Нейрофизиологические механизмы и перспективы использования двойных задач в восстановлении когнитивных функций у кардиохирургических пациентов

В настоящем обзоре литературы сообщается о современных тенденциях относительно применения метода двойных задач в восстановлении когнитивных функций при различных формах мозговой патологии, в том числе, старении, травматическом и ишемическом повреждении головного мозга. Двойная задача представляет собой когнитивный реабилитационный подход, подразумевающий одновременное выполнение физической активности (ходьба, бег или поддержание устойчивой позы (постуральный тренинг)) и когнитивных задач (внутренний счет, задачи на кратковременную память и внимание, дивергентные задачи). Двойные задачи с одномоментным вовлечением моторных и когнитивных функций ассоциированы со специфическими характеристиками мозговой активности и позволяют оценить компенсаторные ресурсы мозга как в норме, так и при его повреждении или возрастных изменениях. В обзоре описаны также основные нейрофизиологические механизмы действия двойных задач на когнитивные функции, эффекты трансфера и интерференции. В настоящий момент установлено, что при выполнении сложных, двойных заданий происходит более эффективная координация когнитивных процессов, обеспечивающая расширенные возможности для успешного когнитивного функционирования. В работе акцентировано внимание на высокой распространённости когнитивных нарушений у пациентов после кардиохирургических вмешательств и обозначены перспективы восстановления нарушенных в послеоперационном периоде когнитивных функций данной когорты пациентов с помощью двойных задач. Предполагается, что применение реабилитационного подхода с использованием двойных задач при задействовании параллельно мозговых областей, обеспечивающих исполнительный контроль, функции рабочей памяти, внимания и моторных зон коры может оказать значимый восстановительный эффект при когнитивном дефиците у пациентов после кардиохирургических вмешательств.

1. Chokron S, Helft G, Perez C. Effects of age and cardiovascular disease on selective attention. Cardiovasc Psychiatry Neurol. 2013;2013:185385. https://doi.org/10.1155/2013/185385

2. Kok WF, van Harten AE, Koene BM, Mariani MA, Koerts J, Tucha O, Absalom AR, Scheeren TW. A pilot study of cerebral tissue oxygenation and postoperative cognitive dysfunction among patients undergoing coronary artery bypass grafting randomised to surgery with or without cardiopulmonary bypass. Anaesthesia. 2014;69(6):613-22. https://doi.org/ 10.1111/anae.12634

3. Indja B, Seco M, Seamark R, Kaplan J, Bannon PG, Grieve SM, Vallely MP. Neurocognitive and psychiatric issues post cardiac surgery. Heart Lung Circ. 2017;26(8):779-785. https://doi.org/10.1016/j.hlc.2016.12.010

4. Трубникова О.А., Тарасова И.В., Малева О.В., Каган Е.С., Барбараш О.Л., Барбараш Л.С. Факторы развития стойкой послеоперационной когнитивной дисфункции у пациентов, перенесших коронарное шунтирование в условиях искусственного кровообращения. Терапевтический архив. 2017;89(9):41-47 https://doi.org/10.17116/terarkh201789941-47

5. Mathew JP, White WD, Schinderle DB, Podgoreanu MV, Berger M, Milano CA, Laskowitz DT, Stafford-Smith M, Blumenthal JA, Newman MF; Neurologic Outcome Research Group of The Duke Heart Center. Intraoperative magnesium administration does not improve neurocognitive function after cardiac surgery. Stroke. 2013;44(12):3407-3413. https://doi.org/10.1161/STROKEAHA.113.004025

6. Evered LA, Silbert BS, Scott DA, Maruff P, Ames D. Prevalence of dementia 7.5 years after coronary artery bypass graft surgery. Anesthesiology. 2016;125(1):62-71. https://doi.org/10.1097/ALN.0000000000001143

7. Jessen F, Amariglio RE, van Boxtel M, Breteler M, Ceccaldi M, Chételat G, Dubois B, Dufouil C, Ellis KA, van der Flier WM, Glodzik L, van Harten AC, de Leon MJ, McHugh P, Mielke MM, Molinuevo JL, Mosconi L, Osorio RS, Perrotin A, Petersen RC, Rabin LA, Rami L, Reisberg B, Rentz DM, Sachdev PS, de la Sayette V, Saykin AJ, Scheltens P, Shulman MB, Slavin MJ, Sperling RA, Stewart R, Uspenskaya O, Vellas B, Visser PJ, Wagner M; Subjective Cognitive Decline Initiative (SCD-I) Working Group. Subjective Cognitive Decline Initiative (SCD-I) Working Group. A conceptual framework for research on subjective cognitive decline in preclinical Alzheimer's disease. Alzheimers Dement. 2014;10(6):844-52. https://doi.org/10.1016/j.jalz.2014.01.001

8. Трубникова О.А., Каган Е.С., Куприянова Т.В., Мале- ва О.В., Аргунова Ю.А., Кухарева И.Н. Нейропсихологический статус пациентов со стабильной ишемической болезнью сердца и факторы, на него влияющие. Комплексные проблемы сердечно-сосудистых заболеваний. 2017;6(1):112-121 https://doi.org/10.17802/2306-1278-2017-1-112-121

9. Акчурин Р.С., Ширяев А.А., Васильев В.П., Галяутдинов Д.М., Власова Э.Е. Современные тенденции в коронарной хирургии. Патология кровообращения и кардиохирургия. 2017;21(3S):34-44 https://doi.org/10.21688/1681-3472-2017-3S-34-44

10. Gorelick PB. Prevention of cognitive impairment: scientific guidance and windows of opportunity. J Neurochem. 2018;144(5):609-616. https://doi.org/10.1111/jnc.14113

11. Bhamidipati D, Goldhammer JE, Sperling MR, Torjman MC, McCarey MM, Whellan DJ. Cognitive outcomes after coronary artery bypass grafting. J Cardiothorac Vasc Anesth. 2017;31(2):707-718. https://doi.org/10.1053/j.jvca.2016.09.028

12. Жаворонкова Л.А., Максакова О.А., Шевцова Т.П., Морареску С.И., Купцова С.В., Кушнир Е.М., Иксанова Е.М. Двойные задачи – индикатор особенностей когнитивного дефицита у пациентов после черепно-мозговой травмы. Журнал неврологии и психиатрии им. С.С. Корсакова. 2019;119(8):46-52 https://doi.org/10.17116/jnevro201911908146

13. Коберская Н.Н. Современные представления о факторах риска, диагностике и терапии болезни Альцгеймера (по материалам международной конференции ассоциации болезни Альцгеймера, Лондон, 2017). Неврология, нейропсихиатрия, психосоматика. 2017;9(3):81-87 https://doi.org/10.14412/2074-2711-2017-3-81-87

14. Politis AM, Norman RS. Computer-based cognitive rehabilitation for individuals with traumatic brain injury: a systematic review. Perspectives of the ASHA Special Interest Groups. 2016;1(2):18-46. https://doi.org/10.1044/persp1.sig2.18

15. Yoo C, Yong MH, Chung J, Yang Y. Effect of computerized cognitive rehabilitation program on cognitive function and activities of living in stroke patients. J Phys Ther Sci. 2015;27(8):2487-2489. https://doi.org/10.1589/jpts.27.2487

16. Kulason K, Nouchi R, Hoshikawa Y, Noda M, Okada Y, Kawashima R. The beneficial effects of cognitive training with simple calculation and reading aloud in an elderly postsurgical population: study protocol for a randomized controlled trial. Trials. 2016;17:334. https://doi.org/10.1186/s13063-016-1476-0

17. Ajtahed SS, Rezapour T, Etemadi S, Moradi H, Habibi Asgarabad M, Ekhtiari H. Efficacy of neurocognitive rehabilitation after coronary artery bypass graft surgery in improving quality of life: an interventional trial. Front Psychol. 2019;10:1759. https://doi.org/10.3389/fpsyg.2019.01759

18. Tait JL, Duckham RL, Milte CM, Main LC, Daly RM. Influence of sequential vs. simultaneous dual-task exercise training on cognitive function in older adults. Front Aging Neurosci. 2017;9:368. https://doi.org/10.3389/fnagi.2017.00368

19. Ghai S, Ghai I, Effenberg AO. Effects of dual tasks and dual- task training on postural stability: a systematic review and meta-analysis. Clin Interv Aging. 2017;12:557-577. https://doi.org/10.2147/CIA.S125201

20. Petrigna L, Thomas E, Gentile A, Paoli A, Pajaujiene S, Palma A, Bianco A. The evaluation of dual-task conditions on static postural control in the older adults: a systematic review and meta-analysis protocol. Syst Rev. 2019;8(1):188. https://doi.org/10.1186/s13643-019-1107-4

21. Engvig A, Fjell AM, Westlye LT, Skaane NV, Sundseth O, Walhovd KB. Hippocampal subfield volumes correlate with memory training benefit in subjective memory impairment. Neuroimage. 2012;61(1):188-19. https://doi.org/10.1016/j.neuroimage.2012.02.072

22. Eryomina OV, Petrova MM, Prokopenko SV, Mozheyko EY, Kaskaeva DS, Gavrilyuk OA. The effectiveness of the correction of cognitive impairment using computer-based stimulation programs for patients with coronary heart disease after coronary bypass surgery. J Neurol Sci. 2015;358(1-2):188-192. https://doi.org/10.1016/j.jns.2015.08.1535

23. Аргунова Ю.А., Трубникова О.А., Мамонтова А.С., Сырова И.Д., Кухарева И.Н., Малева О.В., Барбараш О.Л. Влияние трехнедельного курса аэробных физических тренировок на нейродинамические показатели пациентов, перенесших коронарное шунтирование. Российский кардиологический журнал. 2016;21(2):30-3 https://doi.org/10.15829/1560-4071-2016-2-30-36

24. Sobol NA, Hoffmann K, Frederiksen KS, Vogel A, Vestergaard K, Brændgaard H, Gottrup H, Lolk A, Wermuth L, Jakobsen S, Laugesen L, Gergelyffy R, Hogh P, Bjerregaard E, Siersma V, Andersen BB, Johannsen P, Waldemar G, Hasselbalch SG, Beyer N. Effect of aerobic exercise on physical performance in patients with Alzheimer's disease. Alzheimers Dement. 2016;12(12):1207-1215. https://doi.org/10.1016/j.jalz.2016.05.004

25. Wajda DA, Mirelman A, Hausdorff JM, Sosnoff JJ. Intervention modalities for targeting cognitive-motor interference in individuals with neurodegenerative disease: a systematic review. Expert Rev Neurother. 2017;17(3):251-261. https://doi.org/10.1080/14737175.2016.1227704

26. Commandeur D, Klimstra MD, MacDonald S, Inouye K, Cox M, Chan D, Hundza SR. Difference scores between single-task and dual-task gait measures are better than clinical measures for detection of fall-risk in community-dwelling older adults. Gait Posture. 2018;66:155-159. https://doi.org/10.1016/j.gaitpost.2018.08.020

27. Muir-Hunter SW, Wittwer JE. Dual-task testing to predict falls in community-dwelling older adults: a systematic review. Physiotherapy. 2016;102(1):29-40. https://doi.org/10.1016/j.physio.2015.04.011

28. Ansai JH, Andrade LP, Rossi PG, Almeida ML, Carvalho Vale FA, Rebelatto JR. Association between gait and dual task with cognitive domains in older people with cognitive impairment. J Mot Behav. 2018;50(4):409-415. https://doi.org/10.1080/00222895.2017.1363702

29. Kleiner AFR, Souza Pagnussat A, Pinto C, Redivo Marchese R, Salazar AP, Galli M. Automated mechanical peripheral stimulation effects on gait variability in individuals with Parkinson disease and freezing of gait: a double-blind, randomized controlled trial. Arch Phys Med Rehabil. 2018;99(12):2420-2429. https://doi.org/10.1016/j.apmr.2018.05.009

30. Жаворонкова Л.А., Кушнир Е.М., Жарикова А.В., Купцо- ва С.В., Шевцова Т.П., Куликов М.А., Воронов В.Г. Электроэнцефалографические характеристики здоровых людей с разной успешностью выполнения двойных задач (позный контроль и счет). Журнал высшей нервной деятельности им. И.П. Павлова. 2015;65(5):597-606 https://doi.org/10.7868/S0044467715050160

31. Tarasova IV, Trubnikova OA, Barbarash OL, Barbarash LS. Mild cognitive impairment, postoperative cognitive dysfunction and MCI-related changes in cortical activity in patients after coronary artery bypass grafting. In: Virginia Phillips, eds. Mild Cognitive Impairment (MCI): Diagnosis, Prevalence and Quality of Life. New York: 2017:63-82.

32. Borghini G, Vecchiato G, Toppi J, Astolfi L, Maglione A, Isabella R, Caltagirone C, Kong W, Wei D, Zhou Z, Polidori L, Vitiello S, Babiloni F. Assessment of mental fatigue during car driving by using high resolution EEG activity and neurophysiologic indices. Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc. 2012;2012:6442-5. https://doi.org/10.1109/EMBC.

33. 6347469

34. Borghini G, Astolfi L, Vecchiato G, Mattia D, Babiloni F. Measuring neurophysiological signals in aircraft pilots and car drivers for the assessment of mental workload, fatigue and drowsiness. Neurosci Biobehav Rev. 2014;44:58-75. https://doi.org/10.1016/j.neubiorev.2012.10.003

35. Жаворонкова Л.А., Жарикова А.В., Кушнир Е.М., Михалкова A.А., Купцова С.Б. Особенности реактивных перестроек ЭЭГ при выполнении двойных задач здоровыми испытуемыми (произвольный позный контроль и счет). Физиология человека. 2011;37(6):54-67

36. Ozdemir RA, Contreras-Vidal JL, Lee BC, Paloski W.H. Cortical activity modulations underlying age-related performance differences during posture-cognition dual tasking. Exp Brain Res. 2016;234(11):3321-3334. https://doi.org/10.1007/s00221-016-4730-5

37. Ohsugi H, Ohgi S, Shigemori K, Schneider EB. Differences in dual-task performance and prefrontal cortex activation between younger and older adults. BMC Neurosci. 2013;14:10. https://doi.org/10.1186/1471-2202-14-10

38. Mirelman A, Maidan I, Bernad-Elazari H, Shustack S, Giladi N, Hausdorff JM. Effects of aging on prefrontal brain activation during challenging walking conditions. Brain Cogn. 2017;115:41-46. https://doi.org/10.1016/j.bandc.2017.04.002

39. Tseng CF, Lee SH, Hsieh TC, Lee RP. Smart restored by learning exercise alleviates the deterioration of cognitive function in older adults with dementia-a quasi-experimental research. Int J Environ Res Public Health. 2019;16(7):1270. https://doi.org/10.3390/ijerph16071270

40. Uchida S, Kawashima R. Reading and solving arithmetic problems improves cognitive functions of normal aged people: a randomized controlled study. Age (Dordr). 2008;30(1):21-9. https://doi.org/10.1007/s11357-007-9044-x

41. Shulman RG, Hyder F, Rothman DL. Biophysical basis of brain activity: implications for neuroimaging. Q Rev Biophys. 2002;35(3):287-325. https://doi.org/10.1017/s0033583502003803

42. Kida I, Hyder F. Physiology of functional magnetic resonance imaging: energetics and function. Methods Mol Med. 2006;124:175-95. https://doi.org/10.1385/1-59745-010-3:175

43. Hoffmann M. The human frontal lobes and frontal network systems: an evolutionary, clinical, and treatment perspective. ISRN Neurol. 2013;2013:892459. https://doi.org/10.1155/2013/892459

44. Toepper M, Markowitsch HJ, Gebhardt H, Beblo T, Bauer E, Woermann FG, Driessen M, Sammer G. The impact of age on prefrontal cortex integrity during spatial working memory retrieval. Neuropsychologia. 2014;59:157-168. https://doi.org/10.1016/j.neuropsychologia.2014.04.020

45. Suzuki H, Matsumoto Y, Ota H, Sugimura K, Takahashi J, Ito K, Miyata S, Furukawa K, Arai H, Fukumoto Y, Taki Y, Shimokawa H. Hippocampal blood flow abnormality associated with depressive symptoms and cognitive impairment in patients with chronic heart failure. Circ J. 2016;80(8):1773-80. https://doi.org/10.1253/circj.CJ-16-0367

46. Dai W, Duan W, Alfaro FJ, Gavrieli A, Kourtelidis F, Novak V. The resting perfusion pattern associates with functional decline in type 2 diabetes. Neurobiol Aging. 2017;60:192-202. https://doi.org/10.1016/j.neurobiolaging.2017.09.004

47. Wählin A, Nyberg L. At the Heart of Cognitive Functioning in Aging. Trends Cogn Sci. 2019;23(9):717-720. https://doi.org/10.1016/j.tics.2019.06.004

48. Beurskens R, Helmich I, Rein R, Bock O. Age-related changes in prefrontal activity during walking in dual-task situations: a fNIRS study. Int J Psychophysiol. 2014;92(3):122-128. https://

49. doi.org/10.1016/j.ijpsycho.2014.03.005

50. van Rooteselaar N, Beke C, Gonzalez CLR. Dual-task performance of speech and motor skill: verb generation facilitates grasping behaviour. Exp Brain Res. 2020;238(2):453-463. https://doi.org/10.1007/s00221-020-05725-x

51. Жарикова А.В., Жаворонкова Л.А., Купцова С.Б., Кушнир Е.М., Куликов М.А., Михалкова А.А. Психологические и стабилографические особенности здоровых людей с разным качеством выполнения двойных задач. Физиология человека. 2013;39(4):33-40. https://doi.org/10.7868/S0131164613030181

52. Granacher U, Bridenbaugh SA, Muehlbauer T, Wehrle A, Kressig RW. Age-related effects on postural control under multitask conditions. Gerontology. 2011;57(3):247-55. https://doi.org/10.1159/000322196

53. Salminen T, Kühn S, Frensch PA, Schubert T. Transfer after dual n-back training depends on striatal activation change. J Neurosci. 2016;36(39):10198-10213. https://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.2305-15.2016

54. Heinzel S, Rimpel J, Stelzel C, Rapp MA. Transfer effects to a multimodal dual-task after working memory training and associated neural correlates in older adults - a pilot study. Front Hum Neurosci. 2017;11:85. https://doi.org/10.3389/fnhum.2017.00085

55. Wang CH, Moreau D, Yang CT, Tsai YY, Lin JT, Liang WK, Tsai CL. Aerobic exercise modulates transfer and brain signal complexity following cognitive training. Biol Psychol. 2019;144:85-98. https://doi.org/10.1016/j.biopsycho.2019.03.012

56. Ballesteros S, Mayas J, Prieto A, Ruiz-Marquez E, Toril P, Reales JM. Effects of video game training on measures of selective attention and working memory in older adults: results from a randomized controlled trial. Front Aging Neurosci. 2017;9:354. https://doi.org/10.3389/fnagi.2017.00354

57. Lampit A, Hallock H, Valenzuela MJ. Computerized cognitive training in healthy older adults: a systematic review and meta-analysis of effect modifiers. PLoS Med. 2014;11(11):e1001756. https://doi.org/10.1371/ journal.pmed.1001756

58. Suo C, Singh MF, Gates N, Wen W, Sachdev P, Brodaty H, Saigal N, Wilson GC, Meiklejohn J, Singh N, Baune BT, Baker M, Foroughi N, Wang Y, Mavros Y, Lampit A, Leung I, Valenzuela MJ. Therapeutically relevant structural and functional mechanisms triggered by physical and cognitive exercise. Molecular psychiatry. 2016;21(11):1633-1642. https://doi.org/10.1038 / mp.2016.19

59. Timmer K, Schiller NO. Neural correlates reveal sub-lexical orthography and phonology during reading aloud: a review. Front Psychol. 2014;5:884. https://doi.org/10.3389/fpsyg.2014.00884

60. Berken JA, Gracco VL, Chen JK, Watkins KE, Baum S, Callahan M, Klein D. Neural activation in speech production and reading aloud in native and non-native languages. Neuroimage. 2015;112:208-217. https://doi.org/10.1016/j.neuroimage.2015.03.016

61. Arsalidou M, Taylor MJ. Is 2+2=4? Meta-analyses of brain areas needed for numbers and calculations. Neuroimage. 2011;54(3):2382-93. https://doi.org/10.1016/j.neuroimage.2010.10.009

62. Gullick MM, Wolford G. Brain systems involved in arithmetic with positive versus negative numbers. Hum Brain Mapp. 2014;35(2):539-51. https://doi.org/10.1002/hbm.22201 61. de Tournay-Jette E, Dupuis G, Denault A, Cartier R, Bherer L. The benefits of cognitive training after a coronary artery bypass graft surgery. J Behav Med. 2012;35(5):557-568. https://doi.org/10.1007/s10865-011-9384-y

63. McFadden SH, Basting AD. Healthy aging persons and their brains: promoting resilience through creative engagement. Clin Geriatr Med. 2010;26(1):149-161. https://doi.org/10.1016/j.cger.2009.11.004

64. Johnson CM, Sullivan-Marx EM. Art therapy: Using the creative process for healing and hope among African American older adults. Geriatr Nurs. 2006;27(5):309-316. https://doi.org/10.1016/j.gerinurse.2006.08.010

65. Price KA, Tinker AM. Creativity in later life. Maturitas. 2014;78(4):281-286. https://doi.org/10.1016/j.maturitas. 2014.05.025

66. Parisi JM, Xia J, Spira AP, Xue QL, Rieger ML, Rebok GW, Carlson MC. The association between lifestyle activities and late-life depressive symptoms. Act Adapt Aging. 2014;38(1):1-10. https://doi.org/10.1080/01924788.2014.878871

67. Приводнова Е.Ю., Вольф Н.В. Топографические особенности тета-активности у молодых и пожилых испытуемых на начальном этапе решения креативной задачи: sLORETA анализ. Журнал высшей нервной деятельности им. И.П. Павлова. 2018;68(3):304-312 https://doi.org/10.7868/S0044467718030048

68. Tang Y, Zhu Z, Liu Q, Li F, Yang J, Li F, Xing Y, Jia J. The efficacy of cognitive training in patients with vascular cognitive impairment, no dementia (the Cog-VACCINE study): study protocol for a randomized controlled trial. Trials. 2016;17(1):392. (In Russ.).] https://doi.org/10.1186/s13063-016-1523-x