Il progetto Cogni-Action: attività fisica, cervello e cognizione (Cogni-Action)

Per quanto riguarda lo studio (cioè, trial randomizzato incrociato), i bambini saranno randomizzati a ciascuna sessione del protocollo, partecipando a tutte con due settimane di distanza. Quindi, assisteranno presso la nostra palestra per eseguire uno dei tre protocolli e successivamente verranno trasferiti in un laboratorio dove verranno sottoposti a misurazioni EEG e eye-tracking durante la condizione di riposo e durante due diversi compiti cognitivi Maggiori dettagli possono essere trovati in seguenti sezioni.

Il design del progetto consisterà in una prova incrociata controbilanciata in cui i partecipanti eseguiranno, in giorni diversi, tre diversi protocolli di allenamento PA in ordine casuale. Ogni bambino visiterà il nostro laboratorio tre volte, ogni due settimane per garantire un periodo di "wash-out" con lo scopo di mitigare l'effetto PA di ogni protocollo. I partecipanti assisteranno alle tre diverse sessioni nello stesso giorno della settimana (ad esempio, lunedì) e nello stesso giorno per evitare differenze nelle attività scolastiche precedenti o nei ritmi circadiani. I partecipanti saranno sottoposti a una "condizione sedentaria" (SC), seduti e guardando un documentario in TV come è stato utilizzato in precedenza, e due diversi protocolli PA consistenti in "Allenamento continuo a intensità moderata" (MICT), ovvero camminata continua all'aperto, e "Cooperative High-Intensity Interval Training" (C-HIIT), composto da un allenamento a circuito con un partner (insegnante di educazione fisica). Questi tre protocolli sono stati scelti in considerazione di ciò che corrisponde ai tipi di attività normalmente svolte nelle scuole. Pertanto, SC imita il tempo trascorso durante qualsiasi lezione accademica (ad es. lezioni di matematica o lingua); MICT rappresenta l'attività tipica in una classe PE; e C-HIIT è stato selezionato poiché è postulato come un protocollo di esercizio che potrebbe essere implementato nella classe PE. I tre protocolli sono progettati in modo che il dispendio energetico sia equivalente tra loro, per eliminare le differenze nel dispendio energetico come possibile fattore di confusione. Il protocollo di calcolo del dispendio energetico è dettagliato su materiale supplementare.

Dopo ogni protocollo PA, i partecipanti saranno sottoposti a misurazioni EEG e eye-tracking come segue: 1a, l'attività cerebrale spontanea dello stato di riposo sarà valutata per 3 minuti solo con EEG, e successivamente, l'eye-tracking sarà registrato in parallelo con l'EEG mentre i partecipanti eseguire i compiti cognitivi (un compito di memoria di lavoro e un compito di lettura). Le misurazioni inizieranno tra 20 e 25 minuti dopo la fine di ciascuna condizione. In questo modo, emuleremo una pausa scolastica nel contesto cileno, prima dell'inizio della materia successiva. Tutte le misure saranno realizzate nel "Laboratorio Lenguaje & Cognición ELV", che appartiene all'Istituto di Scienze della Letteratura e del Linguaggio della Pontificia Universidad Católica de Valparaíso. Per evitare l'influenza soggettiva del valutatore, quando i partecipanti si recano in laboratorio, il valutatore sarà accecato in base al protocollo PA eseguito dai partecipanti.

Misurazioni neuroelettriche e eye-tracker Misurazione EEG: Verrà utilizzato un dispositivo B-Alert X24 per EEG (Advanced Brain Monitoring, California, Stati Uniti), costituito da 24 elettrodi attivi che riducono al minimo il rumore dei dispositivi elettrici al di fuori dei processi biologici di interesse , garantendo una buona qualità del segnale. Verranno utilizzati due canali per registrare l'attività elettrooculografica, per discriminare meglio tra la vera attività elettroencefalografica e l'attività elettrooculografica associata al movimento degli occhi e al battito delle palpebre. Le registrazioni verranno effettuate a una frequenza di campionamento di 256 valori al secondo, con un filtro passa-banda compreso tra 0,1 e 100 Hz e un filtro notch di 50 Hz per eliminare il rumore della corrente alternata circostante nella stanza. Va notato che questa apparecchiatura è wireless, il che rende più comodo e veloce il montaggio sui partecipanti. Per questo studio gli investigatori si concentreranno sui canali Fz, Cz, CPz, Pz, POz, Oz, O1 e O2.

Eye-tracker: verrà utilizzato un Tobii Pro TX300 (Tobii, Stoccolma, Svezia) per tracciare i movimenti degli occhi direttamente attraverso una fotocamera sensibile alla luce vicino allo spettro infrarosso. Questa apparecchiatura studia le caratteristiche visuo-motorie durante il processo di lettura e le traiettorie dello sguardo attorno ad ogni parola. Inoltre, servirà per definire i momenti esatti in cui queste parole vengono lette e quindi poter sincronizzare il record EEG per calcolare un segnale medio (N400) che riflette l'elaborazione del linguaggio da parte del cervello. Lo stesso dispositivo registra i valori grezzi della dimensione della pupilla (diametro), salvando tutti i dati con una frequenza di campionamento di 300 Hz.

Compiti cognitivi durante misurazioni neuroelettriche e eye-tracker Compito di memoria di lavoro. Verrà eseguito un compito N-back tramite il software E-Prime 2.0 sincronizzato con il sistema di registrazione elettroencefalografica e l'eye-tracker, per misurare l'attività neuroelettrica e il diametro della pupilla sincronizzato alla presentazione di ogni stimolo (bersaglio e non bersaglio) . Il protocollo è molto simile a quello precedentemente spiegato per le condizioni 0-back e 2-back durante la valutazione fMRI. La principale differenza del presente compito rispetto al compito N-back della fMRI è che i bambini devono premere sulla tastiera il numero "1" quando rilevano uno stimolo target o il numero "2" per i non target. Questo tipo di compito genera un potenziale EEG correlato all'elaborazione cognitiva, caratterizzato da una deflessione positiva che raggiunge un picco di circa 300 ms (P300), che è stato ampiamente studiato in vari tipi di compiti che richiedono attenzione cosciente, in qualsiasi modalità percettiva. Si tratta, in altre parole, di una potenzialità legata ad eventi percepiti consapevolmente, che non dipende dal percorso percettivo stimolato, ma piuttosto dalla necessità di riallocare le risorse cognitive e sviluppare risposte adeguate in funzione del contesto in continua evoluzione. Per isolare i pattern EEG di P300 nella memoria di lavoro, gli investigatori sottrarranno al risultato di un compito 2-back, quello di uno 0-back. Si prevede che il potenziale correlato all'evento P300 emerga soprattutto nel segnale EEG medio bloccato nel tempo all'inizio degli stimoli target rilevati. Artefatti come i segnali elettrooculografici saranno sottratti dai dati con un algoritmo implementato in EEGLAB, un toolbox di analisi EEG eseguito in MATLAB (Mathworks®). Il rifiuto manuale delle singole prove sarà preso in considerazione sulla base dell'ispezione visiva degli artefatti nei dati.

Compito di lettura. L'elaborazione del linguaggio sarà valutata da un compito di comprensione della lettura in cui verranno presentati brevi paragrafi da leggere normalmente. La tecnica di tracciamento oculare verrà impiegata per registrare la posizione dell'occhio, il movimento e il diametro della pupilla, simultaneamente alla registrazione dell'EEG. I partecipanti si siederanno davanti a un monitor, a circa 60 cm, posizionando il mento su un supporto ergonomico, che aiuta a ridurre i movimenti della testa e migliora la precisione del segnale dell'eye-tracker. L'attività di lettura verrà presentata con l'ultima versione di Tobii Pro Lab. Dopo aver calibrato il sistema, ad ogni bambino viene data una breve contestualizzazione dell'argomento, prima di iniziare a leggere, sapendo che in seguito gli verranno poste sette domande di comprensione con vari gradi di complessità. I partecipanti devono indicare la risposta corretta tra tre alternative. Si noti che verranno utilizzati tre testi letterari, presentati in modo casuale (1 per condizione di esercizio). Questi testi avranno la stessa difficoltà, la stessa distribuzione delle aree di interesse, la stessa quantità di parole, e saranno preventivamente validati da una giuria di esperti. Si prevede che la lettura di ciascuna parola generi un potenziale EEG negativo con una latenza prossima a 400 ms (N400). L'ampiezza, la distribuzione topografica e la latenza di questo potenziale sono neuromarcatori elettrofisiologici dell'abilità linguistica in generale e della capacità di costruire significati dalle parole. L'eye-tracker servirà per studiare la traiettoria oculare durante la lettura e stabilire i momenti in cui le parole vengono lette. L'EEG e il tracciamento oculare saranno registrati simultaneamente per registrare i movimenti oculari relativi alla lettura, fornendo misure come la velocità di lettura, la durata della fissazione, il numero di fissazioni, tra gli altri) e per misurare i potenziali EEG relativi alla fissazione oculare associati al carico cognitivo durante la lettura delle parole . Il lettore dovrebbe notare che questo potenziale coincide sperimentalmente con l'N400, quindi possono rappresentare diversi processi cerebrali sovrapposti, o essere essenzialmente il riflesso dello stesso meccanismo.

Risultati primari nello studio controbilanciato acuto crossover Attività cerebrale spontanea a riposo. Dopo il protocollo di esercizio e prima dei compiti cognitivi, l'attività cerebrale spontanea sarà misurata con EEG mentre i bambini riposano in posizione seduta, al fine di misurare la frequenza di picco e la reattività dell'onda alfa. La dinamica della frequenza di picco alfa (tra 7 e 13 Hz) durante un periodo di 3 minuti sarà calcolata mediante una trasformata di Hilbert. Quindi, verranno calcolati un valore medio e l'andamento della frequenza del picco alfa. È stato postulato che maggiore è la frequenza del picco alfa, maggiore è la capacità cognitiva generale e la velocità di elaborazione. Gli investigatori si concentrano sulle onde alfa perché questa onda cerebrale è stata tradizionalmente associata a diverse teorie dell'attenzione e della percezione cosciente. È stato scoperto che la frequenza dell'onda alfa aumenta dopo una sessione di compiti cognitivi. Inoltre, la potenza e la frequenza delle onde cerebrali alfa prima della valutazione cognitiva sono state correlate alle prestazioni. Se la PA esercita un effetto positivo sulle prestazioni cognitive, una singola sessione di PA dovrebbe anche causare un aumento della frequenza del picco alfa. In effetti, questo è stato trovato da Gutmann et al. in due studi consecutivi. Tuttavia, manca una relazione statistica tra gli incrementi indotti dalla PA nella frequenza del picco alfa e le prestazioni cognitive.

Prestazioni della memoria di lavoro: hit, miss, omissioni e accuratezza saranno calcolati per target e non target dell'attività n-back, nonché latenza di risposta.

Comprensione della lettura: Dopo la lettura dei testi verranno poste sette domande con diverso grado di complessità di comprensione. Per ogni domanda ci saranno quattro alternative da scegliere come risposta corretta.

Carico cognitivo: i ricercatori raggruppano diverse misure in questa categoria perché tutte sono state correlate al concetto di carico cognitivo. I primi due provengono dall'EEG e gli altri due dall'eye-tracker.

P300: Il potenziale relativo all'evento P300 associato al diverso tipo di stimolo nell'n-back (target e non-target) sarà quantificato in base all'ampiezza e alla latenza del picco.

N400: Anche questo potenziale relativo agli eventi legati alla linguistica sarà descritto in base alla latenza e all'ampiezza. Poiché sarà sincronizzato con la fissazione dell'occhio sulle parole durante il compito di lettura, è concettualmente un tipo di potenziale correlato alla fissazione.

Variazioni rapide delle dimensioni della pupilla: la pupilla reagisce ai requisiti cognitivi ed è stata associata ad un aumento del carico cognitivo durante vari compiti, tra cui la memoria di lavoro e la lettura. La quantità di variazioni ad alta frequenza nel diametro della pupilla è stimata da un nuovo indice di attività cognitiva, che aumenta con il carico cognitivo. Questa misura può essere rappresentata come una variabile continua nel tempo grazie all'elevata frequenza di campionamento dell'eye-tracker. L'indice di attività cognitiva sarà misurato durante i compiti n-back e di lettura.

Tempi di fissazione delle parole: la durata delle fissazioni visive è stata anche associata al tempo di elaborazione che il cervello dedica per elaborare un'interpretazione cognitiva della percezione. La media e la deviazione standard delle fissazioni attorno alle parole saranno calcolate per il compito di lettura.