Plasticity of executive control across the lifespan. Examining cognitive, motivational, and neural mechanisms of task-switching training in children and older adults

Abstract

The overarching goal of the present thesis was to investigate cognitive, motivational, and neural mechanisms of plasticity in response to training of executive control at the outer stages of the lifespan (i.e., in childhood and in old age). The ability to exert executive control is one of the most fundamental human capacities for the enduring guidance of goal-directed behavior. Executive control is hierarchically organized into global and local processes that can be well dissociated in the task-switching paradigm. In order to measure global mixing costs, mean performance for single-task and mixed-task blocks are contrasted, thereby reflecting efforts to maintain and select between task sets. Local switching costs express performance differences between switch and repeat trials within mixed-task blocks, and therefore measure the ability to flexibly shift between tasks. A coordinated interplay of global and local task-switching abilities aids the precise implementation of controlled behavior. Importantly, global and local task-switching abilities show differential developmental trajectories over the lifespan, hence are differentially prone to immaturity in childhood – especially in cases when children suffer from developmental disorders, such as attention-deficit/ hyperactivity disorder (ADHD) – or to senescent decline in advanced age. Specifically, it has been documented that global functions mature later in childhood, while showing an earlier decline in old age, than local functions. At the same time, repeated practice in task switching has been shown to enhance such reduced executive abilities in early and late age ranges, thus providing a means for compensation. Therefore, we applied specific age-appropriate variants of task-switching training in children and older adults to investigate the scope of lifespan plasticity in local versus global aspects of executive control. The present dissertation consists of four manuscripts reporting theoretical and empirical evidence on the effectiveness of task-switching training over the lifespan. The first publication (Paper I) is a review chapter, where we discuss task-switching training and potential modulating influences on its effectiveness in different age groups in the light of a recent theoretical framework on cognitive plasticity. Based on the conclusions derived from Paper I, we designed and empirically tested specific variations of training interventions for children and older adults that are presented in the subsequent papers (Papers II – IV). Paper II and III set a focus on task-switching plasticity in childhood. It has been well documented that children often do not benefit from cognitive training to their full capability due to a lack of training motivation or of willingness to perform cognitive tasks. This is also associated with an increased sensitivity for reward due to the earlier maturation of the appetitive socio-emotional compared to the rational cognitive system. Children’s resulting high need for reward is not adequately nurtured in low-rewarding standard settings of cognitive training. Importantly, in children suffering from specific developmental disorders, such as ADHD, the imbalance between motivational and cognitive factors appears even larger. As a result, ADHD children show not only a reduced willingness to train but also a fundamentally altered response style, such as rapid responding at the expense of accuracy or a general increase in response variability, while they perform repetitively on a cognitive task. Implementing a motivationally enriched training setting, such as adding video-game elements in children, especially in case when they suffer from ADHD, may be a useful manipulation to enhance their engagement in meeting the demands of cognitive training and to align their behavior. Therefore, in the course of two intervention studies, we empirically investigated the interaction of cognitive and motivational mechanisms underlying training-induced plasticity in healthy (Paper II) and in ADHD-diagnosed children (Paper III). The results of Paper II suggested that in typically developed children, adding video-game elements to a task-switching training setting promoted training willingness and local task-switching performance. Specifically, we obtained a larger reduction of switching costs in the training task and in an untrained task switching situation. However, this incremental cognitive benefit did not generalize to global task-switching abilities (i.e., to the mixing-cost level) or to other task domains of executive control (i.e., to different inhibition or working memory tasks). The results of Paper III indicated that in ADHD children, the addition of video-game elements to a training setting also clearly enhanced the willingness to train (i.e., voluntary motivational control), and had an even more sustainable effect than in healthy children, which was in line with the compensation view. However, at the same time, this setting condition also established a more severe level of behavioral inappropriateness, thus fueling an unintentional motivational drive. In turn, on the cognitive level, the high-motivational training setting did not enable any larger performance improvements than a standard setting in ADHD children. This was the case for both local and global task-switching processes, both on mean-level performance and performance variability. Hence, regarding the use of cognitive interventions, such as task-switching training, during periods early in the lifespan, we endorse the consideration of an appealing motivational training setting in typically developed children. Such an enriched setting may enhance training willingness and boost cognitive development, at least in training-specific, local executive processes. However, in subclinical samples that become easily distracted, such as in children diagnosed with ADHD, one should only carefully manipulate the training setting to avoid an ‘over-heating’ or further distraction by the task layout. Hence, motivation-cognition interactions might follow an inverted U-shaped dose-response function in childhood – an insight that should be taken into account when trying to design adequate training interventions for early lifespan periods. While a lack of motivation often prevents children performing to their full capability, at the other end of the lifespan, there are different important issues leading to deficient performance. In older adults, senescent changes in the brain appear to be a major contributor. Therefore, Paper IV focuses on an empirical investigation of the neural correlates of training-induced plasticity in older adults, based on a similar task-switching regime. Task switching is neurally subserved by spatio-temporal interactions of brain activation; that is, by a dynamic interplay of enduring, sustained (block-related) brain activation across fronto-striatal networks, and brief, transient (trial-related) brain activation across fronto-parietal networks. Older adults show large disturbances in this dynamic functional recruitment of brain activation. A few functional magnetic resonance imaging (fMRI) studies provided the first evidence that older adults can change the spatial distribution of brain activation across cortical and subcortical networks as a response to cognitive training. However, these studies failed to investigate such spatial changes depending on the timescale of brain signals. Therefore, we specifically analyzed the spatio-temporal dynamics underlying training-related functional plasticity of task activation in old age. Paper IV elucidates these mechanisms within the task-switching paradigm based on a mixed block-/ event-related fMRI design that helps to directly separate the changes on sustained and on transient brain activation within the same analysis. In this study, we were also interested in whether training would promote a more similar or dissimilar neural processing pattern during task switching compared to younger adults.The results of Paper IV indeed revealed spatio-temporal interactions underlying neural plasticity after task-switching training in old age: that is, task-switching training promoted (1) a reduction of overall sustained responses in fronto-striatal circuits, perhaps to set resources free for precise transient modulations; (2) a fine-tuning of transient responses in fronto-parietal circuits, which was associated with larger performance improvements in global and local task-switching processes (i.e., with a larger reduction of behavioral mixing and switching costs); and (3) a dissimilar neural pattern to younger adults, which clearly pointed to a training-induced boost of neural compensation. Hence, regarding the use of cognitive interventions in old age, the present thesis provides important new insights into the neural mechanisms underlying training-induced behavioral improvement in executive-control functioning. To uncover the latent potentials of the aging brain, one needs to consider interactions between spatial and temporal dynamics of brain activation. Another noteworthy finding is that training in older adults may not simply restore the neural processing pattern of younger adults. In contrast, training may help older adults establish an alternative, compensatory processing pattern that enables people to deal with executive-control demands even at an advanced age. Hence, our findings imply that training late in the lifespan should aim at the fine-tuning and boosting of still preserved mechanisms. Altogether, the present thesis contributes to a more comprehensive understanding of the complex mechanisms underlying and modulating training-induced plasticity in executive control across the lifespan.

Im Fokus der vorliegenden Arbeit stand die Erfassung kognitiver, motivationaler und neuronaler Mechanismen trainingsinduzierter Plastizität nach einem exekutiven Kontrolltraining in unterschiedlichen Altersbereichen, hier speziell in den Endabschnitten der Lebenspanne (d. h. in der Kindheit und im höheren Erwachsenenalter). Das Vermögen zur Ausübung exekutiver Kontrolle ist eine der fundamentalen menschlichen Fähigkeiten zur Steuerung zielorientierten Verhaltens. Exekutive Kontrolle unterteilt man hierarchisch in globale und lokale Prozesse, die im sogenannten Aufgabenwechselparadigma dissoziiert werden können. Globale Wechselkosten werden als Differenz von Einzelaufgaben- und Wechselaufgabenblöcken berechnet und reflektieren den Aufwand für die Aufrechterhaltung und Selektion von Aufgabensets. Lokale Wechselkosten hingegen werden als Differenz von Wechsel- und Nicht-Wechsel-Durchgängen innerhalb von Wechselaufgabenblöcken berechnet und spiegeln den Aufwand für das flexible Alternieren zwischen Aufgabensets wider. Ein koordiniertes Zusammenspiel dieser globalen und lokalen Fähigkeiten zum Aufgabenwechsel ermöglicht eine präzise Implementierung von kontrolliertem Verhalten. Von besonderer Bedeutung sind die unterschiedlichen Entwicklungstrajektorien globaler und lokaler Fähigkeiten über die Lebensspanne. Diese bedingen eine unterschiedliche Anfälligkeit für relative Unreife in der Kindheit – besonders im Falle vorliegender Entwicklungsstörungen, wie dem Aufmerksamkeitsdefizit-/ Hyperaktivitäts-Syndrom (ADHS) – oder für Seneszenz im hohen Lebensalter. Im Speziellen konnte gezeigt werden, dass globale Funktionen in der Kindheit später ausreifen als lokale Funktionen, zugleich aber auch einem früheren, altersbedingten Abbau im hohen Lebensalter unterliegen. Demgegenüber hat sich gezeigt, dass bestehende Einschränkungen bei exekutiven Funktionen im frühen und späten Lebensalter durch gezieltes, wiederholtes Training im Aufgabenwechselparadigma eingedämmt werden können und somit ein entsprechendes Training kompensatorischen Nutzen bringen kann. Aus diesem Grund wurden im vorliegenden Dissertationsprojekt spezifische, altersangemessene Varianten von XVII Aufgabenwechsel-Trainings bei Kindern und älteren Erwachsenen eingesetzt, um die Reichweite der Lebensspannenplastizität in lokalen versus globalen Aspekten exekutiver Kontrolle zu erproben. Die vorliegende Dissertation umfasst vier Artikel, in denen theoretische und empirische Evidenz für die Effektivität des Aufgabenwechseltrainings über die Lebensspanne berichtet wird. Bei der ersten Publikation (Artikel I) handelt es sich um ein Überblickskapitel, in dem gegenwärtige Literatur zum Aufgabenwechseltraining zunächst allgemein im Kontext eines theoretischen Rahmenmodells zur kognitiven Plastizität beleuchtet wird. Hiernach werden potenziell modulierende Einflussfaktoren auf die Effektivität dieser Trainingsform in unterschiedlichen Altersgruppen diskutiert. Ausgehend von den Empfehlungen dieses Überblicksartikels wurden spezifische Variationen von Trainingsinterventionen für Kinder und ältere Erwachsene entwickelt, die in den nachfolgenden Artikeln genauer dargestellt werden (Artikel II – IV). Die Artikel II und III fokussieren auf die Plastizität von Aufgabenwechselfähigkeiten im Kindesalter. Kinder ziehen oftmals nicht den vollen Nutzen aus einem kognitiven Training, was auf eine mangelnde Trainingsmotivation bei fehlendem Belohnungskontext zurückzuführen ist. Diese reduzierte Trainingsbereitschaft hängt mitunter mit der früheren Ausreifung des belohnungssensitiven sozio-emotionalen Systems im Vergleich zur späteren Ausreifung des rationalen kognitiven Systems im Kindesalter zusammen. Dem resultierenden erhöhten Bedarf nach Belohnung wird in Standardsettings kognitiver Trainings im Kindesalter nicht adäquat Rechnung getragen. Bei Kindern, die unter Entwicklungsstörungen wie ADHS leiden, scheint das Ungleichgewicht aus motivationalen und kognitiven Faktoren besonders ausgeprägt zu sein. Folglich zeigen Kinder mit ADHS nicht nur eine mangelnde Trainingsbereitschaft, sondern auch ein fundamental verändertes Antwortverhalten, wie z. B. einen impulsiven Antwortstil (d. h. schnelles Antworten auf Kosten der Genauigkeit) oder eine generelle Zunahme der XVIII Verhaltensvariabilität während der Bearbeitung weniger attraktiver kognitiver Aufgaben. Eine motivational angereicherte Trainingsumgebung, wie beispielsweise durch das Einführen von Videospielelementen, mag bei Kindern – insbesondere mit ADHS– Diagnose – eine nützliche Steuerungsmöglichkeit darstellen, um das Engagement zu steigern. Dieses kann dann in die Anforderungen kognitiver Trainings sowie in die Verhaltensregulierung bei der Aufgabenbearbeitung investiert werden. Daher wurde im vorliegenden Dissertationsprojekt im Zuge zweier Interventionsstudien die Interaktion zwischen kognitiven und motivationalen Mechanismen trainingsinduzierter Plastizität bei verhaltensgesunden Kindern (Artikel II) und solchen mit ADHS-Diagnose (Artikel III) empirisch untersucht. Die Ergebnisse von Artikel II zeigen, dass bei regulär entwickelten Kindern die Anreicherung des Settings eines Aufgabenwechseltrainings mit Videospiel-Elementen bedeutsam die Trainingsbereitschaft sowie lokale Aufgabenwechselfähigkeiten fördern konnte. Letzteres wurde ersichtlich durch eine stärkere Reduktion der lokalen Wechselkosten in der Trainingsaufgabe und in einer ungeübten Aufgabenwechselsituation. Dieser kognitive Mehrwert eines spielerisch angereicherten Trainingssettings generalisierte jedoch nicht auf globale Aufgabenwechselfähigkeiten (d. h. auf die Ebene globaler Wechselkosten) oder auf andere Aufgabendomänen exekutiver Kontrolle (d. h. auf strukturell unähnliche Inhibitions- und Arbeitsgedächtnisaufgaben). Die Ergebnisse von Artikel III zeigen, dass auch bei ADHS-Kindern die Anreicherung des Trainingssettings durch Videospiel-Elemente entscheidend die Trainingsbereitschaft (d. h. die willentliche motivationale Kontrolle) erhöhen konnte. Dieser Effekt war sogar zeitstabiler als bei regulär entwickelten Kindern, was auf einen motivationalen Kompensationseffekt hindeutet. Zugleich induzierte die Videospiel- Umgebung allerdings bei Kindern mit ADHS auch ein verstärktes Problemverhalten, regte nämlich außerdem unwillentliche motivationale Triebkräfte an. In der Folge führte das hoch-motivationale Trainingssetting auf kognitiver Ebene bei ADHS-Kindern nicht zu den erwarteten stärkeren XIX Leistungsverbesserungen als ein Standard-Aufgabensetting. Dieses Ergebnis bezog sich sowohl auf lokale als auch globale Aufgabenwechselprozesse, sowohl auf Ebene des mittleren Leistungsniveaus als auch auf Ebene der Leistungsvariabilität. Schlussfolgernd wird für den Einsatz kognitiver Interventionen bei regulär entwickelten Kindern eine Empfehlung für eine motivationale Anreicherung kognitiver Interventionen ausgesprochen. Durch die Implementierung von Videospielsettings können sowohl Trainingsbereitschaft als auch kognitive Entwicklungsprozesse (zumindest trainingsspezifische, lokale Prozesse) angeregt werden. Demgegenüber sollten bei subklinischen Stichproben, wie bei Kindern mit ADHS, nur vorsichtige Manipulationen des Trainingssettings vorgenommen werden, um ein „Überhitzen“ oder eine zusätzliche Ablenkung durch das Aufgabenlayout zu vermeiden. Somit scheinen motivational-kognitive Interaktionen im Kindesalter einer umgekehrt U-förmigen Dosis-Wirkungs- Beziehung zu genügen – eine Einsicht, die bei der Konzeptionierung adäquater Trainingsinterventionen für Kinder Berücksichtigung finden sollte. Während bei Kindern ein Mangel an Motivation meist zur Folge hat, dass diese nicht ihr volles Leistungspotenzial ausschöpfen, sind für Leistungsdefizite bei älteren Menschen oftmals andere Faktoren verantwortlich. Hier scheinen seneszente Veränderungen des Gehirns eine der Hauptursachen darzustellen. Daher fokussiert Artikel IV auf eine empirische Untersuchung der neuronalen Korrelate trainingsinduzierter Plastizität bei älteren Menschen auf Basis einer ähnlichen Aufgabenwechsel-Trainingsprozedur. Die Aufgabenwechselfähigkeit wird neuronal durch Interaktionen zwischen dem räumlichen Verteilungsmuster und der zeitlichen Qualität von Gehirnaktivität getragen. Im Speziellen geht man von einem dynamischen Wechselspiel zwischen einer länger andauernden (d. h. zeitlich auf einen gesamten Aufgabenblock bezogenen) Gehirnaktivität in fronto-striatalen Netzwerken und einer kurzlebigen, transienten (d. h. zeitlich auf ein XX einzelnes Ereignis bezogenen) Gehirnaktivität in fronto-parietalen Netzwerken aus. Ältere Erwachsene zeigen grundsätzliche Einschränkungen in der dynamischen funktionellen Rekrutierung von Gehirnaktivität. Einige Studien liefern jedoch unter Nutzung bildgebender Verfahren, wie der funktionellen Magnetresonanztomografie (fMRT), erste Evidenz dafür, dass ältere Erwachsene noch in der Lage sind, als Reaktion auf ein Training ihre Gehirnaktivität in kortikalen und subkortikalen Netzwerken räumlich umzuverteilen. Besagte Studien untersuchten dabei allerdings nicht die Abhängigkeit solcher räumlichen Veränderungen von der zeitlichen Qualität der Gehirnaktivität. Daher war es Ziel des vorliegenden Dissertationsprojekts, mögliche zugrundeliegende räumlich- zeitliche Interaktionen funktioneller Plastizität im höheren Lebensalter herauszustellen. In Artikel IV werden diese Mechanismen speziell innerhalb des Aufgabenwechselparadigmas untersucht und zwar mit Hilfe eines gemischten block-/ ereigniskorrelierten fMRT-Designs, welches ermöglicht, die andauernde von der transienten Gehirnaktivität innerhalb derselben Analyse zu entkoppeln. Außerdem wurde untersucht, ob solche trainingsinduzierten neuronalen Veränderungen ein eher ähnliches oder unähnliches Muster im Vergleich zu jüngeren Erwachsenen hervorrufen, wobei Letzteres auf ein Muster neuronaler Kompensation hindeutet. Die Ergebnisse von Artikel IV lieferten empirische Evidenz dafür, dass funktionelle Plastizität nach einem Aufgabenwechseltraining im höheren Lebensalter in der Tat durch räumlich-zeitliche Interaktionen gekennzeichnet ist. Im Speziellen führte das Aufgabenwechseltraining nämlich (1) zu einer Reduktion des gesamten Niveaus der andauernden Gehirnaktivität in fronto-striatalen Schaltkreisen, möglicherweise, um mehr Ressourcen für eine präzisere Modulation transienter Gehirnaktivität freizusetzen; (2) zu einem Fein-Tuning der transienten Gehirnaktivität in fronto-parietalen Schaltkreisen, welches mit breiteren Leistungsverbesserungen in globalen und lokalen Aufgabenwechselprozessen (d. h. mit einer breiteren Reduktion behavioraler globaler und lokaler Wechselkosten) assoziiert war; und (3) zu einem im Vergleich zu jüngeren Erwachsenen unähnlicheren neuronalen Verarbeitungsmuster, was auf XXI einen trainingsinduzierten Boost auf neuronale Kompensationsmechanismen hindeutete. Hinsichtlich des Einsatzes kognitiver Interventionen im höheren Lebensalter gewährt die vorliegende Dissertation somit neue Einsichten in die neuronalen Mechanismen, die trainingsinduzierten Verhaltensverbesserungen in exekutiven Kontrollfunktionen zugrunde liegen. Um die latenten Potenziale des alternden Gehirns zu erkennen, bedarf es der Betrachtung der Interaktionen zwischen räumlichen und zeitlichen Dynamiken von Gehirnaktivität. Zudem ergab sich der Befund, dass Training bei älteren Menschen nicht einfach das neuronale Verarbeitungsmuster von Jüngeren wiederherstellt, sondern eher dazu verhilft, ein alternatives, kompensatorisches Verarbeitungsmuster zu etablieren, welches auch im höheren Lebensalter zu einer erfolgreichen Bewältigung exekutiver Kontrollanforderungen befähigen kann. Somit implizieren die Ergebnisse, dass ein Training in späten Phasen der Lebensspanne darauf abzielen sollte, die noch erhaltenen Mechanismen zu fördern und feinzujustieren. Zusammenfassend liefert die vorliegende Thesis somit einen entscheidenden Beitrag zu einem besseren Verständnis der komplexen Mechanismen, die trainingsinduzierte Plastizität in exekutiver Kontrolle über die Lebensspanne bedingen und modulieren.