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Neuroscienze

Rottura di Synchrony neurale del lobo frontale durante controllo cognitivo di intossicazione dell'alcool

Published: February 06, 2019
doi:
10.3791/58839
, , , ,
1Department of Psychology,San Diego State University, 2Department of Radiology,University of California San Diego, 3Department of Neurosciences,University of California San Diego, 4San Diego State University/UC San Diego Joint Doctoral Program in Clinical Psychology

Summary

Questo esperimento utilizza un metodo vincolato anatomicamente magnetoencefalografia (aMEG) per esaminare la dinamica oscillatoria del cervello e sincronia funzionale a lungo raggio durante il fidanzamento di controllo cognitivo come una funzione di intossicazione acuta da alcool.

Abstract

Processo decisionale si basa su interazioni dinamiche di regioni cerebrali distribuita, principalmente frontale. Ampia prova dagli studi di risonanza magnetica funzionale (fMRI) indica che l’anteriore del cingulate (ACC) e le cortecce prefrontale laterale (latPFC) sono i nodi essenziali che contribuiscono il controllo cognitivo. Tuttavia, a causa della sua limitata risoluzione temporale, fMRI non può riflettere con precisione i tempi e la natura della loro interazione presunta. Il presente studio combina modellazione distribuito fonte del segnale temporale preciso magnetoencefalografia (MEG) con MRI strutturale sotto forma di “film di cervello” a: (1) stima le aree corticali coinvolte nel controllo cognitivo (“dove”), (2) caratterizzano loro sequenza temporale (“quando”) e (3) quantificare la dinamica oscillatoria delle loro interazioni neurali in tempo reale. Interferenza di Stroop è stato associato con una maggiore potenza di evento-correlati theta (4-7 Hz) in ACC durante il rilevamento dei conflitti seguito da sensibilità sostenuta per esigenze conoscitive in ACC e latPFC durante la preparazione di integrazione e di risposta. Una fase di chiusura l’analisi ha rivelato co-oscillatory interazioni tra queste aree indicando loro synchrony neurale aumentata nella banda theta durante le prove incongrue che inducono conflitto. Questi risultati confermano che le oscillazioni teta sono fondamentali per lungo raggio sincronizzazione necessaria per l’integrazione di influenze dall’alto durante controllo cognitivo. MEG riflette l’attività neurale direttamente, che lo rende adatto per le manipolazioni farmacologiche in contrasto con fMRI che è sensibile alla vasoattivi confonde. Nello studio presente, bevitori sociali sani sono stati dati una dose di alcol moderato e placebo in una progettazione dell’entro-oggetto. Intossicazione acuta ha attenuato il potere di teta di Stroop conflitto e dysregulated co-oscillazioni tra l’ACC e latPFC, confermando che l’alcol è dannoso per synchrony neurale che contribuiscono il controllo cognitivo. Interferisce con il comportamento transitivi che può derivare in autocontrollo carente, contribuendo a bere compulsivo. In somma, questo metodo può fornire la comprensione nella interazioni in tempo reale durante l’elaborazione cognitiva e può caratterizzare la selettiva sensibilità farmacologica sfida tutte le pertinenti reti neurali.

Introduction

L’obiettivo generale di questo studio è di esaminare gli effetti dell’intossicazione acuta dell’alcool sui cambiamenti spazio-temporali nella dinamica oscillatoria del cervello e integrazione funzionale a lungo raggio durante controllo cognitivo. Il lavoratore multimodale approccio di imaging combina magnetoencefalografia (MEG) e la formazione immagine a risonanza magnetica strutturale (MRI) per approfondire le basi neurali dei processi decisionali, con alta precisione temporale e al livello di un sistema interattivo.

Comportamento flessibile permette di adattarsi alle mutevoli esigenze contestuali e passare strategicamente tra diverse attività e requisiti in accordo con di uno intenti e obiettivi. La capacità di sopprimere le risposte automatiche a favore di azioni obiettivo rilevante ma non abituale è un aspetto essenziale del controllo cognitivo. Estesa prova suggerisce che esso è contribuita da una rete corticale prevalentemente frontale, con la corteccia anteriore del cingulate (CRNA) come nodo centrale di questa rete interattiva1,2,3,4. Mentre la connettività anatomica abbondante tra l’ACC e cortecce frontali laterali è ben descritto5,6, le caratteristiche funzionali di comunicazione tra queste regioni durante il controllo cognitivo, selezione di risposta e l’esecuzione, sono poco capito.

Il conflitto altamente influente monitoraggio teoria7,8 propone che il controllo cognitivo nasce da un’interazione dinamica tra le cortecce prefrontale mediale e laterale. Questo account si presume che l’ACC controlla il conflitto tra rappresentazioni concorrenti e impegna la corteccia prefrontale laterale (latPFC) per implementare il controllo di risposta e ottimizzare le prestazioni. Tuttavia, questo account si basa principalmente sugli studi di MRI (fMRI) funzionali utilizzando il sangue ossigenazione dependent (BOLD) segnale di livello. Il segnale BOLD fMRI è uno strumento di mappatura spaziale eccellente, ma la risoluzione temporale è limitata perché riflette i cambiamenti emodinamici regionali mediati dall’accoppiamento neurovascolare. Di conseguenza, i cambiamenti del segnale BOLD si svolgono su una molto più lenta scala temporale (in secondi) rispetto i sottostanti eventi neurali (in millisecondi)9. Inoltre, il segnale BOLD è sensibile a effetti vasoattivi10 dell’alcol e non può rappresentare con precisione la grandezza dei cambiamenti neurali, che lo rende meno adatto per studi di intossicazione acuta da alcool. Pertanto, la presunta interazione tra le cortecce prefrontale mediale e laterale e la sua sensibilità di alcool intossicazione c’è bisogno di essere esaminato dai metodi che registrare eventi neurali in modo preciso temporalmente. MEG ha un’eccellente risoluzione temporale poiché riflette direttamente correnti postsinaptiche. La metodologia di MEG (aMEG) anatomicamente vincolata impiegata qui è distribuito un approccio multimodale che combina modellazione di fonte del segnale MEG con MRI strutturale. Esso consente la stima di dove che si verificano le modifiche oscillatorio cervello relative a conflitti e bevande e di comprendere la sequenza temporale (“quando”) delle componenti neurali coinvolti.

Processo decisionale si basa sulle interazioni delle regioni cerebrali distribuite che sono impegnate in modo dinamico per affrontare le richieste aumentate il controllo cognitivo. Un modo per stimare le modifiche relative agli eventi in sincronia a lungo raggio tra due regioni corticali consiste nel calcolare la loro fase di accoppiamento come indice di loro co-oscillazioni11,12. Lo studio presente ha applicato un’analisi fase di bloccaggio per testare il principio basilare del conflitto monitoraggio teoria esaminando le interazioni co-oscillatory tra l’ACC e latPFC. Oscillazioni neurali nella gamma di teta (4-7 Hz) sono associate con controllo cognitivo e sono stati proposti come un meccanismo fondamentale per supportare la sincronizzazione a lungo raggio necessaria per elaborazione cognitiva verticistica13,14, 15,16. Essi sono generati in aree prefrontali in funzione della difficoltà del compito e sono significativamente attenuati dall’intossicazione acuta dell’alcool17,18,19,20.

Assunzione eccessiva di alcool a lungo termine è associato con una gamma di deficit cognitivi con circuiti prefrontali stati soprattutto colpiti21,22. Intossicazione acuta da alcool è dannoso per controllo cognitivo in condizioni di maggiore difficoltà, ambiguità o quelli che inducono la risposta incompatibilità17,23,24. Colpendo il processo decisionale, possono interferire con il comportamento transitivi alcool, può provocare autocontrollo carente e bere aumentato e può anche contribuire a lavoro-correlato o di traffico pericoli25,26,27 . Il presente studio utilizza un approccio di aMEG per misurare l’attività oscillatoria nella banda theta e sincronia tra le principali aree esecutiva con eccellente risoluzione temporale. Gli effetti dell’alcol su onde theta e co-oscillazioni tra l’ACC e il latPFC sono esaminati in funzione del conflitto ha suscitato dall’attività di interferenza di Stroop. Supponiamo che aumentate esigenze conoscitive sono associate con una maggiore sincronia funzionale e i danni nel controllo cognitivo è alla base di tale disregolazione alcool-indotta di attività sincrona delle cortecce prefrontale mediale e laterale.

Protocol

Questo protocollo sperimentale è stato approvato dal comitato di protezione soggetti umana presso l’Università di California, San Diego. 1. soggetti umani Reclutare volontari sani adulti destrorsi, ottenere il loro consenso e li proteggi i criteri di inclusione/esclusione.Nota: In questo studio, venti individui giovani, sani (± deviazione standard [DS] età media = 25,3 ± 4,4 anni) tra cui 8 donne che bevono con moderazione, che sono mai stati in trattamento …

Representative Results

Risultati del comportamento indicano che il compito di Stroop manipolato correttamente interferenza risposta perché la precisione era il più basso e i tempi di risposta più lunghe prove incongrue (Figura 6). Intossicazione dell’alcool ha abbassato di precisione ma non ha colpito i tempi di reazione18. La sequenza spazio-temporale di attività nella banda di frequenza di te…

Discussion

Il metodo utilizzato in questo studio di imaging multimodale comprende modellazione distribuito fonte del segnale temporaneamente preciso MEG insieme a vincoli spaziali di inverse stime derivate da MRI strutturale di ogni partecipante. L’approccio di aMEG combina i punti di forza di queste tecniche per consentono di comprendere le fasi spazio-temporale della dinamica oscillatoria e l’integrazione a lungo raggio che contribuiscono il controllo cognitivo. Questo metodo offre maggiore precisione temporale rispetto ad altre …

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Quest’opera è stata sostenuta da National Institutes of Health (R01-AA016624). Siamo grati alla dottoressa Sanja Kovacevic per i suoi importanti contributi.

Materials

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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Keywords: Decision MakingFunctional Magnetic Resonance Imaging (fMRI)Anterior CingulateLateral Prefrontal CortexMagneto- And Electroencephalography (MEG)Alcohol IntoxicationStroop TaskBreath Alcohol Concentration
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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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