Kontrola poznawcza i organizacja funkcjonalna kory czołowej

Kontekst i uzasadnienie badania:

Wydajność człowieka w przypadku zadania pogarsza się, gdy jest ono wykonywane jednocześnie z innym zadaniem. Ten koszt wielozadaniowości przypisuje się konkurencji o współdzielone zasoby obliczeniowe lub biologiczne, a w tej dziedzinie toczy się poważna debata na temat specyficznego charakteru tych domniemanych zasobów. Wiadomo, że szeroko zakrojona praktyka wielozadaniowości zmniejsza, a czasami znosi te koszty. Te korzyści związane z praktyką przypisuje się zmianom w przetwarzaniu centralnym, bardziej efektywnemu planowaniu zadań lub nauce wyspecjalizowanych reprezentacji zadań. Ludzka kora przedczołowa ma kluczowe znaczenie dla elastycznej poznawczej kontroli zachowania i bierze udział w reprezentowaniu zadań. Nie wiadomo jednak, jaki wpływ praktyka wielozadaniowości ma na reprezentacje zadań przedczołowych. W tym badaniu bezpośrednio zajmiemy się luką w naszej wiedzy, testując powiązanie między kosztami wielozadaniowości a geometrią rozmaitości neuronowych reprezentujących dane wejściowe zadań w bocznym PFC.

Projekt badania:

Przegląd:

Niniejsze badanie jest jednoośrodkowym, randomizowanym, kontrolowanym badaniem mającym na celu zbadanie wpływu praktyki wielozadaniowej na zachowanie wielozadaniowe, geometrię neuronowych reprezentacji zadań w bocznej korze przedczołowej oraz związek między tymi efektami. Planuje się w sumie 60 zdrowych ochotników, po 30 losowo przydzielonych do każdego, grupy ćwiczącej wielozadaniowej (MPG) i grupy ćwiczeniowej pojedynczego zadania (SPG). U wszystkich pacjentów zostanie przeprowadzona wyjściowa i końcowa ocena zachowań wielozadaniowych i reprezentacji neuronowych w bocznej PFC za pomocą fMRI.

Zabiegi badawcze:

Zabieg jednozadaniowy:

Terapia polegająca na praktyce pojedynczego zadania będzie obejmować 3 sesje ćwiczeń, podczas których uczestnicy będą ćwiczyć poinstruowane zadania w poszczególnych blokach zadaniowych. Wykonanych zostanie maksymalnie 48 bloków ćwiczeń. Na końcu każdego bloku badani otrzymają informację zwrotną na temat ich dokładności i szybkości udzielania odpowiedzi oraz otrzymają cel ulepszenia.

Leczenie wielozadaniowe:

Terapia polegająca na praktyce wielozadaniowej będzie obejmować 3 sesje ćwiczeń, podczas których pacjenci będą ćwiczyć poinstruowane zadania w paradygmacie okresu refrakcji psychologicznej. Wykonanych zostanie maksymalnie 48 bloków ćwiczeń. Na końcu każdego bloku badani otrzymają informację zwrotną na temat ich dokładności i szybkości udzielania odpowiedzi oraz otrzymają cel ulepszenia.

Wybór tematu:

Uczestnicy będą rekrutowani ze społeczności Providence. Przedmioty będą sprawdzane podczas rozmowy telefonicznej. Kryteria włączenia obejmują praworęczność, wiek od 18 do 35 lat oraz wzrok prawidłowy lub skorygowany do normalnego. Kryteria wykluczenia obejmują historię deficytów psychiatrycznych lub neurologicznych oraz przeciwwskazania do rezonansu magnetycznego. Procedury wyrażania zgody będą przeprowadzane osobiście podczas 1. sesji badania, a ciągła zgoda będzie uzyskiwana okresowo podczas wszystkich wizyt w laboratorium.

Losowe zadanie:

Maksymalnie 60 kwalifikujących się pacjentów zostanie losowo przydzielonych do grup leczenia SPG lub MPG w stosunku 1:1 przy użyciu generatora liczb losowych zakodowanego w programie MATLAB. Ani eksperymentatorzy, ani badani nie będą ślepi na zadanie.

Struktura badania:

Dla każdego przedmiotu zaplanowano łącznie 14 sesji naukowych. Sesja badania 1 zostanie wykorzystana w celu uzyskania świadomej zgody, planowania i zapoznania się z zadaniami badawczymi. Oceny wyjściowe zostaną przeprowadzone podczas sesji badania od 2 do 5. Leczenie będzie prowadzone podczas sesji badania od 6 do 8, podczas których pacjenci wezmą albo 3 sesje praktyki wielozadaniowej (MPG), albo 3 sesje praktyki jednozadaniowej (SPG). Oceny końcowe będą miały miejsce podczas sesji badania od 9 do 12. Szczegółowy opis każdej sesji badania i wszystkich paradygmatów stosowanych do pomiarów podano poniżej.

Paradygmaty behawioralne:

Wszystkie paradygmaty zadań behawioralnych zostaną zaimplementowane przy użyciu Psychtoolbox 3 w MATLAB-ie lub w JSPsych. Wszystkie zadania obejmują reagowanie na obiekty wizualne prezentowane na ekranie komputera za pomocą naciśnięć klawiszy na klawiaturze lub w polu odpowiedzi. Obiekty wizualne będą się różnić w czterech wymiarach - kształtem (kwadrat lub okrąg), okrąg (pomarańczowy lub niebieski), wzór (w kropki lub paski) lub rozmiar (mały lub duży). Wraz z obiektem wizualnym panel odpowiedzi składający się z symboli @ i #. Uczestnicy zostaną zapoznani z trzema różnymi zadaniami: zadaniem z kształtem, zadaniem z kolorem i zadaniem ze wzorem. W każdym zadaniu dokonają binarnej klasyfikacji obiektu wizualnego w oparciu o odpowiednią cechę zadania (np. kolor w zadaniu kolorystycznym). Każda klasa binarna będzie powiązana z jedną z dwóch kategorii powiązanych z symbolami @ i #. Następnie badani wybierają klucz odpowiedzi powiązany z odpowiednim symbolem. Położenie lewa-prawa tych dwóch symboli będzie się losowo zmieniać w zależności od próby, tak aby pozycja była taka sama jak w poprzedniej próbie w około 50% prób, a każdy typ próby był powiązany z taką samą liczbą lewych i właściwe reakcje.

Paradygmat pojedynczego zadania: W paradygmacie pojedynczego zadania obiekty wizualne będą prezentowane przez maksymalnie 2,2 s. Termin odpowiedzi wynosi 2,2 sekundy. Odstęp między próbami będzie wynosił 1 s. Próby są prezentowane w czystych blokach jednozadaniowych po 64 próby w bloku.

Paradygmat zadań mieszanych: W paradygmacie zadań mieszanych obiekty wizualne będą prezentowane przez maksymalnie 2,2 s. Termin odpowiedzi wynosi 2,2 sekundy. Odstęp między próbami będzie wahał się od 2 do 10 sekund. Próby wielu typów zadań będą prezentowane w tym samym bloku, ze wskazówką słowną identyfikującą zadanie do wykonania w każdej próbie.

Paradygmat okresu refrakcji psychologicznej: W paradygmacie PRP podczas każdej próby prezentowane będą dwa obiekty wizualne, jeden w górnej połowie ekranu, a drugi w dolnej połowie ekranu. Obiekty wizualne będą prezentowane z synchronizacją początku bodźca (SOA) wahającą się od 50 ms do 1,5 s. Długość próby wyniesie do 3 s. Termin odpowiedzi na oba obiekty wizualne wynosi 3 sekundy. Odstęp między próbami będzie wynosił 1 s (bloki behawioralne) lub wahał się od 2 do 10 sekund (bloki MRI). Osoby badane zostaną poinstruowane, aby wykonać zadania w określonej kolejności (np. Kolor, następnie Kształt), reagując na pierwszy bodziec, który pojawia się regułą związaną z pierwszym zadaniem w kolejności oraz na obiekt, który pojawia się jako drugi. W sumie badanym zostaną przedstawione 3 różne zlecenia zadań (np. Kolor -> Kształt, Kształt -> Kolor i Kolor -> Wzór) i te porządki zostaną zrównoważone między podmiotami w taki sposób, że każde zadanie przydzieliło jednakową rolę w każdej grupie terapeutycznej. Wszystkie zlecenia zadań będą realizowane zarówno w fazie bazowej, jak i końcowej.

Protokół MRI:

Każdy uczestnik zostanie poddany zabiegom rezonansu magnetycznego podczas wizyt studyjnych 2, 3, 9 i 10. Każda wizyta będzie trwać 2 godziny, podczas których uczestnicy otrzymają najpierw przypominające instrukcje dotyczące zadań behawioralnych przed poddaniem się rezonansowi magnetycznemu trwającemu 1 godzinę. Podczas każdej godzinnej sesji skanowania MRI osoby badane będą najpierw sprawdzane pod kątem obecności metalu, zapoznawane z procedurami bezpieczeństwa i wymaganiami dotyczącymi minimalizacji ruchu, a następnie umieszczane na stole skanującym w pozycji leżącej. Ich głowa zostanie ustabilizowana miękką wyściółką, a uszy będą chronione przed hałasem MR za pomocą zatyczek do uszu. Badani będą oglądać ekran komputera przez lustro zainstalowane na scenie i otrzymają dwie skrzynki reagowania do wykonywania zadań oraz brzęczyk alarmowy do komunikacji z eksperymentatorami i radiologami na służbie. Następnie zostaną poddane skanowi z wieloma echami MPRAGE (czas powtarzania (TR) = 2530 ms, czasy echa (TE) = 1,69, 3,55, 5,41 i 7,27 ms, kąt odwrócenia = 7 stopni, 176 warstw strzałkowych, 1 × 1 × 1 wokseli mm) przez 6 minut, podczas których mogą zamknąć oczy. Następnie pacjenci zostaną poddani 5–10 cyklom obrazowania echa planarnego (TR = 1000 ms, TE = 32,6 ms, kąt odwrócenia = 64, SMS = 5, odstęp między echami 0,59, 65 przeplatanych skrawków o wymiarach wokseli 2,4 mm x 2,4 mm x 2,4 mm), każdy trwający od 4 do 9 minut, podczas którego uczestnicy wykonają wiele bloków w paradygmacie zadań mieszanych (dzień 2 i 9) lub paradygmacie PRP (dzień 3 i 10).

Opisy sesji studyjnej:

Sesja studyjna 1:

Podczas pierwszej sesji badania uczestnicy przejdą proces wyrażania zgody pod okiem przeszkolonego asystenta badawczego. Po wyrażeniu świadomej zgody uczestnicy zapoznają się z przebiegiem badania i zostaną zapoznani z podstawową procedurą wykonywania zadania oraz zasadami koloru, kształtu i wzoru. Będą ćwiczyć każde zadanie w paradygmacie pojedynczego zadania przez 2 bloki każdy. Następnie zostaną zapoznani z paradygmatem PRP z przydzielonymi im zleceniami zadań dla 6 bloków. Na koniec sesji uczestnicy zostaną odprawieni i otrzymają wynagrodzenie za udział.

Sesja studyjna 2:

Podczas drugiej sesji badania uczestnicy zostaną poddani podstawowym pomiarom według paradygmatu PRP z przydzieloną im kolejnością zadań przez 12 bloków. Na koniec sesji uczestnicy zostaną odprawieni i otrzymają wynagrodzenie za udział.

Sesja studyjna 3:

Podczas sesji 3 badania uczestnicy zostaną poddani podstawowym pomiarom w paradygmacie zadań mieszanych przez 12 bloków. Na koniec sesji uczestnicy zostaną odprawieni i otrzymają wynagrodzenie za udział.

Sesja studyjna 4:

Podczas czwartej sesji badania uczestnicy zostaną poddani podstawowym pomiarom neuronowych reprezentacji zadań. Protokół MRI będzie administrowany w paradygmacie zadań mieszanych.

Sesja studyjna 5:

Podczas sesji 5 badania badani zostaną poddani podstawowym pomiarom neuronowych reprezentacji zadań. Protokół MRI będzie podawany zgodnie z paradygmatem PRP.

Sesje studyjne 6-8:

Podczas tych sesji pacjentom zostanie podane leczenie. Grupa terapeutyczna wykonująca jednozadaniowe ćwiczenie otrzyma 12–24 bloki ćwiczeń w paradygmacie pojedynczego zadania, a po każdym bloku otrzyma informację zwrotną na temat swoich wyników wraz z celami poprawy. W ramach praktyki wielozadaniowej uczestnicy będą ćwiczyć jeden z trzech porządków paradygmatu PRP w 12–24 blokach. Na końcu każdego bloku badani otrzymają informację zwrotną na temat ich dokładności i szybkości reakcji oraz otrzymają cel poprawy.

Sesja studyjna 9:

Podczas sesji 9 badania uczestnicy zostaną poddani pomiarom końcowym według paradygmatu PRP z przydzielonymi im kolejnościami zadań, przez 12 bloków. Na koniec sesji uczestnicy zostaną odprawieni i otrzymają wynagrodzenie za udział.

Sesja studyjna 10:

Podczas sesji 10 badania uczestnicy zostaną poddani pomiarom końcowym w paradygmacie zadań mieszanych przez 12 bloków. Na koniec sesji uczestnicy zostaną odprawieni i otrzymają wynagrodzenie za udział.

Sesja studyjna 11:

Podczas 11. sesji badania badani zostaną poddani końcowym pomiarom neuronowych reprezentacji zadań. Protokół MRI będzie administrowany w paradygmacie zadań mieszanych.

Sesja studyjna 12:

Podczas 12. sesji badania badani zostaną poddani końcowym pomiarom neuronowych reprezentacji zadań. Protokół MRI będzie podawany zgodnie z paradygmatem PRP.