Brain oscillatory responses, working memory and cognitive developmental stages in 11- and 14-year-old children: an ERD/ERS study

Aim: So far, most of the cognitive neuroscience studies investigating the development of brain activity in childhood have made comparisons between different age groups and ignored the individual stage of cognitive development. Given the wide variation in the rate of cognitive development, this study argues that chronological age alone cannot explain the developmental changes in brain activity. This study demonstrates how Piaget s theory and information on child s individual stage of development can complement the age-related evaluations of brain oscillatory activity. In addition, the relationship between cognitive development and working memory is investigated. Method: A total of 33 children (17 11-year-olds, 16 14-year-olds) participated in this study. The study consisted of behavioural tests and an EEG experiment. Behavioral tests included two Piagetian tasks (the Volume and Density task, the Pendulum task) and Raven s Standard Progressive Matrices task. During EEG experiment, subjects performed a modified version of the Sternberg s memory search paradigm which consisted of an auditorily presented memory set of 4 words and a probe word following these. The EEG data was analyzed using the event-related desynchronization / synchronization (ERD/ERS) method. The Pendulum task was used to assess the cognitive developmental stage of each subject and to form four groups based on age (11- or 14-year-olds) and cognitive developmental stage (concrete or formal operational stage). Group comparisons between these four groups were performed for the EEG data. Results and conclusions: Both age- and cognitive stage-related differences in brain oscillatory activity were found between the four groups. Importantly, age-related changes similar to those reported by previous studies were found also in this study, but these changes were modified by developmental stage. In addition, the results support a strong link between working memory and cognitive development by demonstrating differences in memory task related brain activity and cognitive developmental stages. Based on these findings it is suggested that in the future, comparisons of development of brain activity should not be based only on age but also on the individual cognitive developmental stage.

Tavoite: Kognitiivinen neurotiede on perinteisesti lähestynyt kognitiivista kehitystä vertailemalla aivojen toimintaa eri-ikäisillä lapsilla. Saman ikäryhmän sisällä on kuitenkin paljon vaihtelua yksilöllisessä kognitiivisen kehityksen vaiheessa. Tämän tutkimuksen lähtökohtana on, että ikäryhmien vertailu ei yksinään riitä aivotoiminnan kehityksellisten muutosten kuvaajaksi, vaan myös kognitiivinen kehitystaso on syytä huomioida. Tutkimuksen tavoitteena on selvittää, miten Piaget n ajattelun kehityksen teorian määrittämät kehitystasot voivat täydentää perinteisin ikävertailuihin perustuvien menetelmien avulla saatavaa tietoa aivokuoren oskillaatioiden kehityksestä. Lisäksi tavoitteena on tutkia kognitiivisen kehityksen ja työmuistin välistä suhdetta. Menetelmät: Tutkimukseen osallistui 33 lasta (17 11-vuotiasta, 16 14-vuotiasta). Tutkimus koostui behavioraalisista testeistä ja EEG-mittauksesta. Behavioraalisiin testeihin sisältyivät ikäluokalle sopivat Piaget n ajattelun kehitystason testit (Massa ja tilavuus, Heiluri) sekä joustavan älykkyyden mittarina Ravenin matriisitesti. EEG-mittauksen aikana osallistujat suorittivat muokattua Sternbergin muistitehtävää, jossa heille esitettiin auditiivisesti neljä sanaa muistiinpainettavaksi sekä yksi kohdesana. EEG-aineisto analysoitiin käyttäen tapahtumasidonnaisen desynkronisaation ja synkronisaation analyysimenetelmää (event-related desynchronization/synchronization, ERD/ERS). Heiluri-tehtävää käytettiin määrittämään osallistujien kognitiivinen kehitystaso, ja tämän perusteella osallistujat jaettiin neljään ryhmään iän (11 tai 14 vuotta) ja kehitystason (konkreettien tai formaalien operaatioiden vaihe) perusteella. EEG-aineistolle tehtiin ryhmävertailut tähän ryhmäjakoon perustuen iän ja kehitystason suhteen. Tulokset ja johtopäätökset: Ryhmien väliltä löytyi sekä ikään että kognitiiviseen kehitystasoon liittyviä eroja aivokuoren oskillaatioiden toiminnassa. Ikään liittyvät erot vastasivat pääosin aiemmissa tutkimuksissa esitettyjä, mutta näiden erojen ilmenemiseen vaikuttavat myös erot kehitystasossa. Ikäryhmän sisäinen vaihtelu kognitiivisen kehityksen vaiheessa saattaa peittää osan kehityksellisistä muutoksista aivotoiminnassa, jos kehitykselliset vertailut perustuvat vain osallistujien ikään. Lisäksi tulokset tukevat työmuistin yhteyttä kognitiivisen kehitykseen. Tulosten perusteella ehdotetaan, että tulevissa tutkimuksissa tulisi huomioida aiempaa paremmin iän lisäksi myös yksilöllinen kognitiivinen kehitystaso.