Effects of physical activity on neural markers of attention in children

Abstract

Huoli passiivisen elämäntavan vaikutuksista oppimisen edellytyksiin on kasvanut, kun lasten fyysinen aktiivisuus on vähentynyt. Useat tutkimukset tukevat fyysisen aktiivisuuden suojaavaa vaikutusta erilaisiin kognitiivisiin toimintoihin. Tarkkaavaisuuden kohdistaminen relevantteihin ärsykkeisiin näyttää olevan merkittävä osa oppimista, minkä vuoksi mielenkiinto on kohdistettu nykytutkimuksessa tarkkaavaisuuden mekanismeihin. Alfa-oskillaatioiden inhibitorinen rooli tarkkaavaisuudessa on saanut vahvistusta spatiaalista tarkkaavaisuutta selvittäneistä tutkimuksista. Alfa-oskillaatioiden on havaittu lateralisoituvan siten, että alfa-aktiivisuus laskee näköärsykettä prosessoivalla aivokuorella ja samanaikaisesti nousee vastakkaisella näköaivokuorella. Ei kuitenkaan ole selvää, muokkaako fyysinen aktiivisuus suoraan lasten alfa-aktiivisuutta tarkkavaisuutta mittaavan tehtävän aikana. Tutkimuksen tavoitteena oli selvittää, miten aivojen takaosan alfa-oskillaatiot lateralisoituvat tarkkaavaisuustehtävän aikana lapsilla, jotka ovat kestävyyskunnoltaan erilaisia. Koehenkilöt jaettiin kahteen ryhmään kestävyyssukkulajuoksutuloksen perusteella. Hyväkuntoisten ryhmä koostui 21 lapsesta ja keskiverto- ja huonokuntoisten ryhmä 26 lapsesta. Aivojen takaosan alfa-aktiivisuutta mitattiin magnetoenkefalografian (MEG) avulla visuospatiaalisen tehtävän aikana. Tehtävässä koehenkilöille esitettiin vihje kohdeärsykkeen suunnasta hieman ennen varsinaisen kohdeärsykkeen esittämistä. Tuloksista havaittiin, että vihjeen esittämisen jälkeen alfa-aktiivisuus laski aktiivista näkökenttää vastaavalla aivopuoliskolla ja nousi samalla passiivisen näkökentän prosessoinnista vastaavalla aivopuoliskolla. Alfa-aktiivisuuden lateralisoituminen oli tilastollisesti merkitsevää 300–1300 ms:a vihjeen esittämisen jälkeen. Ryhmien välillä ei havaittu tilastollisesti merkitseviä eroja alfa-lateralisaatiossa. Kuitenkin keskiverto- ja huonokuntoisista lapsista koostuvassa ryhmässä havaittiin hieman voimakkaampaa oikeaan näkökenttään kohdistuvaa tarkkaavaisuutta 0–500 ms vihjeen esittämisen jälkeen. Tämä ero ei ollut havaittavissa enää 500–1000 ms vihjeen esittämisen jälkeen. Yhteenvetona voidaan todeta, että tarkkaavaisuus moduloi alfa-oskillaatioita 12–16 -vuotiailla lapsilla. Lisäksi havaittiin viitteitä parempikuntoisten lasten vähäisemmästä oikeaan näkökenttään kohdistuvasta vinoutuneesta tarkkaavaisuudesta, mikä saattaa olla hyödynnettävissä lasten yksilöllisen kehitystason arvioinnissa, sillä oikealle puolelle kohdistuvaa harhaa on aikaisemmin havaittu pienillä lapsilla ja aikuisilla, joilla on tarkkaavaisuusongelmia.

Low levels of physical activity among children have raised concerns over the effect of sedentary lifestyle on prerequisites of learning. Ample evidence has supported the protective effect of physical activity on wide range of cognitive functions. The role of attention disengagement in learning has steered the research towards further investigation of attention mechanisms. The studies investigating spatial attention have strengthened a functionally inhibitory role of alpha oscillations in attention. When attention is allocated to other hemifield, alpha activity increases in hemisphere ipsilateral to attended hemifield and decreases in hemisphere contralateral to attended hemifield. However, it remains unexplored whether physical activity induces adaptations in this alpha lateralization. The aim of this study was to characterize posterior alpha modulations in children with varying physical activity level in relation to allocation of attention. The subjects were divided into high fit (n=21) and moderate-to-low (mod-low) fit (n=26) groups according to their shuttle run test results. Posterior alpha activity was measured from 12–16 year old children using magnetoencephalography (MEG) while they performed a visuospatial attention task in which a cue was presented before the target-onset. In pre-target interval, the results showed increased alpha activity in the hemisphere ipsilateral to attended hemifield, whereas the alpha activity decreased relatively in the hemisphere contralateral to attended hemifield. Among all children (n=47), the modulation was significant at 300– 1300 ms after cue-onset. In this study, the alpha modulation did not differ significantly between high fit and mod-low fit subjects. However, mod-low fit subjects showed a bias towards right visual hemifield in attention task within the first 500 ms after the cue-onset. In the time interval of 500–1000 ms after the cue-onset, the alpha modulation between the groups was similar in both hemispheres. In conclusion, the study showed that attention modulates alpha oscillations in 12–16 year old children. In addition, there was a trend for weaker rightward bias in high fit children, which might be utilized in the evaluation of the children’s developmental level, since the rightward bias is typically observed from younger children and adults with attention deficits.