Введение
Растущая популяция пожилых людей среди населения экономически развитых стран и связанный с этим риск развития когнитивных дисфункций и деменции определяют необходимость изучения механизмов старения мозга. Среди наиболее устойчивых эффектов старения отмечают неуклонное уменьшение массы серого и белого вещества мозга, сопровождающееся снижением скорости мыслительной деятельности, тормозных процессов и кратковременной памяти [см., например: 2; 16; 17; 30; 44; 46].
Полученные доказательства активации функциональных систем мозга и реорганизации нейронных сетей на основе когнитивной тренировки стимулировали интерес к изучению компенсаторных ресурсов мозга и разработке программ когнитивного тренинга [Разумникова, 2015; Karbach, 2013; Klimova, 2016; Melby-Lervåg, 2013; Metzler-Baddeley, 2016; Zinke, 2014]. Согласно результатам обзора публикаций, представленных в MEDLINE и посвященных программам когнитивного тренинга, их число в период 2000—2018 гг. составило более четырех тысяч [Harvey, 2018]. На основе анализа таких работ сделано заключение, что большая часть результатов свидетельствует об улучшении тех когнитивных функций, которые включались в тренировку, однако мнения относительно переноса полученного эффекта на другие функции расходятся [Brehmer, 2012; Kueider, 2012; Matysiak, 2019; Van Muijden, 2012; Zinke, 2014]. Остаются также невыясненными вопросы, посвященные выбору оптимальной программы и продолжительности тренинга, роли индивидуальных базовых когнитивных способностей или стандартизации батареи тестирования когнитивных функций [18; 19; 22; 31; 34; 36; 52]. Это заключение подтверждают выводы другого метаанализа результатов тренировки памяти пожилых людей, согласно которым невозможно пока выделить прогностические факторы ее эффективности вследствие представленного в работах большого разнообразия методических и методологических подходов [Roheger, 2020]. Несмотря на неопределенность локализации обусловленных когнитивной тренировкой структурных изменений в мозге и величины этих эффектов, наиболее устойчивые изменения показаны для гиппокампа пожилых людей [Bråthen, 2018; Hedden, 2016; Thomas, 2013; Van Petten, 2004]. Гиппокамп является той структурой мозга, функции которой связаны с формированием зрительной памяти [Lee, 2012; Zammit, 2017], и возрастная атрофия его нейронов ассоциируется с сопутствующими старению изменениями памяти [Tsapanou, 2019]. Среди разных форм памяти, изменения которых связаны со старением, наибольшее внимание уделяется тренировке рабочей и кратковременной памяти [Borella, 2014; Brehmer, 2012; Matysiak, 2019; Roheger, 2020]. Следовательно, информативным способом изучения наиболее вероятных возрастных и индивидуальных пластических изменений функций мозга в ходе когнитивной тренировки может быть применение заданий требующих вовлечения функций кратковременной пространственной памяти.
Изучение роли индивидуальных когнитивных ресурсов памяти и исполнительного контроля поведения представляет отдельный интерес. Согласно гипотезе вовлечения дополнительных нейронных сетей, связанного с компенсацией (Compensation-Related Utilization of Neural Circuits Hypothesis — CRUNCH) [Reuter-Lorenz, 2008], пожилые люди могут достичь сходного с молодыми запоминания за счет усиления активации префронтальных областей коры. Высказываются две противоположные гипотезы в отношении эффективности когнитивной тренировки: лучших результатов достигают лица с высоким уровнем исполнительного контроля как результат уже сформированной пластичности нейронных сетей [Beigneux K, Plaie, 2007] или, наоборот, — с низким — вследствие большего потенциала обучения [Reuter-Lorenz, 2008].
Целью настоящего исследования стал сравнительный анализ временной динамики изменений эффективности кратковременной зрительной пространственной памяти и значения ее индивидуального базового уровня у пожилых людей в сравнении с молодыми. Еще одной задачей работы было выяснение роли исполнительного контроля поведения в условиях самостоятельного формирования режима тренировки участниками исследования для достижения 80% точности воспроизведения пространственных паттернов.
Методика
В исследовании принимали участие 157 испытуемых: 65 женщин пенсионного возраста (65,8±7,5 лет), слушательницы Народного факультета университета, (ГрП), и 92 студентки очного отделения факультета гуманитарного образования (20,1±1,4 лет) (ГрМ).
Для определения эффективности кратковременной зрительной пространственной памяти использовали модифицированную компьютеризированную методику «Visual Patterns Test» [Craik, 2012], представленную на разработанном нами сайте psytest.nstu.ru. На экране компьютера предъявлялось двумерное поле, разделенное на клетки 6х6, часть из которых случайным образом была окрашена (рис. 1 А). Минимум стимулов составлял 3, максимум — 13, время предъявления — 2 сек. После их исчезновения необходимо было указателем мыши отметить те места, где стимулы появлялись. После правильного выбора (отмечено зеленым на рис. 1 А) при следующем предъявлении количество стимулов увеличивалось. При ошибочном выборе (отмечено красным крестиком с указанием правильного паттерна, выделенного желтым цветом, рис. 1 Б) участнику эксперимента вновь предъявлялось то же количество стимулов, при повторной ошибке их количество уменьшалось на единицу (рис. 1 В). Каждая следующая проба запускалась самостоятельным запуском клавиши «Далее».
Рис. 1. Примеры скриншота экрана компьютера при тестировании кратковременной зрительной памяти: А — правильное воспроизведение стимулов; Б — ошибка при воспроизведении; В — уменьшение количества стимулов при повторной ошибке
Всего возможно было осуществить 5 ошибочных попыток. Эффективность воспроизведения определялась в % от максимально возможного числа стимулов: 100% отражали правильное воспроизведение 88 стимулов, предъявленных в 11 пробах без ошибок. При появлении ошибок показатель воспроизведения снижался: например, при достижении правильного воспроизведения 6 стимулов с использованием пяти проб и с 3 ошибками показатель воспроизведения составлял 44%, а при точном воспроизведении 10 стимулов с такой же эффективностью запоминания — 73%.
Для понимания условий тестирования участникам эксперимента предлагалась упрощенная серия запоминания с меньшим числом стимулов и полем 5×5. Инструкция для последующей многократной тренировки дома была дана студентам на практических занятиях по психологии, а слушателям Народного факультета — на лекции, посвященной психофизиологии старения мозга, и практическом занятии в компьютерном классе. Под наблюдением преподавателя участники эксперимента регистрировались на сайте, знакомились с заданием и выполняли первую сессию, далее им предлагалось систематически выполнять задание до устойчивого достижения 80—100% эффективности воспроизведения. Результаты всех сессий сохранялись в базу данных на сервере университета.
Результаты и их обсуждение
Сравнение эффективности запоминания в первой сессии тестирования выявило меньшие значения воспроизведения в ГрП по сравнению с ГрМ (50,1±1,9 и 68,2±1,6% соответственно; p<0,000001, согласно критерию Манна—Уитни). Причем в ГрП только 12% участников исследования продемонстрировали воспроизведение лучше 60%, тогда как в ГрМ — 56%. Такой результат соответствует многочисленным данным об ухудшении показателей кратковременной зрительной памяти в пожилом возрасте [см., например: 2; 3; 13; 38; 41; 51]).
В ГрМ повторное тестирование выполнили 90% (10% достигли поставленного инструкцией результата с первого раза), к 10-ой сессии тестирования их количество снизилось до 27%, а к 30-й сессии — до 5%; в ГрП повторно задание выполнили 78% участников исследования (22% отказались от дальнейшей тренировки), 30 сессий — 18% (рис. 2), а более 50 раз — только 9%. Следует отметить, что сходное снижение числа участников комплексной когнитивной тренировки было отмечено в ходе финского гериатрического исследования, направленного на профилактику когнитивных нарушений [Turunen, 2019]. Анализ периодичности тренировки показал отсутствие ее систематичности в обеих группах: в ГрМ большая часть тренировок выполнялась в течение одной—двух недель, максимально — на протяжении месяца; в ГрП — на протяжение 2—3 месяцев и максимально — более года.
Рис. 2. Изменения количественного состава участников тренировки в зависимости от числа выполненных сессий (пунктир — молодые, ГрМ; сплошная — пожилые, ГрП)
На рис. 3 показана динамика эффективности запоминания в ходе тренировки. Воспроизведения памяти на уровне 80% представители ГрМ достигали в среднем в результате выполнения 5—10 сессий тренировки, ГрП этого результата не достигла и после 20 сессий тренировки.
Для сравнительного анализа динамики воспроизведения были рассмотрены первые четыре сессии, так как на этом этапе количество участников исследования в обеих группах, учитывая показанный выше эффект их снижения (рис. 2), было сходным. ANOVA с факторами ВОЗРАСТ (2) и СЕССИЯ (4) выявил значимые различия (соответственно, F(1,85)=38,98; η2=0,31; p<0,000001 и F(3, 255)=12,70; η2=0,13; p<0,000001) в показателях успешности выполнения задания — меньшие значения в ГрП по сравнению с ГрМ (53,1±2,0 и 69,9±1,8) и увеличение значений показателей в 3-й и 4-й сессиях по сравнению с 1-ой (0,000001<p<0,005 при post hoc сравнении с поправкой Бонферрони) (см. первые четыре сессии на рис. 3).
Анализ результатов выполнения 20 сессий выявил улучшение зрительно-пространственной памяти в ходе тренировки в обеих возрастных группах (для ГрМ: p<0,000001; для ГрП: p=0,024, согласно критерию Фридмана). Однако представленные на рис. 3 данные свидетельствуют об относительно меньшей эффективности тренировки в ГрП, чем в ГрМ, хотя динамика повышения значений показателей успешности выполнения заданий в первых пяти сессиях была сходной. В дальнейшем, однако, динамика повышения успешности выполнения заданий на протяжении 20 тренировок в ГрП не претерпела существенных изменений, тогда как у испытуемых ГрМ отмечалось повышение значений показателей успешности выполнения заданий на 20% (p<0,0001). Подобный более выраженный эффект улучшения пространственной и вербальной памяти у испытуемых молодого возраста по сравнению с испытуемыми зрелого возраста был отмечен в результате пятинедельной компьютеризированной тренировки [Brehmer, 2012].
Рис. 3. Динамика эффективности запоминания в 20-ти сессиях в группах пожилых (сплошная — пожилые, ГрП) и молодых (пунктир, ГрМ)
Таким образом, следует констатировать, что большинство участников исследования из ГрП прекращают самостоятельную тренировку, не достигнув установленного инструкцией уровня выполнения заданий по воспроизведению пространственной памяти. Ранее при изучении мотивационных индукторов поведения, составленных с использованием когнитивно-динамического подхода Нюттена [Нюттен], нами было показано, что, несмотря на признание необходимости когнитивной тренировки как составляющей поддержания ментального здоровья [Разумникова, 2018], к реализации такой формы деятельности приступает только малая часть пожилых. Среди тех, кто согласился на тестирование, большинство прекращают тренировочную деятельность в течение одно—двух месяцев, а продолжают ее лишь около 8%, согласно результатам нашего исследования. При анализе возрастных изменений программы выполнения действий показано ослабление функций инициации действий и их переключения у пожилых [Acosta, 2013]. Следовательно, невысокую эффективность самостоятельной тренировки пространственной памяти можно связать с ослаблением исполнительного контроля и инициативы в освоении новых видов деятельности.
Недостаточная настойчивость и систематичность в выполнении задания студентами, по-видимому, также может быть обусловлена слабым исполнительным контролем у части студентов, что проявляется в обнаруженной связи с их низкой академической успеваемостью [Разумникова, 2019].
Более медленное улучшение показателей памяти в ГрП по сравнению с ГрМ согласуется с результатами исследования, свидетельствующими о необходимости более длительной тренировки для получения положительного результата при использовании программ компьютерной тренировки кратковременной памяти [Corbett, 2015; Klimova, 2016].
Результаты сравнения изменений показателей памяти вследствие тренировки тех участников исследования из ГрП (5 человек), которые продолжали выполнять задание на протяжении более трех месяцев, приведены на рис. 4. Эффект улучшения памяти был достоверен (p = 0,003, согласно критерию Фридмана), и успешность воспроизведения составила 80%. Результаты выполнения задания в ходе сессий 84—87 характеризовались не только более высокими значениями, но также имели меньший разброс значений по сравнению с первыми четырьмя сессиями. Несмотря на полученный положительный эффект длительной тренировки, достигла его только очень малая часть ГрП. Таким образом, следует согласиться с заключением, что домашние тренировки без внешнего контроля их выполнения недостаточно эффективны [Lampit, 2014], однако только для тех лиц, кто не обладает высоким самоконтролем деятельности. Настойчивость в достижении поставленной цели приводит к ее реализации: улучшению пространственной памяти.
Рис. 4. Показатели памяти у лиц пожилого возраста в первых четырех и в восьмидесятых сессиях тренировки
Для выяснения значения базового уровня памяти в каждой группе были выделены подгруппы с высоким и низким значениями показателей памяти (Гр1 и Гр0 соответственно), согласно средним значениям для ГрП и ГрМ. Численный состав сформированных таким образом групп для ГрП составил 28 человек в Гр1 и 37— в Гр0 с показателями успешности выполнения заданий 59,9±10,4 и 42,7±6,5% (возраст в этих подгруппах не различался: 65,1 и 66,3 лет); ГрМ разделилась пополам: 46 и 46 человек, с показателями воспроизведения, 82,2±12,3 и 54,2±8,7% соответственно.
Результаты ANOVA с включением факторов ВОЗРАСТ (2) и ГРУППА (2) для двух первых сессий тестирования наряду с уже описанными общими эффектами, свидетельствующими о более успешном воспроизведении пространственных паттернов в ГрМ, чем в ГрП и в Гр1, чем в Гр0, также выявил взаимодействие факторов: ВОЗРАСТ × ГРУППА и ГРУППА × СЕССИЯ (таблица).
Таблица
результаты дисперсионного анализа показателей воспроизведения пространственных паттернов в первых двух сессиях тренировки как зависимых переменных и независимых факторов возраст и группа
|
Переменные |
df |
F |
p |
η2 |
Эффект |
||||
|
ВОЗРАСТ |
1, 131 |
91.21 |
<.00001 |
.41 |
52,1±1,4 в ГрП и 69,2±1,1 в ГрМ |
||||
|
ГРУППА |
85.47 |
<.00001 |
.39 |
52,4±1,1 в Гр0 и 68,9±1,3 в Гр1 |
|
||||
|
ВОЗРАСТ × ГРУППА |
5.32 |
.02 |
.04 |
Нет различий между Гр0_ГрМ и Гр1_ ГрП (рис. 5 А) |
|
||||
|
ГРУППА × СЕССИЯ |
19.45 |
.00002 |
.13 |
Нет различий между 1 и 2 сессиями в Гр1 (рис. 5 Б) |
|
||||
Взаимодействие факторов ВОЗРАСТ × ГРУППА было обусловлено отсутствием различий между показателями воспроизведения у пожилых женщин с высокими начальными значениями показателей памяти (Гр1_ГрП) и студентками с низкими значениями показателей памяти (Гр0_ГрМ) при значимых возрастных и групповых различиях (рис. 5 А). Post hoc анализ взаимодействия ГРУППА х СЕССИЯ показал повышение показателя памяти в Гр0 во второй сессии по сравнению с первой при отсутствии значимых изменений в Гр1 (рис. 5 Б).
Для анализа более длительного периода тренировки и дальнейшей оценки ее результатов было отобрано 12 сессий в связи с отмеченной выше тенденцией к уменьшению численности выполняющих задание групп при увеличении количества проб. Согласно критерию Фридмана, достоверное повышение значений показателей воспроизведения пространственных паттернов обнаруживается у испытуемых трех групп: Гр0_ГрМ (N = 14; Chi Sqr. = 45,76; p = 0,00001), Гр1_ГрМ (N = 10; Chi Sqr. = 21,04; p = 0,033) и Гр0_ПрП (N = 13, Chi Sqr. = 29,18; p = 0,002), а для Гр1_ГрП — только на уровне тенденции (N = 10, Chi Sqr. = 19,26; p = 0,067). Дальнейшая проверка временной динамики воспроизведения паттернов стимулов показала, что эффект улучшения памяти для Гр1_ГрП становится достоверным только после 30 сессий (ANOVA Chi Sqr. (N = 5; df = 29) = 44,90; p = 0,030).
Таким образом, результаты тренировки кратковременной зрительной пространственной памяти зависят как от возраста, так и от базового уровня памяти. Молодые лица не только характеризуются лучшей пространственной памятью, но и быстрее достигают ее высокого или максимального значения. Этот эффект можно рассматривать как подтверждение большей у них пластичности нейронной системы, обеспечивающей быстрое запоминание получаемой информации [Bissig, 2007]. Учитывая, что не только молодые, но и часть пожилых лиц с высокими базовыми показателями пространственной памяти достигают результативности тренировки раньше тех, у кого они были более низкими; можно заключить, что такая пластичность является компенсаторным ресурсом, сформированным в ходе предшествующего обучения и когнитивной активности [Greenwood, 2010; Mora, 2013]. С другой стороны, более быстрая динамика показателей успешности воспроизведения пространственных объектов вне зависимости от возраста, отмеченная у лиц с относительно низкими начальными значениями памяти, согласуется с гипотезой о влиянии потенциала обучения запоминанию на результаты когнитивной тренировки [Mitchell, 2018]. В свою очередь наблюдаемое лишь у небольшой части представителей ГрП достижение в ходе длительной тренировки высокого уровня пространственной памяти, характерного для молодых, подтверждает гипотезу CRUNCH, согласно которой высокий исполнительный контроль поведения и сопровождающее его дополнительное вовлечение активации префронтальных отделов коры [Reuter-Lorenz, 2008; Xuan, 2020] позволяет компенсировать связанное со старением ослабление когнитивных функций. Учитывая, что только 8—10% пожилых людей [Turunen, 2019] продолжили, по нашим данным, индивидуальную когнитивную тренировку, возникает вопрос о поиске более продуктивного способа проведения занятий. Возможно, он может быть решен за счет организации групповых занятий, доказавших свою эффективность как в случае выполнения тренировочного задания всеми занимающимися в компьютерном классе участниками нашего исследования, так и при систематическом применении групповых когнитивных тренировок в геронтологических центрах [Kelly]. В качестве дополнительного фактора стимуляции компьютеризированного когнитивного тренинга рассматривается осознание респондентами симптомов психических и неврологических нарушений [Goghari, 2020].
Рис. 5. Изменения показателей кратковременной зрительной пространственной памяти в зависимости от базового уровня памяти и возраста (А) или сессий тренировки (Б): ГрП — пожилые; ГрМ — молодые участники тренировки; Гр1 — с более высокими, Гр0 — с низкими первоначальными значениями показателей памяти
Заключение
Для повышения эффективности кратковременной зрительной пространственной памяти пожилым людям требуется не менее 80 сессий тренировки в течение нескольких месяцев, тогда как для обучения молодых лиц достаточно 20 сессий на протяжении 1—2 недель. Достижение максимальных значений показателей воспроизведения полученной информации быстрее происходит в случае изначально высокой способности к запоминанию пространственных паттернов, однако эффект тренировки на первых этапах в большей степени проявляется у лиц с низкими значениями показателей памяти независимо от возраста. Таким образом, можно заключить, что эффективность тренировки пространственной памяти на первых этапах обусловлена способностями обучения, а реализация компенсаторных ресурсов мозга и достижение сравнимого с молодыми результата у лиц пожилого возраста определяется высоким уровнем исполнительного контроля поведения и требует длительной (более трех месяцев) систематической тренировки.