Name: disruption of frontal lobe neural synchrony during cognitive control by alcohol intoxication
Uploaded: 2019-02-06T15:00:00
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Ce travail a été soutenu par le National Institutes of Health (R01-AA016624). Nous sommes reconnaissants à m. Sanja Kovacevic pour son importante contribution.

Ce protocole expérimental a été approuvé par le Comité de Protection des sujets humains à l’Université de Californie, San Diego.
1. human Subjects
<ol><li>Recruter des volontaires adultes sains droitiers, d’obtenir leur consentement et leur écran sur les critères d’inclusion/exclusion. Remarque : Dans cette étude, vingt personnes jeunes et en bonne santé (± écart-type [SD] âge moyen = 25,3 ± 4,4 ans) dont 8 femmes ont été recrutées qui boivent ave...

Le multimodal méthode utilisée dans cette étude d’imagerie comprend des sources modélisation du signal temporel précis MEG ainsi que les contraintes spatiales d’inverses estimations tirées de MRI structurelle de chaque participant. L’approche de l’aMEG combine les points forts de ces techniques pour donner un aperçu des étapes spatio-temporelle de la dynamique oscillatoire et l’intégration à long terme favorisant le contrôle cognitif. Cette méthode offre une plus grande précision temporelle que les...

L’objectif général de cette étude est d’examiner les effets d’une intoxication alcoolique aiguë sur changements spatio-temporels dans la dynamique oscillatoire de cerveau et l’intégration fonctionnelle à long terme au cours du contrôle cognitif. Le travailleur multimodal d’imagerie approche combine magnétoencéphalographie (MEG) et structurels d’imagerie par résonance magnétique (IRM) pour donner un aperçu de la base neurale de prise de décision avec une grande précision temporelle et au niveau d’un système interactif.
Comportement flexible permet de s’adapter à l’évolution des exigences contextuelles et de basculer stratégiquement entre différentes tâches et exigences en accord avec ses intentions et objectifs. La capacité de supprimer les réponses automatiques en faveur des actions objectif pertinent mais non habituelle est un aspect essentiel du contrôle cognitif. Une preuve abondante donne à penser qu’il est effectué par un réseau cortical prédominance frontal, avec le cortex cingulaire antérieur (CCA) comme un point nodal dans ce réseau interactif1,2,3,4. Alors que la connectivité anatomique abondante entre le CAC et le cortex frontal latéral est bien décrit5,6, les caractéristiques fonctionnelles de la communication entre ces régions au cours du contrôle cognitif, la sélection de la réponse et exécution, sont mal compris.
Le conflit très influent théorie7,8 de surveillance propose que contrôle cognitif résulte d’une interaction dynamique entre le cortex préfrontal médial et latéral. Ce compte prétend que l’ACC surveille le conflit entre les représentations concurrentes et engage le cortex préfrontal latéral (latPFC) à mettre en œuvre le contrôle de la réponse et optimiser les performances. Toutefois, ce compte repose principalement sur les études de MRI (IRMf) fonctionnelles en utilisant le signal de niveau (BOLD) dépendant sang oxygénation. Le signal IRMf-BOLD est un outil de cartographie spatiale excellent, mais sa résolution temporelle est limitée parce qu’il reflète les modifications hémodynamiques régionale médiées par un couplage neurovasculaire. Par conséquent, les modifications de signal "BOLD" se déroulent sur une beaucoup plus lente échelle de temps (en secondes) que le sous-jacent des événements neuronaux (en millisecondes)9. En outre, le signal "BOLD" est sensible à effets vasoactifs10 de l’alcool et ne représente pas exactement l’ampleur des changements neurones, qui le rend moins approprié pour l’étude de l’intoxication alcoolique aiguë. Par conséquent, l’interaction présumée entre le cortex préfrontal médial et latéral et sa sensibilité à l’alcool intoxication besoin d’être examinée par des méthodes qui enregistrent les événements neurones de manière précise dans le temps. MEG a une excellente résolution temporelle, puisqu’elle reflète directement les courants postsynaptiques. La méthodologie de MEG (aMEG) contraint anatomiquement employée ici est une approche multimodale qui combine distribué de modélisation de la source du signal MEG avec IRM structurelle. Elle permet l’estimation où que les boisson-liées au conflit et cerveau oscillatoire changements se produisent et de comprendre la séquence temporelle (« quand ») des éléments neurones impliqués.
Prise de décision s’appuie sur les interactions entre les régions du cerveau distribués qui sont dynamiquement engagées pour faire face à des exigences accrues sur contrôle cognitif. Estimer les changements liés à l’événement en synchronie à longue distance entre les deux régions corticales consiste à calculer leur phase de couplage comme indice de leurs oscillations co11,12. La présente étude appliqué une analyse à verrouillage de phase pour tester le principe fondamental du conflit suivi théorie en examinant les interactions co-oscillatory entre le CAC et le latPFC. Oscillations neurales dans gamme thêta (4-7 Hz) sont associées à contrôle cognitif et ont été proposées comme un mécanisme fondamental soutenant la synchronisation à distance nécessaire pour un traitement cognitif vertical13,14, 15,16. Ils sont générés dans les zones préfrontal en fonction de la difficulté de la tâche et sont considérablement atténués par aiguë d’alcool intoxication17,18,19,20.
Consommation d’alcool excessive à long terme est associée à une variété de déficits cognitifs avec circuit préfrontal étant particulièrement touchées21,22. Une intoxication alcoolique aiguë est préjudiciable au contrôle cognitif dans les conditions de difficulté accrue, ambiguïté ou ceux qui induisent la réponse incompatibilité17,23,24. En affectant la prise de décisions, l’alcool peut-être interférer avec le comportement ciblé, peut entraîner mauvaise maîtrise de soi et la consommation accrue d’alcool et peut aussi contribuer au trafic - ou liées au travail risques25,26,27 . La présente étude utilise une approche aMEG pour mesurer l’activité oscillatoire en bande thêta et synchronisme entre les principaux domaines exécutifs avec une excellente résolution temporelle. Les effets de l’alcool sur l’activité thêta et co oscillations entre le CAC et le latPFC sont examinés en fonction du conflit suscité par la tâche d’interférence de Stroop. Nous émettons l’hypothèse qu’accrue des exigences cognitives sont associées à une plus grande synchronie fonctionnelle et ce dérèglement induite par l’alcool de l’activité synchrone de la cortex préfrontal médial et latéral sous-tend des déficiences dans le contrôle cognitif.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" style="width:871px;" width="873">
	<tbody>
		<tr height="40">
			<td height="40" style="height:40px;width:222px;">Elekta Neuromag</td>
			<td style="width:125px;">Elekta</td>
			<td style="width:354px;"></td>
			<td style="width:171px;">Magnetoencephalography system</td>
		</tr>
		<tr height="40">
			<td height="40" style="height:40px;">1.5 T GE EXCITE HG</td>
			<td>General Electric</td>
			<td></td>
			<td>Magnetic Resonance Imaging scanner</td>
		</tr>
		<tr height="40">
			<td height="40" style="height:40px;">Gold Cup Electrodes</td>
			<td>OpenBCI</td>
			<td></td>
			<td>Electroencephalography electrodes for optional simultaneous EEG recording</td>
		</tr>
		<tr height="40">
			<td height="40" style="height:40px;">Prep Check Impedance Meter</td>
			<td>General Devices</td>
			<td></td>
			<td>Check electrode impedances</td>
		</tr>
		<tr height="40">
			<td height="40" style="height:40px;">HPI Coils</td>
			<td>Elekta</td>
			<td></td>
			<td>Head position indicator coils for co-registration</td>
		</tr>
		<tr height="40">
			<td height="40" style="height:40px;">Alcotest</td>
			<td>Draeger</td>
			<td></td>
			<td>Breathalyzer</td>
		</tr>
		<tr height="40">
			<td height="40" style="height:40px;">Fiber Optic Response Pad</td>
			<td>Current Designs, Inc</td>
			<td></td>
			<td>MEG-compatible response pad</td>
		</tr>
		<tr height="40">
			<td height="40" style="height:40px;">Grey Goose Vodka</td>
			<td>Bacardi</td>
			<td></td>
			<td>Vodka is used during the alcohol session</td>
		</tr>
		<tr height="40">
			<td height="40" style="height:40px;">Orange Juice</td>
			<td>Naked</td>
			<td></td>
			<td>Orange juice is used as the beverage during the placebo session as well as mixed with vodka during the alcohol session</td>
		</tr>
		<tr height="40">
			<td height="40" style="height:40px;">Discover Drug Test Card</td>
			<td colspan="2">American Screening Corp</td>
			<td>Multi-screen drug test</td>
		</tr>
		<tr height="40">
			<td height="40" style="height:40px;">QED Saliva Alcohol Test</td>
			<td colspan="2">OraSure Technologies</td>
			<td>Saliva alcohol test</td>
		</tr>
		<tr height="40">
			<td height="40" style="height:40px;">Urine Hcg Test Strips</td>
			<td>Joylive</td>
			<td></td>
			<td>Pregnancy test</td>
		</tr>
		<tr height="40">
			<td height="40" style="height:40px;">Short Michigan Alcohol Screening Test</td>
			<td>Selzer et al., 1975</td>
			<td></td>
			<td>Alcoholism screening questionnaire</td>
		</tr>
		<tr height="40">
			<td height="40" style="height:40px;">Zuckerman Sensation Seeking Scale</td>
			<td>Zuckerman, 1971</td>
			<td></td>
			<td>Questionnaire: disinhibitory, novelty-seeking, and socialization traits</td>
		</tr>
		<tr height="40">
			<td height="40" style="height:40px;">Eysenck Impulsivity Inventory</td>
			<td colspan="2">Eysenck &#38; Eysenck, 1978</td>
			<td>Questionnaire: impulsivity traits</td>
		</tr>
		<tr height="40">
			<td height="40" style="height:40px;">Eysenck Personality Questionnaire</td>
			<td colspan="2">Eysenck &#38; Eysenck, 1975</td>
			<td>Questionnaire: personality traits</td>
		</tr>
		<tr height="40">
			<td height="40" style="height:40px;">Biphasic Alcohol Effects Scale&#160;</td>
			<td>Martin et al., 1993</td>
			<td></td>
			<td>Questionnaire: subjective experience of the effects of alcohol</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

disruption of frontal lobe neural synchrony during cognitive control by alcohol intoxication

Prise de décision s’appuie sur les interactions dynamiques de régions distribuées, essentiellement frontal du cerveau. Nombreux éléments de preuve des études d’imagerie de résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) indique que le cingulaire antérieur (ACC) et le cortex préfrontal latéral (latPFC) des nœuds essentiels favorisant le contrôle cognitif. Toutefois, en raison de sa résolution temporelle limitée, IRMf ne peut pas refléter le calendrier et la nature de leur interaction présumée. La présente étude combine source distribué modélisation du signal temporel précis magnétoencéphalographie (MEG) avec IRM structurelle sous forme de « films de cerveau » à : (1) estimation les aires corticales impliquées dans le contrôle cognitif (« où »), (2) caractérisent leur séquence temporelle (« quand ») et (3) quantifier la dynamique oscillatoire de leurs interactions neurales en temps réel. Interférence de Stroop a été associée à une plus grande puissance liées à l’événement thêta (4-7 Hz) de l’ACC pendant la détection de conflit suivie de sensibilité soutenue aux exigences cognitives dans l’ACC et latPFC lors de la préparation de l’intégration et de la réponse. Une analyse de verrouillage de phase a révélé des interactions co-oscillatory entre ces zones indiquant leur synchronie neuronale accrue dans la bande thêta pendant les essais incongrus inductrices de conflit. Ces résultats confirment que les oscillations thêta sont fondamentales pour la synchronisation à long terme nécessaire pour intégrer des influences de haut en bas au cours du contrôle cognitif. MEG reflète l’activité neurale directement, ce qui le rend adapté aux manipulations pharmacologiques contrairement aux IRMf qui est sensible aux vasoactifs confond. Dans la présente étude, des buveurs sociaux sains ont reçu une dose modérée d’alcool et le placebo dans une conception intra-sujet. Intoxication aiguë atténuée thêta pouvoir Stroop conflit et dysrégulation co oscillations entre le CAC et le latPFC, confirmant que l’alcool est nuisible à la synchronie neuronale favorisant le contrôle cognitif. Il interfère avec le comportement ciblé qui peut conduire à la maîtrise de soi déficiente, contribuant à une consommation compulsive. En somme, cette méthode peut fournir la perspicacité dans les interactions en temps réel au cours du traitement cognitif et peut caractériser la sensibilité sélective au défi pharmacologique à travers les réseaux de neurones.

Résultats comportements indiquent que la tâche de Stroop réussi à manipuler des interférences de réponse parce que la précision était le plus bas et les délais de la réponse la plus longue sur les essais incongrus (Figure 6). L’intoxication alcoolique abaissé de précision mais n’affecte pas le temps de réaction18.
La séquence spatio-temporelle de l’activit...

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Disruption of Frontal Lobe Neural Synchrony During Cognitive Control by Alcohol Intoxication

Perturbation du Lobe Frontal synchronie neuronale au cours du contrôle cognitif par l’intoxication alcoolique

Cette expérience utilise une méthode de magnétoencéphalographie anatomiquement sont limitées (aMEG) d’examiner la dynamique oscillatoire de cerveau et de la synchronie fonctionnelle à long terme au cours de l’engagement du contrôle cognitif en fonction d’une intoxication alcoolique aiguë.

Decision making relies on dynamic interactions of distributed, primarily frontal brain regions. Extensive evidence from functional magnetic resonance ...

La prise de décision est un processus dynamique et interactif qui a fait l’objet d’études approfondies grâce à l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle ou IRMF. L’évidence de neuroimaging indique que le cingulate antérieur et les cortices préfrontaux latéraux sont des nœuds essentiels dans ce réseau neural. Toutefois, en raison de sa résolution temporelle limitée, fmri ne peut pas refléter avec précision le moment et la nature de leur interaction en temps réel.La présente étude utilise une magnéto-et-électroencéphalographie anatomiquement contrainte ou méthode MEG, qui combine la modélisation de source distribuée du signal MEG avec l’IRM structurale formant des films de cerveau. Il nous permet d’examiner comment l’intoxication alcoolique aiguë affecte la prise de décision. Joe Happer et Burke Rosen, doctorants, et Laura Wagner, associée de recherche, démontreront cette procédure.Commencez par escorter le participant dans le laboratoire MEG pour exécuter une analyse de test. Mettez-les dans le scanner, et vérifiez les canaux pour la magnétisation possible. Ensuite, mesurez leur poids et faites-les souffler dans un alcootest électronique.Pour évaluer les changements dynamiques dans les effets subjectifs de l’alcool, informez le sujet qu’il évaluera ses sentiments momentanés et ses états sur une échelle normalisée avant de boire et à deux autres occasions au cours de l’expérience, au cours du membre ascendant et descendant de la bordure de concentration d’alcool dans l’haleine. Ensuite, administrer une course pratique de la tâche Stroop sur un ordinateur portable avec un logiciel de présentation de stimulus pour s’assurer que les participants comprennent la tâche avant l’enregistrement. Préparez la boisson alcoolisée en mélangeant de la vodka de qualité supérieure avec du jus d’orange réfrigéré, en fonction du sexe et du poids de chaque participant.Servir le même volume de jus d’orange dans des verres avec des jantes écouvillonnées avec de la vodka comme boisson placebo. Demandez au participant de consommer la boisson en environ 10 minutes. Ensuite, placez le bouchon EEG et l’électrooculogramme, EOG, électrodes sur la tête du participant.Vérifiez que toutes les impedances sont inférieures à 5 kiloohms. Fixez l’indicateur de position de la tête, HPI, bobines de chaque côté du front et derrière chaque oreille. Placez les cadres de référence sur la tête du participant.Endigitize positions des points fiducial, y compris la nasion et deux positions de points préauricular des bobines de HPI, électrodes d’EEG et obtiennent un grand nombre de points additionnels délimitant la forme de tête. Vérifiez la concentration d’alcool d’haleine du participant à l’alcootest, à partir de 15 minutes après avoir bu. Et puis, toutes les cinq minutes, jusqu’à ce qu’ils entrent dans la chambre d’enregistrement.Commencez par positionner confortablement le participant dans le scanner MEG. Étant donné que l’activité préfrontale est d’un intérêt particulier, assurez-vous que le participant est positionné de façon à ce que sa tête touche le haut du casque et soit alignée le long de l’avant. Ensuite, connectez les bobines HPI et le bouchon électro aux entrées respectives sur le scanner.Placez les plaquettes de réponse de sorte que les boutons puissent être pressés confortablement. Rappelez au participant de minimiser les clignotants et d’éviter les mouvements, y compris le mouvement de la tête causé par la conversation. Examinez tous les canaux pour les artefacts et mesurez la position de la tête dans le scanner.Ensuite, commencez l’acquisition de données et commencez la tâche. Étant donné que les appareils électroniques ne peuvent pas être utilisés dans la pièce blindée, passez à l’utilisation d’un test d’alcool salive qui consiste en un coton-tige saturé de salive et est inséré dans un réceptacle qui fournit une lecture. Une fois la tâche terminée, enregistrez les données et escortez le participant hors de la chambre d’enregistrement.Une fois que le participant est sorti du scanner, obtenez environ deux minutes de données de la pièce vide comme mesure du bruit instrumental. Ensuite, demandez au participant d’évaluer la difficulté perçue de tâche, le contenu de la boisson imbibe, la façon dont ils se sentaient intoxiqués, ainsi que leurs humeurs momentanées et leurs sentiments. Enfin, obtenez une IRM anatomique haute résolution de chaque participant et reconstruisez la surface corticale de chaque participant à l’aide d’un logiciel d’imagerie.Pendant le pré-traitement des données, utilisez un filtre à bande permissif et des données epuc dans des segments qui incluent des intervalles de rembourrage à chaque extrémité. Enlevez les canaux bruyants et plats ainsi que les essais contenant des artefacts par inspection visuelle et en utilisant le rejet basé sur le seuil. Ensuite, utilisez l’analyse indépendante des composants pour supprimer les artefacts du clignotement des yeux et du cœur.Éliminez les essais avec des réponses incorrectes. Ensuite, appliquez plus d’ondes laïces pour calculer le spectre de puissance complexe pour chaque essai en un seul incréments Hertz, quatrième bande de fréquence theta et supprimer tous les artefacts supplémentaires. Pour co-enregistrer les données MEG avec des images IRM, ouvrez le module de laboratoire d’IRM.Sélectionnez les données Fichier, Importation, Isotrak. Sélectionnez raw_data. fichier fif, et cliquez sur Faire des points.Sélectionnez ensuite Windows, Landmarks et cliquez sur Adjust Fiducial Landmarks jusqu’à ce que la co-enregistrement des données MEG et de l’IRM soit acceptable. Ensuite, créez des moyennes de groupe d’énergie de source theta liée à l’événement en transformant les estimations de chaque participant en une représentation corticale moyenne. Ensuite, pour visualiser les estimations de source sur une surface moyenne gonflée, ouvrez le logiciel MNE.Sélectionnez Fichier, Surface de charge et charge gonflée groupe moyenne surface corticale surfer gratuit. Il est suivi par la sélection de fichiers, gérer les superpositions, charger STC, Load Group Données moyennes et sélectionnez le fichier chargé à partir des superpositions disponibles. Ajustez le seuil d’échelle de couleur et cliquez sur Afficher.Visualisez les films cérébraux de la puissance de theta liée à l’événement et examinez les étapes spatiotemporales du traitement en identifiant les zones et les fenêtres de temps caractérisées par l’activation la plus élevée. Ensuite, créez des régions d’intérêt impartiales, le retour sur investissement, sur la base d’estimations moyennes globales du groupe. Pour incorporer les emplacements corticals avec la source la plus notable d’énergie, calculez les cours du temps pour chaque sujet, condition, et roi.Enfin, estimer les changements liés à la tâche dans la synchronisation à longue portée entre les foyers d’activation principaux de l’ACC et le PFC latéral en calculant la valeur de verrouillage de phase. Exprimer la valeur de verrouillage de phase au fur et à mesure que le pourcentage change par rapport à la ligne de base. Les résultats comportementaux indiquent que la tâche Stroop a manipulé avec succès l’interférence de réponse parce que la précision était la plus basse et les temps de réponse les plus longs sur les essais incongrus.L’intoxication alcoolique a réduit la précision, mais n’a pas affecté les temps de réaction. La puissance de theta liée à l’événement est la plus grande sur des essais incongrus, qui est compatible avec sa sensibilité aux demandes de conflit, particulièrement dans le cortex préfrontal. Toutefois, par rapport aux essais congruous, l’alcool diminue la puissance theta sur les essais incongrus sélectivement dans l’ACC et le PFC latéral.De plus, les cooscillations entre l’ACC et le PFC latéral varient d’un bout à l’autre du temps, avec une augmentation globale précoce des cooscillations au cours d’une phase de traitement de stimulation. Sous placebo, ceci est suivi d’une augmentation soutenue après environ 400 millisecondes sur des essais incongrus pendant l’étape d’intégration et de préparation de réponse. En revanche, l’intoxication alcoolique aiguë dysrégule ces cooscillations qui indiquent en outre la vulnérabilité des fonctions régulatives descendantes à l’alcool.Dans cette étude, nous avons estimé spatiotemporal, l’endroit et quand les étapes du traitement, et ont étudié comment différentes zones du cerveau interagissent pendant la prise de décision. Nous avons montré comment l’intoxication alcoolique dysrégule le réseau de contrôle cognitif qui peut entraîner une réduction de la capacité de s’abstenir de boire excessivement.

Research

JoVE Journal

Neuroscience

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