Cogni-Action Project: Fyysinen aktiivisuus, aivot ja kognitio (Cogni-Action)

Mitä tulee tutkimukseen (eli crossover-satunnaistettuun kokeeseen), lapset satunnaistetaan kuhunkin protokollaistuntoon osallistumalla niihin kaikkiin kahden viikon välein. Siten he auttavat kuntosalillamme suorittamaan yhden kolmesta protokollasta ja myöhemmin heidät siirretään laboratorioon, jossa heille tehdään EEG- ja katseenseurantamittaukset lepotilan ja kahden erilaisen kognitiivisen tehtävän aikana. Lisätietoja löytyy osoitteesta seuraavat osat.

Projektin suunnittelu koostuu vastapainotetusta cross-over kokeilusta, jossa osallistujat suorittavat eri päivinä kolme erilaista PA-harjoitusprotokollaa satunnaisessa järjestyksessä. Jokainen lapsi vierailee laboratoriossamme kolme kertaa kahden viikon välein varmistaakseen "pesujakson", jonka tarkoituksena on lieventää kunkin protokollan aiheuttamaa PA-vaikutusta. Osallistujat auttavat kolmessa eri istunnossa samana arkipäivänä (esim. maanantaina) ja samana päivänä välttääkseen eroja aiemmissa koulutehtävissä tai vuorokausirytmeissä. Osallistujat käyvät läpi "istumistilan" (SC), istuvat ja katsovat dokumenttia televisiosta, kuten aiemmin on käytetty, ja kaksi erilaista PA-protokollaa, jotka koostuvat "Moderate-Intensity Continuous Training" (MICT) -harjoittelusta, eli jatkuvasta ulkona kävelystä ja "Yhteistoiminnallinen korkean intensiteetin intervalliharjoittelu" (C-HIIT), joka koostuu kiertoharjoittelusta kumppanin (liikunnanopettajan) kanssa. Nämä kolme protokollaa on valittu sen perusteella, mikä vastaa kouluissa tavallisesti suoritettavaa toimintaa. Siten SC matkii minkä tahansa akateemisen oppitunnin aikana käytettyä aikaa (esim. matematiikka tai kielitunnit); MICT edustaa tyypillistä liikunta-luokan toimintaa; ja C-HIIT on valittu, koska se on oletettu harjoitusprotokollaksi, joka voitaisiin mahdollisesti toteuttaa PE-luokassa. Kolme protokollaa on suunniteltu siten, että energiankulutus on yhtä suuri niiden välillä, jotta energiankulutuksen erot voidaan eliminoida mahdollisena hämmentävänä tekijänä. Energiankulutuksen laskentapöytäkirja on kuvattu lisämateriaalissa.

Jokaisen PA-protokollan jälkeen osallistujille tehdään EEG- ja katseenseurantamittaukset seuraavasti: 1. lepotilan spontaani aivotoiminta arvioidaan 3 minuutin ajan pelkällä EEG:llä, minkä jälkeen katseenseuranta rekisteröidään rinnakkain EEG:n kanssa, kun osallistujat suorittaa kognitiiviset tehtävät (työmuistitehtävä ja lukutehtävä). Mittaukset alkavat 20-25 minuuttia kunkin tilan päättymisen jälkeen. Tällä tavalla jäljittelemme koulun väliaikaa Chilen kontekstissa ennen seuraavan oppiaineen alkua. Kaikki toimenpiteet suoritetaan "Laboratorio Lenguaje & Cognición ELV:ssä", joka kuuluu Pontificia Universidad Católica de Valparaíson kirjallisuus- ja kielitieteiden instituuttiin. Arvioijan subjektiivisen vaikutuksen välttämiseksi, kun osallistujat menevät laboratorioon, arvioija sokennetaan sen mukaan, minkä PA-protokollan osallistujat suorittivat.

Neuroelektriset ja katseenseurantamittaukset EEG-mittaus: EEG-mittaukseen käytetään B-Alert X24 -laitetta (Advanced Brain Monitoring, Kalifornia, Yhdysvallat), joka koostuu 24 aktiivisesta elektrodista, jotka minimoivat kiinnostavien biologisten prosessien ulkopuolella olevien sähkölaitteiden melun. , mikä varmistaa hyvän signaalin laadun. Kahta kanavaa käytetään rekisteröimään elektrookulografista aktiivisuutta, jotta voidaan erottaa paremmin silmien liikkeisiin ja räpäytykseen liittyvä todellinen elektroenkefalografinen ja elektrookulografinen aktiivisuus. Tallenteet tehdään näytteenottotaajuudella 256 arvoa sekunnissa, kaistanpäästösuodattimella 0,1 - 100 Hz ja 50 Hz:n lovisuodattimella, joka eliminoi ympäröivän vaihtovirran melun huoneessa. On huomattava, että tämä laite on langaton, mikä tekee siitä mukavampaa ja nopeampaa asentaa osallistujille. Tässä tutkimuksessa tutkijat keskittyvät kanaviin Fz, Cz, CPz, Pz, POz, Oz, O1 ja O2.

Eye-tracker: Tobii Pro TX300 (Tobii, Tukholma, Ruotsi) käytetään seuraamaan silmien liikkeitä suoraan valoherkän kameran kautta lähellä infrapunaspektriä. Tämä laite tutkii visuomotorisia ominaisuuksia lukuprosessin aikana ja jokaisen sanan katselun liikeradat. Lisäksi se auttaa määrittelemään tarkat hetket, jolloin nämä sanat luetaan, ja siten voi synkronoida EEG-tietueen keskimääräisen signaalin (N400) laskemiseksi, joka heijastaa aivojen kielenkäsittelyä. Sama laite tallentaa pupillin koon (halkaisijan) raaka-arvot ja tallentaa kaikki tiedot 300 Hz:n näytteenottotaajuudella.

Kognitiiviset tehtävät neuroelektristen ja katseenseurantamittausten aikana Työmuistitehtävä. N-back-tehtävä suoritetaan E-Prime 2.0 -ohjelmiston kautta, joka on synkronoitu elektroenkefalografisen tallennusjärjestelmän ja katseenseurantalaitteen kanssa. Tarkoituksena on mitata neurosähköistä aktiivisuutta ja pupillin koon halkaisijaa, joka on aikalukittu kunkin ärsykkeen (kohteet ja ei-kohteet) esittämiseen. . Protokolla on hyvin samanlainen kuin aiemmin fMRI-arvioinnin aikana selostettu 0-back- ja 2-back-olosuhteille. Tämän tehtävän pääasiallinen ero fMRI:n N-back-tehtävään nähden on se, että lasten on painettava näppäimistössä numeroa "1" havaitessaan kohdeärsykkeen tai numeroa "2" ei-kohteen kohdalla. Tämän tyyppinen tehtävä synnyttää kognitiiviseen prosessoimiseen liittyvän EEG-potentiaalin, jolle on ominaista noin 300 ms:n huipussaan oleva positiivinen taipuma (P300), jota on tutkittu laajasti erilaisissa tietoista huomiota vaativissa tehtävissä missä tahansa havaintomuodossa. Toisin sanoen se on tietoisesti havaittuihin tapahtumiin liittyvä potentiaali, joka ei riipu stimuloidusta havaintopolusta, vaan tarpeesta kohdistaa kognitiivisia resursseja uudelleen ja kehittää sopivia reaktioita jatkuvasti muuttuvan kontekstin mukaan. Eristääkseen P300:n EEG-kuviot työmuistista tutkijat vähentävät 2-back-tehtävän tuloksen, 0-back-tehtävän tuloksen. P300-tapahtumaan liittyvän potentiaalin odotetaan ilmenevän erityisesti keskimääräisessä EEG-signaalissa, joka on aikalukittu havaittujen kohteen ärsykkeiden alkamiseen. Artefaktit, kuten elektrookulografiset signaalit, vähennetään tiedoista algoritmilla, joka on toteutettu MATLABissa (Mathworks®) toimivassa EEG-analyysityökalussa EEGLABissa. Yksittäisten kokeiden manuaalista hylkäämistä harkitaan datan artefaktien visuaalisen tarkastuksen perusteella.

Lukutehtävä. Kielen käsittelyä arvioidaan luetun ymmärtämisen tehtävällä, jossa esitetään lyhyitä kappaleita normaalisti luettavaksi. Silmänseurantatekniikkaa käytetään silmän asennon, liikkeen ja pupillien halkaisijan tallentamiseen samanaikaisesti EEG-tallenteen kanssa. Osallistujat istuvat noin 60 cm:n näytön eteen ja asettavat leukansa ergonomiselle jalustalle, mikä vähentää pään liikkeitä ja parantaa katseenseurantasignaalin tarkkuutta. Lukutehtävä esitetään Tobii Pro Labin uusimmalla versiolla. Järjestelmän kalibroinnin jälkeen jokaiselle lapselle annetaan lyhyt kontekstualisointi aiheesta, ennen kuin he alkavat lukea, tietäen, että myöhemmin heiltä kysytään seitsemän ymmärtämiskysymystä, joiden monimutkaisuus vaihtelee. Osallistujien tulee ilmoittaa oikea vastaus kolmen vaihtoehdon joukosta. On huomattava, että käytetään kolmea kirjallista tekstiä, jotka esitetään satunnaisesti (1 per harjoitusehto). Näillä teksteillä on sama vaikeusaste, sama kiinnostuksen kohteiden jakautuminen, sama määrä sanoja, ja asiantuntijapaneeli vahvistaa ne etukäteen. Kunkin sanan lukemisen odotetaan synnyttävän negatiivisen EEG-potentiaalin, jonka latenssi on lähellä 400 ms (N400). Tämän potentiaalin amplitudi, topografinen jakautuminen ja latenssi ovat sähköfysiologisia neuromarkkereita kielelliselle kyvylle yleensä ja kyvylle rakentaa merkityksiä sanoista. Silmänseurantalaitteen avulla tutkitaan silmän liikerataa lukemisen aikana ja määritetään hetkiä, jolloin sanoja luetaan. EEG ja katseenseuranta rekisteröidään samanaikaisesti lukemiseen liittyvien silmien liikkeiden tallentamiseksi, mittausten, kuten lukunopeuden, kiinnittymiskeston, kiinnittymien lukumäärän jne. mittaamiseksi sekä kognitiiviseen kuormitukseen liittyvien silmän kiinnittymiseen liittyvien EEG-potentiaalien mittaamiseksi sanoja luettaessa. . Lukijan tulee huomioida, että tämä potentiaali on kokeellisesti sama kuin N400, joten ne voivat edustaa erilaisia ​​aivoprosesseja päällekkäin tai olla pohjimmiltaan saman mekanismin heijastus.

Ensisijaiset tulokset crossover-akuutin vastapainotetussa tutkimuksessa Lepotilan spontaani aivotoiminta. Harjoitusprotokollan jälkeen ja ennen kognitiivisia tehtäviä mitataan spontaani aivotoiminta EEG:llä lasten lepääessä istuma-asennossa alfa-aallon huipputaajuuden ja reaktiivisuuden mittaamiseksi. Alfahuipputaajuuden (7-13 Hz) dynamiikka 3 minuutin jakson aikana lasketaan Hilbert-muunnoksen avulla. Sitten lasketaan alfahuipputaajuuden keskiarvo ja trendi. On oletettu, että mitä korkeampi alfahuipputaajuus, sitä suurempi on yleinen kognitiivinen kapasiteetti ja prosessointinopeus. Tutkijat keskittyvät alfa-aaltoihin, koska tämä aivoaalto on perinteisesti liitetty erilaisiin huomion ja tietoisen havainnon teorioihin. Alfa-aallon taajuuden on havaittu lisääntyvän kognitiivisten tehtävien istunnon jälkeen. Lisäksi alfa-aivoaaltojen teho ja taajuus ennen kognitiivista arviointia on korreloitu suorituskykyyn. Jos PA:lla on positiivinen vaikutus kognitiiviseen suorituskykyyn, yhden PA-istunnon pitäisi myös lisätä alfahuipputaajuutta. Itse asiassa tämän löysivät Gutmann et ai. kahdessa peräkkäisessä tutkimuksessa. Tilastollinen yhteys PA:n aiheuttamien alfahuipputaajuuden lisäysten ja kognitiivisen suorituskyvyn välillä kuitenkin puuttuu.

Työmuistin suorituskyky: n-back-tehtävän kohteille ja ei-kohteille lasketaan osumat, ohitukset, poikkeamat ja tarkkuus sekä vastausviive.

Luetun ymmärtäminen: Tekstien lukemisen jälkeen annetaan seitsemän kysymystä, joiden ymmärtämisen vaikeusaste vaihtelee. Jokaiselle kysymykselle on neljä vaihtoehtoa, jotka valitaan oikeaksi vastaukseksi.

Kognitiivinen kuormitus: Tutkijat ryhmittelevät useita mittareita tähän kategoriaan, koska ne kaikki ovat liittyneet kognitiivisen kuormituksen käsitteeseen. Kaksi ensimmäistä tulevat EEG:stä ja kaksi muuta katseenseurantalaitteesta.

P300: P300-tapahtumaan liittyvä potentiaali, joka liittyy erityyppisiin ärsykkeisiin n-backissä (kohde ja ei-kohde), kvantifioidaan huipun amplitudin ja latenssin mukaan.

N400: Tämä kielellisesti liittyvä tapahtumaan liittyvä potentiaali kuvataan myös latenssin ja amplitudin mukaan. Koska se synkronoidaan katseen kiinnittymiseen sanoihin lukutehtävän aikana, se on käsitteellisesti eräänlainen kiinnittymiseen liittyvä potentiaali.

Nopeat pupillin koon vaihtelut: Oppilas reagoi kognitiivisiin vaatimuksiin ja se on yhdistetty kognitiivisen kuormituksen lisääntymiseen eri tehtävien aikana, mukaan lukien työmuisti ja lukeminen. Pupillin halkaisijan suuritaajuisten vaihteluiden määrä arvioidaan uudella kognitiivisen aktiivisuuden indeksillä, joka kasvaa kognitiivisen kuormituksen myötä. Tämä mitta voidaan esittää jatkuvana muuttujana ajassa silmänseurantalaitteen suuren näytteenottotaajuuden ansiosta. Kognitiivisen aktiivisuuden indeksi mitataan n-back- ja lukutehtävien aikana.

Sanan kiinnittymisajat: Visuaalisten kiinnittymien pituus on myös liitetty käsittelyaikaan, jonka aivot käyttävät havainnon kognitiivisen tulkinnan kehittämiseen. Lukutehtävää varten lasketaan sanojen ympärillä olevien kiinnitysten keskimääräinen ja keskihajonna.