Cognitieve controle en de functionele organisatie van de frontale cortex

Achtergrond en studiegrondslag:

De menselijke prestatie op een taak verslechtert wanneer deze gelijktijdig met een andere taak wordt uitgevoerd. Deze kosten voor multitasking worden toegeschreven aan de concurrentie om gedeelde computationele of biologische bronnen, en er is in het veld veel discussie over de specifieke aard van deze vermeende bronnen. Het is bekend dat uitgebreid multitasken deze kosten verlaagt en soms zelfs helemaal wegneemt. Deze praktijkgerelateerde voordelen worden toegeschreven aan veranderingen in de centrale verwerking, efficiëntere taakplanning of het leren van gespecialiseerde taakrepresentaties. De menselijke prefrontale cortex is van cruciaal belang voor flexibele cognitieve controle van gedrag en is betrokken bij het representeren van taken. Het blijft echter onbekend welk effect multitasking-oefeningen hebben op prefrontale taakrepresentaties. In deze studie zullen we een leemte in onze kennis direct aanpakken door het verband te testen tussen de kosten van multitasking en de geometrie van neurale spruitstukken die taakinvoer in de laterale PFC vertegenwoordigen.

Studieontwerp:

Overzicht:

Deze studie is een gerandomiseerde, gecontroleerde studie in één centrum, ontworpen om het effect van multitasking-oefeningen op multitasking-gedrag, de geometrie van neurale representaties van taken in de laterale prefrontale cortex en de relatie tussen deze effecten te onderzoeken. Er zijn in totaal 60 gezonde proefpersonen gepland, waarbij 30 proefpersonen willekeurig worden toegewezen aan de multitask oefengroep (MPG) en de single task practice group (SPG). Bij alle proefpersonen zullen basislijn- en eindlijnbeoordelingen van multitaskinggedrag en neurale representaties in laterale PFC met fMRI worden uitgevoerd.

Studiebehandelingen:

Oefenbehandeling met één taak:

De oefenbehandeling met één taak omvat 3 oefensessies waarin de proefpersonen geïnstrueerde taken in individuele taakblokken zullen oefenen. Er worden maximaal 48 oefenblokken uitgevoerd. Aan het einde van elk blok krijgen de proefpersonen feedback over hun nauwkeurigheid en reactiesnelheid en krijgen ze een verbeterdoel.

Multitask oefenbehandeling:

De multitask oefenbehandeling omvat 3 oefensessies waarin proefpersonen geïnstrueerde taken in het psychologische refractaire periodeparadigma zullen oefenen. Er worden maximaal 48 oefenblokken uitgevoerd. Aan het einde van elk blok krijgen de proefpersonen feedback over hun nauwkeurigheid en reactiesnelheid en krijgen ze een verbeterdoel.

Onderwerpselectie:

Onderwerpen zullen worden gerekruteerd uit de Providence-gemeenschap. Onderwerpen worden via een telefoongesprek gescreend. Inclusiecriteria zijn onder meer rechtshandigheid, leeftijd tussen 18 en 35 jaar en normaal of gecorrigeerd naar normaal zicht. Uitsluitingscriteria omvatten een voorgeschiedenis van psychiatrische of neurologische stoornissen en MR-contra-indicaties. Toestemmingsprocedures zullen persoonlijk worden uitgevoerd tijdens Studiesessie 1 en voortdurende toestemming zal periodiek worden verkregen tijdens alle laboratoriumstudiebezoeken.

Willekeurige opdracht:

Maximaal 60 in aanmerking komende patiënten worden willekeurig toegewezen aan SPG- of MPG-behandelingsgroepen in een verhouding van 1:1 met behulp van een generator voor willekeurige getallen die is gecodeerd in MATLAB. Noch de onderzoekers, noch de proefpersonen zullen blind zijn voor de opdracht.

Studiestructuur:

Per onderwerp zijn in totaal 14 studiesessies gepland. Studiesessie 1 wordt gebruikt voor geïnformeerde toestemming, planning en kennismaking met studietaken. Basisevaluaties zullen plaatsvinden tijdens studiesessies 2 tot en met 5. De behandeling zal worden toegediend tijdens studiesessies 6 tot en met 8, waarin de proefpersonen ofwel 3 sessies multi-task practice (MPG) of 3 sessies single-task practice (SPG) zullen krijgen. Eindevaluaties zullen plaatsvinden tijdens studiesessies 9 tot en met 12. Gedetailleerde beschrijvingen van elke studiesessie en alle paradigma's die voor metingen worden gebruikt, worden hieronder gegeven.

Gedragsparadigma’s:

Alle gedragstaakparadigma's zullen worden geïmplementeerd met behulp van Psychtoolbox 3 in MATLAB of in JSPsych. Alle taken omvatten het reageren op visuele objecten die op een computerscherm worden gepresenteerd met toetsaanslagen op een toetsenbord of op een responsbox. Visuele objecten variëren langs 4 dimensies: vorm (vierkant of cirkel), cirkel (oranje of blauw), patroon (gestippeld of gestreept) of grootte (klein of groot). Samen met het visuele object een antwoordpaneel bestaande uit de symbolen @ en #. De proefpersonen maken kennis met drie verschillende taken: de vormtaak, de kleurtaak en de patroontaak. Bij elke taak maken ze een binaire classificatie van het visuele object, afhankelijk van het relevante taakkenmerk (bijv. kleur de kleurtaak in). Elke binaire klasse wordt geassocieerd met een van de twee categorieën die geassocieerd zijn met de @- en #-symbolen. De proefpersonen selecteren vervolgens de antwoordsleutel die bij het relevante symbool hoort. De links-rechtspositie van de twee symbolen zal willekeurig worden gevarieerd van poging tot poging, zodat de positie bij ongeveer 50% van de pogingen dezelfde zou zijn als de vorige poging, en elk proeftype werd geassocieerd met een gelijk aantal linkse pogingen. en juiste reacties.

Paradigma met één taak: In het paradigma met één taak worden visuele objecten maximaal 2,2 seconden gepresenteerd. De deadline voor antwoorden is 2,2 seconden. Het intertrialinterval bedraagt ​​1 seconde. Proeven worden gepresenteerd in pure blokken met één taak, met 64 proeven per blok.

Paradigma voor gemengde taken: In het paradigma voor gemengde taken worden visuele objecten maximaal 2,2 seconden gepresenteerd. De responsdeadline bedraagt ​​2,2 seconden. Het intertrialinterval zal tussen 2 en 10 seconden schommelen. Proeven van meerdere taaktypen worden in hetzelfde blok gepresenteerd, met een woordcue die de taak identificeert die bij elke proef moet worden uitgevoerd.

Psychologische refractaire periode-paradigma: In het PRP-paradigma worden bij elke proef twee visuele objecten gepresenteerd, één in de bovenste helft van het scherm en de andere in de onderste helft van het scherm. Visuele objecten zullen worden gepresenteerd met een stimulus-onset-synchronisatie (SOA) variërend tussen 50 ms en 1,5 s. De proefduur bedraagt ​​maximaal 3 s. De reactiedeadline is 3 seconden voor het reageren op beide visuele objecten. Het intertrialinterval bedraagt ​​1 seconde (gedragsblokken) of een jitter tussen 2 en 10 seconden (MRI-blokken). Proefpersonen krijgen de opdracht om de taken in een specifieke volgorde uit te voeren (bijv. Kleur, dan Vorm), reagerend op de eerste stimulus die verschijnt met de regel die hoort bij de eerste taak in de volgorde en op het object dat als tweede verschijnt. Er worden in totaal 3 verschillende taakopdrachten aan de proefpersonen gepresenteerd (bijv. Kleur -> Vorm, Vorm -> Kleur en Kleur -> Patroon) en deze volgorden zullen over de onderwerpen heen worden gecompenseerd, zodat elke taak elke rol gelijk in elke behandelingsgroep heeft geplaatst. Alle taakopdrachten worden zowel tijdens de basislijn als de eindlijn toegediend.

MRI-protocol:

Elke proefpersoon ondergaat MRI-procedures tijdens studiebezoeken 2, 3, 9 en 10. Elk bezoek duurt 2 uur, waarbij de proefpersonen eerst opfriscursussen krijgen over de gedragstaken voordat ze gedurende 1 uur een MRI ondergaan. Tijdens elke MRI-scansessie van 1 uur worden de proefpersonen eerst gescreend op metaal, geïnstrueerd over veiligheidsprocedures en vereisten voor bewegingsminimalisatie, en vervolgens in rugligging op de scantafel geplaatst. Hun hoofd wordt gestabiliseerd met zachte vulling en hun oren worden beschermd tegen MR-geluid met oordopjes. De proefpersonen zullen een computerscherm bekijken via een spiegel die op een headstage is geïnstalleerd en zullen worden voorzien van twee responsboxen voor het uitvoeren van de taken en een noodzoemer voor communicatie met de dienstdoende onderzoekers en radiografen. Ze zullen dan een MPRAGE-scan met meerdere echo's ondergaan (herhalingstijd (TR) = 2530 ms, echotijden (TE) = 1,69, 3,55, 5,41 en 7,27 ms, draaihoek = 7 graden, 176 sagittale plakjes, 1 × 1 × 1 mm voxels) gedurende 6 minuten, waarbij ze hun ogen mogen sluiten. Hierna ondergaan de proefpersonen 5-10 runs van Echo Planar Imaging (TR = 1000 ms, TE = 32,6 ms, fliphoek = 64, SMS = 5, Echo-afstand 0,59, 65 verweven plakjes met een voxelgrootte van 2,4 mm x 2,4 mm x 2,4 mm), elk tussen de 4 en 9 minuten, waarin ze meerdere blokken van het gemengde taakparadigma (dag 2 en 9) of het PRP-paradigma (dag 3 en 10) zullen uitvoeren.

Beschrijvingen van studiesessies:

Studiesessie 1:

Tijdens studiesessie 1 doorlopen de proefpersonen het toestemmingsproces met een getrainde onderzoeksassistent. Nadat geïnformeerde toestemming is verleend, krijgen de proefpersonen een overzicht van het onderzoek en maken ze kennis met de basistaakprocedure en de kleur-, vorm- en patroonregels. Ze oefenen elke taak in het enkele-taakparadigma gedurende elk 2 blokken. Hierna zullen ze gedurende 6 blokken kennismaken met het PRP-paradigma met hun toegewezen taakopdrachten. Aan het einde van de sessie krijgen de proefpersonen een debriefing en worden ze beloond voor hun deelname.

Studiesessie 2:

Tijdens studiesessie 2 zullen proefpersonen gedurende 12 blokken basismetingen ondergaan met het PRP-paradigma met de hen toegewezen taakopdrachten. Aan het einde van de sessie krijgen de proefpersonen een debriefing en worden ze beloond voor hun deelname.

Studiesessie 3:

Tijdens studiesessie 3 ondergaan de proefpersonen gedurende 12 blokken nulmetingen met het paradigma van gemengde taken. Aan het einde van de sessie krijgen de proefpersonen een debriefing en worden ze beloond voor hun deelname.

Studiesessie 4:

Tijdens studiesessie 4 zullen proefpersonen basismetingen ondergaan van de neurale representaties van taken. Het MRI-protocol zal worden afgenomen met het paradigma Gemengde taken.

Studiesessie 5:

Tijdens studiesessie 5 zullen proefpersonen basismetingen ondergaan van de neurale representaties van taken. Het MRI-protocol zal worden afgenomen met het PRP-paradigma.

Studiesessies 6-8:

Tijdens deze sessies krijgen de proefpersonen de behandeling toegediend. De oefengroep met één taak krijgt 12 tot 24 oefenblokken met het paradigma voor één taak en krijgt na elk blok feedback over hun prestaties, samen met doelstellingen voor verbetering. Bij de multi-task oefenbehandeling wordt een van de drie ordes in het PRP-paradigma geoefend over 12-24 blokken. De proefpersonen krijgen aan het einde van elk blok feedback over hun nauwkeurigheid en reactiesnelheid en ze krijgen een verbeterdoel.

Studiesessie 9:

Tijdens studiesessie 9 zullen proefpersonen gedurende 12 blokken eindlijnmetingen ondergaan met het PRP-paradigma met de hen toegewezen taakopdrachten. Aan het einde van de sessie krijgen de proefpersonen een debriefing en worden ze beloond voor hun deelname.

Studiesessie 10:

Tijdens studiesessie 10 zullen proefpersonen gedurende 12 blokken eindlijnmetingen ondergaan met het paradigma van gemengde taken. Aan het einde van de sessie krijgen de proefpersonen een debriefing en worden ze beloond voor hun deelname.

Studiesessie 11:

Tijdens studiesessie 11 zullen proefpersonen eindlijnmetingen ondergaan van de neurale representaties van taken. Het MRI-protocol zal worden afgenomen met het paradigma Gemengde taken.

Studiesessie 12:

Tijdens studiesessie 12 zullen proefpersonen eindlijnmetingen ondergaan van de neurale representaties van taken. Het MRI-protocol zal worden afgenomen met het PRP-paradigma.