Beoordeling van Leerlinggebonden veranderingen in Locus coeruleus-gemedieerde opwinding opgewekt door trigeminus stimulatie
Summary
Om te controleren of trigeminus effecten op de cognitieve prestaties betrekken Locus coeruleus activiteit, twee protocollen worden gepresenteerd die gericht zijn op mogelijke correlatie tussen de prestaties en taak-gerelateerde pupilgrootte veranderingen geïnduceerd door kauwen evalueren. Deze protocollen kunnen worden toegepast op omstandigheden waarin de bijdrage van Locus coeruleus wordt vermoed.
Abstract
De huidige wetenschappelijke literatuur geeft aan dat de activiteit van trigeminus sensorimotorische met kauwen van invloed kan zijn op opwinding, aandacht en cognitieve prestaties. Deze effecten kunnen te wijten zijn aan wijdverbreide verbindingen van het trigeminus systeem naar het oplopende reculaire activerende systeem (ARAS), waartoe noradrenerge neuronen van de Locus coeruleus (LC) behoren. LC neuronen bevatten projecties voor de hele hersenen, en het is bekend dat hun ontlading co-varieert met pupilgrootte. LC-activatie is noodzakelijk voor het opwekken van taakgerelateerde mydriasis. Als kauwen effecten op de cognitieve prestaties worden bemiddeld door de LC, het is redelijk om te verwachten dat veranderingen in de cognitieve prestaties zijn gecorreleerd aan veranderingen in taakgerelateerde mydriasis. Hier worden twee nieuwe protocollen getoond om deze hypothese te verifiëren en te documenteren dat het kauwen van effecten niet te wijten is aan aspecifieke motorische activatie. In beide protocollen worden de prestaties en de pupilgrootte tijdens specifieke taken geregistreerd voor, kort daarna, en een half uur na een periode van 2 min van een van beide: a) geen activiteit, b) ritmische, bilaterale handgreep, c) bilaterale kauwen van zachte pellet, en d) bilaterale kauwen van harde pellet. Het eerste protocol meet het prestatieniveau bij het spotten van doel nummers die worden weergegeven in numerieke matrices. Aangezien leerlingformaat opnames worden geregistreerd door een geschikte pupillometer die het zicht belemmert om constante verlichtingsniveaus te garanderen, wordt taak-gerelateerde mydriasis geëvalueerd tijdens een haptische taak. Resultaten van dit protocol blijkt dat 1) kauwen-geïnduceerde veranderingen in de prestaties en taakgerelateerde mydriasis zijn gecorreleerd en 2) noch prestaties noch mydriasis worden versterkt door handgreep. In het tweede protocol maakt het gebruik van een draagbare pupillometer het mogelijk om de veranderingen van de pupilgrootte en de prestaties tijdens dezelfde taak te meten, waardoor nog sterker bewijsmateriaal kan worden verkregen met betrekking tot de betrokkenheid van de LC bij de trigeminus effecten op de cognitieve activiteit. Beide protocollen zijn uitgevoerd in het historisch kantoor van Prof. Giuseppe Moruzzi, de ontdekker van ARAS, aan de Universiteit van Pisa.
Introduction
Bij de mens, het is bekend dat kauwen versnelt cognitieve verwerking1,2en verbetert opwinding3,4, aandacht5, leren, en geheugen6,7. Deze effecten zijn geassocieerd met verkorting van de latenties van corticale gebeurtenisgerelateerde mogelijkheden8 en een toename van de perfusie van verschillende corticale en subcorticale structuren2,9.
Binnen de craniale zenuwen wordt de meest relevante informatie die de corticale desynchronisatie en opwinding onderdoet, gedragen door trigeminus vezels10, waarschijnlijk als gevolg van sterke trigeminus verbindingen met het oplopende reticulyactiesysteem (Aras)11. Onder Aras structuren, de Locus coeruleus (LC) ontvangt trigeminus ingangen11 en moduleert opwinding12,13, en de activiteit covarieert met pupilgrootte14,15,16,17,18. Hoewel de relatie tussen LC-rust activiteit en cognitieve prestaties complex is, leidt taak-gerelateerde verbetering van LC-activiteit tot Arousal-geassocieerde19 pupil mydriasis20 en verbeterde cognitieve prestaties21. Er is betrouwbare covariatie tussen LC-activiteit en pupilgrootte, en de laatste wordt momenteel beschouwd als een proxy van de centrale noradrenerge activiteit22,23,24,25,26.
Asymmetrische activering van sensorische motor trigeminus takken induceert pupil asymmetrieën (anisocoria)27,28, bevestiging van de sterkte van de trigemino-coerulear verbinding. Als de kredietbrief deelneemt aan de stimulerende effecten van kauwen op cognitieve prestaties, kan dit van invloed zijn op parallelle taakgerelateerde mydriasis, wat een indicator is van LC namen af multifasische-activering tijdens een taak. Het kan ook invloed hebben op de prestaties, dus een correlatie kan worden verwacht tussen chewing-geïnduceerde veranderingen in de prestaties en mydriasis. Bovendien, als trigeminus effecten specifiek zijn, moeten de kauw effecten groter zijn dan die welke worden opgewekt door een andere ritmische motorische taak. Om deze hypotheses te testen, worden hierbij twee experimentele protocollen voorgesteld. Ze zijn gebaseerd op gecombineerde metingen van cognitieve prestaties en pupilgrootte, uitgevoerd voor en na een korte periode van kauwen activiteit. Deze protocollen maken gebruik van een test bestaande uit het vinden van doel nummers weergegeven in numerieke aandachtige matrices29, samen met niet-doel nummers. Deze test controleert de attente en cognitieve prestaties.
Het algemene doel van deze protocollen is om te illustreren dat trigeminus stimulatie specifieke veranderingen in cognitieve prestaties uitlokte, die niet specifiek kunnen worden toegeschreven aan het genereren van motor commando’s en gerelateerd zijn aan leerlinggebonden veranderingen in LC-gemedieerde Opwinding. Toepassingen van de protocollen strekken zich uit tot alle gedrags omstandigheden waarin de prestaties kunnen worden gemeten en de betrokkenheid van de KREDIETBRIEF wordt vermoed.
Protocol
Representative Results
Discussion
De in deze studie gepresenteerde protocollen hebben betrekking op de acute effecten van sensorimotorische trigeminus activiteit op de cognitieve prestaties en de rol van de KREDIETBRIEF in dit proces. Dit onderwerp heeft enige relevantie, gezien het feit dat 1) tijdens veroudering, de verslechtering van de kauw stelsel activiteit correleert met cognitieve verval32,33,34; mensen die de mondgezondheid te behouden zijn minder vatba…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Het onderzoek werd gesteund door subsidies van de Universiteit van Pisa. Wij danken de heer Paolo Orsini, de heer Francesco Montanari, en mevrouw Cristina Pucci voor waardevolle technische assistentie, evenals het bedrijf I.A.C.E.R. S.r.L. voor de ondersteuning van Dr. Maria Paola Tramonti Fantozzi met een Fellowship. Tot slot bedanken we het OCM projects bedrijf voor het bereiden van harde pellets en het uitvoeren van hardheids-en veerconstante metingen.
Materials
| 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 x 15.5cm |
References
- Hirano, Y., et al. Effects of chewing on cognitive processing speed. Brain and Cognition. 81 (3), 376-381 (2013).
- Hirano, Y., Onozuka, M. Chewing and cognitive function. Brain and Nerve. 66 (1), 25-32 (2014).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Smith, A. Effects of chewing gum on mood, learning, memory and performance of an intelligence test. Nutritional Neuroscience. 12 (2), 81-88 (2009).
- 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).
- Hirano, Y., et al. Effects of chewing in working memory processing. Neuroscience Letters. 436 (2), 189-192 (2008).
- 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).
- 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).
- 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).
- Carter, M. E., et al. Tuning arousal with optogenetic modulation of locus coeruleus neurons. Nature Neuroscience. 13 (12), 1526-1533 (2010).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Bradshaw, J. Pupil size as a measure of arousal during information processing. Nature. 216 (5114), 515-516 (1967).
- Gabay, S., Pertzov, Y., Henik, A. Orienting of attention, pupil size, and the norepinephrine system. Attention, Perception & Psychophysics. 73 (1), 123-129 (2011).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Kassner, M., Patera, W., Bulling, A. Pupil: An Open Source Platform for Pervasive Eye Tracking and Mobile Gaze-based Interaction. arXiv.org. , (2014).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Oue, H., et al. Tooth loss induces memory impairment and neuronal cell loss in APP transgenic mice. Behavioural Brain Research. 252, 318-325 (2013).
- 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).
