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In diesem Artikel

  • Zusammenfassung
  • Zusammenfassung
  • Einleitung
  • Protokoll
  • Ergebnisse
  • Diskussion
  • Offenlegungen
  • Danksagungen
  • Materialien
  • Referenzen
  • Nachdrucke und Genehmigungen

Zusammenfassung

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.

Zusammenfassung

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.

Einleitung

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.

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Protokoll

Alle Schritte folgen den Richtlinien des Ethikausschusses der Universität Pisa.

1. TeilnehmerRekrutierung

  1. Rekrutieren Sie eine Fachpopulation gemäß dem spezifischen Ziel der Studie (d. h. normale Probanden und/oder Patienten, Männer und/oder Frauen, Jugendliche und/oder Ältere).

2. Materialaufbereitung

  1. Bereiten Sie ein weiches Pellet vor; verwenden Sie handelsübliche Kaugummi (Tabelle der Materialien; Anfangshärte = 20 Shore OO).
  2. Bereiten Sie ein hartes Pellet; Verwenden Sie Siliziumkautschukpellets (Materialtabelle; konstante Härte = 60 Shore OO)30.
  3. Bereiten Sie einen Anti-Stress-Ball für eine Handgriff-Aufgabe vor. Verwenden Sie eine Ausschaumkugel aus Polyurethan (Tisch aus Materialien; konstante Härte = 30 Shore OO)30.
  4. Bereiten Sie ein Tangram-Puzzle(Tabelle der Materialien; Anzahl der Stücke = sieben) für die Durchführung der haptischen Aufgabe.

3. Flussdiagramm des Experiments

  1. Flussdiagramm des Protokolls 1
    1. Bewerten Sie die Ausgangsleistung (siehe Abschnitt 4.1) im kognitiven (Matrizen)-Test (T0, Kontrolle).
    2. Bewerten Sie die Pupillengröße (siehe Abschnitt 4.2) im Ruhezustand (keine Aktivität vom Fach angefordert) (T0, Kontrolle).
    3. Bewerten Sie die Pupillengröße während einer haptischen Aufgabe basierend auf Tangram (T0, Steuerung).
      1. Entfernen Sie eines der Teile aus dem Puzzle und legen Sie es in die Hand des Motivs.
      2. Bitten Sie das Motiv, das Puzzle wieder in das Puzzle zu stecken, ohne auf das Puzzle zu schauen.
    4. Bitten Sie jeden Untertan, drei spezifische Aktivitäten für 2 min durchzuführen oder 2 min ruhe, gemäß den Schritten 3.1.4.1–3.1.4.4. Bitten Sie die Probanden, diese Aktivitäten in separaten Sitzungen durchzuführen, die an verschiedenen Tagen (2–3 Tage zwischen den Sitzungen) stattfinden.
      1. Bitten Sie das Subjekt, ein selbstverwaltetes weiches Pellet für 2 min zu kauen, so dass er/sie spontan sowohl die Rate des Kauens als auch die Seite des Mundes wählen kann, auf der er kauen soll. Nach 1 min Kauen, bitten Sie ihn/ sie, die Kauseite (und das Pellet) zu wechseln.
      2. Bitten Sie das Subjekt, ein selbst verabreichtes Hartpellet für 2 min zu kauen. Nach 1 min, bitten Sie ihn/ sie, die Kauseite (aber nicht das Pellet) zu wechseln.
      3. Bitten Sie das Subjekt, ein rhythmisches Quetschen eines Anti-Stress-Balls (Handgrip-Übung) für 2 min mit der Rate und auf der Hand ihrer Wahl durchzuführen. Nach 1 min bitten Sie das Subjekt, die Hände zu wechseln.
      4. Bitten Sie das Betroffene, sich 2 Min. auszuruhen (keine Aktivität).
    5. Bewerten Sie kurz nach dem Ende jedes Schritts (3.1.4.1–3.1.4.4) die Leistung im Matrizentest und die Pupillengröße im Ruhezustand und während der haptischen Aufgabe (T7).
      HINWEIS: Der Begriff "ruhe" bedeutet, dass das Thema während der Pupillengrößenmessung entspannend ist. Der Begriff "während der haptischen Aufgabe" bedeutet, dass das Subjekt während der Pupillengrößenmessung die Aufgabe auf der Grundlage von Tangram ausführt.
    6. 30 Minuten nach dem Ende jedes Schritts (3.1.4.1–3.1.4.4) bewerten Sie die Leistung und die Pupillengröße im Ruhezustand und während der haptischen Aufgabe (T37).
  2. Flussdiagramm des Protokolls 2
    1. Bewerten Sie die Pupillengröße, während das Fach ruht (T0, Kontrolle; siehe Abschnitt 4.3).
    2. Bewerten Sie die Ausgangsleistung im kognitiven (Matrizen)-Test, während Gleichzeitig die Pupillengröße (T0, Kontrolle) getestet wird.
    3. Bitten Sie jeden Untertan, drei spezifische Aktivitäten für 2 min durchzuführen oder 2 min ruhe, gemäß den Schritten 3.2.3.1–3.2.3.4. Bitten Sie die Probanden, diese Aktivitäten in separaten Sitzungen durchzuführen, die an verschiedenen Tagen (2–3 Tage zwischen den Sitzungen) stattfinden.
      1. Bitten Sie das Subjekt, ein selbstverwaltetes weiches Pellet für 2 min zu kauen, so dass er/sie spontan sowohl die Rate des Kauens als auch die Seite des Mundes wählen kann, auf der er kauen soll. Nach 1 min Kauen, bitten Sie ihn/ sie, die Kauseite (und das Pellet) zu wechseln.
      2. Bitten Sie das Subjekt, ein selbst verabreichtes Hartpellet für 2 min zu kauen. Nach 1 min, bitten Sie ihn/ sie, die Kauseite (aber nicht das Pellet) zu wechseln.
      3. Bitten Sie das Subjekt, ein rhythmisches Quetschen eines Anti-Stress-Balls (Handgrip-Übung) für 2 min mit der Geschwindigkeit und auf der Seite ihrer Wahl durchzuführen. Nach 1 min bitten Sie das Subjekt, die Hände zu wechseln.
      4. Bitten Sie das Motiv, sich zu entspannen (keine Aktivität) für 2 min.
    4. Bewerten Sie kurz nach dem Ende jedes Schritts (Schritte 3.2.3.1–3.2.3.4) die Ruhe- und Leistungs- und Schülergröße der Schüler im Matrizentest (T7).
    5. Dreißig Minuten nach dem Ende jedes Schritts (Schritte 3.2.3.1–3.2.3.4) bewerten Sie die Ruhe- und Leistungs- und Schülergröße der Schüler im Matrizentest (T37).

4. Gemessene Variablen in den Protokollen 1 und 2

  1. Kognitive Leistung
    HINWEIS: Messen Sie in den Beiden Protokollen 1 und 2 die kognitive Leistungsfähigkeit anhand eines Tests, der auf einer modifizierten Version des Spinnler-Tognoni-Numeriktests29basiert.
    1. Zeigen Sie drei numerische Matrizen (10 x 10) auf Papier für das Motiv gedruckt. Fragen Sie dann den Betreffenden, die Matrixlinien sequenziell zu scannen, während Sie mit einem Bleistift so viele der Zielzahlen wie möglich (60 Ziele von insgesamt 300 angezeigten Zahlen) innerhalb von 15 s ankreuzen (Abbildung 1).
    2. Verwenden Sie Matrizen mit unterschiedlichen Positionen der Zielzahlen bei T0, T7 und T37, um die Einführung von Störfaktoren im Zusammenhang mit Lernprozessen zu vermeiden.
    3. Bewerten Sie offline den Leistungsindex (PI), die Scanrate (SR) und die Fehlerrate (ER) wie folgt: PI = (Zielzahlen unterstrichen in 15 s)/15; SR = (Ziel + Nicht-Zielzahlen in 15 s gescannt)/15; ER = (Zielzahlen verfehlt + Nicht-Zielzahlen in 15 s unterstrichen)/15.
  2. Schülergröße im Protokoll 1
    1. Bereiten Sie das Fach für die Pupillengrößenmessung mit einem Hornhauttopographen-Schülerlographen(Tabelle der Materialien), der das Sehen der Umwelt verhindert, mit einem der folgenden beiden Erfassungsverfahren vor.
      1. Nehmen Sie eine einzelne Kameraaufnahme des Schülers auf (Abbildung 2A,B) mit einer konstanten Beleuchtungsstärke von 40 Lux, indem Sie die spezifische Taste am Hornhauttopographen-Schüler-Pupillographen drücken. Halten Sie einen optimalen Arbeitsabstand von 56 mm zwischen Kamera und Pupille.
        HINWEIS: Eine einzige Messung ist aufgrund der geringen Variabilität der Pupillengröße bei konstanter Beleuchtung ausreichend.
      2. Führen Sie eine kontinuierliche Aufzeichnung des Pupillen (Abtastrate = 5 Hz; Abbildung 2C,D) in der kontinuierlichen Erfassungsmodalität. Entsorgen Sie die ersten 20-50 Messungen (4–10 s), da während dieses Zeitablaufs der Pupillendurchmesser wächst (die Erfassung beginnt mit dem Abschalten der Schülerbeleuchtung bei 40 Lux). Durchschnittlich die restlichen Messungen.
    2. Erfassen Sie die Pupillengröße der linken und rechten Augen getrennt im Ruhezustand (Schritte 3.1.2, 3.1.5 und 3.1.6).
    3. Schülergröße während der haptischen Aufgabe aufzeichnen (Schritte 3.1.3, 3.1.5 und 3.1.6; links und rechts getrennt). Wenn Sie die Einzelschuss-Modalität (Schritt 4.2.1.1) verwenden, erfassen Sie das Foto während der zweiten von zwei Aufgabenwiederholungen, zu Beginn der Rätseloberflächenerkundung. Starten Sie im kontinuierlichen Aufnahmemodus (Schritt 4.2.1.2) die Erfassung, wenn das Puzzleteil in die Hand des Motivs gelegt wurde.
    4. Bewerten Sie die linke und rechte Pupillengröße im Ruhezustand und während der haptischen Aufgabe durch direkte Erfassung der von der Software angezeigten Werte (in mm). Berechnen Sie die aufgabenbezogene Mydriasis, indem Sie die ruhende Pupillengröße von der Pupillengröße während der haptischen Aufgabe subtrahieren und alle durchschnittlichen Links-Rechts-Werte abrufen.
  3. Schülergröße im Protokoll 2
    1. Bereiten Sie das Motiv mit einem tragbaren Pupillenmesser/Augentracker(Abbildung 3A), der mit einer 3D-gedruckten Glasrahmenstruktur ausgestattet ist, mit dem folgenden Verfahren auf die Pupillengrößenmessung vor.
      1. Lassen Sie das Fach das tragbare Pupillometer tragen. Stellen Sie die Position der beiden Infrarotkameras (Abbildung 3A-2,3), die auf Balken aus dem Rahmen (Materialtabelle) montiert sind, so einstellen, dass sich die Augen innerhalb des Sichtfeldes der Kameras und im Fokus befinden.
      2. Erfassen Sie Bilder der Schüler (Abtastrate = 120 Hz), die online von der mit dem tragbaren Pupillmesser gelieferten Software verarbeitet werden und einen Pupillendurchmesser (in mm) mit einem geometrischen Modell des "durchschnittlichen" menschlichen Augenglases liefern. Ignorieren Sie Blinkartefakte.
      3. Zeichnen Sie die Umgebungsbeleuchtung kontinuierlich auf, indem Sie einen kalibrierten logarithmischen Lichtsensor auf dem tragbaren Pupillometerrahmen aufzeichnen. Verwenden Sie eine frontale RGB-Kamera, die auf dem tragbaren Pupillometer(Abbildung 3A-1) montiert ist, um das Betrefffeld (Samplingrate = 30 Hz) aufzuzeichnen, das zum Untersuchen des Blickverhaltens nützlich ist.
    2. Gleichzeitig die Größe der beiden ruhenden Schüler für 20 s aufzeichnen (Abbildung 3B).
    3. Zeichnen Sie die Größe der Schüler auf, während das Fach den Spinnler-Tognoni-Test durchführt, sodass die Schülergröße und die kognitive Leistung gleichzeitig aufgezeichnet werden (Schritte 3.2.2, 3.2.4 und 3.2.5).
    4. Bewerten Sie die linke und rechte Pupillengröße im Ruhezustand und während des Spinnler-Tognoni-Tests, indem Sie die erfassten Werte (n = 2.400) für jeden Schüler durchschnittlich bewerten. Berechnen Sie die aufgabenbezogene Mydriasis, indem Sie die ruhende Pupillengröße von der Pupillengröße während des Matrizentests und dann alle durchschnittlichen Links-Rechts-Werte subtrahieren.
  4. Gaze-Position
    HINWEIS: Rekonstruieren Sie online den Fixierungspunkt anhand der Bilder der beiden Schüler aus Abschnitt 4.3. Verarbeiten Sie die erworbenen Rahmen in Echtzeit und schätzen Sie den Blickfixationspunkt mit einer zuvor berechneten Übertragungsfunktion31 spezifisch für jedes Motiv, das den Eyetracker trägt.
    1. Bei Bedarf rekonstruieren Sie bei der Ausführung von Protokoll 2 die Blickposition aus den Pupillenbildern. Fügen Sie dazu vier computerdetekierbare Bildmarker (ArUco- oder AprilTag-Bibliotheken der Instrumentensoftware) zu vier Ecken des Matrizenblatts hinzu, das in Abschnitt 4.1 verwendet wird.
    2. Erlauben Sie dem Kalibriersystem (eingebettet in die Eyetracker-Software wie für das verwendete Pupillen-Headset), die Daten zu erfassen und die Parameter der Übertragungsfunktion auszuwerten, die den Fixationspunkt abbilden, ausgehend von Bildern der beiden Schüler. Bitten Sie das Subjekt beispielsweise, eine vordefinierte Abfolge von Punkten zu betrachten, die in seinem Sichtfeld (d. h. den vier Ecken des Matrizenblatts und in der Mitte des Blattes selbst) angezeigt werden und gleichzeitig von der zusätzlichen RGB-Kamera aufgezeichnet werden, die auf dem Rahmen montiert ist und dem Sichtfeld zugewandt ist.
    3. Zeichnen Sie die Pupillengröße während des Matrizentests auf.
    4. Berechnen Sie die Offline-Blickposition, die als Markierung auf jedem Frame des Sichtfelds des Motivs angezeigt wird. Verwenden Sie die vier Markierungen, um die Blickposition über die Matrizen über Rahmen hinweg zu verfolgen.

5. Statistische Analyse

  1. Analysieren Sie die Pupillengröße im Ruhezustand und während der Aufgabe, aufgabeninduzierte Mydriasis, PI, SR und ER unter vier Bedingungen (keine Aktivität, Handgriff, Softpellet, Hartpellet) dreimal (T0, T7, T37) mit wiederholten Messgrößen ANOVA und Statistik-Softwarepaket.
  2. Analysieren Sie Änderungen von Variablen in Bezug auf Basiswerte (T0) unter vier Bedingungen (keine Aktivität, Handgriff, Weichepellet, Hartpellet) für zwei Mal (T7, T37) mit wiederholten Measures ANOVA.
  3. Wenn die Software beim Ausführen von ANOVA angibt, dass die Datenverteilung nicht kugelförmig ist, nehmen Sie den p-Wert, der der Greenhouse-Geisser-Korrektur entspricht, aus der ausgegebenen Statistiktabelle.
  4. Korrelieren Sie die Leistungsveränderungen (PI, SR, ER) bei T7 und T37 mit denen, die bei der aufgabenbezogenen Mydriasis durch lineare Regressionsanalyse beobachtet wurden.

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Ergebnisse

Abbildung 4 zeigt ein repräsentatives Beispiel für die Ergebnisse, die bei der Anwendung von Protokoll 1 auf ein einzelnes Subjekt (46 Jahre alt, weiblich) erzielt wurden. PI wurde kurz nach dem Gekauten (T7) sowohl ein hartes (von 1,73 Taubung/s auf 2,27 Numb/s) als auch ein weiches Pellet (von 1,67 numb/s auf 1,87 numb/s) erhöht (Abbildung 4A). 30 min später (T37) hielt die Leistungssteigerung jedoch nur für das harte Pellet an. Andererse...

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Diskussion

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...

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Offenlegungen

Die Autoren haben nichts zu verraten.

Danksagungen

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.

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Materialien

NameCompanyCatalog NumberComments
Anti-stress ballArtengo, Decathlon, FranceTB600
Chewing gumVigorsol, Perfetti, ItalyCommercially available product
Infrared Camera-Wearable pupillometerPupil Labs, Berlin, GermanyPupil Labs headset
PupillographerCSO, Florence, ItalyMOD i02, with chin support
Silicon rubberProchima, Italygls50
Software for pupil detection - wearable pupillometerPupil Labs, Berlin, GermanyPupil Labs headset
Tangram PuzzleCittà del Sole srl, Milano, ItalyTangram Puzzle
Wearable pupillometerPupil Labs, Berlin, GermanyPupil labs modelDimension of the frame: 13.5 cm x 15.5 cm

Referenzen

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