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Neuroscience

Évaluation des changements liés aux élèves dans l'excitation médiée par Locus Coeruleus suscitée par la stimulation trigéninale

Published: November 26, 2019
doi:
10.3791/59970
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1Department of Translational Research and of New Surgical and Medical Technologies,University of Pisa, 2The BioRobotics Institute,Scuola Superiore Sant’Anna, 3Department of Excellence in Robotics & AI,Scuola Superiore Sant’Anna, 4Institut des Maladie Neurodegeneratives,University of Bordeaux, 5Department of Physics,University of Pisa, 6Department of Surgical, Medical, Molecular Pathology and Critical Care Medicine,University of Pisa, 7Department of Developmental Neuroscience,IRCCS Foundation Stella Maris

Summary

Pour vérifier si les effets trigéminaux sur la performance cognitive impliquent l’activité locus coeruleus, deux protocoles sont présentés qui visent à évaluer les corrélations possibles entre les performances et les changements de taille des pupilles liés à la tâche induits par la mastication. Ces protocoles peuvent être appliqués aux conditions dans lesquelles la contribution locus coeruleus est suspectée.

Abstract

La littérature scientifique actuelle fournit l’évidence que l’activité sensorimotrice trigeminal liée à la mastication peut affecter l’excitation, l’attention, et la performance cognitive. Ces effets peuvent être dus aux connexions répandues du système trigeminal au système d’activation réticulaire ascendant (ARAS), auquel les neurones noradrénergiques du locus coeruleus (LC) appartiennent. Les neurones LC contiennent des projections sur l’ensemble du cerveau, et on sait que leur décharge co-varie avec la taille de la pupille. L’activation de LC est nécessaire pour obtenir la mydriasis liée à la tâche. Si les effets de mastication sur la performance cognitive sont médiés par le LC, il est raisonnable de s’attendre à ce que les changements dans les performances cognitives sont corrélés à des changements dans la mydriase liée aux tâches. Deux nouveaux protocoles sont présentés ici pour vérifier cette hypothèse et documenter que les effets de mastication ne sont pas attribuables à une activation moteur spécifique. Dans les deux protocoles, les changements de performance et de taille des pupilles observés lors de tâches spécifiques sont enregistrés avant, peu après, et une demi-heure après une période de 2 minutes de l’un ou l’autre: a) pas d’activité, b) rythmique, poignée bilatérale, c) mastication bilatérale de granule molle, et d) la mastication bilatérale de granules durs. Le premier protocole mesure le niveau de performance dans la repérage des nombres cibles affichés dans les matrices numériques. Étant donné que les enregistrements de la taille des pupilles sont enregistrés par un pupillomètre approprié qui empêche la vision d’assurer des niveaux constants d’illumination, la mydriase liée aux tâches est évaluée au cours d’une tâche haptique. Les résultats de ce protocole révèlent que 1) les changements induits par la mastication dans les performances et la mydriase liée aux tâches sont corrélés et 2) ni la performance ni la mydriase ne sont améliorées par la poignée. Dans le deuxième protocole, l’utilisation d’un pupillomètre portable permet de mesurer les changements de taille et de performance de la pupille au cours d’une même tâche, permettant ainsi d’obtenir des preuves encore plus solides concernant l’implication de LC dans les effets trigéminaux sur l’activité cognitive. Les deux protocoles ont été exécutés dans le bureau historique du professeur Giuseppe Moruzzi, le découvreur de l’ARAS, à l’Université de Pise.

Introduction

Chez l’homme, il est connu que la mastication accélère le traitement cognitif1,2 et améliore l’excitation3,4, attention5, l’apprentissage, et la mémoire6,7. Ces effets sont associés au raccourcissement des latences des potentiels liés à l’événement cortical8 et à une augmentation de la perfusion de plusieurs structures corticales et subcorticales2,9.

Dans les nerfs crâniens, l’information la plus pertinente soutenant la désynchronisation corticale et l’excitation est transportée par les fibres trigéminales10, probablement en raison de fortes connexions trigéninales au système d’activation réticulaire ascendant (ARAS)11. Parmi les structures ARAS, le locus coeruleus (LC) reçoit des apports trigéminaux11 et module l’excitation12,13, et son activité covaries avec la taille de la pupille14,15,16,17,18. Bien que la relation entre l’activité de repos de LC et la performance cognitive soit complexe, l’amélioration liée à la tâche de l’activité de LC mène à l’excitation-associée19 mydriasisd’élève 20 et à la performance cognitive améliorée21. Il existe une covariation fiable entre l’activité LC et la taille des pupilles, et ce dernier est actuellement considéré comme un proxy de l’activité noradrénergique centrale22,23,24,25,26.

L’activation asymétrique des branches trigeminales sensorimotrices induit des asymétries pupilles (anisocoria)27,28, confirmant la force de la connexion trigemino-coerulear. Si le LC participe aux effets stimulants de la mastication sur la performance cognitive, il peut affecter la mydriase liée à la tâche parallèle, qui est un indicateur de l’activation phasique LC au cours d’une tâche. Il peut également affecter les performances, de sorte qu’une corrélation peut être attendue entre les changements induits par la mastication dans les performances et la mydriase. En outre, si les effets trigéminaux sont spécifiques, les effets de mastication devraient être plus grands que ceux suscités par une autre tâche motrice rythmique. Afin de tester ces hypothèses, deux protocoles expérimentaux sont présentés par la présente. Ils sont basés sur des mesures combinées de la performance cognitive et de la taille de la pupille, effectuées avant et après une courte période d’activité de mastication. Ces protocoles utilisent un test consistant à trouver des nombres cibles affichés dans des matrices oriques attentives29, ainsi que des nombres non ciblés. Ce test vérifie les performances attentives et cognitives.

L’objectif global de ces protocoles est d’illustrer que la stimulation trigéninale provoque des changements spécifiques dans la performance cognitive, qui ne peuvent pas être attribués spécifiquement à la génération de commandes motrices et sont liés à des changements liés aux pupilles dans l’indice LC-mediated Excitation. Les applications des protocoles s’étendent à toutes les conditions comportementales dans lesquelles les performances peuvent être mesurées et la participation du LC est suspectée.

Protocol

Toutes les étapes suivent les directives du Comité d’éthique de l’Université de Pise. 1. Recrutement des participants Recruter une population de sujets selon l’objectif spécifique de l’étude (c.-à-d. les sujets normaux et/ou les patients, les hommes et/ou les femmes, les jeunes et/ou les aînés). 2. Préparation des matériaux Préparer une boulette molle; utiliser du chewing-gum disponible dans le commerce(Tableau des maté…

Representative Results

La figure 4 montre un exemple représentatif des résultats obtenus lorsque le protocole 1 a été appliqué à un seul sujet (46 ans, femme). L’IP a été augmenté peu de temps après avoir mâché (T7) à la fois un dur (de 1,73 engourdi/s à 2,27 engourdissement/s) et une pastille molle (de 1,67 engourdi/s à 1,87 engourdi/s) (Figure 4A). Cependant, 30 min plus tard (T37), les performances accrues n’ont persisté que pour le granule dur. D’a…

Discussion

Les protocoles présentés dans cette étude traitent des effets aigus de l’activité trigéninale sensorimotrice sur la performance cognitive et le rôle du LC dans ce processus. Ce sujet a une certaine pertinence, étant donné que 1) pendant le vieillissement, la détérioration de l’activité masticale est en corrélation avec la carie cognitive32,33,34; les personnes qui préservent la santé buccodentaire sont moins sujett…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

La recherche a été soutenue par des subventions de l’Université de Pise. Nous remercions M. Paolo Orsini, M. Francesco Montanari et Mme Cristina Pucci pour leur précieuse assistance technique, ainsi que la société I.A.C.E.R. S.r.L. pour avoir soutenu le Dr Maria Paola Tramonti Fantozzi avec une bourse. Enfin, nous remercions l’entreprise OCM Projects d’avoir préparé des granulés durs et d’avoir effectué des mesures constantes de dureté et de printemps.

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
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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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