CC..png   

Юридический и почтовый адрес организации-издателя: САФУ, редакция «Журнала медико-биологических исследований», наб. Северной Двины, 17, г. Архангельск, Россия, 163002
Местонахождение: редакция «Журнала медико-биологических исследований», наб. Северной Двины, 17, ауд. 1336, г. Архангельск

Тел: (818-2) 21-61-00, вн. 18-20 
Сайт: https://vestnikmed.ru
e-mail: vestnik_med@narfu.ru

о журнале

Нейрофизиологические механизмы двойных задач (обзор). С. 368–382

 Версия для печати

Рубрика: Научные обзоры

Скачать статью (pdf, 1MB )

УДК

612.821

DOI

10.37482/2687-1491-Z196

Сведения об авторах

Екатерина Викторовна Стрельникова* ORCID: https://orcid.org/0009-0007-1611-073X
Маргарита Андреевна Каширина* ORCID: https://orcid.org/0009-0001-2895-0337
Анна Олеговна Канцерова* ORCID: https://orcid.org/0000-0002-5513-8627
*Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии Российской академии наук (Москва, Россия)

Аннотация

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.

Ключевые слова

двойная задача, многозадачность, когнитивно-моторная парадигма, нейрофизиологические механизмы, электроэнцефалография, функциональная ближняя инфракрасная спектроскопия

Список литературы

  1. IBM Operating System/360: Concepts and Facilities. N. Y.: IBM Systems Reference Library, 1965. 93 p.

  2. 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

  3. 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.

  4. 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

  5. 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

  6. 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

  7. 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

  8. 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

  9. 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

  10. 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

  11. 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

  12. 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

  13. 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

  14. 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

  15. 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

  16. 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

  17. 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

  18. 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

  19. 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

  20. 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

  21. 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

  22. 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

  23. 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

  24. 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

  25. 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

  26. 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

  27. 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

  28. 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

  29. 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

  30. 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

  31. 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

  32. 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

  33. 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

  34. 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

  35. 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

  36. 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

  37. 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

  38. 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

  39. 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

  40. 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

  41. 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

  42. 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

  43. 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

  44. 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

  45. 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

  46. 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

  47. 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

  48. 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