Trigeminal Stimülasyon tarafından Ortaya Çıkan Locus Coeruleus aracılı Uyarılma'da Gözbebeği Ile Bağlantılı Değişikliklerin Değerlendirilmesi
Summary
Bilişsel performans üzerindeki trigeminal etkilerin locus coeruleus aktivitesini içerip içermediğini doğrulamak için, çiğnemenin neden olduğu performans ve görevle ilgili gözbebeği boyutu değişiklikleri arasındaki olası korelasyonları değerlendirmeyi amaçlayan iki protokol sunulmuştur. Bu protokoller locus coeruleus katkısından şüphelenilen durumlara uygulanabilir.
Abstract
Mevcut bilimsel literatür, çiğneme ile ilişkili trigeminal sensorimotor aktivitenin uyarılma, dikkat ve bilişsel performansı etkileyebileceğine dair kanıtlar sunmaktadır. Bu etkiler, trigeminal sistemin çekirge koeruleusunun (LC) noradrenerjik nöronlarının ait olduğu yükselen retiküler aktivasyon sistemine (ARAS) olan yaygın bağlantılarına bağlı olabilir. LC nöronlar tüm beyne projeksiyonlar içerir, ve onların deşarj co-gözbebeği büyüklüğü ile değişir bilinmektedir. LC aktivasyonu görevle ilgili midriazis intifa etmek için gereklidir. Bilişsel performans üzerinde çiğneme etkileri LC aracılık ise, bilişsel performans değişiklikleri görev ile ilgili mydriasis değişiklikleri ile ilişkili olduğunu beklemek makul. Bu hipotezi doğrulamak ve çiğneme etkilerinin belirli bir motor aktivasyona atfedilemez olduğunu belgelemek için burada iki yeni protokol sunulmuştur. Her iki protokolde de, belirli görevler sırasında gözlenen performans ve gözbebeği boyutu değişiklikleri, 2 dakika lık bir süreden önce, kısa bir süre sonra ve yarım saat sonra kaydedilir: a) aktivite yok, b) ritmik, ikili kavrama, c) yumuşak peletin iki taraflı çiğnmesi ve d) sert pelet iki taraflı çiğneme. İlk protokol, sayısal matrisler içinde görüntülenen hedef sayılarıtespit etmede performans düzeyini ölçer. Gözbebeği boyutu kayıtları, sürekli aydınlatma düzeylerini sağlamak için görüşü engelleyen uygun bir pupillometre ile kaydedildiği için, görevle ilgili midriyazis haptik bir görev sırasında değerlendirilir. Bu protokolden elde edilen sonuçlar, 1) performans ve görevle ilgili mydriasiste çiğneme kaynaklı değişikliklerin ilişkili olduğunu ve 2) ne performans ne de midriazisin kavrama ile geliştirilemeyeceğini ortaya koymaktadır. İkinci protokolde, giyilebilir bir pupillometrenin kullanımı aynı görev sırasında öğrenci boyutu değişikliklerinin ve performansının ölçülmesine olanak sağlayarak, bilişsel aktivite üzerindeki trigeminal etkilerde LC tutulumu na ilişkin daha güçlü kanıtlar elde edilmesine olanak tanır. Her iki protokol de Pisa Üniversitesi’nde ARAS’ın kaşifi Prof. Giuseppe Moruzzi’nin tarihi ofisinde yürütüldü.
Introduction
İnsanlarda, bu çiğneme bilişsel işleme hızlandırır bilinmektedir1,2 ve uyarılma geliştirir3,4, dikkat5, öğrenme, ve bellek6,7. Bu etkiler kortikal olay ile ilgili potansiyellerin gecikmelerinin kısaltılması ile ilişkilidir8 ve çeşitli kortikal ve subkortikal yapıların perfüzyon bir artış2,9.
Kranial sinirler içinde, kortikal desenkronizasyon ve uyarılma sürdüren en ilgili bilgi trigeminal lifler tarafından taşınır10, muhtemelen artan retiküler aktive sistemi güçlü trigeminal bağlantıları nedeniyle (ARAS)11. ARAS yapıları arasında, locus coeruleus (LC) trigeminal girişleri alır11 ve uyarılma modüle12,13, ve öğrenci boyutu ile aktivite covaries14,15,16,17,18. LC dinlenme aktivitesi ve bilişsel performans arasındaki ilişki karmaşık olmasına rağmen, LC aktivitesinin görev le ilgili geliştirme uyarılma ile ilişkili yol açar19 gözbebeği mydriasis20 ve gelişmiş bilişsel performans21. LC aktivitesi ve gözbebeği boyutu arasında güvenilir bir covaryasyon vardır, ve ikincisi şu anda merkezi noradrenergic aktivite22,23,24,25,26bir proxy olarak kabul edilir.
Sensorimotor trigeminal dalların asimetrik aktivasyonu gözbebeği asimetrilerini indükler (anisocoria)27,28, trigemino-coerulear bağlantı gücünü doğrulayan. LC bilişsel performans çiğneme uyarıcı etkileri katılırsa, paralel görev ile ilgili mydriasis etkileyebilir, hangi bir görev sırasında LC phasic aktivasyon bir göstergesidir. Aynı zamanda performansı etkileyebilir, bu nedenle performans ve mydriasis çiğneme kaynaklı değişiklikler arasında bir korelasyon beklenebilir. Ayrıca, trigeminal etkileri belirli ise, çiğneme etkileri başka bir ritmik motor görev tarafından ortaya çıkan daha büyük olmalıdır. Bu hipotezleri test etmek için iki deneysel protokol sunulmuştur. Bunlar, kısa bir çiğneme aktivitesi nden önce ve sonra gerçekleştirilen bilişsel performans ve gözbebeği büyüklüğünün kombine ölçümlerine dayanır. Bu protokoller, hedef olmayan sayılarla birlikte sayısal olarak uygunmatris29’dagörüntülenen hedef sayıları bulmaktan oluşan bir test kullanır. Bu test özenli ve bilişsel performansı doğrular.
Bu protokollerin genel amacı, trigeminal stimülasyonun bilişsel performansta belirli değişikliklere yol açabilmektir, bu değişiklikler özellikle motor komutlarının oluşumuna atfedilemez ve LC aracılı öğrencibağlantılı değişikliklerle ilişkilidir. Uyarılma. Protokollerin uygulamaları, performansın ölçülebileceği tüm davranış koşullarını genişletir ve LC’nin katılımından şüphelenilir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu çalışmada sunulan protokoller, sensorimotor trigeminal aktivitenin bilişsel performans üzerindeki akut etkilerini ve LC’nin bu süreçteki rolünü ele almıştır. Bu konu bazı alaka vardır, göz önüne alındığında 1) yaşlanma sırasında, mastikatory aktivite bozulması bilişsel çürüme ile ilişkilidir32,33,34; ağız sağlığını koruyan kişiler nörodejeneratif fenomenlere daha az yatkındır; 2) malok…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Araştırma Pisa Üniversitesi hibe tarafından desteklendi. Bay Paolo Orsini, Bay Francesco Montanari ve Bayan Cristina Pucci’ye değerli teknik yardımları için teşekkür ederiz. Son olarak, sert peletler hazırlamak ve sertlik ve yay sabit ölçümler icra için OCM Projects şirketi teşekkür ederiz.
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).
