The association of cognitive flexibility with prioritization and gait: A cross-sectional cohort study in healthy older adults

Abstract

In den letzten Jahren konnte gezeigt werden, dass es eine supraspinale Kontrolle des Gehens gibt. Dieses Netzwerk umfasst neben motorischen Hirnarealen vor allem auch kognitive und limbische Strukturen und deren Projektionen. Dieses supraspinale Netzwerk hat einen wichtigen Einfluss v.a. auf das Verhalten während des Gehens z.B. in Dual Task Situationen. Dual Task Situationen sind sehr alltagsrelevant, da sie häufig vorkommen, z.B. in Form von Sprechen während des Gehens. Defizite in der Dual Task Fähigkeit beeinflussen die Qualität des Gehens und können z.B. zu Stürzen führen. Diese Defizite begründen sich wahrscheinlich auf Störungen der exekutiven Funktionen, wie z.B. kognitive Flexibilität, da diese eine wichtige Rolle in der Steuerung von Dual Task Verhalten spielen. Diese Arbeit besteht aus und diskutiert zwei Publikationen, die sich mit der Assoziation von kognitiver Flexibilität und Priorisierung, sowie kognitiver Flexibilität und quantitativ erhobenen Gangparametern und deren Anpassung bei Dual Task Aufgaben beim Gehen befassen. Für beide Publikationen wurden über 660 gesunde Probanden zwischen 50 und 80 Jahren mit einem Assessment untersucht, das aus vier Single Task Aufgaben (Subtrahieren, Durchführen einer Ankreuzaufgabe, Gehen mit normaler Gehgeschwindigkeit und Gehen mit schneller Gehgeschwindigkeit) und zwei Dual Task Aufgaben (Gehen mit schneller Gehgeschwindigkeit mit gleichzeitigem Durchführen der Ankreuzaufgabe und Gehen mit schneller Gehgeschwindigkeit mit gleichzeitigem Subtrahieren) bestand. Als Maß der kognitiven Flexibilität wurde der Trail Making Test (TMT) durchgeführt. In Publikation 1 wurden die Dual Task Kosten berechnet, die die Leistungsverschlechterung in einer Aufgabe unter Dual Task im Vergleich zur Durchführung der gleichen Aufgabe unter Single Task Bedingungen beschreiben. Die Dual Task Kosten der einzelnen Aufgaben wurden zwischen dem Tertil der Probanden mit der besten und dem Tertil mit der schlechtesten Leistung im TMT verglichen. Es zeigte sich, dass die Probanden mit schlechterer Leistung im TMT die kognitive Aufgabe und nicht das Gehen in der Dual Task Aufgabe Gehen mit schneller Gehgeschwindigkeit mit gleichzeitigem Subtrahieren priorisierten. Die Probanden mit besserer Leistung im TMT hingegen priorisierten die motorische Aufgabe gegenüber dem Subtrahieren. Dies weist auf eine Assoziation zwischen kognitiver Flexibilität und Priorisierung hin. In Publikation 2 wurden quantitative Gangparameter, die mittels eines tragbaren Bewegungssensors erhoben wurden, mit dem Ergebnis des TMT korreliert. Es zeigte sich, dass je schwerer die Gangaufgabe war, desto mehr Gangparameter signifikant mit dem TMT korreliert waren. Die stärkste Korrelation mit dem TMT wurde für den Parameter Gehgeschwindigkeit unter der Aufgabe Gehen mit schneller Gehgeschwindigkeit mit gleichzeitigem Subtrahieren gefunden. Dies unterstützt frühere Arbeiten die der Gehgeschwindigkeit eine hohe Relevanz in der Beschreibung von kognitiven Defiziten zugeordnet haben. Allerdings handelt es ich dabei um einen recht unspezifischen Marker. Zusätzlich wurden die Muster der Veränderungen der einzelnen Gangparameter über die Single Task Aufgabe Gehen mit schneller Gehgeschwindigkeit und die Dual Task Aufgaben Gehen mit schneller Gehgeschwindigkeit mit gleichzeitigem Durchführen der Ankreuzaufgabe und Gehen mit schneller Gehgeschwindigkeit mit gleichzeitigem Subtrahieren zwischen den guten und schlechten Tertial im TMT verglichen. Hierbei zeigten sich unterschiedliche Muster in den Parametern für Gangvariabilität, Gangregularität, und Gangasymmetrie. Die Probanden mit besserer kognitiver Flexibilität scheinen die Strategien zwischen den Aufgaben gewechselt, bzw. an die Aufgaben angepasst zu haben, was die Probanden mit schlechterer kognitiver Flexibilität nur eingeschränkt machten. Zusammengefasst deuten die Ergebnisse darauf hin, dass kognitive Flexibilität wichtig für das Gehen bei älteren Leuten ist und Probanden mit einer schlechteren kognitiven Flexibilität durchaus Probleme haben könnten, das Gehen an herausfordernde Geh-Bedingungen anzupassen. Die Ergebnisse beider Studien zusammen weisen darauf hin, dass kognitive Flexibilität sehr wichtig für das Gehen unter herausfordernden Geh-Situationen ist, wie z.B. Dual Tasking. Unsere Daten weisen auch darauf hin, dass Priorisierung und Adaptationsfähigkeit des Gehens Teil eines komplexen Netzwerkes zwischen Defiziten in kognitiver Flexibilität und Stürzen sind. Es liegt daher nahe, dass Defizite in der Priorisierung und der Anpassung des Gehens an situative Erfordernisse, mögliche und wichtige Mechanismen hierfür sein könnten. Dies sollte jedoch in weiteren Studien gezielt untersucht werden.

In recent years, it has been shown that there is a supraspinal network for the control of gait. It consists of motor, cognitive and limbic structures and their projections. These supraspinal networks have an important influence on walking behaviour, e.g., in dual tasking situations. Dual tasking situations are very relevant in everyday life, because they occur very often, e.g. when talking while walking. Deficits in dual tasking can lead to impaired walking and falls. These deficits are most likely driven by deficits in executive functions, such as cognitive flexibility, as they play a particularly important role in the control of dual tasking behaviour. This thesis presents and discusses two publications about the association of cognitive flexibility and prioritization, as well as the association of cognitive flexibility and quantitative gait parameters and their adaptation to dual tasking conditions. In both publications, more than 660 healthy older people, aged between 50 and 80 years, were assessed using four single task conditions (subtracting, checking boxes, walking at convenient speed and walking at fast speed) and two dual task conditions (walking at fast speed with checking boxes and walking at fast speed with subtracting serial 7s). As a measure of cognitive flexibility, the Trail Making Test (TMT) was performed. In publication 1, dual task costs (i.e., the percent decline of task performance under dual tasking compared to single tasking) were calculated. The dual task cost of each task was compared between the tertile of participants with the best (good TMT performers) and of the tertile with the worst (poor TMT performers) performance in the TMT. Under the dual tasking walking while subtracting serial 7s condition, good TMT performers prioritized walking over subtracting. Conversely, poor TMT performers prioritized the subtracting task over walking. These results suggested an association of cognitive flexibility and prioritization. In publication 2, quantitative gait parameters, collected with a wearable sensor-unit, were correlated with performance of the TMT. We found that a higher number of gait parameters were significantly correlated with the TMT when the gait task was more challenging. The strongest correlation was found for walking speed in the dual task walking while subtracting serial 7s condition. This indicates that gait speed is an important gait parameter for the investigation of the association of cognitive flexibility with gait, although the parameter is obviously unspecific. In addition, patterns of differences of gait parameters across the conditions of single task walking at fast speed and dual task walking while checking boxes and dual task walking while subtracting serial 7s were compared between good and poor TMT performers. Here, we found different patterns across conditions in the parameters gait variability, phase coordination index, and gait asymmetry. Subjects with good cognitive flexibility seem to switch or adapt strategies between tasks, while participants with poorer cognitive flexibility have limited resources for these adaptations. The findings of this analysis also suggest that cognitive flexibility is important for walking in older adults, and people with poor cognitive flexibility have deficits in adapting walking to challenging walking conditions. The results of both studies suggest that cognitive flexibility is an important contributor to safe walking, especially under challenging walking conditions, e.g., dual tasking. We hypothesize that prioritization and adaptation mechanisms of gait are parts of a complex interaction network between cognitive flexibility (deficits) and falls. This should be investigated in more detail in further studies.