Bedömning av Elevlänkade förändringar i Locus coeruleus-medierad upphetsning som framkallas av Trigeminusstimulering
Summary
För att kontrollera om trigeminusneuralgi effekter på kognitiva prestanda innebär Locus coeruleus aktivitet, två protokoll presenteras som syftar till att utvärdera möjliga korrelationer mellan prestanda och uppgiftsrelaterade elev storlek förändringar induceras av tugga. Dessa protokoll kan tillämpas på de villkor i vilka Locus coeruleus bidrag misstänks.
Abstract
Aktuell vetenskaplig litteratur ger belägg för att trigeminussensorimotorisk aktivitet i samband med tugg kan påverka upphetsning, uppmärksamhet och kognitiva prestanda. Dessa effekter kan bero på utbredd anslutningar av trigeminusneuralgi systemet till stigande retikulära aktiverande systemet (ARAS), som noradrenerga neuroner i Locus coeruleus (LC) tillhör. LC neuroner innehåller projektioner till hela hjärnan, och det är känt att deras utsläpp samvarierar med elev storlek. LC-aktivering är nödvändig för att framkalla uppgiftsrelaterad mydriasis. Om tugg effekter på kognitiva prestanda förmedlas av LC, det är rimligt att förvänta sig att förändringar i kognitiva prestanda är korrelerade till förändringar i uppgiftsrelaterade mydriasis. Två nya protokoll presenteras här för att kontrollera denna hypotes och dokumentera att tugg effekter inte kan hänföras till aspecific motorisk aktivering. I både protokoll, prestanda och elev storlek förändringar observeras under specifika uppgifter registreras före, strax efter, och en halvtimme efter en 2 min period av antingen: a) ingen aktivitet, b) rytmiska, bilaterala handtag, c) bilaterala tugga av mjuk pellet, och d) bilaterala tugga av hård pellet. Det första protokollet mäter prestandanivå vid spotting av mål nummer som visas inom numeriska matriser. Eftersom elev storlek inspelningar registreras av en lämplig pupillometer som hindrar visionen att säkerställa konstant belysning nivåer, uppgiftsrelaterade mydriasis utvärderas under en haptiska uppgift. Resultaten från detta protokoll visar att 1) tugg-inducerad förändringar i prestanda och uppgiftsrelaterade mydriasis är korrelerade och 2) varken prestanda eller mydriasis förstärks av handgrip. I det andra protokollet, användning av en bärbar pupillometer möjliggör mätning av elev storlek förändringar och prestanda under samma uppgift, vilket möjliggör ännu starkare bevis som kan erhållas om LC engagemang i trigeminala effekter på kognitiv aktivitet. Båda protokollen har körts i det historiska ämbetet som prof. Giuseppe moruzzi, upptäckaren av ARAS, vid universitetet i Pisa.
Introduction
Hos människor, det är känt att tugga quickens kognitiv bearbetning1,2 och förbättrar upphetsning3,4, uppmärksamhet5, lärande, och minne6,7. Dessa effekter är förknippade med förkortning av latenser av kortikala händelserelaterade potentialer8 och en ökning av perfusion av flera kortikala och subkortikala strukturer2,9.
Inom kranialnerver, den mest relevanta informationen upprätthålla kortikala Desynchronization och upphetsning bärs av trigeminala fibrer10, sannolikt på grund av starka trigeminala anslutningar till stigande retikulära aktiverande systemet (Aras)11. Bland Aras strukturer, Locus coeruleus (LC) får trigeminala ingångar11 och modulerar upphetsning12,13, och dess aktivitet samvarierar med elev storlek14,15,16,17,18. Även om relationen mellan LC vilande aktivitet och kognitiva prestanda är komplex, uppgiftsrelaterad förbättring av LC aktivitet leder till upphetsning-associerade19 elev mydriasis20 och förbättrad kognitiv prestanda21. Det finns tillförlitlig samvariation mellan LC aktivitet och elev storlek, och den senare är för närvarande betraktas som en proxy av centrala noradrenerga aktivitet22,23,24,25,26.
Asymmetrisk aktivering av sensomotoriska trigeminusneuralgi grenar inducerar elev asymmetrier (anisocoria)27,28, bekräftar styrkan i trigemino-coerulear anslutning. Om LC deltar i stimulerande effekterna av tugga på kognitiva prestanda, det kan påverka parallella uppgiftsrelaterade mydriasis, som är en indikator på LC phasic aktivering under en uppgift. Det kan också påverka prestanda, så en korrelation kan förväntas mellan tugg-inducerad förändringar i prestanda och mydriasis. Dessutom, om trigeminala effekter är specifika, tugga effekter bör vara större än de som framkallas av en annan rytmisk motor uppgift. För att testa dessa hypoteser presenteras härmed två experimentella protokoll. De är baserade på kombinerade mätningar av kognitiva prestanda och elev storlek, utförs före och efter en kort period av tugg aktivitet. Dessa protokoll använder ett test som består i att hitta mål nummer som visas i numeriska uppmärksamma matriser29, tillsammans med icke-målnummer. Det här testet verifierar uppmärksam och kognitiva prestanda.
Det övergripande målet för dessa protokoll är att illustrera att trigeminusstimulering framkallar specifika förändringar i kognitiva prestanda, som inte kan tillskrivas aspeciellt till generering av motor kommandon och är relaterade till elev-länkade förändringar i LC-medierad Upphetsning. Tillämpningarna av protokollen sträcker sig till alla beteende förhållanden där prestanda kan mätas och medverkan av LC misstänks.
Protocol
Representative Results
Discussion
De protokoll som presenteras i denna studie ta itu med de akuta effekterna av sensomotoriska trigeminusneuralgi aktivitet på kognitiva prestanda och roll LC i denna process. Detta ämne har viss relevans, med tanke på att 1) under åldrandet korrelerar försämringen av tugg aktivitet med kognitiv förfall32,33,34; människor som bevarar munhälsa är mindre benägna att neurodegenerativa fenomen; 2) malocklusion och tänder e…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forskningen stöddes av stipendier från universitetet i Pisa. Vi tackar Paolo Orsini, Francesco Montanari, och Mrs Cristina Pucci för värdefull teknisk assistans, liksom I.A.C.E.R. S.r.L. Company för att stödja Dr Maria Paola Tramonti fans med en gemenskap. Slutligen tackar vi OCM-projekten företaget för att förbereda hårda pellets och utföra hårdhet och fjädrar konstant mätningar.
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 |
Riferimenti
- 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).
