Kompensacyjna aktywność mózgu u osób starszych. (BrainAct)

Kompensacyjna aktywność mózgu u osób starszych to ważny obszar badań dotyczący starzenia się poznawczego i możliwości poprawy funkcji poznawczych w późnej dorosłości. Najbardziej wszechstronnie zagadnienia te porusza model STAC – Scaffolding Theory of Aging and Cognition. Niniejsze opracowanie będzie dotyczyło empirycznego zbadania niektórych jej założeń teoretycznych. Innowacyjność rozwiązań badawczych zawartych w niniejszym projekcie opiera się z jednej strony na nowych podejściach do weryfikacji założeń STAC, a z drugiej strony na weryfikacji założeń, które nie były poddawane systematycznym dotychczasowych dochodzeń. Motywacją takiego programu badawczego były luki w istniejącej wiedzy na temat niektórych zjawisk opisanych w modelu STAC. Wypełnienie tych luk będzie wkładem projektu w rozwój badań nad starzeniem się poznawczym.

W tym kontekście cele badania są następujące:

1. Weryfikacja założeń modelu STAC dotyczących procesów poznawczych wyzwalanych podczas kompensacyjnej aktywności mózgu u osób starszych na podstawie analiz czasowo-częstotliwościowych EEG.
2. Dotychczas nie badano weryfikacji założeń modelu STAC o możliwym wpływie treningu poznawczego na powstawanie i zanik kompensacyjnej aktywności mózgu u osób starszych.

Problemy badawcze uzasadniające cele:

Odnośnie. 1. Interpretacja poznawcza kompensacyjnej aktywności mózgu osób starszych, zarówno w modelu STAC, jak i w świetle dotychczasowych wyników badań, opiera się na niepełnych przesłankach. Kompensacyjne zaangażowanie mózgu to nadmierna aktywacja niektórych obszarów mózgu u osób starszych, która jest powiązana z lepszą wydajnością w zadaniach poznawczych. Lepsze wyniki w zadaniach poznawczych traktuje się tutaj jako dowód na ciągłą kompensację. Kompensacyjną aktywność mózgu u osób starszych potwierdzają liczne badania z wykorzystaniem skanów fMRI i PET, które są dwiema dominującymi metodami neuroobrazowania w tym obszarze. Modele kompensacyjnej aktywności mózgu u osób starszych, takie jak model STAC, opierają się na tych danych neuroobrazowych. Dopiero później narzuca się tym obserwacjom interpretacje teoretyczne w zakresie procesów poznawczych. Tym samym weryfikacja mechanizmów kompensacyjnych opisanych w tych modelach jest ograniczona, gdyż rozwój i weryfikacja modelu opierają się na tej samej metodologii. Późniejsze badania, które wykazały pozytywny związek między nadmierną aktywacją określonych obszarów mózgu a lepszą wydajnością w zadaniach poznawczych, potwierdziły związek empiryczny, który doprowadził do opracowania modelu teoretycznego. Samo potwierdzenie zależności nie wystarczy jednak do weryfikacji interpretacji teoretycznej zawartej w modelu. Na potrzebę pogłębienia zrozumienia procesów poznawczych zaangażowanych w kompensację wskazali sami twórcy modelu STAC.

Przyczyni się do tego zastosowanie w projekcie metod EEG (oscylacje związane z wydarzeniami, ERO) zamiast obrazowania fMRI czy PET. Powodem jest to, że podejście oparte na EEG wymaga hipotez opartych nie tylko na lokalizacji kompensacyjnej aktywności mózgu, ale także na procesach poznawczych teoretycznie powiązanych z interesującą nas aktywnością. Ponieważ wyników fMRI i PET nie można bezpośrednio wyrazić w kategoriach EEG, do przewidzenia wyników zastosowano następujące rozumowanie: kompensacyjna nadmierna aktywacja mózgu obserwowana w fMRI i PET → poznawcza interpretacja nadmiernej aktywacji → określenie wskaźników EEG (synchronizacja związana ze zdarzeniami, ERS i desynchronizacja związana z zdarzeniami, ERD) procesów poznawczych określonych na podstawie interpretacji → weryfikacja istnienia wskaźników w sygnale EEG rejestrowanym u osób starszych, gdy ich sprawność poznawcza nie odbiega od sprawności obserwowanej u młodych dorosłych (i ich brak, gdy osoby starsze radzą sobie gorzej niż osoby młode). Innymi słowy, celem jest identyfikacja neuronalnych markerów procesów zaproponowanych w modelu STAC w celu wyjaśnienia kompensacyjnej aktywności mózgu w oparciu o aktywację pewnych struktur mózgowych zarejestrowanych za pomocą fMRI i PET, ale przy użyciu innego technika wykorzystująca alternatywne wskaźniki zaangażowania procesów poznawczych. Tym samym, dzięki wykorzystaniu w badaniu pomiarów EEG, możliwa będzie weryfikacja kompensacyjnej roli procesów poznawczych, a nie tylko potwierdzenie lokalizacji nadaktywności, co stanowiło istotne ograniczenie dotychczasowych badań.

Odnośnie. 2. Nie wiadomo, czy istnieje możliwość wpływania na kompensacyjną aktywność mózgu u osób starszych poprzez trening poznawczy, co zakłada model STAC. Model STAC zakłada, że ​​kompensacyjną aktywność mózgu można stymulować różnego rodzaju interwencjami, w tym treningiem poznawczym. Autorzy modelu zaproponowali, aby taki trening w przypadku niedostatecznej aktywacji lub pogorszenia się sieci neuronowej realizującej zadanie poznawcze tworzył nowe rusztowania, natomiast gdy wykonywanie zadań opiera się już na kompensacyjnej nadmiernej aktywacji pewnych obszarów mózgu trening powinien zmniejszyć aktywację tych wtórnych „rusztowań” i poprawić wydajność w sieciach pierwotnych – co stanowi rodzaj przywrócenia aktywności mózgu charakterystycznej dla młodszych osób.

Założenia dotyczące celów szkolenia wskazane przez autorów modelu STAC nie zostały dotychczas zweryfikowane empirycznie. Wyniki badań dotyczące zmian w aktywności neuronów wywołanych treningiem zinterpretowano dopiero post facto w kontekście modelu STAC lub węższych modeli kompensacyjnej aktywności mózgu u osób starszych: CRUNCH – Compensation-Related Utilization of Neural Circuits Hypothesis, PASA – Posterior- Przesunięcie przednie w procesie starzenia lub HAROLD – redukcja asymetrii półkuli u starszych dorosłych.

Według naszej najlepszej wiedzy jedynie w dwóch publikacjach przedstawiono dotychczas badania, których celem była bezpośrednia weryfikacja założeń jednego z modeli kompensacyjnej aktywności mózgu u osób starszych – CRUNCH. Badanie przeprowadzono jednak z wykorzystaniem obrazowania fMRI, a nie EEG i bez uwzględnienia młodych dorosłych, którzy stanowią grupę odniesienia niezbędną do oceny specyfiki aktywności mózgu charakterystycznej dla wieku starczego.

Choć w niektórych badaniach efektywności treningu poznawczego interesowano się neurokorelatami treningu, w większości z nich próba składała się wyłącznie z młodych osób, a nawet jeśli uwzględniono osoby starsze, program badań nie uwzględniał hipotez dotyczących rusztowań kompensacyjnych w starości, albo też mieli je interpretować w takim kontekście tylko częściowo.

W niniejszym badaniu założenia modelu STAC dotyczące wpływu treningu poznawczego na rusztowanie kompensacyjne u osób starszych zostaną zweryfikowane eksperymentalnie z wykorzystaniem treningu pamięci roboczej (WM). Zadanie realizowane w szkoleniu będzie oparte na paradygmacie n-back, który jest najpowszechniejszym rodzajem treningu stosowanym we współczesnych badaniach. Chociaż efekt transferu treningu n-back jest wątpliwy, istnieje wiele dowodów na jego skuteczność w poprawie wyników w zakresie szkolonego zadania.

Projekt prowadzono w dwóch fazach: wstępnej i eksperymentalnej. Faza wstępna ma trzy główne cele: (1) Empiryczne określenie trzech poziomów trudności zadania n-back do późniejszego wykorzystania podczas zapisów EEG – najniższy poziom trudności powinien być łatwy dla starszych osób dorosłych (bez różnicy w dokładności w porównaniu młodzi dorośli) i dwa inne poziomy powinny być coraz (znacznie) trudniejsze; (2) Wybór zadania dla aktywnej grupy kontrolnej. Zadanie to nie powinno angażować pamięci roboczej, ale powinno sprawiać wrażenie poprawiającego ten sam aspekt funkcjonowania poznawczego, co zadanie n-back, co zostanie zweryfikowane przez ekspertów oraz osoby starsze i młode laików nienależące do badanej próby; (3) Rekrutacja ochotników do próby badawczej i przydzielenie wybranych uczestników do grupy eksperymentalnej i kontrolnej zapewniające równoważność tych grup pod względem sprawności poznawczej (zgodnie z oceną poznawczą przeprowadzoną w fazie wstępnej). Ponadto faza wstępna poświęcona jest także programowaniu zadań komputerowych, które zostaną wykorzystane w badaniu. Skomputeryzowane zadania do oceny poznawczej i treningu zostaną opracowane w środowisku programistycznym PsychoPy z wykorzystaniem języka programowania Python.

Próbę stanowiły 3 grupy osób starszych: eksperymentalna (n = 25), kontrola bierna (n = 22), kontrola czynna (n = 7) oraz młodzi dorośli: eksperymentalna (n = 25), kontrola bierna (n = 25) i aktywna kontrola (n = 12). We wszystkich grupach przeprowadzono pomiary przed i po teście.

Na etapie przed i po teście uczestnicy wszystkich grup wykonywali skomputeryzowane zadanie n-back na trzech poziomach trudności (określonych wcześniej w fazie wstępnej) z jednoczesną rejestracją sygnału EEG. Ponadto we wszystkich grupach przeprowadzono ocenę poznawczą, która dotyczyć będzie: pamięci roboczej i pojemności pamięci krótkotrwałej, skupienia uwagi i szybkości psychomotorycznej, odporności na zakłócenia oraz zdolności hamowania. Z rejestracją EEG zostanie wykonane wyłącznie zadanie n-back.

Czynnikiem eksperymentalnym była interwencja z wykorzystaniem treningu n-back, tzn. starsi i młodsi uczestnicy przypisani do grup eksperymentalnych uczestniczyli w skomputeryzowanym, procesowym treningu pamięci roboczej z wykorzystaniem zadania n-back. Interwencja szkoleniowa trwała 4 tygodnie i składała się z 12 sesji treningowych, każda po około 45 minut. Zadania n-back użyte do celów szkoleniowych były analogiczne do tych stosowanych przy pomiarze przed i po teście (ten sam interfejs, instrukcje i czynności niezbędne do wykonania zadania). Różnicą był poziom trudności, gdyż w przypadku szkolenia nie był on planowany, lecz podwyższany adaptacyjnie, w zależności od aktualnych postępów danego uczestnika. Pozostałe dwie grupy (starzy i młodzi dorośli) będą aktywnymi grupami kontrolnymi. W tych grupach interwencję treningu poznawczego z wykorzystaniem zadania n-back zastąpiono wielodomenowym treningiem nieadaptacyjnym. Harmonogram treningów w aktywnych grupach kontrolnych będzie taki sam jak w grupach eksperymentalnych. Istniały także dwie pasywne grupy kontrolne (starzy i młodzi dorośli), z którymi w okresie szkolenia badacze nie kontaktowali się i nie stosowano żadnych interwencji poznawczych.