Adolescent development of functional brain networks of selective and divided attention

Tämän tutkimuksen tavoitteena on selvittää valikoivan ja jaetun tarkkaavaisuuden kehitystä nuoruusiässä aivojen toiminnallisen magneettikuvantamisen (fMRI) sekä behavioraalisten mittareiden avulla. Tarkkaavaisuudelle ja toiminnanohjaukselle tärkeä etuotsalohko kehittyy vielä aikuisiän saavuttamisen jälkeen, mutta nuoruusiässä tapahtuvasta kehityksestä on hyvin vähän tutkimuksia. Jaetun tarkkaavaisuuden kehitystä ei ole tutkittu aiemmin fMRI:llä. Tässä tutkimuksessa tarkkaavaisuuden kehitystä tarkastellaan sekä pitkittäis- että poikittaisasetelmilla. Lähes kaikki aiemmat tutkimukset aiheesta ovat poikittaistutkimuksia, joten on kiinnostavaa selvittää myös mahdollisia eroja tutkimusasetelmien tuottamissa tuloksissa. Aivojen aktivaatiota tehtävän aikana mitattiin 103:lta 13–22-vuotiaalta koehenkilöltä, jotka oli jaettu kolmeen kohorttiin. Kaksi nuorinta kohorttia mitattiin uudelleen 1,5 vuoden jälkeen pitkittäistutkimusta varten. Skannerissa koehenkilöt tekivät tehtävää, jossa he arvioivat lauseiden semanttista johdonmukaisuutta. Heitä ohjeistettiin tarkkailemaan joko puhe- tai tekstiärsykkeitä tai jakamaan tarkkaavaisuutensa näiden kesken. Poikittaistulosten mukaan tehtäväsuoriutuminen oli parempaa vanhemmissa kohorteissa (16–17v. ja 20–22v.) kuin nuorimmassa kohortissa (13–14v.), mutta vanhempien kohorttien välillä ei ollut eroa. Pitkittäistutkimuksessa ei kuitenkaan havaittu selkeää kehitystä valikoivan tai jaetun tarkkaavaisuuden tehtävätilanteissa. Pitkittäisten fMRI-tulosten mukaan aivojen aktivaatio väheni valikoivassa tarkkaavaisuudessa erityisesti etuotsalohkon sisäpinnalla 13–14-vuotiaasta 15–16 vuoden ikään, ja aktivaatio lisääntyi hieman päälaenlohkon alueella. Jaetussa tarkkaavaisuudessa taas aktivaatio väheni pääasiassa etuotsalohkon ulkopinnalla. 16–17-vuotiaasta 18–19-vuotiaaksi aktivaatio lisääntyi kummassakin tehtävässä motorisilla alueilla sekä etukiilassa (precuneus), jotka on liitetty toiminnanohjaukseen. Yleisesti efektit olivat kuitenkin varsin pieniä johtuen mahdollisesti lyhyestä mittausvälistä ja pienehköstä otoskoosta. Poikittaistuloksissa taas kehitys näytti hyvin erilaiselta ja aktivaatio keskittyi niissä enemmän temporaalialueille. Erot asetelmien tuloksissa korostavat pitkittäistutkimusten tärkeyttä kehityksen tutkimuksessa, erityisesti käytettäessä fMRI:tä. Vaikka aktivaation muutokset olivat pieniä, pitkittäistulokset olivat silti linjassa aiempien toiminnanohjauksen tutkimusten kanssa, joiden mukaan iän myötä aktivaatio vähenee etuotsalohkolla ja lisääntyy muilla tehtävälle keskeisillä alueilla. Tämän tutkimuksen tulokset viittaavat siihen, että joitain muutoksia toiminnanohjaukseen liittyvässä verkostossa tapahtuu vielä nuoruusiästä varhaisaikuisuuteen, kun etuotsalohko ja sen yhteydet kypsyvät.The aim of this study is to examine the development of selective and divided attention in adolescence using functional magnetic resonance imaging (fMRI) and behavioral measures. Although the prefrontal cortex, a key area for attention and cognitive control, is thought to mature well into adulthood, few studies have examined the development of attention in adolescents and young adults. No fMRI studies have been conducted on the development of divided attention. In this study, development was examined both cross-sectionally and longitudinally to also assess the possible differences in the results they produced, as nearly all previous studies have been cross-sectional. Brain activity was measured from 103 participants aged 13–22 who were divided into three age cohorts. The youngest two cohorts were measured again after 1.5 years for the longitudinal study. While in the scanner, participants performed a sentence congruence task where they were instructed either to attend to only the speech or text stimulus or divide their attention between both modalities simultaneously. The cross-sectional results showed improvement in task performance between the youngest cohort (13– 14y.) and the older cohorts in both selective and divided attention tasks. No difference was found between the older two cohorts (16–17y. and 20–22y.) However, the longitudinal results did not indicate clear performance improvement with age in either task type. According to the longitudinal fMRI results from age 13–14 to 15–16, in the selective attention task brain activity decreased mainly in the medial prefrontal area and activity increased slightly in parietal regions. In the divided attention task, the decreased prefrontal activity was more lateral. From age 16–17 to 18– 19, increased activity in motor regions and precuneus was found in both tasks. In general, the effects were very subtle, possibly due to a short measurement interval and relatively small cohort sizes. The cross-sectional results indicated quite a different pattern of change in brain activity, concentrated on temporal areas. This difference in results emphasizes the importance of conducting longitudinal developmental studies in the future. Although the effects were not large, the longitudinal fMRI results were in line with some previous findings that prefrontal areas are recruited less with age, so that activity in more posterior task-related areas increases. The current results suggest that some fine-tuning of the attention and cognitive control-related network still occurs from adolescence to early adulthood, as the prefrontal cortex and its connections mature