Нейрофизиологические механизмы двойных задач (обзор)
DOI:
https://doi.org/10.37482/2687-1491-Z196Ключевые слова:
двойная задача, многозадачность, когнитивно-моторная парадигма, нейрофизиологические механизмы, электроэнцефалография, функциональная ближняя инфракрасная спектроскопияАннотация
Рассмотрены статьи, посвященные исследованию нейронных механизмов двойных (когнитивно-моторных) задач у здоровых молодых и пожилых людей с помощью методов электроэнцефалографии (ЭЭГ) и функциональной ближней инфракрасной спектроскопии (fNIRS). Представлена библиометрическая карта, отражающая частоту употребления в публикациях ключевых слов (postural balance, gait, walking, neuropsychological tests, attention) и связь между ними, а также демонстрирующая актуальность применения когнитивно-моторной парадигмы как метода изучения нейрофизиологических механизмов двойных задач. Дизайн когнитивно-моторной парадигмы двойной задачи в исследованиях, рассмотренных в данном обзоре, был разнообразным. В качестве когнитивных задач использовались различные счетно-логические, пространственно-образные, аудиальные, вербальные задания, а также модифицированный вариант игры на смартфоне. В качестве двигательных задач – статические (стойка, тандемная стойка) и динамические (стойка на динамической платформе, ходьба на беговой дорожке, ходьба в реальных условиях внешней среды). Рассмотрены особенности пространственного и частотного распределения активации мозга при выполнении различного типа когнитивных и двигательных задач. Продемонстрированы лобно-кортикальные гемодинамические корреляты выполнения двойных задач. Указаны предложенные авторами рассмотренных статей возможные интерпретации результатов исследований. Выводы демонстрируют, что фактический набор задач, используемый в эксперименте, играет важнейшую роль в том, как двойная задача будет обрабатываться. Выполнение двойной задачи требует участия исполнительных функций, координирующих обработку информации в каждой из задач (когнитивной или моторной). Парадигма двойной задачи может быть использована как модель для исследования и оценки исполнительных функций, внимания, рабочей памяти, постурального контроля.
Скачивания
Библиографические ссылки
IBM Operating System/360: Concepts and Facilities. N. Y.: IBM Systems Reference Library, 1965. 93 p.
Koch I., Poljac E., Müller H., Kiesel A. Cognitive Structure, Flexibility, and Plasticity in Human Multitasking – an Integrative Review of Dual-Task and Task-Switching Research // Psychol. Bull. 2018. Vol. 144, № 6. P. 557–583. https://doi.org/10.1037/bul0000144
Pashler H. Task Switching and Multitask Performance // Control of Cognitive Processes: Attention and Performance XVIII / ed. by S. Monsell, J. Driver. London: The MIT Press, 2000. P. 277–307.
Жаворонкова Л.А., Кушнир Е.М., Жарикова А.В., Купцова С.В., Шевцова Т.П., Куликов М.А., Воронов В.Г. Электроэнцефалографические характеристики здоровых людей с разной успешностью выполнения двойных задач (позный контроль и счет) // Журн. высш. нерв. деятельности им. И.В. Павлова. 2015. Т. 65, № 5. С. 597–606. https://doi.org/10.7868/S0044467715050160
Жаворонкова Л.А., Шевцова Т.П., Морареску С.И., Позднеев А.В., Купцова С.В. Интракортикальные связи при выполнении двойных задач – моторных и счетно-логических или пространственно-образных // Физиология человека. 2019. Т. 45, № 2. С. 16–28. https://doi.org/10.1134/S0131164619020139
Ozdemir R.A., Contreras-Vidal J.L., Lee B.-C., Paloski W.H. Cortical Activity Modulations Underlying Age-Related Performance Differences During Posture-Cognition Dual Tasking // Exp. Brain Res. 2016. Vol. 234, № 11. P. 3321–3334. https://doi.org/10.1007/s00221-016-4730-5
Bohle H., Rimpel J., Schauenburg G., Gebel A., Stelzel C., Heinzel S., Rapp M., Granacher U. Behavioral and Neural Correlates of Cognitive-Motor Interference During Multitasking in Young and Old Adults // Neural Plast. 2019. Vol. 2019. Art. № 9478656. https://doi.org/10.1155/2019/9478656
Beurskens R., Steinberg F., Antoniewicz F., Wolff W., Granacher U. Neural Correlates of Dual-Task Walking: Effects of Cognitive versus Motor Interference in Young Adults // Neural Plast. 2016. Vol. 2016. Art. № 8032180. https://doi.org/10.1155/2016/8032180
Rubega M., Formaggio E., Di Marco R., Bertuccelli M., Tortora S., Menegatti E., Cattelan M., Bonato P., Masiero S., Del Felice A. Cortical Correlates in Upright Dynamic and Static Balance in the Elderly // Sci. Rep. 2021. Vol. 11, № 1. Art. № 14132. https://doi.org/10.1038/s41598-021-93556-3
Kahya M., Liao K., Gustafson K.M., Akinwuntan A.E., Manor B., Devos H. Cortical Correlates of Increased Postural Task Difficulty in Young Adults: A Combined Pupillometry and EEG Study // Sensors (Basel). 2022. Vol. 22, № 15. Art. № 5594. https://doi.org/10.3390/s22155594
Kahya M., Gouskova N.A., Lo O.-Y., Zhou J., Cappon D., Finnerty E., Pascual-Leone A., Lipsitz L.A., Hausdorff J.M., Manor B. Brain Activity During Dual-Task Standing in Older Adults // J. Neuroeng. Rehabil. 2022. Vol. 19, № 1. Art. № 123. https://doi.org/10.1186/s12984-022-01095-3
Babiloni C., Del Percio C., Arendt-Nielsen L., Soricell A., Romani G.L., Rossini P.M., Capotosto P. Cortical EEG Alpha Rhythms Reflect Task-Specific Somatosensory and Motor Interactions in Humans // Clin. Neurophysiol. 2014. Vol. 125, № 10. P. 1936–1945. https://doi.org/10.1016/j.clinph.2014.04.021
Başar E. A Review of Alpha Activity in Integrative Brain Function: Fundamental Physiology, Sensory Coding, Cognition and Pathology // Int. J. Psychophysiol. 2012. Vol. 86, № 1. P. 1–24. https://doi.org/10.1016/j.ijpsycho.2012.07.002
Shaw E.P., Rietschel J.C., Hendershot B.D., Pruziner A.L., Miller M.W., Hatfield B.D., Gentili R.J. Measurement of Attentional Reserve and Mental Effort for Cognitive Workload Assessment Under Various Task Demands During Dual-Task Walking // Biol. Psychol. 2018. Vol. 134. P. 39–51. https://doi.org/10.1016/j.biopsycho.2018.01.009
Domínguez M.C., O’Keeffe C., O’Rourke E., Feerick N., Reilly R.B. Cortical Theta Activity and Postural Control in Non-Visual and High Cognitive Load Tasks: Impact for Clinical Studies // 2019 41st Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC). Berlin, 2019. P. 1539–1542. https://doi.org/10.1109/embc.2019.8857663
Kenny R.P.W., Eaves D.L., Martin D., Behmer L.P., Dixon J. The Effects of Textured Insoles on Cortical Activity and Quiet Bipedal Standing with and Without Vision: An EEG Study // J. Mot. Behav. 2020. Vol. 52, № 4. P. 489–501. https://doi.org/10.1080/00222895.2019.1648237
Peterson S.M., Ferris D.P. Differentiation in Theta and Beta Electrocortical Activity Between Visual and Physical Perturbations to Walking and Standing Balance // eNeuro. 2018. Vol. 5, № 4. Art. № ENEURO.0207-18.2018. https://doi.org/10.1523/eneuro.0207-18.2018
Nguyen T.V., Balachandran P., Muggleton N.G., Liang W.-K., Juan C.-H. Dynamical EEG Indices of Progressive Motor Inhibition and Error-Monitoring // Brain Sci. 2021. Vol. 11, № 4. Art. № 478. https://doi.org/10.3390/brainsci11040478
Corp D.T., Youssef G.J., Clark R.A., Gomes-Osman J., Yücel M.A., Oldham S.J., Aldraiwiesh S., Rice J., Pascual-Leone A., Rogers M.A. Reduced Motor Cortex Inhibition and a ‘Cognitive-First’ Prioritisation Strategy for Older Adults During Dual-Tasking // Exp. Gerontol. 2018. Vol. 113. P. 95–105. https://doi.org/10.1016/j.exger.2018.09.018
Putman P., Verkuil B., Arias-Garcia E., Pantazi I., van Schie C. EEG Theta/Beta Ratio as a Potential Biomarker for Attentional Control and Resilience Against Deleterious Effects of Stress on Attention // Cogn. Affect. Behav. Neurosci. 2014. Vol. 14, № 2. P. 782–791. https://doi.org/10.3758/s13415-013-0238-7
Angelidis A., van der Does W., Schakel L., Putman P. Frontal EEG Theta/Beta Ratio as an Electrophysiological Marker for Attentional Control and Its Test-Retest Reliability // Biol. Psychol. 2016. Vol. 121. Pt. A. P. 49–52. https://doi.org/10.1016/j.biopsycho.2016.09.008
Pizzamiglio S., Naeem U., Abdalla H., Turner D.L. Neural Correlates of Single- and Dual-Task Walking in the Real World // Front. Hum. Neurosci. 2017. Vol. 11. Art. № 460. https://doi.org/10.3389/fnhum.2017.00460
Bulea T.C., Kim J., Damiano D.L., Stanley C.J., Park H.-S. Prefrontal, Posterior Parietal and Sensorimotor Network Activity Underlying Speed Control During Walking // Front. Hum. Neurosci. 2015. Vol. 9. Art. № 247. https://doi.org/10.3389/fnhum.2015.00247
Beurskens R., Helmich I., Rein R., Bock O. Age-Related Changes in Prefrontal Activity During Walking in Dual-Task Situations: A fNIRS Study // Int. J. Psychophysiol. 2014. Vol. 92, № 3. P. 122–128. https://doi.org/10.1016/j.ijpsycho.2014.03.005
Hazlett E.A., Buchsbaum M.S., Mohs R.C., Spiegel-Cohen J., Wei T.-C., Azueta R., Haznedar M.M., Singer M.B., Shihabuddin L., Luu-Hsia C., Harvey P.D. Age-Related Shift in Brain Region Activity During Successful Memory Performance // Neurobiol. Aging. 1998. Vol. 19, № 5. P. 437–445. https://doi.org/10.1016/s0197-4580(98)00075-x
Reuter-Lorenz P.A., Cappell K.A. Neurocognitive Aging and the Compensation Hypothesis // Curr. Dir. Psychol. Sci. 2008. Vol. 17, № 3. P. 177–182. http://dx.doi.org/10.1111/j.1467-8721.2008.00570.x
Mirelman A., Maidan I., Bernad-Elazari H., Nieuwhof F., Reelick M., Giladi N., Hausdorff J.M. Increased Frontal Brain Activation During Walking While Dual Tasking: An fNIRS Study in Healthy Young Adults // J. Neuroeng.Rehabil. 2014. Vol. 11, № 1. Art. № 85. https://doi.org/10.1186/1743-0003-11-85
Mirelman A., Maidan I., Bernad-Elazari H., Shustack S., Giladi N., Hausdorff J.M. Effects of Aging on Prefrontal Brain Activation During Challenging Walking Conditions // Brain Cogn. 2017. Vol. 115. P. 41–46. https://doi.org/10.1016/j.bandc.2017.04.002
Steffener J., Stern Y. Exploring the Neural Basis of Cognitive Reserve in Aging // Biochim. Biophys. Acta. 2012. Vol. 1822, № 3. P. 467–473. https://doi.org/10.1016/j.bbadis.2011.09.012
Lin M.-I.B., Lin K.-H. Walking While Performing Working Memory Tasks Changes the Prefrontal Cortex Hemodynamic Activations and Gait Kinematics // Front. Behav. Neurosci. 2016. Vol. 10. Art. № 92. https://doi.org/10.3389/fnbeh.2016.00092
Barulli D., Stern Y. Efficiency, Capacity, Compensation, Maintenance, Plasticity: Emerging Concepts in Cognitive Reserve // Trends Cogn. Sci. 2013. Vol. 17, № 10. P. 502–509. https://doi.org/10.1016/j.tics.2013.08.012
Takeuchi N., Mori T., Suzukamo Y., Tanaka N., Izumi S.-I. Parallel Processing of Cognitive and Physical Demands in Left and Right Prefrontal Cortices During Smartphone Use While Walking // BMC Neurosci. 2016. Vol. 17. Art. № 9. https://doi.org/10.1186/s12868-016-0244-0
Cabeza R. Hemispheric Asymmetry Reduction in Older Adults: The HAROLD Model // Psychol. Aging. 2002. Vol. 17, № 1. P. 85–100. https://doi.org/10.1037//0882-7974.17.1.85
Rosso A.L., Cenciarini M., Sparto P.J., Loughlin P.J., Furman J.M., Huppert T.J. Neuroimaging of An Attention Demanding Dual-Task During Dynamic Postural Control // Gait Posture. 2017. Vol. 57. P. 193–198. https://doi.org/10.1016/j.gaitpost.2017.06.013
Karim H.T., Fuhrman S.I., Furman J.M., Huppert T.J. Neuroimaging to Detect Cortical Projection of Vestibular Response to Caloric Stimulation in Young and Older Adults Using Functional Near-Infrared Spectroscopy (fNIRS) // Neuroimage. 2013. Vol. 76. P. 1–10. https://doi.org/10.1016/j.neuroimage.2013.02.061
Karim H., Schmidt B., Dart D., Beluk N., Huppert T. Functional Near-Infrared Spectroscopy (fNIRS) of Brain Function During Active Balancing Using a Video Game System // Gait Posture. 2012. Vol. 35, № 3. P. 367–372. https://doi.org/10.1016/j.gaitpost.2011.10.007
Szameitat A.J., Schubert T., Müller K., von Cramon D.Y. Localization of Executive Functions in Dual-Task Performance with fMRI // J. Cogn. Neurosci. 2002. Vol. 14, № 8. P. 1184–1199. https://doi.org/10.1162/089892902760807195
Chen M., Pillemer S., England S., Izzetoglu M., Mahoney J.R., Holtzer R. Neural Correlates of Obstacle Negotiation in Older Adults: An fNIRS Study // Gait Posture. 2017. Vol. 58. P. 130–135. https://doi.org/10.1016/j.gaitpost.2017.07.043
Chen Y., Cao Z., Mao M., Sun W., Song Q., Mao D. Increased Cortical Activation and Enhanced Functional Connectivity in the Prefrontal Cortex Ensure Dynamic Postural Balance During Dual-Task Obstacle Negotiation in the Older Adults: A fNIRS Study // Brain Cogn. 2022. Vol. 163. Art. № 105904. https://doi.org/10.1016/j.bandc.2022.105904
Chen Y., Yu Y., Niu R., Liu Y. Selective Effects of Postural Control on Spatial vs. Nonspatial Working Memory: A Functional Near-Infrared Spectral Imaging Study // Front. Hum. Neurosci. 2018. Vol. 12. Art. № 243. https://doi.org/10.3389/fnhum.2018.00243
Sala-Llonch R., Palacios E.M., Junqué C., Bargalló N., Vendrell P. Functional Networks and Structural Connectivity of Visuospatial and Visuoperceptual Working Memory // Front. Hum. Neurosci. 2015. Vol. 9. Art. № 340. https://doi.org/10.3389/fnhum.2015.00340
de Souza Custódio J.C., Martins C.W., Lugon M.D., Fregni F., Nakamura-Palacios E.M. Epidural Direct Current Stimulation over the Left Medial Prefrontal Cortex Facilitates Spatial Working Memory Performance in Rats // Brain Stimul. 2013. Vol. 6, № 3. P. 261–269. https://doi.org/10.1016/j.brs.2012.07.004
Dary Z., Lenggenhager B., Lagarde S., Medina Villalon S., Bartolomei F., Lopez C. Neural Bases of the Bodily Self as Revealed by Electrical Brain Stimulation: A Systematic Review // Hum. Brain Mapp. 2023. Vol. 44, № 7. P. 2936–2959. https://doi.org/10.1002/hbm.26253
Marusic U., Taube W., Morrison S.A., Biasutti L., Grassi B., De Pauw K., Meeusen R., Pisot R., Ruffieux J. Aging Effects on Prefrontal Cortex Oxygenation in a Posture-Cognition Dual-Task: An fNIRS Pilot Study // Eur. Rev. Aging Phys. Act. 2019. Vol. 16. Art. № 2. https://doi.org/10.1186/s11556-018-0209-7
St. George R.J., Hinder M.R., Puri R., Walker E., Callisaya M.L. Functional Near-Infrared Spectroscopy Reveals the Compensatory Potential of Pre-Frontal Cortical Activity for Standing Balance in Young and Older Adults // Neuroscience. 2021. Vol. 452. P. 208–218. https://doi.org/10.1016/j.neuroscience.2020.10.027
Saraiva M., Castro M.A., Vilas-Boas J.P. Muscular and Prefrontal Cortex Activity During Dual-Task Performing in Young Adults // Eur. J. Investig. Health Psychol. Educ. 2023. Vol. 13, № 4. P. 736–747. https://doi.org/10.3390/ejihpe13040055
Bayot M., Dujardin K., Tard C., Defebvre L., Bonnet C.T., Allart E., Delval A. The Interaction Between Cognition and Motor Control: A Theoretical Framework for Dual-Task Interference Effects on Posture, Gait Initiation, Gait and Turning // Neurophysiol. Clin. 2018. Vol. 48, № 6. P. 361–375. https://doi.org/10.1016/j.neucli.2018.10.003
Tirapu-Ustárroz J., García-Molina A., Luna-Lario P., Roig-Rovira T., Pelegrín-Valero P. Modelos de funciones y control ejecutivo (I) // Rev. Neurol. 2008. Vol. 46, № 11. P. 684–692. http://dx.doi.org/10.33588/rn.4611.2008119
