Влияние кофеина на соотношение тета/бета ЭЭГ и когнитивный контроль

ПРЕДПОСЫЛКИ И ЦЕЛИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Когнитивный контроль является неотъемлемой частью когнитивного функционирования, позволяя осуществлять нисходящий, целенаправленный контроль над управляемыми стимулами автоматическими процессами. Префронтальная кора (ПФК) мозга, вероятно, играет важную роль во многих аспектах когнитивного контроля, включая целенаправленное внимание, рабочую память и регулирование эмоций. Предыдущие исследования ЭЭГ по изучению когнитивного контроля выявили потенциальный электрофизиологический маркер когнитивного контроля, опосредованного префронтальной корой. Эти исследования показали, что соотношение между измеренными ЭЭГ тета- и бета-колебаниями мозга повышено у детей с СДВГ (которые обычно испытывают плохой когнитивный контроль) и у неотобранных взрослых с плохим контролем внимания. Считается, что это соотношение тета/бета (TBR) отражает степень, в которой активность префронтального мозга проявляет регуляторный контроль над более задними и подкорковыми областями мозга, что делает этот показатель полезным для диагностики и лечения расстройств, связанных с плохим когнитивным контролем, таких как СДВГ.

В настоящем исследовании исследователи предлагают новый метод для дальнейшей проверки TBR как электрофизиологического маркера когнитивного контроля путем введения участникам кофеина. Широко известно, что кофеин улучшает различные аспекты когнитивного контроля, что, как ожидается, будет сопровождаться снижением TBR.

Важно отметить, что когнитивный контроль выигрывает как от сохранения релевантных для задачи представлений, так и от гибкого обновления этих представлений. Эти функции когнитивного контроля могут зависеть от несколько разных областей мозга. А именно, в то время как поддержание релевантных для задачи представлений может больше зависеть от функционирования префронтальной коры, гибкое обновление этих представлений может больше зависеть от дофаминергической активности в стриатуме. Соотношение тета/бета как маркер активности префронтальной коры может, таким образом, специфически отражать актуальное для задачи сохранение информации, и сопоставление этого показателя ЭЭГ с показателем активности дофамина в полосатом теле может пролить больше света на природу TBR. В настоящем исследовании исследователи будут делать это путем измерения частоты спонтанного моргания (EBR), которая показала свою чувствительность к дофаминергической активности полосатого тела.

Первой целью настоящего исследования будет дальнейшая проверка соотношения тета/бета (TBR) в качестве электрофизиологического маркера когнитивного контроля, опосредованного префронтальной корой, путем введения кофеина здоровым участникам. Исследователи ожидают, что (1a) соотношение тета/бета будет обратно пропорционально эффективности когнитивного контроля (фокус внимания, смещение внимания, рабочая память; измеряется с помощью TACT и N-back; возможно, в основном связано с эффективностью фокусировки TACT), (1b) кофеин повысит эффективность когнитивного контроля, (1c) кофеин уменьшит соотношение тета/бета, и что (1d) эти положительные эффекты кофеина на когнитивные функции будут опосредованы этим снижением соотношения тета/бета.

Второй целью этого исследования будет изучение того, по-разному ли TBR и EBR смягчают влияние кофеина на когнитивный контроль. А именно, поскольку эти показатели, вероятно, отражают активность различных областей мозга, они могут предсказывать дифференциальные (возможно, перевернутые U-образные) эффекты кофеина в зависимости от их исходной активности. Например, повышение уровня дофамина в стриарном теле за счет потребления кофеина может быть полезным только в том случае, если исходная дофаминергическая активность в полосатом теле (отражаемая исходным EBR) изначально не слишком высока, потому что, когда это так, это может привести к увеличению отвлекаемости, а не чем улучшенная когнитивная гибкость. Таким образом, исследователи ожидают, что (2a) базовый уровень TBR смягчит влияние кофеина на эффективность когнитивного контроля (возможно, главным образом на эффективность фокуса TACT), и что (2b) базовый уровень EBR смягчит влияние кофеина на функцию когнитивного контроля (возможно, в основном производительность переключения TACT).

Третьей целью настоящего исследования будет изучение влияния кофеина на эмоциональную обработку и роль TBR в этом. Важно отметить, что традиционно считалось, что кофеин усиливает обработку информации, связанную с угрозой, и тревогу, особенно в более высоких дозах. Тем не менее, все больше исследований на животных показывают, что небольшие дозы кофеина на самом деле могут оказывать анксиолитическое действие. Отчасти это может быть связано с увеличением когнитивных способностей и возможностей контроля внимания. А именно, несмотря на сложность отношений, тревога и контроль внимания взаимно влияют друг на друга. Беспокойство может повысить бдительность при обработке информации, связанной с угрозой, в то время как возможности контроля внимания могут защитить от этого. Оптимальная доза кофеина теоретически может увеличить контроль внимания до такой степени, что это уменьшит чрезмерную обработку информации, связанной с угрозой. Однако дозозависимые эффекты дофамина, норадреналина и кофеина предполагают, что эта оптимальная доза зависит от базальных уровней этих медиаторов и, следовательно, возможно, от беспокойства, которое связано с повышенной активностью дофамина и норадреналина. Таким образом, потенциальная полезность умеренных доз кофеина в качестве профилактического средства от (симптомов внимания) тревоги может критически зависеть от такого возможного сдерживающего влияния тревоги. В настоящем исследовании исследователи изучили эту взаимосвязь, приняв во внимание смягчающие эффекты личностной тревожности при воздействии кофеина на эмоциональную обработку. Исследователи ожидают, что (3a) более высокий TBR будет связан с повышенным вмешательством в EST, (3b) умеренная доза кофеина уменьшит эмоциональное воздействие на EST, (3c) влияние кофеина на эмоциональное вмешательство будет опосредовано изменение TBR, и что (3d) влияние кофеина на эмоциональные помехи будет смягчаться индивидуальными различиями в личностной тревожности.

Тревога по признаку будет измеряться с помощью самоотчета с использованием STAI-t, который будет добавлен в качестве ковариации в анализ, в котором исследуется связь между TBR и AC. Наконец, в этом исследовании исследователи изучат несколько других возможных искажающих факторов в отношениях между потреблением кофеина и когнитивным контролем, в том числе самоотчеты о характеристиках и состоянии контроля внимания, тревоге, сонливости и симптомах СДВГ.

ДИЗАЙН ИССЛЕДОВАНИЯ

Двойное слепое рандомизированное плацебо-контролируемое перекрестное исследование. После первого учебного занятия участники посетят лабораторию дважды с интервалом примерно в одну неделю. На этих двух лабораторных занятиях участники будут перорально потреблять одну капсулу, содержащую 200 мг чистого кофеина (аналогичное количество кофеина содержится примерно в 2 чашках кофе), и одну капсулу, содержащую плацебо-наполнитель (рандомизированное и двойное слепое введение). Ослепление и рандомизация распределения капсул будут проводиться аптекой Медицинского центра Лейденского университета (LUMC).

УЧАСТНИКИ

В этом исследовании примут участие 40 здоровых женщин-добровольцев (в возрасте 18-26 лет). Участники будут довольно наивны в потреблении кофеина (употребление ≤100 мг кофеина или около одной чашки кофе в день), и их попросят воздержаться от употребления кофеина и алкоголя в течение 12 часов до начала лабораторных занятий. Участниками будут студенты, набранные в Лейденском университете с помощью различных рекламных объявлений (например, в университетском городке). Участники, вышедшие из исследования, по возможности будут заменены другим случайно выбранным участником. Для таких замещающих участников фармацевт LUMC приготовил слепые капсулы, содержащие плацебо и кофеин, в том же порядке, что и первоначальный участник, которого они заменяют.

ПРОЦЕДУРЫ

После процедур онлайн-проверки правомочные участники будут тестироваться одновременно в три разных дня. Тестовые сессии будут проходить с 10:00 до 17:00, продолжительностью около 2 часов. Участников попросят воздержаться от употребления алкоголя и кофеина за 12 часов до начала эксперимента. В первый день тестирования (обучения) участники заполнят анкеты, оценивающие демографические данные, уровни контроля внимания (ACS), уровни тревожности (подшкала признаков STAI), привычную сонливость (ESS) и симптомы СДВГ (оценочная шкала СДВГ-IV). . Кроме того, будут измеряться ЭЭГ в состоянии покоя (8 минут с чередованием 1-минутных блоков с открытыми/закрытыми глазами) и спонтанная EBR (один блок с открытыми глазами в течение 4 минут). Кроме того, участники будут ознакомлены с познавательными заданиями (TACT; N-Back; EST). Участники выполнят эти меры, чтобы уменьшить эффекты новизны или обучения в последующих тестовых сессиях. В каждый день тестирования анкеты состояния (текущая сонливость, KSS; контроль внимания, ВАШ; и тревога, подшкала состояния STAI) будут вводиться между каждым 4-минутным (EBR) и 8-минутным (EEG) измерением исходного уровня, а также в конце дня. (т.е. вводили дважды в первый день тренировки и три раза в день 2/3 дня потребления).

Второй день тестирования будет примерно через неделю после первого дня тестирования. Перед употреблением капсулы будут измеряться ЭЭГ и ЭБР. Затем участники получат капсулу, содержащую либо кофеин (200 мг), либо плацебо (двойное слепое рандомизированное введение). После 30-минутного перерыва (поскольку кофеину требуется около получаса, чтобы стать активным), ЭБР и ЭЭГ будут измеряться снова. Наконец, участники выполнят те же когнитивные задачи, что и в первый день.

На третий день тестирования будет повторен протокол тестирования второго дня, за исключением того, что будет введена другая оставшаяся капсула кофеина (200 мг) или плацебо.

ЗАДАЧИ КОГНИТИВНОГО КОНТРОЛЯ

Все когнитивные задачи (TACT, N-Back, Emotional Stroop Task) программируются и выполняются на компьютере с помощью E-Prime (v2.0). Задания когнитивного контроля описаны ниже.

1. Двухфакторная задача управления вниманием (TACT): TACT — это задача на глобальную/локальную конгруэнтность, целью которой является измерение концентрации внимания и переключения внимания. В этом задании участникам показывают большую стрелку, состоящую из нескольких меньших стрелок, указывающих в одном (конгруэнтном) или противоположном (неконгруэнтном) направлении. Участников просят реагировать на направление большой или меньшей стрелки как можно быстрее, не делая слишком много ошибок. Они могут сделать это, нажав клавишу со стрелкой влево или вправо на клавиатуре, используя указательный и средний пальцы своей ведущей руки. Перед появлением стрелки участники видят серый экран в течение 500 мс, после чего на 500 мс появляется слово «Большой» синего цвета или «Маленький» желтого цвета, что указывает, на какую стрелку участники должны реагировать. После 250 мс серого экрана в середине экрана появляется стрелка, которая исчезает через 2000 мс или при получении ответа. В каждом испытании стрелка появляется в несколько ином положении, чтобы участники смотрели на стрелку, а не фиксировались на нескольких пикселях на экране (что теоретически может быть достаточно для определения направления стрелок).

   В части задания, посвященной концентрации внимания, участники выполняют два блока по 52 попытки в каждом. В одном блоке участники реагируют только на направление большой стрелки, а в другом — только на направление меньшей стрелки. Эффективность фокуса TACT измеряется путем вычитания RT в конгруэнтных испытаниях (т. е. испытаний, в которых не требуется подавление отвлечения необслуживаемых стрелок) из RT в неконгруэнтных испытаниях (т. е. испытаний, в которых участники должны подавлять свою реакцию на отвлечение стрелок). необслуживаемые стрелки). Таким образом, меньшие различия в RT указывают на лучшую производительность фокусировки. В части задания, посвященной переключению внимания, участники выполняют два блока из 120 попыток, разделенных минутным перерывом, в течение которого направление стрелки, на которое участники должны реагировать, меняется каждые шесть попыток (т. е. всего 40 переключений). . Показатели переключения TACT рассчитываются путем вычитания RT в последних двух испытаниях до переключения внимания из RT в первых двух испытаниях после переключения внимания (т. е. испытаний, в которых участники переключали свое внимание с больших стрелок на меньшие или наоборот). Таким образом, меньшие различия в RT указывают на лучшее переключение передач. Два испытания до и после смены всегда несовместимы, чтобы увеличить сложность (и, следовательно, вероятные затраты на смену) этой задачи. Порядок блоков фокуса (т. е. сначала большая стрелка или стрелки меньшего размера) и порядок первого завершения блоков фокуса или сдвига уравновешиваются участниками. Испытания, в которых участники дают неверные ответы или невероятно медленные или быстрые ответы, далее не анализируются.

2. Задача N-Back: задача N-back — это задача, которая оценивает различные процессы рабочей памяти. В задаче N-Back участникам последовательно показывают буквы. Участники должны указать, соответствует ли текущая буква букве, показанной в n местах ранее, используя 1 («та же буква») или 2 («другая буква») на клавиатуре. Были назначены задания «1-обратно» и «3-обратно», поскольку кофеин, вероятно, оказывает наибольшее влияние на выполнение задания «3-обратно» и не может сильно по-разному влиять на выполнение задания «1-обратно» и «2-обратно». Для каждого условия n-back показано всего 75 букв, из которых 25 (33%) являются совпадениями (т. е. испытаниями, которые были показаны n мест назад). Первые три попытки каждого блока никогда не являются целевыми. Каждая буква отображается в течение 500 мс, после чего следует пустой экран на 1500 мс. Участники могут отвечать на письмо в течение всего этого интервала в 2000 мс. Перед каждым условием n-back участники получают инструкции и примеры задачи (под наблюдением исследователя в день обучения) и проходят 21 тренировочное испытание (7 пробных испытаний), чтобы убедиться, что они понимают задачу. Порядок завершения 1-обратно и 3-обратно будет уравновешен для участников. Производительность измеряется путем изучения оценок точности (% правильных ответов) и путем изучения RT в испытаниях с правильными ответами.
3. Эмоциональная задача Струпа (EST): EST представляет собой вариант традиционной задачи Струпа (в которой участники должны назвать цвет слова, напечатанного другим цветом, например, назовите цвет слова «Красный», написанного синими чернилами). В ЭСТ показаны эмоционально нагруженные картинки, на которые наложен цветной квадрат. Участники должны реагировать на цвет квадрата и, таким образом, подавлять отвлекающее влияние изображений. Изображения выбираются из базы данных IAPS и выбираются на основе их баланса и оценок возбуждения, чтобы представить три состояния изображения: нейтральное, отрицательное и положительное. Для каждого условия изображения 4 изображения (каждый раз с квадратом в другом месте: вверху или внизу x слева или справа) показываются 8 раз (т. е. 32 испытания на условие, всего 96 испытаний). Цвет квадрата выбирается случайным образом из трех возможных вариантов (красный, желтый или синий) в каждом испытании. При каждом испытании сначала в течение 200 мс показывается картинка, после чего на эту картинку накладывается цветной квадрат в одном из четырех возможных мест. Затем участники получают 1800 мс, чтобы ответить на цвет квадрата, что они могут сделать, используя цветные кнопки стандартного поля ответа. Затем отображается серый экран 2000 мс, после чего появляется следующее изображение. Перед реальным заданием участник выполняет 24 практических испытания, в которых демонстрируются нейтральные картинки. Выполнение эмоциональной задачи Струпа измеряется путем изучения RT в испытаниях с отрицательными и положительными условиями по сравнению с RT в испытаниях с нейтральными условиями и в испытаниях с правильными ответами.

АНКЕТЫ

Все личностные опросники (ACS, STAI-t, рейтинговая шкала ADHD-IV, ESS) программируются и заполняются на компьютере с помощью E-Prime (v2.0). Государственные анкеты (ГТАИ-ы; ВАС-АЦ-ы; КСС) заполняются ручкой и бумагой. Анкеты описаны ниже.

1. Шкала контроля внимания (ACS): участникам будет предоставлен модифицированный голландский перевод ACS. Целью ACS является измерение способности контролировать внимание с помощью 20 утверждений, измеряющих переключение внимания (например, «Я могу быстро переключаться с одной задачи на другую»), концентрацию внимания (например, «Я хорошо концентрируюсь, даже если в комнате звучит музыка). пространство вокруг меня») и гибкое мышление (например, «Мне трудно быстро придумывать новые идеи»). Участники должны указать, в какой степени утверждения отражают их контроль внимания по 4-балльной шкале от 1 («почти никогда») до 4 («всегда»).
2. Индекс тревожности состояния (подшкала признаков; STAI-t): Шкала признаков голландского STAI состоит из 20 пунктов, измеряющих тревожность признаков (например, «Я слишком беспокоюсь о чем-то, что на самом деле не имеет значения»). Участники могут ответить на эти вопросы, используя 4-балльную оценочную шкалу от 1 («почти никогда») до 4 («почти всегда»).
3. Рейтинговая шкала СДВГ-IV: участникам будет предложен модифицированный голландский перевод рейтинговой шкалы СДВГ-IV. Этот опросник состоит из 23 пунктов, измеряющих симптомы гиперактивности/импульсивности СДВГ (например, «я чувствую беспокойство») и невнимательности (например, «я быстро отвлекаюсь»). Участников просят оценить, в какой степени данный пункт применялся к ним в течение последних 6 месяцев, по шкале от 0 («Никогда или редко») до 3 («Очень часто»).
4. Шкала сонливости Эпворта (ESS): Шкала ESS используется для измерения привычной сонливости. В тесте ESS участников просят оценить вероятность того, что они заснут в восьми обычных и недавних ситуациях (например, «Во время просмотра телевизора»), используя шкалу от 0 («Никогда бы не заснул») до 3 ( «Высокая вероятность задремать»).
5. Индекс состояния-черты тревожности (подшкала состояния; STAI-s): шкала состояния голландского STAI состоит из 20 пунктов, измеряющих степень беспокойства участников в данный момент (например, «Я чувствую себя спокойно», «Я беспокоюсь»). Участники могут ответить на эти вопросы, используя 4-балльную оценочную шкалу от 1 («Совсем нет») до 4 («Очень много»).
6. Каролинская шкала сонливости (KSS): KSS представляет собой 9-балльную ВАШ, оценивающую субъективную мгновенную сонливость. Участников просят сообщить, насколько они бдительны или сонливы по шкале от 1 («Очень бдительны») до 9 («Очень сонно (борется со сном)»).
7. VAS AC-s: Шкала контроля внимания по ВАШ состоит из шести пунктов, оценивающих текущее чувство контроля внимания участников (например, «У меня проблемы с концентрацией внимания»). Участники должны указать, в какой степени предмет отражает их текущий контроль внимания, отметив 100-миллиметровые линии, отмеченные «Нисколько» и «Сильно» с левой и правой сторон.

ИЗМЕРЕНИЕ EBR И ЭЭГ

1. Частота спонтанных морганий (EBR): спонтанная EBR будет собрана за 4 мин. блок с открытыми глазами с использованием вертикальной ЭОГ, которая регистрирует разность потенциалов между двумя электродами, расположенными над и под глазом. В эти 4 мин. интервал, участников попросят посмотреть на центральную точку в комнате в расслабленном состоянии. Индивидуальный EBR будет рассчитываться путем деления общего количества морганий глаз в течение 4 минут. интервал на 4.
2. Спонтанная ЭЭГ: спонтанная ЭЭГ будет записываться в течение 8 мин. непрерывно в чередующихся 1-минутных блоках записи с открытыми/закрытыми глазами. Записи ЭЭГ будут получены через кожу головы с использованием 16 электродов, расположенных в соответствии с международной системой 10/20, с использованием системы ActiveTwo BioSemi. Электроды будут помещены в левый и правый сосцевидные отростки для автономной повторной привязки сигналов кожи головы к среднему значению сигналов сосцевидного отростка. Для измерения движений глаз и моргания электроды электроокулограммы (ЭОГ) будут размещены над и под левым глазом (вертикальная ЭОГ) и наружными углами глаз каждого глаза (горизонтальная ЭОГ). Автономная обработка данных будет производиться в Brain Vision Analyzer V2.02. Будут применены фильтр верхних частот с частотой 0,1 Гц, фильтр нижних частот с частотой 100 Гц и режекторный фильтр с частотой 50 Гц. Данные будут анализироваться в четырехсекундных сегментах. Данные будут автоматически скорректированы с учетом артефактов зрения, а сегменты, содержащие оставшиеся артефакты, будут удалены. Быстрое преобразование Фурье (с разрешением 0,25 Гц, с использованием окна Хэмминга 10%) будет применяться для расчета плотности мощности в диапазоне бета (13–30 Гц) и тета (4–7 Гц) частотных диапазонов. Плотности мощности для трех лобных электродов будут усреднены для измерения плотности мощности лобного бета- и тета-излучения и использованы для расчета соотношений тета/бета, которые будут преобразованы в логарифмическом масштабе в случае ненормальности.

ОБРАБОТКА ДАННЫХ

Удаление выбросов для каждой когнитивной задачи будет проводиться на основе проб (за исключением невероятно быстрых и/или медленных ответов) для каждого участника. Сначала будет применено грубое удаление RT, после чего будет проведено более сложное удаление отдаленных испытаний. На основании предыдущих исследований с этими задачами будут удалены следующие испытания:

1. ТАКТ: испытания быстрее, чем 200 мс или медленнее, чем 1200 мс, после которых испытания, завершенные быстрее или медленнее, чем 2,5 SD среднего RT для этой задачи, будут удалены.
2. N-Back: испытания быстрее 300 мс будут удалены.
3. EST: испытания быстрее, чем 300 мс или медленнее, чем 1200 мс, после чего испытания, завершенные быстрее или медленнее, чем 2,5 SD среднего RT для этой задачи, будут удалены.

Имеются некоторые свидетельства стабильности TBR и EBR с течением времени, что согласуется с представлением о том, что эти маркеры отражают стабильные нейронные процессы, подобные признакам. Однако влияние государственных обстоятельств на эти меры до конца еще не изучено. В настоящем исследовании базовые TBR и EBR будут измеряться в каждый день тестирования, но только один из этих TBR и один из этих базовых показателей EBR будут использоваться в качестве характерного нейронного маркера в анализе модерации. Выбор того, какие из этих базовых показателей будут использоваться в анализе модерации, основан на следующих правилах:

1. Если исследователи обнаружат, что базовые показатели TBR или EBR в первый день очень похожи (среднее сравнение и/или корреляция) с соответствующими исходными показателями в день 2 и 3, в модерирующем анализе будут использоваться базовые показатели первого дня.
2. Если исследователи обнаружат, что базовые показатели TBR или EBR в первый день сильно отличаются от соответствующих базовых показателей в день 2 ИЛИ в день 3, в анализе модерации будут использоваться базовые показатели первого дня.
3. Если исследователи обнаружат, что базовые показатели TBR или EBR в день 1, день 2 и день 3 сильно отличаются друг от друга, в анализе модерации будут использоваться базовые показатели дня 1.
4. Если исследователи обнаружат, что базовые показатели TBR или EBR на 2-й и 3-й день очень похожи, но сильно отличаются от соответствующих базовых показателей на 1-й день, в анализе модерации будут использоваться усредненные базовые показатели 2-го и 3-го дня.