Exergaming migliora le funzioni esecutive nei pazienti con sindrome metabolica

Introduzione Negli ultimi anni, la relazione tra funzione cognitiva e sindrome metabolica è stata ampiamente studiata. È stato dimostrato che la sindrome metabolica (MetS) è associata a un declino della funzione esecutiva a causa di molteplici fattori di rischio, tra cui ipertensione, dislipidemia, compromissione dell'omeostasi del glucosio e obesità addominale. Le funzioni esecutive includono processi cognitivi di base come il controllo dell'attenzione, l'inibizione cognitiva, il controllo inibitorio, la memoria di lavoro e la flessibilità cognitiva.

La neuroscienza cognitiva utilizza i compiti di Stroop per misurare la capacità e le abilità di attenzione selettiva, nonché la capacità di velocità di elaborazione, indicando le funzioni esecutive. L'attività elettroencefalografica (EEG) che utilizza la tecnologia di posizionamento correlata agli eventi P300 e N200 è stata ampiamente utilizzata per misurare la capacità e le abilità di attenzione selettiva e una prestazione comportamentale come il tempo di reazione (RT) è comunemente utilizzata per misurare la capacità della velocità di elaborazione. La negatività N200 (200 ~ 350 ms post-stimolo) è un potenziale correlato all'evento (ERP), che indica la capacità di attenzione che viene solitamente indotta prima del controllo della risposta al movimento ed è correlata ai processi cognitivi di riconoscimento e differenziazione dello stimolo. La positività P300 (300 ~ 600 ms post-stimolo) è un altro ERP, che riflette l'elaborazione neurale correlata alla memoria che è coinvolta nella categorizzazione delle informazioni in arrivo e nell'aggiornamento del contesto della memoria di lavoro (ad esempio, codifica, prove, riconoscimento e recupero).

È ben noto che l'allenamento aerobico fornisce vari esiti clinici benefici nei pazienti con malattie metaboliche. Sono stati segnalati anche i suoi effetti sulla funzione cognitiva, in particolare sulla funzione esecutiva. Inoltre, studi recenti hanno riportato che sia l'allenamento aerobico che quello di resistenza facilitano gli effetti elettrofisiologici complessivi (ad esempio, l'aumento delle ampiezze dell'ERP P300) e l'indice di comportamento (ad esempio, RT più veloce) negli anziani sani. Inoltre, è stato riportato che l'esercizio aerobico migliora i processi cognitivi nel controllo cognitivo corticale (ampiezza P300) in studi su pazienti con ictus cronico.

Recentemente, l'exergaming (una combinazione di "esercizio" e "gioco") ha attirato molta attenzione come nuovo metodo di esercizio per migliorare la funzione cognitiva perché utilizza videogiochi che richiedono movimenti del corpo presentando contemporaneamente all'utente un ambiente cognitivamente stimolante. Insieme al suo uso popolare per il tempo libero e l'intrattenimento, c'è un crescente interesse nell'applicazione dell'exergaming per migliorare i risultati clinici. Studi recenti che utilizzano l'exergaming hanno mostrato effetti benefici sulle funzioni cognitive e dual-task, che hanno ridotto le cadute negli anziani e i rischi di malattie cardiovascolari come grasso corporeo, livelli di adipochine sieriche e profili lipidici. Exergaming ha anche promosso le funzioni esecutive e la velocità di elaborazione cognitiva negli anziani e nei bambini. Questa crescente evidenza suggerisce che gli exergaming hanno il vantaggio di migliorare le funzioni cognitive e fisiche.

Sebbene molti studi precedenti abbiano riportato miglioramenti nella funzione cognitiva in seguito all'exergaming, non è chiaro se questo beneficio sia dovuto all'effetto dell'esercizio o all'effetto del videogioco. Inoltre, tutti questi studi hanno misurato la RT, invece dell'ERP, utilizzando l'EEG, che si limita a illuminare le attività cerebrali. Considerando che l'EEG può misurare le attività elettriche in varie aree della corteccia nel cervello, è necessario studiare l'ERP utilizzando l'EEG per valutare la funzione esecutiva. Pertanto, abbiamo esaminato i benefici dell'exergaming rispetto al normale esercizio fisico e abbiamo studiato la funzione esecutiva misurando RT e N200 e P300 in tre aree della corteccia durante i compiti di Stroop nei pazienti con MetS.

Metodi Partecipanti A questo studio hanno partecipato un totale di 22 pazienti affetti da MetS, maschi e femmine, di età compresa tra i 50 e gli 80 anni. Il MetS è stato definito secondo la definizione modificata del NCEP Adult Treatment Panel III (NCEP-ATP III) per gli asiatici del sud. In breve, gli individui con tre o più dei seguenti criteri sono stati definiti come MetS: obesità centrale (circonferenza della vita ≥90 cm per gli uomini; ≥ 85 cm per le donne), glicemia a digiuno ≥100 mg/dL o trattamento in corso per il diabete mellito, sistolica pressione arteriosa ≥130 mmHg o pressione arteriosa diastolica ≥85 mmHg o trattamento in corso per ipertensione, trigliceridi sierici ≥150 mg/dL, basso colesterolo HDL (uomini<40 mg/dL; donne<50 mg/dL). Ai soggetti è stato chiesto di non esercitare per 24 ore prima dell'esperimento. Sono stati anche istruiti a consumare i pasti abituali ea terminare i pasti 4 ore prima dell'esperimento, evitando l'alcool 1 giorno prima dell'esperimento e la caffeina durante le 4 ore precedenti l'esperimento. A tutti i soggetti è stato richiesto di compilare un consenso informato scritto approvato dall'Institutional Review Board del Kosin University College of Medicine.

La dimensione del campione è stata calcolata utilizzando il software di calcolo della dimensione del campione (G*Power versione 3.1.9.2 per Windows; http://www.gpower.hhu.de), con dimensione dell'effetto 0,484, potenza statistica 0,8 e livello di significatività statistica 0,05. Questa dimensione dell'effetto è stata calcolata dagli studi precedenti. Di conseguenza, la dimensione del campione per ciascun gruppo è diventata 8 e abbiamo deciso di reclutare 11 pazienti per ciascun gruppo, con un potenziale tasso di abbandono del 30%.

Interventi di addestramento all'esercizio L'allenamento all'esercizio è stato condotto presso l'U-healthcare Center dell'ospedale Gospel dell'Università di Kosin. Ogni partecipante è stato incaricato di informare immediatamente il supervisore se avesse avuto sintomi insoliti durante l'esercizio fisico e di consultare un medico se necessario. I soggetti sono stati esclusi se non hanno eseguito più dell'80% delle sessioni di esercizio.

Tutti i soggetti sono stati divisi casualmente in due gruppi: exergaming e gruppo di esercizi su tapis roulant. I soggetti hanno avuto 2 settimane di adattamento e poi hanno svolto 12 settimane di allenamento fisico: 60 min/giorno, 60-80% della frequenza cardiaca riservata (HRR), 3 giorni/settimana. Ogni sessione di allenamento consisteva in 10 minuti di riscaldamento, 40 minuti di esercizio principale e 10 minuti di defaticamento.

Il gruppo exergaming (EXG) ha eseguito l'esercizio utilizzando i dispositivi Exerheart® (D&J Humancare, Busan, Corea del Sud) composti da un tappeto da corsa/salto [730(L) × 730(P) × 130(A)] e un tablet PC su un supporto (può essere regolato a qualsiasi altezza tra 70 e 155 cm) (Figura 1A supplementare). Exerheart® è un exergaming sviluppato per la corsa in situ insieme al videogioco chiamato "Alchemist's Treasure" (D&J Humancare, Busan, Corea del Sud). Per giocare a questo gioco, il soggetto deve correre o saltare su un punto del tappeto per spostare un avatar virtuale sullo schermo del tablet PC in avanti, indietro, a sinistra e a destra insieme alla musica (Supplemental Video 1 for online) . Il soggetto può controllare la velocità del movimento dell'avatar correndo o saltando sul tappeto. Il gruppo di esercizi su tapis roulant (TEG) ha eseguito esercizi utilizzando tapis roulant commerciali (MOTUS, Gyeonggi-do, Corea del Sud). Ogni soggetto camminava o correva sul tapis roulant a una velocità confortevole.

Sia per EXG che per TEG, la frequenza cardiaca (FC) di tutti i soggetti durante l'esercizio è stata monitorata utilizzando monitor HR (polar RS400sd, Madison Height, Michigan, USA) per confermare che il valore rientrava nell'intervallo target di FC. La formula di Karvonen (1957) è stata utilizzata per calcolare la riserva di frequenza cardiaca (HRR, FC massima stimata - FC a riposo) e la FC target durante l'esercizio [(HRR × percentuale data dell'intensità dell'allenamento) + FC a riposo)].

Stroop Test Per la valutazione della funzione esecutiva, una versione computerizzata del compito Stroop è stata somministrata con il software Telescan (LAXTHA, Daejeon, Corea del Sud). Durante il compito, ai soggetti veniva presentata una parola colorata che appariva dello stesso colore in prove congruenti (ad es. "blu" stampato in blu) e di colore diverso su prove incongruenti (es. "blu" stampato in verde). Per fornire contenuti visivi simili, sono stati scelti come stimoli il blu, il verde e il giallo.

I soggetti hanno eseguito il compito Stroop due volte, prima e dopo l'allenamento. I soggetti si sono seduti a 1 metro dallo schermo e quando le parole colorate sono apparse sullo schermo, hanno fatto clic sulla tastiera sinistra per il test congruente e sulla tastiera destra per il test incongruente. I soggetti sono stati istruiti a rispondere il più rapidamente e accuratamente possibile. Il tasso di misurazione mirato al 50%. Ogni parola di colore (angolo di visione verticale: 2°) è stata presentata per 200 ms e la risposta è stata consentita entro 1500 ms. L'intervallo inter-stimolo variava casualmente tra 1500 e 2500 ms.

Misurazioni elettroencefalografiche (EEG) L'attività EEG è stata registrata durante l'attività Stroop modificata utilizzando un sistema poligrafico computerizzato - Tipo A: un totale di 31 canali Poly G-A (LAXTHA, Daejeon, Corea del Sud). Gli elettrodi Ag-AgCl (LAXTHA, Daejeon, Corea del Sud) sono stati posizionati sulle aree della corteccia frontale (Fz), centrale (Cz) e parietale (Pz), secondo il sistema internazionale 10-20. Posizioni della linea mediana referenziate per collegare gli elettrodi del lobo dell'orecchio. Gli elettrooculogrammi orizzontali e verticali (EOG) sono stati monitorati da elettrodi posizionati rispettivamente sopra e sotto l'occhio sinistro e al canto esterno di entrambi gli occhi. L'impedenza di tutti gli elettrodi è stata mantenuta al di sotto di 10 kΩ. Il filtro passa-banda dell'amplificatore era 0,1-100 Hz, la frequenza di campionamento era 1000 Hz e un filtro notch era a 60 Hz.

La componente N200 è stata definita come il più grande picco positivo che si verifica tra 200-350 ms post-stimolo e la componente P300 è stata definita come il più grande picco positivo che si verifica tra 300~600 ms post-stimolo. Le ampiezze N200 e P300 sono state misurate come la differenza tra la linea di base pre-stimolo media e l'ampiezza massima del picco. Per il filtraggio è stato utilizzato il filtro IIR passa-alto integrato di Telescan. Le forme d'onda sono state levigate digitalmente con un filtro passa-basso utilizzando un'interruzione di metà potenza di 10 Hz prima dell'analisi.

Analisi statistica A causa delle ridotte dimensioni del campione, abbiamo utilizzato statistiche non parametriche per l'analisi dei dati. Abbiamo utilizzato il test dei ranghi con segno di Wilcoxon per esaminare i cambiamenti di ciascuna variabile dipendente dopo l'intervento all'interno di ciascun gruppo. Il test U di Mann-Whitney è stato utilizzato per confrontare i valori delta tra i gruppi di allenamento (Δ-EXG vs Δ-TEG). La dimensione dell'effetto di eta-quadrato parziale (η2) è stata riportata per effetti significativi, dove il livello alfa per tutti i test è stato fissato a 0,05. I dati sono stati espressi come media ± deviazione standard della media. Tutti i test statistici sono stati elaborati utilizzando il software SPSS versione 24.