Working memory-related brain activity and networks in typically developing children and young adults

Abstract

The high-level cognitive abilities such as attention and working memory develop throughout childhood and adolescence. Neuroimaging studies have shown that several brain regions including areas in the prefrontal (PFC) and parietal cortices play an important role in cognitive control. The prolonged maturation of the PFC and related networks may underlie the immature cognitive control abilities in children. In this thesis, functional magnetic resonance imaging and 1-back WM tasks were used to investigate 1) top-down modulation of brain activity in cortical areas related to visual information processing and 2) functional connectivity of resting state and task-related brain networks in healthy 7-11-year-old children and young adults. The tasks required the subjects to attend to either face or scene stimuli and to ignore distracting scene or face images, respectively. Studies I and II of this thesis found weaker or otherwise immature top-down modulation of the face processing-related visual association cortices that could partially be explained by the observed weaker functional connectivity between the PFC and the visual association cortex in the typically developing 7–11-year-old children compared to the young adults. Moreover, there were age-dependent differences in the recruitment of the PFC during visual working memory tasks. These age-dependent differences between the two groups are in line with the observed differences in the performance of the working memory tasks that was poorer in children than young adults. Study III showed that the 7-11-year-old children have already established an adult-like pattern of resting state networks, but especially during task performance, the functional connectivity within and between these networks differed from that in young adults. The group differences observed in the brain activation and functional connectivity are likely partly related to the morphological developmental state of the grey- and white matter in the 7–11-year-old children (i.e., the ongoing synaptic pruning and myelination of axons that continue up to young adulthood). The findings of this thesis conform to the suggestion that during development, the function of brain regions, especially the PFC, and the functional connectivity of brain networks, undergo dynamic changes, and that the same cognitive function may rely on different brain networks at different ages.Kognitiiviset toiminnot, kuten tarkkaavaisuus ja työmuisti, kehittyvät lapsuusvuosien ja murrosiän aikana. Aivokuvantamistutkimukset ovat osoittaneet, että otsalohkojen etuosien sekä päälaenlohkon aivokuorialueet ovat kognitiivisen toiminnan kannalta keskeisiä. Lasten heikompi kognitiivinen suoriutuminen saattaakin johtua siitä, että aivojen otsalohkojen etuosat ja niihin liittyvät hermoverkostot kehittyvät ja kypsyvät pitkään. Tässä väitöskirjatyössä käytettiin aivojen toiminnallista magneettiresonanssikuvausta ja n.k. ”1-back” työmuistitehtäviä, joiden avulla tutkittiin 1) näköinformaatiota käsittelevien aivokuorialueiden toiminnan ylhäältä alaspäin tapahtuvaa n.k. ”top-down” säätelyä, sekä 2) lepotilassa ja tehtävän suorittamisen aikana mitattujen, aivoalueiden muodostamien hermoverkkojen toiminnallista kytkeytyneisyyttä terveillä 7-11-vuotiailla lapsilla ja nuorilla aikuisilla. Muistitehtävien aikana tutkittavien tuli tarkkailla ja muistaa joko kasvokuvia tai maisemakuvia ja samalla olla kiinnittämättä huomiota esitettyihin häiritseviin maisemakuviin tai kasvokuviin. Väitöskirjatyön ensimmäisessä ja toisessa osatyössä havaittiin, että kasvoja käsittelevän näköaivokuoren toiminnan säätely oli lapsilla tehtävien aikana joko heikompaa kuin aikuisilla tai muuten epäkypsää. Tutkimuksissa havaittiin myös, että otsalohkon etuosan aivoalueiden ja kasvoja käsittelevän näköaivokuoren välinen toiminnallinen kytkeytyneisyys oli lapsilla heikompaa kuin aikuisilla, mikä osittain selittää miksi lapsilla näköaivokuoren toiminnan säätely oli heikompaa. Lisäksi otsalohkon etuosan alueet aktivoituivat lapsilla työmuistitehtävien aikana heikommin kuin aikuisilla. Nämä havainnot yhdessä selittävät osittain lasten heikomman suoriutumisen työmuistitehtävistä. Väitöskirjatyön kolmannessa osatyössä havaittiin, että 7-11-vuotiailla lapsilla on aivojen toimintaa lepotilassa mitattaessa tunnistettavissa samanlaiset hermoverkostot kuin nuorilla aikuisilla, mutta näiden hermoverkostojen toiminnallinen kytkeytyvyys erityisesti tehtävien suorittamisen aikana oli erilaista kuin nuorilla aikuisilla. Väitöskirjatyössä havaitut erot lasten ja nuorten aikuisten aivojen aktivoitumisessa ja hermoverkostojen toiminnallisessa kytkeytyvyydessä johtuvat osittain aivojen harmaan ja valkean aineen morfologisesta kehitysvaiheesta 7-11-vuotiailla lapsilla, johon kuuluu mm. synapsien karsiutuminen ja hermosäikeiden meneillään oleva myelinisoituminen. Väitöskirjan tulokset tukevat ehdotusta, jonka mukaan kehityksen kuluessa, erityisesti aivojen otsalohkojen etuosien toiminta ja aivojen hermoverkostojen toiminnallinen kytkeytyvyys vähitellen muuttuvat, ja että tietty kognitiivinen toiminto voi eri ikäkausina tukeutua eri aivoalueiden toimintaan