Name: disruption of frontal lobe neural synchrony during cognitive control by alcohol intoxication
Uploaded: 2019-02-06T15:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Disruption of Frontal Lobe Neural Synchrony During Cognitive Control by Alcohol Intoxication at JoVE.com

Detta arbete har stötts av National Institutes of Health (R01-AA016624). Vi är tacksamma mot Dr. Sanja Kovacevic för hennes viktiga bidrag.

Detta experimentellt protokoll har godkänts av kommittén mänskliga försökspersoner skydd vid University of California, San Diego.
1. mänskliga försökspersoner
<ol><li>Rekrytera högerhänt vuxna friska frivilliga, inhämta deras samtycke och skärm dem på inklusion/exklusion kriterier. Obs: I denna studie, tjugo unga, friska individer (± standardavvikelsen [SD] medelålder = 25,3 ± 4,4 år) inklusive 8 kvinnor rekryterades som dricker med måtta, som aldrig har...

I multimodal imaging metod som används i denna studie består av distribuerade källa modellering av temporally exakt MEG signalen tillsammans med rumsliga begränsningar av inverterad uppskattningarna härrör från varje deltagares strukturella MRI. Metoden aMEG kombinerar styrkan av dessa tekniker för att ge insikt i de plats och tid stadierna av oscillerande dynamics och långväga integrationen subserving kognitiv kontroll. Denna metod ger större tidsmässiga precision än andra neuroimaging-tekniker såsom fMRI-...

Det övergripande målet med denna studie är att undersöka effekterna av akut alkoholförgiftning på plats och tid förändringar i hjärnan oscillerande dynamics och long-range funktionella integrering under kognitiv kontroll. De sysselsatta multimodal imaging strategi kombinerar Magnetencefalografi (MEG) och strukturella magnetisk resonanstomografi (MRT) för att ge insikt i personlighetens grund i beslutsfattande med hög tidsmässig precision och på samma nivå som ett interaktivt system.
Flexibelt beteende gör det möjligt att anpassa sig till förändrade kontextuella krav och att växla strategiskt mellan olika uppgifter och krav i samförstånd med ens avsikter och mål. Förmågan att undertrycka automatiska svar till förmån för målet relevanta men icke-vanliga åtgärder är en viktig aspekt av kognitiv kontroll. Omfattande bevis tyder på att det är subserved av ett huvudsakligen frontala kortikala nätverk, med främre cingulum cortex (ACC) som en central nod i detta interaktiva nätverk1,2,3,4. Medan den rikliga anatomiska anslutningen mellan ACC och laterala frontal cortices är väl beskrivna5,6, funktionella egenskaper hos kommunikation mellan dessa regioner under kognitiv kontroll, svar urval och utförande, är dåligt förstått.
Inflytelserikt konflikten övervakning teori7,8 föreslår att kognitiv kontroll uppstår från ett dynamiskt samspel mellan de mediala och laterala prefrontala cortices. Detta konto utger sig som ACC övervakar konflikten mellan konkurrerande representationer och engagerar laterala prefrontala cortex (latPFC) att genomföra svar kontroll och optimera prestanda. Detta konto är dock främst utifrån funktionell MRI (fMRI) studierna använder blod syresättning nivå beroende (fet) signalen. FMRI-BOLD signalen är en utmärkt rumsliga kartverktyg, men dess temporal upplösning är begränsat eftersom det speglar regionala hemodynamiska förändringar medieras av neurovaskulära koppling. Som ett resultat, utvecklas de DJÄRVA signalförändringar mycket långsammare tid skala (i sekunder) än de underliggande neurala händelser (i millisekunder)9. Dessutom fet signalen är känslig för alkoholens vasoaktiv effekter10 och kan inte korrekt representerar storleken på neurala förändringar, vilket gör den mindre lämplig för studier av akut alkoholförgiftning. Därför förmodade samspelet mellan de mediala och laterala prefrontala cortices och dess känslighet för alkohol berusning behöver undersökas med metoder som neurala händelser registreras temporally preciserad. MEG har en utmärkt temporal upplösning eftersom det återspeglar direkt postsynaptiska strömmar. Den anatomiskt-constrained MEG (aMEG) metod som anställd här är en multimodal metod som kombinerar distribuerade källa modellering av MEG signalen med strukturella MRI. Det möjliggör skattning av där de konflikten - och dryck-relaterade hjärnan oscillerande förändringarna sker och att förstå den tidsmässiga ordning (”när”) av de inblandade neurala komponenterna.
Beslutsfattande är beroende av samspelet mellan distribuerade hjärnregioner som är dynamiskt engagerade för att hantera ökade krav på kognitiv kontroll. Ett sätt att uppskatta händelse-relaterade förändringar i långväga synchrony mellan två kortikala regioner är att beräkna deras fas koppling som ett index av deras samtidig svängningar11,12. Föreliggande studie tillämpas en fas-låsning analys för att testa grundläggande grundsats i konflikten övervakning teori genom att undersöka de co-oscillatory interaktioner mellan ACC och latPFC. Neurala svängningar i theta intervall (4-7 Hz) är associerade med kognitiv kontroll och har föreslagits som en grundläggande mekanism som stöder den långväga synkronisering behövs för uppifrån kognitiv bearbetning13,14, 15,16. De genereras i prefrontala områden som en funktion av uppgift svårigheter och är betydligt försvagade av akut alkohol berusning17,18,19,20.
Långsiktiga överdrivet alkoholintag är förknippat med en rad kognitiva underskott med prefrontala kretsar särskilt drabbade21,22. Akut alkoholförgiftning är till nackdel för kognitiv kontroll under förhållanden av ökade svårigheter, tvetydighet eller de som inducerar svar oförenlighet17,23,24. Genom att påverka beslutsfattande, alkohol kan störa målinriktat beteende, kan resultera i dålig självkontroll och ökat drickande och kan också bidra till trafik - eller arbetsrelaterade risker25,26,27 . Föreliggande studie används en aMEG metod för att mäta aktiviteten oscillerande theta band och synkronisering mellan de verkställande huvudområdena med utmärkta temporal upplösning. Effekterna av alkohol på theta-aktivitet och samtidig svängningar mellan ACC och latPFC undersöks som en funktion av konflikten som framkallas av aktiviteten Stroop störningar. Vi hypotes att ökade kognitiva krav är förknippade med större funktionella synchrony och att alkohol-inducerad dysreglering av synkron aktivitet av de mediala och laterala prefrontala cortices ligger bakom nedskrivningar i kognitiv kontroll.

<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

Beslutsfattande är beroende av dynamiska interaktioner av distribuerade, primärt frontal hjärnan. Omfattande belägg från funktionell magnetresonanstomografi (fMRI) indikerar att den främre cingulum (ACC) och de laterala prefrontala cortices (latPFC) är viktiga noder subserving kognitiv kontroll. Dock på grund av dess begränsade temporal upplösning, kan inte fMRI exakt återger timing och arten av deras förmodade samspelet. Föreliggande studie kombinerar distribuerade källa modellering av temporally exakt Magnetencefalografi (MEG) signalen med strukturella Mr i form av ”hjärnan filmer” till: (1) uppskattning de kortikala områdena involverade i kognitiv kontroll (”där”), (2) kännetecknar deras tidsmässiga sekvens (”när”), och (3) kvantifiera oscillerande dynamiken i deras neurala interaktioner i realtid. Stroop störningar var associerade med större evenemangsrelaterade theta (4-7 Hz) makt i ACC under konfliktidentifiering följt av ihållande känslighet till kognitiva krav i ACC och latPFC under integration och utarbetandet av reaktionerna. En fas-låsning analysen visade co-oscillatory interaktioner mellan dessa områden som anger deras ökade neurala synkronin i theta band under konflikten-inducerande ologiskt prövningar. Dessa resultat bekräftar att theta svängningar är grundläggande för långväga synkronisering behövs för att integrera uppifrån influenser under kognitiv kontroll. MEG återspeglar neural aktivitet direkt, vilket gör den lämplig för farmakologiska manipulationer i motsats till fMRI som är känslig för vasoaktiva förvirrar. I den aktuella studien gavs friska sociala alkoholkonsumenter en måttlig alkohol dos och placebo i en inomindividuella design. Akut förgiftning försvagade theta makt att Stroop konflikt och dysreglerad samtidig svängningar mellan ACC och latPFC, bekräftar att alkohol är skadligt för neurala synkronin subserving kognitiv kontroll. Det stör målinriktat beteende som kan leda till bristande självkontroll, bidrar till tvångsmässigt drickande. Sammanfattningsvis, denna metod kan ge insikt i realtid interaktioner under kognitiv bearbetning och kan karaktärisera den selektiva känsligheten för farmakologiska utmaning över relevanta neurala nätverk.

Beteendemässiga resultat indikerar att Stroop uppgiften framgångsrikt manipulerade svar störningar eftersom noggrannheten var lägst och svaret gånger längst på ologiskt prövningar (figur 6). Alkoholförgiftning sänkte noggrannhet men påverkade inte reaktionstider18.
Plats och tid är aktivitet i theta frekvensband avslöjade med metoden aMEG övergripande i samförs...

Watch this Scientific Journal Video about Disruption of Frontal Lobe Neural Synchrony During Cognitive Control by Alcohol Intoxication at JoVE.com

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

Störningar i frontalloben neurala synkronin under kognitiv kontroll av alkoholförgiftning

Detta experiment använder en anatomiskt-constrained Magnetencefalografi (aMEG) metod för att undersöka hjärnan oscillerande dynamik och long-range funktionella synchrony under engagemang av kognitiv kontroll som en funktion av akut alkoholförgiftning.

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

Beslutsfattande är en dynamisk, interaktiv process som har studerats ingående med funktionell magnetisk resonanstomografi, eller FMRI. Neuroimaging bevis tyder på att främre cingulate och de laterala prefrontal cortices är väsentliga noder i det neurala nätverket. Men på grund av dess begränsade tidsmässiga upplösning, kan FMRI inte korrekt återspegla tidpunkten och arten av deras samspel i realtid.Den föreliggande studien använder en anatomiskt begränsad magneto-och elektroencefalografi eller MEG-metod, som kombinerar distribuerad källa modellering av MEG-signalen med strukturella MRI bildar hjärnan filmer. Det gör det möjligt för oss att undersöka hur akut alkoholförgiftning påverkar beslutsfattandet. Visar detta förfarande kommer att Joe Happer och Burke Rosen, doktorander, och Laura Wagner, en forskarassistent.Börja med att eskortera deltagaren in i MEG-labbet för att köra en provskanning. Lägg dem i skannern, och kontrollera kanalerna för eventuell magnetisering. Sedan, mäta deras vikt och få dem att blåsa i en elektronisk breathalyzer.För att bedöma dynamiska förändringar i de subjektiva effekterna av alkohol, informera ämnet att de kommer att betygsätta sina momentära känslor och stater på en standardiserad skala före drickande och vid två ytterligare tillfällen under experimentet, under stigande och fallande delen av breath alkohol koncentration trottoarkanten. Administrera sedan en övningskörning av Stroop-uppgiften på en bärbar dator med stimuluspresentationsprogram för att säkerställa att deltagarna förstår uppgiften innan inspelningen. Förbered alkoholdrycken genom att blanda premiumkvalitet vodka med kyld apelsinjuice, baserat på varje deltagares kön och vikt.Servera samma volym apelsinjuice i glas med fälgar svabbade med vodka som placebodryck. Be deltagaren att konsumera drycken på cirka 10 minuter. Därefter placerar EEG-locket och elektrookuturogrammet, EOG, elektroder på deltagarens huvud.Kontrollera att alla impedanser är under 5 kiloohms. Fäst huvudet position indikator, HPI, spolar på vardera sidan av pannan och bakom varje öra. Placera referensramarna på deltagarens huvud.Endigitize positioner av fiducial punkterna, inklusive nasion och två preauricular punkter positioner HPI spolar, EEG elektroder och erhålla ett stort antal ytterligare punkter delineating huvudet form. Kontrollera deltagarens andningsalkoholkoncentration med en breathalyzer, från 15 minuter efter att ha druckit. Och sedan, var femte minut, tills de kommer in i inspelningskammaren.Börja med att positionera deltagaren bekvämt i MEG-skannern. Eftersom prefrontalaktiviteten är av särskilt intresse, se till att deltagaren är placerad så att hans eller hennes huvud vidrör toppen av hjälmen och är i linje längs framsidan. Därefter ansluter DU HPI-spolarna och elektrolocket till respektive ingångar på skannern.Placera svarsdynor så att knapparna kan tryckas in bekvämt. Påminn deltagaren om att minimera blinkande och för att undvika rörelser inklusive huvudrörelse som orsakas av att prata. Undersök alla kanaler för artefakter och mät huvudets position i skannern.Sedan startar datainsamling och påbörja uppgiften. Eftersom elektroniska apparater inte kan användas i det avskärmade rummet, övergå till att använda ett salivalkoholtest som består av en bomullspinne mättad i saliv och sätts in i ett kärl som ger en avläsning. När uppgiften är klar sparar du uppgifterna och eskorterar deltagaren ut ur inspelningskammaren.Efter att deltagaren har lämnat skannern, skaffa cirka två minuter data från det tomma rummet som ett mått på instrumentalt brus. Sedan, be deltagaren att betygsätta upplevd uppgiftssväng, innehållet i den insupa drycken, hur berusade de kände sig, liksom deras tillfälliga stämningar och känslor. Slutligen, få en högupplöst anatomiska MRI scan från varje deltagare och rekonstruera varje deltagares kortikala yta med bildhantering programvara.Under dataförbehandling använder du ett tillåtande bandpassfilter och epuc-data i segment som inkluderar stoppningsintervall i varje ände. Ta bort bullriga och platta kanaler samt försök som innehåller artefakter genom visuell inspektion och med hjälp av tröskel baserat avslag. Använd sedan oberoende komponentanalys för att ta bort ögonblink och hjärtartefakter.Eliminera försök med felaktiga svar. Därefter applicerar du fler lekmannavågar för att beräkna komplext kraftspektrum för varje försök i en Hertz-steg, fjärde theta-frekvensbandet och ta bort eventuella ytterligare artefakter. För att samregistrera MEG-data med MR-bilder öppnar du MRI-labbmodulen.Välj Arkiv, Import, Isotrak-data. Välj raw_data. FIF-filen, och klicka på Make Points.Välj sedan Windows, Landmärken och klicka på Justera Fiducial Landmärken tills samregistrering av MEG-data och MRI är acceptabla. Skapa sedan gruppgenomsnitt av händelserelaterad theta-källström genom att morfning varje deltagares uppskattningar på en genomsnittlig när representation. Sedan, för att visualisera källan uppskattningar på en uppblåst genomsnittlig yta, öppna MNE programvara.Välj Arkiv, Ladda Surface och ladda uppblåst grupp genomsnittliga fri surfare kortikala yta. Detta följs av att välja Arkiv, Hantera överlägg, Ladda STC, Ladda gruppsnittade data och välja den inlästa filen från tillgängliga överlägg. Justera tröskelvärde för färgskala och klicka på Visa.Visa hjärnan filmer av händelse relaterade theta makt och undersöka spatiotemporal stadier av bearbetning genom att identifiera områden och tidsfönster som kännetecknas av högsta aktivering. Därefter skapa opartiska regioner av intresse, ROI, baserat på övergripande grupp genomsnitt uppskattningar. Om du vill införliva kortikalplatser med mest anmärkningsvärda källkraft beräknar du tidskurser för varje ämne, villkor och ROI.Slutligen uppskattning uppgift relaterade förändringar i den långa räckvidd synkroniseringen mellan huvudaktiveringen foci i ACC och den laterala PFC genom att beräkna värdet fas låsning. Uttryck faslåsningsvärdet som procentuell förändring i förhållande till originalplan. Beteendemässiga resultat indikerar att Stroop-uppgiften framgångsrikt manipulerade svarsstörning eftersom noggrannheten var den lägsta och svarstiderna längst på osammanhängande försök.Alkoholförgiftning sänkte noggrannheten men påverkade inte reaktionstiderna. Händelserelaterade theta makt är störst på orimliga prövningar, vilket är förenligt med dess känslighet för konfliktkrav, särskilt i prefrontala cortex. Men jämfört med congruous prövningar, alkohol minskar theta makt på orimliga prövningar selektivt i ACC och den laterala PFC.Ytterligare, cooscillations mellan ACC och laterala PFC varierar över tiden, med en övergripande tidig ökning av cooscillations under en stimulans bearbetning skede. Under placebo, Detta följs av en varaktig ökning efter ca 400 millisekunder på incongruous prövningar under integration och svar förberedelse skede. Däremot akut alkohol berusning dysregulates dessa cooscillations som ytterligare indikerar sårbarheten hos top-down reglerande funktioner för alkohol.I denna studie har vi uppskattat spatiotemporal, var och när stadier av bearbetning, och har undersökt hur olika hjärnområden samverkar under beslutsfattandet. Vi har visat hur alkoholförgiftning dysreglerar kognitiv kontroll nätverk som kan resultera i minskad förmåga att avstå från överdrivet drickande.

Research

JoVE Journal

Neuroscience

Assessment of Ultrasonic Vocalizations During Drug Self-administration in Rats

Bedömning av ultraljud vocalizations Under Drug Self-råttor

Drug self-administration procedures are commonly used to study behavioral and neurochemical changes associated with human drug abuse, addiction and ...

Physiological, Morphological and Neurochemical Characterization of Neurons Modulated by Movement

Fysiologiska, morfologiska och neurokemiska karakterisering av nervceller moduleras av Movement

The role of individual neurons and their function in neuronal circuits is fundamental to understanding the neuronal mechanisms of sensory and motor ...

Detection of Microregional Hypoxia in Mouse Cerebral Cortex by Two-photon Imaging of Endogenous NADH Fluorescence

Detektion av Microregional hypoxi i mus Cerebral Cortex med två-foton Imaging av endogen NADH fluorescens

The brain's ability to function at high levels of metabolic demand depends on continuous oxygen supply through blood flow and tissue oxygen diffusion. ...

Reproducible Mouse Sciatic Nerve Crush and Subsequent Assessment of Regeneration by Whole Mount Muscle Analysis

Reproducerbar Mouse ischiasnerv krossa och påföljande bedömningen av Regeneration av Whole Mount Muscle Analys

Regeneration in the peripheral nervous system (PNS) is widely studied both for its relevance to human disease and to understand the robust regenerative ...

Extinction Training During the Reconsolidation Window Prevents Recovery of Fear

Extinction utbildning under Återpackning Fönster Förhindrar Återvinning av rädsla

Fear is maladaptive when it persists long after circumstances have become safe. It is therefore crucial to develop an approach that persistently prevents ...

Experimental Methods for Testing the Effects of Neurotrophic Peptide, ADNF-9, Against Alcohol-induced Apoptosis during Pregnancy in C57BL/6 Mice

Experimentella metoder för att testa effekterna av Neurotrophic peptid, ADNF-9, mot alkohol-inducerad apoptos under graviditet i C57BL / 6 möss

Experimental designs for investigating the effects of prenatal alcohol exposure during early embryonic stages in fetal brain growth are challenging. This ...

In Vivo Two-photon Imaging Of Experience-dependent Molecular Changes In Cortical Neurons

In Vivo Two-photon Imaging Of Experience-dependent Molecular Changes In Cortical Neurons

In vivo Två-foton avbildning av erfarenhet beroende molekylära förändringar i kortikala neuron

The brain's ability to change in response to experience is essential for healthy brain function, and abnormalities in this process contribute to a variety ...

Assessment of Neuromuscular Function Using Percutaneous Electrical Nerve Stimulation

Bedömning av neuromuskulära funktionen Använda perkutan elektrisk nervstimulering

Percutaneous electrical nerve stimulation is a non-invasive method commonly used to evaluate neuromuscular function from brain to muscle (supra-spinal, ...

Optogenetic Manipulation of Neural Circuits During Monitoring Sleep/wakefulness States in Mice

Optogenetisk manipulation av neurala kretsar under övervakning sömn/vakenhet stater hos möss

In recent years, optogenetics has been widely used in many fields of neuroscientific research. In many cases, an opsin, such as channel rhodopsin 2 ...

Measuring Neural Mechanisms Underlying Sleep-Dependent Memory Consolidation During Naps in Early Childhood

Mätning av neurala mekanismer bakom sömn beroende minnes konsolidering under tupplurar i tidig barndom

Sleep is critical for daily functioning. One important function of sleep is the consolidation of memories, a process that makes them stronger and less ...