Attività cerebrale compensativa negli anziani. (BrainAct)

L’attività cerebrale compensativa negli anziani è un’importante area di ricerca che riguarda l’invecchiamento cognitivo e le possibilità di miglioramento cognitivo nella tarda età adulta. Nel modo più completo questi problemi sono affrontati dal modello STAC - Scaffolding Theory of Aging and Cognition. Il presente studio riguarderà l'indagine empirica di alcuni dei suoi presupposti teorici. Il carattere innovativo delle soluzioni di ricerca incluse nel presente progetto si basa, da un lato, su nuovi approcci alla verifica delle ipotesi STAC e, dall'altro, sulla verifica delle ipotesi che non sono state sottoposte a sistematica verifica indagini finora. Tale programma di ricerca è stato motivato dalle lacune nelle conoscenze esistenti riguardo ad alcuni dei fenomeni descritti nel modello STAC. Colmare queste lacune sarà il contributo del progetto allo sviluppo della ricerca sull’invecchiamento cognitivo.

In questo contesto gli obiettivi dello studio sono i seguenti:

1. La verifica delle ipotesi del modello STAC sui processi cognitivi innescati durante l'attività cerebrale compensatoria negli anziani sulla base delle analisi tempo-frequenza dell'EEG.
2. La verifica dell'ipotesi del modello STAC sulla possibile influenza dell'allenamento cognitivo sulla comparsa e scomparsa dell'attività cerebrale compensatoria negli anziani non è stata finora indagata.

Problemi di ricerca che giustificano gli obiettivi:

Rif. 1. L’interpretazione cognitiva dell’attività cerebrale compensatoria negli anziani, sia nel modello STAC che alla luce dei risultati della ricerca finora raccolti, si basa su premesse incomplete. L’impegno cerebrale compensatorio è l’iperattivazione osservata in alcune regioni del cervello negli anziani, collegata a una migliore prestazione nei compiti cognitivi. Migliori prestazioni nei compiti cognitivi sono qui considerate come prova di una compensazione continua. L’attività cerebrale compensatoria negli anziani è stata confermata da numerosi studi che utilizzano scansioni fMRI e PET, che sono i due metodi di neuroimaging più dominanti in quest’area. I modelli di attività cerebrale compensatoria negli anziani, come il modello STAC, si basano su questi dati di neuroimaging. A queste osservazioni si impongono interpretazioni teoriche in termini di processi cognitivi solo successivamente. Pertanto, la verifica dei meccanismi compensativi descritti in questi modelli è limitata poiché lo sviluppo e la verifica del modello si basano sulla stessa metodologia. Studi successivi che hanno trovato una relazione positiva tra l’iperattivazione di specifiche regioni del cervello e una migliore prestazione nei compiti cognitivi hanno confermato la relazione empirica che ha portato allo sviluppo del modello teorico. Tuttavia, la sola conferma della relazione non è sufficiente a verificare l’interpretazione teorica racchiusa nel modello. La necessità di approfondire la comprensione dei processi cognitivi coinvolti nella compensazione è stata indicata dagli stessi autori del modello STAC.

L'uso dei metodi EEG nel progetto (oscillazioni legate agli eventi, ERO), invece dell'imaging fMRI o PET, contribuirà a questo obiettivo. Il motivo è che l’approccio basato sull’EEG richiede ipotesi basate non solo sulla localizzazione dell’attività cerebrale compensatoria ma anche sui processi cognitivi teoricamente legati all’attività di interesse. Poiché i risultati della fMRI e della PET non possono essere espressi direttamente in termini EEG, per prevedere i risultati è stato utilizzato il seguente ragionamento: iperattivazione cerebrale compensatoria osservata nella fMRI e nella PET → interpretazione cognitiva dell'iperattivazione → determinazione degli indicatori EEG (sincronizzazione correlata all'evento, ERS e desincronizzazione evento-correlata, ERD) dei processi cognitivi specificati in base all'interpretazione → verifica dell'esistenza degli indicatori nel segnale EEG registrato negli anziani quando la loro prestazione cognitiva non diverge dalla prestazione osservata nei giovani adulti (e i loro mancanza quando gli anziani ottengono risultati peggiori dei soggetti giovani). In altre parole, l'obiettivo è identificare i marcatori neurali dei processi che sono stati proposti dal modello STAC per tenere conto dell'attività cerebrale compensatoria basata sull'attivazione di alcune strutture cerebrali registrate con la fMRI e la PET ma con l'uso di un altro tecnica che si basa su indicatori alternativi di coinvolgimento dei processi cognitivi. Pertanto, grazie all'utilizzo delle misurazioni EEG nello studio, sarà possibile verificare il ruolo compensatorio dei processi cognitivi e non solo confermare la localizzazione dell'iperattivazione, che ha rappresentato un limite significativo degli studi condotti finora.

Rif. 2. Non è noto se sia possibile influenzare l'attività cerebrale compensatoria negli anziani attraverso l'allenamento cognitivo, come previsto nel modello STAC. Il modello STAC presuppone che l’attività cerebrale compensatoria possa essere stimolata da vari tipi di interventi, compreso l’allenamento cognitivo. Gli autori del modello hanno proposto che tale allenamento nel caso di una sottoattivazione o di un deterioramento di una rete neurale impegnata nel compito cognitivo dovrebbe stabilire nuove impalcature, mentre quando la prestazione nei compiti si basa già sull'iperattivazione compensatoria di alcune aree cerebrali , la formazione dovrebbe diminuire l'attivazione in queste regioni secondarie "impalcabili" e migliorare l'efficienza nelle reti primarie - una sorta di ripristino dell'attività cerebrale caratteristica degli individui più giovani.

Le ipotesi sugli obiettivi della formazione indicate dagli autori del modello STAC non sono state finora verificate empiricamente. I risultati della ricerca sui cambiamenti indotti dall'allenamento nell'attività neurale sono stati interpretati solo post facto nel contesto del modello STAC o di modelli più ristretti di attività cerebrale compensatoria negli anziani: CRUNCH - Compensation-Related Utilization of Neural Circuits Hypothesis, PASA - Posterior- Spostamento anteriore nell'invecchiamento o HAROLD - Riduzione dell'asimmetria emisferica negli anziani.

Per quanto ne sappiamo, finora solo due pubblicazioni hanno riportato studi progettati direttamente per verificare i presupposti di uno dei modelli di attività cerebrale compensatoria negli anziani: CRUNCH. Lo studio, tuttavia, è stato condotto con l'uso dell'imaging fMRI, non dell'EEG, e senza includere i giovani adulti, che costituiscono un gruppo di riferimento fondamentale per la valutazione della specificità dell'attività cerebrale caratteristica dell'età avanzata.

Sebbene alcuni studi sull’efficienza dell’allenamento cognitivo si siano interessati ai neuro-correlati dell’allenamento, nella maggior parte di essi il campione era costituito esclusivamente da individui giovani, e anche se erano inclusi soggetti più anziani l’agenda di ricerca non affrontava ipotesi riguardanti l’impalcatura compensativa in vecchiaia, oppure avrebbero dovuto interpretare in tale contesto solo parzialmente.

Nel presente studio, le ipotesi del modello STAC riguardanti gli effetti dell'allenamento cognitivo sull'impalcatura compensativa negli anziani saranno verificate sperimentalmente con l'uso dell'allenamento della memoria di lavoro (WM). Il compito impiegato nella formazione sarà basato sul paradigma n-back, che è il tipo di formazione più comune impiegato nella ricerca contemporanea. Sebbene l’effetto di trasferimento dell’allenamento n-back sia discutibile, esistono prove abbondanti della sua efficacia nel migliorare le prestazioni del compito addestrato.

Il progetto è stato condotto in due fasi: preliminare e sperimentale. La fase preliminare ha tre obiettivi principali: (1) Determinazione empirica di tre livelli di difficoltà del compito n-back per il successivo utilizzo durante le registrazioni EEG - il livello di difficoltà più basso dovrebbe essere facile per gli anziani (senza alcuna differenza di accuratezza rispetto a giovani adulti) e altri due livelli dovrebbero essere sempre più (significativamente) più difficili; (2) Selezione del compito per il gruppo di controllo attivo. Questo compito non dovrebbe coinvolgere la memoria di lavoro ma dovrebbe migliorare lo stesso aspetto del funzionamento cognitivo del compito n-back, che sarà verificato da esperti e da persone anziane e giovani non appartenenti al campione di studio; (3) Reclutamento di volontari per il campione di studio e assegnazione dei partecipanti selezionati ai gruppi sperimentali e di controllo garantendo l'equivalenza di questi gruppi in termini di prestazioni cognitive (secondo la valutazione cognitiva nella fase preliminare). Inoltre, la fase preliminare è dedicata anche alla programmazione dei compiti informatizzati che verranno utilizzati nello studio. Compiti computerizzati per la valutazione e la formazione cognitiva saranno sviluppati nell'ambiente di programmazione PsychoPy con l'uso del linguaggio di programmazione Python.

Il campione comprendeva 3 gruppi di anziani: sperimentale (n = 25), controllo passivo (n = 22), controllo attivo (n = 7) e giovani adulti: sperimentale (n = 25), controllo passivo (n = 25) e controllo attivo (n = 12). Le misurazioni pre-test e post-test sono state condotte in tutti i gruppi.

Prima e dopo il test i partecipanti di tutti i gruppi hanno eseguito un compito n-back computerizzato a tre livelli di difficoltà (determinati in anticipo nella fase preliminare) con registrazione simultanea del segnale EEG. Inoltre, in tutti i gruppi è stata condotta una valutazione cognitiva che riguarderà: memoria di lavoro e capacità di memoria a breve termine, focus attentivo e velocità psicomotoria, resistenza alle interferenze e capacità di inibizione. Solo l'attività n-back verrà eseguita con la registrazione EEG.

Il fattore sperimentale è stato l'intervento utilizzando l'allenamento n-back, vale a dire i partecipanti più anziani e più giovani assegnati ai gruppi sperimentali hanno partecipato ad un allenamento della memoria di lavoro basato su processi computerizzati con l'uso del compito n-back. L'intervento formativo è durato 4 settimane ed è consistito in 12 sessioni formative, di circa 45 minuti ciascuna. Le attività n-back utilizzate per gli scopi della formazione erano analoghe a quelle utilizzate nelle misurazioni pre-test e post-test (la stessa interfaccia, istruzioni e azioni necessarie per completare l'attività). La differenza è stata il livello di difficoltà perché nel caso della formazione non è stato pianificato ma aumentato in modo adattivo, in base al progresso attuale del singolo partecipante. Gli altri due gruppi (di anziani e giovani adulti) saranno gruppi di controllo attivi. In questi gruppi, l’intervento di training cognitivo con l’uso del compito n-back è stato sostituito da un training non adattivo multidominio. Il programma di allenamento nei gruppi di controllo attivo sarà lo stesso dei gruppi sperimentali. C'erano anche due gruppi di controllo passivo (di anziani e giovani adulti), che durante il periodo di formazione non sono stati contattati dai ricercatori e non sono stati somministrati interventi cognitivi.