Rottura di Synchrony neurale del lobo frontale durante controllo cognitivo di intossicazione dell'alcool

Neuroscience

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Summary

Questo esperimento utilizza un metodo vincolato anatomicamente magnetoencefalografia (aMEG) per esaminare la dinamica oscillatoria del cervello e sincronia funzionale a lungo raggio durante il fidanzamento di controllo cognitivo come una funzione di intossicazione acuta da alcool.

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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

Processo decisionale si basa su interazioni dinamiche di regioni cerebrali distribuita, principalmente frontale. Ampia prova dagli studi di risonanza magnetica funzionale (fMRI) indica che l'anteriore del cingulate (ACC) e le cortecce prefrontale laterale (latPFC) sono i nodi essenziali che contribuiscono il controllo cognitivo. Tuttavia, a causa della sua limitata risoluzione temporale, fMRI non può riflettere con precisione i tempi e la natura della loro interazione presunta. Il presente studio combina modellazione distribuito fonte del segnale temporale preciso magnetoencefalografia (MEG) con MRI strutturale sotto forma di "film di cervello" a: (1) stima le aree corticali coinvolte nel controllo cognitivo ("dove"), (2) caratterizzano loro sequenza temporale ("quando") e (3) quantificare la dinamica oscillatoria delle loro interazioni neurali in tempo reale. Interferenza di Stroop è stato associato con una maggiore potenza di evento-correlati theta (4-7 Hz) in ACC durante il rilevamento dei conflitti seguito da sensibilità sostenuta per esigenze conoscitive in ACC e latPFC durante la preparazione di integrazione e di risposta. Una fase di chiusura l'analisi ha rivelato co-oscillatory interazioni tra queste aree indicando loro synchrony neurale aumentata nella banda theta durante le prove incongrue che inducono conflitto. Questi risultati confermano che le oscillazioni teta sono fondamentali per lungo raggio sincronizzazione necessaria per l'integrazione di influenze dall'alto durante controllo cognitivo. MEG riflette l'attività neurale direttamente, che lo rende adatto per le manipolazioni farmacologiche in contrasto con fMRI che è sensibile alla vasoattivi confonde. Nello studio presente, bevitori sociali sani sono stati dati una dose di alcol moderato e placebo in una progettazione dell'entro-oggetto. Intossicazione acuta ha attenuato il potere di teta di Stroop conflitto e dysregulated co-oscillazioni tra l'ACC e latPFC, confermando che l'alcol è dannoso per synchrony neurale che contribuiscono il controllo cognitivo. Interferisce con il comportamento transitivi che può derivare in autocontrollo carente, contribuendo a bere compulsivo. In somma, questo metodo può fornire la comprensione nella interazioni in tempo reale durante l'elaborazione cognitiva e può caratterizzare la selettiva sensibilità farmacologica sfida tutte le pertinenti reti neurali.

Introduction

L'obiettivo generale di questo studio è di esaminare gli effetti dell'intossicazione acuta dell'alcool sui cambiamenti spazio-temporali nella dinamica oscillatoria del cervello e integrazione funzionale a lungo raggio durante controllo cognitivo. Il lavoratore multimodale approccio di imaging combina magnetoencefalografia (MEG) e la formazione immagine a risonanza magnetica strutturale (MRI) per approfondire le basi neurali dei processi decisionali, con alta precisione temporale e al livello di un sistema interattivo.

Comportamento flessibile permette di adattarsi alle mutevoli esigenze contestuali e passare strategicamente tra diverse attività e requisiti in accordo con di uno intenti e obiettivi. La capacità di sopprimere le risposte automatiche a favore di azioni obiettivo rilevante ma non abituale è un aspetto essenziale del controllo cognitivo. Estesa prova suggerisce che esso è contribuita da una rete corticale prevalentemente frontale, con la corteccia anteriore del cingulate (CRNA) come nodo centrale di questa rete interattiva1,2,3,4. Mentre la connettività anatomica abbondante tra l'ACC e cortecce frontali laterali è ben descritto5,6, le caratteristiche funzionali di comunicazione tra queste regioni durante il controllo cognitivo, selezione di risposta e l'esecuzione, sono poco capito.

Il conflitto altamente influente monitoraggio teoria7,8 propone che il controllo cognitivo nasce da un'interazione dinamica tra le cortecce prefrontale mediale e laterale. Questo account si presume che l'ACC controlla il conflitto tra rappresentazioni concorrenti e impegna la corteccia prefrontale laterale (latPFC) per implementare il controllo di risposta e ottimizzare le prestazioni. Tuttavia, questo account si basa principalmente sugli studi di MRI (fMRI) funzionali utilizzando il sangue ossigenazione dependent (BOLD) segnale di livello. Il segnale BOLD fMRI è uno strumento di mappatura spaziale eccellente, ma la risoluzione temporale è limitata perché riflette i cambiamenti emodinamici regionali mediati dall'accoppiamento neurovascolare. Di conseguenza, i cambiamenti del segnale BOLD si svolgono su una molto più lenta scala temporale (in secondi) rispetto i sottostanti eventi neurali (in millisecondi)9. Inoltre, il segnale BOLD è sensibile a effetti vasoattivi10 dell'alcol e non può rappresentare con precisione la grandezza dei cambiamenti neurali, che lo rende meno adatto per studi di intossicazione acuta da alcool. Pertanto, la presunta interazione tra le cortecce prefrontale mediale e laterale e la sua sensibilità di alcool intossicazione c'è bisogno di essere esaminato dai metodi che registrare eventi neurali in modo preciso temporalmente. MEG ha un'eccellente risoluzione temporale poiché riflette direttamente correnti postsinaptiche. La metodologia di MEG (aMEG) anatomicamente vincolata impiegata qui è distribuito un approccio multimodale che combina modellazione di fonte del segnale MEG con MRI strutturale. Esso consente la stima di dove che si verificano le modifiche oscillatorio cervello relative a conflitti e bevande e di comprendere la sequenza temporale ("quando") delle componenti neurali coinvolti.

Processo decisionale si basa sulle interazioni delle regioni cerebrali distribuite che sono impegnate in modo dinamico per affrontare le richieste aumentate il controllo cognitivo. Un modo per stimare le modifiche relative agli eventi in sincronia a lungo raggio tra due regioni corticali consiste nel calcolare la loro fase di accoppiamento come indice di loro co-oscillazioni11,12. Lo studio presente ha applicato un'analisi fase di bloccaggio per testare il principio basilare del conflitto monitoraggio teoria esaminando le interazioni co-oscillatory tra l'ACC e latPFC. Oscillazioni neurali nella gamma di teta (4-7 Hz) sono associate con controllo cognitivo e sono stati proposti come un meccanismo fondamentale per supportare la sincronizzazione a lungo raggio necessaria per elaborazione cognitiva verticistica13,14, 15,16. Essi sono generati in aree prefrontali in funzione della difficoltà del compito e sono significativamente attenuati dall'intossicazione acuta dell'alcool17,18,19,20.

Assunzione eccessiva di alcool a lungo termine è associato con una gamma di deficit cognitivi con circuiti prefrontali stati soprattutto colpiti21,22. Intossicazione acuta da alcool è dannoso per controllo cognitivo in condizioni di maggiore difficoltà, ambiguità o quelli che inducono la risposta incompatibilità17,23,24. Colpendo il processo decisionale, possono interferire con il comportamento transitivi alcool, può provocare autocontrollo carente e bere aumentato e può anche contribuire a lavoro-correlato o di traffico pericoli25,26,27 . Il presente studio utilizza un approccio di aMEG per misurare l'attività oscillatoria nella banda theta e sincronia tra le principali aree esecutiva con eccellente risoluzione temporale. Gli effetti dell'alcol su onde theta e co-oscillazioni tra l'ACC e il latPFC sono esaminati in funzione del conflitto ha suscitato dall'attività di interferenza di Stroop. Supponiamo che aumentate esigenze conoscitive sono associate con una maggiore sincronia funzionale e i danni nel controllo cognitivo è alla base di tale disregolazione alcool-indotta di attività sincrona delle cortecce prefrontale mediale e laterale.

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Protocol

Questo protocollo sperimentale è stato approvato dal comitato di protezione soggetti umana presso l'Università di California, San Diego.

1. soggetti umani

  1. Reclutare volontari sani adulti destrorsi, ottenere il loro consenso e li proteggi i criteri di inclusione/esclusione.
    Nota: In questo studio, venti individui giovani, sani (± deviazione standard [DS] età media = 25,3 ± 4,4 anni) tra cui 8 donne che bevono con moderazione, che sono mai stati in trattamento o arrestato per droga o alcool reati connessi, che segnalano no sono state reclutate sintomi in relazione con l'alcolismo il breve Test di Screening alcolismo Michigan28, che non fumo e non utilizzare sostanze illegali, che non hanno una storia di disturbi neuropsichiatrici o problemi di salute attuale, e che sono farmaco libero e non hanno alcun gli oggetti ferromagnetici interni o impianti.

2. sperimentale Design

  1. Eseguire la scansione ogni partecipante quattro volte, tra cui tre sessioni di MEG (una sessione introduttiva no-bevande e due sessioni di bevanda sperimentale in cui alcol e placebo sono amministrati in modo bilanciato) e un'esplorazione di MRI strutturale.
    Nota: In questo disegno di entro-oggetto, partecipanti servono da loro propri comandi partecipando a sessioni di alcool ed il placebo. Questo design riduce la varianza di errore e aumenta la potenza statistica di ridurre al minimo l'influenza della variabilità individuale nell'anatomia del cervello, modelli di attività e metabolismo dell'alcool.

3. raccolta MEG scansioni

  1. Eseguire la sessione di familiarizzazione.
    1. Durante la sessione introduttiva iniziale, somministrare questionari per ottenere ulteriori informazioni sulla storia clinica dei partecipanti, i loro modelli di bere e gravità dei sintomi in relazione con l'alcolismo28,29, storia di famiglia di alcolismo30e tratti di personalità tra cui impulsività31,32.
    2. Effettuare una registrazione iniziale nello scanner MEG seguendo il protocollo descritto sotto ai punti 3.2, 3.3 e 3.5. Non forniscono qualsiasi bevanda. Spiegare l'attività ed eseguire la pratica versione permettendo ai partecipanti di familiarizzare con esso in anticipo.
      Nota: L'acclimatazione alla situazione sperimentale ha lo scopo di minimizzare i potenziali effetti di eccitazione indotta da situazione33, quindi equiparare alcol successive e sessioni con placebo su tale dimensione.
  2. Eseguire le sessioni sperimentali alcol/placebo.
    Nota:
    seguire le stesse procedure sperimentali durante le sessioni di alcool ed il placebo fatta eccezione per la bevanda amministrata. Controbilanciare l'ordine delle bevande amministrando la bevanda alcolica in primo luogo ad uno mezzo di partecipanti e placebo per l'altra metà in un ordine casuale.
    1. Al loro arrivo al laboratorio di MEG, è necessario eseguire una scansione breve prova mettendo il partecipante nello scanner e controllando i canali per magnetizzazione possibili. Misurare il loro peso. Schermo li con un etilometro elettronico. Sottoporli a query sulla conformità con i requisiti di astenersi dall'alcool per 48 h e dal cibo per 3 h prima dell'esperimento.
    2. Raccogliere i campioni di urina per un pannello di prova della multi-droga da tutti i partecipanti ed escludere coloro che test positivo per qualsiasi droga. Inoltre, controllare i partecipanti femminili per la gravidanza con un'urina test ed escludono coloro che prova positiva o se si sospetta che potrebbe essere incinte.
    3. Valutare i cambiamenti dinamici negli effetti soggettivi di alcol da parte che chiede ai partecipanti di votare la loro momentanei sentimenti e Stati su una scala standardizzata34 prima di bere e in altre due occasioni durante l'esperimento - il membro ascendente (~ 15 min dopo aver consumato bevande) e arto discendente della curva di concentrazione di alcol (BrAC), respiro dopo la registrazione di MEG.
    4. Amministrare un'esecuzione pratica dell'operazione Stroop su un computer portatile con software di presentazione dello stimolo per garantire che i partecipanti a capire l'attività prima della registrazione.
      Nota: Questa versione del compito di Stroop combina lettura e colore denominazione (Figura 1). La condizione congruo è costituito da parole di colore (cioè, rosso, verde, blu, giallo) che vengono stampate nel colore del carattere corrispondente (cioè, la parola "verde" è stampata in verde). In condizione di incongrua, parole di colore vengono stampati a colori che non corrispondano il loro significato (cioè, la parola "verde" è stampata in giallo). Chiedere ai partecipanti di premere uno dei quattro pulsanti corrispondenti al colore del carattere in ogni volta che una parola è scritta in colore o, quando una parola è scritta in grigio, premere un pulsante corrispondente al significato della parola18,23.
  3. Preparare la registrazione MEG/EEG.
    Nota:
    dettagli di acquisizione dati MEG sono stati descritti in precedenti pubblicazioni35,36,37.
    1. Posizionare il tappo di EEG o singoli elettrodi EEG sulla testa del partecipante e controllare che tutte le impedenze sono sotto 5 kΩ.
    2. Collegare le bobine di indicatore (HPI) posizione della testa su entrambi i lati della fronte e dietro ogni orecchio.
      Nota: Questo passaggio è specifico per sistemi di Neuromag.
    3. Digitalizzare le posizioni dei punti fiduciali compreso il nasion e due punti preauricular, posizioni delle bobine HPI, elettrodi per EEG e ottenere un gran numero di punti aggiuntivi (~ 200) delineare la forma della testa. Utilizzare queste informazioni per la co-registrazione con immagini anatomiche di MRI (Figura 2).
  4. Somministrare bevande.
    1. Preparare la bevanda alcolica mescolando vodka di qualità premium con succo d'arancia fresco (25% v/v), in base al sesso e peso (alcool di 0,60 g/kg per gli uomini, l'alcool di 0,55 g/kg per le donne), ogni partecipante un BrAC di 0,06%38di targeting. Servire lo stesso volume di succo d'arancia in bicchieri con cerchi tamponate con vodka come una bevanda del placebo. Chiedere al partecipante di consumare la bevanda in circa 10 min.
    2. Verifica BrAC dei partecipanti con l'etilometro a partire da ~ 15 min dopo aver bevuto e poi ogni 5 min fino a quando non entrano in camera di registrazione. Poiché dispositivi elettronici non possono essere utilizzati in camera schermata, utilizzare un test della saliva alcol, che consiste di un tampone di cotone che è saturo nella saliva e viene inserito in una presa che consente una lettura.
  5. Acquisire dati MEG/EEG.
    1. Posizione il partecipante comodamente nello scanner. Poiché l'attività prefrontale è di particolare interesse, è necessario garantire che il partecipante è posizionato in modo che il suo capo è toccare la parte superiore del casco ed è allineato lungo la parte anteriore.
      Nota: Posizione della testina può influire sulle stime di attività in modo significativo perché i gradienti di campo magnetico diminuiscono con il cubo della distanza tra i sensori e il cervello fonti39.
    2. Collegare tutti gli elettrodi e HPI bobine ai loro rispettivi ingressi sullo scanner. Posizionare pastiglie di risposta in modo che i pulsanti possono essere premuti in modo confortevole. Accertare che il carattere è chiaramente leggibile sullo schermo di proiezione fronte il partecipante.
    3. Torna in camera console, controllare che il citofono è funzioni correttamente. Ricordare il partecipante per ridurre a icona lampeggiante ed evitare movimenti compreso il movimento della testa causata da ne. Istruire il partecipante per rispondere alle domande premendo i pulsanti di risposta invece.
    4. Verifica che tutti i trigger di risposta e stimolo sono registrati correttamente. Esaminare tutti i canali per manufatti e misurare la posizione della testa nello scanner.
    5. Avviare acquisizione dati e iniziare l'attività. Dare pause ogni min ~2.5 per riposare gli occhi. Salvare i dati dopo il completamento di attività e accompagnerà il partecipante nella camera di registrazione.
    6. Quando il partecipante è stato terminato lo scanner, acquisire circa due minuti di dati dalla stanza vuota come una misura di rumore strumentale.
    7. Chiedere al partecipante di tasso percepito la difficoltà del compito, contenuto della bevanda imbibita, come intossicato si sentivano, come pure loro momentanei stati d'animo e sentimenti34.

4. immagine di acquisizione e ricostruzione corticale di MRI strutturale

  1. Ottenere una scansione ad alta risoluzione di MRI anatomica per ogni partecipante e ricostruire la superficie corticale di ciascun partecipante con FreeSurfer software40,41,42.
  2. Utilizzare la superficie interna del cranio derivata dalle immagini MRI strutturale segmentate per generare un modello di elemento di contorno del volume conduttore, che viene utilizzato per fornire un modello per la soluzione in avanti che è coerenza con il cervello anatomia43 di ogni individuo , 44.

5. analisi dei dati MEG

Nota: Analizzare i dati con l'approccio di MEG anatomicamente vincolata che utilizza ricostruito superficie corticale di ciascun partecipante per vincolare le stime di fonte alla corticale nastro40,45,46. Il flusso di analisi si basa su funzioni personalizzate con dipendenze su pacchetti pubblicamente disponibili tra cui FieldTrip47, EEGLab48e MNE49.

  1. Durante la pre-elaborazione dei dati, utilizzare un filtro passa-banda permissiva (per esempio, 0.1 - 100 Hz) e dati di epoca rispetto alla insorgenza di stimolo in segmenti che includono imbottitura intervalli su ciascuna estremità (ad es., -600 a 1100 ms per un intervallo di interesse che abbracciano -300 a 800 ms dopo il rimozione dell'imbottitura).
  2. Rimuovere canali rumorosi e piatti, come pure prove contenenti manufatti mediante ispezione visiva e utilizzando rifiuto basato sulla soglia. Utilizzare componenti indipendenti analisi48 per rimuovere gli artefatti eyeblink e battito cardiaco. Eliminare le prove con le risposte errate.
  3. Applicare Morlet wavelet (Figura 3)47 per calcolare lo spettro di potenza complessa per ogni prova in incrementi di 1 Hz per banda di frequenza theta (4-7 Hz). Rimuovere eventuali elementi aggiuntivi. Calcola la covarianza di rumore dai dati di stanza vuota.
  4. Co-è possibile registrare i dati di MEG con immagini di risonanza magnetica utilizzando le informazioni tridimensionali (3D) digitalizzazione testa (Figura 2).
    1. Aprire il modulo MRIlab.
    2. Selezionare il File di | Aperto | Selezionare MRI strutturale del soggetto.
    3. Selezionare il File di | Importazione | Isotrak dati | Selezionare file raw data.fif | Fare punti.
    4. Selezionare Windows | Luoghi d'interesse | Regolare i punti di riferimento fiduciale fino a co-registrazione dei dati di MEG e MRI sono accettabili.
    5. Selezionare il File di | Salvare.
  5. Calcolare le stime di sensibilità al rumore-normalizzato di potenza della sorgente di teta e fase con un approccio di mappatura statistica dinamica spettrale18,50. Esprimere correlati agli eventi theta sorgente potenza come cambiamento del segnale per cento rispetto ai valori basali.
  6. Creare medie del gruppo di potenza della sorgente correlati agli eventi theta morphing le stime di ciascun partecipante su una rappresentazione corticale media51.
  7. Visualizzare le stime di origine su una superficie media gonfiata per migliorare la visibilità delle stime solcale (Figura 4).
    1. Aprire il software MNE.
    2. Selezionare il File di | Superficie di carico | Carico gonfiato superficie corticale di FreeSurfer media del gruppo.
    3. Selezionare il File di | Gestione sovrapposizioni | Caricare stc | Caricare i dati di una media di gruppo | Selezionare il file caricato da overlay disponibili.
    4. Selezionare sovrapposizione tipo come altri.
    5. Regolare la soglia di scala a colori | Visualizza.
    6. Visualizza video di cervello ed esaminare spazio-temporali fasi di lavorazione identificando aree e finestre di tempo caratterizzate dall'attivazione di più alto.
  8. Creare imparziale regioni di interesse (ROI) sulla base delle stime nel complesso una media di gruppo per incorporare percorsi corticali con più notevole fonte di alimentazione. Calcolare corsi di tempo per ogni soggetto, la condizione e il ROI (Figura 5).
  9. Presentare le stime di potere di origine Teta ottenuti per l'analisi statistica.
    1. Estrarre finestre temporali di interesse da ogni corso di tempo ROI ed eseguire analisi della varianza (ANOVA) con bevande (alcolici, placebo) e prova tipo (congruo, incongruo) come all'interno di fattori di soggetto. Utilizzare una di test non parametrici basati su cluster di permutazione52 per esaminare confronti bevanda e condizione di potere di teta evento-correlati come bene come fase-blocco valori (PLV).
  10. Stimare le modifiche relative alle attività nella sincronizzazione a lungo raggio tra i fuochi di attivazione principale in ACC e il latPFC calcolando la PLV12. Esprimere la PLV come variazione percentuale rispetto al valore basale.
    Nota: La PLV è un indicatore di coerenza dell'angolo di fase tra i due ROIs in studi clinici come misura nella misura in cui esse co-oscillano a una particolare frequenza e in tempo reale (1 film).
  11. Calcolare le correlazioni fra le stime di attività ROI MEG, gli indici di prestazione comportamentistica e punteggi di questionario per informare l'interpretazione dei risultati osservati.

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Representative Results

Risultati del comportamento indicano che il compito di Stroop manipolato correttamente interferenza risposta perché la precisione era il più basso e i tempi di risposta più lunghe prove incongrue (Figura 6). Intossicazione dell'alcool ha abbassato di precisione ma non ha colpito i tempi di reazione18.

La sequenza spazio-temporale di attività nella banda di frequenza di teta ha rivelata con l'approccio di aMEG è generale in accordo con modelli generalmente accettati delle funzioni cognitive in questo tipo di attività. Come illustrato nei film del cervello (2 film), la corteccia visiva è attivata in circa 100 ms dopo l'inizio dello stimolo, seguita da un pattern di attivazione posteriore-anteriore che coinvolgono le cortecce frontali soprattutto durante le fasi di integrazione cognitiva Dopo ~ 300 ms. The ACC è particolarmente sensibile alle incongrue (INC), prove di alta-conflitto, che indica il suo impegno durante conflitto di monitoraggio. L'ACC è il principale generatore di oscillazioni di teta durante le attività di controllo cognitivo di sondaggio, ma il latPFC è attiva anche durante la fase di integrazione alle intorno 350-600 ms. attivazione della corteccia motoria è visibile dopo ~ 600 ms durante la preparazione della risposta fase (film 2B). Evento-correlati theta potere è più grande sulle prove INC, che è coerente con la sua sensibilità alle esigenze del conflitto (Figura 5), soprattutto nella corteccia prefrontale13,17,19,20. Teta potere è diminuito da intossicazione acuta da alcool complessiva. Tuttavia, rispetto alle prove (CONG) congrue, alcool diminuisce la potenza di teta su prove INC (alto conflitto) selettivamente a ACC e latPFC18.

Il presente studio si estende i risultati da Kovacevic et al.18 focalizzando l'attenzione sulle interazioni dinamiche tra queste aree durante l'elaborazione di interferenza di Stroop alla luce di una considerazione prevalente del controllo cognitivo rete7, 8. per comprendere meglio la temporizzazione, il grado e la natura delle interazioni tra queste due aree corticali principalmente impegnate, il motto PLVs sono stati calcolati per ogni condizione di bevande e attività e per ogni partecipante. Come mostrato in media un gruppo nella Figura 7, co-oscillazioni tra l'ACC e latPFC variano nel tempo con un aumento nel complesso iniziale in co-oscillazioni durante uno stimolo in fase di elaborazione. Sotto placebo, questo è seguito da un aumento sostenuto dopo ~ 400 ms su prove incongrue durante la fase di preparazione di integrazione e di risposta. Così, co-sincronizzate oscillazioni tra le cortecce prefrontale mediale e laterale sono osservate solo sulle prove più difficili, INC che evoca conflitto risposta F(1,19) = 5.5, p < 0.05. Questa prova sostiene la proposta che l'ACC e il latPFC funzionalmente interagire in tempo reale per subserve controllo cognitivo. In contrasto, intossicazione acuta da alcool significativamente dysregulates le co-oscillazioni, ottenendo una bevanda interazione di circostanza x, F(1,19) = 5.1, p < 0.05, in cui prove incongrue specificamente sono state colpite dall'alcool F (1,19) = 8.8, p < 0.01 (Figura 7). Questo può essere alla base di disturbi indotti da alcool di controllo inibitorio e indica la vulnerabilità delle funzioni regolative verticistica della corteccia prefrontale di intossicazione acuta.

Figure 1
Figura 1 : Combina attività Stroop color naming e lettura. Vengono presentati esempi di prova per ciascuna delle tre condizioni insieme con il colore di risposta corretta. Nella condizione congrua (CONG), colore del carattere è coerente con il significato di parola, mentre sentieri prove incongrue (INC) suscitano conflitti di risposta a causa di interferenze da parte di significato di parola. I partecipanti sono incaricati di premere un pulsante corrispondente al colore del carattere quando le parole sono scritte in color (CONG, INC) e reagire al significato di parola (lettura) quando sono scritte in grigio. Prove sono presentate per 300 ms e quindi sostituite da uno schermo di fissazione per 1700 ms. tipi di prova sono presentati in un ordine randomizzato. In questa particolare versione, le condizioni CONG e INC erano equiprobabili e sono state presentate il 16,7% prove ogni fuori da 576 prove totale. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 2
Figura 2 : Co-registrazione di MEG e MRI. Punti digitalizzati in tutta la testa raccolta durante il registrazione di MEG sono utilizzati per co-registrazione con immagini anatomiche di MRI. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 3
Figura 3 : Morlet wavelet. Morlet wavelet sono utilizzate per calcolare lo spettro di potenza complessa per ogni prova in incrementi di frequenza di 1 Hz per la frequenza di banda theta (4-7 Hz). Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 4
Figura 4 : Ricostruzione corticale e l'inflazione. Singole superfici corticali sono ricostruite e sono utilizzate per vincolare il potere fonte stimato. Qui mostrato è una media superficie corticale che è gonfiata per migliorare la visibilità delle fonti stima solchi corticali. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 5
Figura 5 : Corsi di time media gruppo di evento-correlati theta fonte stime di potere in determinate regioni di interesse. Incongrui stimoli (INC) ha suscitati un maggiore potere di teta evento-correlati rispetto a stimoli congrui (CONG) la corteccia anteriore del cingulate (Crna; F (1,19) = 34.1, p < 0,0001) così come la corteccia prefrontale laterale (latPFC; F (1,19) = 11.0, p < 0.01), durante ms. 480-670 conflitto elaborazione è particolarmente sensibile all'intossicazione dell'alcool come potere di teta di INC è stata attenuata dall'intossicazione dell'alcool (F(1,19) = 9.9, p < 0.01). L'asse y raffigura la potenza della sorgente basale-rettificato normalizzato di rumore relative agli eventi theta. Questa figura è stata modificata da Kovacevic et al.18. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 6
Figura 6 : Risultati comportamentali il compito di Stroop. Interferenza di Stroop è stata riflessa in diminuzione di precisione e più lunghi tempi di risposta ai incongrue prove (INC). Intossicazione da alcool (Alc) alterato precisione rispetto al placebo (Plac) ma non ha influenzato i tempi di reazione. Barre di errore indicano l'errore standard della media. Questa figura è stata modificata da Kovacevic et al. 18. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 7
Figura 7 : Corsi di time media gruppo di bloccaggio di fase valori (PLVs) nella banda theta. Co-Oscillatory sincronia fra la corteccia anteriore del cingulate (ACC) e la corteccia prefrontale laterale (latPFC) nella banda di teta espresso come variazione percentuale rispetto al basale per placebo (a sinistra) e condizioni di alcool (a destra). Dopo un aumento iniziale nel motto PLVs durante uno stimolo fase (400-600 ms), un aumento continuo nella co-oscillazioni di elaborazione è osservato su incongruo (INC) sentieri in risposta alla maggiore controllo cognitivo rispetto al congruo (CONG) sentieri sotto placebo, F (1,19) = 5.5, p < 0.05. Intossicazione acuta da alcool selettivamente dysregulated le co-oscillazioni sulle prove INC, F(1,19) = 8.8, p < 0.01. Mappe di attivazione (inserto) mostrano l'effetto di incongruenza (INC-CONG), che è prominente in ACC e latPFC. La scala di colore denota sorgente basale-corretta alimentazione stime a 480 ms dopo l'inizio dello stimolo, con rosso (attività > 0,2) al giallo (attività > 0,3) che indica il più forte potere di teta di INC prove rispetto alle prove di CONG. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Movie 1
Movie 1: co-oscillazioni. Bloccaggio di fase i valori sono stati calcolati nella gamma di frequenza theta (4-7 Hz) tra la corteccia anteriore del cingulate (ACC) e la corteccia prefrontale laterale (latPFC) come misura di sincronizzazione che è sensibile alla consistenza della differenza di fase tra questi due ROIs indipendentemente dalla loro ampiezza di potere di teta. Per favore clicca qui per scaricare questo film.

Movie 2
Movie 2: Brain movies. Distribuite la modellazione di fonte del segnale MEG combinato con strutturale che permette di MRI per la stima delle principali aree corticali generando potenza theta e la sequenza temporale della loro attivazione in risposta per l'interferenza di Stroop. (A) a seguito di elaborazione sensoriale precoce, la corteccia cingolata anteriore (ACC) è attivata selettivamente dalle prove incongrue, alta-conflitto dopo ~ 350 ms (B) mentre l'ACC è il principale generatore di oscillazioni di teta durante attività di sondaggio controllo cognitivo, la corteccia prefrontale laterale (latPFC) è inoltre impegnato durante la fase di integrazione intorno 350-600 ms. attivazione della corteccia motoria è osservata dopo ~ 600 ms durante la preparazione della risposta. La scala di colore denota differenziale basale-corretta fonte stime di potenza, con il colore rosso che indica l'attivazione maggiore di 0,79 medialmente (0,57 lateralmente) e giallo indica l'attivazione maggiore di 0,9 medialmente (0,8 lateralmente). Siete pregati di notare che questi due film deve essere visualizzato insieme svolgimento corsi di tempo relativi all'ACC e latPFC, rispettivamente. Per favore clicca qui per scaricare questi film.

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Discussion

Il metodo utilizzato in questo studio di imaging multimodale comprende modellazione distribuito fonte del segnale temporaneamente preciso MEG insieme a vincoli spaziali di inverse stime derivate da MRI strutturale di ogni partecipante. L'approccio di aMEG combina i punti di forza di queste tecniche per consentono di comprendere le fasi spazio-temporale della dinamica oscillatoria e l'integrazione a lungo raggio che contribuiscono il controllo cognitivo. Questo metodo offre maggiore precisione temporale rispetto ad altre tecniche di neuroimaging come fMRI-BOLD cui risoluzione temporale è sulla grandezza di secondi dovuto la relativa sensibilità indiretta ai cambiamenti neurali via neurovascular accoppiamento9. In confronto, la precisione millisecondo del segnale MEG consente l'indagine delle fasi di elaborazione neurale, come dimostrato dallo studio presente. Il modello di aMEG presuppone fonti distribuite del segnale MEG lungo la corticale in superficie che, quando ricostruito dalle immagini di risonanza magnetica strutturale, prevede vincoli spaziali attività stima45,53. Queste stime spaziale possono essere utilizzate per indagare non solo attivazione locale ma comunicazione a lungo raggio a livello di rete interattiva in forma di bloccaggio di fase16,20. Inoltre, l'approccio di aMEG è adatto per indagare gli effetti di manipolazione farmacologica su funzioni neurali, dato che il segnale fMRI-BOLD è confuso dagli effetti vasoattivi di manipolazioni farmacologiche quali alcool e non può riflettere accuratamente la grandezza dei cambiamenti neurali10.

L'elevata sensibilità di questo metodo per minuto neurale cambia significa che è anche sensibile al rumore non neurali tra cui movimenti muscolari o occhio lampeggia, quindi i vari manufatti devono essere rilevati e accuratamente rimosso dal segnale grezzo. Inoltre, la posizione della testa possa avere effetti significativi sulle stime di attività a causa della sensibilità del sensore di campo magnetico gradienti39. Dato le ipotesi del modello aMEG, fonte stime sono limitate alla superficie corticale45,46, quindi non può essere definita l'attività ha suscitato da strutture sottocorticali.

Basato su risultati precedentemente pubblicati18, lo studio presente ha illustrato variazioni relative agli eventi theta (4-7 Hz) potere durante il conflitto Stroop-indotta come una funzione di intossicazione acuta da alcool in bevitori sociali sani. Come illustrato nella Figura 5, theta potere è differenzialmente sensibili alle esigenze conoscitive imposte dalle condizioni di compito di Stroop. Incongruenza è particolarmente efficace nel coinvolgere il controllo cognitivo che si riflette in una maggiore potenza di teta nella corteccia prefrontale rispetto al basale prestimulus. L'entità stima generatore di oscillazioni theta è l'ACC che è sensibile al conflitto risposta durante sia precoce e tardiva elaborazione fasi18. Questi risultati sostengono il ruolo della ACC nel monitoraggio per conflitto in concordanza con gli account prominente7,8. Così, il metodo di aMEG ha fornito una visione temporaneamente sensibile l'impegno sostenuto della ACC durante le prove che impone un carico maggiore sul controllo cognitivo. Insieme al vaste connessioni anatomiche tra l'ACC e distribuita cervello regioni5,6, questa prova conferma suo ruolo multiforme nell'autoregolamentazione. Su tale visualizzazione, l'ACC è un punto chiave nel sistema neurofunzionale che contribuisce controllo cognitivo allineando gli obiettivi e le intenzioni con vincoli contestuali e motivazionali54,55. Corteccia prefrontale inferolateral, soprattutto a destra, è un'altra area importante all'interno di quel sistema che è stato associato con l'inibizione di risposte prepotente, controllo attentivo e memoria di lavoro nel servizio di aggiornamento di rappresentazioni di attività 56 , 57 , 58.

È stato stabilito che le oscillazioni Teta mediano integrazione neurale necessarie per cognitive e affettive elaborazione13,16,59,60. Comunicazione neurale può quindi invocare sincronizzato eccitabilità di un neurone distanti Ensemble nella banda theta con ritmi veloci nidificati che mediano l'elaborazione locale61,62. Motto PLVs riflettono la coerenza di fase tra aree corticali e sono comunemente utilizzati per stimare la loro sincronia oscillatorio come si presuppone che due aree interagiscono quando co-oscillano63. Infatti, aumenti transitori in PLV sono osservati in quegli intervalli di attività neurale che si penserebbero che richiedono interazioni sincrone12,20. Lo studio presente conferma prova precedente e aggiunge raffinatezza spazio-temporali per la sincronizzazione funzionale tra le fonti stimata che l'ACC e il latPFC. In linea con precedenti rapporti64, i risultati attuali indicano che PLVs sono aumentato e sostenuto il incongrue prove nel compito di Stroop. Quantificando la sincronizzazione di fase tra queste due aree con alta precisione temporale, questi risultati estendono il conflitto monitoraggio account e indicano che la loro interazione è particolarmente prominente dopo ~ 350 ms su prove incongrue. Durante questa fase di integrazione cognitiva, le cortecce prefrontale mediale e laterale sono suscettibili di interagire per supportare le prestazioni comportamentali durante le più difficili condizioni di attività esige per l'attenzione, l'inibizione di risposta e la memoria di lavoro. Ampia prova dagli studi di connettività funzionale basata su fMRI indica che queste aree corticali formano una rete cingulo-opercular dinamica, interattiva che supporta controllo cognitivo top-down65,66, 67. più in generale, il cervello ottimizza risponde a esigenze ambientali in modo adattivo e coerente tramite sincronizzazione flessibile e dinamica di sistemi distribuiti neurofunzionale68,69.

L'approccio di MEG anatomicamente vincolato utilizzato nel presente studio si basa su una combinazione di metodi di imaging complementari. E ' possibile caratterizzare la sequenza spazio-temporale dell'attività neurale e può fornire la comprensione delle dinamiche di interazioni a lungo raggio importante per l'integrazione di influenze dall'alto durante il fidanzamento di controllo cognitivo. Il segnale di MEG riflette delle correnti sinaptiche direttamente, che permette di testare ipotesi circa le interazioni co-oscillatory all'interno e tra sistemi neurofunzionali con alta precisione temporale. Inoltre, questo metodo è adatto per le manipolazioni farmacologiche perché non è suscettibile di vasoattivi confonde. Ricerca da questo laboratorio e altri indica che le funzioni di controllo cognitivo prefrontally-mediata sono particolarmente vulnerabili a alcool intossicazione17,18,19,20,23 ,24,70,71,72,73,74. Lo studio presente indica che intossicazione acuta da alcool fa diminuire l'attività nelle aree prefrontale che contribuiscono il conflitto di risposta. Inoltre, alcool interrompe sincronizzato co-oscillazioni20,75 che possono essere alla base di soppressione di risposta alterata o maladattivi. Di conseguenza, in stato di ebbrezza individui esibire autocontrollo carente conseguente disinibizione che può contribuire al bere compulsivo e lo sviluppo di alcol dipendenza25,26,76. In somma, stime delle co-oscillazioni sincrone può illuminare interazioni in tempo reale dei sistemi neurali impegnati da una particolare richiesta di conoscitiva e può informare un modello realistico di cervello-based. Possono caratterizzare la sensibilità selettiva alla sfida di alcol su tutte le reti e servire come biomarcatori di vulnerabilità individuale agli effetti farmacologici.

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Disclosures

Gli autori non hanno nulla a rivelare.

Acknowledgments

Quest'opera è stata sostenuta da National Institutes of Health (R01-AA016624). Siamo grati alla dottoressa Sanja Kovacevic per i suoi importanti contributi.

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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