Оценка связанных с учащимися изменений в Локус Coeruleus-опосредованного возбуждения, вызванных trigeminal стимуляции
Summary
Чтобы проверить, связано ли тройничное воздействие на когнитивные функции, представляют сярку coeruleus активность, представлены два протокола, которые направлены на оценку возможных корреляций между производительностью и связанных с задачами изменений размера зрачка, вызванных жеванием. Эти протоколы могут применяться к условиям, в которых подозревается вклад локуса coeruleus.
Abstract
Современная научная литература дает доказательства того, что тройничная сенсорная активность, связанная с жеванием, может повлиять на возбуждение, внимание и когнитивные способности. Эти эффекты могут быть связаны с широким подключением тройничной системы к восходящей ретикулярной активационной системы (ARAS), к которой относятся норрадренергические нейроны локус-коэрулеус (LC). LC нейроны содержат проекции на весь мозг, и известно, что их разряда изменяется с размером зрачка. Активация LC необходима для получения связанных с задачами мидриаза. Если жевательные эффекты на когнитивные функции опосредовано LC, разумно ожидать, что изменения в когнитивной деятельности коррелируют с изменениями в задаче, связанных с мироизе. Здесь представлены два новых протокола для проверки этой гипотезы и документ, что жевательные эффекты не связаны с активацией конкретного двигателя. В обоих протоколах, производительность и размер зрачка изменения, наблюдаемые во время конкретных задач, регистрируются до, вскоре после, и через полчаса после 2 мин период либо: а) нет деятельности, б) ритмические, двусторонние рукопожатия, в) двустороннего жевания мягких гранул, и г) двустороннее жевание твердых гранул. Первый протокол измеряет уровень производительности при обнаружении целевых чисел, отображаемых в числовых матрицах. Так как записи размера зрачка регистрируются соответствующим зрачником, который препятствует зрению для обеспечения постоянного освещения, связанный с задачами мидриаз оценивается во время тактильной задачи. Результаты этого протокола показывают, что 1) жевательные изменения в производительности и связанных с задачами мидриаза коррелируют и 2) ни производительность, ни мидриаз не усиливаются рукоятки. Во втором протоколе использование носимого зрачка позволяет измерять изменения размера зрачка и производительность во время той же задачи, что позволяет получить еще более убедительные доказательства относительно участия ЛК в тройничном воздействии на когнитивную активность. Оба протокола были запущены в историческом офисе профессора Джузеппе Моруцци, первооткрывателя ARAS, в Университете Пизы.
Introduction
У людей, известно, что жевание ускоряет когнитивную обработку1,2 и улучшает возбуждение3,4, внимание5, обучение, и память6,7. Эти эффекты связаны с сокращением поздних потенциалов, связанных скоркой, 8 и увеличением перфузии нескольких корковых и подкорковых структур2,9.
В черепных нервов, наиболее релевантной информации поддержания корковой десинхронизации и возбуждения осуществляется тройничных волокон10, вероятно, из-за сильных тройничных соединений с восходящей ректикулярной активации системы (ARAS)11. Среди структур ARAS, локус coeruleus (LC) получает тройничные входы11 и модулирует возбуждение12,13, и его деятельность covaries с размером зрачка14,15,16,17,18. Хотя связь между LC отдыха деятельности и когнитивных функций является сложным, связанные с задачами повышение активности LC приводит к возбуждению связанных19 ученик мидриаз20 и повышение когнитивной деятельности21. Существует надежное совариации между активностью LC и размером зрачка, и последний в настоящее время считается прокси центральной норадренергической деятельности22,23,24,25,26.
Асимметричная активация сенсорной тройничной ветви индуцирует асимметрию зрачка (анисокория)27,28,подтверждая прочность тройнично-керулеарного соединения. Если LC участвует в стимулирующем воздействии жевания на когнитивные функции, это может повлиять на параллельные задачи, связанные с мидриазом, который является показателем LC phasic активации во время задачи. Это также может повлиять на производительность, так что корреляция можно ожидать между жевательной индуцированной изменения в производительности и мидриаза. Кроме того, если тройничные эффекты являются специфическими, жевательные эффекты должны быть больше, чем те, вызванные другой ритмической двигательной задачи. Для того, чтобы проверить эти гипотезы, представлены два экспериментальных протокола. Они основаны на комбинированных измерениях когнитивных функций и размера зрачка, выполняемых до и после короткого периода жевательной активности. Эти протоколы используют тест, состоящий в поиске целевых чисел, отображаемых в числовых внимательных матрицах29,наряду с нецелевыми числами. Этот тест проверяет внимательную и когнитивную работу.
Общая цель этих протоколов состоит в том, чтобы проиллюстрировать, что тройничная стимуляция вызывает конкретные изменения в когнитивной деятельности, которые не могут быть приписаны конкретно к поколению моторных команд и связаны с учеником связанных изменений в LC-опосредованных Возбуждение. Применение протоколов распространяется на все поведенческие условия, в которых можно измерить производительность и участие LC подозревается.
Protocol
Representative Results
Discussion
Протоколы, представленные в этом исследовании, касаются острых последствий сенсомоторной тройничной активности на когнитивные функции и роль LC в этом процессе. Эта тема имеет некоторое значение, учитывая, что 1) во время старения, ухудшение маститативной активности коррелирует с когни…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Исследование было поддержано грантами Университета Пизы. Мы благодарим г-на Паоло Орсини, г-на Франческо Монтанари и г-жу Кристину Пуччи за ценную техническую помощь, а также компанию I.A.C.E.R. S.r.L. за поддержку д-ра Марии Паолы Трамонти Фантоцци в стипендии. Наконец, мы благодарим компанию OCM Projects за подготовку твердых гранул и выполнение твердости и весенних постоянных измерений.
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).
