Projekt Cogni-Action: aktywność fizyczna, mózg i funkcje poznawcze (Cogni-Action)

Jeśli chodzi o badanie (tj. randomizowane badanie krzyżowe), dzieci zostaną losowo przydzielone do każdej sesji protokołu, uczestnicząc we wszystkich z dwutygodniową przerwą. W ten sposób będą asystować na naszej siłowni w wykonaniu jednego z trzech protokołów, a następnie zostaną przeniesieni do laboratorium, gdzie w stanie spoczynku oraz podczas dwóch różnych zadań poznawczych zostaną poddani pomiarom EEG i eye-tracking. następujące sekcje.

Projekt projektu będzie się składał z próby krzyżowej z przeciwwagą, w której uczestnicy wykonają w różnych dniach trzy różne protokoły treningowe PA w przypadkowej kolejności. Każde dziecko będzie odwiedzało nasze laboratorium trzy razy, co dwa tygodnie, aby zapewnić sobie okres „wymywania” w celu złagodzenia efektu PA z każdego protokołu. Uczestnicy będą asystować podczas trzech różnych sesji w tym samym dniu tygodnia (np. w poniedziałek) i o tej samej porze dnia, aby uniknąć różnic w poprzednich zajęciach szkolnych lub rytmach okołodobowych. Uczestnicy przejdą „Stan siedzący” (SC), siedząc i oglądając film dokumentalny w telewizji, tak jak stosowano to wcześniej, oraz dwa różne protokoły PA składające się z „Ciągłego treningu o umiarkowanej intensywności” (MICT), tj. Ciągłego chodzenia na świeżym powietrzu i „Cooperative High-Intensity Interval Training” (C-HIIT), składający się z treningu obwodowego z partnerem (nauczycielem wychowania fizycznego). Te trzy protokoły zostały wybrane ze względu na to, co odpowiada rodzajom zajęć zwykle wykonywanych w szkołach. W ten sposób SC naśladuje czas spędzony podczas dowolnej lekcji akademickiej (tj. lekcje matematyki lub języka); MICT reprezentuje typową aktywność w klasie WF; i C-HIIT wybrano, ponieważ postuluje się, że jest to protokół ćwiczeń, który mógłby być wdrożony w klasie WF. Trzy protokoły zostały zaprojektowane w taki sposób, aby wydatek energetyczny był między nimi równoważny, aby wyeliminować różnice w wydatku energetycznym jako możliwy czynnik zakłócający. Protokół obliczania wydatku energetycznego jest szczegółowo opisany w materiale dodatkowym.

Po każdym protokole PA uczestnicy zostaną poddani pomiarom EEG i śledzenia ruchu gałek ocznych w następujący sposób: 1. spontaniczna aktywność mózgu w stanie spoczynku będzie oceniana przez 3 minuty wyłącznie za pomocą EEG, a następnie śledzenie ruchu gałek ocznych będzie rejestrowane równolegle z EEG, podczas gdy uczestnicy wykonać zadania poznawcze (zadanie pamięci roboczej i zadanie czytania). Pomiary rozpoczną się od 20 do 25 minut po zakończeniu każdego warunku. W ten sposób naśladujemy przerwę szkolną w kontekście chilijskim, przed rozpoczęciem kolejnego przedmiotu. Wszystkie działania zostaną przeprowadzone w „Laboratorio Lenguaje & Cognición ELV”, które należy do Instytutu Nauk o Literaturze i Języku Pontificia Universidad Católica de Valparaíso. Aby uniknąć subiektywnego wpływu ewaluatora, gdy uczestnicy udają się do laboratorium, ewaluator zostanie zaślepiony zgodnie z tym, który protokół PA wykonywali uczestnicy.

Pomiary neuroelektryczne i eye-tracker Pomiar EEG: Zastosowane zostanie urządzenie B-Alert X24 do EEG (Advanced Brain Monitoring, Kalifornia, Stany Zjednoczone), które składa się z 24 aktywnych elektrod, które minimalizują szum urządzeń elektrycznych poza interesującymi nas procesami biologicznymi , zapewniając dobrą jakość sygnału. Dwa kanały zostaną wykorzystane do rejestracji aktywności elektrookulograficznej, aby lepiej rozróżniać rzeczywistą aktywność elektroencefalograficzną i elektrookulograficzną związaną z ruchem gałek ocznych i mruganiem. Nagrania będą wykonywane z częstotliwością próbkowania 256 wartości na sekundę, z filtrem pasmowo-przepustowym w zakresie 0,1 - 100 Hz oraz filtrem wycinającym 50 Hz w celu wyeliminowania szumu otaczającego prądu przemiennego w pomieszczeniu. Należy zaznaczyć, że sprzęt ten jest bezprzewodowy, co sprawia, że ​​montaż na uczestnikach jest wygodniejszy i szybszy. W tym badaniu badacze skupią się na kanałach Fz, Cz, CPz, Pz, POz, Oz, O1 i O2.

Eye-tracker: Tobii Pro TX300 (Tobii, Sztokholm, Szwecja) będzie używany do śledzenia ruchów gałek ocznych bezpośrednio przez światłoczułą kamerę w bliskiej podczerwieni. Sprzęt ten bada cechy wzrokowo-ruchowe podczas procesu czytania oraz trajektorie rozglądania się po każdym słowie. Ponadto posłuży do określenia dokładnych momentów, w których te słowa są odczytywane, a tym samym będzie w stanie zsynchronizować zapis EEG w celu obliczenia średniego sygnału (N400), który odzwierciedla przetwarzanie języka przez mózg. To samo urządzenie rejestruje surowe wartości wielkości źrenicy (średnicy), zapisując wszystkie dane z częstotliwością próbkowania 300 Hz.

Zadania poznawcze podczas pomiarów neuroelektrycznych i okulograficznych Zadanie pamięci roboczej. Zadanie N-back zostanie przeprowadzone za pomocą oprogramowania E-Prime 2.0 zsynchronizowanego z systemem zapisu elektroencefalograficznego i urządzeniem do śledzenia ruchu gałek ocznych, w celu pomiaru aktywności neuroelektrycznej i średnicy źrenicy w czasie zsynchronizowanym z prezentacją każdego bodźca (celów i niedocelów) . Protokół jest bardzo podobny do opisanego wcześniej dla warunków 0-back i 2-back podczas oceny fMRI. Główna różnica między obecnym zadaniem w odniesieniu do zadania N-back fMRI polega na tym, że dzieci muszą nacisnąć na klawiaturze cyfrę „1”, gdy wykryją bodziec docelowy lub cyfrę „2” w przypadku niebędących celami. Ten typ zadania generuje potencjał EEG związany z przetwarzaniem poznawczym, charakteryzujący się dodatnim odchyleniem, które osiąga szczyt około 300 ms (P300), co było szeroko badane w różnych typach zadań wymagających świadomej uwagi, w dowolnej modalności percepcyjnej. Innymi słowy, jest to potencjał związany ze świadomie postrzeganymi zdarzeniami, który nie zależy od stymulowanej ścieżki percepcyjnej, ale raczej od potrzeby realokacji zasobów poznawczych i wypracowania odpowiednich reakcji w zależności od ciągle zmieniającego się kontekstu. Aby wyizolować wzorce EEG P300 w pamięci roboczej, badacze odejmą wynik zadania 2-back, wynik 0-back. Oczekuje się, że potencjał związany ze zdarzeniem P300 pojawi się zwłaszcza w średnim sygnale EEG zsynchronizowanym czasowo z początkiem wykrytych bodźców docelowych. Artefakty, takie jak sygnały elektrookulograficzne, zostaną odjęte od danych za pomocą algorytmu zaimplementowanego w EEGLAB, zestawie narzędzi do analizy EEG działającym w MATLAB (Mathworks®). Ręczne odrzucenie pojedynczych prób zostanie rozważone na podstawie wizualnej kontroli artefaktów w danych.

Zadanie czytania. Przetwarzanie języka zostanie ocenione za pomocą zadania czytania ze zrozumieniem, w którym krótkie akapity zostaną przedstawione do normalnego czytania. Technika eye-tracking zostanie wykorzystana do rejestracji położenia gałki ocznej, ruchu i średnicy źrenicy, jednocześnie z zapisem EEG. Uczestnicy usiądą przed monitorem, w odległości około 60 cm, opierając brodę na ergonomicznym stojaku, co pomaga ograniczyć ruchy głowy i poprawia precyzję sygnału eye-trackera. Zadanie czytania zostanie przedstawione w najnowszej wersji Tobii Pro Lab. Po skalibrowaniu systemu każde dziecko otrzymuje krótką kontekstualizację tematu, zanim zacznie czytać, wiedząc, że później zostanie mu zadanych siedem pytań ze zrozumieniem o różnym stopniu złożoności. Uczestnicy muszą wskazać poprawną odpowiedź spośród trzech możliwości. Należy zaznaczyć, że użyte zostaną trzy teksty literackie, przedstawione w sposób losowy (po 1 na każdy warunek ćwiczenia). Teksty te będą miały ten sam poziom trudności, ten sam rozkład obszarów zainteresowania, podobną ilość słów i zostaną wcześniej zweryfikowane przez panel ekspertów. Oczekuje się, że odczyt każdego słowa wygeneruje ujemny potencjał EEG z opóźnieniem bliskim 400 ms (N400). Amplituda, rozkład topograficzny i latencja tego potencjału są elektrofizjologicznymi neuromarkerami ogólnej zdolności językowej i zdolności konstruowania znaczenia ze słów. Eye-tracker posłuży do badania trajektorii ruchu gałki ocznej podczas czytania i ustalania momentów, w których czytane są słowa. EEG i śledzenie ruchu gałek ocznych będą rejestrowane jednocześnie w celu rejestrowania ruchów gałek ocznych związanych z czytaniem, podając miary, takie jak między innymi szybkość czytania, czas trwania fiksacji, liczba fiksacji) oraz do pomiaru potencjałów EEG związanych z fiksacją oka, związanych z obciążeniem poznawczym podczas czytania słów . Czytelnik powinien zauważyć, że ten potencjał pokrywa się eksperymentalnie z N400, więc mogą one reprezentować nałożone na siebie różne procesy mózgowe lub zasadniczo odzwierciedlać ten sam mechanizm.

Główne wyniki w krzyżowym, ostrym, zrównoważonym badaniu Spontaniczna aktywność mózgu w stanie spoczynku. Po protokole ćwiczeń i przed zadaniami poznawczymi spontaniczna aktywność mózgu zostanie zmierzona za pomocą EEG, podczas gdy dzieci odpoczywają w pozycji siedzącej, w celu zmierzenia szczytowej częstotliwości i reaktywności fali alfa. Dynamika szczytowej częstotliwości alfa (między 7 a 13 Hz) w okresie 3 minut zostanie obliczona za pomocą transformaty Hilberta. Następnie obliczona zostanie wartość średnia i trend częstotliwości piku alfa. Postulowano, że im wyższa częstotliwość szczytowa alfa, tym większa ogólna zdolność poznawcza i szybkość przetwarzania. Badacze skupiają się na falach alfa, ponieważ te fale mózgowe tradycyjnie kojarzone są z różnymi teoriami uwagi i świadomej percepcji. Odkryto, że częstotliwość fali alfa wzrasta po sesji zadań poznawczych. Dodatkowo moc i częstotliwość fal mózgowych alfa przed oceną poznawczą zostały skorelowane z wydajnością. Jeśli PA wywiera pozytywny wpływ na wydajność poznawczą, pojedyncza sesja PA powinna również spowodować wzrost częstotliwości szczytowej alfa. W rzeczywistości zostało to odkryte przez Gutmanna i in. w dwóch kolejnych badaniach. Brakuje jednak statystycznej zależności między indukowanymi przez PA przyrostami częstotliwości szczytowej alfa a wydajnością poznawczą.

Wydajność pamięci roboczej: Trafienia, chybienia, pominięcia i dokładność zostaną obliczone dla celów i niedocelów zadania n-back, a także opóźnienia odpowiedzi.

Czytanie ze zrozumieniem: Siedem pytań o różnym stopniu trudności ze zrozumieniem zostanie podanych po przeczytaniu tekstów. Dla każdego pytania będą cztery opcje do wyboru jako poprawna odpowiedź.

Obciążenie poznawcze: Badacze grupują kilka miar w tej kategorii, ponieważ wszystkie z nich zostały powiązane z koncepcją obciążenia poznawczego. Pierwsze dwa pochodzą z EEG, a dwa pozostałe z eye-trackera.

P300: Potencjał związany ze zdarzeniem P300 związany z różnymi typami bodźców w n-back (docelowy i niedocelowy) zostanie określony ilościowo zgodnie z amplitudą i latencją piku.

N400: Ten związany z językoznawstwem potencjał związany ze zdarzeniami również zostanie opisany zgodnie z opóźnieniem i amplitudą. Ponieważ będzie to zsynchronizowane z fiksacją wzroku na słowach podczas zadania czytania, jest to koncepcyjnie rodzaj potencjału związanego z fiksacją.

Szybkie zmiany rozmiaru źrenicy: uczeń reaguje na wymagania poznawcze i wiąże się to ze wzrostem obciążenia poznawczego podczas różnych zadań, w tym pamięci roboczej i czytania. Ilość zmian o wysokiej częstotliwości w średnicy źrenicy jest szacowana na podstawie nowego wskaźnika aktywności poznawczej, który wzrasta wraz z obciążeniem poznawczym. Miara ta może być reprezentowana jako ciągła zmienna w czasie dzięki wysokiej częstotliwości próbkowania eye-trackera. Indeks aktywności poznawczej będzie mierzony podczas zadań n-back i czytania.

Czas fiksacji słów: Długość fiksacji wzrokowych jest również związana z czasem przetwarzania, jaki mózg poświęca na opracowanie poznawczej interpretacji percepcji. Dla zadania czytania zostanie obliczona średnia i odchylenie standardowe fiksacji wokół słów.