Kompenserende hjerneaktivitet hos ældre voksne. (BrainAct)

Kompensatorisk hjerneaktivitet hos ældre voksne er et vigtigt forskningsområde, der beskæftiger sig med kognitiv aldring og mulighederne for kognitiv forbedring i den sene voksenalder. Mest omfattende behandles disse spørgsmål af STAC-modellen - Scaffolding Theory of Aging and Cognition. Nærværende undersøgelse vil beskæftige sig med empiriske undersøgelser af nogle af dets teoretiske antagelser. Den innovative karakter af de forskningsløsninger, der indgår i nærværende projekt, er på den ene side baseret på nye tilgange til verifikation af STAC-antagelserne og på den anden side på verifikation af de forudsætninger, der ikke har været udsat for systematisk undersøgelser indtil videre. En sådan forskningsdagsorden har været motiveret af huller i eksisterende viden om nogle af de fænomener, der er beskrevet i STAC-modellen. At udfylde disse huller vil bidrage fra projektet til udviklingen af ​​forskning i kognitiv aldring.

I denne sammenhæng er formålet med undersøgelsen følgende:

1. Verifikationen af ​​STAC-modellens antagelser om de kognitive processer udløst under kompenserende hjerneaktivitet hos ældre voksne baseret på EEG-tids-frekvensanalyser.
2. Verifikationen af ​​STAC-modellens antagelse om den mulige indflydelse af kognitiv træning på fremkomsten og forsvinden af ​​kompenserende hjerneaktivitet hos ældre voksne er ikke blevet undersøgt indtil videre.

Forskningsproblemer, der begrunder målene:

Vedr. 1. Den kognitive fortolkning af kompenserende hjerneaktivitet hos ældre voksne, både i STAC-modellen og i lyset af forskningsresultater indsamlet indtil nu, er baseret på ufuldstændige præmisser. Kompensatorisk hjerneengagement er den overaktivering, der observeres i visse hjerneområder hos ældre voksne, hvilket er forbundet med en bedre præstation på kognitive opgaver. Bedre præstation på kognitive opgaver betragtes her som bevis for løbende kompensation. Kompensatorisk hjerneaktivitet hos ældre voksne er blevet bekræftet af adskillige undersøgelser, der anvender fMRI- og PET-scanninger, som er de to mest dominerende neuroimaging-metoder på dette område. Modeller af kompenserende hjerneaktivitet hos ældre voksne, såsom STAC-modellen, er baseret på disse neuroimaging-data. Teoretiske fortolkninger i form af kognitive processer pålægges disse observationer først efterfølgende. Verifikationen af ​​de kompenserende mekanismer beskrevet i disse modeller er således begrænset, da udviklingen og verifikationen af ​​modellen er baseret på samme metodik. Efterfølgende undersøgelser, der fandt en positiv sammenhæng mellem overaktivering af specifikke hjerneregioner og bedre ydeevne på kognitive opgaver, bekræftede det empiriske forhold, der førte til udviklingen af ​​den teoretiske model. Bekræftelsen af ​​sammenhængen alene er dog ikke tilstrækkelig til at verificere den teoretiske fortolkning, der er indkapslet i modellen. Behovet for at uddybe forståelsen af ​​kognitive processer involveret i kompensation blev indikeret af selve forfatterne af STAC-modellen.

Anvendelsen af ​​EEG-metoderne i projektet (hændelsesrelaterede svingninger, ERO) i stedet for fMRI- eller PET-billeddannelsen vil bidrage til dette mål. Årsagen er, at den EEG-baserede tilgang kræver hypoteser baseret ikke kun på lokaliseringen af ​​kompenserende hjerneaktivitet, men også på de kognitive processer, der teoretisk er forbundet med aktiviteten af ​​interesse. Da fMRI- og PET-fund ikke kan udtrykkes direkte i EEG-termer, er følgende ræsonnement blevet brugt til at forudsige resultaterne: kompenserende hjerneoveraktivering observeret i fMRI og PET → kognitiv fortolkning af overaktiveringen → bestemmelse af EEG-indikatorerne (hændelsesrelateret synkronisering, ERS og hændelsesrelateret desynkronisering, ERD) af de kognitive processer, der er specificeret baseret på fortolkningen → verifikationen af ​​eksistensen af ​​indikatorerne i EEG-signalet registreret hos ældre voksne, når deres kognitive præstationer ikke afviger fra præstationer observeret hos unge voksne (og deres mangler, når de ældre klarer sig dårligere end unge forsøgspersoner). Med andre ord er målet at identificere de neurale markører for de processer, der er blevet foreslået af STAC-modellen for at tage højde for kompenserende hjerneaktivitet baseret på aktiveringen af ​​visse hjernestrukturer som registreret med fMRI og PET, men med brug af en anden teknik, der er afhængig af alternative indikatorer for kognitive processers engagement. Takket være brugen af ​​EEG-målinger i undersøgelsen vil det således være muligt at verificere den kompenserende rolle af de kognitive processer og ikke kun bekræfte lokaliseringen af ​​overaktiveringen, som har været en væsentlig begrænsning af de undersøgelser, der er gennemført indtil nu.

Vedr. 2. Det er uvist, om det er muligt at påvirke kompensatorisk hjerneaktivitet hos ældre voksne gennem kognitiv træning, hvilket er forudsat i STAC-modellen. STAC-modellen antager, at kompenserende hjerneaktivitet kan stimuleres af forskellige former for interventioner, herunder kognitiv træning. Forfatterne af modellen foreslog, at en sådan træning i tilfælde af en underaktivering eller en forringelse af et neuralt netværk involveret i den kognitive opgave skulle etablere nye stilladser, hvorimod når udførelsen af ​​opgaverne allerede er afhængig af kompenserende overaktivering af visse hjerneområder , skal træningen mindske aktiveringen i disse sekundære "stilladserede" regioner og forbedre effektiviteten i de primære netværk - en slags genoprettelse af hjerneaktiviteten, der er karakteristisk for yngre individer.

Antagelser om målene for træningen angivet af forfatterne af STAC-modellen er ikke blevet verificeret empirisk indtil videre. Forskningsresultater om de træningsinducerede ændringer i neural aktivitet er kun blevet fortolket post facto i sammenhæng med STAC-modellen eller smallere modeller for kompenserende hjerneaktivitet hos ældre voksne: CRUNCH - Compensation-Related Utilization of Neural Circuits Hypothesis, PASA - Posterior- Forreste skift i aldring eller HAROLD - hemisfærisk asymmetrireduktion hos ældre voksne.

Så vidt vi ved, har kun to publikationer indtil videre rapporteret undersøgelser, der var designet direkte til at verificere antagelserne om en af ​​modellerne for kompenserende hjerneaktivitet hos ældre voksne - CRUNCH. Undersøgelsen blev imidlertid udført med brug af fMRI-billeddannelse, ikke EEG, og uden at inkludere unge voksne, som udgør en referencegruppe, der er grundlæggende for vurderingen af ​​specificiteten af ​​hjerneaktivitet, der er karakteristisk for alderdom.

Selvom nogle undersøgelser af effektiviteten af ​​kognitiv træning har været interesseret i træningens neurokorrelater, bestod prøven i de fleste af dem udelukkende af unge individer, og selvom ældre forsøgspersoner var inkluderet, behandlede forskningsdagsordenen ikke hypoteser vedrørende kompenserende stilladser i alderdom, eller de skulle kun tolke i en sådan sammenhæng delvist.

I nærværende undersøgelse vil STAC-modellens antagelser vedrørende effekterne af kognitiv træning på kompenserende stilladser hos ældre voksne blive verificeret eksperimentelt ved brug af arbejdshukommelsestræning (WM). Opgaven i uddannelsen vil tage udgangspunkt i n-back-paradigmet, som er den mest almindelige form for uddannelse, der anvendes i nutidig forskning. Selvom overførselseffekten af ​​n-ryg træning er tvivlsom, er der rigelig dokumentation for dens effektivitet til at forbedre præstationen på den trænede opgave.

Projektet blev gennemført i to faser: indledende og eksperimentel. Den indledende fase har tre hovedmål: (1) Empirisk bestemmelse af tre sværhedsgrader af n-ryg opgaven til den efterfølgende brug under EEG optagelser - den laveste sværhedsgrad bør være let for gamle voksne (uden forskel i nøjagtighed ift. unge voksne) og to andre niveauer bør blive stadigt mere (betydeligt) vanskeligere; (2) Valg af opgave for den aktive kontrolgruppe. Denne opgave bør ikke involvere arbejdshukommelse, men bør synes at forbedre det samme aspekt af kognitiv funktion som n-ryg opgaven, som vil blive verificeret af eksperter såvel som gamle og unge lægpersoner, der ikke tilhører undersøgelsesprøven; (3) Rekruttering af frivillige til undersøgelsesprøven og tildeling af de udvalgte deltagere til forsøgs- og kontrolgrupperne for at sikre ækvivalens af disse grupper med hensyn til kognitiv præstation (ifølge den kognitive vurdering i den indledende fase). Desuden er den indledende fase også afsat til programmering af de edb-opgaver, der vil blive brugt i undersøgelsen. Computeriserede opgaver til kognitiv vurdering og træning vil blive udviklet i programmeringsmiljøet PsychoPy med brug af programmeringssproget Python.

Prøven omfattede 3 grupper af ældre voksne: eksperimentel (n = 25), passiv kontrol (n = 22), aktiv kontrol (n = 7) og unge voksne: eksperimentel (n = 25), passiv kontrol (n = 25) og aktiv kontrol (n = 12). Før- og post-testmålinger blev udført i alle grupper.

Ved pre-test og post-test udførte deltagere i alle grupper en computerstyret n-back-opgave på tre sværhedsgrader (bestemt på forhånd i den indledende fase) med samtidig EEG-signaloptagelse. Desuden blev der i alle grupper udført kognitiv vurdering, som vil omhandle: arbejdshukommelse og korttidshukommelseskapacitet, opmærksomhedsfokus og psykomotorisk hastighed, interferensmodstand og hæmningsevne. Kun n-back opgaven vil blive udført med EEG registrering.

Den eksperimentelle faktor var interventionen ved hjælp af n-rygtræningen, nemlig ældre og yngre deltagere tilknyttet forsøgsgrupperne deltog i en computeriseret procesbaseret arbejdshukommelsestræning med brug af n-rygopgaven. Træningsinterventionen varede 4 uger og bestod af 12 træningssessioner, ca. 45 minutter hver. De n-back opgaver, der blev brugt til træningsformålene, var analoge med dem, der blev brugt ved præ-test og post-test måling (samme interface, instruktioner og handlinger, der er nødvendige for at fuldføre opgaven). Forskellen var sværhedsgraden, fordi den i forbindelse med træningen ikke var planlagt, men hævet adaptivt i henhold til den aktuelle fremskridt for den pågældende deltager. De to andre grupper (af gamle og unge voksne) vil være aktive kontrolgrupper. I disse grupper blev kognitiv træningsintervention med brug af n-back opgave erstattet af multidomæne non-adaptiv træning. Træningsskemaet i aktive kontrolgrupper vil være det samme som i forsøgsgrupperne. Der var også to passive kontrolgrupper (af gamle og unge voksne), som i uddannelsesperioden ikke blev kontaktet af forskere, og der blev ikke foretaget kognitive interventioner.