Kompenserande hjärnaktivitet hos äldre vuxna. (BrainAct)

Kompensatorisk hjärnaktivitet hos äldre vuxna är ett viktigt forskningsområde som rör kognitivt åldrande och möjligheterna till kognitiv förbättring i sen vuxen ålder. Mest övergripande behandlas dessa frågor av STAC-modellen - Scaffolding Theory of Aging and Cognition. Denna studie kommer att ägna sig åt empiriska undersökningar av några av dess teoretiska antaganden. Den innovativa karaktären hos de forskningslösningar som ingår i detta projekt bygger å ena sidan på nya angreppssätt för verifiering av STAC-antagandena och å andra sidan på verifiering av de antaganden som inte har utsatts för systematiska utredningar hittills. En sådan forskningsagenda har motiverats av luckor i befintlig kunskap om några av de fenomen som beskrivs i STAC-modellen. Att fylla dessa luckor kommer att bidra med projektet till utvecklingen av forskning om kognitivt åldrande.

I detta sammanhang är syftet med studien följande:

1. Verifieringen av STAC-modellens antaganden om de kognitiva processer som utlöses under kompensatorisk hjärnaktivitet hos äldre vuxna baserat på EEG-tidsfrekvensanalyser.
2. Verifieringen av STAC-modellens antagande om den möjliga inverkan av kognitiv träning på uppkomsten och försvinnandet av kompensatorisk hjärnaktivitet hos äldre vuxna har inte undersökts hittills.

Forskningsproblem som motiverar målen:

Re. 1. Den kognitiva tolkningen av kompensatorisk hjärnaktivitet hos äldre vuxna, både i STAC-modellen och mot bakgrund av forskningsrön som hittills samlats in, är baserad på ofullständiga premisser. Kompenserande hjärnengagemang är den överaktivering som observeras i vissa hjärnregioner hos äldre vuxna, vilket är kopplat till en bättre prestation på kognitiva uppgifter. Bättre prestation på kognitiva uppgifter betraktas här som bevis för pågående kompensation. Kompenserande hjärnaktivitet hos äldre vuxna har bekräftats av många studier som använder fMRI- och PET-skanningar, som är de två mest dominerande neuroimagingmetoderna inom detta område. Modeller av kompensatorisk hjärnaktivitet hos äldre vuxna, såsom STAC-modellen, är baserade på dessa neuroavbildningsdata. Teoretiska tolkningar i termer av kognitiva processer åläggs dessa observationer först i efterhand. Således är verifieringen av de kompensationsmekanismer som beskrivs i dessa modeller begränsad eftersom utvecklingen och verifieringen av modellen bygger på samma metodik. Efterföljande studier som fann ett positivt samband mellan överaktivering av specifika hjärnregioner och bättre prestation på kognitiva uppgifter bekräftade det empiriska sambandet som ledde till utvecklingen av den teoretiska modellen. Enbart bekräftelsen av sambandet räcker dock inte för att verifiera den teoretiska tolkningen som är inkapslad i modellen. Behovet av att fördjupa förståelsen av kognitiva processer involverade i kompensation indikerades av själva författarna till STAC-modellen.

Användningen av EEG-metoderna i projektet (händelserelaterade oscillationer, ERO), istället för fMRI- eller PET-avbildning, kommer att bidra till detta mål. Anledningen är att det EEG-baserade tillvägagångssättet kräver hypoteser baserade inte bara på lokaliseringen av kompensatorisk hjärnaktivitet utan också på de kognitiva processer som är teoretiskt kopplade till aktiviteten av intresse. Eftersom fMRI- och PET-fynd inte direkt kan uttryckas i EEG-termer, har följande resonemang använts för att förutsäga resultaten: kompenserande hjärnöveraktivering observerad i fMRI och PET → kognitiv tolkning av överaktiveringen → bestämning av EEG-indikatorerna (händelserelaterad synkronisering, ERS och händelserelaterad desynkronisering, ERD) av de kognitiva processer som specificeras baserat på tolkningen → verifieringen av förekomsten av indikatorer i EEG-signaler registrerade hos äldre vuxna när deras kognitiva prestation inte avviker från prestation som observerats hos unga vuxna (och deras brist när de äldre presterar sämre än unga försökspersoner). Med andra ord är syftet att identifiera de neurala markörerna för de processer som har föreslagits av STAC-modellen för att ta hänsyn till kompensatorisk hjärnaktivitet baserad på aktiveringen av vissa hjärnstrukturer som registrerats med fMRI och PET men med användning av en annan teknik som bygger på alternativa indikatorer på kognitiva processers engagemang. Således, tack vare användningen av EEG-mätningar i studien, kommer det att vara möjligt att verifiera den kompenserande rollen för de kognitiva processerna och inte bara bekräfta lokaliseringen av överaktiveringen, vilket har varit en betydande begränsning av de studier som hittills genomförts.

Re. 2. Det är okänt om det är möjligt att påverka kompensatorisk hjärnaktivitet hos äldre vuxna genom kognitiv träning, vilket antas i STAC-modellen. STAC-modellen förutsätter att kompensatorisk hjärnaktivitet kan stimuleras genom olika typer av interventioner, inklusive kognitiv träning. Författarna till modellen föreslog att sådan träning i fallet med en underaktivering eller en försämring av ett neuralt nätverk som är engagerat i den kognitiva uppgiften skulle skapa nya byggnadsställningar, medan när prestation av uppgifterna redan är beroende av kompenserande överaktivering av vissa hjärnområden , bör träningen minska aktiveringen i dessa sekundära "byggnadsställningar" regioner och förbättra effektiviteten i de primära nätverken - ett slags återställande av hjärnaktiviteten som är karakteristisk för yngre individer.

Antaganden om syftet med utbildningen som anges av författarna till STAC-modellen har hittills inte verifierats empiriskt. Forskningsresultat om de träningsinducerade förändringarna i neural aktivitet har endast tolkats post facto i samband med STAC-modellen eller smalare modeller av kompensatorisk hjärnaktivitet hos äldre vuxna: CRUNCH - Compensation-Related Utilization of Neural Circuits Hypothesis, PASA - Posterior- Främre förskjutning i åldrande eller HAROLD - Hemisfärisk asymmetriminskning hos äldre vuxna.

Såvitt vi vet har endast två publikationer hittills rapporterat studier som utformades direkt för att verifiera antagandena från en av modellerna för kompensatorisk hjärnaktivitet hos äldre vuxna - CRUNCH. Studien utfördes dock med användning av fMRI-avbildning, inte EEG, och utan att inkludera unga vuxna, som utgör en referensgrupp som är grundläggande för bedömningen av specificiteten hos hjärnaktivitet som är karakteristisk för ålderdom.

Även om vissa studier om effektiviteten av kognitiv träning har varit intresserade av träningens neurokorrelat, bestod urvalet i de flesta av dem enbart av unga individer, och även om äldre försökspersoner inkluderades tog forskningsagendan inte upp hypoteser om kompensatoriska ställningar i hög ålder, eller så skulle de tolka i sådant sammanhang endast delvis.

I den föreliggande studien kommer STAC-modellens antaganden om effekterna av kognitiv träning på kompensatoriska byggnadsställningar hos äldre vuxna att verifieras experimentellt med användning av arbetsminneträning (WM). Uppgiften som används i utbildningen kommer att baseras på n-back-paradigmet, som är den vanligaste typen av utbildning som används inom samtida forskning. Även om överföringseffekten av n-ryggträning är tveksam, finns det gott om bevis för dess effektivitet när det gäller att förbättra prestation på den tränade uppgiften.

Projektet genomfördes i två faser: preliminärt och experimentellt. Den preliminära fasen har tre huvudmål: (1) Empirisk bestämning av tre svårighetsgrader av n-back-uppgiften för den efterföljande användningen under EEG-inspelningar - den lägsta svårighetsgraden ska vara lätt för gamla vuxna (utan skillnad i noggrannhet jämfört med unga vuxna) och två andra nivåer borde bli allt svårare (betydligt) svårare; (2) Val av uppgift för den aktiva kontrollgruppen. Denna uppgift bör inte involvera arbetsminnet utan bör tyckas förbättra samma aspekt av kognitiv funktion som n-rygguppgiften, som kommer att verifieras av experter såväl som gamla och unga lekmän som inte tillhör studieurvalet; (3) Rekrytering av frivilliga för studieprovet och tilldelning av de utvalda deltagarna till experiment- och kontrollgrupperna för att säkerställa likvärdighet mellan dessa grupper när det gäller kognitiv prestation (enligt den kognitiva bedömningen i den preliminära fasen). Dessutom ägnas den preliminära fasen även åt programmering av de datoriserade uppgifter som kommer att användas i studien. Datoriserade uppgifter för kognitiv bedömning och träning kommer att utvecklas i programmeringsmiljön PsychoPy med användning av programmeringsspråket Python.

Urvalet bestod av 3 grupper av äldre vuxna: experimentell (n = 25), passiv kontroll (n = 22), aktiv kontroll (n = 7) och unga vuxna: experimentell (n = 25), passiv kontroll (n = 25) och aktiv styrning (n = 12). Mätningar före och efter testet utfördes i alla grupper.

Vid för- och eftertest utförde deltagarna i alla grupper en datoriserad n-back-uppgift på tre svårighetsgrader (bestämda i förväg i den preliminära fasen) med samtidig EEG-signalregistrering. Dessutom genomfördes kognitiv bedömning i alla grupper, som kommer att röra: arbetsminne och korttidsminneskapacitet, uppmärksamhetsfokus och psykomotorisk hastighet, interferensmotstånd och hämningsförmåga. Endast n-back-uppgiften kommer att utföras med EEG-registrering.

Den experimentella faktorn var interventionen med hjälp av n-ryggträningen, nämligen äldre och yngre deltagare som tilldelats experimentgrupperna deltog i en datoriserad processbaserad arbetsminneträning med användning av n-rygguppgiften. Träningsinterventionen varade i 4 veckor och bestod av 12 träningspass, ca 45 minuter vardera. De n-back-uppgifter som användes för träningsändamålen var analoga med de som användes vid för- och eftertestmätning (samma gränssnitt, instruktioner och åtgärder som krävs för att slutföra uppgiften). Skillnaden var svårighetsgraden eftersom, när det gäller träningen, den inte var planerad utan höjdes adaptivt, i enlighet med aktuella framsteg för den aktuella deltagaren. De andra två grupperna (av gamla och unga vuxna) kommer att vara aktiva kontrollgrupper. I dessa grupper ersattes kognitiv träningsintervention med användning av n-back task med multidomän icke-adaptiv träning. Träningsschemat i aktiva kontrollgrupper kommer att vara detsamma som i experimentgrupperna. Det fanns också två passiva kontrollgrupper (av gamla och unga vuxna), som under utbildningsperioden inte kontaktades av forskare, och inga kognitiva interventioner administrerades.