Kompenzační mozková aktivita u starších dospělých. (BrainAct)

Kompenzační mozková aktivita u starších dospělých je důležitou výzkumnou oblastí zabývající se kognitivním stárnutím a možnostmi kognitivního zlepšení v pozdní dospělosti. Nejkomplexněji tyto problémy řeší model STAC - Scaffolding Theory of Aging and Cognition. Tato studie se bude zabývat empirickým zkoumáním některých jejích teoretických předpokladů. Inovativní charakter výzkumných řešení zahrnutých v tomto projektu je založen na jedné straně na nových přístupech k ověřování předpokladů STAC a na druhé straně na ověřování předpokladů, které nebyly podrobeny systematickému dosavadních vyšetřování. Takový výzkumný program byl motivován mezerami ve stávajících znalostech týkajících se některých jevů popsaných v modelu STAC. Vyplnění těchto mezer bude příspěvkem projektu k rozvoji výzkumu kognitivního stárnutí.

V této souvislosti jsou cíle studie následující:

1. Ověření předpokladů modelu STAC o kognitivních procesech spouštěných při kompenzační mozkové aktivitě u starších dospělých na základě časově-frekvenčních analýz EEG.
2. Ověření předpokladu modelu STAC o možném vlivu kognitivního tréninku na vznik a zánik kompenzační mozkové aktivity u starších dospělých nebylo dosud zkoumáno.

Výzkumné problémy ospravedlňující cíle:

Re. 1. Kognitivní interpretace kompenzační mozkové aktivity u starších dospělých, jak v modelu STAC, tak ve světle dosud shromážděných výzkumných zjištění, je založena na neúplných premisách. Kompenzační zapojení mozku je nadměrná aktivace pozorovaná v určitých oblastech mozku u starších dospělých, která je spojena s lepším výkonem při kognitivních úkolech. Lepší výkon kognitivních úkolů je zde považován za důkaz průběžné kompenzace. Kompenzační mozková aktivita u starších dospělých byla potvrzena četnými studiemi využívajícími fMRI a PET skeny, což jsou dvě nejdominantnější neurozobrazovací metody v této oblasti. Na těchto neurozobrazovacích datech jsou založeny modely kompenzační mozkové aktivity u starších dospělých, jako je model STAC. Teoretické výklady z hlediska kognitivních procesů jsou těmto pozorováním vnucovány až následně. Verifikace kompenzačních mechanismů popsaných v těchto modelech je tedy omezená, protože vývoj a verifikace modelu jsou založeny na stejné metodice. Následné studie, které nalezly pozitivní vztah mezi nadměrnou aktivací specifických oblastí mozku a lepším výkonem v kognitivních úlohách, potvrdily empirický vztah, který vedl k vývoji teoretického modelu. Samotné potvrzení vztahu však k ověření teoretické interpretace zapouzdřené v modelu nestačí. Potřebu prohloubit porozumění kognitivním procesům zapojených do kompenzace naznačili sami autoři modelu STAC.

K tomuto cíli přispěje využití metod EEG v projektu (event-related oscilations, ERO) namísto fMRI nebo PET zobrazení. Důvodem je, že přístup založený na EEG vyžaduje hypotézy založené nejen na lokalizaci kompenzační mozkové aktivity, ale také na kognitivních procesech teoreticky spojených se zájmovou aktivitou. Vzhledem k tomu, že nálezy fMRI a PET nelze přímo vyjádřit v termínech EEG, byly k predikci výsledků použity následující úvahy: kompenzační nadměrná aktivace mozku pozorovaná u fMRI a PET → kognitivní interpretace nadměrné aktivace → určení indikátorů EEG (synchronizace související s událostmi, ERS a událostmi související desynchronizace, ERD) kognitivních procesů specifikovaných na základě interpretace → ověření existence indikátorů v EEG signálu zaznamenaných u starších dospělých, kdy se jejich kognitivní výkon neliší od výkonu pozorovaného u mladých dospělých (a jejich nedostatek, když starší dospělí mají horší výkon než mladí jedinci). Jinými slovy, cílem je identifikovat nervové markery procesů, které byly navrženy modelem STAC, aby zohlednily kompenzační mozkovou aktivitu založenou na aktivaci určitých mozkových struktur, jak jsou registrovány pomocí fMRI a PET, ale s použitím jiného technika, která se opírá o alternativní indikátory zapojení kognitivních procesů. Díky využití EEG měření ve studii tak bude možné ověřit kompenzační roli kognitivních procesů a nejen potvrdit lokalizaci nadměrné aktivace, která byla významným omezením dosud provedených studií.

Re. 2. Není známo, zda je možné ovlivnit kompenzační mozkovou aktivitu u starších dospělých prostřednictvím kognitivního tréninku, který se předpokládá v modelu STAC. Model STAC předpokládá, že kompenzační mozkovou aktivitu lze stimulovat různými druhy intervencí, včetně kognitivního tréninku. Autoři modelu navrhli, že takový trénink v případě nedostatečné aktivace nebo zhoršení neuronové sítě zapojené do kognitivní úlohy by měl vytvořit nové lešení, zatímco když plnění úkolů již závisí na kompenzační nadměrné aktivaci určitých oblastí mozku Trénink by měl snížit aktivaci v těchto sekundárních "scaffolded" oblastech a zlepšit efektivitu v primárních sítích - jakési obnovení mozkové aktivity charakteristické pro mladší jedince.

Předpoklady o cílech školení uváděné autory modelu STAC nebyly dosud empiricky ověřeny. Výzkumná zjištění o změnách nervové aktivity vyvolaných tréninkem byla interpretována pouze post facto v kontextu modelu STAC nebo užších modelů kompenzační mozkové aktivity u starších dospělých: CRUNCH - Hypotéza využití nervových obvodů související s kompenzací, PASA - Posterior- Přední posun ve stárnutí nebo HAROLD – snížení hemisférické asymetrie u starších dospělých.

Pokud je nám známo, pouze dvě publikace dosud uváděly studie, které byly určeny přímo k ověření předpokladů jednoho z modelů kompenzační mozkové aktivity u starších dospělých – CRUNCH. Studie však byla provedena s použitím zobrazení fMRI, nikoli EEG, a bez zahrnutí mladých dospělých, kteří tvoří referenční skupinu zásadní pro posouzení specifičnosti mozkové aktivity charakteristické pro stáří.

Ačkoli se některé studie o účinnosti kognitivního tréninku zajímaly o neurokoreláty tréninku, ve většině z nich se vzorek skládal pouze z mladých jedinců, a i když byly zahrnuty starší subjekty, výzkumná agenda se nezabývala hypotézami týkajícími se kompenzačního lešení v stáří, nebo měli v takovém kontextu vykládat jen částečně.

V této studii budou předpoklady modelu STAC týkající se účinků kognitivního tréninku na kompenzační lešení u starších dospělých experimentálně ověřeny s využitím tréninku pracovní paměti (WM). Úloha použitá v tréninku bude vycházet z paradigmatu n-back, což je nejběžnější typ tréninku používaný v současném výzkumu. Ačkoli přenosový efekt tréninku n-back je sporný, existuje dostatek důkazů o jeho účinnosti při zlepšování výkonu při trénovaném úkolu.

Projekt probíhal ve dvou fázích: předběžné a experimentální. Předběžná fáze má tři hlavní cíle: (1) Empirické stanovení tří úrovní obtížnosti úlohy n-back pro následné použití při záznamech EEG - nejnižší úroveň obtížnosti by měla být snadná pro staré dospělé (bez rozdílu v přesnosti oproti mladí dospělí) a dvě další úrovně by měly být stále (výrazně) obtížnější; (2) Výběr úkolu pro aktivní kontrolní skupinu. Tento úkol by neměl zahrnovat pracovní paměť, ale mělo by se zdát, že zlepšuje stejný aspekt kognitivního fungování jako úkol n-back, což bude ověřeno odborníky i starými a mladými laiky, kteří nepatří do zkoumaného vzorku; (3) Nábor dobrovolníků do studijního vzorku a zařazení vybraných účastníků do experimentálních a kontrolních skupin zajišťujících ekvivalenci těchto skupin z hlediska kognitivního výkonu (podle kognitivního hodnocení v předběžné fázi). Kromě toho je přípravná fáze věnována také programování počítačových úloh, které budou při studiu použity. Počítačové úlohy pro kognitivní hodnocení a trénink budou vyvíjeny v programovacím prostředí PsychoPy s využitím programovacího jazyka Python.

Vzorek se skládal ze 3 skupin starších dospělých: experimentální (n = 25), pasivní kontrola (n = 22), aktivní kontrola (n = 7) a mladí dospělí: experimentální (n = 25), pasivní kontrola (n = 25) a aktivní kontrola (n = 12). Ve všech skupinách byla provedena předtestová a potestová měření.

V předtestu a po testu účastníci ve všech skupinách provedli počítačový úkol n-back na třech úrovních obtížnosti (určených předem v přípravné fázi) se současným záznamem signálu EEG. Dále bylo ve všech skupinách provedeno kognitivní hodnocení, které se bude týkat: pracovní paměti a kapacity krátkodobé paměti, zaměření pozornosti a psychomotorické rychlosti, odolnosti proti interferenci a inhibiční schopnosti. S registrací EEG bude provedena pouze úloha n-back.

Experimentálním faktorem byla intervence pomocí tréninku n-back, konkrétně starší a mladší účastníci zařazení do experimentálních skupin se účastnili počítačového procesního tréninku pracovní paměti s využitím úlohy n-back. Tréninková intervence trvala 4 týdny a skládala se z 12 tréninkových jednotek, každé cca 45 minut. Úkoly n-back používané pro účely školení byly analogické těm, které se používaly při měření před a po testu (stejné rozhraní, instrukce a akce nezbytné k dokončení úkolu). Rozdílem byla obtížnost, protože v případě školení nebyla plánována, ale navyšována adaptivně, podle aktuálního pokroku konkrétního účastníka. Další dvě skupiny (starých a mladých dospělých) budou aktivní kontrolní skupiny. V těchto skupinách byla intervence kognitivního tréninku s využitím úlohy n-back nahrazena vícedoménovým neadaptivním tréninkem. Tréninkový plán v aktivních kontrolních skupinách bude stejný jako v experimentálních skupinách. Existovaly také dvě pasivní kontrolní skupiny (starých a mladých dospělých), které během tréninkového období výzkumníci nekontaktovali a nebyly prováděny žádné kognitivní intervence.