Проект Cogni-Action: физическая активность, мозг и познание (Cogni-Action)

Что касается исследования (т. е. перекрестного рандомизированного исследования), дети будут рандомизированы на каждую сессию протокола, участвуя во всех из них с двухнедельным интервалом. Таким образом, они будут помогать нашему тренажерному залу выполнять один из трех протоколов, а затем будут перемещены в лабораторию, где будут проходить измерения ЭЭГ и отслеживания взгляда в состоянии покоя и во время двух различных когнитивных задач. Более подробную информацию можно найти в следующие разделы.

Дизайн проекта будет состоять из уравновешенного перекрестного испытания, в котором участники будут выполнять в разные дни три разных протокола обучения PA в случайном порядке. Каждый ребенок будет посещать нашу лабораторию три раза, каждые две недели, чтобы обеспечить период «вымывания» с целью смягчения эффекта PA от каждого протокола. Участники будут участвовать в трех разных занятиях в один и тот же день недели (например, в понедельник) и в одно и то же время, чтобы избежать различий в предшествующих школьных мероприятиях или циркадных ритмах. Участники будут проходить «сидячее состояние» (SC), сидеть и смотреть документальный фильм по телевизору, как это использовалось ранее, и два разных протокола PA, состоящие из «непрерывной тренировки умеренной интенсивности» (MICT), т. е. непрерывная ходьба на свежем воздухе и «Совместная высокоинтенсивная интервальная тренировка» (C-HIIT), состоящая из круговой тренировки с партнером (учителем физкультуры). Эти три протокола были выбраны с учетом того, что соответствует видам деятельности, обычно выполняемым в школах. Таким образом, SC имитирует время, затраченное на любой академический урок (т.е. уроки математики или языка); MICT представляет типичную активность в классе PE; и C-HIIT был выбран, поскольку он постулируется как протокол упражнений, который, возможно, может быть реализован в классе PE. Три протокола разработаны таким образом, чтобы расход энергии между ними был эквивалентен, чтобы устранить различия в расходе энергии как возможный смешанный фактор. Протокол расчета расхода энергии подробно описан в дополнительных материалах.

После каждого протокола ФА участникам будут проводиться измерения ЭЭГ и отслеживания движения глаз следующим образом: во-первых, спонтанная активность мозга в состоянии покоя будет оцениваться в течение 3 минут только с помощью ЭЭГ, а затем параллельно с ЭЭГ будет регистрироваться наблюдение за движением глаз, в то время как участники выполнять когнитивные задачи (задача на рабочую память и задача на чтение). Измерения начнутся через 20-25 минут после окончания каждого условия. Таким образом, мы будем подражать школьной перемене в чилийском контексте перед началом следующего предмета. Все мероприятия будут проводиться в Laboratorio Lenguaje & Cognición ELV, которая принадлежит Институту литературы и языковых наук Папского католического университета Вальпараисо. Чтобы избежать субъективного влияния оценщика, когда участники отправляются в лабораторию, оценщик будет ослеплен в соответствии с тем, какой протокол PA выполняли участники.

Нейроэлектрические и айтрекерные измерения Измерение ЭЭГ: будет использоваться устройство для ЭЭГ B-Alert X24 (Advanced Brain Monitoring, Калифорния, США), состоящее из 24 активных электродов, которые минимизируют шум электрических устройств за пределами интересующих биологических процессов. , обеспечивая хорошее качество сигнала. Два канала будут использоваться для регистрации электроокулографической активности, чтобы лучше различать истинную электроэнцефалографическую и электроокулографическую активность, связанную с движением глаз и морганием. Запись будет производиться с частотой дискретизации 256 значений в секунду, с полосовым фильтром от 0,1 до 100 Гц и режекторным фильтром 50 Гц для устранения шума окружающего переменного тока в помещении. Следует отметить, что данное оборудование является беспроводным, что позволяет удобнее и быстрее монтировать его на участников. Для этого исследования исследователи сосредоточатся на каналах Fz, Cz, CPz, Pz, POz, Oz, O1 и O2.

Устройство отслеживания движения глаз: устройство Tobii Pro TX300 (Tobii, Стокгольм, Швеция) будет использоваться для отслеживания движений глаз непосредственно через светочувствительную камеру в ближней инфракрасной области спектра. Это оборудование изучает зрительно-моторные характеристики в процессе чтения и траектории взгляда вокруг каждого слова. Кроме того, он будет служить для определения точных моментов, когда эти слова читаются, и, таким образом, сможет синхронизировать запись ЭЭГ для расчета среднего сигнала (N400), отражающего обработку языка мозгом. Это же устройство записывает необработанные значения размера (диаметра) зрачка, сохраняя все данные с частотой дискретизации 300 Гц.

Когнитивные задачи при нейроэлектрических и айтрекерных измерениях Задача на рабочую память. Задание N-back будет выполняться с помощью программного обеспечения E-Prime 2.0, синхронизированного с системой электроэнцефалографической записи и устройством отслеживания глаз, для измерения нейроэлектрической активности и диаметра зрачка, привязанного ко времени предъявления каждого стимула (целевого и нецелевого). . Протокол очень похож на тот, который ранее объяснялся для условий 0-назад и 2-назад во время оценки фМРТ. Основное отличие настоящей задачи от задачи фМРТ N-back состоит в том, что дети должны нажимать на клавиатуре цифру «1», когда они обнаруживают целевой стимул, или цифру «2», если не являются мишенями. Этот тип задач генерирует потенциал ЭЭГ, связанный с когнитивной обработкой, характеризующийся положительным отклонением с пиком примерно около 300 мс (P300), что широко изучалось в различных типах задач, требующих сознательного внимания, в любой модальности восприятия. Другими словами, это потенциал, связанный с сознательно воспринимаемыми событиями, который зависит не от стимулированного пути восприятия, а скорее от необходимости перераспределения когнитивных ресурсов и выработки соответствующих ответов в соответствии с постоянно меняющимся контекстом. Чтобы изолировать паттерны ЭЭГ P300 в рабочей памяти, исследователи будут вычитать из результата задачи 2-обратно результат задачи 0-обратно. Ожидается, что потенциал, связанный с событием P300, проявится, особенно в среднем сигнале ЭЭГ, привязанном по времени к началу обнаруженных стимулов-мишеней. Артефакты, такие как электроокулографические сигналы, будут вычтены из данных с помощью алгоритма, реализованного в EEGLAB, наборе инструментов для анализа ЭЭГ, работающем в MATLAB (Mathworks®). Ручной отказ от отдельных испытаний будет рассматриваться на основе визуального осмотра артефактов в данных.

Задача чтения. Языковая обработка будет оцениваться с помощью задачи на понимание прочитанного, где короткие абзацы будут представлены для нормального чтения. Техника слежения за глазами будет использоваться для записи положения глаз, движения и диаметра зрачка одновременно с записью ЭЭГ. Участники будут сидеть перед монитором на высоте примерно 60 см, положив подбородок на эргономичную подставку, которая помогает уменьшить движения головы и повысить точность сигнала айтрекера. Задание на чтение будет представлено в последней версии Tobii Pro Lab. После калибровки системы каждому ребенку дается краткая контекстуализация темы, прежде чем он начнет читать, зная, что позже ему будет задано семь вопросов на понимание с разной степенью сложности. Участники должны указать правильный ответ среди трех вариантов. Следует отметить, что будут использованы три художественных текста, представленных случайным образом (по одному на каждое условие упражнения). Эти тексты будут иметь одинаковую сложность, одинаковое распределение областей интересов, одинаковое количество слов и будут предварительно проверены группой экспертов. Ожидается, что чтение каждого слова будет генерировать отрицательный потенциал ЭЭГ с задержкой, близкой к 400 мс (N400). Амплитуда, топографическое распределение и латентность этого потенциала являются электрофизиологическими нейромаркерами лингвистических способностей в целом и способности конструировать значения из слов. Айтрекер будет использоваться для изучения траектории взгляда во время чтения и установления моментов чтения слов. ЭЭГ и отслеживание глаз будут регистрироваться одновременно для записи движений глаз, связанных с чтением, с предоставлением таких показателей, как скорость чтения, продолжительность фиксации, количество фиксаций и т. д.), а также для измерения связанных с фиксацией глаз потенциалов ЭЭГ, связанных с когнитивной нагрузкой при чтении слов. . Читатель должен отметить, что этот потенциал экспериментально совпадает с N400, поэтому они могут представлять различные наложенные друг на друга мозговые процессы или по существу быть отражением одного и того же механизма.

Первичные результаты в перекрестном остром уравновешенном исследовании Спонтанная мозговая активность в состоянии покоя. После протокола упражнений и перед когнитивными задачами будет измеряться спонтанная активность мозга с помощью ЭЭГ, пока дети отдыхают в сидячем положении, чтобы измерить пиковую частоту и реактивность альфа-волны. Динамика частоты альфа-пика (между 7 и 13 Гц) в течение 3-минутного периода будет рассчитана с помощью преобразования Гильберта. Затем будет рассчитано среднее значение и тренд частоты альфа-пика. Было высказано предположение, что чем выше частота альфа-пика, тем выше общая когнитивная способность и скорость обработки. Исследователи сосредоточились на альфа-волнах, потому что эта мозговая волна традиционно связана с различными теориями внимания и сознательного восприятия. Было обнаружено, что частота альфа-волны увеличивается после сеанса когнитивных задач. Кроме того, мощность и частота альфа-мозговых волн перед когнитивной оценкой коррелируют с производительностью. Если ПА оказывает положительное влияние на когнитивные функции, один сеанс ФА также должен вызывать увеличение частоты альфа-пика. Фактически, это было обнаружено Gutmann et al. в двух последовательных исследованиях. Однако статистическая связь между индуцированным ФА приростом частоты альфа-пиков и когнитивными характеристиками отсутствует.

Производительность рабочей памяти: попадания, промахи, пропуски и точность будут рассчитаны для целевых и нецелевых задач n-back, а также задержка ответа.

Понимание прочитанного: После прочтения текстов будут даны семь вопросов с разной степенью сложности понимания. На каждый вопрос будет четыре варианта ответа, из которых можно выбрать правильный.

Когнитивная нагрузка. Исследователи объединяют несколько показателей в эту категорию, поскольку все они связаны с концепцией когнитивной нагрузки. Первые два берутся из ЭЭГ, а два других из айтрекера.

P300: Потенциал, связанный с событием P300, связанный с различным типом стимула в n-back (целевой и нецелевой), будет количественно оцениваться в соответствии с амплитудой и латентностью пика.

N400: Этот связанный с лингвистикой потенциал, связанный с событием, также будет описан в соответствии с задержкой и амплитудой. Поскольку он будет синхронизирован с фиксацией взгляда на словах во время задания на чтение, концептуально это тип потенциала, связанного с фиксацией.

Быстрые изменения размера зрачка: зрачок реагирует на когнитивные потребности, и это связано с увеличением когнитивной нагрузки при выполнении различных задач, включая рабочую память и чтение. Количество высокочастотных вариаций диаметра зрачка оценивается с помощью нового индекса когнитивной активности, который увеличивается с когнитивной нагрузкой. Эта мера может быть представлена ​​как непрерывная переменная во времени благодаря высокой частоте дискретизации айтрекера. Индекс познавательной активности будет измеряться во время заданий n-back и чтения.

Время фиксации слова: продолжительность зрительной фиксации также связана со временем обработки, которое мозг выделяет для выработки когнитивной интерпретации восприятия. Среднее значение и стандартное отклонение фиксаций вокруг слов будут рассчитаны для задания на чтение.