se sentían, así como su estado de ánimo momentáneo y sentimientos34.

4. adquisición y reconstrucción Cortical de resonancia magnética estructural de la imagen

  1. Obtener una alta resolución anatómica de resonancia para cada participante y reconstruir la superficie cortical de cada participante con FreeSurfer software40,41,42.
  2. Utilizar la superficie interna del cráneo derivada de las imágenes de MRI estructurales segmentadas para generar un modelo límite del conductor de volumen, que se utiliza para proporcionar un modelo para la solución de avance acorde con cerebro anatomía43 cada individuo , 44.

5. Análisis de datos MEG

Nota: Analizar los datos con el enfoque de MEG anatómicamente restringido que utiliza reconstruida superficie cortical de cada participante para restringir las estimaciones de la fuente de la cinta cortical40,45,46. La secuencia de análisis se basa en funciones personalizadas con dependencias disponibles paquetes que incluyen paseo47EEGLab48y MNE49.

  1. Durante el preprocesamiento de datos, utilice un filtro band-pass permisiva (por ejemplo, 0.1 - 100 Hz) y datos de la época con respecto a la aparición del estímulo en segmentos que incluyen acolchado intervalos en cada extremo (por ejemplo, -600 a 1100 m para un intervalo de interés que abarca -300 a 800 m después de la retiro del acolchado).
  2. Quitar canales ruidosos y planos, así como los ensayos que contiene artefactos por inspección visual y uso de rechazo basadas en umbrales. Uso de análisis componente independiente48 para eliminar artefactos eyeblink y latidos del corazón. Eliminar los ensayos con respuestas incorrectas.
  3. Aplicar Morlet wavelets (figura 3)47 para calcular el espectro de energía complejo para cada ensayo en incrementos de 1 Hz para la banda de frecuencia theta (4-7 Hz). Retire cualquier artefactos adicionales. Calcular la covarianza del ruido de los datos de la habitación vacía.
  4. Co, registrar los datos de la MEG con imágenes de MRI con la información de digitalización de cabeza (3D) tridimensional (figura 2).
    1. Abra el módulo MRIlab.
    2. Seleccione archivo | Abierto | Seleccione MRI estructural del sujeto.
    3. Seleccione archivo | Importación | Datos de Isotrak | Seleccione archivo raw data.fif | Hacer puntos.
    4. Seleccione Windows | Lugares de interés | Ajuste de puntos de interés de referencia hasta co registro de datos de la MEG y MRI son aceptables.
    5. Seleccione archivo | Guardar.
  5. Calcular las estimaciones de la sensibilidad a ruido normalizado de la energía de la fuente de theta y la fase con un enfoque de mapeo estadístico dinámico espectral18,50. Expresar energía de la fuente de theta relacionadas con eventos como cambio de señal por ciento con respecto a la línea de base.
  6. Crear promedios del grupo de energía de la fuente de theta relacionadas con eventos morphing las estimaciones de cada participante en un medio de representación cortical51.
  7. Visualizar las fuente estimaciones sobre una superficie media inflada para mejorar la visibilidad de las estimaciones sulcal (figura 4).
    1. Abra el software de las empresas multinacionales.
    2. Seleccione archivo | Superficie de carga | Carga inflado superficie cortical de FreeSurfer grupo media.
    3. Seleccione archivo | Administrar superposiciones | Stc de carga | Cargar los datos promedio de grupo | Seleccione el archivo cargado de recubrimientos disponibles.
    4. Tipo Select overlay como otros.
    5. Ajuste de umbral de escala de Color | Mostrar.
    6. Ver peliculas de cerebro y examinar etapas espacio-temporal del proceso mediante la identificación de las áreas y las ventanas de tiempo caracterizadas por alta activación.
  8. Crear imparciales regiones de interés (ROIs) basándose en las estimaciones promedio general grupo incorporar localizaciones corticales con más energía de la fuente. Calcular cursos de tiempo para cada tema, el estado y el retorno de la inversión (figura 5).
  9. Presentar las estimaciones de energía fuente de theta obtenidos para el análisis estadístico.
    1. Extraiga el tiempo windows de interés de cada curso de tiempo de retorno de la inversión y realizar análisis de varianza (ANOVA) con bebida (alcohol, placebo) y tipo de ensayo (congruente, incongruente) como dentro de los factores del sujeto. Utilizar una permutación no paramétrica basada en cluster de prueba52 para examinar comparaciones bebidas y condición de la potencia theta relacionadas con eventos como valores bien como fase de cierre (PLV).
  10. Estimar cambios en la sincronización a larga distancia entre los focos principales de la activación en el ACC y el latPFC relacionados con la tarea por computación la PLV12. Expresar PLV como cambio porcentual con respecto a la línea de base.
    Nota: La PLV es un indicador de consistencia del ángulo de fase entre las dos ROIs a través de ensayos como mide el grado en que co oscilan en una frecuencia particular y en tiempo real (película 1).
  11. Calcular las correlaciones entre las estimaciones de actividad MEG ROI, índices de desempeño conductual y puntuaciones del cuestionario para informar la interpretación de los resultados observados.

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Representative Results

Resultados conductuales indican que la tarea de Stroop manipulado con éxito interferencia de respuesta porque la precisión era la más baja y la respuesta veces más tiempo en los ensayos incongruentes (figura 6). La intoxicación del alcohol baja exactitud pero no afectó el tiempo de reacción de18.

La secuencia espacio-temporal de la actividad en la banda de frecuencia theta con el enfoque de la aMEG es general de acuerdo con los modelos generalmente aceptados de las funciones cognitivas en este tipo de tarea. Como se muestra en las películas (Movie 2) del cerebro, se activa la corteza visual en alrededor de 100 ms después del inicio del estímulo, seguido de un patrón de activación posterior a la anterior que involucra cortezas frontales principalmente durante las etapas de integración cognitiva después de ~ 300 ms. el ACC es particularmente sensible a la incongruente (INC), ensayos de alto conflicto, indicando su participación durante el conflicto monitoreo. El ACC es el principal generador de oscilaciones theta durante las tareas de sondeo control cognitivo pero el latPFC también es activo durante la etapa de integración en torno a 350-600 Sra. activación de la corteza de motor es visible después de ~ 600 ms durante la preparación de la respuesta etapa (película 2B). Energía theta relacionadas con eventos es mayor en los ensayos INC, que es coherente con su sensibilidad a las demandas de conflicto (figura 5), especialmente en la corteza prefrontal13,17,19,20. Poder de Theta es disminuida por intoxicación aguda del alcohol total. Sin embargo, comparado con ensayos (CONG) congruente, alcohol disminuye la potencia theta en ensayos INC (conflicto alto) selectivamente en el ACC y latPFC18.

El presente estudio amplía los resultados de Kovacevic et al.18 concentrándose en interacciones dinámicas entre estas áreas durante el proceso de interferencia de Stroop a la luz una cuenta vigente de la red de control cognitivo7, 8. para comprender mejor el tiempo, grado y naturaleza de las interacciones entre estas dos áreas corticales principalmente comprometidas, los PLVs se calcularon para cada condición de bebida y la tarea y para cada participante. Como se muestra en un promedio del grupo en la figura 7, co oscilaciones entre la ACC y latPFC varían a través del tiempo con un aumento total temprano en oscilaciones Co durante un estímulo etapa de procesamiento. Bajo placebo, esto es seguido por un incremento sostenido a ~ 400 ms en los ensayos incongruentes durante la etapa de preparación integración y respuesta. Así, sincronizadas Co oscilaciones entre las cortezas prefrontales mediales y laterales se observan sólo en las pruebas más difíciles, INC evocando conflictos de respuesta F(1,19) = 5.5, p < 0.05. Esta evidencia apoya la propuesta de la ACC y el latPFC funcionalmente interactuarán en tiempo real para favorecen el control cognitivo. En contraste, la intoxicación aguda del alcohol significativamente dysregulates las oscilaciones Co, produciendo una condición x interacción bebidas, F(1,19) = 5.1, p < 0.05, en que ensayos incongruentes específicamente fueron afectados por el alcohol F (1,19) = 8.8, p < 0.01 (figura 7). Esto puede ser la base de trastornos inducidos por alcohol de control inhibitorio e indica la vulnerabilidad de funciones regulativas de arriba hacia abajo de la corteza prefrontal a la intoxicación aguda.

Figure 1
Figura 1 : Combina tareas de Stroop color de nombres y de lectura. Se presentan ejemplos de prueba para cada una de las tres condiciones junto con el color de la respuesta correcta. En la condición congruente (CONG), color de fuente es coherente con el significado de la palabra, mientras que senderos de ensayos incongruentes (INC) provocan conflicto de respuesta debido a la interferencia del significado de la palabra. Los participantes aprenden una tecla correspondiente al color de la fuente cuando están escritas en color (CONG, INC) y a responder a la palabra que significa (leer) cuando están escritas en color gris. Los ensayos se presentan de 300 ms y luego sustituidos por una pantalla de fijación para 1700 la Sra. tipos de ensayo se presentan en un orden aleatorio. En esta versión en particular, las condiciones de CONG y el INC eran equiprobables y fueron presentadas en los ensayos de 16,7% cada de total 576 ensayos. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 2
Figura 2 : Co-registro de MEG y MRI. Puntos digitalizados a través de la cabeza durante el MEG de grabación se utilizan para co-registro con las imágenes anatómicas de MRI. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 3
Figura 3 : Morlet wavelet. Olitas Morlet se utilizan para calcular el espectro de energía complejo para cada ensayo en incrementos de frecuencia de 1 Hz para la frecuencia de la banda theta (4-7 Hz). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 4
Figura 4 : Reconstrucción cortical y la inflación. Superficies corticales individuales se reconstruyen y se utilizan para limitar la energía de la fuente estimado. Aquí se muestra una promedio superficie cortical que se infla para mejorar la visibilidad de las fuentes estima a surcos corticales. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 5
Figura 5 : Cursos de grupo-promedio tiempo de theta relacionadas con eventos fuente estimaciones de energía en las regiones de interés. Incongruentes estímulos (INC) sacados aumentaron energía theta relacionadas con eventos frente a los estímulos (CONG) congruente en la corteza cingulada anterior (ACC; F (1,19) = 34.1, p < 0.0001) así como de la corteza prefrontal lateral (latPFC; F (1,19) = 11.0, p < 0.01), durante 480-670 Sra. conflicto es particularmente sensible a la intoxicación del alcohol como poder theta de INC fue atenuada por la intoxicación de alcohol (F(1,19) = 9.9, p < 0.01). El eje y representa la energía de línea base-corregida theta de relacionadas con el evento normalizado de ruido de la fuente. Esta figura ha sido modificada desde Kovacevic et al.18. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 6
Figura 6 : Comportamiento resultados en la tarea de Stroop. Interferencia de Stroop se reflejó en la disminución de la exactitud y tiempo de respuesta para ensayos (INC) incongruentes. Intoxicación de alcohol (Alc) con problemas de precisión en comparación con placebo (Plac) pero no afectó el tiempo de reacción. Barras de error significan error de estándar de la media. Esta figura ha sido modificada desde Kovacevic et al. 18. haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 7
Figura 7 : Cursos de tiempo grupo la media de valores de fijación de fase (PLVs) en la banda theta. Co-oscillatory sincronía entre la corteza cingulada anterior (ACC) y la corteza prefrontal lateral (latPFC) en la banda theta expresado como por ciento de cambio desde el inicio para placebo (izquierda) y alcohol (derecha) condiciones. Después de un aumento temprano de PLVs durante un estímulo procesamiento etapa (400-600 ms), un aumento sostenido en las oscilaciones Co se observan incongruentes senderos (INC) en respuesta al creciente control cognitivo comparado con congruente (CONG) senderos bajo placebo, F (1,19) = 5.5, p < 0.05. Intoxicación aguda del alcohol altera selectivamente las oscilaciones Co INC ensayos, F(1,19) = 8.8, p < 0.01. Mapas de activación (recuadro) muestran el efecto de incongruencia (INC-CONG), que es prominente en el ACC y latPFC. La escala de color indica estimaciones de potencia fuente línea de base-corregida en 480 ms después del inicio del estímulo, con rojo (actividad > 0.2) a amarillo (actividad > 0.3) indicando mayor poder de theta a INC ensayos en comparación con ensayos de CONG. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Movie 1
Película 1: oscilaciones Co. Se calcularon valores de fase de bloqueo en la gama de frecuencia theta (4-7 Hz) entre la corteza cingulada anterior (ACC) y la corteza prefrontal lateral (latPFC) como una medida de la sincronización que es sensible a la consistencia de la diferencia de fase entre Estos dos ROIs independientemente de su amplitud de energía theta. Haga clic aquí para descargar esta peli.

Movie 2
Película 2: cerebro películas. Distribuye el modelado de la fuente de la señal de MEG combinada con estructural que MRI permite la estimación de áreas corticales principales generadoras de energía de theta y la secuencia temporal de su activación en respuesta a la interferencia de Stroop. (A) después de proceso sensorial temprano, la corteza cingulada anterior (ACC) es selectivamente activada por ensayos incongruentes, alto conflicto después de ~ 350 ms. (B) mientras que el CAC es el principal generador de oscilaciones theta durante las tareas de sondaje control cognitivo la corteza prefrontal lateral (latPFC) también participa en la etapa de integración alrededor de 350-600 Sra. activación de la corteza motora se observa después de ~ 600 ms durante la preparación de la respuesta. La escala de color indica las estimaciones de energía fuente diferencial de línea base-corregida, con el rojo, que indica activación mayor de 0,79 medialmente (0.57 lateralmente) y amarillo indica activación mayor que 0.9 medialmente (0.8 lateralmente). Tenga en cuenta que estas dos películas se indicarán junto con despliegue cursos tiempo pertenecientes a la ACC y latPFC, respectivamente. Haga clic aquí para descargar estas peliculas.

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Discussion

Multimodal de método utilizado en este estudio compone de modelado distribuido fuente de la señal temporal precisa de MEG junto con las restricciones espaciales de inversas estimaciones derivadas de MRI estructural de cada participante. El enfoque de la aMEG combina las ventajas de estas técnicas para proporcionar la penetración en las etapas espacio-temporales de la dinámica oscilatoria y la integración a largo plazo que favorecían el control cognitivo. Este método ofrece mayor precisión temporal que otras técnicas de neuroimagen tales como fMRI en negrilla cuya resolución temporal es de la magnitud de segundos debido a su sensibilidad indirecta a cambios neuronales mediante acoplamiento9neurovascular. En comparación, la precisión de milisegundos de la señal de la MEG permite la investigación de las etapas de procesamiento neuronal, como lo demuestra el presente estudio. El modelo de aMEG asume fuentes distribuidas de la señal de MEG a lo largo de la cortical de la superficie que, cuando reconstruido a partir de imágenes estructurales de MRI, proporciona las limitaciones espaciales de actividad estima45,53. Estas estimaciones espaciales pueden utilizarse para investigar no sólo la activación local pero a largo plazo comunicación a nivel red interactiva en la forma de bloqueo de fase16,20. Por otra parte, el enfoque de la aMEG es idóneo para investigar los efectos de la manipulación farmacológica en las funciones neuronales, ya que la señal del fMRI en negrilla es confundida por los efectos vasoactivos de manipulaciones farmacológicas tales como el alcohol y no puede refleja con exactitud la magnitud de cambios neuronales10.

La alta sensibilidad de este método a minuto neuronal cambia significa que es también sensible a ruido no neuronal incluyendo músculo movimientos o parpadeos del ojo, por lo que varios artefactos necesitan ser detectado y extraído cuidadosamente la señal cruda. Además, la posición de la cabeza puede tener efectos significativos en las estimaciones de actividad debido a la sensibilidad del sensor a de gradientes de campo magnético39. Dados los supuestos del modelo de aMEG, fuente estimaciones están restringidas a la superficie cortical45,46, por lo que no se puede estimar la actividad obtienen de estructuras subcorticales.

Basado en resultados previamente publicados18, el presente estudio ha mostrado cambios en el poder con un evento theta (4-7 Hz) durante conflicto inducido por Stroop en función de la intoxicación aguda del alcohol en bebedores sociales saludables. Como se muestra en la figura 5, energía de theta es diferencialmente sensible a las demandas cognitivas impuestas por las condiciones de la tarea de Stroop. Incongruencia es especialmente eficaz en la relación de control cognitivo como se refleja en un mayor poder de theta en la corteza prefrontal en comparación con el basal prestimulus. El director estima generador de oscilaciones de la theta es el ACC que es sensible al conflicto de respuesta durante el temprano y últimas etapas18de procesamiento. Estos resultados apoyan el papel de la ACC en el monitoreo para el conflicto en concordancia con las cuentas destacados7,8. Así, el método de la aMEG ha proporcionado una visión sensible a la temporal el compromiso sostenido de la CAC durante ensayos impone mayor carga en el control cognitivo. Junto con extensas conexiones anatómicas entre la ACC y cerebro distribuido regiones5,6, esta evidencia corrobora su papel multifacético en la autorregulación. En esa visión, el ACC es un centro clave en el sistema neurofuncional que dicho control cognitivo mediante la alineación de objetivos e intenciones con las limitaciones contextuales y motivacionales54,55. Corteza prefrontal inferolateral, sobre todo a la derecha, es otra área importante dentro de ese sistema que se ha asociado con la inhibición de la respuesta prepotente, control atencional y memoria de trabajo en el servicio de actualización de las representaciones de la tarea 56 , 57 , 58.

Se ha establecido que las oscilaciones de la theta median integración neuronal necesario para cognitivo y afectivo procesamiento13,16,59,60. Comunicación neuronal puede así dependen de excitabilidad sincronizada de conjuntos neuronales distantes en la banda theta con ritmos rápidos anidados mediar procesamiento local61,62. PLVs reflejan coherencia de fase entre áreas corticales y se utilizan comúnmente para estimar su sincronía oscilatoria como se supone que dos áreas interactúan cuando Co oscilan63. De hecho, se observan aumentos transitorios en PLV en los intervalos de actividad neural que se espera que requieren interacciones sincrónica12,20. El presente estudio confirma la evidencia anterior y refinamiento spatio-temporal suma a la sincronización funcional entre las fuentes que se estima que el ACC y el latPFC. Consistente con informes anteriores64, los resultados indican que PLVs son creciente y sostenidas en los ensayos incongruentes en la tarea de Stroop. Mediante la cuantificación de sincronización de fase entre estas dos áreas con la alta precisión temporal, estos resultados extienden el conflicto monitoreo cuenta e indican que su interacción es particularmente prominente después de ~ 350 ms en los ensayos incongruentes. Durante esta fase de integración cognitiva, las cortezas prefrontales mediales y laterales son propensos a interactuar para apoyar el rendimiento conductual durante condiciones de tarea más difíciles imponer demandas de atención, inhibición de respuesta y memoria de trabajo. Extensas pruebas de conectividad funcional basada en fMRI estudios indican que estas áreas corticales forman una red cingulo opercular dinámica e interactiva que soporta el control cognitivo de arriba a abajo65,66, 67. más ampliamente, el cerebro optimiza respondiendo a las demandas ambientales de forma coherente y adaptativa mediante sincronización flexible y dinámica de distribución neurofuncional sistemas68,69.

El enfoque de MEG anatómicamente restringido utilizado en el presente estudio se basa en una combinación de métodos de imagen complementarios. Se puede caracterizar la secuencia espacio-temporal de la actividad de los nervios y permiten comprender mejor la dinámica de las interacciones de largo alcance importantes para la integración de influencias de arriba hacia abajo durante la contratación del control cognitivo. La señal de MEG refleja las corrientes sinápticas directamente, que permite probar hipótesis acerca de las interacciones co-oscillatory dentro y entre sistemas neurofuncionales con alta precisión temporal. Además, este método es conveniente para las manipulaciones farmacológicas porque no es susceptible a vasoactivo confunde. Investigación de este laboratorio y de otros indica que las funciones de control cognitivo mediado prefrontally son particularmente vulnerables al alcohol intoxicación17,18,19,20,23 ,24,70,71,72,73,74. El presente estudio muestra que la intoxicación aguda del alcohol disminuye la actividad en las áreas prefrontales que favorecían el conflicto de respuesta. Además, alcohol altera oscilaciones Co sincronizado20,75 que pueden subyacer supresión respuesta deteriorada o desadaptativas. Como resultado, intoxicado individuos muestra autocontrol deficiente resultando en desinhibición que puede contribuir al consumo compulsivo y el desarrollo de alcohol dependencia25,26,76. En suma, las estimaciones de oscilaciones sincrónicas de co puede iluminar las interacciones en tiempo real de los sistemas de los nervios por una demanda cognitiva particular y puede informar a un modelo realista basado en el cerebro. Que caracterizan la sensibilidad selectiva al desafío de alcohol a través de redes y servir como biomarcadores de la vulnerabilidad individual a los efectos farmacológicos.

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Disclosures

Los autores no tienen nada que revelar.

Acknowledgments

Este trabajo ha sido apoyado por los institutos nacionales de salud (R01-AA016624). Agradecemos al Dr. Sanja Kovacevic por sus importantes contribuciones.

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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