Efeitos da cafeína na relação EEG Theta/Beta e controle cognitivo

ANTECEDENTES E OBJETIVOS DE PESQUISA

O controle cognitivo é uma parte essencial do funcionamento cognitivo, permitindo o controle de cima para baixo, orientado por objetivos, sobre processos automáticos orientados por estímulos. O córtex pré-frontal (PFC) do cérebro provavelmente desempenha um papel importante em muitos aspectos do controle cognitivo, incluindo atenção direcionada a objetivos, memória de trabalho e regulação emocional. Estudos anteriores de EEG examinando o controle cognitivo identificaram um potencial marcador eletrofisiológico para o controle cognitivo mediado pelo PFC. Esses estudos descobriram que a proporção entre as oscilações cerebrais teta e beta medidas por EEG é elevada em crianças com TDAH (que geralmente apresentam controle cognitivo ruim) e em adultos não selecionados com controle de atenção ruim. Acredita-se que essa relação teta/beta (TBR) reflita até que ponto a atividade cerebral pré-frontal exibe controle regulatório sobre áreas cerebrais posteriores e subcorticais, o que tornou essa medida útil no diagnóstico e tratamento de distúrbios relacionados ao controle cognitivo deficiente, como TDAH.

No presente estudo, os pesquisadores propõem um novo método para validar ainda mais a TBR como um marcador eletrofisiológico para controle cognitivo, por meio da administração de cafeína aos participantes. A cafeína é amplamente conhecida por melhorar vários aspectos do controle cognitivo, o que seria esperado para acompanhar uma diminuição na TBR.

É importante ressaltar que o controle cognitivo se beneficia tanto da manutenção de representações relevantes para a tarefa quanto da atualização flexível dessas representações. Essas funções de controle cognitivo podem depender de áreas um tanto diferentes do cérebro. Ou seja, enquanto a manutenção de representações relevantes para a tarefa pode ser mais dependente do funcionamento do PFC, a atualização flexível dessas representações pode depender mais da atividade dopaminérgica no corpo estriado. A relação teta/beta como um marcador da atividade do PFC pode, portanto, refletir especificamente a manutenção de informações relevantes para a tarefa, e contrastar essa medida de EEG com uma medida da atividade de dopamina estriatal pode lançar mais luz sobre a natureza da TBR. No presente estudo, os pesquisadores farão isso medindo as taxas espontâneas de piscar de olhos (EBR), que demonstraram ser sensíveis à atividade estriatal dopaminérgica.

O primeiro objetivo do presente estudo será validar ainda mais a relação teta/beta (TBR) como um marcador eletrofisiológico para controle cognitivo mediado por PFC por meio da administração de cafeína a participantes saudáveis. Os investigadores esperam que (1a) a relação teta/beta esteja inversamente relacionada ao desempenho do controle cognitivo (foco atencional, mudança de atenção, memória de trabalho; medido com TACT e N-back; possivelmente relacionado principalmente ao desempenho do foco TACT), (1b) cafeína aumentará o desempenho do controle cognitivo, (1c) a cafeína diminuirá a relação teta/beta e (1d) esses efeitos benéficos da cafeína no desempenho cognitivo serão mediados por essa diminuição na relação teta/beta.

O segundo objetivo deste estudo será examinar se TBR e EBR moderam diferencialmente os efeitos da cafeína no controle cognitivo. Ou seja, como essas medidas provavelmente refletem a atividade de diferentes áreas do cérebro, elas podem prever efeitos diferenciais (possivelmente em forma de U invertido) da cafeína, dependendo de sua atividade basal. Por exemplo, aumentar a dopamina estriatal por meio do consumo de cafeína só pode ser benéfico quando a atividade dopaminérgica estriatal inicial (conforme refletido pela linha de base EBR) não é muito alta em primeiro lugar, porque quando é, isso pode resultar em um aumento na distração, em vez do que melhorar a flexibilidade cognitiva. Como tal, os investigadores esperam que (2a) o TBR de linha de base modere os efeitos da cafeína no desempenho do controle cognitivo (possivelmente principalmente o desempenho do foco TACT) e que (2b) o EBR de linha de base modere os efeitos da cafeína no funcionamento do controle cognitivo (possivelmente principalmente Desempenho de mudança TACT).

O terceiro objetivo do presente estudo será examinar os efeitos da cafeína no processamento emocional e o papel da TBR aqui. É importante ressaltar que tradicionalmente se acredita que a cafeína aumenta o processamento e a ansiedade relacionados a ameaças, especialmente em doses mais altas. No entanto, um número crescente de estudos em animais está mostrando que pequenas doses de cafeína podem realmente ser ansiolíticas. Em parte, isso pode ser devido a um aumento nas capacidades de controle cognitivo e de atenção. Ou seja, embora a relação seja complexa, ansiedade e controle atencional influenciam-se mutuamente. A ansiedade pode aumentar a vigilância para o processamento relacionado à ameaça, enquanto as capacidades de controle de atenção podem proteger contra isso. Uma dose ideal de cafeína poderia teoricamente aumentar o controle da atenção na medida em que isso reduz o processamento excessivo de informações relacionadas a ameaças. No entanto, os efeitos dependentes da dose de dopamina, noradrenalina e cafeína prevêem que essa dosagem ideal depende dos níveis basais desses transmissores e, portanto, possivelmente da ansiedade que está associada ao aumento da atividade de dopamina e noradrenalina. A utilidade potencial de dosagens moderadas de cafeína como droga profilática para (sintomas atencionais de) ansiedade pode depender criticamente dessa possível influência moderadora da ansiedade. No presente estudo, os pesquisadores examinaram essa relação levando em consideração os efeitos moderadores da ansiedade-traço nos efeitos da cafeína no processamento emocional. Os investigadores esperam que (3a) um TBR mais alto esteja relacionado ao aumento da interferência no EST, (3b) uma dose moderada de cafeína diminuirá a interferência emocional no EST, (3c) os efeitos da cafeína na interferência emocional serão mediados por um mudança na TBR, e que (3d) os efeitos da cafeína na interferência emocional serão moderados por diferenças individuais na ansiedade-traço.

A ansiedade-traço será mensurada via autorrelato por meio do IDATE-t, que será adicionado como covariável nas análises em que for examinada a relação entre TBR e CA. Finalmente, neste estudo, os pesquisadores explorarão vários outros possíveis fatores de confusão na relação entre o consumo de cafeína e o controle cognitivo, incluindo medidas de auto-relato de traço e controle atencional do estado, ansiedade, sonolência e sintomas de TDAH.

DESIGN DE ESTUDO

Um estudo cruzado duplo-cego, randomizado, controlado por placebo. Após uma primeira sessão de treinamento, os participantes farão duas visitas ao laboratório, com intervalo de aproximadamente uma semana. Nessas duas sessões de laboratório, os participantes consumirão por via oral uma cápsula contendo 200 mg de cafeína pura (uma quantidade semelhante de cafeína é encontrada em cerca de 2 xícaras de café) e uma cápsula contendo uma substância de preenchimento placebo (administração randomizada e duplo-cega). O cegamento e a randomização da alocação de cápsulas serão feitos pela farmácia do Centro Médico da Universidade de Leiden (LUMC).

PARTICIPANTES

Quarenta mulheres voluntárias saudáveis ​​(com idades entre 18 e 26 anos) participarão deste estudo. Os participantes serão bastante ingênuos ao consumo de cafeína (bebendo ≤100mg de cafeína, ou cerca de uma xícara de café, por dia) e serão solicitados a se abster do consumo de cafeína e álcool por 12h antes do início das sessões de laboratório. Os participantes serão estudantes recrutados na Universidade de Leiden por meio de vários anúncios (por exemplo, no campus da universidade). Os participantes que desistirem do estudo serão, quando possível, substituídos por outro participante selecionado aleatoriamente. Para esses participantes substitutos, o farmacêutico do LUMC preparou cápsulas ocultas contendo placebo e cafeína na mesma ordem do participante original que está substituindo.

PROCEDIMENTOS

Após os procedimentos de triagem online, os participantes elegíveis serão testados ao mesmo tempo em três dias separados. As sessões de teste decorrerão entre as 10:00 e as 17:00, com a duração aproximada de 2 horas por sessão. Os participantes serão convidados a abster-se do consumo de álcool e cafeína por 12 horas antes do início do experimento. No primeiro dia de teste (treinamento), os participantes preencherão questionários avaliando dados demográficos, níveis de traço de controle atencional (ACS), níveis de traço de ansiedade (subescala de traço STAI), sonolência habitual (ESS) e sintomas de TDAH (ADHD Rating Scale-IV) . Além disso, serão medidos EEG em estado de repouso (8 minutos em blocos alternados de 1 minuto de olhos abertos/fechados) e EBR espontâneo (um bloco de olhos abertos de 4 minutos). Além disso, os participantes serão familiarizados com as tarefas cognitivas (TACT; N-Back; EST). Os participantes concluirão essas medidas para reduzir a novidade ou os efeitos de aprendizado nas sessões de teste subsequentes. Em cada dia de teste, questionários de estado (sonolência atual, KSS; controle atencional, VAS; e ansiedade, subescala de estado STAI) serão administrados entre cada medida inicial de 4min (EBR) e 8min (EEG) e no final do dia (ou seja, administrado duas vezes no primeiro dia de treinamento e três vezes no dia 2/3 dias de consumo).

O segundo dia de teste será aproximadamente uma semana após o primeiro dia de teste. Antes do consumo da cápsula, serão medidos EEG e EBR. Os participantes receberão uma cápsula contendo cafeína (200 mg) ou placebo (administração randomizada e duplo-cega). Após um intervalo de 30 minutos (já que a cafeína leva cerca de meia hora para se tornar ativa), EBR e EEG serão medidos novamente. Por fim, os participantes completarão as mesmas tarefas cognitivas que concluíram no primeiro dia.

No terceiro dia de testes será repetido o protocolo de testes do segundo dia, com exceção de que será administrado o outro, restante cafeína (200mg) ou cápsula de placebo.

TAREFAS DE CONTROLE COGNITIVO

Todas as tarefas cognitivas (TACT; N-Back; Emotional Stroop Task) são programadas e concluídas em um computador usando o E-Prime (v2.0). As tarefas de controle cognitivo são descritas abaixo.

1. Tarefa de controle atencional de dois fatores (TACT): A TACT é uma tarefa de congruência global/local que visa medir o foco atencional e o deslocamento atencional. Nesta tarefa, os participantes veem uma grande seta que consiste em várias setas menores apontando na mesma direção (congruente) ou oposta (incongruente). Os participantes são instruídos a responder à direção da seta grande ou das setas menores o mais rápido possível, sem cometer muitos erros. Eles podem fazer isso pressionando a tecla de seta para a esquerda ou para a direita em um teclado, usando os dedos indicador e médio da mão dominante. Antes do aparecimento de uma seta, os participantes veem uma tela cinza por 500ms, após a qual a palavra "Grande" na cor azul ou "Pequena" na cor amarela aparece por 500ms, o que indica a qual seta os participantes devem responder. Após uma tela cinza de 250ms, a seta aparece no meio da tela, que desaparece após 2000ms ou quando uma resposta é dada. Em cada tentativa, a seta aparece em uma posição ligeiramente diferente para garantir que os participantes olhem para a seta em vez de se fixarem em alguns pixels na tela (o que em teoria poderia ser suficiente para identificar a direção das setas).

   Na parte de foco de atenção da tarefa, os participantes completam dois blocos de 52 tentativas cada. Em um bloco, os participantes respondem apenas à direção da seta grande e, no outro bloco, os participantes respondem apenas à direção das setas menores. O desempenho do foco TACT é medido subtraindo-se os RTs em tentativas congruentes (ou seja, tentativas nas quais nenhuma inibição da distração de flechas não assistidas é necessária) de RTs em tentativas incongruentes (ou seja, tentativas em que os participantes têm que inibir sua resposta à distração de setas não assistidas). Como tal, diferenças menores em RTs indicam melhor desempenho de foco. Na parte de desvio de atenção da tarefa, os participantes completam dois blocos de 120 tentativas, separados por um intervalo de um minuto, no qual a direção da seta à qual os participantes devem responder muda a cada seis tentativas (ou seja, 40 turnos no total) . O desempenho da mudança TACT é calculado subtraindo-se os RTs nas duas últimas tentativas antes de uma mudança de atenção dos RTs nas duas primeiras tentativas após uma mudança de atenção (ou seja, tentativas nas quais os participantes mudaram sua atenção de olhar para setas maiores para setas menores ou vice-versa). Como tal, diferenças menores em RTs indicam melhor desempenho de mudança. As duas tentativas antes e depois de um turno são sempre incongruentes para aumentar a dificuldade (e, portanto, provavelmente os custos do turno) dessa tarefa. A ordem dos blocos de foco (ou seja, seta grande ou setas menores primeiro) e a ordem de completar primeiro os blocos de foco ou mudança são contrabalançadas pelos participantes. As tentativas em que os participantes dão respostas incorretas, ou respostas improvavelmente lentas ou rápidas, não são analisadas posteriormente.

2. Tarefa N-Back: A tarefa N-back é uma tarefa que avalia diferentes processos de memória de trabalho. Na tarefa N-Back, as letras são mostradas sequencialmente aos participantes. Os participantes devem indicar se a letra atual corresponde à letra mostrada n lugares antes, usando o 1 ("mesma letra") ou 2 ("letra diferente") em um teclado. As tarefas de 1 e 3 costas foram administradas, pois a cafeína provavelmente tem a maior influência no desempenho da tarefa de 3 costas e pode não influenciar muito diferencialmente o desempenho da tarefa de 1 e 2 costas. Para cada condição n-back, 75 letras são mostradas no total, das quais 25 (33%) são acertos (ou seja, tentativas que foram mostradas n lugares atrás). As três primeiras tentativas de cada bloco nunca são alvos. Cada letra é mostrada por 500ms, que é seguida por uma tela em branco de 1500ms. Os participantes podem responder à carta em todo este intervalo de 2000ms. Antes de cada condição n-back, os participantes recebem instruções e exemplos da tarefa (sob a supervisão do pesquisador no dia do treinamento) e completam 21 tentativas de treinamento (7 tentativas de acerto), para garantir que entenderam a tarefa. A ordem de conclusão de 1 volta e 3 costas será contrabalançada pelos participantes. O desempenho é medido examinando pontuações de precisão (% correto) e examinando RTs em tentativas respondidas corretamente.
3. Emotional Stroop Task (EST): A EST é uma variante da tradicional tarefa Stroop (na qual os participantes devem nomear a cor de uma palavra impressa em um nome de cor diferente, por exemplo, nomeie a cor da palavra "Vermelho" escrita em tinta azul). No EST, são mostradas imagens carregadas de emoção, nas quais um quadrado colorido é sobreposto. Os participantes têm de responder à cor do quadrado e, como tal, têm de inibir a influência distrativa das imagens. As imagens são escolhidas no banco de dados IAPS e são selecionadas com base em suas avaliações de equilíbrio e excitação para representar três condições de imagem: neutra, negativa e positiva. Para cada condição de imagem, 4 imagens (cada vez com o quadrado em um local diferente: superior ou inferior x esquerda ou direita) são mostradas 8 vezes (ou seja, 32 tentativas por condição, 96 tentativas no total). A cor do quadrado é escolhida aleatoriamente entre três opções possíveis (vermelho, amarelo ou azul) em cada tentativa. Durante cada tentativa, primeiro, uma imagem é mostrada por 200ms, após o que um quadrado colorido é sobreposto a esta imagem em um dos quatro locais possíveis. Os participantes então têm 1800 ms para responder à cor do quadrado, o que podem fazer usando botões coloridos de uma caixa de resposta padrão. Em seguida, uma tela cinza de 2000 ms é exibida, após a qual aparece a próxima imagem. Antes da tarefa real, o participante completa 24 tentativas práticas nas quais imagens neutras são mostradas. O desempenho na Emotional Stroop Task é medido examinando RTs nas tentativas de condição negativa e positiva, em comparação com RTs em tentativas de condição neutra, em tentativas respondidas corretamente.

QUESTIONÁRIOS

Todos os questionários de características (ACS; STAI-t; ADHD Rating Scale-IV; ESS) são programados e preenchidos em um computador usando E-Prime (v2.0). Os questionários estaduais (STAI-s; VAS AC-s; KSS) são preenchidos com caneta e papel. Os questionários são descritos a seguir.

1. Escala de Controle de Atenção (ACS): Uma tradução holandesa modificada da ACS será administrada aos participantes. O ACS tem como objetivo medir o controle atencional do traço, avaliado com 20 afirmações que medem a mudança de atenção (por exemplo, "Eu posso mudar rapidamente de uma tarefa para outra"), foco atencional (por exemplo, "Minha concentração é boa mesmo se houver música no espaço ao meu redor") e pensamento flexível (por exemplo, "Tenho dificuldade em ter novas ideias rapidamente"). Os participantes devem indicar em que medida as afirmações refletem seu controle atencional em uma escala de 4 pontos, variando de 1 (“quase nunca”) a 4 (“sempre”).
2. Índice de Ansiedade Traço-Estado (subescala traço; IDATE-t): A escala de traço do STAI holandês consiste em 20 itens que medem a ansiedade traço (por exemplo, "Eu me preocupo demais com algo que realmente não importa"). Os participantes podem responder a esses itens usando uma escala de classificação de 4 pontos, variando de 1 ("quase nunca") a 4 ("quase sempre").
3. Escala de classificação de TDAH-IV: Uma tradução holandesa modificada da Escala de classificação de TDAH-IV será administrada aos participantes. Este questionário consiste em 23 itens que medem os sintomas de TDAH de hiperatividade/impulsividade (por exemplo, "Eu me sinto inquieto") e desatenção (por exemplo, "Eu sou rapidamente distraído"). Os participantes são solicitados a avaliar em que medida o item se aplicou a eles durante os últimos 6 meses, em uma escala de 0 ("Nunca ou raramente") a 3 ("Muitas vezes").
4. Escala de sonolência de Epworth (ESS): A ESS é usada como uma medida da sonolência habitual. Na ESE, os participantes são solicitados a avaliar a probabilidade de cochilar em oito situações usuais e recentes (por exemplo, "Enquanto assiste televisão"), usando uma escala de 0 ("Nunca cochilaria") a 3 ( "Alta chance de cochilar").
5. Índice de Ansiedade Traço-Estado (subescala de estado; STAI-s): A escala de estado do STAI holandês consiste em 20 itens que medem o quão ansiosos os participantes se sentem neste momento (por exemplo, "sinto-me calmo", "estou preocupado"). Os participantes podem responder a esses itens usando uma escala de classificação de 4 pontos, variando de 1 ("Nada") a 4 ("Muito").
6. Escala de Sonolência de Karolinska (KSS): A KSS é uma escala VAS de 9 pontos que avalia a sonolência instantânea e subjetiva. Os participantes são solicitados a relatar o quão alertas ou sonolentos estão em uma escala de 1 ("Muito alerta") a 9 ("Muito sonolento (lutando contra o sono)").
7. VAS AC-s: A escala VAS de controle atencional consiste em seis itens que avaliam os sentimentos atuais de controle atencional dos participantes (por exemplo, "Tenho problemas para me concentrar"). Os participantes devem indicar em que medida o item reflete seu controle de atenção atual marcando linhas de 100 mm, ancoradas com "Nada" e "Muito" nos lados esquerdo e direito.

MEDIÇÃO EBR E EEG

1. Taxas de piscadas espontâneas (EBR): A EBR espontânea será coletada em 4 min. bloqueio de olhos abertos usando EOG vertical, que registra diferenças de voltagem entre dois eletrodos colocados acima e abaixo do olho. Neste 4 min. intervalo, os participantes serão solicitados a olhar para um ponto central da sala em um estado relaxado. A EBR individual será calculada dividindo o número total de piscadas de olho durante os 4 min. intervalo de 4.
2. EEG espontâneo: O EEG espontâneo será registrado por 8 min. continuamente em blocos alternados de 1 min de gravação de olhos abertos/olhos fechados. As gravações de EEG serão adquiridas em todo o couro cabeludo usando 16 eletrodos, posicionados de acordo com o sistema internacional 10/20, usando o sistema ActiveTwo BioSemi. Eletrodos serão colocados nas mastóides esquerda e direita para re-referenciação offline dos sinais do couro cabeludo para a média dos sinais da mastóide. Para medir os movimentos dos olhos e piscar, eletrodos de eletrooculograma (EOG) serão colocados acima e abaixo do olho esquerdo (EOG vertical) e canto externo de cada olho (EOG horizontal). O processamento de dados offline será feito no Brain Vision Analyzer V2.02. Um filtro passa-alta de 0,1 Hz, um filtro passa-baixa de 100 Hz e um filtro notch de 50 Hz serão aplicados. Os dados serão analisados ​​em segmentos de quatro segundos. Os dados serão corrigidos automaticamente para artefatos oculares e segmentos contendo artefatos remanescentes serão removidos. Uma rápida transformação de Fourier (com resolução de 0,25 Hz, usando uma janela hamming de 10%) será aplicada para calcular a densidade de potência de área para as bandas de frequência beta (13-30 Hz) e teta (4-7 Hz). As densidades de potência para os três eletrodos frontais serão calculadas em medidas para a densidade de potência frontal beta e frontal teta, e usadas para calcular as razões teta/beta, que serão transformadas em logaritmos em caso de não normalidade.

PROCESSAMENTO DE DADOS

A remoção de outliers para cada tarefa cognitiva será feita de tentativa para tentativa (excluindo respostas improvavelmente rápidas e/ou lentas) para cada participante. Primeiro, será aplicada uma remoção aproximada de RT, após a qual será realizada uma remoção mais sofisticada de testes periféricos. Com base em estudos anteriores com essas tarefas, as seguintes tentativas serão removidas:

1. TACT: tentativas mais rápidas que 200ms ou mais lentas que 1200ms, após as quais as tentativas concluídas mais rápido ou mais devagar que 2,5 DPs do TR médio para aquela tarefa serão removidas.
2. N-Back: tentativas mais rápidas que 300ms serão removidas.
3. EST: tentativas mais rápidas que 300 ms ou mais lentas que 1200 ms, após as quais as tentativas concluídas mais rápido ou mais lentas que 2,5 DPs do RT médio para essa tarefa serão removidas.

Há alguma evidência da estabilidade de TBR e EBR ao longo do tempo, o que está de acordo com a noção de que esses marcadores refletem processos neurais estáveis, semelhantes a traços. No entanto, a influência das circunstâncias dependentes do estado nessas medidas ainda não é totalmente compreendida. No presente estudo, TBR e EBR de linha de base serão medidos em cada dia de teste, mas apenas uma dessas medidas de linha de base de TBR e EBR será usada como marcador neural semelhante a traço nas análises de moderação. A seleção de quais dessas medidas de linha de base serão usadas nas análises de moderação é baseada nas seguintes regras:

1. Se os investigadores acharem que as medidas de linha de base TBR ou EBR no dia 1 são altamente semelhantes (comparação média e/ou correlação) com suas medidas de linha de base correspondentes nos dias 2 e 3, as medidas de linha de base do dia 1 serão usadas nas análises de moderação.
2. Se os investigadores descobrirem que as medidas de linha de base TBR ou EBR no dia 1 diferem muito de suas medidas de linha de base correspondentes no dia 2 OU no dia 3, as medidas de linha de base do dia 1 serão usadas nas análises de moderação.
3. Se os investigadores descobrirem que as medidas de linha de base TBR ou EBR no dia 1, dia 2 e dia 3 diferem muito umas das outras, as medidas de linha de base do dia 1 serão usadas nas análises de moderação.
4. Se os investigadores descobrirem que as medidas de linha de base TBR ou EBR nos dias 2 e 3 são muito semelhantes, mas diferem muito de suas medidas de linha de base correspondentes no dia 1, as medidas de linha de base médias dos dias 2 e 3 serão usadas nas análises de moderação.