Kompenserende hjerneaktivitet hos eldre voksne. (BrainAct)

Kompensatorisk hjerneaktivitet hos eldre voksne er et viktig forskningsområde opptatt av kognitiv aldring og mulighetene for kognitiv forbedring i sen voksen alder. Mest omfattende behandles disse problemene av STAC-modellen - Scaffolding Theory of Aging and Cognition. Denne studien vil være opptatt av empiriske undersøkelser av noen av dens teoretiske antakelser. Den innovative karakteren til forskningsløsningene som inngår i dette prosjektet er på den ene side basert på nye tilnærminger til verifisering av STAC-forutsetningene og på den annen side på verifisering av forutsetninger som ikke har vært utsatt for systematisk undersøkelser så langt. En slik forskningsagenda har vært motivert av hull i eksisterende kunnskap om noen av fenomenene beskrevet i STAC-modellen. Å fylle disse hullene vil være prosjektets bidrag til utviklingen av forskning på kognitiv aldring.

I denne sammenhengen er målene for studien følgende:

1. Verifikasjonen av STAC-modellens antakelser om de kognitive prosessene utløst under kompenserende hjerneaktivitet hos eldre voksne basert på EEG-tidsfrekvensanalyser.
2. Verifikasjonen av STAC-modellens antagelse om mulig påvirkning av kognitiv trening på fremveksten og forsvinningen av kompenserende hjerneaktivitet hos eldre voksne, har ikke blitt undersøkt så langt.

Forskningsproblemer som rettferdiggjør målene:

Re. 1. Den kognitive tolkningen av kompenserende hjerneaktivitet hos eldre voksne, både i STAC-modellen og i lys av forskningsfunn som er samlet inn til nå, er basert på ufullstendige premisser. Kompensatorisk hjerneengasjement er overaktiveringen observert i visse hjerneregioner hos eldre voksne som er knyttet til en bedre ytelse på kognitive oppgaver. Bedre prestasjoner på kognitive oppgaver regnes her som bevis for løpende kompensasjon. Kompenserende hjerneaktivitet hos eldre voksne har blitt bekreftet av en rekke studier som bruker fMRI- og PET-skanninger, som er de to mest dominerende nevrobildemetodene i dette området. Modeller for kompenserende hjerneaktivitet hos eldre voksne, for eksempel STAC-modellen, er basert på disse nevrobildedataene. Teoretiske tolkninger i form av kognitive prosesser pålegges disse observasjonene først i etterkant. Dermed er verifikasjonen av kompensasjonsmekanismene beskrevet i disse modellene begrenset da utviklingen og verifiseringen av modellen er basert på samme metodikk. Senere studier som fant en positiv sammenheng mellom overaktivering av spesifikke hjerneregioner og bedre ytelse på kognitive oppgaver bekreftet den empiriske sammenhengen som førte til utviklingen av den teoretiske modellen. Bekreftelsen av sammenhengen alene er imidlertid ikke tilstrekkelig for å verifisere den teoretiske tolkningen som er innkapslet i modellen. Behovet for å utdype forståelsen av kognitive prosesser involvert i kompensasjon ble indikert av selve forfatterne av STAC-modellen.

Bruk av EEG-metodene i prosjektet (hendelsesrelaterte svingninger, ERO), i stedet for fMRI- eller PET-avbildning, vil bidra til dette målet. Årsaken er at den EEG-baserte tilnærmingen krever hypoteser basert ikke bare på lokaliseringen av kompenserende hjerneaktivitet, men også på de kognitive prosessene som er teoretisk knyttet til aktiviteten av interesse. Siden fMRI- og PET-funn ikke kan uttrykkes direkte i EEG-termer, har følgende resonnement blitt brukt for å forutsi resultatene: kompenserende hjerneoveraktivering observert i fMRI og PET → kognitiv tolkning av overaktiveringen → bestemmelse av EEG-indikatorene (hendelsesrelatert synkronisering, ERS og hendelsesrelatert desynkronisering, ERD) av de kognitive prosessene spesifisert basert på tolkningen → verifiseringen av eksistensen av indikatorene i EEG-signal registrert hos eldre voksne når deres kognitive ytelse ikke avviker fra ytelse observert hos unge voksne (og deres mangel når eldre voksne presterer dårligere enn unge forsøkspersoner). Målet er med andre ord å identifisere de nevrale markørene til prosessene som er blitt foreslått av STAC-modellen for å gjøre rede for kompenserende hjerneaktivitet basert på aktivering av visse hjernestrukturer som registrert med fMRI og PET, men med bruk av en annen teknikk som er avhengig av alternative indikatorer på kognitive prosessers engasjement. Dermed vil det, takket være bruken av EEG-målinger i studien, være mulig å verifisere den kompenserende rollen til de kognitive prosessene og ikke bare bekrefte lokaliseringen av overaktiveringen, som har vært en betydelig begrensning av studiene som er utført så langt.

Re. 2. Det er ukjent om det er mulig å påvirke kompenserende hjerneaktivitet hos eldre voksne gjennom kognitiv trening, som er forutsatt i STAC-modellen. STAC-modellen antar at kompenserende hjerneaktivitet kan stimuleres av ulike typer intervensjoner, inkludert kognitiv trening. Forfatterne av modellen foreslo at slik trening i tilfelle underaktivering eller forringelse av et nevralt nettverk engasjert i den kognitive oppgaven skulle etablere nye stillaser, mens når ytelsen på oppgavene allerede er avhengig av kompenserende overaktivering av visse hjerneområder , bør treningen redusere aktiveringen i disse sekundære "stillasene" regionene og forbedre effektiviteten i de primære nettverkene - en slags gjenoppretting av hjerneaktiviteten som er karakteristisk for yngre individer.

Forutsetninger om målene for opplæringen angitt av forfatterne av STAC-modellen er ikke verifisert empirisk så langt. Forskningsfunn på de treningsinduserte endringene i nevral aktivitet har bare blitt tolket post facto i sammenheng med STAC-modellen eller smalere modeller for kompenserende hjerneaktivitet hos eldre voksne: CRUNCH - Compensation-Related Utilization of Neural Circuits Hypothesis, PASA - Posterior- Fremre skift i aldring eller HAROLD - hemisfærisk asymmetrireduksjon hos eldre voksne.

Så vidt vi vet, har bare to publikasjoner rapportert så langt studier som ble designet direkte for å bekrefte antakelsene til en av modellene for kompenserende hjerneaktivitet hos eldre voksne - CRUNCH. Studien ble imidlertid utført med bruk av fMRI-avbildning, ikke EEG, og uten å inkludere unge voksne, som utgjør en referansegruppe som er grunnleggende for vurderingen av spesifisiteten til hjerneaktivitet som er karakteristisk for alderdom.

Selv om noen studier om effektiviteten av kognitiv trening har vært interessert i nevro-korrelatene til trening, besto utvalget i de fleste av dem utelukkende av unge individer, og selv om eldre forsøkspersoner ble inkludert, tok ikke forskningsagendaen opp hypoteser angående kompenserende stillaser i alderdom, eller de skulle tolke i en slik sammenheng bare delvis.

I denne studien vil forutsetningene til STAC-modellen angående effekten av kognitiv trening på kompensatorisk stillas hos eldre voksne verifiseres eksperimentelt med bruk av arbeidsminnetrening (WM). Oppgaven som benyttes i opplæringen vil være basert på n-rygg-paradigmet, som er den vanligste typen opplæring som brukes i samtidsforskning. Selv om overføringseffekten av n-ryggtrening er tvilsom, er det rikelig med bevis for dens effektivitet i å forbedre ytelsen på den trente oppgaven.

Prosjektet ble gjennomført i to faser: foreløpig og eksperimentelt. Den foreløpige fasen har tre hovedmål: (1) Empirisk fastsettelse av tre vanskelighetsgrader av n-ryggoppgaven for den påfølgende bruken under EEG-registreringer – den laveste vanskelighetsgraden skal være lett for gamle voksne (uten forskjell i nøyaktighet ift. unge voksne) og to andre nivåer bør bli stadig mer (betydelig) vanskeligere; (2) Valg av oppgaven for den aktive kontrollgruppen. Denne oppgaven bør ikke involvere arbeidsminne, men bør synes å forbedre det samme aspektet av kognitiv funksjon som n-ryggoppgaven, som vil bli verifisert av eksperter så vel som gamle og unge lekfolk som ikke tilhører studieutvalget; (3) Rekruttering av frivillige til studieutvalget og tildeling av de utvalgte deltakerne til forsøks- og kontrollgruppene for å sikre likeverdighet av disse gruppene når det gjelder kognitiv ytelse (i henhold til den kognitive vurderingen i den innledende fasen). Dessuten er den foreløpige fasen også viet til programmering av de datastyrte oppgavene som skal brukes i studien. Datastyrte oppgaver for kognitiv vurdering og trening skal utvikles i programmeringsmiljøet PsychoPy med bruk av programmeringsspråket Python.

Utvalget besto av 3 grupper av eldre voksne: eksperimentell (n = 25), passiv kontroll (n = 22), aktiv kontroll (n = 7) og unge voksne: eksperimentell (n = 25), passiv kontroll (n = 25) og aktiv kontroll (n = 12). Målinger før og etter test ble utført i alle gruppene.

Ved pre- og posttest utførte deltakerne i alle gruppene en datastyrt n-back-oppgave på tre vanskelighetsgrader (bestemt på forhånd i den innledende fasen) med samtidig EEG-signalregistrering. I alle grupper ble det dessuten utført kognitiv vurdering, som vil omhandle: arbeidsminne og korttidshukommelseskapasitet, oppmerksomhetsfokus og psykomotorisk hastighet, interferensmotstand og hemmingsevne. Kun n-ryggoppgaven vil bli utført med EEG-registrering.

Den eksperimentelle faktoren var intervensjonen ved hjelp av n-ryggtreningen, nemlig eldre og yngre deltakere tildelt forsøksgruppene deltok i en datastyrt prosessbasert arbeidsminnetrening med bruk av n-ryggoppgaven. Treningsintervensjonen varte i 4 uker og besto av 12 treningsøkter, ca 45 minutter hver. N-back-oppgavene som ble brukt til treningsformålene var analoge med de som ble brukt ved pre-test og post-test-måling (samme grensesnitt, instruksjoner og handlinger som er nødvendige for å fullføre oppgaven). Forskjellen var vanskelighetsgraden fordi, når det gjelder treningen, var den ikke planlagt, men økt adaptivt, i henhold til den aktuelle fremgangen til den aktuelle deltakeren. De to andre gruppene (av gamle og unge voksne) vil være aktive kontrollgrupper. I disse gruppene ble kognitiv treningsintervensjon med bruk av n-back task erstattet av multidomene ikke-adaptiv trening. Treningsopplegget i aktive kontrollgrupper vil være det samme som i forsøksgruppene. Det var også to passive kontrollgrupper (av gamle og unge voksne), som i løpet av opplæringsperioden ikke ble kontaktet av forskere, og ingen kognitive intervensjoner ble administrert.