삼차 자극에 의해 유도 된 로커스 Coeruleus 중재 각성에서 동공 연결 변경 평가

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Neuroscience

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Summary

인지 성능에 대한 삼차 적 영향이 궤적 coeruleus 활동을 포함 여부를 확인하기 위해, 두 프로토콜은 츄잉에 의해 유도 된 성능과 작업 관련 동공 크기 변화 사이의 가능한 상관 관계를 평가하는 것을 목표로 제시된다. 이 프로토콜은 궤적 coeruleus 기여가 의심되는 조건에 적용될 수 있습니다.

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Fantozzi, M. P. T., Banfi, T., De Cicco, V., Barresi, M., Cataldo, E., De Cicco, D., Bruschini, L., d'Ascanio, P., Ciuti, G., Faraguna, U., Manzoni, D. Assessing Pupil-linked Changes in Locus Coeruleus-mediated Arousal Elicited by Trigeminal Stimulation. J. Vis. Exp. (153), e59970, doi:10.3791/59970 (2019).

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Abstract

현재 과학 문헌은 츄잉과 관련된 삼차 감각 운동 활동이 각성, 주의 및 인지 성능에 영향을 미칠 수 있다는 증거를 제공합니다. 이러한 효과는 궤적 코에룰러스(LC)의 노르아드레날린 뉴런이 속하는 오름차순 망상 활성화 시스템(ARAS)에 삼차 시스템의 광범위한 연결 때문일 수 있다. LC 뉴런은 전체 뇌에 대한 돌기를 포함하고 있으며, 그들의 방전은 동공 크기에 따라 동공이 다릅니다. LC 활성화는 작업 관련 mydriasis를 유도하는 데 필요합니다. 인지 성능에 대한 츄잉 효과가 LC에 의해 매개되는 경우, 인지 성능의 변화가 작업 관련 근선증의 변화와 상관관계가 있다고 기대하는 것이 합리적입니다. 이 가설을 확인하고 특정 모터 활성화로 인한 것이 아니라는 두 가지 새로운 프로토콜이 여기에 제시되어 있습니다. 두 프로토콜 에서, 특정 작업 중 관찰 성능 및 동공 크기 변화는 전, 곧 후, 그리고 중 의 2 분 기간 다음 반 시간 기록: a) 활동 없음, b) 리듬, 양측 핸드 그립, c) 부드러운 펠릿의 양측 츄잉, 및 d) 하드 펠릿의 양측 체어링. 첫 번째 프로토콜은 숫자 행렬 내에 표시되는 대상 번호를 찾아내면 성능 수준을 측정합니다. 동공 크기 기록은 일정한 조명 수준을 보장하기 위해 시력을 방해하는 적절한 동공계에 의해 기록되기 때문에, 작업 관련 mydriasis는 햅틱 작업 중에 평가됩니다. 이 프로토콜의 결과는 1) 성능 및 작업 관련 mydriasis에 있는 츄잉 유도한 변경이 상관되고 2) 성과도 mydriasis도 손잡이에 의해 강화된다는 것을 보여줍니다. 두 번째 프로토콜에서 웨어러블 동공계를 사용하면 동일한 작업 중에 동공 크기 변화와 성능을 측정할 수 있으므로 인지 활동에 대한 삼차 효과에 대한 LC 참여에 관한 더 강력한 증거를 얻을 수 있습니다. 두 프로토콜은 피사 대학에서 ARAS의 발견자 인 주세페 모루지 교수의 역사적인 사무실에서 실행되었습니다.

Introduction

인간에서는, 그것은 인지 처리를 빠르게 하는 것으로 알려져 있다1,2 각성3,4,주의5,학습, 그리고 메모리6,7. 이러한 효과는 피질 이벤트 관련 전위8의 대기 시간 단축 및 여러 피질 및 피질 및 피질 구조의 관류 증가2,9와관련이 있다.

두개골 신경 내에서, 피질 비동기화 및 각성을 유지하는 가장 관련성이 높은 정보는 삼차섬유(10)에의해 수행되며, 이는 오름차순 망상 활성화 시스템(ARAS)에 대한 강한 삼차 연결로 인한 것 일 가능성이높다. ARAS 구조 중에서, 궤적 코에룰루스(LC)는 삼차입력(11)을 수신하고 각성12,13,동공 크기14,15,16,17,18을가진 활성 코소를 변조한다. LC 휴식 활동과 인지 성능 사이의 관계는 복잡하지만, LC 활동의 작업 관련 향상은 각성 관련19 동공 mydriasis에 이르게20 향상된 인지 성능21. LC 활동과 동공 크기 사이에 신뢰할 수있는 동시 변이가 있으며, 후자는 현재 중앙 노르 아드레날린 활동22,23,24,25,26의프록시로 간주됩니다.

감각운동 삼차가지의 비대칭 활성화는 동공 비대칭(anisocoria)27,28을유도하여 삼차-코룰러 연결의 강도를 확인한다. LC인지 성능에 대한 츄잉의 자극 효과에 참여하는 경우, 그것은 병렬 작업 관련 mydriasis에 영향을 미칠 수 있습니다, 이는 작업 중 LC 의 단계적 활성화의 지표입니다. 그것은 또한 성능에 영향을 미칠 수 있습니다., 그래서 성능에 츄잉 유발 된 변화 와 mydriasis 사이 상관 관계를 기대할 수 있습니다. 더욱이, 삼차 효과 특정 하는 경우, 츄잉 효과 다른 리듬 모터 작업에 의해 유도 보다 더 큰 해야. 이러한 가설을 테스트하기 위해, 두 개의 실험 프로토콜이 제시된다. 그들은 인지 성능과 동공 크기의 결합 된 측정을 기반으로, 츄잉 활동의 짧은 기간 전후 수행. 이러한 프로토콜은 숫자 세심한 행렬29에표시되는 대상 번호를 비대상 번호와 함께 찾는 것으로 구성된 테스트를 활용합니다. 이 테스트는 세심하고 인지 성능을 확인합니다.

이 프로토콜의 전반적인 목표는 삼차 자극이 인지 성능의 특정 변화를 유도한다는 것을 설명하는 것입니다, 이는 모터 명령의 생성에 구체적으로 분류 할 수 없으며 LC 중재의 동공 연결 변화와 관련이있습니다 흥분. 프로토콜의 응용 프로그램은 성능을 측정할 수 있고 LC의 개입이 의심되는 모든 행동 조건으로 확장됩니다.

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Protocol

모든 단계는 피사 대학의 윤리위원회의 지침을 따릅니다.

1. 참가자 모집

  1. 연구의 특정 목표에 따라 대상 인구를 모집 (즉, 정상 과목 및 / 또는 환자, 남성 및 / 또는 여성, 젊은 사람 및 / 또는 장로).

2. 재료 준비

  1. 부드러운 펠릿을 준비; 상업적으로 이용 가능한 츄잉 껌(재료 표; 초기 경도 = 20 쇼어 OO)를 사용합니다.
  2. 단단한 펠릿을 준비; 실리콘 고무 펠릿(재료의 표; 일정한 경도 = 60 쇼어 OO)30.
  3. 핸드그립 작업을 위해 응력 방지 볼을 준비합니다. 폴리우레탄 폼 제 공(재료 표;일정한 경도 = 30 Shore OO)30을사용한다.
  4. 햅틱 작업을 수행하기 위한 탕그람퍼즐(재료 표;조각 수 = 7개)을 준비합니다.

3. 실험의 순서도

  1. 프로토콜 1의 순서도
    1. 인지(행렬) 시험(T0, 대조군)에서 기준선 성능(섹션 4.1 참조)을 평가한다.
    2. 미취전 상태(섹션 4.2 참조)를 평가합니다(피험자로부터 요청된 활동 없음) (T0, 대조군).
    3. 탕그람(T0, 제어)을 기반으로 햅틱 작업 중에 동공 크기를 평가합니다.
      1. 퍼즐에서 조각 중 하나를 제거하고 피사체의 손에 놓습니다.
      2. 퍼즐을 보고하지 않고, 퍼즐에 다시 조각을 넣어 피사체를 부탁드립니다.
    4. 3.1.4.1-3.1.4.4 단계에 따라 각 과목에 2분 동안 3개의 특정 활동을 수행하거나 2분 동안 쉬도록 요청한다. 주제에게 다른 날(세션 간 2-3일)에 발생하는 별도의 세션에서 이러한 활동을 수행하도록 요청한다.
      1. 피험자가 2 분 동안 자체 투여 된 부드러운 펠릿을 츄우도록 요청하여 자발적으로 츄잉 속도와 입의 측면을 모두 선택하게하십시오. 1 분 동안 체어 한 후, 그 / 그녀에게 체킹 면 (및 펠릿)을 변경하도록 요청하십시오.
      2. 2 분 동안 자체 투여 하드 펠릿을 츄어 대상에게 물어. 1 분 후, 그 / 그녀에게 체킹 면을 변경하도록 요청하십시오 (펠릿은 아님).
      3. 피사체에 2 분 동안 안티 스트레스 볼 (핸드 그립 운동)을 리듬 감은 채 로 하고 선택한 손으로 수행하도록 요청하십시오. 1 분 후, 손을 전환 하는 피사체에 게 물어.
      4. 피사체에 2 분 동안 휴식 (활동 없음)을 요청하십시오.
    5. 각 단계(3.1.4.1-3.1.4.4)가 끝난 직후, 휴지 작업 및 햅틱 작업(T7) 동안 행렬 테스트 및 동공 크기의 성능을 평가합니다.
      참고: 용어 "휴식"은 동공 크기 측정 동안 피사체가 편안하다는 것을 의미합니다. 용어 "햅틱 작업 중"은 동공 크기 측정 동안 피사체가 탕람에 기초하여 작업을 수행한다는 것을 의미한다.
    6. 각 단계(3.1.4.1-3.1.4.4)가 끝난 후 30분 후, 휴식 시간 및 햅틱 작업(T37) 동안 성능과 동공 크기를 평가합니다.
  2. 프로토콜 2의 순서도
    1. 피사체가 쉬는 동안 동공 크기를 평가합니다(T0, 제어; 섹션 4.3 참조).
    2. 동공 크기(T0, 제어)를 동시에 테스트하면서 인지(행렬) 테스트에서 기준선 성능을 평가합니다.
    3. 3.2.3.1-3.3.4 단계에 따라 각 과목에 2분 동안 3개의 특정 활동을 수행하거나 2분 동안 쉬도록 요청한다. 주제에게 다른 날(세션 간 2-3일)에 발생하는 별도의 세션에서 이러한 활동을 수행하도록 요청한다.
      1. 피험자가 2 분 동안 자체 투여 된 부드러운 펠릿을 츄우도록 요청하여 자발적으로 츄잉 속도와 입의 측면을 모두 선택하게하십시오. 1 분 동안 체어 한 후, 그 / 그녀에게 체킹 면 (및 펠릿)을 변경하도록 요청하십시오.
      2. 2 분 동안 자체 투여 하드 펠릿을 츄어 대상에게 물어. 1 분 후, 그 / 그녀에게 체킹 면을 변경하도록 요청하십시오 (펠릿은 아님).
      3. 피사체에 2 분 동안 안티 스트레스 볼 (핸드 그립 운동)을 리듬 감은 채 로 하고 선택한 쪽으로 가보라고 합니다. 1 분 후, 손을 전환 하는 피사체에 게 물어.
      4. 피사체에 2 분 동안 휴식을 취하도록 요청하십시오 (활동 없음).
    4. 각 단계(단계 3.2.3.1-3.2.3.4 단계)가 끝난 직후, 휴지 시 동공 크기와 행렬 검정(T7)에서 성능과 동공 크기를 모두 평가합니다.
    5. 각 단계의 끝(단계 3.2.3.1-3.2.3.4)의 끝에 30분, 휴게시 동공 크기와 행렬 시험(T37)에서 의 성능 및 동공 크기를 모두 평가합니다.

4. 프로토콜 1 및 2에서 측정된 변수

  1. 인지 성능
    참고: 두 프로토콜 1과 2에서, 스피너-토그노니 숫자 행렬 테스트29의수정된 버전을 기반으로 한 시험을 사용하여 인지 성능을 측정한다.
    1. 종이에 인쇄된 세 개의 숫자 행렬(10 x 10)을 피사체에 표시합니다. 이어서, 각 매트릭스 위에 표시된 대상 번호(총 300개 중 60개 대상)를 가능한 한 많은 대상 숫자로 똑치면서 매트릭스 선을 순차적으로 스캔하도록 피사체에 물어본다(도1)15s 이내.
    2. T0, T7 및 T37에서 대상 번호의 위치가 다른 행렬을 활용하여 학습 프로세스와 관련된 혼란의 도입을 방지합니다.
    3. 다음과 같이 성능 지수(PI), 스캔 률(SR) 및 오류율(ER)을 오프라인으로 평가합니다: PI = (15s에 밑줄이 그어진 대상 수)/15; SR = (대상 + 15 s에서 스캔 된 비 대상 번호)/15; ER = (누락 된 대상 번호 + 15 s에 밑줄이 그을린 비 대상 번호)/15.
  2. 프로토콜 1의 동공 크기
    1. 다음 두 가지 수집 절차 중 하나를 사용하여 환경의 시력을 방해하는 각막 침엽수 -동공 학자(재료 표)로동공 크기 측정을위한 피사체를 준비하십시오.
      1. 동공의 단일 카메라 샷을 기록(그림 2A, B)40 lux의 일정한 조명 수준으로, 각막 토포 그래퍼 - pupilraper에 특정 버튼을 누릅니다. 카메라와 동공 사이의 최적의 작동 거리를 56mm유지합니다.
        참고: 일정한 조명에서 측정된 동공 크기의 가변성이 낮기 때문에 단일 측정으로 충분합니다.
      2. 동공의 연속 레코딩을 수행합니다(샘플링 속도 = 5 Hz; 도 2C,D)에서연속 획득 양상. 처음 20-50 측정 (4-10 초)을 폐기하십시오.이 시간 경과 동안 동공 직경이 증가하기 때문에 (수집은 40 lux에서 동공 조명을 끄고 시작). 나머지 측정값을 평균합니다.
    2. 왼쪽 눈과 오른쪽 눈의 눈 동공 크기를 휴식 시간에 별도로 기록합니다(단계 3.1.2, 3.1.5 및 3.1.6).
    3. 햅틱 작업 중 동공 크기를 기록합니다(단계 3.1.3, 3.1.5 및 3.1.6; 왼쪽및 오른쪽 별도). 단일 샷 양식(4.2.1.1 단계)을 사용하는 경우 퍼즐 표면 탐색을 시작할 때 두 번째 작업 반복 중에 사진을 획득합니다. 연속 적인 기록 모드(단계 4.2.1.2)에서, 퍼즐의 조각이 피사체의 손에 놓였을 때 수집을 시작한다.
    4. 소프트웨어에 의해 표시되는 값(mm)을 직접 수집하여 휴식 중 및 햅틱 작업 중에 오프라인 왼쪽 및 오른쪽 동공 크기를 평가합니다. 햅틱 작업 중에 나머지 동공 크기를 동공 크기에서 빼서 작업 관련 근진증을 계산하고 모든 평균 왼쪽-오른쪽 값을 얻습니다.
  3. 프로토콜 2의 동공 크기
    1. 다음 절차를 사용하여 3D 프린팅 유리 프레임 구조를 부여한 웨어러블 동공계/아이 트래커(그림3A)를사용하여 눈동자 크기 측정을 위한 피사체를 준비합니다.
      1. 피사체가 착용 할 수있는 동공계를 착용하게하십시오. 프레임에서 형태소 분석되는 막대에 장착된 두 개의 적외선카메라(그림 3A-2,3)의위치를 조정하여 눈이 카메라의 시야 내에 있고 초점이 맞춰지되도록 합니다.
      2. 웨어러블 동공계와 함께 제공되는 소프트웨어에 의해 온라인으로 처리되고 "평균" 인간 안구의 기하학적 모델을 사용하여 동공 직경(mm)을 제공하는 동공의 이미지를 획득합니다( 샘플링 속도 = 120Hz). 깜박임 아티팩트를 무시합니다.
      3. 웨어러블 동공계 프레임에 장착된 교정된 로그라이트 라이트 센서를 사용하여 환경 조명 레벨을 지속적으로 기록합니다. 웨어러블 동공계(그림3A-1)에장착된 정면 RGB 카메라를 사용하여 시선 동작을 연구하는 데 유용한 피사체 시야(샘플링 속도 = 30Hz)를 기록합니다.
    2. 20초 동안 휴식을 취하한 두 학생의 크기를 동시에 기록합니다(그림3B).
    3. 피험자가 스피너-토그노니 시험을 수행하는 동안 학생의 크기를 기록하여 동공 크기와 인지 성능을 동시에 기록합니다(단계 3.2, 3.2.4 및 3.2.5).
    4. 각 동공에 대해 획득한 값(n = 2,400)을 평균화하여 휴식 시 및 Spinnler-Tognoni 시험 중에 오프라인 왼쪽 및 오른쪽 동공 크기를 평가합니다. 행렬 테스트 동안 동공 크기에서 나머지 동공 크기를 뺀 다음 모든 평균 왼쪽 -오른쪽 값을 빼서 작업 관련 mydriasis를 계산합니다.
  4. 시선 위치
    참고: 섹션 4.3에서 얻은 두 학생의 이미지를 사용하여 온라인으로 고정 지점을 재구성합니다. 획득한 프레임을 실시간으로 처리하고 아이트래커를 착용한 각 피사체에 대해 이전에 계산된 전달기능(31)을 이용하여 시선 고정 지점을 추정한다.
    1. 필요한 경우 프로토콜 2를 수행할 때 동공 이미지에서 시선 위치를 재구성합니다. 이렇게 하려면 섹션 4.1에 사용된 매트릭스 시트의 네 모서리에 4개의 컴퓨터 감지 비전 마커(기기 소프트웨어의 ArUco 또는 AprilTag 라이브러리)를 추가합니다.
    2. 보정 시스템(사용된 동공 헤드셋에 대한 아이 트래커 소프트웨어에 내장)을 허용하여 데이터를 획득하고 두 눈동자의 이미지에서 시작하여 고정 지점을 매핑하는 전달 함수의 파라미터를 평가합니다. 예를 들어, 피사체가 프레임에 장착된 추가 RGB 카메라와 시야를 향하여 동시에 기록되는 미리 정의된 시퀀스(즉, 행렬 시트의 네 모서리와 시트 자체의 중심)에 표시되는 점을 응시하도록 요청합니다.
    3. 행렬 테스트 중에 동공 크기를 기록합니다.
    4. 피사체의 시야의 모든 프레임에 마크로 나타나는 오프라인 시선 위치를 계산합니다. 네 개의 마커를 사용하여 프레임 전체의 행렬 위에 시선 위치를 추적합니다.

5. 통계분석

  1. 반복 측정 ANOVA 및 통계 소프트웨어 패키지를 사용하여 휴식 시 및 작업 중 동공 크기를 분석하여 4가지 조건(활동 없음, 핸드그립, 소프트 펠릿, 하드 펠릿)에서 작업 유도 된 mydriasis, PI, SR 및 ER을 3 회 (T0, T7, T37)에 대해 분석하십시오.
  2. 반복 측정 ANOVA를 사용하여 4가지 조건 하에서 기준선 값(T0)에 대한 변수의 변화를 2회(T7, T37)에 대해 분석합니다.
  3. ANOVA를 실행할 때 소프트웨어가 데이터 분포가 구형이 아님을 나타내는 경우 출력된 통계 테이블에서 온실 가이저 θ 보정에 해당하는 p 값을 취합니다.
  4. T7 및 T37의 성능 변화(PI, SR, ER)와 선형 회귀 분석을 통해 작업 관련 근선에서 관찰된 것과 상관관계를 지정합니다.

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Representative Results

도 4는 단일 피험자(46세, 여성)에 프로토콜 1을 적용했을 때 얻어진 결과의 대표적인 예를 나타낸다. PI는 하드 (T7)를 하드 (1.73 마비 / s에서 2.27 마비 / s)와 부드러운 펠릿 (1.67 마비 / s에서 1.87 마비 / s)을 모두 한 후 곧 증가했습니다(그림 4A). 그러나, 30분 후(T37) 증가된 성능은 단단한 펠릿에 대해서만 지속되었다. 다른 한편으로는, 활동의 부족과 손잡이 운동은 모두 성능에 부정적인 영향을 미쳤다, 이는 에서 떨어졌다 1.73 마비 / s에 1.67 마비 / s와 에서 1.6 마비 / s에 1.53 마비 / s, 관찰 회복하는 경향 30 분 후, 마지막 실험 평가 동안.

도 4B에서관찰된 바와 같이, 작업 관련 근선증에 대해 질적으로 유사한 변화가 관찰되었다. 이 경우, 측정은 피험체가 쉬고 있을 때 무작위로 채취한 개별 샘플로 구성되었습니다. 햅틱 작업 중에 두 개의 샘플을 기록했지만 첫 번째 샘플은 폐기되었습니다. 또는, 기기의 연속 수집 모드에서, 100개의 샘플을 20초에 기록하였고, 처음 20-50개의 측정은 무시되었고, 나머지는 깜박임 아티팩트의 제거 후 평균화되었다(그림2C,D). 개별 샘플은 눈 조명의 전환 후 동공 크기가 매우 안정적인 수준 4-10s에 도달한다는 사실로 인해 평균 값을 밀접하게 반영합니다(그림 2C,D). 도 4그림 5에 도시된 데이터는 30명의 피험자의 집단에서 복제되었으며, 츄잉-및 핸드그립유발 변화 모두 통계적으로 확인되었다. 다른 한편으로는, 과목어떤 활동에 관여하지 않았을 때, 인지 성능과 근선증에 수정이 없었다30 모두 T7과 T37에서.

1) 성능 및 근선증이 상이한 작업과 2) 도 5A,B에 도시된 12개의 실험 포인트가 4일 동안 기록되었다는 사실에도 불구하고, 성능 및 작업 관련 근진증(r=0.939, p< 0.0005, y=1.166x-0.417) 사이에 강한 상관관계가 관찰되었다는 것은 주목할 만하다. 도 5A로부터유추할 수 있는 바와 같이, 이러한 관계는 단단하고 부드러운 펠릿을 츄잉하여 유도된 변형에 기인했다. 더욱 놀랍게도 기준값에 대한 해당 변경사항을 고려할 때도 상관관계가 분명하게 드러났습니다(r = 0.924, p< 0.001, y = 1.210x + 0.101; 그림 5B).

트라몬티 판토치(Tramonti Fantozzi)30,PI 및 mydriasis의 연구에서 분석된 30명의 피험자 들 중 26개에서 크게 상관관계가 있었으며, 0.310-1.327 마비/s/mm에 이르는 해당 회귀 선의 경사면이 있었습니다. 해당 변화는 22개의 과목(경사범위: 0.390-1.408)에서 크게 상관관계가 있었다.

인지 성능에 대한 체용의 자극 효과에 LC가 관여하는 더 강력한 증거는 매트릭스 테스트의 실행 중에만 관찰된 MYDRiasis의 변화와 PI의 츄잉 유발 변화를 상관적으로 연관시킴으로써 얻을 수 있다. 이는 동공 크기가 동시에 기록되는 동안 피험자가 행렬 테스트를 수행하는 프로토콜 2의 보다 자연스러운 조건 하에서 달성될 수있다(도 6).

Figure 1
그림 1: 스피너-토그노니 수치 행렬의 예. 테스트는 각 매트릭스 위에 표시된 대상 번호를 식별하는 것으로 구성되며, 이 숫자는 피사체에 의해 선택되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 2
그림 2: 프로토콜 1의 단일 피사체로부터의 동공 크기 기록의 예. (A)휴식 시 동공 크기 기록, 단발 촬영. (B)햅틱 작업 중 동공 크기 기록, 단발 촬영. (C)20초 동안 휴식 시 동공 크기의 연속기록(D)20초 동안 햅틱 작업 중 동공 크기를 연속 기록합니다. (C) 및 (D)에서는 시간 0에서 4s까지 가져온 데이터는 분석에서 삭제됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 3
그림 3: 프로토콜 2에서 동공 크기 기록의 예. (A)동공을 착용한 피사체의 사진. 숫자 1-3은 동작(1) 및 동공 크기(2-3) 녹화를 허용하는 세 대의 카메라의 위치를 나타냅니다. (B)상단 추적 : 환경 번개 수준. 중간 및 하단 흔적: Spinnler-Tognoni 행렬 테스트 의 성능 동안 왼쪽 및 오른쪽 동공 크기. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 4
도 4: 프로토콜 1에서 상이한 감각 운동 활동에 의해 유도된 성능 및 작업 관련 근선증의 변화. (A)PI가 변경됩니다. (B)작업 관련 근선증의 변화. (A) 및 (B)에서 점, 검정 사각형, 원 및 흰색 사각형은 하드 펠릿을, 소프트 펠릿을 츄잉, 핸드 그립 및 활동이 없는 것에 대한 데이터를 각각 나타냅니다. 각 활동은 시간 5 분에서 7 분까지 2 분 동안 수행되었습니다.

Figure 5
그림 5: PI와 작업 관련 근선 증 사이의 관계. (a) 도 4에 도시된 상이한 활동 동안 상이한 시간에 얻어진 PI 값은 작업 관련 근동증의 상응하는 값의 함수로서 플롯된다. (b)T0에 대하여 PI의 변화(차이로 평가)는 태스크 관련 근동증에서 대응하는 변화의 함수로서 플롯되었다. (A) 및 (B)에서 점, 검정 사각형, 원 및 흰색 사각형은 하드 펠릿을, 소프트 펠릿을 츄잉, 핸드 그립 및 활동이 없는 것에 대한 데이터를 각각 나타냅니다. 파선은 모든 데이터 점의 회귀 선입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 6
그림 6: 성능 및 작업 관련 mydriasis의 동시 기록. 동공계 프레임에 장착된 카메라에서 가져온 세심한 행렬 테스트를 수행하는 피사체의 단일 프레임 보기입니다. 오른쪽 상단 모서리에 있는 인세트는 두 학생의 동시 이미지를 보여줍니다. 녹색 원은 고정점을 나타냅니다. 눈의 비디오에서 작동하는 추적 시스템에 의해 평가된 바와 같이 동공에 익사하는 빨간 반점과 원은 동공 센터와 윤곽입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

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Discussion

이 연구에서 제시된 프로토콜은 인지 성능에 대한 감각 운동 삼차 활동의 급성 효과와 이 과정에서 LC의 역할을 다룹니다. 이 항목은 몇 가지 관련성을 가지고, 고려 1) 노화 동안, 매 스틱 활동의 악화는 인지 붕괴와 상관 관계32,33,34; 구강 건강을 보존 하는 사람들은 신경 퇴행 성 현상에 덜 경향이 있다; 2) 부정교합 및 치아 추출은 해마 및 피질 수준35,36,37,38,39에서동물의 신경 퇴행성 효과를 유도한다. 3) LC는 뇌에 영양 작용을 발휘, 신경 혈관 커플링을 조절, 신경 염증과 베타 아밀로이드의 축적을 억제11,40; 4) LC 수준11,40에서신경 퇴행성 질환이 신경 퇴행성 과정에 의해 유발될 수 있다는 증거가 있다.

프로토콜 1은 a) 작업의 연속적인 반복에 의해 유도된 학습 과정과 b) 다른 종류의 일반 운동 활동과 관련하여 츄잉의 특정 효과를 정의할 수 있게 한다. 더욱이, 그것은 성능과 mydriasis에 있는 변경 사이 상관관계의 존재/부재를 설치합니다, 후자는 작업 도중 단계적 LC 활성화의 표시기로 여겨짐으로. 이 증거는 강하게 감각 운동 삼차 활성화의 효과에 LC의 참여를 제안. 이러한 프로토콜은 성공적으로 트라몬티 판토치 외30에의해 적용되었습니다 . 결과 섹션에서 볼 수 있듯이, 그것은 또한 개별 과목의 수준에서 LC 중재 각성에 연결 된 학생 변화에 성능의 의존도의 정도를 평가 하기 위해 활용 될 수 있습니다. 이 측정을 얻는 (성능/LC 활성화) 성별에 관하여 공부될 수 있는 새롭고 중요한 신경 심리학 변수를 나타냅니다, 나이, 약 행정, 및 어떤 행동 상태든지.

프로토콜 1의 주요 한계는 동공 크기 측정이 일정한 번개로 수행되어 시력을 방해하고 매트릭스 스캐닝 중에 유도된 근막증의 평가를 배제한다는 것입니다. 이것은 다른 작업 도중 근진증의 기록을 의무화합니다. 이 문제는 광 센서가 부여된 웨어러블 동공계가 도입되는 프로토콜 2를 수행하여 해결됩니다. 이런 식으로, 같은 작업 도중 인지 성과 및 mydriasis 를 문맥상으로 기록할 수 있어, LC와 성과에 대한 감각 운동 활동의 효력에 관하여 더 강력한 증거를 제공하. 이것은 또한 행동 조건에 LC 활성화를 관련시키기 위한 연구 결과를 해결하는 것을 돕습니다. 프로토콜 2를 올바르게 적용하려면 일정한 수준의 환경 조명과 웨어러블 기기의 예비 교정을 유지하려면 주의를 기울여야 합니다.

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Disclosures

저자는 공개 할 것이 없다.

Acknowledgments

연구는 피사 대학의 보조금에 의해 지원되었다. 우리는 귀중한 기술 지원을 위해 파올로 오르시니 씨, 프란체스코 몬타나리 씨, 크리스티나 푸치 부인뿐만 아니라 I.A.C.E.R.R.L. 회사가 마리아 파올라 트라몬티 판토치 박사를 후원한 것에 대해 감사드립니다. 마지막으로, 우리는 경도 및 스프링 일정한 측정을 수행하고 경도를 준비하고 OCM 프로젝트 회사에 감사드립니다.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Anti-stress ball Artengo, Decathlon, France TB600
Chewing gum Vigorsol, Perfetti, Italy Commercially available product
Infrared Camera-Wearable pupillometer Pupil Labs, Berlin, Germany Pupil Labs headset
Pupillographer CSO, Florence, Italy MOD i02, with chin support
Silicon rubber Prochima, Italy gls50
Software for pupil detection - wearable pupillometer Pupil Labs, Berlin, Germany Pupil Labs headset
Tangram Puzzle Città del Sole srl, Milano, Italy Tangram Puzzle
Wearable pupillometer Pupil Labs, Berlin, Germany Pupil labs model Dimension of the frame: 13.5 cm x 15.5 cm

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References

  1. Hirano, Y., et al. Effects of chewing on cognitive processing speed. Brain and Cognition. 81, (3), 376-381 (2013).
  2. Hirano, Y., Onozuka, M. Chewing and cognitive function. Brain and Nerve. 66, (1), 25-32 (2014).
  3. Allen, A. P., Smith, A. P. Effects of chewing gum and time-on-task on alertness and attention. Nutritional Neuroscience. 15, (4), 176-185 (2012).
  4. Johnson, A. J., et al. The effect of chewing gum on physiological and self-rated measures of alertness and daytime sleepiness. Physiology & Behavior. 105, (3), 815-820 (2012).
  5. Tucha, O., Mecklinger, L., Maier, K., Hammerl, M., Lange, K. W. Chewing gum differentially affects aspects of attention in healthy subjects. Appetite. 42, (3), 327-329 (2004).
  6. Allen, K. L., Norman, R. G., Katz, R. V. The effect of chewing gum on learning as measured by test performance. Nutrition Bulletin. 33, (2), 102-107 (2008).
  7. Smith, A. Effects of chewing gum on mood, learning, memory and performance of an intelligence test. Nutritional Neuroscience. 12, (2), 81-88 (2009).
  8. Sakamoto, K., Nakata, H., Kakigi, R. The effect of mastication on human cognitive processing: a study using event-related potentials. Clinical Neurophysiology: Official Journal of the International Federation of Clinical Neurophysiology. 120, (1), 41-50 (2009).
  9. Hirano, Y., et al. Effects of chewing in working memory processing. Neuroscience Letters. 436, (2), 189-192 (2008).
  10. Roger, A., Rossi, G. F., Zirondoli, A. Le rôle des afferences des nerfs crâniens dans le maintien de l'etat vigile de la preparation "encephale isolé". Electroencephalography and Clinical Neurophysiology. 8, (1), 1-13 (1956).
  11. De Cicco, V., et al. Trigeminal, Visceral and Vestibular Inputs May Improve Cognitive Functions by Acting through the Locus Coeruleus and the Ascending Reticular Activating System: A New Hypothesis. Frontiers in Neuroanatomy. 11, 130 (2017).
  12. Samuels, E. R., Szabadi, E. Functional neuroanatomy of the noradrenergic locus coeruleus: its roles in the regulation of arousal and autonomic function part I: principles of functional organisation. Current Neuropharmacology. 6, (3), 235-253 (2008).
  13. Carter, M. E., et al. Tuning arousal with optogenetic modulation of locus coeruleus neurons. Nature Neuroscience. 13, (12), 1526-1533 (2010).
  14. Rajkowski, J., Kubiak, P., Aston-Jones, G. Correlations between locus coeruleus (LC) neural activity, pupil diameter and behaviour in monkey support a role of LC in attention. Society for Neuroscience Abstracts. 19, 974 (1993).
  15. Rajkowski, J., Kubiak, P., Aston-Jones, G. Locus coeruleus activity in monkey: phasic and tonic changes are associated with altered vigilance. Brain Research Bulletin. 35, (5-6), 607-616 (1994).
  16. Alnæs, D., et al. Pupil size signals mental effort deployed during multiple object tracking and predicts brain activity in the dorsal attention network and the locus coeruleus. Journal of Vision. 14, (4), (2014).
  17. Murphy, P. R., O'Connell, R. G., O'Sullivan, M., Robertson, I. H., Balsters, J. H. Pupil diameter covaries with BOLD activity in human locus coeruleus. Human Brain Mapping. 35, (8), 4140-4154 (2014).
  18. Joshi, S., Li, Y., Kalwani, R. M., Gold, J. I. Relationships between Pupil Diameter and Neuronal Activity in the Locus Coeruleus, Colliculi, and Cingulate Cortex. Neuron. 89, (1), 221-234 (2016).
  19. Bradshaw, J. Pupil size as a measure of arousal during information processing. Nature. 216, (5114), 515-516 (1967).
  20. Gabay, S., Pertzov, Y., Henik, A. Orienting of attention, pupil size, and the norepinephrine system. Attention, Perception & Psychophysics. 73, (1), 123-129 (2011).
  21. Usher, M., Cohen, J. D., Servan-Schreiber, D., Rajkowski, J., Aston-Jones, G. The role of locus coeruleus in the regulation of cognitive performance. Science (New York, NY). 283, (5401), 549-554 (1999).
  22. Laeng, B., et al. Invisible emotional expressions influence social judgments and pupillary responses of both depressed and non-depressed individuals. Frontiers in Psychology. 4, (2013).
  23. Silvetti, M., Seurinck, R., van Bochove, M. E., Verguts, T. The influence of the noradrenergic system on optimal control of neural plasticity. Frontiers in Behavioral Neuroscience. 7, 160 (2013).
  24. Hoffing, R. C., Seitz, A. R. Pupillometry as a glimpse into the neurochemical basis of human memory encoding. Journal of Cognitive Neuroscience. 27, (4), 765-774 (2015).
  25. Kihara, K., Takeuchi, T., Yoshimoto, S., Kondo, H. M., Kawahara, J. I. Pupillometric evidence for the locus coeruleus-noradrenaline system facilitating attentional processing of action-triggered visual stimuli. Frontiers in Psychology. 6, 827 (2015).
  26. Hayes, T. R., Petrov, A. A. Pupil Diameter Tracks the Exploration-Exploitation Trade-off during Analogical Reasoning and Explains Individual Differences in Fluid Intelligence. Journal of Cognitive Neuroscience. 28, (2), 308-318 (2016).
  27. De Cicco, V., Cataldo, E., Barresi, M., Parisi, V., Manzoni, D. Sensorimotor trigeminal unbalance modulates pupil size. Archives Italiennes De Biologie. 152, (1), 1-12 (2014).
  28. De Cicco, V., Barresi, M., Tramonti Fantozzi, M. P., Cataldo, E., Parisi, V., Manzoni, D. Oral Implant-Prostheses: New Teeth for a Brighter Brain. PloS One. 11, (2), e0148715 (2016).
  29. Spinnler, H., Tognoni, G. Italian standardization and classification of Neuropsychological tests. The Italian Group on the Neuropsychological Study of Aging. Italian Journal of Neurological Sciences. 8, 1 (1987).
  30. Tramonti Fantozzi, M. P., et al. Short-Term Effects of Chewing on Task Performance and Task-Induced Mydriasis: Trigeminal Influence on the Arousal Systems. Frontiers in Neuroanatomy. 11, 68 (2017).
  31. Kassner, M., Patera, W., Bulling, A. Pupil: An Open Source Platform for Pervasive Eye Tracking and Mobile Gaze-based Interaction. arXiv.org. http://arxiv.org/abs/1405.0006 (2014).
  32. Gatz, M., et al. Potentially modifiable risk factors for dementia in identical twins. Alzheimer's & Dementia: The Journal of the Alzheimer's Association. 2, (2), 110-117 (2006).
  33. Okamoto, N., et al. Relationship of tooth loss to mild memory impairment and cognitive impairment: findings from the Fujiwara-kyo study. Behavioral and Brain Functions. 6, 77 (2010).
  34. Weijenberg, R. A. F., Lobbezoo, F., Knol, D. L., Tomassen, J., Scherder, E. J. A. Increased masticatory activity and quality of life in elderly persons with dementia--a longitudinal matched cluster randomized single-blind multicenter intervention study. BMC Neurology. 13, 26 (2013).
  35. Kato, T., et al. The effect of the loss of molar teeth on spatial memory and acetylcholine release from the parietal cortex in aged rats. Behavioural Brain Research. 83, (1-2), 239-242 (1997).
  36. Onozuka, M., et al. Impairment of spatial memory and changes in astroglial responsiveness following loss of molar teeth in aged SAMP8 mice. Behavioural Brain Research. 108, (2), 145-155 (2000).
  37. Watanabe, K., et al. The molarless condition in aged SAMP8 mice attenuates hippocampal Fos induction linked to water maze performance. Behavioural Brain Research. 128, (1), 19-25 (2002).
  38. Kubo, K. Y., Iwaku, F., Watanabe, K., Fujita, M., Onozuka, M. Molarless-induced changes of spines in hippocampal region of SAMP8 mice. Brain Research. 1057, (1-2), 191-195 (2005).
  39. Oue, H., et al. Tooth loss induces memory impairment and neuronal cell loss in APP transgenic mice. Behavioural Brain Research. 252, 318-325 (2013).
  40. Mather, M., Harley, C. W. The Locus Coeruleus: Essential for Maintaining Cognitive Function and the Aging Brain. Trends in Cognitive Sciences. 20, (3), 214-226 (2016).

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