Beurteilung von schülergebundenen Veränderungen in Locus Coeruleus-vermittelter Erregung, die durch Trigeminusstimulation ausgelöst wird
Summary
Um zu überprüfen, ob trigeminale Auswirkungen auf die kognitive Leistungsfähigkeit eine Locus coeruleus-Aktivität beinhalten, werden zwei Protokolle vorgestellt, die darauf abzielen, mögliche Korrelationen zwischen der Leistung und aufgabenbezogenen Pupillengrößenänderungen, die durch Das Kauen induziert werden, zu bewerten. Diese Protokolle können auf Bedingungen angewandt werden, unter denen der Beitrag des Locus coeruleus vermutet wird.
Abstract
Aktuelle wissenschaftliche Literatur liefert Beweise dafür, dass trigeminale sensorimotorische Aktivität im Zusammenhang mit DemKauen Erregung beeinflussen kann, Aufmerksamkeit, und kognitive Leistungsfähigkeit. Diese Effekte können auf weit verbreitete Verbindungen des Trigeminussystems mit dem aufsteigenden retikulären Aktivierungssystem (ARAS) zurückzuführen sein, zu dem noradrerge Neuronen des Locus coeruleus (LC) gehören. LC-Neuronen enthalten Projektionen auf das gesamte Gehirn, und es ist bekannt, dass ihre Entladung mit der Pupillengröße variiert. Die LC-Aktivierung ist notwendig, um eine aufgabenbezogene Mydriasis auszulösen. Wenn Kaueffekte auf die kognitive Leistung durch den LC vermittelt werden, ist es vernünftig zu erwarten, dass Veränderungen in der kognitiven Leistungsfähigkeit mit Veränderungen der aufgabenbezogenen Mydriasis korrelieren. Zwei neuartige Protokolle werden hier vorgestellt, um diese Hypothese zu überprüfen und zu dokumentieren, dass Kaueffekte nicht auf eine bestimmte motorische Aktivierung zurückzuführen sind. In beiden Protokollen werden Leistungs- und Pupillengrößenänderungen, die bei bestimmten Aufgaben beobachtet wurden, vor, kurz darauf und eine halbe Stunde nach einer 2-min-Periode von entweder: a) keine Aktivität, b) rhythmischer, bilateraler Handgriff, c) bilaterales Kauen von weichem Pellet und d) bilaterales Kauen von hartem Pellet. Das erste Protokoll misst die Leistung beim Erkennen von Zielnummern, die in numerischen Matrizen angezeigt werden. Da Schülergrößenaufzeichnungen von einem geeigneten Pupillenmesser aufgezeichnet werden, das das Sehen behindert, um eine konstante Beleuchtung simatiert zu haben, wird die aufgabenbedingte Mydriasis während einer haptischen Aufgabe ausgewertet. Die Ergebnisse dieses Protokolls zeigen, dass 1) kauende Veränderungen der Leistung und aufgabenbedingte Mydriasis korreliert sind und 2) weder Leistung noch Mydriasis durch Handgrip verbessert werden. Im zweiten Protokoll ermöglicht die Verwendung eines tragbaren Pupillometers die Messung von Änderungen der Pupillengröße und der Leistung während der gleichen Aufgabe, wodurch noch stärkere Beweise für die LC-Beteiligung an den trigeminalen Auswirkungen auf die kognitive Aktivität gewonnen werden können. Beide Protokolle wurden im historischen Büro von Prof. Giuseppe Moruzzi, dem Entdecker von ARAS, an der Universität Pisa betrieben.
Introduction
Beim Menschen, Es ist bekannt, dass Kauen beschleunigt kognitive Verarbeitung1,2 und verbessert Erregung3,4, Aufmerksamkeit5, Lernen, und Gedächtnis6,7. Diese Effekte sind mit der Verkürzung der Latenzen kortikaler ereignisbezogener Potentiale8 und einer Zunahme der Perfusion mehrerer kortikaler und subkortikaler Strukturenverbunden 2,9.
Innerhalb der Hirnnerven werden die relevantesten Informationen zur aufrechterhaltung der kortikalen Desynchronisation und Erregung von Trigeminusfasern10getragen, wahrscheinlich aufgrund starker trigeminaler Verbindungen zum aufsteigenden Retikuliv-Aktivierungssystem (ARAS)11. Unter arAS Strukturen erhält der locus coeruleus (LC) trigeminale Eingänge11 und moduliert Erregung12,13, und seine Aktivität kovariiert mit Pupillengröße14,15,16,17,18. Obwohl der Zusammenhang zwischen LC-Ruheaktivität und kognitiver Leistungsfähigkeit komplex ist, führt die aufgabenbedingte Verbesserung der LC-Aktivität zu erregungsassoziierter 19-Schüler-Mydriasis20 und verbesserter kognitiver Leistung21. Es gibt eine zuverlässige Kovariation zwischen LC-Aktivität und Pupillengröße, und letztere wird derzeit als Stellvertreter der zentralen noradrenergen Aktivität22,23,24,25,26betrachtet.
Die asymmetrische Aktivierung sensorimotorischer trigeminaler Zweige induziert Pupilleasymmetrien (Anisocoria)27,28, was die Stärke der Trigemino-Coerulear-Verbindung bestätigt. Wenn der LC an den stimulierenden Auswirkungen des Kauens auf die kognitive Leistungsfähigkeit teilnimmt, kann es eine parallele aufgabenbedingte Mydriasis beeinflussen, die ein Indikator für die phasische Aktivierung von LC während einer Aufgabe ist. Es kann auch die Leistung beeinflussen, so dass eine Korrelation zwischen Kau-induzierten Veränderungen in der Leistung und Mydriasis erwartet werden kann. Darüber hinaus, wenn trigeminale Effekte spezifisch sind, Kaueffekte sollten größer sein als die, die durch eine andere rhythmische motorische Aufgabe ausgelöst werden. Um diese Hypothesen zu testen, werden zwei experimentelle Protokolle vorgestellt. Sie basieren auf kombinierten Messungen der kognitiven Leistungsfähigkeit und der Pupillengröße, die vor und nach einer kurzen Phase der Kauaktivität durchgeführt werden. Diese Protokolle verwenden einen Test, der darin besteht, Zielnummern zu finden, die in numerischen aufmerksamen Matrizen29angezeigt werden, zusammen mit Nicht-Zielzahlen. Dieser Test überprüft aufmerksame und kognitive Leistungsfähigkeit.
Das übergeordnete Ziel dieser Protokolle ist es, zu veranschaulichen, dass die trigeminuste Stimulation spezifische Veränderungen in der kognitiven Leistungsfähigkeit hervorruft, die nicht speziell auf die Generierung von Motorbefehlen zugeschrieben werden können und mit schülergebundenen Veränderungen in LC-vermittelten Erregung. Anwendungen der Protokolle erstrecken sich auf alle Verhaltensbedingungen, unter denen die Leistung gemessen werden kann und die Beteiligung des LC vermutet wird.
Protocol
Representative Results
Discussion
Die in dieser Studie vorgestellten Protokolle befassen sich mit den akuten Auswirkungen der sensorimotorischen trigeminalen Aktivität auf die kognitive Leistungsfähigkeit und die Rolle des LC in diesem Prozess. Dieses Thema hat eine gewisse Relevanz, wenn man bedenkt, dass 1) während des Alterns, die Verschlechterung der Kauaktivität korreliert mit kognitiven Zerfall32,33,34; Menschen, die Mundgesundheit bewahren, sind wenig…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Die Forschung wurde durch Stipendien der Universität Pisa unterstützt. Wir danken Herrn Paolo Orsini, Herrn Francesco Montanari und Frau Cristina Pucci für wertvolle technische Unterstützung sowie der Firma I.A.C.E.R. S.r.L. für die Unterstützung von Dr. Maria Paola Tramonti Fantozzi mit einem Stipendium. Abschließend danken wir der Firma OCM Projects für die Zubereitung von harten Pellets und die Durchführung von Härte- und Federkonstantmessungen.
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).
