Brain activations related to attention and working memory and their association with technology-mediated activities

Abstract

Executive functions are pivotal in our everyday lives, as they form the basis for complex and goal-directed behavior. For example, the ability to maintain information in memory while making a decision requires executive processes. Whether or not executive functions can exhibit experience-dependent changes is still a topic of debate, but generally accepted principles of brain plasticity suggest that environmental factors can have an impact on cognitive processes and the activity and structure of their respective brain networks. One such environmental factor is the increasingly ubiquitous daily interaction with technology, which has been suggested to affect mental faculties such as the ability to maintain focus on a single task or to actively maintain information in short-term memory.

The aim of the present thesis was to study activity in cortical networks of attention and working memory. In addition, we investigated whether any associations could be found between the recruitment of these networks or performance speed and accuracy in working memory and attention tasks, and the extent of daily technology-mediated activities reported by adolescent and young adult participants. In all studies, functional magnetic resonance imaging (fMRI) was used to record brain activity during task performance.

By using novel experimental paradigms, the present results shed more light on the specific cortical networks recruited by different executive functions by showing that both common and specific brain regions are recruited by auditory and visual selective attention, divided attention and working memory processes. Furthermore, they demonstrate that during division of attention between two concurrent tasks (listening to speech and reading text), competition for neural resources in regions shared by the component tasks is a major contributor to performance limitations observed during multitasking. Importantly, the results of the present thesis also demonstrate that detectable associations exist between different types of daily technology use and cognitive functioning already in adolescence. More specifically, the results demonstrate that a tendency to use several media simultaneously (i.e., media multitasking) is related to increased distractibility. The extent of computer gaming in daily life, in turn, is associated with enhanced working memory functioning. These findings are of great importance, since it is vital to understand how the increasing amount of on-screen time might affect or interact with the cognitive and brain functioning of the current youth.

Toiminnanohjaus käsittää joukon toimintoja, jotka mahdollistavat tavoitteellinen ja monimutkaisen toiminnan jokapäiväisissä tilanteissa. Esimerkki toiminnanohjauksesta on kyky ylläpitää tietoa muistissa samalla kun tekee päätöksen. On edelleen epäselvää, kuinka suuri vaikutus kokemuksella voi olla toiminnanohjaukseen lukeutuviin toimintoihin, mutta yleisesti hyväksytyt aivojen muovautuvuuteen liittyvät periaatteet antavat syyn olettaa, että ympäristötekijöiden on mahdollista vaikuttaa kognitiiviseen suoriutumiseen ja niihin liittyviin aivoverkostoihin. Jatkuvasti lisääntyvä teknologian parissa vietetty aika on yksi niistä ympäristötekijöistä, joiden on ehdotettu vaikuttavan kognitiivisiin toimintoihin kuten kykyyn keskittyä yhteen tehtävään samanaikaisesti, tai kykyyn ylläpitää tietoa lyhytkestoisessa muistissa.

Tässä esitellyn väitöskirjatyön tavoite oli tutkia tarkkaavaisuuteen ja työmuistiin liittyviä aivoverkostoja. Lisäksi selvitettiin sitä, onko näiden aivoverkostojen toiminnalla ja tarkkaavaisuus- ja työmuistitehtävissä suoriutumisella yhteyksiä nuorten ja nuorten aikuisten itseraportoituihin teknologiankäyttötapoihin. Kaikissa väitöskirjan osatutkimuksissa käytettiin toiminnallista magneettiresonanssikuvantamista (fMRI) mittaamaan aivojen aktivoitumista tehtäväsuorituksen aikana.

Käyttämällä uusia ja innovatiivisia koeasetelmia, tutkimuksemme tulokset tuottivat lisää tietoa eri toiminnanohjaukseen liittyvien toimintojen aktivoimista aivoverkostoista näyttämällä, että valikoiva tarkkaavaisuus, jaettu tarkkaavaisuus ja työmuistiprosessit aktivoivat sekä yhteisiä että erillisiä aivoalueita. Lisäksi tuloksemme osoittivat, että jaettaessa tarkkaavaisuutta kahden samanaikaisen tehtävän kesken, kilpailu hermostollisista resursseista näiden kahden samaa aivoaluetta kuormittavan tehtävän välillä vaikuttaa oleellisesti ihmisen rajalliseen monisuorittamiskykyyn. Tuloksemme osoittavat myös, että päivittäisten teknologian käyttötapojen ja kognitiivisen suoriutumisen välillä on havaittavia yhteyksiä jo nuoruusiässä. Taipumus käyttää montaa mediaa samanaikaisesti (nk. media multitasking) oli yhteydessä suurempaan häiriintyvyyteen, kun taas tietokonepelien pelaaminen oli yhteydessä parempaan työmuistisuoriutumiseen. Nämä tulokset ovat erittäin merkityksellisiä, sillä on tärkeää ymmärtää, minkälaisia mahdollisia vaikutuksia nuorten alati kasvavalla ruutuajalla on heidän kognitiivisiin toimintoihinsa ja aivojen toimintaan.