Durch musikalisches Training induzierte Neuroplastizität multisensorischer kortikaler Bereiche: ein translationaler Ansatz (MusicPlast) (MusicPlast)

Ziele und Forschungsfragen

Das erste Ziel von MUSICPLAST ist es, die Entwicklung der audiovisuellen Wahrnehmung im gesunden menschlichen Gehirn eingehend zu untersuchen und die entsprechenden beteiligten kortikalen Netzwerke im Detail zu beschreiben. EEG-Messungen mit hoher Dichte (128 Kanäle) werden zur Verwirklichung dieses Ziels nach einem Stimulationsprotokoll eingesetzt, das auditive, visuelle und audiovisuelle Korrespondenzen in einem einheitlichen multisensorischen Sonderparadigma integriert. Eine verhaltens- und neuropsychologische Evaluation der multisensorischen Wahrnehmungsfähigkeiten der Probanden wird durchgeführt, um ein ganzheitliches Verständnis des Phänomens zu erreichen. Der innersubjektbezogene Vergleich der verschiedenen Bedingungen wird das entsprechende Netzwerk aufdecken, während der zwischensubjektive seinen Entwicklungspfad aufzeigt. Die Hypothese dieses Experiments ist, dass das Netzwerk, das der audiovisuellen Wahrnehmung zugrunde liegt, aus kortikalen Bereichen besteht, die weit verbreitete Regionen verbinden, einschließlich dorsolateraler Regionen des frontalen Kortex. In Bezug auf seine Entwicklung und basierend auf der Tatsache, dass sich die verhaltensbezogene multisensorische Integration im gesunden Alter weiter verbessert, wird die Hypothese aufgestellt, dass das Netzwerk reorganisiert wird und mit fortschreitendem Alter eine erhöhte Dichte und Effizienz zeigt.

Das zweite Ziel von MUSICPLAST ist die eingehende Erforschung der Plastizität des kortikalen Netzwerks, die der audiovisuellen Wahrnehmung im gesunden menschlichen Gehirn zugrunde liegt, wie sie durch ein computergestütztes kurzfristiges musikalisches Lesetraining induziert wird. Vor und nach dem Training werden High-Density-EEG, verhaltensbezogene und neuropsychologische Messungen zur Verwirklichung dieses Ziels nach dem gleichen Stimulationsparadigma wie für das zuvor erwähnte Ziel eingesetzt. Die Hypothese dieses Experiments ist, dass das Netzwerk, das der audiovisuellen Wahrnehmung zugrunde liegt, reorganisiert wird, was eine verbesserte globale Dichte und Effizienz, eine größere Konnektivität zwischen temporalen und frontopolaren Regionen und eine allmähliche Abnahme der Plastizität als Folge des zunehmenden Alters zeigt.

Das dritte Ziel von MUSICPLAST ist die Bewertung der Wirksamkeit des vorgeschlagenen computergestützten Musiklese-Trainingsprotokolls als ein Werkzeug, das vorteilhafte neuroplastische Veränderungen in pathologischen Bevölkerungsgruppen und insbesondere bei Jugendlichen und älteren Menschen mit Leseschwäche fördert. Vor und nach dem Training werden High-Density-EEG, verhaltensbezogene und neuropsychologische Messungen zur Verwirklichung dieses Ziels nach dem gleichen Stimulationsparadigma wie für die zuvor genannten Ziele eingesetzt. Die Hypothese dieses Experiments ist, dass das Netzwerk, das der audiovisuellen Wahrnehmung zugrunde liegt, aufgrund des Trainings, das eine verbesserte globale Dichte und Effizienz, eine größere Konnektivität zwischen temporalen und frontopolaren Regionen zeigt, vorteilhaft reorganisiert wird und dass diese Veränderungen von einer Verbesserung des entsprechenden Verhaltens und der Neuropsychologie begleitet werden Auswertung.

Forschungsdesign und Methodik Teilnehmer

Eine Stichprobengrößenanalyse wurde über G-Power basierend auf den Daten einer früheren relevanten Studie des PI durchgeführt und ergab, dass die gewünschte Stichprobengröße zum Erreichen einer Power von 0,8 und eines zweiseitigen Signifikanzniveaus von a = 0,05 13 Probanden beträgt in jeder Gruppe. Um möglichen Abbrechern Rechnung zu tragen, wird MUSICPLAST 20 Probanden in jede Gruppe aufnehmen [Jugendliche (n = 20), junge Erwachsene (n = 20), ältere Menschen (n = 20) und Kontrollpersonen (n = 20)]. Die Studie wird gemäß der Deklaration von Helsinki hinsichtlich der Beteiligung menschlicher Probanden an der Forschung durchgeführt.

EEG und Verhaltensmessungen

Vor Beginn des Trainings und nach dessen Abschluss werden die Teilnehmer 2 elektroenzephalographischen Messungen unterzogen. Die Aufzeichnungen werden in einem elektromagnetisch abgeschirmten Raum im Medical Physics Laboratory des AUTH unter Verwendung eines Nihon Kohden EEG-1200-Systems mit 128 aktiven Elektroden durchgeführt. Die erste Messung wird die Ruhezustandsaktivität sein, die eine Netzwerkanalyse der kortikalen Konnektivität im Ruhezustand ermöglicht, während die zweite Ereignispotentiale über ein multisensorisches, seltsames Paradigma aufzeichnet, das für die audiovisuelle Wahrnehmung geeignet angepasst ist, da es audiovisuelle, auditive und visuelle Fehlanpassungen in sich vereint laufen. Dieses Paradigma wurde vom PI in einer Reihe von Studien vorgeschlagen und erfolgreich angewendet und ermöglicht sowohl eine raumzeitliche Analyse der kortikalen Aktivität als auch eine funktionelle Konnektivitätsanalyse.

Parallel zu den EEG-Messungen reagieren die Probanden verhaltensmäßig per Knopfdruck auf eine audiovisuelle Kongruenzaufgabe, bei der sie bewerten müssen, ob die dargebotenen Bilder den gehörten Tönen entsprechen, nach der Regel „Je höher die Tonhöhe – desto höher die Lage des Kreises". Diese Messung ermöglicht die Verhaltensbewertung der Diskriminationsgenauigkeit von kongruenten und inkongruenten audiovisuellen Stimuli.

Vor Beginn des Trainings und nach seinem Abschluss werden die Teilnehmer einer neuropsychologischen Untersuchung unterzogen, die aus einer Batterie mit folgenden Tests besteht:

Alle Schulfächer:

Stroop Test Trail A und B Digit Span Test Performance Subtest der Wechsler Intelligence Scale Children III oder der Wechsler Adult Intelligence Scale je nach Alter.

Nur ältere Menschen:

Mini Mental State Examination (MMSE) Montreal Cognitive Assessment (MoCA) Geriatric Depression Scale

Nur Dyslektiker:

Lesen von Wörtern und Nichtwörtern Rechtschreibung von Wörtern und Nichtwörtern Phonologische Fähigkeit

Intervention - MUSICPLAST-Trainingsprotokoll

Jeder Proband erhält 20 Sitzungen des computergestützten Trainings auf der Grundlage einer vereinfachten Notenlesung innerhalb eines Zeitraums von 4 Wochen. Die Schulung erfolgt über ein Smartphone oder Tablet. Die Anwendung zeichnet eine Protokolldatei für jede Schulungssitzung auf, die 20 Minuten dauert, und die Protokolldatei steht dem Forscher direkt zur Verfügung, sodass er/sie die rechtzeitige Teilnahme und das Engagement des Probanden verfolgen kann. Die im Trainingsprotokoll verwendeten Stimuli werden nach den gleichen Prinzipien der audiovisuellen Stimulusmuster konstruiert, die in den EEG-Aufzeichnungen verwendet werden: Ein visuelles Bild zeigt einen Kreis auf einem Hintergrund aus 5 horizontalen Linien. Die Dauer der Muster beträgt im Mittel 10 Sekunden.

Die Position des Kreises innerhalb der fünf Linien folgt entweder der Regel "je höher die Tonhöhe, desto höher die Position des Kreises" oder sie verstößt gegen die obige Regel. Diese Regel wurde im Prinzip auch in früheren Studien des PI mit positiven Ergebnissen bezüglich der induzierten Neuroplastizität befolgt. Die visuellen Bilder repräsentieren nur die Frequenz der Tonhöhe und nicht das rhythmische Muster. Der Teilnehmer muss am Ende jedes Versuchs per Knopfdruck antworten, ob die audiovisuelle Eingabe die oben dargestellte Regel bestätigt oder verletzt hat. Für jede Studie wird ein Feedback-Bild mit einem lächelnden Gesicht für die richtigen Antworten oder einem nicht lächelnden Gesicht für die falschen Antworten bereitgestellt. Das Protokoll hat einen angepassten Schwierigkeitsgrad mit 5 Schwierigkeitsstufen, die auf 2 verschiedenen Faktoren basieren: der Präsentationsgeschwindigkeit und der Schwierigkeit des musikalischen Musters. Im Gegensatz zum EEG-Messverfahren, bei dem die melodischen Muster den Probanden unbekannt sind, bestehen die im Training verwendeten melodischen Muster aus kurzen, aber identifizierbaren Teilen bekannter Musikstücke, um die Teilnehmer zu fesseln und emotionale Reaktionen hervorzurufen . Das Training wird im Vergleich zu den entsprechenden früheren Studien des PI verbessert, indem Feedback gegeben und bekannte Musikstücke verwendet werden, die eine emotionale Reaktion auf die Auszubildenden hervorrufen.

EEG-Datenanalyse und statistische Verfahren

Die gesammelten EEG-Daten werden mit der Brain Electrical Source Analysis-Software (BESA research, Version 6, Megis Software, Heidelberg, Deutschland) vorverarbeitet. Die aufgezeichneten Daten werden in Epochen von 1000 ms aufgeteilt, einschließlich eines Vorstimulusintervalls von 200 ms. Epochen werden anhand des Intervalls von -100 bis 0 ms grundlinienkorrigiert. Current Density Reconstructions (CDRs) werden anhand der neuralen Reaktionen jedes Probanden und jeder Bedingung unter Verwendung der sLORETA-Methode55, wie sie von BESA bereitgestellt wird, berechnet. The Matlab® (The MathWorks, Inc., Natick, Massachusetts, USA.) Zur Berechnung der Adjazenzmatrix aus den Voxel-Zeitreihen wird die Toolbox HERMES56 verwendet. Die Toolbox Network Based Statistic (NBS) wird verwendet, um signifikante Verbindungen in den Diagrammen statistisch zu identifizieren, wobei ein General Linear Model-Ansatz verwendet wird. Für die statistische Analyse der Daten wird ein 2 × 2 × 2 × 2 gemischtes Modell ANOVA-Design mit 3 Innersubjektfaktoren befolgt: Zustand (kongruent und inkongruent), Modalität (audiovisuell, auditiv und visuell) und Zeit (vor und nach der Ausbildung) und eines zwischen den Fächern: (Altersgruppe). Das Signifikanzniveau wird auf p < 0,05 gesetzt, korrigiert für Mehrfachvergleiche über Family Wise Error Correction.