Störung der Frontallappen neuronale Synchronität während kognitive Kontrolle durch Alkoholvergiftung

Neuroscience

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Summary

Dieses Experiment verwendet eine anatomisch eingeschränkt Magnetoenzephalographie (aMEG)-Methode, um Gehirn oszillierende Dynamik und langfristige funktionelle Synchronität während Engagement der kognitiven Kontrolle in Abhängigkeit von akuter Alkoholvergiftung zu untersuchen.

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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

Entscheidungsfindung stützt sich auf dynamische Interaktionen von verteilten, in erster Linie frontalen Hirnregionen. Umfangreiche Belege aus Studien der funktionellen Magnetresonanztomographie (fMRT) zeigt, dass der anterioren cingulären (ACC) und der lateralen präfrontalen Cortex (LatPFC) wichtige Knoten Gesichtskreises kognitive Kontrolle. Jedoch kann nicht wegen seiner begrenzten zeitlichen Auflösung fMRI das Timing und die Natur von ihrer mutmaßlichen Zusammenspiel widerspiegeln. Die vorliegende Studie verbindet verteilten Quelle Modellierung des Signals zeitlich präzise Magnetoenzephalographie (MEG) mit strukturellen MRT in Form von "Gehirn-Filme" auf: (1) Schätzung der kortikalen Bereiche kognitive Kontrolle beteiligt ("wo"), (2) charakterisieren ihrer zeitlichen Abfolge ("Wann"), und (3) die oszillierende Dynamik ihrer neuronalen Interaktionen in Echtzeit zu quantifizieren. Stroop-Interferenz wurde während der Konflikterkennung gefolgt von nachhaltigen Empfindlichkeit an kognitiven Anforderungen in der ACC und LatPFC bei Integration und Antwort Vorbereitung mehr veranstaltungsbezogenen Theta (4-7 Hz) macht in der ACC zugeordnet. Eine Phase-Verriegelung Analyse ergab co-oscillatory Interaktionen zwischen diesen Bereichen ihre erhöhte neuronale Synchronität im Theta-Band während der Konflikt-induzierende unpassend Studien angibt. Diese Ergebnisse bestätigen, dass Theta-Schwingungen für Langstrecken Synchronisierung benötigt für die Integration von Top-Down-Einflüsse während kognitive Kontrolle von grundlegender Bedeutung sind. MEG spiegelt wider, dass neuronaler Aktivität direkt, der macht es geeignet für pharmakologische Manipulationen im Gegensatz zur fMRT, die empfindlich auf vasoaktive verwirrt. In der vorliegenden Studie erhielten gesunde soziale Trinker eine moderate Alkohol Dosis und Placebo in einem im Thema Design. Akute Intoxikation gedämpft Theta macht, Stroop Konflikt- und Dysregulated Co Oszillationen zwischen ACC und LatPFC, bestätigt, dass Alkohol neuronale Synchronität Gesichtskreises kognitive Kontrolle schadet. Es stört zielgerichtetes Verhalten, die mangelhafte Selbstbeherrschung, zur zwanghaften trinken führen kann. Kurzum, diese Methode kann Einblick in Echtzeit-Interaktionen bei der kognitiven Verarbeitung und kann über entsprechende neuronale Netze die selektive Sensibilität für pharmakologische Herausforderung charakterisieren.

Introduction

Das übergeordnete Ziel dieser Studie ist es, die Auswirkungen von akuter Alkoholvergiftung auf räumlich-zeitliche Veränderungen im Gehirn oszillierende Dynamik und weiträumige Funktionsintegration während kognitive Kontrolle zu untersuchen. Die eingesetzten multimodale Bildgebung Ansatz verbindet Magnetoenzephalographie (MEG) und strukturelle Magnetresonanztomographie (MRT), Einblick in die neuronalen Grundlagen der Entscheidungsfindung mit hoher zeitlicher Präzision und auf der Ebene der ein interaktives System.

Flexibles Verhalten macht es möglich, zur Anpassung an die wechselnden Anforderungen der kontextueller und strategisch zwischen verschiedenen Aufgaben und Anforderungen im Einvernehmen mit den Absichten und Ziele wechseln. Die Fähigkeit, automatische Antworten zu Gunsten zielrelevante aber nicht gewöhnlichen Handlungen zu unterdrücken ist ein wesentlicher Aspekt der kognitiven Kontrolle. Umfangreiche Hinweise darauf, dass es durch ein überwiegend frontalen kortikalen Netz mit der anterioren cingulären Cortex (ACC) als zentraler Knoten in diesem interaktiven Netzwerk1,2,3,4subserved ist. Während die reichlich vorhandenen anatomischen Konnektivität zwischen ACC und seitlichen frontalen Cortex gut beschriebene5,6, die funktionellen Eigenschaften der Kommunikation zwischen diesen Regionen während kognitive Kontrolle, Antwort-Auswahl ist und Ausführung, sind schlecht verstanden.

Die einflussreiche Konflikt Theorie7,8 Überwachung schlägt vor, dass kognitive Kontrolle von einer dynamischen Interaktion zwischen dem medialen und lateralen präfrontalen Cortex entsteht. Dieses Konto behauptet, dass die ACC Konflikt zwischen konkurrierenden Repräsentationen überwacht und lateralen präfrontalen Cortex (LatPFC greift), Antwort-Steuerelement implementieren und optimieren die Leistung. Dieses Konto beruht jedoch in erster Linie auf die funktionellen MRT (fMRT) Studien über das Blut Sauerstoffversorgung Level abhängigen (BOLD) Signal. Die fMRT-Fett-Signal ist eine hervorragende räumliche Mapping-Tool, aber seine zeitliche Auflösung ist begrenzt, da es regionale hämodynamische Veränderungen vermittelt durch neurovaskuläre Kopplung widerspiegelt. Dadurch entfalten die kühnen Signaländerungen auf einer viel langsameren Zeitskala (in Sekunden) als die zugrunde liegenden neuronalen Ereignissen (in Millisekunden)9. Darüber hinaus ist das Fett Signal reagiert empfindlich auf Alkohol die vasoaktive Effekte10 und entsprechen möglicherweise nicht genau das Ausmaß der neuronalen Veränderungen, wodurch es weniger geeignet für Studien von akuter Alkoholvergiftung. Daher vermuteten Zusammenspiel der medialen und lateralen präfrontalen Cortex und seine Empfindlichkeit auf Alkohol Intoxikation durch Methoden zu prüfen, die neuralen Ereignisse zeitlich präzise zu erfassen. MEG hat eine ausgezeichnete Zeitauflösung, da sie direkt postsynaptischen Ströme widerspiegelt. Die anatomisch eingeschränkt MEG (aMEG) verwendeten Methodik hier ist ein multimodaler Ansatz, der kombiniert Quelle Modellierung des MEG Signals mit strukturellen MRT verteilt. Es ermöglicht die Abschätzung von denen , die die konfliktbezogenen und Getränkeindustrie oszillierenden Veränderungen im Gehirn auftreten und der zeitlichen Abfolge ("Wenn") der beteiligten neuronalen Komponenten zu verstehen.

Entscheidungsfindung stützt sich auf die Wechselwirkungen von verteilten Hirnregionen, die dynamisch mit erhöhten Anforderungen an kognitive Kontrolle tätig sind. Eine Möglichkeit, veranstaltungsbezogene Änderungen in weiträumigen Synchronität zwischen zwei kortikalen Regionen zu schätzen ist die Kopplung als Index für ihre Co Schwingungen11,12Phase berechnen. Die vorliegende Studie angewendet eine Phase-Verriegelung Analyse um das Grundprinzip des Konflikts Überwachung Theorie durch die Untersuchung der co-oscillatory Wechselwirkungen zwischen ACC und LatPFC zu testen. Neuronale Oszillationen im Theta-Bereich (4-7 Hz) sind kognitive Kontrolle zugeordnet und sind vorgeschlagen worden, als ein grundlegender Mechanismus unterstützt die langfristige Synchronisation für Top-Down-kognitive Verarbeitung13,14benötigt, 15,16. Sie entstehen im präfrontalen Bereich als Funktion der Schwierigkeit der Aufgabe und werden erheblich abgeschwächt durch akute Alkohol Vergiftung17,18,19,20.

Langfristiger übermäßiger Alkoholkonsum ist mit einer Reihe von kognitiven Defiziten einher mit präfrontalen Schaltung besonders betroffenen21,22. Akuter Alkoholvergiftung wirkt sich nachteilig auf die kognitive Kontrolle unter Umständen größere Schwierigkeiten, Unklarheiten oder diejenigen, die Antwort Inkompatibilität17,23,24zu induzieren. Durch Einwirkung auf die Entscheidungsfindung, Alkohol kann zielgerichtetes Verhalten stören, kann schlechte Selbstkontrolle und erhöhte trinken führen und kann auch dazu beitragen, Verkehr oder arbeitsbedingten Gefahren25,26,27 . Die vorliegende Studie folgt einem aMEG Ansatz, um die oszillierende Aktivität im Theta-Band und Synchronität zwischen executive Hauptbereiche mit ausgezeichneten zeitlicher Auflösung zu messen. Die Wirkung des Alkohols auf Theta-Aktivität und Co Oszillationen zwischen ACC und die LatPFC werden als eine Funktion der Konflikt hervorgerufen durch die Stroop-Interferenz-Aufgabe untersucht. Wir vermuten, dass erhöhte kognitive Anforderungen größere funktionale Synchronität zugeordnet sind und die Alkohol-induzierte Dysregulation der synchrone Aktivität von der medialen und lateralen präfrontalen Cortex Beeinträchtigungen der kognitiven Kontrolle unterliegt.

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Protocol

Dieses experimentelle Protokoll wurde vom Komitee menschlichen Themen Schutz an der University of California, San Diego genehmigt.

1. menschliche Subjekte

  1. Rechtshänder Erwachsenen Probanden zu rekrutieren, ihre Zustimmung einholen und Bildschirm ihnen auf die Inklusion/Exklusion-Kriterien.
    Hinweis: In dieser Studie, zwanzig junge, gesunde Menschen (Durchschnittsalter ± Standardabweichung [SD] = 25,3 ± 4,4 Jahre) inkl. 8 Frauen wurden rekrutiert, in Maßen, die haben noch nie in Behandlung oder verhaftet wegen Drogen- oder Alkoholabhängigkeit Verwandte Delikte trinken, kein Bericht der WHO, Alkoholismus-Symptomen auf der kurzen Michigan Alkoholismus Screening-Test28, die nicht rauchen und verwenden von illegalen Substanzen, die keine Geschichte von neuropsychiatrischen Störungen oder aktuelle gesundheitliche Probleme haben, und wer sind Medikamente frei und haben keinerlei interne ferromagnetische Objekte oder Implantate.

(2) experimentelles Design

  1. Scannen Sie jeden Teilnehmer viermal, einschließlich drei MEG-Sitzungen (eine Einführungssitzung keine-Getränke und zwei experimentelle Getränk Sessions in denen Alkohol und Placebo in gewissem Sinne ausgewogen verwaltet werden) und einen strukturellen MRT-Untersuchung.
    Hinweis: In diesem Design im Thema dienen Teilnehmer als eigene Kontrollen durch die Teilnahme an Alkohol und Placebo-Sitzungen. Dieses Design reduziert Fehler-Varianz und statistische Aussagekraft durch Minimierung der Einfluss der individuellen Variabilität in der Anatomie des Gehirns, Aktivitätsmuster und Alkohol-Stoffwechsel erhöht.

3. Sammeln von MEG scannt

  1. Durchführen Sie Einarbeitung Sitzung.
    1. Während die ersten einleitenden Sitzung verwalten Sie Fragebögen für mehr Informationen über die Teilnehmer Krankengeschichte, ihren Alkoholkonsum Mustern und schwere der Symptome im Zusammenhang mit Alkoholismus28,29, Familiengeschichte von Alkoholismus30und Persönlichkeitsmerkmale einschließlich Impulsivität31,32.
    2. Führen Sie eine erste Aufnahme in der MEG-Scanner nach dem Protokoll in die Schritte 3.2, 3.3 und 3.5 beschrieben. Bieten Sie keinem Getränk. Erläutern Sie die Aufgabe und führen Sie die Praxis Version ermöglicht Teilnehmer vorher mit ihm vertraut zu machen.
      Hinweis: Die Akklimatisierung an die experimentelle Situation dient der Minimierung potenzieller Auswirkungen der Situation-induzierten Erregung33, damit die Gleichsetzung von nachfolgenden Alkohol und Placebo-Sessions auf dieser Dimension.
  2. Führen Sie den Alkohol/Placebo experimentelle Sessions.
    Hinweis:
    folgen dem gleichen experimentellen Ablauf während Alkohol und Placebo-Sessions mit Ausnahme der verabreichten Getränk. Gegengewicht Getränke Bestellung durch die Gabe von Alkohol zunächst zu einer Hälfte der Teilnehmer und Placebo, die andere Hälfte in zufälliger Reihenfolge.
    1. Führen Sie bei ihrer Ankunft an der MEG-Labor einen kurzen Test Scan indem man die Teilnehmer in den Scanner und Überprüfung der Kanäle möglich Magnetisierung aus. Messen Sie ihr Gewicht. Screen sie mit einer elektronischen Alkoholtester. Fragen sie über die Einhaltung der Anforderungen von Alkohol für 48 h und Essen für 3 h vor dem Experiment zu enthalten.
    2. Sammeln von Urinproben für ein Multi-Drogen-Test-Panel von allen Teilnehmern und schließen diejenigen, die für jedes Medikament positiv getestet. Darüber hinaus prüfen Sie weibliche Teilnehmer für die Schwangerschaft mit einem Urin testen und auszuschließen wer test positiv oder wenn sie vermuten, dass sie schwanger sein könnten.
    3. Bewerten Sie dynamische Veränderungen in die subjektive Wirkung des Alkohols durch bittet die Teilnehmer, ihre momentanen Gefühle und Staaten zu bewerten, auf einer standardisierten Skala34 vor dem Trinken und zusätzliche zweimal während des Experiments - auf dem aufsteigenden Ast (~ 15 min nach dem Konsum von Getränken) absteigende Leib den Atem Alkohol Konzentrationskurve (BrAC), nach der Aufnahme MEG und.
    4. Verwalten Sie einen Probelauf der Stroop-Aufgabe auf einem Laptop mit Reiz Präsentations-Software, um sicherzustellen, dass die Teilnehmer die Aufgabe vor der Aufnahme zu verstehen.
      Hinweis: Diese Version der Stroop Aufgabe verbindet lesen und Farbe benennen (Abbildung 1). Die kongruente Bedingung besteht aus Farbe Wörter (z. B. rot, grün, blau, gelb), die in die passende Schriftfarbe (d. h. das Wort "grün" in grün aufgedruckt ist) gedruckt werden. In der unpassend Zustand werden Farbe Wörter in Farbe gedruckt, die entspricht nicht ihrer Bedeutung (z.B. das Wort "grün" in Gelb gedruckt wird). Bitten Sie die Teilnehmer drücken eine der vier Tasten, die Schriftfarbe entspricht, wenn ein Wort geschrieben wird, in Farbe oder, wenn ein Wort in grau, ein Knopfdruck entsprechend der Bedeutung des Wortes18,23geschrieben wird.
  3. Bereiten Sie die MEG/EEG-Aufzeichnung.
    Hinweis:
    Details der MEG Datenerfassung wurden in früheren Publikationen35,36,37beschrieben.
    1. Positionieren Sie das EEG Kappe oder einzelnen EEG-Elektroden auf dem Kopf des Teilnehmers und überprüfen Sie, ob alle Impedanzen unter 5 kΩ sind.
    2. Befestigen Sie die Kopfposition Indikator (HPI) Spulen auf beiden Seiten der Stirn und hinter jedem Ohr.
      Hinweis: Dieser Schritt ist für Neuromag Systeme.
    3. Digitalisieren Sie Positionen die treuhändische Punkte einschließlich der Nasion und zwei preauricular Punkte, Positionen der HPI Spulen, EEG-Elektroden und erhalten Sie eine große Anzahl von zusätzlichen Punkten (~ 200) Abgrenzung der Kopfform. Verwenden Sie diese Informationen für die Co-Registrierung mit anatomischen MRT-Aufnahmen (Abbildung 2).
  4. Getränke zu verwalten.
    1. Bereiten Sie alkoholische Getränke durch Mischen Qualität Premiumvodka mit gekühlten Orangensaft (25 % V/V), basierend auf Geschlecht und Gewicht (0,60 g/kg Alkohol für Männer, 0,55 g/kg Alkohol für Frauen), jeder Teilnehmer gezielt eine BrAC von 0,06 %38. Servieren Sie die gleiche Menge an Orangensaft mit Felgen geschrubbt mit Wodka als ein Placebo-Getränk in Gläsern. Bitten Sie die Teilnehmer, das Getränk in ca. 10 min zu konsumieren.
    2. Überprüfen Sie die Teilnehmer BrAC mit der Alkoholtester ab ~ 15 min nach dem Trinken und dann alle 5 Minuten, bis sie die Aufnahme-Kammer betreten. Da elektronische Geräte im abgeschirmten Raum verwendet werden können, verwenden Sie ein Speicheltest Alkohol, bestehend aus einem Wattestäbchen, die im Speichel gesättigt ist und in ein Gefäß, das bietet eine Anzeige eingefügt wird.
  5. MEG/EEG-Daten zu erwerben.
    1. Positionieren Sie die Teilnehmer bequem in den Scanner. Da die präfrontale Aktivität von besonderem Interesse ist, sicherzustellen Sie, dass der Teilnehmer so positioniert ist, dass seinen/ihren Kopf die Spitze des Helms berührt und sich an der Front orientiert.
      Hinweis: Kopf Position kann Aktivität Schätzungen auf signifikante Weise beeinflussen, da die Magnetfeld-Gradienten mit der dritten Potenz des Abstandes zwischen den Sensoren und dem Gehirn Quellen39zu verringern.
    2. HPI-Spulen und aller Elektroden an ihre jeweiligen Eingaben auf den Scanner anschließen. Positionieren Sie Antwort-Pads so, dass die Tasten bequem gedrückt werden können. Feststellen Sie, dass die Schrift deutlich lesbar auf der Leinwand vor dem Teilnehmer ist.
    3. Zurück in den Kontrollraum prüfen Sie, ob die Sprechanlage einwandfrei funktioniert. Erinnern Sie die Teilnehmer, blinken zu minimieren und Bewegungen einschließlich Kopfbewegung verursacht durch Gespräche zu vermeiden. Weisen Sie die Teilnehmer Fragen zu beantworten, mit den Tasten Reaktion statt.
    4. Überprüfen Sie, dass alle Reaktion und Reiz Trigger korrekt aufgezeichnet werden. Alle Kanäle für Artefakte zu prüfen und Messen der Kopfpositions im Scanner.
    5. Starten Sie die Datenerfassung und beginnen Sie die Aufgabe. Geben Sie bricht alle ~2.5 min ruhen die Augen. Sichern Sie die Daten nach Abschluss der Aufgabe und begleiten Sie die Teilnehmer aus der Aufnahme-Kammer.
    6. Wenn der Teilnehmer den Scanner beendet wurde, erwerben Sie etwa zwei Minuten von Daten aus der leere Raum als Maß für die instrumentelle Rauschen.
    7. Bitten Sie die Teilnehmer auf Aufgabe Schwierigkeiten, Inhalte des getrunkenem Getränkes, wie berauscht, sowie deren momentane Stimmungen und Gefühle34fühlten sich wahrgenommen.

4. Bildern Sie Übernahme und kortikalen Rekonstruktion der strukturellen MRT

  1. Erhalten Sie einen hochauflösenden anatomischen MRT-Scan für jeden Teilnehmer und rekonstruieren Sie jeder Teilnehmer kortikalen Oberfläche mit FreeSurfer Software40,41,42zu.
  2. Verwenden Sie die inneren Schädel Oberfläche abgeleitet aus der segmentierten strukturellen MRT-Aufnahmen, um ein Boundary-Elemente-Modell des Leiters Volumen zu erzeugen, die verwendet wird, um ein Modell für die vorwärts-Lösung anbieten, die jeden einzelnen Gehirn Anatomie43 entspricht , 44.

(5) MEG Datenanalyse

Hinweis: Analysieren Sie die Daten mit dem anatomisch eingeschränkt MEG Ansatz, der jedes Teilnehmers rekonstruierten kortikalen Oberfläche verwendet, um die Quelle Schätzungen zur kortikalen Band40,45,46zu beschränken. Die Analyse-Stream stützt sich auf benutzerdefinierte Funktionen mit Abhängigkeiten von öffentlich verfügbaren Pakete einschließlich Exkursion47, EEGLab48und MNE49.

  1. Während Daten Vorverarbeitung, verwenden einen permissive Bandpass-Filter (z. B. 0,1 - 100 Hz) und Epoche Daten in Bezug auf Reiz auftreten in Segmente, die Polsterung Abständen an beiden Enden enthalten (z. B.-600 bis 1100 ms für ein Intervall von Interesse von-300 bis 800 ms nach der Entfernung der Polsterung).
  2. Laut und flache Kanäle sowie Studien, enthält Artefakte durch Sichtkontrolle und mit Schwelle-basierte Ablehnung entnehmen. Verwenden Sie unabhängige Komponente Analyse48 , um Eyeblink und Herzschlag Artefakte zu entfernen. Beseitigen Sie Versuche mit Fehlreaktionen.
  3. Gelten Sie Morlet Wavelet (Abbildung 3)47 um komplexe Leistungsspektrum für jeden Versuch in 1 Hz-Schritten für Theta-Frequenzbereich (4-7 Hz) zu berechnen. Entfernen Sie alle zusätzlichen Elemente. Die Lärm-Kovarianz aus leeren Raumdaten zu berechnen.
  4. Co Registerdaten Sie die MEG mit MRT-Aufnahmen mit Hilfe der dreidimensionalen (3D) Kopf Digitalisierung Informationen (Abbildung 2).
    1. Öffnen Sie das MRIlab-Modul.
    2. Wählen Sie -Datei | Offen | Wählen Sie Thema der strukturellen MRT.
    3. Wählen Sie -Datei | Import | Isotrak Daten | Wählen Sie Datei aus rohen data.fif | Machen Sie Punkte.
    4. Wählen Sie Windows | Sehenswürdigkeiten | Passen Sie so Wahrzeichen bis Co-Registrierung von MEG Daten und MRT sind akzeptabel.
    5. Wählen Sie -Datei | Speichern.
  5. Berechnen Sie Lärmempfindlichkeit normalisiert Schätzungen der Theta-Stromversorgung und Phase mit einer spektralen dynamische statistische Zuordnung Ansatz18,50. Veranstaltungsbezogenen Theta Stromversorgung zu äußern, wie Prozent Änderung signal relativ zur Grundlinie.
  6. Erstellen Sie Gruppe Durchschnitte der veranstaltungsbezogenen Theta Stromversorgung durch morphing jedes Teilnehmers Schätzungen auf eine durchschnittliche kortikale Repräsentation51.
  7. Visualisieren Sie die Quelle Schätzungen auf eine aufgeblasene durchschnittliche Oberfläche zur Sichtbarkeit von sulcal Schätzungen (Abbildung 4).
    1. Öffnen Sie die MNE-Software.
    2. Wählen Sie -Datei | Oberfläche zu laden | Last aufgeblasen Konzerndurchschnitt FreeSurfer kortikalen Oberfläche.
    3. Wählen Sie -Datei | Verwalten von Overlays | Stc laden | Gruppe im Durchschnitt Daten laden | Wählen Sie geladene Datei aus verfügbaren Überlagerungen.
    4. Wählen Sie Overlay-Typ als andere.
    5. Passen Sie Farbskala Schnittstellenüberwachung | Zeigen.
    6. Gehirn-Filme ansehen und räumlich-zeitliche Phasen der Verarbeitung durch die Identifizierung von Bereichen und zeichnet sich durch höchste Aktivierung Zeitfenster zu untersuchen.
  8. Erstellen Sie unvoreingenommene Bereiche von Interesse (ROIs) basierend auf Schätzungen insgesamt Gruppe gemittelt, kortikale Standorte mit bemerkenswerteste Stromversorgung zu integrieren. Berechnen Sie mal Kurse für jedes Thema, Zustand und ROI (Abbildung 5).
  9. Die erhaltenen Theta Quelle macht Schätzungen für die statistische Analyse vorlegen.
    1. Extrahieren Sie Zeitfenster von Interesse aus jeder ROI-Zeit-Kurs und führen Sie Varianzanalyse (ANOVA) mit Getränk (Alkohol, Placebo) und trial Typ (geschmackssicheren, unpassend) wie im Thema Faktoren aus. Verwenden Sie eine nichtparametrische Cluster-basierte Permutation Test52 , und die Kondition Vergleiche der veranstaltungsbezogenen Theta macht als auch Phase-Verriegelung Werte (PLV) zu prüfen.
  10. Aufgabenbezogene Änderungen in die weiträumige Synchronisation zwischen den wichtigsten Aktivierung Brennpunkte in der ACC und die LatPFC durch Berechnung der PLV-12zu schätzen. Drücken Sie PLV aus, wie Prozent relativ zur Grundlinie ändern.
    Hinweis: Die DBV ist ein Indikator für Konsistenz der Phasenwinkel zwischen den zwei ROIs über Studien, wie er den Umfang misst, den sie gemeinsam bei einer bestimmten Frequenz und in Echtzeit (Film 1) schwingen.
  11. Berechnen Sie Korrelationen zwischen ROI MEG Aktivität Schätzungen, Indizes der verhaltensbasierte Leistung und Fragebogen Partituren, Interpretation der beobachteten Ergebnisse zu informieren.

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Representative Results

Verhaltens Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Stroop-Aufgabe erfolgreich Antwort Störungen manipuliert, weil die Genauigkeit die niedrigste war und die Reaktionszeiten die längste unpassend Studien (Abbildung 6). Alkoholvergiftung Genauigkeit gesenkt, aber hatte keinen Einfluss auf die Reaktionszeiten18.

Die räumlich-zeitliche Abfolge von Aktivitäten in Theta-Frequenzbereich mit dem aMEG Ansatz offenbart ist insgesamt in Übereinstimmung mit allgemein anerkannten Modelle der kognitiven Funktionen bei dieser Art von Aufgabe. Wie in den Gehirn-Filmen (Movie 2) dargestellt, ist die Sehrinde aktiviert bei rund 100 ms nach Reiz auftreten, gefolgt von einer Posterior-anterior Aktivierungsmuster, die in erster Linie frontalen Cortex während kognitive Integration Bühnen engagiert sich nach ~ 300 Ms. der ACC ist besonders empfindlich auf unpassend (INC), Konflikt hoch-Konflikt Studien, zeigt ihr Engagement während der Überwachung. ACC ist der wichtigste Erzeuger von Theta Schwingungen während der Sondierung kognitive Kontrolle Aufgaben der LatPFC ist aber auch aktiv während der Integrationsphase bei rund 350-600 ms Aktivierung des motorischen Kortex ist nach ~ 600 ms sichtbar während der Reaktion-Vorbereitung Bühne (Film 2 b). Veranstaltungsbezogenen Theta Kraft ist am größten auf INC Prüfungen, die im Einklang mit seiner Sensibilität für Konflikt-Anforderungen (Abbildung 5), vor allem im präfrontalen Kortex13,17,19,20. Theta-Power wird von akuter Alkoholvergiftung insgesamt verringert. Verringert sich jedoch im Vergleich zu geschmackssicheren (CONG) Versuche Alkohol Theta schalten INC (hohe Konflikt) Studien selektiv in der ACC und LatPFC18.

Die vorliegende Studie erstreckt sich die Ergebnisse von Kovacevic Et Al.18 durch die Fokussierung auf dynamische Interaktionen zwischen diesen Bereichen bei der Verarbeitung der Stroop-Interferenz angesichts einer vorherrschenden Konto der kognitiven Kontrolle Netzwerk7, 8. um, Ausmaß, Art und des Zeitpunkts der Wechselwirkungen zwischen diesen beiden vor allem engagierten kortikalen Bereichen besser zu verstehen, wurden die PLVs berechnet, für jedes Getränk und Aufgabe Zustand und für jeden Teilnehmer. Wie in einer Gruppendurchschnitt in Abbildung 7gezeigt, variieren Co Oszillationen zwischen ACC und LatPFC über die Zeit mit einem insgesamt frühen Anstieg Co Schwingungen während eines Anregung Verarbeitung. Unter Placebo das eine nachhaltige Steigerung nach ~ 400 ms auf unpassende Versuche während der Vorbereitungsphase Integration und Reaktion folgt. So synchronisierte Co Schwingungen zwischen dem medialen und lateralen präfrontalen Cortex beobachtet werden, nur auf die immer schwierigeren, INC Prüfungen evozieren Antwort Konflikt F(1,19) = 5,5, p < 0,05. Diese Beweise unterstützt den Vorschlag, dass die ACC und die LatPFC funktionell in Echtzeit auf kognitive Kontrolle dienstbar zu interagieren. Im Gegensatz dazu akuter Alkoholvergiftung deutlich Dysregulates Co Schwingungen, wodurch eine Bedingung x Getränk Interaktion, F(1,19) = 5.1, p < 0,05, in denen unpassende Studien speziell durch Alkohol F betroffen waren (1,19) = 8,8, p < 0,01 (Abbildung 7). Dies kann Alkohol-induzierte Beeinträchtigungen der inhibitorischen Kontrolle unterliegen und zeigt die Anfälligkeit der Top-Down-regulative Funktionen des präfrontalen Kortex für akute Intoxikation.

Figure 1
Abbildung 1 : Stroop Aufgabe verbindet Farbe benennen und lesen. Testversion Beispiele für jede der drei Bedingungen zusammen mit der richtigen Antwort Farbe werden vorgestellt. In der geschmackssicheren Zustand (CONG) entspricht Schriftfarbe der Wortbedeutung, während unpassend Studien (INC) Wanderwege Antwort Konflikt aufgrund von Störungen von Wortbedeutung entlocken. Teilnehmer sind angewiesen, drücken eine Taste, die Schriftfarbe entspricht, wenn Wörter in Farbe (CONG, INC) geschrieben werden und reagieren auf die Wortbedeutung (lesen), wenn sie in grau geschrieben werden. Studien für 300 ms vorgestellt und dann durch eine Fixierung-Bildschirm ersetzt, für 1700 Frau Trial Typen in einer randomisierten Reihenfolge präsentiert werden. In dieser bestimmten Version die CONG und INC Bedingungen waren gleichverteilt und präsentierten sich auf 16,7 % Studien aus insgesamt 576 Studien. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 2
Abbildung 2 : Co-Registrierung von MEG und Mr. Digitalisierten Punkte durch den Kopf während der Aufnahme MEG gesammelt werden für Co-Registrierung mit anatomischen MRT-Aufnahmen verwendet. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 3
Abbildung 3 : Morlet Wavelet. Morlet Wavelet werden verwendet, um komplexe Leistungsspektrum für jeden Versuch in Schritten von 1 Hz-Frequenz für die Theta-Band-Frequenz (4-7 Hz) zu berechnen. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 4
Abbildung 4 : Kortikale Wiederaufbau und Inflation. Kortikale Einzelflächen werden rekonstruiert und werden verwendet, um geschätzte Quelle macht zu beschränken. Hier wird eine durchschnittliche kortikale Oberfläche, die aufgeblasen wird, um die Sichtbarkeit der Quellen auf kortikale Furchen geschätzt. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 5
Abbildung 5 : Gruppe-Durchschnitt Zeit Kurse der veranstaltungsbezogenen Theta Quelle macht Schätzungen in ausgewählten Regionen von Interesse. Unpassend (INC) Reize hervorgerufen erhöhte veranstaltungsbezogenen Theta Energie im Vergleich zu geschmackssicheren (CONG) Reize in der anterioren cingulären Cortex (ACC; F (1,19) = 34.1, p < 0,0001) sowie den lateralen präfrontalen Cortex (LatPFC; F (1,19) = 11,0, p < 0,01), während 480-670 Ms. Konflikt Verarbeitung reagiert besonders empfindlich auf Alkoholvergiftung als Theta-Power, INC durch Alkoholvergiftung gemildert wurde (F(1,19) = 9,9, p < 0,01). Die y-Achse zeigt Grundlinie korrigiert Lärm normalisiert veranstaltungsbezogenen Theta-Stromversorgung. Diese Zahl wurde von Kovacevic Et Al.18geändert. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 6
Abbildung 6 : Behavioral Ergebnisse auf der Stroop-Aufgabe. Stroop-Interferenz spiegelte sich in verringerten Genauigkeit und längeren Antwortzeiten zu unpassend (INC) Studien. Alkoholvergiftung (Alc) beeinträchtigt die Genauigkeit im Vergleich zu Placebo (Plac) aber hatte keinen Einfluss auf die Reaktionszeiten. Fehlerbalken bedeuten Standardfehler des Mittelwerts. Diese Zahl wurde von Kovacevic Et Al. modifiziert 18. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 7
Abbildung 7 : Gruppe-Durchschnitt Zeit Kurse von Phase-Verriegelung Werten (PLVs) im Theta-Band. Co-Oscillatory Synchronität zwischen den anterioren cingulären Cortex (ACC) und lateralen präfrontalen Cortex (LatPFC) im Theta-Band, ausgedrückt in Prozent vom Ausgangswert für Placebo (links) und Alkohol (rechts) Bedingungen ändern. Nach einem frühen Anstieg PLVs während ein Anreiz, die Verarbeitung (400-600 ms), eine nachhaltige Steigerung Co Schwingungen wird auf unpassend (INC) Wanderwege in Reaktion auf erhöhte kognitive Kontrolle im Vergleich zu geschmackssicheren (CONG) Wanderwege unter Placebo beobachtet, F (1,19) = 5,5, p < 0,05. Akuter Alkoholvergiftung selektiv Dysregulated Co Schwingungen auf INC Prüfungen, F(1,19) = 8,8, p < 0,01. Aktivierung der Karten (kleines Foto) zeigen die Inkongruenz Wirkung (INC-CONG), die prominent in der ACC und LatPFC. Die Farbskala bezeichnet Grundlinie korrigiert Quelle macht Schätzungen bei 480 ms nach Reiz auftreten, mit rot (Aktivität > 0,2), gelb (Aktivität > 0,3) stärker Theta Power, INC Studien im Vergleich zu CONG Studien angibt. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Movie 1
Film 1: Co Schwingungen. Phase-Verriegelung Werte wurden in den Theta-Frequenzbereich (4-7 Hz) zwischen der anterioren cingulären Cortex (ACC) und lateralen präfrontalen Cortex (LatPFC) als Maß für die Synchronisation, die empfindlich auf die Konsistenz der Phasendifferenz zwischen berechnet. Diese zwei ROIs unabhängig von ihrer Theta-Power-Amplitude. Bitte klicken Sie hier, um diesen Film herunterladen.

Movie 2
Movie 2: Brain Filme. Quelle-Modellierung des MEG Signals verbunden mit strukturellen MRT ermöglicht die Schätzung der wichtigsten kortikalen Bereiche erzeugen Theta-Energie und der zeitlichen Abfolge von deren Aktivierung als Reaktion auf die Stroop-Interferenz verteilt. (A) nach frühen sensorischen Verarbeitung der anteriore cingulären Cortex (ACC) ist selektiv aktiviert, durch unpassend, hoch-Konflikt Studien nach ~ 350 Ms. (B) während der ACC der wichtigsten Erzeuger von Theta-Schwingungen während Aufgaben sondieren kognitive Kontrolle, die lateralen präfrontalen Cortex (LatPFC) engagiert sich auch während der Integrationsphase rund 350-600 ms Aktivierung des motorischen Kortex ist in Vorbereitung der Reaktion nach ~ 600 ms beobachtet. Die Farbskala bezeichnet differenzielle Basis-korrigierten Quelle macht Schätzungen, mit roter Farbe angibt Aktivierung größer als 0,79 medial (0,57 seitlich) und gelb bedeutet Aktivierung größer als 0,9 medial (0,8 seitlich). Bitte beachten Sie, dass diese beiden Filme zusammen mit der sich entfaltenden Zeit Kurse im Zusammenhang mit dem ACC und LatPFC, bzw. angezeigt werden sollen. Bitte klicken Sie hier, um diese Filme downloaden.

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Discussion

Die multimodale bildgebendes Verfahren, die in dieser Studie verwendeten umfasst verteilten Quelle Modellierung des zeitlich präzise MEG Signals sowie räumliche Einschränkungen der inverse Schätzungen jedes Teilnehmers strukturellen MRT abgeleitet. AMEG Ansatz vereint die Stärken dieser Techniken, Einblicke in die räumlich-zeitliche Phasen der oszillierenden Dynamik und die langfristige Integration Gesichtskreises kognitive Kontrolle bieten. Diese Methode liefert höhere zeitliche Genauigkeit als andere bildgebende Verfahren wie fMRT-Fette deren zeitliche Auflösung ist auf das Ausmaß der Sekunden wegen seiner indirekten Empfindlichkeit auf neuronale Veränderungen über neurovaskuläre Kopplung9. Im Vergleich dazu kann die Millisekunde Genauigkeit der MEG-Signal zur Erforschung der neuronalen Bearbeitungsschritten, wie die vorliegende Studie zeigt. Die aMEG-Modell geht davon aus verteilten Quellen des MEG Signals entlang der kortikalen Oberfläche, die bei der strukturellen MRT-Aufnahmen rekonstruiert, bietet räumliche Einschränkungen für Aktivität45,53schätzt. Diese räumliche Schätzungen können verwendet werden, zu untersuchen, nicht nur lokale Aktivierung, sondern langfristige Kommunikation auf ein interaktives Netzwerk-Ebene in Form von Phase-Verriegelung16,20. Darüber hinaus eignet sich die aMEG Ansatz zur Untersuchung der Auswirkungen der pharmakologischen Manipulation auf neuronale Funktionen, angesichts der Tatsache, dass die fMRT-Fett-Signal durch die vasoaktive Effekte der pharmakologische Manipulationen wie Alkohol verwechselt wird und darf nicht widerspiegeln Sie genau das Ausmaß der neuronalen Veränderungen10.

Die hohe Empfindlichkeit dieser Methode auf Minute neuronale ändert bedeutet, dass es auch nicht-neuronale lärmempfindlichen einschließlich Muskelbewegungen oder Auge blinkt, müssen die verschiedenen Artefakte werden erkannt und das Rohsignal sorgfältig entfernt. Darüber hinaus kann Kopfposition erhebliche Auswirkungen auf Aktivität Schätzungen aufgrund der Empfindlichkeit des Sensors zu Magnetfeld Gradienten39haben. Da die Annahmen des Modells aMEG, sind Quelle Schätzungen zur kortikalen Oberfläche45,46, beschränkt, so dass die Aktivität ausgelöst von subkortikalen Strukturen nicht abgeschätzt werden kann.

Anhand der bisher veröffentlichten Ergebnisse18, hat die vorliegende Studie Änderungen an der veranstaltungsbezogenen Theta (4-7 Hz) macht während Stroop-induzierte Konflikt als Funktion von akuter Alkoholvergiftung in gesunde soziale Trinker illustriert. Wie in Abbildung 5gezeigt, ist Theta macht differentiell empfindlich auf kognitive Anforderungen durch die Stroop-Aufgabe-Bedingungen. Inkongruenz ist besonders effektiv bei der Einbeziehung von kognitive Kontrolle in Theta leistungsstärker im präfrontalen Kortex im Vergleich zum Ausgangswert prestimulus widerspiegelt. Der Prinzipal geschätzt, Generator von Theta Schwingungen der ACC ist, die empfindlich auf Antwort Konflikte während der frühen und späten Phasen18Verarbeitung. Diese Ergebnisse unterstützen die Rolle des ACC bei der Überwachung für den Konflikt in Übereinstimmung mit prominenten Konten7,8. So hat die aMEG-Methode einen zeitlich-Sensitive Einblick in das nachhaltige Engagement des ACC während der Studien, die imposante höhere Last auf kognitive Kontrolle zur Verfügung gestellt. Zusammen mit umfangreichen anatomischen Verbindungen zwischen ACC und verteilte Gehirn Regionen5,6bestätigt diese Beweise ihre vielfältige Rolle bei der Selbstregulierung. Auf dieser Ansicht ist der ACC ein wichtiger Knotenpunkt des Neurofunctional Systems, die kognitive Kontrolle zu subserves, indem Sie Ziele und Absichten mit kontextuellen und motivierende Randbedingungen54,55. Inferolateralen präfrontaler Kortex, vor allem auf der rechten Seite ist ein weiterer wichtiger Bereich innerhalb dieses Systems die Hemmung der dominant Antworten, Aufmerksamkeitskontrolle und Arbeitsspeicher in den Dienst der Aufgabe Darstellungen Aktualisierung zugeordnet wurde 56 , 57 , 58.

Es wurde festgestellt, dass Theta-Schwingungen notwendig für kognitive und affektive Verarbeitung13,16,59,60neuronale Integration vermitteln. Neuronale Kommunikation kann somit auf synchronisierte Erregbarkeit des fernen neuronaler Ensembles im Theta-Band mit verschachtelten schnellen Rhythmen, die Vermittlung von lokalen Verarbeitung61,62verlassen. PLVs Phase Konsistenz zwischen kortikalen Bereiche reflektieren und sind häufig verwendet, um ihre oszillierenden Synchronität zu schätzen, da davon ausgegangen wird, dass zwei Bereiche interagieren, wenn sie63Co schwingen. In der Tat, sind vorübergehende Erhöhungen der PLV in diesen Intervallen der neuronalen Aktivität beobachtet, die erwartet werden, um synchrone Interaktionen12,20erfordern würde. Die vorliegende Studie bestätigt frühere Beweise und räumlich-zeitliche Raffinesse verleiht die funktionale Synchronisation zwischen den Quellen geschätzt, die ACC und die LatPFC. In Übereinstimmung mit früheren Berichte64, die vorliegenden Ergebnisse zeigen, dass PLVs sind erhöht und nachhaltig auf unpassende Studien in der Stroop-Aufgabe. Durch Quantifizierung der Phase Synchronisation zwischen diesen beiden Bereichen mit hoher zeitlicher Präzision, diese Ergebnisse des Konflikts Überwachung Konto zu verlängern und darauf hinweisen, dass ihre Interaktion nach ~ 350 ms auf unpassende Studien besonders hervorsticht. Während dieser Phase kognitive Integration dürften die medialen und lateralen präfrontalen Cortex interagieren, um Verhaltensstörungen Leistung während schwieriger Aufgabenbedingungen Anforderungen auf Aufmerksamkeit, Reaktion Hemmung und Arbeitsgedächtnis zu unterstützen. Umfangreiche deutet von fMRT-basierte funktionelle Verknüpfung Studien darauf hin, dass diese kortikalen Bereiche eine dynamische, interaktive Cingulo Kiemendeckel Netzwerk bilden, das Top-Down-kognitive Kontrolle65,66, unterstützt 67. im weiteren Sinne das Gehirn optimiert Beantwortung von Umweltanforderungen in einer adaptiven und kohärente Weise über flexible und dynamische Synchronisation von verteilten Neurofunctional Systems68,69.

Die anatomisch eingeschränkt MEG Ansatz verwendet in der vorliegenden Studie beruht auf einer Kombination von ergänzenden bildgebenden Verfahren. Es kann zu charakterisieren die räumlich-zeitliche Abfolge der neuronalen Aktivität und bieten Einblick in die Dynamik der langreichweitige Wechselwirkungen wichtig für die Integration von Top-Down-Einflüsse während Engagement der kognitiven Kontrolle. Die MEG-Signal widerspiegelt synaptische Ströme direkt, die erlaubt die Prüfung von Hypothesen über co-oscillatory Wechselwirkungen innerhalb und zwischen den Neurofunctional Systeme mit hoher zeitlicher Präzision. Darüber hinaus ist diese Methode geeignet für pharmakologische Manipulationen weil es nicht anfällig für vasoaktive verwirrt. Forschung aus diesem Labor und andere zeigt, dass prefrontally-vermittelten kognitiven Funktionen besonders anfällig für Alkohol Vergiftung17,18,19,20,23 sind ,24,70,71,72,73,74. Die vorliegende Studie zeigt, dass akuter Alkoholvergiftung Aktivität im präfrontalen Bereich Gesichtskreises Antwort Konflikt abnimmt. Darüber hinaus stört Alkohol synchronisierte Co Schwingungen20,75 , die Unterdrückung beeinträchtigt oder maladaptive Reaktion zugrunde liegen können. Infolgedessen, berauscht Einzelpersonen Ausstellung mangelhafte Selbstkontrolle führt zu Enthemmung beitragen können für zwanghafte trinken und die Entwicklung von Alkohol Abhängigkeit25,26,76. In Summe, Schätzungen der synchronen Co Schwingungen können Echtzeit-Interaktionen der neuronalen Systeme durch besonders gefragt sind kognitive engagiert zu beleuchten und ein realistische Gehirn basierendes Modell informieren. Sie können charakterisieren die selektive Empfindlichkeit gegenüber Alkohol Herausforderung netzübergreifend und dienen als Biomarker für individuelle Anfälligkeit für pharmakologische Wirkungen.

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Disclosures

Die Autoren haben nichts preisgeben.

Acknowledgments

Diese Arbeit wurde durch die National Institutes of Health (R01-AA016624) unterstützt. Wir sind dankbar für ihre wichtigen Beiträge Dr. Sanja Kovacevic.

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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