Neuromagnetic studies of attention in children and youth: Role of exercise and impact on cognitive competence

Abstract

Attention has a complex relationship with internal and external influences during brain development when the brain changes considerably. This dissertation studies attention from two different perspectives: how it is affected by our activities and how it modulates other cognitive functions. More specifically, it explores the associations of physical activity (PA) and aerobic fitness (AF) with the brain bases of anticipatory and cross-modal attention in 13–17-year-old adolescents. In addition, attentional modulation of auditory processing of speech and non-speech sounds is examined in typically developed 9- to 10-year-old individuals and in children with developmental language disorder (DLD). The first study explores the links between PA and AF and the brain basis of anticipatory attention in adolescents. Results show that more active adolescents show greater interhemispheric asymmetry of brain alpha rhythm during anticipatory selective attention than less active participants, while physical fitness had no effect on activation asymmetry. There are divergent associations between PA, AF, and attention task performance for males and females. The second study explores the connection between PA and AF using neuromagnetic indicators of cross-modal visual and auditory attention in adolescents. Bilateral occipital visual areas were associated with the level of PA. The third study compares hemispheric balance during passive and active listening in children with DLD and typical language development. Children with language deficits showed less asymmetrical recruitment of the brain hemispheres than typically developing children when passively listening. During the active listening task, hemispheric involvement in children with atypical language development shifted toward a more typical pattern. The results of this thesis show that PA, but not AF, may influence the brain bases of visual attention during adolescence. In addition, the relevance of attention in auditory processing in typically and atypically developing children was indicated. Overall, attention is an important function during brain development that can be affected by experience and, in turn, modify other cognitive processes.

Tarkkaavuus on monella tavoin yhteydessä elimistömme sisäisiin ja ulkoisiin tekijöihin aivojen kehityksen aikana, jolloin aivot muovautuvat voimakkaasti. Tässä väitöskirjassa tutkitaan tarkkaavuutta kahdesta eri näkökulmasta: millä tavoin oma toimintamme vaikuttaa tarkkaavuuteen ja toisaalta miten tarkkaavuus moduloi muita kognitiivisia toimintoja. Tarkemmin sanottuna väitöskirjassa tutkitaan fyysisen aktiivisuuden ja aerobisen kunnon yhteyksiä ennakoivan tarkkaavuuden ja modaliteettien välisen tarkkaavuuden suuntaamisen aivoperustaan 13-17-vuotiailla nuorilla. Lisäksi väitöskirjassa tutkitaan millä tavoin tarkkaavuus vaikuttaa puheäänteiden ja ei-kielellisten äänteiden käsittelyyn aivoissa tyypillisesti kehittyneillä 9-10-vuotiailla lapsilla sekä lapsilla, joilla on kehityksellinen kielihäiriö. Ensimmäisessä tutkimuksessa selvitetään fyysisen aktiivisuuden ja aerobisen kunnon yhteyttä ennakoivan tarkkaavaisuuden aivoperustaan nuorilla. Tulokset osoittavat, että ennakoivan valikoivan tarkkaavaisuuden aikana fyysisesti aktiivisemmilla nuorilla oli voimakkaampi epäsymmetria aivojen alpha-taajuisessa rytmisessä toiminnassa kuin vähemmän aktiivisilla nuorilla. Fyysisen aktiivisuuden ja aerobisen kunnon yhteys kognitiiviseen toimintaan on miehillä ja naisilla erilainen. Toisessa tutkimuksessa selvitetään fyysisen aktiivisuuden ja aerobisen kunnon yhteyttä näön- ja kuulonvaraisen tarkkaavuuden jakamisen neuromagneettisiin indikaattoreihin nuorilla. Aivojen takaraivolohkojen näköaivokuoren toiminta, mutta ei ohimolohkojen kuuloaivkuoren toiminta, oli yhteydessä fyysisen aktiivisuuden määrään. Ohimolohkot (vasemmassa aivopuoliskossa) aktivoituivat tehtävässä vain rajatusti johtuen aivojen kehityksen vaiheesta. Kolmannessa tutkimuksessa tarkastellaan toiminnallista tasapainoa aivopuoliskojen välillä passiivisen ja aktiivisen kuuntelun aikana lapsilla, joilla on kehityksellinen kielihäiriö, ja lapsilla, joilla on tyypillinen kielellinen kehitys. Lapsilla, joilla on kehityksellinen kielihäiriö, aivopuoliskojen toiminta oli passiivisen kuuntelun aikana vähemmän epäsymmetristä kuin tyypillisesti kehittyvillä lapsilla. Aktiivisen kuuntelun aikana epätyypillisesti kehittyvien lasten aivopuoliskojen välinen jakauma muistutti tyypillisesti kehittyviä. Tutkielman tulokset osoittavat, että fyysinen aktiivisuus, mutta ei aerobinen kunto, voi vaikuttaa tarkkaavuuden aivoperustaan. Lisäksi tarkkaavuudella on merkitystä kuulonvaraisen tiedon käsittelyn aivoperustaan tyypillisesti ja epätyypillisesti kehittyvillä lapsilla. Kaiken kaikkiaan tarkkaavuudella on aivojen kehityksen aikana merkittävä rooli, johon kokemus voi vaikuttaa ja joka puolestaan vaikuttaa muihin kognitiivisiin toimintoihin.