Badanie kodowania informacji w pamięci krótkotrwałeji wpływu aktywności sieci czołowo-ciemieniowej na pojemność pamięci u osób młodych i w podeszłym wieku w oparciu o zaawansowaną analizę czynności elektrycznej mózgu

Podstawowym celem tego interdyscyplinarnego projektu jest uzyskanie unikatowej wiedzy na temat neuronalnego podłoża procesów kodowania, utrzymywania i wydobywania informacji z pamięci krótkotrwałej (STM) w kontekście starzejącego się mózgu. Jednocześnie chcemy opracować najbardziej trafny wskaźnik czasu skanowania pamięci bazujący na połączonych danych elektrofizjologicznych (EEG) i behawioralnych. W szczególności celem badań będzie: 1) wyjaśnienie: jaka jest rola obszarów przedczołowych w koordynacji pracy sieci czołowo-ciemieniowej (systemu będącego podłożem kodowania i utrzymywania informacji w pamięci), 2) zrozumienie mechanizmów odpowiedzialnych za przechowywanie informacji przez kilka pierwszych sekund, 3) wyjaśnienie w jaki sposób informacje te są skutecznie utrzymywane w pamięci i nie ulegają pomieszaniu (np. zachowana jest ich sekwencja czasowa), 4) jakim zmianom podlegają te procesy w trakcie starzenia się. Konkretne hipotezy badawcze zostaną zweryfikowane na drodze zbadania wzorców komunikacji między strukturami mózgu i określenia z wysoką rozdzielczością dystrybucji czasowo-częstotliwościowych towarzyszących procesom pamięciowym. Zgodnie z teorią zaproponowaną przez Lismana i Idiarta [L&I] pojedyncze elementy kodowane są w następujących po sobie cyklach gammy w obrębie jednego cyklu thety, jednak brak jest dokładnego określenia wzorców współdziałania różnych rytmów w procesach pamięciowych, które pozwoliłyby na potwierdzenie/uzupełnienie modelu L&I.

W tym projekcie zweryfikujemy następujące hipotezy: 1. Pojemność pamięci krótkotrwałej zależy od stosunku długości cykli gammy do thety (G/Th) (większy stosunek odpowiada lepszej pamięci). 2. Postulujemy, że gdy pojemność STM maleje z wiekiem, podobny efekt będzie widoczny na poziomie psychofizjologicznym. 3. Widoczny spadek pojemności STM, podobnie jak stosunek G/Th, może być zmieniony przez trening poznawczy. Istotnym celem projektu będzie sprawdzenie, czy ograniczenia w pojemności pamięci krótkotrwałej mogą być do pewnego stopnia przezwyciężone dzięki sygnałom z kory przedczołowej wysyłanym do kory ciemieniowej. Siła owej modulacji, odzwierciedlająca mechanizm kontroli działania systemu pamięciowego, może okazać się kluczowym czynnikiem wyjaśniającym różnice indywidualne w zakresie pojemności pamięci roboczej.

Plan eksperymentu obejmuje: badanie EEG spoczynkowego oraz EEG w czasie wykonywania standardowej procedury Sternberga, służącej do oszacowania czasu skanowania bufora pamięci. Poza tym, użyjemy dwóch dodatkowych testów, aby trafnie oszacować pojemność pamięci. Są to: 1) zadanie dotyczące pomiaru pojemności krótkotrwałej pamięci werbalnej bazujące na podteście: powtarzanie cyfr z baterii Wechslera oraz zadanie dotyczące pomiaru pojemności pamięci roboczej, mierzące tzw. zakres operacyjny. Następnym etapem badania będzie trening pamięci roboczej z użyciem podwójnego zadania n-wstecz i ponowne pomiary behawioralne oraz analiza EEG. Osiągnięcie celów projektu będzie możliwe dzięki użyciu zaawansowanych metod analizy sygnałów, które w zdecydowany sposób podniosą dokładność wyznaczania relacji między rytmami. W dotychczasowych badaniach związki pomiędzy falami theta i gamma w kontekście teorii L&I były obliczane w oparciu o filtrowanie sygnałów w poszczególnych wąskich pasmach lub Fourierowską analizę widma. Proponujemy wprowadzenie do obszaru badań zależności G/Th najbardziej zaawansowanej techniki analizy czas-częstość– metodę aproksymacji adaptywnych (Matching Pursuit) zapewniającą najwyższą dostępną rozdzielczość. Dynamiczne oddziaływanie między strukturami mózgu zostanie zbadane przy pomocy Krótkoczasowej Kierunkowej Funkcji Przejścia (SDTF), która jest metodą odporną na szum i przewodnictwo objętościowe i okazała się niezwykle skuteczną w zastosowaniu do badania procesów kognitywnych.

Uzyskane wyniki przyniosą istotny postęp w zrozumieniu podstawowego dla nauki zagadnienia, jakim jest fizjologiczny mechanizm umożliwiający kodowanie i odtwarzanie wzorców pamięciowych. Planowane badania mają charakter wybitnie interdyscyplinarny (co staje się złotym standardem w naukach o relacjach między mózgiem i zachowaniem) i dotyczą takich dziedzin jak: neurofizjologia, psychologia, neuroinformatyka i inżynieria biomedyczna. Takie podejście spopularyzuje najnowocześniejsze sposoby analizy sygnałów biologicznych i przyczyni się do rozpowszechnienia zaawansowanych metod neuroinformatycznych w naukach biologicznych. Wraz z gwałtownym starzeniem się społeczeństwa zrozumienie mechanizmów pogorszenia pamięci, a w szczególności leżącego u ich podłoża spowolnienia tempa przetwarzania informacji w podeszłym wieku, ma istotne znaczenie społeczne. Proponowany projekt ma na celu identyfikację kluczowych mechanizmów pogorszenia działania funkcji poznawczych w starszym wieku oraz, co ważne, efekty jego realizacji będą mogły zostać wykorzystane do opracowania konkretnych metod przeciwdziałania negatywnym skutkom starzenia się.