Het Cogni-Action-project: fysieke activiteit, hersenen en cognitie (Cogni-Action)

Met betrekking tot de studie (d.w.z. cross-over-gerandomiseerde studie), zullen kinderen gerandomiseerd worden voor elke protocolsessie en aan alle sessies deelnemen met een tussenpoos van twee weken . Zo zullen ze naar onze sportschool gaan om een ​​van de drie protocollen uit te voeren en vervolgens zullen ze naar een laboratorium worden verplaatst waar ze EEG- en eye-tracking-metingen zullen ondergaan tijdens rusttoestand en tijdens twee verschillende cognitieve taken. Meer details zijn te vinden in volgende secties.

Het ontwerp van het project zal bestaan ​​uit een cross-over trial met tegenwicht, waarbij de deelnemers op verschillende dagen drie verschillende PA-trainingsprotocollen in willekeurige volgorde zullen uitvoeren. Elk kind bezoekt ons laboratorium drie keer, elke twee weken om een ​​"wash-out"-periode te garanderen met als doel het PA-effect van elk protocol te verminderen. Deelnemers assisteren bij de drie verschillende sessies op dezelfde doordeweekse dag (bijvoorbeeld maandag) en op dezelfde dag om verschillen in voorafgaande schoolactiviteiten of circadiane ritmes te voorkomen. Deelnemers ondergaan een "sedentaire toestand" (SC), zitten en kijken naar een documentaire op tv zoals eerder is gebruikt, en twee verschillende PA-protocollen bestaande uit "Moderate-Intensity Continuous Training" (MICT), d.w.z. continu buiten wandelen, en "Cooperative High Intensity Interval Training" (C-HIIT), bestaande uit een circuittraining met een partner (docent lichamelijke opvoeding). Deze drie protocollen zijn gekozen met het oog op wat overeenkomt met soorten activiteiten die gewoonlijk op scholen worden uitgevoerd. SC bootst dus de tijd na die wordt besteed tijdens een academische les (d.w.z. wiskunde- of taallessen); MICT vertegenwoordigt de typische activiteit in een gymles; en C-HIIT is gekozen omdat het wordt gepostuleerd als een oefenprotocol dat mogelijk in de gymles kan worden geïmplementeerd. De drie protocollen zijn zo ontworpen dat het energieverbruik onderling gelijk is, om verschillen in het energieverbruik als mogelijke verstorende factor te elimineren. Het protocol voor de berekening van het energieverbruik is gedetailleerd in aanvullend materiaal.

Na elk PA-protocol ondergaan de deelnemers EEG- en eye-tracking-metingen als volgt: eerst wordt de spontane hersenactiviteit in rusttoestand gedurende 3 minuten beoordeeld met alleen EEG, en vervolgens wordt eye-tracking parallel met EEG geregistreerd terwijl deelnemers de cognitieve taken uitvoeren (een werkgeheugentaak en een leestaak). De metingen beginnen 20 tot 25 minuten na het einde van elke conditie. Zo bootsen we een schoolreces na in de Chileense context, voor aanvang van het volgende vak. Alle maatregelen zullen worden uitgevoerd in het "Laboratorio Lenguaje & Cognición ELV", dat behoort tot het Instituut voor Literatuur en Taalwetenschappen van de Pontificia Universidad Católica de Valparaíso. Om subjectieve invloed van de beoordelaar te voorkomen, wordt de beoordelaar, wanneer de deelnemers naar het laboratorium gaan, geblindeerd volgens het PA-protocol dat de deelnemers hebben uitgevoerd.

Neuro-elektrische en eye-tracker metingen EEG-meting: Er zal een B-Alert X24-apparaat voor EEG (Advanced Brain Monitoring, Californië, Verenigde Staten) worden gebruikt, dat bestaat uit 24 actieve elektroden die de ruis van elektrische apparaten buiten de biologische processen van belang minimaliseren , zorgen voor een goede signaalkwaliteit. Er zullen twee kanalen worden gebruikt om elektro-oculografische activiteit te registreren, om beter onderscheid te kunnen maken tussen echte elektro-encefalografische en elektro-oculografische activiteit geassocieerd met oogbewegingen en knipperen. Er wordt opgenomen met een bemonsteringsfrequentie van 256 waarden per seconde, met een banddoorlaatfilter tussen 0,1 - 100 Hz en een notchfilter van 50 Hz om de ruis van de omringende wisselstroom in de kamer te elimineren. Opgemerkt moet worden dat deze apparatuur draadloos is, waardoor het handiger en sneller is om op deelnemers te monteren. Voor dit onderzoek zullen de onderzoekers zich richten op de kanalen Fz, Cz, CPz, Pz, POz, Oz, O1 en O2.

Eye-tracker: een Tobii Pro TX300 (Tobii, Stockholm, Zweden) zal worden gebruikt om oogbewegingen rechtstreeks te volgen via een lichtgevoelige camera in de buurt van het infraroodspectrum. Deze apparatuur bestudeert de visuomotorische kenmerken tijdens het leesproces en de trajecten van de blik rond elk woord. Bovendien zal het dienen om de exacte momenten te definiëren waarop deze woorden worden gelezen en zo het EEG-record kunnen synchroniseren om een ​​gemiddeld signaal (N400) te berekenen dat de verwerking van taal door de hersenen weerspiegelt. Hetzelfde apparaat registreert onbewerkte waarden van de pupilgrootte (diameter), waarbij alle gegevens worden opgeslagen met een bemonsteringsfrequentie van 300 Hz.

Cognitieve taken tijdens neuro-elektrische en eye-trackermetingen Werkgeheugentaak. Een N-back-taak wordt uitgevoerd via E-Prime 2.0-software, gesynchroniseerd met het elektro-encefalografische opnamesysteem en de eye-tracker, om de neuro-elektrische activiteit en de diameter van de pupil te meten, gekoppeld aan de presentatie van elke stimulus (doelen en niet-doelen) . Het protocol lijkt sterk op het protocol dat eerder is uitgelegd voor de 0-back- en 2-back-condities tijdens fMRI-beoordeling. Het belangrijkste verschil van de huidige taak met betrekking tot de N-back-taak van de fMRI is dat kinderen op het toetsenbord het cijfer "1" moeten indrukken wanneer ze een doelstimulus detecteren of het cijfer "2" voor niet-doelstimuli. Dit type taak genereert een EEG-potentieel gerelateerd aan cognitieve verwerking, gekenmerkt door een positieve afbuiging die piekt rond ongeveer 300 ms (P300), die uitgebreid is bestudeerd in verschillende soorten taken die bewuste aandacht vereisen, in elke perceptuele modaliteit. Met andere woorden, het is een potentieel dat verband houdt met gebeurtenissen die bewust worden waargenomen, dat niet afhangt van het gestimuleerde perceptuele pad, maar veeleer van de noodzaak om cognitieve bronnen opnieuw toe te wijzen en gepaste reacties te ontwikkelen in overeenstemming met de steeds veranderende context. Om de EEG-patronen van P300 in het werkgeheugen te isoleren, trekken de onderzoekers af van het resultaat van een 2-back-taak, die van een 0-back-taak. Het P300-gebeurtenisgerelateerde potentieel zal naar verwachting vooral naar voren komen in het gemiddelde EEG-signaal dat in de tijd is vergrendeld tot het begin van gedetecteerde doelstimuli. Artefacten zoals elektro-oculografische signalen zullen van de gegevens worden afgetrokken met een algoritme dat is geïmplementeerd in EEGLAB, een toolbox voor EEG-analyse die draait in MATLAB (Mathworks®). Handmatige afwijzing van enkele proeven zal worden overwogen op basis van visuele inspectie van artefacten in gegevens.

Leestaak. Taalverwerking zal worden beoordeeld door een taak voor begrijpend lezen waarbij korte alinea's worden gepresenteerd om normaal te worden gelezen. De eye-tracking-techniek zal worden gebruikt om oogpositie, beweging en pupildiameter vast te leggen, gelijktijdig met het EEG-record. Deelnemers gaan voor een monitor zitten, op ongeveer 60 cm, en plaatsen hun kin op een ergonomische standaard, wat helpt om hoofdbewegingen te verminderen en de precisie van het eye-tracker-signaal te verbeteren. De leestaak wordt gepresenteerd met de nieuwste versie van Tobii Pro Lab. Nadat het systeem is gekalibreerd, krijgt elk kind een korte contextualisering van het onderwerp voordat het begint te lezen, wetende dat ze later zeven begripsvragen zullen krijgen met verschillende gradaties van complexiteit. De deelnemers moeten het juiste antwoord aangeven uit drie alternatieven. Opgemerkt moet worden dat er drie literaire teksten zullen worden gebruikt, willekeurig gepresenteerd (1 per inspanningsconditie). Deze teksten zullen dezelfde moeilijkheidsgraad hebben, dezelfde spreiding van interessegebieden, een vergelijkbaar aantal woorden, en zullen vooraf worden gevalideerd door een panel van experts. Het lezen van elk woord zal naar verwachting een EEG-negatief potentieel genereren met een latentie van bijna 400 ms (N400). De amplitude, topografische verdeling en latentie van dit potentieel zijn elektrofysiologische neuromarkers van taalvaardigheid in het algemeen, en het vermogen om betekenis uit woorden te construeren. De eye-tracker zal worden gebruikt om de oculaire baan tijdens het lezen te bestuderen en de momenten vast te stellen waarop woorden worden gelezen. EEG en eye-tracking zullen gelijktijdig worden geregistreerd om oogbewegingen gerelateerd aan lezen vast te leggen, met metingen zoals leessnelheid, fixatieduur, aantal fixaties, onder andere), en om oogfixatiegerelateerde EEG-potentialen te meten die samenhangen met cognitieve belasting tijdens het lezen van woorden . De lezer moet er rekening mee houden dat dit potentieel experimenteel samenvalt met de N400, dus ze kunnen verschillende hersenprocessen over elkaar heen vertegenwoordigen, of in wezen de weerspiegeling zijn van hetzelfde mechanisme.

Primaire uitkomsten in cross-over acuut gecompenseerd onderzoek Rusttoestand spontane hersenactiviteit. Na het oefenprotocol en vóór de cognitieve taken wordt de spontane hersenactiviteit gemeten met EEG terwijl kinderen in een zittende houding rusten, om de piekfrequentie en reactiviteit van de alfagolf te meten. De dynamiek van de alfa-piekfrequentie (tussen 7 en 13 Hz) gedurende een periode van 3 minuten zal worden berekend door middel van een Hilbert-transformatie. Vervolgens wordt een gemiddelde waarde en trend van de alfa-piekfrequentie berekend. Er is verondersteld dat hoe hoger de alfa-piekfrequentie, hoe groter de algemene cognitieve capaciteit en verwerkingssnelheid zijn. De onderzoekers richten zich op alfagolven omdat deze hersengolf van oudsher wordt geassocieerd met verschillende theorieën over aandacht en bewuste waarneming. Er is ontdekt dat de frequentie van de alfagolf toeneemt na een sessie cognitieve taken. Bovendien zijn de kracht en frequentie van alfa-hersengolven voorafgaand aan cognitieve evaluatie in verband gebracht met prestaties. Als PA een positief effect heeft op cognitieve prestaties, zou een enkele PA-sessie ook een toename van de alfa-piekfrequentie moeten veroorzaken. Dit werd zelfs gevonden door Gutmann et al. in twee opeenvolgende studies. Er ontbreekt echter een statistische relatie tussen PA-geïnduceerde toenames in alfa-piekfrequentie en cognitieve prestaties.

Werkgeheugenprestaties: Treffers, missers, weglatingen en nauwkeurigheid worden berekend voor doelen en niet-doelen van de n-back-taak, evenals reactielatentie.

Begrijpend lezen: na het lezen van de teksten worden zeven vragen met verschillende mate van begripscomplexiteit gegeven. Voor elke vraag zijn er vier alternatieven om als het juiste antwoord te kiezen.

Cognitieve belasting: de onderzoekers groeperen verschillende maten in deze categorie omdat ze allemaal verband houden met het concept van cognitieve belasting. De eerste twee komen van het EEG, de andere twee van de eye-tracker.

P300: Het P300-gebeurtenisgerelateerde potentieel geassocieerd met het verschillende type stimulus in de n-back (doel en niet-doel) zal worden gekwantificeerd op basis van de amplitude en latentie van de piek.

N400: Dit aan taalkunde gerelateerde gebeurtenisgerelateerde potentieel zal ook worden beschreven op basis van latentie en amplitude. Omdat het tijdens de leestaak wordt gesynchroniseerd met de oogfixatie op woorden, is het conceptueel een soort fixatiegerelateerd potentieel.

Snelle variaties in pupilgrootte: leerling reageert op cognitieve vereisten en wordt in verband gebracht met een toename van de cognitieve belasting tijdens verschillende taken, waaronder werkgeheugen en lezen. De hoeveelheid hoogfrequente variaties in pupildiameter wordt geschat door een nieuwe index van cognitieve activiteit, die toeneemt met cognitieve belasting. Deze maat kan worden weergegeven als een continue variabele in de tijd dankzij de hoge sampling rate van de eye-tracker. De index van cognitieve activiteit wordt gemeten tijdens de n-back- en leestaken.

Woordfixatietijden: De lengte van visuele fixaties wordt ook in verband gebracht met de verwerkingstijd die de hersenen besteden aan het uitwerken van een cognitieve interpretatie van perceptie. Gemiddelde en standaarddeviatie van fixaties rond woorden worden berekend voor de leestaak.