Kompensoiva aivojen toiminta vanhemmilla aikuisilla. (BrainAct)

Iäkkäiden aikuisten kompensoiva aivotoiminta on tärkeä tutkimusalue, joka koskee kognitiivista ikääntymistä ja kognitiivisen tehostamisen mahdollisuuksia myöhäisessä aikuisiässä. Kaikkein kattavimmin näitä kysymyksiä käsitellään STAC-mallissa - Scaffolding Theory of Aging and Cognition. Tämä tutkimus käsittelee joidenkin sen teoreettisten oletusten empiirisiä tutkimuksia. Tähän hankkeeseen sisältyvien tutkimusratkaisujen innovatiivinen luonne perustuu toisaalta uusiin lähestymistapoihin STAC-oletusten verifioinnissa ja toisaalta niiden oletusten todentamiseen, joita ei ole alistettu systemaattisesti. tutkimuksia tähän mennessä. Tällaista tutkimusohjelmaa ovat motivoineet puutteet olemassa olevassa tietämyksessä joistakin STAC-mallissa kuvatuista ilmiöistä. Näiden aukkojen täyttäminen on hankkeen panos kognitiivisen ikääntymisen tutkimuksen kehittämiseen.

Tässä yhteydessä tutkimuksen tavoitteet ovat seuraavat:

1. STAC-mallin olettamusten todentaminen ikääntyneiden aikuisten kompensoivan aivotoiminnan aikana laukeavista kognitiivisista prosesseista EEG-aika-taajuusanalyysien perusteella.
2. STAC-mallin oletuksen vahvistamista kognitiivisen harjoittelun mahdollisesta vaikutuksesta ikääntyneiden aikuisten kompensoivan aivotoiminnan syntymiseen ja häviämiseen ei ole toistaiseksi tutkittu.

Tavoitteita perustelevat tutkimusongelmat:

Re. 1. Iäkkäiden aikuisten kompensoivan aivotoiminnan kognitiivinen tulkinta sekä STAC-mallissa että tähän mennessä kerättyjen tutkimustulosten valossa perustuu epätäydellisiin lähtökohtiin. Kompensoiva aivojen sitoutuminen on iäkkäiden aikuisten tietyillä aivoalueilla havaittu yliaktivoituminen, joka liittyy parempaan suorituskykyyn kognitiivisissa tehtävissä. Parempaa suorituskykyä kognitiivisissa tehtävissä pidetään tässä todisteena jatkuvasta korvauksesta. Iäkkäiden aikuisten kompensoiva aivotoiminta on vahvistettu lukuisilla tutkimuksilla, joissa hyödynnetään fMRI- ja PET-skannauksia, jotka ovat kaksi hallitsevinta hermokuvausmenetelmää tällä alueella. Iäkkäiden aikuisten kompensoivan aivotoiminnan mallit, kuten STAC-malli, perustuvat näihin neuroimaging-tietoihin. Kognitiivisten prosessien teoreettiset tulkinnat pakotetaan näihin havaintoihin vasta myöhemmin. Näin ollen näissä malleissa kuvattujen kompensointimekanismien todentaminen on rajallista, koska mallin kehittäminen ja verifiointi perustuvat samaan metodologiaan. Myöhemmät tutkimukset, joissa havaittiin positiivinen yhteys tiettyjen aivoalueiden yliaktivoitumisen ja paremman suorituskyvyn välillä kognitiivisissa tehtävissä, vahvistivat empiirisen suhteen, joka johti teoreettisen mallin kehittämiseen. Suhteen vahvistaminen ei kuitenkaan yksin riitä varmistamaan malliin kapseloitua teoreettista tulkintaa. Tarvetta syventää kompensointiin liittyvien kognitiivisten prosessien ymmärrystä ilmaisivat jo STAC-mallin kirjoittajat.

EEG-menetelmien käyttö projektissa (event-related oscillations, ERO) fMRI- tai PET-kuvauksen sijaan edistää tätä tavoitetta. Syynä on se, että EEG-pohjainen lähestymistapa edellyttää hypoteeseja, jotka perustuvat paitsi kompensoivan aivotoiminnan lokalisaatioon, myös kognitiivisiin prosesseihin, jotka teoreettisesti liittyvät kiinnostavaan toimintaan. Koska fMRI- ja PET-löydöksiä ei voida ilmaista suoraan EEG-termeillä, tulosten ennustamiseen on käytetty seuraavaa päättelyä: fMRI:ssä ja PET:ssä havaittu kompensoiva aivojen yliaktivaatio → yliaktivaation kognitiivinen tulkinta → EEG-indikaattoreiden määrittäminen (tapahtumaan liittyvä synkronointi, tulkinnan perusteella määriteltyjen kognitiivisten prosessien ERS ja tapahtumaan liittyvä desynkronointi, ERD) → indikaattorien olemassaolon varmistus iäkkäillä aikuisilla tallennetussa EEG-signaalissa, kun heidän kognitiivinen suorituskykynsä ei poikkea nuorilla aikuisilla havaitusta suorituskyvystä (ja heidän puute, kun vanhemmat aikuiset suoriutuvat huonommin kuin nuoret). Toisin sanoen tavoitteena on tunnistaa niiden prosessien hermomarkkerit, joita STAC-malli on ehdottanut kompensoimaan aivotoimintaa, joka perustuu tiettyjen fMRI- ja PET-rekisteröityjen aivorakenteiden aktivoitumiseen, mutta johonkin muuhun tekniikka, joka perustuu kognitiivisten prosessien sitoutumisen vaihtoehtoisiin indikaattoreihin. Näin ollen EEG-mittausten käytön ansiosta tutkimuksessa on mahdollista todentaa kognitiivisten prosessien kompensoiva rooli, eikä vain todeta yliaktivaation lokalisaatiota, joka on ollut tähän mennessä tehtyjen tutkimusten merkittävä rajoitus.

Re. 2. Ei tiedetä, voidaanko STAC-mallissa oletetun kognitiivisen harjoittelun avulla vaikuttaa ikääntyneiden aikuisten kompensoivaan aivotoimintaan. STAC-mallissa oletetaan, että kompensoivaa aivotoimintaa voidaan stimuloida erilaisilla interventioilla, mukaan lukien kognitiivinen harjoittelu. Mallin laatijat ehdottivat, että kognitiiviseen tehtävään osallistuvan hermoverkon aliaktivoitumisen tai heikkenemisen tapauksessa tällaisen harjoittelun pitäisi luoda uusia telineitä, kun taas tehtävien suorittaminen perustuu jo tiettyjen aivoalueiden kompensoivaan yliaktivoitumiseen. , koulutuksen pitäisi vähentää aktivaatiota näillä toissijaisilla "telineillä" ja parantaa tehokkuutta primääriverkostoissa - eräänlaista nuoremmille yksilöille ominaista aivotoiminnan palautumista.

STAC-mallin tekijöiden esittämiä oletuksia koulutuksen tavoitteista ei ole toistaiseksi todistettu empiirisesti. Tutkimustulokset harjoittelun aiheuttamista muutoksista hermostossa on tulkittu vasta jälkikäteen STAC-mallin tai suppeampien ikääntyneiden aikuisten kompensoivan aivotoiminnan mallien yhteydessä: CRUNCH - Compensation-Related Utilisation of Neural Circuits Hypothesis, PASA - Posterior- Anterior Shift ikääntymisessä tai HAROLD – puolipallon epäsymmetrian vähentäminen vanhemmilla aikuisilla.

Parhaan tietomme mukaan vain kaksi julkaisua on raportoinut toistaiseksi tutkimuksista, jotka on suunniteltu suoraan varmistamaan yhden ikääntyneiden aikuisten kompensoivan aivotoiminnan mallin - CRUNCH - oletukset. Tutkimus tehtiin kuitenkin fMRI-kuvauksella, ei EEG:llä, eikä siihen otettu nuoria aikuisia, jotka muodostavat perustavanlaatuisen vertailuryhmän vanhuudelle ominaisen aivotoiminnan spesifisyyden arvioinnissa.

Vaikka jotkin kognitiivisen harjoittelun tehokkuutta koskevat tutkimukset ovat olleet kiinnostuneita koulutuksen neurokorrelaateista, suurimmassa osassa niistä otos koostui yksinomaan nuorista yksilöistä, ja vaikka vanhemmat koehenkilöt olisivat mukana, tutkimusohjelma ei käsitellyt hypoteeseja kompensoivasta rakennustelineestä. vanhuuden, tai ne tulkittiin sellaisessa kontekstissa vain osittain.

Tässä tutkimuksessa STAC-mallin oletuksia kognitiivisen harjoittelun vaikutuksista ikääntyneiden aikuisten kompensoivaan rakennustelineeseen varmistetaan kokeellisesti työmuistin (WM) harjoittelun avulla. Koulutuksessa käytettävä tehtävä perustuu n-back -paradigmaan, joka on yleisin nykytutkimuksessa käytettävä koulutusmuoto. Vaikka n-back -harjoittelun siirtovaikutus on kyseenalainen, sen tehokkuudesta harjoitetun tehtävän suorituskyvyn parantamisessa on runsaasti näyttöä.

Projekti toteutettiin kahdessa vaiheessa: alustava ja kokeellinen. Esivaiheella on kolme päätavoitetta: (1) n-back-tehtävän kolmen vaikeustason empiirinen määrittäminen myöhempää käyttöä varten EEG-tallennusten aikana - alimman vaikeustason tulee olla helppoa vanhuksille (ilman eroa tarkkuudessa verrattuna nuoret aikuiset) ja kahdella muulla tasolla pitäisi olla yhä (merkittävästi) vaikeampaa; (2) Tehtävän valinta aktiiviselle kontrolliryhmälle. Tähän tehtävään ei pitäisi liittyä työmuistia, vaan sen pitäisi näyttää parantavan samaa kognitiivisen toiminnan aspektia kuin n-back-tehtävä, jonka todentavat asiantuntijat sekä tutkimusotokseen kuulumattomat vanhat ja nuoret maallikot; (3) Vapaaehtoisten rekrytointi tutkimusotokseen ja valittujen osallistujien jakaminen koe- ja kontrolliryhmiin varmistaen näiden ryhmien vastaavuuden kognitiivisen suorituskyvyn osalta (alkuvaiheen kognitiivisen arvioinnin mukaan). Lisäksi alustava vaihe on omistettu myös tutkimuksessa käytettävien tietokonetehtävien ohjelmointiin. Kognitiivisen arvioinnin ja koulutuksen tietokoneistettuja tehtäviä kehitetään PsychoPy-ohjelmointiympäristössä Python-ohjelmointikielellä.

Otos koostui kolmesta iäkkäiden aikuisten ryhmästä: kokeellinen (n = 25), passiivinen kontrolli (n = 22), aktiivinen kontrolli (n = 7) ja nuoret aikuiset: kokeellinen (n = 25), passiivinen kontrolli (n = 25) , ja aktiivinen kontrolli (n = 12). Kaikissa ryhmissä suoritettiin testiä edeltävät ja testin jälkeiset mittaukset.

Esitestissä ja testin jälkeen kaikkien ryhmien osallistujat suorittivat tietokoneistetun n-back -tehtävän kolmella vaikeustasolla (määritettiin etukäteen alustavassa vaiheessa) samanaikaisesti EEG-signaalin tallennuksella. Lisäksi kaikissa ryhmissä suoritettiin kognitiivinen arviointi, joka koskee työmuistia ja lyhytaikaisen muistin kapasiteettia, tarkkaavaisuutta ja psykomotorista nopeutta, häiriönkestävyyttä ja estokykyä. Vain n-back-tehtävä suoritetaan EEG-rekisteröinnillä.

Kokeellisena tekijänä oli interventio n-back -harjoittelulla, eli koeryhmiin sijoitetut vanhemmat ja nuoremmat osallistujat osallistuivat tietokoneistettuun prosessipohjaiseen työmuistikoulutukseen n-back-tehtävän avulla. Koulutusinterventio kesti 4 viikkoa ja koostui 12 harjoituksesta, kukin noin 45 minuuttia. Harjoittelutarkoituksiin käytetyt n-back-tehtävät olivat samanlaisia ​​kuin testausta edeltävässä ja testin jälkeisessä mittauksessa (sama käyttöliittymä, ohjeet ja tehtävän suorittamiseen tarvittavat toimenpiteet). Erona oli vaikeustaso, koska koulutuksen tapauksessa sitä ei suunniteltu, vaan se nostettiin adaptiivisesti kunkin osallistujan kulloisenkin edistymisen mukaan. Kaksi muuta ryhmää (vanhoja ja nuoria aikuisia) ovat aktiivisia kontrolliryhmiä. Näissä ryhmissä kognitiivinen harjoitteluinterventio n-back-tehtävän avulla korvattiin monialueellisella ei-adaptiivisella koulutuksella. Harjoitteluaikataulu aktiivisissa kontrolliryhmissä on sama kuin koeryhmissä. Lisäksi oli kaksi passiivista kontrolliryhmää (vanhoista ja nuorista aikuisista), joihin tutkijat eivät olleet ottaneet koulutusjakson aikana yhteyttä, eikä kognitiivisia interventioita annettu.