Das Cogni-Action-Projekt: Körperliche Aktivität, Gehirn und Kognition (Cogni-Action)

In Bezug auf die Studie (d. h. Crossover-randomisierte Studie) werden Kinder für jede Protokollsitzung randomisiert und nehmen an allen mit einem Abstand von zwei Wochen teil. Daher werden sie in unserem Fitnessstudio assistieren, um eines der drei Protokolle durchzuführen, und anschließend werden sie in ein Labor verlegt, wo sie EEG- und Eye-Tracking-Messungen im Ruhezustand und während zweier verschiedener kognitiver Aufgaben unterzogen werden. Weitere Einzelheiten finden Sie in folgenden Abschnitte.

Das Design des Projekts besteht aus einem ausgeglichenen Crossover-Versuch, bei dem die Teilnehmer an verschiedenen Tagen drei verschiedene PA-Trainingsprotokolle in zufälliger Reihenfolge durchführen. Jedes Kind wird unser Labor alle zwei Wochen dreimal besuchen, um eine „Auswaschphase“ sicherzustellen, um den PA-Effekt von jedem Protokoll abzuschwächen. Die Teilnehmer werden an den drei verschiedenen Sitzungen am selben Wochentag (z. B. Montag) und zur selben Tageszeit teilnehmen, um Unterschiede in den vorangegangenen Schulaktivitäten oder zirkadianen Rhythmen zu vermeiden. Die Teilnehmer werden einem „sesshaften Zustand“ (SC) unterzogen, sitzend und schauen sich einen Dokumentarfilm im Fernsehen an, wie es zuvor verwendet wurde, und zwei verschiedene PA-Protokolle, bestehend aus „Moderate-Intensity Continuous Training“ (MICT), d. h. kontinuierliches Gehen im Freien, und „Cooperative High-Intensity Interval Training“ (C-HIIT), bestehend aus einem Zirkeltraining mit einem Partner (Sportlehrer). Diese drei Protokolle wurden im Hinblick darauf ausgewählt, was den Arten von Aktivitäten entspricht, die normalerweise in Schulen durchgeführt werden. Somit ahmt SC die Zeit nach, die während einer akademischen Unterrichtsstunde verbracht wird (d. h. Mathematik- oder Sprachunterricht); MICT stellt die typische Aktivität in einer PE-Klasse dar; und C-HIIT wurde ausgewählt, da es als Übungsprotokoll postuliert wird, das möglicherweise in der Sportklasse implementiert werden könnte. Die drei Protokolle sind so konzipiert, dass der Energieverbrauch zwischen ihnen gleich ist, um Unterschiede im Energieverbrauch als möglichen Störfaktor auszuschließen. Das Protokoll zur Berechnung des Energieverbrauchs ist in ergänzendem Material aufgeführt.

Nach jedem PA-Protokoll werden die Teilnehmer EEG- und Eye-Tracking-Messungen wie folgt unterzogen: 1. Die spontane Gehirnaktivität im Ruhezustand wird während 3 Minuten nur mit EEG bewertet, und anschließend wird Eye-Tracking parallel zum EEG während der Teilnehmer registriert Führen Sie die kognitiven Aufgaben durch (eine Arbeitsgedächtnisaufgabe und eine Leseaufgabe). Die Messungen beginnen zwischen 20 und 25 Minuten nach dem Ende jeder Bedingung. Auf diese Weise werden wir eine Schulpause im chilenischen Kontext nachahmen, bevor das nächste Fach beginnt. Alle Maßnahmen werden im „Laboratorio Lenguaje & Cognición ELV“ durchgeführt, das zum Literatur- und Sprachwissenschaftlichen Institut der Pontificia Universidad Católica de Valparaíso gehört. Um einen subjektiven Einfluss des Bewerters zu vermeiden, wird der Bewerter verblindet, wenn die Teilnehmer ins Labor gehen, je nachdem, welches PA-Protokoll die Teilnehmer durchgeführt haben.

Neuroelektrische und Eyetracker-Messungen EEG-Messung: Es wird ein B-Alert X24-Gerät für EEG (Advanced Brain Monitoring, Kalifornien, USA) verwendet, das aus 24 aktiven Elektroden besteht, die das Rauschen elektrischer Geräte außerhalb der interessierenden biologischen Prozesse minimieren , um eine gute Signalqualität zu gewährleisten. Zwei Kanäle werden verwendet, um die elektrookulografische Aktivität zu registrieren, um besser zwischen echter elektroenzephalografischer und elektrookulografischer Aktivität im Zusammenhang mit Augenbewegungen und Blinzeln unterscheiden zu können. Die Aufzeichnung erfolgt mit einer Abtastrate von 256 Werten pro Sekunde, mit einem Bandpassfilter zwischen 0,1 - 100 Hz und einem Kerbfilter von 50 Hz, um das Rauschen des umgebenden Wechselstroms im Raum zu eliminieren. Es sollte beachtet werden, dass diese Ausrüstung drahtlos ist, was die Montage an den Teilnehmern bequemer und schneller macht. Für diese Studie konzentrieren sich die Forscher auf die Kanäle Fz, Cz, CPz, Pz, POz, Oz, O1 und O2.

Eye-Tracker: Ein Tobii Pro TX300 (Tobii, Stockholm, Schweden) wird verwendet, um Augenbewegungen direkt durch eine lichtempfindliche Kamera nahe dem Infrarotspektrum zu verfolgen. Dieses Gerät untersucht die visuomotorischen Eigenschaften während des Lesevorgangs und die Bahnen des Blicks um jedes Wort herum. Darüber hinaus wird es dazu dienen, die genauen Zeitpunkte zu definieren, zu denen diese Wörter gelesen werden, und so die EEG-Aufzeichnung synchronisieren zu können, um ein durchschnittliches Signal (N400) zu berechnen, das die Sprachverarbeitung des Gehirns widerspiegelt. Dasselbe Gerät zeichnet Rohwerte der Pupillengröße (Durchmesser) auf und speichert alle Daten mit einer Abtastrate von 300 Hz.

Kognitive Aufgaben bei neuroelektrischen und Eyetracker-Messungen Arbeitsgedächtnisaufgabe. Eine N-Back-Aufgabe wird über die E-Prime 2.0-Software ausgeführt, die mit dem elektroenzephalografischen Aufzeichnungssystem und dem Eyetracker synchronisiert ist, um die neuroelektrische Aktivität und den Pupillendurchmesser zeitlich gekoppelt mit der Präsentation jedes Stimulus (Ziele und Nicht-Ziele) zu messen. . Das Protokoll ist dem zuvor für die 0-Back- und 2-Back-Bedingungen während der fMRT-Bewertung erläuterten sehr ähnlich. Der Hauptunterschied der vorliegenden Aufgabe in Bezug auf die N-Back-Aufgabe der fMRI besteht darin, dass Kinder auf der Tastatur die Zahl „1“ drücken müssen, wenn sie einen Zielreiz erkennen, oder die Zahl „2“ für Nicht-Ziele. Diese Art von Aufgabe erzeugt ein EEG-Potenzial im Zusammenhang mit der kognitiven Verarbeitung, das durch eine positive Auslenkung gekennzeichnet ist, die ihren Höhepunkt bei etwa 300 ms (P300) hat und bei verschiedenen Arten von Aufgaben, die bewusste Aufmerksamkeit erfordern, in jeder Wahrnehmungsmodalität umfassend untersucht wurde. Mit anderen Worten, es handelt sich um ein Potenzial im Zusammenhang mit bewusst wahrgenommenen Ereignissen, das nicht vom stimulierten Wahrnehmungspfad abhängt, sondern von der Notwendigkeit, kognitive Ressourcen neu zuzuweisen und angemessene Antworten entsprechend dem sich ständig ändernden Kontext zu entwickeln. Um die EEG-Muster von P300 im Arbeitsgedächtnis zu isolieren, subtrahieren die Ermittler vom Ergebnis einer 2-Back-Aufgabe das einer 0-Back. Es wird erwartet, dass das ereignisbezogene P300-Potenzial insbesondere im durchschnittlichen EEG-Signal auftaucht, das zeitlich mit dem Einsetzen der erkannten Zielreize verriegelt ist. Artefakte wie elektrookulographische Signale werden von den Daten mit einem Algorithmus subtrahiert, der in EEGLAB implementiert ist, einer EEG-Analyse-Toolbox, die in MATLAB (Mathworks®) läuft. Die manuelle Ablehnung einzelner Studien wird auf der Grundlage einer visuellen Inspektion von Artefakten in den Daten in Betracht gezogen.

Leseaufgabe. Die Sprachverarbeitung wird durch eine Leseverständnisaufgabe bewertet, bei der kurze Absätze zum normalen Lesen präsentiert werden. Die Eye-Tracking-Technik wird verwendet, um Augenposition, Bewegung und Pupillendurchmesser gleichzeitig mit der EEG-Aufzeichnung aufzuzeichnen. Die Teilnehmer sitzen vor einem Monitor in etwa 60 cm Abstand und legen ihr Kinn auf ein ergonomisches Ständerstück, das dazu beiträgt, Kopfbewegungen zu verringern und die Signalpräzision des Eyetrackers zu verbessern. Die Leseaufgabe wird mit der neuesten Version von Tobii Pro Lab präsentiert. Nach der Kalibrierung des Systems erhält jedes Kind eine kurze Kontextualisierung des Themas, bevor es mit dem Lesen beginnt, in dem Wissen, dass ihm später sieben Verständnisfragen mit unterschiedlichem Schwierigkeitsgrad gestellt werden. Die Teilnehmer müssen die richtige Antwort unter drei Alternativen angeben. Es sollte beachtet werden, dass drei literarische Texte verwendet werden, die zufällig präsentiert werden (1 pro Übungsbedingung). Diese Texte haben den gleichen Schwierigkeitsgrad, die gleiche Verteilung der Interessengebiete, die gleiche Anzahl von Wörtern und werden zuvor von einem Expertengremium validiert. Es wird erwartet, dass das Lesen jedes Wortes ein negatives EEG-Potenzial mit einer Latenzzeit von fast 400 ms (N400) erzeugt. Die Amplitude, topographische Verteilung und Latenz dieses Potentials sind elektrophysiologische Neuromarker der Sprachfähigkeit im Allgemeinen und der Fähigkeit, aus Wörtern Bedeutungen zu konstruieren. Der Eye-Tracker wird verwendet, um die Augenbahn während des Lesens zu untersuchen und die Momente zu ermitteln, in denen Wörter gelesen werden. EEG und Eye-Tracking werden gleichzeitig registriert, um Augenbewegungen im Zusammenhang mit dem Lesen aufzuzeichnen, um unter anderem Messwerte wie Lesegeschwindigkeit, Fixierungsdauer, Anzahl der Fixierungen zu erhalten) und um Augenfixierungs-bezogene EEG-Potentiale zu messen, die mit der kognitiven Belastung beim Lesen von Wörtern verbunden sind . Der Leser sollte beachten, dass dieses Potenzial experimentell mit dem N400 zusammenfällt, sodass sie verschiedene überlagerte Gehirnprozesse darstellen oder im Wesentlichen die Reflexion desselben Mechanismus sein können.

Primäre Ergebnisse in einer akut ausgeglichenen Crossover-Studie Spontane Gehirnaktivität im Ruhezustand. Nach dem Übungsprotokoll und vor den kognitiven Aufgaben wird die spontane Gehirnaktivität mit EEG gemessen, während die Kinder in sitzender Position ruhen, um die Spitzenfrequenz und Reaktivität der Alpha-Welle zu messen. Die Dynamik der Alpha-Peak-Frequenz (zwischen 7 und 13 Hz) während einer 3-Minuten-Periode wird mittels einer Hilbert-Transformation berechnet. Dann werden ein Durchschnittswert und ein Trend der Alpha-Peak-Frequenz berechnet. Es wurde postuliert, dass die allgemeine kognitive Kapazität und Verarbeitungsgeschwindigkeit umso größer sind, je höher die Alpha-Peak-Frequenz ist. Die Forscher konzentrieren sich auf Alphawellen, weil diese Gehirnwelle traditionell mit verschiedenen Theorien der Aufmerksamkeit und bewussten Wahrnehmung in Verbindung gebracht wird. Es wurde festgestellt, dass die Frequenz der Alpha-Welle nach einer Sitzung mit kognitiven Aufgaben zunimmt. Darüber hinaus wurden die Leistung und Frequenz von Alpha-Gehirnwellen vor der kognitiven Bewertung mit der Leistung korreliert. Wenn PA einen positiven Effekt auf die kognitive Leistung ausübt, sollte eine einzelne PA-Sitzung auch eine Erhöhung der Alpha-Peak-Frequenz bewirken. Tatsächlich wurde dies von Gutmann et al. in zwei aufeinanderfolgenden Studien. Allerdings fehlt ein statistischer Zusammenhang zwischen PA-induzierten Erhöhungen der Alpha-Peak-Frequenz und der kognitiven Leistungsfähigkeit.

Leistung des Arbeitsgedächtnisses: Treffer, Fehler, Auslassungen und Genauigkeit werden für Ziele und Nicht-Ziele der n-back-Aufgabe sowie die Antwortlatenz berechnet.

Leseverstehen: Nach dem Lesen der Texte werden sieben Fragen mit unterschiedlichem Verständnisaufwand gestellt. Für jede Frage gibt es vier Alternativen, die als richtige Antwort ausgewählt werden können.

Kognitive Belastung: Die Ermittler gruppieren mehrere Maßnahmen in dieser Kategorie, da sie alle mit dem Konzept der kognitiven Belastung in Verbindung gebracht wurden. Die ersten beiden stammen aus dem EEG, die anderen beiden aus dem Eyetracker.

P300: Das ereignisbezogene P300-Potenzial, das mit der unterschiedlichen Art von Stimulus im n-Rücken (Ziel und Nicht-Ziel) verbunden ist, wird gemäß Amplitude und Latenz des Peaks quantifiziert.

N400: Dieses linguistische ereignisbezogene Potential wird auch nach Latenz und Amplitude beschrieben. Da es während der Leseaufgabe mit der Augenfixierung auf Wörter synchronisiert wird, handelt es sich konzeptionell um eine Art fixationsbezogenes Potenzial.

Schnelle Variationen der Pupillengröße: Die Pupille reagiert auf kognitive Anforderungen und wurde mit einer Zunahme der kognitiven Belastung bei verschiedenen Aufgaben, einschließlich Arbeitsgedächtnis und Lesen, in Verbindung gebracht. Die Menge der hochfrequenten Variationen des Pupillendurchmessers wird durch einen neuartigen Index der kognitiven Aktivität geschätzt, der mit der kognitiven Belastung zunimmt. Dieses Maß kann dank der hohen Abtastrate des Eyetrackers als kontinuierliche Variable in der Zeit dargestellt werden. Der Index der kognitiven Aktivität wird während der n-back- und Leseaufgaben gemessen.

Wortfixierungszeiten: Die Länge der visuellen Fixierung wurde auch mit der Verarbeitungszeit in Verbindung gebracht, die das Gehirn für die Ausarbeitung einer kognitiven Interpretation der Wahrnehmung aufwendet. Durchschnitt und Standardabweichung der Fixierungen um Wörter werden für die Leseaufgabe berechnet.