Unravelling dual-task effects: neural and behavioural correlates of cognitive-motor interference in healthy individuals

Questo progetto di ricerca di dottorato ha lo scopo di indagare l'impatto dell'interferenza cognitivo-motoria nella popolazione sana. Questo obiettivo è stato perseguito con la tecnica EEG combinata con un'analisi esplorativa delle prestazioni cinematiche. L'obiettivo principale è quello di rilevare differenze cruciali negli effetti del doppio compito (DTE) analizzando diversi aspetti della cognizione umana, come l'attenzione selettiva, il funzionamento esecutivo e i processi decisionali. Questo lavoro è stato supportato principalmente da una meta-analisi, volta a fornire una panoramica dell'interferenza cognitiva-motoria durante la deambulazione in partecipanti sani. Questo studio mira a fornire una base utile per gli studi futuri sulle prestazioni in doppio compito in campioni di soggetti sani e patologici, valutando la direzione e la forza dell'interferenza cognitivo-motoria e rilevando l'impatto di diversi compiti cognitivi sulle prestazioni di deambulazione e la sensibilità di diverse misure cognitive e motorie nel rilevare l’interferenza cognitivo-motoria. Il secondo progetto mira a replicare gli effetti del doppio compito durante lo svolgimento di un compito cognitivo che richiede abilità esecutive-inibitorie, ampliando al contempo l'evidenza ai processi decisionali. Questo studio ha indagato come gli effetti del doppio compito e le strategie di prioritizzazione, che emergono eseguendo un compito cognitivo mentre si cammina su un tapis roulant a velocità variabile, siano diversamente elicitati da compiti che coinvolgono il controllo inibitorio e i processi decisionali di ordine superiore. Il terzo lavoro sperimentale mira a indagare il ruolo della complessità motoria sui correlati comportamentali e neurali del doppio compito cognitivo-motorio, attraverso un paradigma di discriminazione uditiva eseguito in diverse condizioni motorie (in piedi su un cuscino propriocettivo e camminando), con la condizione “seduta” come compito di base stazionario. Per questo esperimento è stata utilizzata la tecnica MOBI (Mobile Brain/Body Imaging). I correlati neurali del doppio compito motorio-cognitivo sono stati studiati con un sistema EEG mobile a 64 canali, mentre 5 sensori di movimento del sistema HTC VIVE hanno permesso di registrare il movimento. Tutti i dati sono stati integrati per comprendere la reciproca interdipendenza dei sistemi motori e cognitivi. Mostrando i fattori in grado di modulare la direzione e intensità dei DTEs, i risultati dello studio consentiranno di stimare il potenziale impatto dell’estensione di questa metodologia a individui sani anziani e/o a popolazioni patologiche.

This PhD research project aims to investigate the impact of cognitive-motor interference in the healthy population. This goal was pursued by combining Electroencephalography (EEG) with an explorative analysis of kinematic performance. The main goal was to detect crucial differences in dual-task effects (DTEs) by analysing different aspects of human cognition such as selective attention, executive functioning and decision-making. This work was primarily supported by a preliminary meta-analysis aimed to provide an overview of the available evidence on cognitive-motor interference (CMI) during walking in healthy participants. By assessing the direction and strength of CMI, alongside the sensitivity of different cognitive and motor measures in detecting its extent, as well as the impact of different cognitive tasks on gait performance, this meta-analysis aimed to provide a useful baseline for future studies of dual-task performance in health and disease. The second project section aimed to replicate previous evidence of DTEs with tasks requiring executive-inhibitory skills while also expanding it to basic facets of decision-making. This study investigated how DTEs and prioritization strategies, emerging by performing a cognitive task while walking on a treadmill at varying speeds, were differently elicited by tasks involving inhibitory control and higher-order decision-making. The third experimental work aimed to investigate the role of motor complexity on the behavioural and neural correlates of dual tasking, through an auditory discrimination paradigm performed in different motor conditions (standing on a balance pad and walking), with “sitting” as a stationary baseline task. For this experiment the MOBI (Mobile Brain/Body Imaging) technique was used, with a mobile 64-channel EEG system coupled with 5 motion sensors of the HTC VIVE system to record motion capture. All the data have been integrated to unveil the mutual interdependence between motor and cognitive systems, and their neurophysiological correlates. By showing the factors that can modulate the direction and intensity of DTEs, the results of this thesis will help define the potential impact of extending this methodology to healthy elderly individuals and/or pathological populations.