Summary

Evaluación de los cambios vinculados a los alumnos en La estimulación trigéminal mediada por Locus Coeruleus

Published: November 26, 2019
doi:

Summary

Para verificar si los efectos trigéminos sobre el rendimiento cognitivo implican actividad de locus coeruleus, se presentan dos protocolos que tienen como objetivo evaluar posibles correlaciones entre el rendimiento y los cambios en el tamaño de la pupila relacionados con la tarea inducidos por la masticación. Estos protocolos pueden aplicarse a condiciones en las que se sospeche la contribución de locus coeruleus.

Abstract

La literatura científica actual proporciona evidencia de que la actividad sensorimotor trigémino asociada con la masticación puede afectar la excitación, la atención y el rendimiento cognitivo. Estos efectos pueden deberse a conexiones generalizadas del sistema trigémino al sistema de activación reticular ascendente (ARAS), al que pertenecen las neuronas noradrenérgicas del locus coeruleus (LC). Las neuronas LC contienen proyecciones a todo el cerebro, y se sabe que su secreción varía con el tamaño de la pupila. La activación de LC es necesaria para provocar la midriasis relacionada con tareas. Si los efectos de masticación en el rendimiento cognitivo están mediados por la LC, es razonable esperar que los cambios en el rendimiento cognitivo se correlacionan con los cambios en la midaría relacionada con la tarea. Aquí se presentan dos protocolos novedosos para verificar esta hipótesis y documentar que los efectos de masticación no son atribuibles a la activación del motor específico. En ambos protocolos, los cambios de rendimiento y tamaño de la pupila observados durante tareas específicas se registran antes, poco después, y media hora después de un período de 2 minutos de cualquiera de: a) sin actividad, b) agarre rítmico, bilateral, c) masticación bilateral de pellets blandos, y d) masticación bilateral de pellet duro. El primer protocolo mide el nivel de rendimiento en la detección de números de destino que se muestran en matrices numéricas. Dado que las grabaciones del tamaño de la pupila se registran mediante un pupilómetro adecuado que impide la visión para garantizar niveles de iluminación constantes, la midriasis relacionada con la tarea se evalúa durante una tarea háptica. Los resultados de este protocolo revelan que 1) los cambios inducidos por la masticación en el rendimiento y la midriasis relacionada con tareas están correlacionados y 2) ni el rendimiento ni la midriasis se mejoran con la empuñadura. En el segundo protocolo, el uso de un pupilómetro portátil permite medir los cambios de tamaño de la pupila y el rendimiento durante la misma tarea, permitiendo así obtener pruebas aún más sólidas con respecto a la participación de LC en los efectos trigéminos sobre la actividad cognitiva. Ambos protocolos se han ejecutado en la oficina histórica del profesor Giuseppe Moruzzi, el descubridor de ARAS, en la Universidad de Pisa.

Introduction

En los seres humanos, se sabe que masticar acelera el procesamiento cognitivo1,2 y mejora laexcitación 3,4, atención5, aprendizaje, y la memoria6,7. Estos efectos se asocian con el acortamiento de las latencias de las potencialidades corticales relacionadas con eventos8 y un aumento de la perfusión de varias estructuras corticales y subcorticales2,9.

Dentro de los nervios craneales, la información más relevante que sustenta la desincronización cortical y la excitación se transporta mediante fibras trigéminos10,probablemente debido a fuertes conexiones trigémino al sistema ascendente de activación reticular (ARAS)11. Entre las estructuras ARAS, el locus coeruleus (LC) recibe las entradas trigéminos11 y modula la excitación12,13, y su actividad covarios con pupila tamaño14,15,16,17,18. Aunque la relación entre la actividad de reposo de LC y el rendimiento cognitivo es compleja, la mejora relacionada con las tareas de la actividad lc conduce a la momiasis de19 alumnos asociada a la excitación20 y un rendimiento cognitivo mejorado21. Existe una covariación fiable entre la actividad LC y el tamaño de la pupila, y esta última se considera actualmente un apoderado de la actividad central noradrenérgica22,23,24,25,26.

La activación asimétrica de las ramas trigéminos sensorimotor induce asimetrías pupilas (anisocoria)27,28,confirmando la fuerza de la conexión trigemino-coerulear. Si la LC participa en los efectos estimulantes de masticar en el rendimiento cognitivo, puede afectar a la midriasis paralela relacionada con la tarea, que es un indicador de activación fásica LC durante una tarea. También puede afectar el rendimiento, por lo que se puede esperar una correlación entre los cambios inducidos por masticar en el rendimiento y la midriasis. Por otra parte, si los efectos del trigémino son específicos, los efectos de masticación deben ser mayores que los provocados por otra tarea motora rítmica. Para probar estas hipótesis, se presentan dos protocolos experimentales. Se basan en mediciones combinadas de rendimiento cognitivo y tamaño de la pupila, realizadas antes y después de un corto período de actividad de masticación. Estos protocolos utilizan una prueba que consiste en encontrar los números de destino mostrados en las matrices numéricas atentas29,junto con los números no objetivo. Esta prueba verifica el rendimiento atento y cognitivo.

El objetivo general de estos protocolos es ilustrar que la estimulación trigémino provoca cambios específicos en el rendimiento cognitivo, que no se pueden atribuir específicamente a la generación de comandos motores y están relacionados con los cambios vinculados a los alumnos en Excitación. Las aplicaciones de los protocolos se extienden a todas las condiciones de comportamiento en las que se puede medir el rendimiento y se sospecha la participación de la LC.

Protocol

Todos los pasos siguen las directrices del Comité Ético de la Universidad de Pisa. 1. Reclutamiento de participantes Reclutar a una población sujeta de acuerdo con el objetivo específico del estudio (es decir, sujetos normales y/o pacientes, hombres y/o mujeres, jóvenes y/o ancianos). 2. Preparación de materiales Preparar un pellet suave; utilizar goma de mascar disponible en el uso comercial(Tabla de materiales;durez…

Representative Results

La Figura 4 muestra un ejemplo representativo de los resultados obtenidos cuando el protocolo 1 se aplicó a un solo sujeto (46 años, mujer). La PI se incrementó poco después de haber masticado (T7) tanto un fuerte (de 1,73 numb/s a 2.27 numb/s) como un pellet suave (de 1,67 numb/s a 1,87 numb/s)(Figura 4A). Sin embargo, 30 minutos más tarde (T37), el mayor rendimiento persistió sólo para el pellet duro. Por otro lado, tanto la falta de ac…

Discussion

Los protocolos presentados en este estudio abordan los efectos agudos de la actividad trigémino sensorimotor en el rendimiento cognitivo y el papel de la LC en este proceso. Este tema tiene cierta relevancia, teniendo en cuenta que 1) durante el envejecimiento, el deterioro de la actividad masticatoria se correlaciona con la decadencia cognitiva32,33,34; las personas que preservan la salud bucal son menos propensas a fenómenos…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

La investigación fue apoyada por subvenciones de la Universidad de Pisa. Agradecemos al Sr. Paolo Orsini, al Sr. Francesco Montanari y a la Sra. Cristina Pucci la valiosa asistencia técnica, así como a la compañía I.A.C.E.R. S.r.L. por apoyar a la Dra. Maria Paola Tramonti Fantozzi con una beca. Por último, agradecemos a la empresa OCM Projects por preparar pellets duros y realizar mediciones constantes de dureza y resorte.

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

  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. , (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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Cite This Article
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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