Combining cognitive and neuropsychological perspectives to examine the plasticity of executive functioning in healthy aging: evidence from verbal fluency measures

Abstract

Negative age changes in cognition have been reported repeatedly. Executive functions, such as shifting and inhibition, as well as processing speed as a precondition for executive functions are among the most frequently mentioned. Consequently, great interest has emerged in finding ways to maintain or improve factors that are at an increased risk for cognitive change in healthy old age. However, training studies are hardly comparable because of a mixture of training paradigms used. The present work developed a paradigm that allows comparing the effects of training tasks targeting different cognitive functions. More precisely, the thesis pursued three goals. (1) It investigated the cognitive processes of executive functions using the same paradigm but varying the instruction of a task. (2) It further investigated training gains and transfer effects when using such tasks in a training intervention. (3) Finally, it investigated the association of transfer effects with changes in neurophysiological correlates. In study 1 the instruction of verbal fluency tasks (i.e., producing as many words as possible according to specified criteria) was varied to target different cognitive processes. Evidence demonstrated that all five verbal fluency subtests were associated with different cognitive variables. That is, processing speed, shifting, and inhibition were involved in three phonemic fluency subtests for which the specified criteria were letters, depending on the instruction used. Study 2 investigated training gains and transfer effects after three weeks of daily telephone-based training using the three phonemic fluency tasks. The findings revealed that participants trained in the task targeting shifting experienced the greatest training gains and transfer effects. Study 3 combined the identical training task with performance on an established task-switching paradigm to examine the effects on processes commonly assessed in task-switching (e.g., mixing costs and switch costs). Additionally, electrophysiological measures were applied. Evidence shows improved performance on mixing costs along with training-induced changes in parietal electrode sites. In conclusion, the present work shows that a paradigm in which the underlying cognitive processes were previously identified, allowed a direct comparison of the effects of three training tasks targeting executive functions. The task targeting shifting led to the greatest improvements in behavioral measures, corresponding to neurophysiological results. Implications of these findings together with suggestions for future research are discussed.

Zu den am häufigsten genannten altersbedingten negativen Veränderung in kognitiven Funktionen gehören exekutive Funktionen, wie Shifting und Inhibition, sowie die Verarbeitungsgeschwindigkeit als Basisfunktion exekutiver Funktionen. Das Interesse ist gross, diese Funktionen im Alter mit Hilfe kognitiver Trainings zu erhalten oder zu verbessern. Jedoch sind die Befunde bestehender Studien kaum vergleichbar, da bislang unterschiedliche Paradigmen eingesetzt wurden, um die Effekte dieser kognitiven Trainings zu untersuchen. In der vorliegenden Arbeit wurde ein Paradigma entwickelt, welches den Vergleich von verschiedenen Trainings exekutiver Funktionen ermöglicht. Durch Variation der Instruktion einer Testaufgabe konnten wir Folgendes untersuchen: (1) die zugrundeliegenden Prozesse verschiedener Untertests einer Testaufgabe, (2) das Ausmass der Trainingsgewinne und den Transfer auf untrainierte Aufgaben nach Verwendung von drei Untertests als Trainingsaufgabe (3) sowie ob Transfereffekte des erfolgreichsten Trainings mit Veränderungen in neurophysiologischen Korrelaten einhergehen. Das zentrale Element in der ersten Studie war die Aufgabe verbale Flüssigkeit (verbal fluency), welche erfordert so viele Wörter wie möglich nach einem vorgegebenen Kriterium zu nennen. Es wurde untersucht, ob durch Variation der Instruktion unterschiedliche kognitive Prozesse mit der Aufgabe assoziiert sind. Die Resultate der ersten Studie zeigten, dass alle verbalen Flüssigkeitstests ein unterschiedliches Muster von assoziierten kognitiven Prozessen aufwiesen. Vor allem bei drei phonematischen verbalen Flüssigkeitstests, die als Kriterium einen Buchstaben beinhalten, hing die Leistung in der Aufgabe je nach Instruktion mit der Verarbeitungsgeschwindigkeit, Shifting oder Inhibition zusammen. In der zweiten Studie wurden Trainingsgewinne und Transfereffekte nach Verwendung dieser drei Aufgaben in einem dreiwöchigen telefonbasierten Training untersucht. Die grössten Trainingsgewinne und Transfereffekte zeigten sich nach intensivem Training der Aufgabe, die vor allem den Prozess des Shiftings beanspruchte. In der dritten Studie wurde untersucht, ob sich die Trainingseffekte auch in Prozessen einer Aufgabenwechsel-Aufgabe und zusätzlichen Veränderungen in der Hirnaktivität zeigten. Neben einer verbesserten Leistung in mixing costs, das heisst dem Anstieg der Reaktionszeit wenn zwei Aufgaben bearbeitet werden im Vergleich zu wenn nur eine bearbeitet wird, wurden auch trainingsbedingte Veränderungen in parietalen Elektroden gefunden, welche mit der Auswahl des relevanten Aufgabensets in Verbindung gebracht werden. Zusammenfassend konnte in dieser Arbeit mittels eines Paradigmas, bei welchem die zugrundeliegenden Prozesse identifiziert wurden, das erfolgversprechendste Training exekutiver Funktionen ermittelt werden. Implikationen dieser Befunde und Vorschläge für zukünftige Studien werden diskutiert.