Нарушение моторного торможения при перцептивном торможении у пожилых людей: исследование мозга

Введение в нейробиологию торможения

В области когнитивной нейробиологии термин «торможение» подразумевает контроль над психологическими и поведенческими процессами для адаптации к требованиям окружающей среды. Например, моторное торможение (т.е. способность отменять запланированные движения, когда они становятся неуместными) заставляет нас остановить движение руки вперед, ощутив лучистое тепло от утюга, в то время как перцептивное торможение (т.е. способность фильтровать релевантную информацию от нерелевантной сенсорной информации) позволяет нам игнорировать отвлекающие сенсорные сигналы при движении по оживленной улице. Известно, что префронтальная кора (ПФК, Prefrontal Cortex - PFC) играет ключевую роль в тормозном поведении, однако она особенно подвержена нейродегенерации при нормальном старении. Недавний метаанализ существующих поведенческих данных заключает, что хотя моторное торможение с возрастом ухудшается, перцептивное торможение остается относительно стабильным, что позволяет предположить, что эти процессы могут контролироваться независимыми механизмами. Однако другие работы пришли к выводу, что поскольку поведенческие дефициты наблюдаются, когда перцептивное и моторное торможение выполняются вместе (по сравнению с выполнением по отдельности), они могут использовать общие когнитивные ресурсы. В текущем исследовании оцениваются перцептивное и моторное торможение с использованием парадигмы, которая задействует каждый процесс независимо и в комбинации. Функциональная визуализация ПФК рассматривалась вместе с поведенческими и физиологическими данными для получения всестороннего понимания нейронных основ перцептивного и моторного торможения и того, как на них влияет старение.

Актуальность проблемы для пожилых людей

Пожилые люди чаще сталкиваются с несчастными случаями, травмами и падениями, которые вносят значительный вклад в социальные расходы и расходы на здравоохранение в стареющих обществах. В повседневной жизни необходимость быстро отменять запланированные двигательные действия часто возникает в условиях, когда процессы перцептивного торможения также задействованы. Сниженная способность одновременно выполнять два типа тормозного контроля может способствовать неблагоприятным исходам. Например, представьте, что вы спешите через оживленный вокзал. Вам необходимо использовать перцептивное торможение, чтобы игнорировать поток нерелевантной визуальной и слуховой информации, чтобы сфокусироваться на ключевой информации, которая приведет вас к вашей платформе. Если человек перед вами внезапно останавливается, вы должны задействовать моторное торможение, чтобы резко прекратить движение и избежать столкновения. Безопасное прохождение этой ситуации зависит от оптимальной одновременной работы функций перцептивного и моторного торможения.

Методы исследования: комплексный подход

Понимание процессов перцептивного и моторного торможения не может быть достигнуто только путем измерения явного поведения. Для более полного понимания необходима функциональная визуализация мозга. Например, молодые и пожилые люди не показывают явных различий в поведенческих показателях в задаче Фланкера — парадигме, которая индексирует перцептивное торможение через затраты времени реакции и снижение точности ответов на целевую стрелку, окруженную стрелками неконгруэнтного направления по сравнению с конгруэнтным. Однако одновременная нейровизуализация во время этой задачи показывает различия между молодыми и пожилыми людьми. Как исследования с функциональной магнитно-резонансной томографией (фМРТ), так и исследования с электроэнцефалографией (ЭЭГ) показывают, что у пожилых людей наблюдается повышенная нейронная активность по сравнению с молодыми взрослыми во время trials (попыток) с неконгруэнтными фланкерами. Подобные эффекты наблюдались в задачах на моторное торможение: фМРТ показывает, что у пожилых людей более высокая нейронная активность по сравнению с молодыми взрослыми — однако снижение активности для более сложных задач связано с ухудшением поведенческих показателей у пожилых людей. Эти находки могут быть интерпретированы в рамках теории когнитивного старения CRUNCH (Compensation-Related Utilization of Neural Circuits Hypothesis — гипотеза компенсаторного использования нейронных цепей), согласно которой повышенная корковая активация у пожилых людей поддерживает выполнение поведенческих задач, компенсируя потерю нейронов — однако, как только нагрузка задачи превышает ресурсные возможности, производительность и активность мозга снижаются.

Функциональная ближняя инфракрасная спектроскопия (fNIRS)

Функциональная ближняя инфракрасная спектроскопия (fNIRS) — это метод нейровизуализации, который записывает гемодинамические изменения корковой ткани для вывода нейронной активности аналогично BOLD-ответу (Blood-Oxygen-Level Dependent) в фМРТ. fNIRS имеет более высокое пространственное разрешение, чем ЭЭГ, хотя и более низкое временное разрешение из-за задержки гемодинамического ответа. Он относительно устойчив к артефактам движения, поэтому рекомендуется для задач со свободным перемещением.

Электромиография (ЭМГ) и оценка торможения

Отмена действия является скрытым процессом, однако скорость остановки можно оценить с помощью задачи «Стоп-Сигнал» (SST). Во время SST участники как можно быстрее реагируют на «го» сенсорные сигналы, но должны остановить свой начавшийся ответ в небольшой доле trials, когдаpresented «стоп» сигналы; Время реакции на стоп-сигнал (SSRT) оценивается на основе временной задержки между го и стоп сигналами, когда вероятность успешной остановки составляет 50%. Однако эта оценка скорости остановки не может различить успешную остановку due to моторного торможения, стратегии ожидания или lapse внимания, приводящий к задержанному ответу, т.е. ответы на го-стимул никогда не инициируются, поэтому моторное торможение не задействуется в успешном стоп-триале. Недавно разработанный подход использует электромиографию (ЭМГ) мышц-эффекторов для идентификации trials, в которых движение инициируется (через частичный ЭМГ-ответ в задействованной руке), но успешно тормозится, и последующего нажатия кнопки не происходит. Таким образом, скорость остановки, рассчитанная на основе частичных ЭМГ-ответов, является достоверным измерением моторного торможения, изолированным от стратегий ожидания и poor внимания. В текущем исследовании эта техника была использована впервые для сравнения моторного торможения у пожилых и молодых взрослых в стандартной SST с выбором, и для оценки того, как на моторное торможение влияет одновременное engagement перцептивного торможения.

Результаты исследования: влияние возраста на торможение

Группы молодых и пожилых взрослых выполнили четыре задачи на выбор ответа: задача на время простой реакции (CRT), задача «Стоп-Сигнал» (SST), задача Фланкера (FT) и комбинированная задача «Стоп-Сигнал Фланкера» (SSFT). Во время каждой презентации trial синхронно записывались нейронная активность across ПФК и активность мышц-эффекторов каждого указательного пальца.

Скорость остановки (Stop Signal Reaction Time - SSRT)

Основной эффект возрастной группы был значительным: пожилые взрослые были significantly медленнее в остановке своего ответа по сравнению с молодыми взрослыми во всех условиях задачи. Не было значительного основного эффекта конгруэнтности или взаимодействия между возрастной группой и конгруэнтностью. Это означает, что на оценку SSRT, derived from времени нажатия кнопки, не влияло перцептивное inhibition, вызванное неконгруэнтными фланкерами, ни в одной из возрастных групп.

Время отмены (Cancel Time)

Физиологическая мера скорости моторного торможения, Cancel Time, показала значительный основной эффект возрастной группы: пожилые взрослые были significantly медленнее в отмене мышечной активации по сравнению с молодыми взрослыми. Был также значительный основной эффект конгруэнтности, а также значительное взаимодействие между возрастной группой и конгруэнтностью. Контрастные tests показали, что Cancel Time для неконгруэнтных trials был significantly longer по сравнению с конгруэнтными trials только в группе пожилых взрослых. Не было различий в Cancel Time между конгруэнтными и неконгруэнтными trials у молодых взрослых.

Обсуждение: нейронные механизмы компенсации и их пределы

Результаты этого исследования демонстрируют, что и перцептивное, и моторное торможение независимо друг от друга ухудшаются с возрастом. Когда оба процесса задействованы одновременно, только пожилые взрослые демонстрируют additional costs для моторного торможения. Это проявлялось в более медленном Cancel Time для неконгруэнтных стоп-триалов по сравнению с конгруэнтными стоп-триалами, но не в оценках SSRT. Это открытие подчеркивает важность использования физиологических мер (таких как ЭМГ) для выявления тонких возрастных различий в тормозном контроле, которые могут быть незаметны при измерении только поведения (времени нажатия кнопки).

Повышенная активация ПФК наблюдалась у обеих возрастных групп при одновременном выполнении перцептивного и моторного торможения (в SSFT) по сравнению с выполнением только моторного торможения (в SST). Это говорит о том, что increased cortical effort был задействован для управления increased task demands. Однако, несмотря на это increased neural activity, только пожилые взрослые showed impaired motor inhibition performance. Это указывает на то, что корковая upregulation (увеличение регуляции) была sufficient to компенсировать increased demands задачи у молодых, но не у пожилых взрослых. Этот вывод согласуется с теорией CRUNCH, которая предполагает, что пожилые adults могут компенсировать нейродегенерацию за счет recruitment дополнительных neural resources при умеренных task demands, но их performance ухудшается, когда demands exceed their neural capacity.

Заключение и практическое значение

Настоящее исследование provides убедительные evidence that ageing specifically влияет на ability одновременно engage perceptual и motor inhibition processes. Трудности, с которыми сталкиваются пожилые люди в situations, требующих быстрой отмены действий в условиях отвлекающих факторов, могут способствовать increased risk падений и accidents. Понимание этих neural limitations может помочь в разработке targeted interventions, таких как когнитивные тренировки или физическая реабилитация, направленных на улучшение тормозного контроля и promotion здорового старения.

Это исследование подчеркивает критическую важность физиологических измерений, выходящих за рамки поведенческих данных, для выявления тонких нейрокогнитивных изменений, связанных с возрастом.