Vurdering af elev-linkede ændringer i locus Coeruleus-medieret ophidselse, fremkaldt af trigeminal stimulation
Summary
For at kontrollere, om trigeminus effekter på kognitiv ydeevne involverer locus coeruleus aktivitet, to protokoller præsenteres, der har til formål at evaluere mulige korrelationer mellem ydeevne og opgave-relaterede pupilstørrelse ændringer induceret af tygge. Disse protokoller kan anvendes på betingelser, hvorunder der er mistanke om et bidrag fra locus coeruleus.
Abstract
Aktuel videnskabelig litteratur giver bevis for, at trigeminus sensorimotor aktivitet forbundet med tygge kan påvirke ophidselse, opmærksomhed, og kognitive præstationer. Disse virkninger kan skyldes udbredte forbindelser af trigeminus systemet til det opstigende retikulære aktiveringssystem (ARAS), som noradrenerge neuroner i locus coeruleus (LC) tilhører. LC neuroner indeholder fremskrivninger til hele hjernen, og det er kendt, at deres udledning Co-varierer med pupilstørrelse. LC-aktivering er nødvendig for at fremkalde opgaverelateret mydriasis. Hvis tygge effekter på kognitive præstationer er medieret af LC, er det rimeligt at forvente, at ændringer i kognitiv ydeevne er korrelerede til ændringer i opgave-relaterede mydriasis. To nye protokoller præsenteres her for at verificere denne hypotese og dokumentere, at tygge effekter ikke kan henføres til aspecifik motor aktivering. I begge protokoller registreres de ændringer af ydeevnen og elev størrelsen, der er observeret under specifikke opgaver, før, kort efter og en halv time efter en 2-minutters periode på enten: a) ingen aktivitet, b) rytmisk, bilateralt håndgreb, c) bilateral tygning af blød pellet og d) bilateral tygning af hård pellet. Den første protokol måler præstationsniveauet ved at spotte måltal, som vises i numeriske matricer. Da elev størrelses optagelser registreres af et passende pupillometer, der hæmmer synet for at sikre konstante belysningsniveauer, evalueres opgaverelateret mydriasis under en haptisk opgave. Resultater fra denne protokol afslører, at 1) tygge-induceret ændringer i ydeevne og opgave-relaterede mydriasis er korreleret og 2) hverken ydeevne eller mydriasis forstærkes af håndgreb. I den anden protokol, brug af en wearable pupillometer tillader måling af elev størrelse ændringer og ydeevne under den samme opgave, således at der kan opnås endnu stærkere beviser for LC involvering i trigeminus effekter på kognitiv aktivitet. Begge protokoller er blevet kørt i den historiske afdeling af Prof. Giuseppe Moruzzi, Discoverer af ARAS, ved universitetet i Pisa.
Introduction
Hos mennesker, det er kendt, at tygge levendegør kognitiv behandling1,2 og forbedrer ophidselse3,4, opmærksomhed5, læring, og hukommelse6,7. Disse virkninger er forbundet med afkortning af latencer af kortikale hændelsesrelaterede potentialer8 og en stigning i perfusion af flere kortikale og subkortikale strukturer2,9.
Inden for kranielle nerver bæres de mest relevante oplysninger, der opretholder kortikale desynkronisering og ophidselse, med trigeminus fibre10, sandsynligvis på grund af kraftige trigeminus forbindelser til det opstigende retikulære aktiveringssystem (ARAS)11. Blandt ARAS strukturer, locus coeruleus (LC) modtager trigeminus indgange11 og modulerer ophidselse12,13, og dens aktivitet covarier med pupilstørrelse14,15,16,17,18. Selvom relationen mellem LC-hvile aktivitet og kognitiv ydeevne er kompleks, fører opgaverelateret forbedring af LC-aktivitet til ophidselse-associeret19 pupil mydriasis20 og forbedret kognitiv ydeevne21. Der er pålidelig covariation mellem LC aktivitet og pupilstørrelse, og sidstnævnte er i øjeblikket betragtes som en proxy af centrale noradrenerge aktivitet22,23,24,25,26.
Asymmetrisk aktivering af sensorimotor trigeminus grene inducerer elev asymmetrier (Anisocoria)27,28, hvilket bekræfter styrken af trigemino-coerulear-forbindelsen. Hvis LC deltager i de stimulerende virkninger af at tygge på kognitiv ydeevne, det kan påvirke parallel opgave-relaterede mydriasis, som er en indikator for LC phasic aktivering under en opgave. Det kan også påvirke ydeevnen, så en korrelation kan forventes mellem tygge-induceret ændringer i ydeevne og mydriasis. Desuden, hvis trigeminus effekter er specifikke, tygge effekter bør være større end dem, der er fremkaldt af en anden rytmisk motorisk opgave. For at afprøve disse hypoteser præsenteres to forsøgsprotokoller hermed. De er baseret på kombinerede målinger af kognitiv ydeevne og pupilstørrelse, udført før og efter en kort periode med tygge aktivitet. Disse protokoller anvender en test, der består i at finde måltal, som vises i numeriske, opmærksomme matricer29sammen med ikke-måltal. Denne test kontrollerer opmærksomme og kognitive præstationer.
Det overordnede mål med disse protokoller er at illustrere, at trigeminus stimulation fremkalder specifikke ændringer i kognitiv ydeevne, som ikke specifikt kan tilskrives generering af motoriske kommandoer og er relateret til elev relaterede ændringer i LC-medierede Ophidselse. Anvendelser af protokollerne strækker sig til alle adfærdsmæssige forhold, hvor ydeevnen kan måles og involvering af LC er mistænkt.
Protocol
Representative Results
Discussion
De protokoller, der præsenteres i denne undersøgelse adresse de akutte virkninger af sensorimotor trigeminus aktivitet på kognitive præstationer og rollen af LC i denne proces. Dette emne har en vis relevans, i betragtning af at 1) under aldring, forringelse af mastikatorisk aktivitet korrelerer med kognitiv forfald32,33,34; mennesker, der bevarer oral sundhed er mindre tilbøjelige til neurodegenerative fænomener; 2) malok…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forskningen blev støttet af tilskud fra universitetet i Pisa. Vi takker hr. Paolo Orsini, hr. Francesco Montanari, og fru Cristina Pucci for værdifuld teknisk assistance, samt I.A.C.E.R. S.r.L. Company for at støtte Dr. Maria Paola Tramonti Fantozzi med et stipendium. Endelig takker vi OCM projects Company for at forberede hårde pellets og udføre hårdhed og fjeder konstante målinger.
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).
