Frontiers in Aging Neuroscience

Introduction

Räumliche Fähigkeiten sind entscheidend für funktionelle Unabhängigkeit. Sie ermöglichen es uns, Ziele im Raum zu lokalisieren, Objekte visuell wahrzunehmen und die zwei- und dreidimensionalen (2D und 3D) räumlichen Beziehungen zwischen Objekten und unserer Umgebung zu verstehen. Diese Fähigkeiten ermöglichen es uns, uns in unserer Umgebung sicher zu bewegen, indem wir Richtung und Entfernung genau einschätzen können. Räumliche Fähigkeiten sind keine einheitliche Funktion, sondern lassen sich in verschiedene Kategorien unterteilen, die gemeinhin als räumliche Visualisierung, räumliche Wahrnehmung und mentale Rotation bezeichnet werden. Räumliche Visualisierung wurde definiert als die Fähigkeit, komplexe räumliche Informationen geistig zu verarbeiten, wenn mehrere Schritte für den erfolgreichen Abschluss einer räumlichen Aufgabe erforderlich sind (Linn und Petersen, 1985; Voyer et al., 1995). Ein Beispiel für eine Aufgabe, die räumliche Visualisierungsfähigkeiten beinhalten könnte, wäre das Anordnen von Gegenständen so, dass sie in einen Koffer passen. Raumwahrnehmung ist die Fähigkeit, räumliche Beziehungen in Bezug auf die eigene Orientierung trotz der Anwesenheit von ablenkenden Informationen genau zu bestimmen (Linn und Petersen, 1985; Voyer et al., 1995). Die Fähigkeit zur räumlichen Wahrnehmung wird beim Einfädeln in den fließenden Verkehr auf einer stark befahrenen Autobahn eingesetzt. Der Fahrer muss feststellen, ob das Auto in die Lücke im Verkehr passt, und dabei irrelevante Fahrzeuge in der Umgebung ignorieren. Die dritte Kategorie der räumlichen Fähigkeiten, die mentale Rotation, ist die Fähigkeit, die Ausrichtung einer mentalen Repräsentation eines Objekts im 2D- oder 3D-Raum zu verändern (Linn und Petersen, 1985; Voyer et al., 1995). Die Fähigkeit zur mentalen Rotation wird im Laufe des Tages häufig eingesetzt, z. B. beim Kämmen der Haare oder beim Auftragen von Make-up vor dem Spiegel. Es gibt zahlreiche standardisierte räumliche Testbatterien, die entwickelt wurden, um zu messen, wie Teilnehmer räumliche Aufgaben lösen. Beispiele für häufig verwendete Aufgaben zur Messung räumlicher Visualisierungsfähigkeiten sind das Paper Form Board (Likert und Quasha, 1941), bei dem die Teilnehmer erkennen müssen, wie eine ungefaltete Form aussehen würde, wenn sie gefaltet wäre, und der Identical Block Test (Stafford, 1961), bei dem die Teilnehmer Blöcke aus einer Reihe von Blöcken identifizieren, die mit einem Referenzblock übereinstimmen, wenn sie eine Reihe von Hinweisen auf den Seiten der Blöcke erhalten. Zwei standardisierte Tests zur Beurteilung der räumlichen Wahrnehmung sind der Stab-und-Rahmen-Test (Witkin und Asch, 1948), bei dem die Teilnehmer horizontale oder vertikale Linien in einem gedrehten quadratischen Rahmen identifizieren müssen, und der Wasserstandstest (Piaget und Inhelder, 1956), bei dem die Teilnehmer die Ausrichtung der Wasserlinie im Bild eines gekippten Behälters angeben. Schließlich sind zahlreiche räumliche Tests entwickelt worden, um die mentale Rotation zu testen. Der am häufigsten verwendete Test ist der Mental Rotation Test (Vandenburg und Kuse, 1978), eine Abwandlung des ursprünglich von Shepard und Metzler (1971) entwickelten Tests. Bei diesem Test müssen die Teilnehmer feststellen, ob Paare von Objekten, die in der Tiefe zueinander gedreht wurden, identisch oder spiegelbildlich sind. Trotz der Einteilung der räumlichen Tests in die drei allgemeinen Kategorien der räumlichen Visualisierung, der räumlichen Wahrnehmung und der mentalen Rotation erfordert die Lösung der Aufgaben in einem einzigen Test in der Regel den Einsatz mehrerer räumlicher Prozesse. Zum Beispiel beinhalten Tests, die der Kategorie der räumlichen Visualisierung zugeordnet werden (z.B. Paper-Form-Board-Aufgabe, Identical-Block-Test), wahrscheinlich Elemente der mentalen Rotation und der räumlichen Wahrnehmung.

Unser Wissen darüber, wie Menschen mit ihrer räumlichen Umgebung interagieren, basiert größtenteils auf Studien, in denen psychometrische Standardtests auf Papier und Bleistift, computerbasierte chronometrische Tests (Linn und Petersen, 1985; Voyer et al, 1995) und in jüngerer Zeit auch Tests in immersiven 3D-Umgebungen (Parsons et al., 2004; Tsirlin et al., 2009). Obwohl diese Studien für unser Verständnis der räumlichen Kognition von entscheidender Bedeutung sind, sind die geringen visuomotorischen Anforderungen der verwendeten 2D-Aufgaben oft nicht repräsentativ für die physischen Interaktionen, die wir mit Objekten in unserer täglichen Umgebung haben. Darüber hinaus sind viele der standardisierten Tests aufgrund ihrer Komplexität nicht für kleine Kinder, ältere Menschen und Patientengruppen geeignet.

Wir haben eine neuartige visuomotorische Aufgabe mit Varianten entwickelt, die für das Spektrum räumlicher Fähigkeiten von Kindern im Alter von 3 Jahren (Sacrey et al., 2012) bis zum hohen Alter (Gonzalez et al., 2014) sowie für Patientengruppen geeignet sind (unveröffentlicht). Die Aufgabe erfordert, dass die Teilnehmer die entsprechenden Bausteine aus einer Reihe von Blöcken finden, erreichen, greifen und manipulieren, um ein 3D-Modell zu reproduzieren. Die Aufgabe kombiniert die drei Hauptkategorien der räumlichen Fähigkeiten: mentale Rotation, räumliche Visualisierung und räumliche Wahrnehmung. Die mentalen Rotationsfähigkeiten werden herausgefordert, indem festgestellt wird, ob die 3D-Blöcke im Arbeitsbereich so gedreht werden können, dass sie mit der Ausrichtung der Bausteine im Beispielmodell übereinstimmen, unabhängig von deren Ausrichtung. Darüber hinaus werden räumliche Visualisierungsfähigkeiten eingesetzt, um aus einer Reihe von Alternativen (die sich durch Farbe, Form und/oder Größe unterscheiden können; hier als visuell-räumliche Suche bezeichnet) den spezifischen Block zu identifizieren, der zu einem Baustein im Beispielmodell passt. Räumliche Wahrnehmungsfähigkeiten sind auch für den größten Teil der Aufgabe erforderlich, wenn der Teilnehmer den richtigen Baustein aus einer Reihe von Ablenkungen identifiziert. Ähnlich wie bei den standardisierten Papier-und-Bleistift-Tests und den computergestützten Tests kann bei dieser Aufgabe der Grad der visuell-räumlichen Komplexität manipuliert werden, während die visuomotorischen Anforderungen der Aufgabe konstant gehalten werden. Im Gegensatz zu diesen standardisierten Tests sind die visuomotorischen Anforderungen unserer Aufgabe jedoch umfangreich und entsprechen den Anforderungen von Alltagsaufgaben. Die entwickelte Aufgabe ermöglicht die Untersuchung der räumlichen Kognition im visuomotorischen Bereich und leistet einen wertvollen Beitrag zu unserem derzeitigen Verständnis räumlicher Interaktionen in realen Szenarien.

In der vorliegenden Studie wurde die Durchführbarkeit der Verwendung einer Greifaufgabe zur Beurteilung der visuospatialen und visuomotorischen Funktion bei männlichen und weiblichen jüngeren (18-25 Jahre) und älteren (60-82 Jahre) Erwachsenen untersucht. Unseres Wissens nach ist dies die erste Studie, die eine visuomotorische Aufgabe verwendet, die Aspekte der räumlichen Visualisierung (visuospatiale Suche) und der mentalen Rotation kombiniert. In diesem Experiment waren die Anforderungen an die visuell-räumliche Suche konsistent, aber die räumliche Komplexität der zu replizierenden Modelle wurde in zwei Bedingungen moduliert. In der Bedingung mit geringer räumlicher Komplexität waren die Position, die Eigenschaften (d. h. Farbe und Größe) und die Ausrichtung der einzelnen Bausteine des nachzubildenden Modells von einer einzigen Betrachtungsebene aus sichtbar, wobei die Modelle eine „flache“ Konfiguration aufwiesen. In der Bedingung hoher räumlicher Komplexität hatte das Modell eine 3D-Konfiguration und musste gedreht werden, um die genaue Auswahl und Platzierung der einzelnen Bausteine im Modell zu gewährleisten. Die motorischen Anforderungen der Aufgabe (z. B. das Erreichen und Ergreifen der Blöcke) waren in beiden Bedingungen gleich.

Die Gesamtzeit, die für die Nachbildung jedes Modells benötigt wurde, und die Handpräferenz für jeden Griff wurden aufgezeichnet. In Anbetracht der gemeldeten Abnahme verschiedener kognitiver Funktionen mit zunehmendem Alter (Blanchard-Fields und Hess, 1996; Gabrowski und Mason, 2014) sowie der beobachteten altersbedingten Verschlechterung der räumlichen Visualisierung (Hertzog, 1989; Salthouse, 1990; Borella et al., 2014) und der mentalen Rotation (Willis und Schaie, 1989; Jansen und Heil, 2010; Borella et al., 2014) sagten wir eine altersbedingte Abnahme der Aufgabenleistung voraus. In Übereinstimmung mit der Literatur, die über bessere Leistungen von Männern im Vergleich zu Frauen bei Tests zur mentalen Rotation berichtet (McGlone und Davidson, 1973; Linn und Petersen, 1985; Voyer et al, 1995; Sherwin, 2003), sagten wir voraus, dass sich geschlechtsspezifische Unterschiede ergeben würden, wobei Männer durchweg einen Leistungsvorteil aufweisen würden.

Materialien und Methoden

Teilnehmer

Vierundzwanzig selbsterklärte rechtshändige junge Erwachsene (YA; 12 Männer; 18-25 Jahre) und 20 selbsterklärte rechtshändige ältere Erwachsene (OA; 10 Männer; 60-81 Jahre) wurden aus der Universitätsgemeinschaft für die Teilnahme an dieser Studie rekrutiert. Die Studie wurde mit Genehmigung des Forschungsausschusses der University of Lethbridge durchgeführt. Alle Teilnehmer waren über den Zweck der Studie aufgeklärt und gaben vor Beginn der Studie eine schriftliche Einverständniserklärung ab.

Vorgehensweise

Die Teilnehmer saßen bequem in der Mitte vor einem Tisch mit einer Höhe von 0,74 m und einer Arbeitsfläche von 0,70 m mal 1,22 m. Die Teilnehmer wurden angewiesen, zwei Serien von vier Modellen zu wiederholen. Anschließend beantworteten die Teilnehmer eine modifizierte Version der Fragebögen zur Händigkeit von Edinburgh (Oldfield, 1971) und Waterloo (Brown et al., 2006) (siehe Stone et al., 2013 für eine vollständige Beschreibung des modifizierten Fragebogens). Weibliche erwachsene Teilnehmer wurden gefragt, ob sie eine Hormonersatztherapie anwenden, um festzustellen, ob sich die zirkulierenden Sexualhormonspiegel innerhalb der Gruppe wahrscheinlich erheblich unterscheiden.

Achtundvierzig einzigartige Bausteine (LEGO®) wurden pseudozufällig auf der Tischplatte verteilt, während die Teilnehmer vom Tisch wegschauten. Ein Streifen durchsichtiges Klebeband teilte die Arbeitsfläche in zwei Hälften, und 24 Bausteine wurden auf der linken und rechten Seite verteilt (Abbildung 1A). Jeder Versuch begann damit, dass die Teilnehmer ein 12-teiliges Modell begutachteten, das sie nachbauen sollten. Nach der Inspektion platzierte der Versuchsleiter das Modell in die nahe rechte oder linke Ecke des Tisches (wobei die Versuchsanordnung nicht ausgeglichen wurde). Es hat sich gezeigt, dass die Position des Modells auf dem Tisch die Verwendung der Hände nicht beeinflusst (Stone et al., 2013). Für jeden Versuch erhielten die Teilnehmer die Anweisung, „das Modell so schnell und so genau wie möglich mit den auf dem Tisch bereitgestellten Teilen nachzubauen“. Weitere Anweisungen wurden den Teilnehmern nicht gegeben. Es stand den Teilnehmern frei, das nachzubauende Modell während des Baus zu manipulieren und zu drehen. Nach dem Nachbau des Modells wurden beide Modelle entfernt und ein anderes Modell zum Nachbau bereitgestellt. Die Bausteine wurden zwischen den Versuchen nicht ausgetauscht. In diesem Experiment wurde für jeden Satz von vier 12-teiligen Modellen derselbe Satz von 48 einzigartigen Bausteinen verwendet (Abbildung 1A). Die beiden Serien von LEGO® Modellen unterschieden sich hinsichtlich ihrer räumlichen Komplexität. In der Bedingung mit geringem Raumbedarf (2D) waren die Bausteine des nachzubauenden Modells in einer „flachen“ Konfiguration angeordnet (Abbildung 1B). Dies ermöglichte es den Teilnehmern, die Eigenschaften und die Ausrichtung aller 12 Bausteine von einer einzigen Ebene aus zu betrachten, wodurch die Notwendigkeit entfiel, das Modell physisch zu drehen (obwohl die Teilnehmer weiterhin die Möglichkeit hatten, das zu replizierende Modell in die Hand zu nehmen und zu manipulieren). In der Bedingung mit hohen räumlichen Anforderungen (3D) waren die Bausteine (dieselben, die für die 2D-Modelle verwendet wurden) im nachzubildenden Modell nicht alle in derselben Ebene sichtbar (Abbildung 1C). Dies machte eine Drehung des Modells erforderlich, um eine genaue Nachbildung zu ermöglichen. Die Teilnehmer bauten vier aufeinanderfolgende Modelle in der 2D-Bedingung unter Verwendung aller 48 Blöcke. Anschließend bauten die Teilnehmer vier Modelle nacheinander in der 3D-Bedingung, wiederum unter Verwendung aller 48 Blöcke. Die Startbedingungen (2D, 3D) wurden ausgeglichen und die Reihenfolge der Modellpräsentation wurde zwischen den Teilnehmern randomisiert. Für alle Teilnehmer wurden die gleichen acht Modelle verwendet.

Datenverarbeitung und Analyse

Die Gesamtzeit (d.h., Die Gesamtzeit (d.h. Latenzzeit, s) von dem Moment, in dem die Teilnehmer eine der beiden Hände vom Tisch hoben, um einen Griff zu den Bausteinen zu initiieren, bis zu dem Zeitpunkt, an dem das nachgebaute Modell auf dem Tisch platziert wurde (einschließlich Greifen, Manipulation des Modells und Bau des Modells), wurde mit einer Tough Timer® Stoppuhr (Sportline Inc.) aufgezeichnet. Die Aufgabe wurde mit einer digitalen Videokamera (JV HD Everio®) aufgezeichnet, die direkt vor den Teilnehmern platziert war und einen freien Blick auf den Arbeitsbereich, die Bausteine und die Hände der Teilnehmer bot. Jeder Griff wurde als Links- oder Rechtshändergriff gewertet und die Verwendung der rechten Hand wurde als Prozentsatz der Gesamtzahl der Griffe für den Modellbau bestimmt (Anzahl der Griffe mit der rechten Hand/Gesamtzahl der Griffe × 100).

Die Auswirkung der Modellkomplexität und der Aufgabenprogression auf die Latenzzeit und den Handgebrauch wurde mit Hilfe von Varianzanalysen mit gemischten Faktoren und wiederholten Messungen (RM ANOVA) zwischen Geschlecht und Gruppe verglichen, wobei die Komplexität (2D, 3D) und das Modell (1-4) die Faktoren innerhalb der Probanden und das Geschlecht (männlich, weiblich) und die Gruppe (YA, OA) die Faktoren zwischen den Probanden waren. Anschließend wurden die 3D-Latenzdaten auf die 2D-Daten normalisiert (*100) und in eine dreifache RM ANOVA eingegeben, um den Vergleich der Latenzänderungen aufgrund der mentalen Rotationsanforderungen und nicht der motorischen Geschwindigkeit zwischen jüngeren und älteren Erwachsenen zu ermöglichen. Die Modellnummer (1-4) war der Within-Subjects-Faktor und Geschlecht (männlich, weiblich) und Gruppe (YA, OA) waren Between-Subjects-Faktoren. Wenn statistische Signifikanz festgestellt wurde, wurden die entsprechenden RM ANOVAs oder gepaarten t-Tests mit Bonferroni-Korrekturen für Mehrfachvergleiche mit den gepaarten t-Tests durchgeführt.

Daten wurden mit SPSS Statistics 18.0 für Windows (SPSS Inc., Chicago, IL, USA) analysiert. Die statistische Signifikanz wurde auf 0,05 festgelegt. Die Effektgröße (ES) wurde als η2-Wert angegeben.

Ergebnisse

Alle Daten waren normal verteilt und verletzten nicht die Annahmen der Homogenität der Varianz. Daher wurde die parametrische Statistik zur Analyse der Verhaltensdaten verwendet. Die Daten werden als Mittelwerte und Standardabweichungen dargestellt.

Alle Teilnehmer gaben an, Rechtshänder zu sein; diese Information wurde durch den Fragebogen zur Händigkeit bestätigt. Die Händigkeitswerte unterschieden sich zwischen den Gruppen (F(1,40) = 6,94, p = 0,012, ES = 0,148), wobei die OA-Teilnehmer höhere Händigkeitswerte angaben als die YA-Teilnehmer (YA = 30,5 ± 6,9; OA = 35,4 ± 4,7). Dieses Ergebnis steht im Einklang mit früheren Berichten (Gonzalez et al., 2014), dass ältere Teilnehmer sich eher als Rechtshänder wahrnehmen. Die Händigkeitswerte wurden durch das Geschlecht nicht unterschiedlich beeinflusst (p > 0,05). Das Alter unterschied sich nicht zwischen den Geschlechtern (p > 0,05). Alle weiblichen OA-Teilnehmer gaben an, keine Hormonersatztherapie zu verwenden.

Latenz

Junge und ältere Erwachsene

Die Analyse ergab einen signifikanten Haupteffekt der Komplexität (F(1,40) = 112, p < 0.001, ES = 0.737; Abbildung 2A), was darauf hindeutet, dass die Teilnehmer die 2D-Modelle signifikant schneller konstruierten als die 3D-Modelle (2D = 62.4 ± 33.4 s, 3D = 101.5 ± 52.5 s). Die Latenzzeit wurde auch durch die Reihenfolge der Modellpräsentation beeinflusst (F(3,120) = 19,0, p < 0,001, ES = 0,322), wobei frühere Versuche langsamer abgeschlossen wurden als spätere Versuche (Modell 1 = 97,8 ± 54,5 s, Modell 4 = 69,7 ± 35,4 s), was darauf hindeutet, dass die mit der Aufgabe verbundene inhärente visuell-räumliche Suche mit dem Fortschreiten der Aufgabe natürlich abnimmt, da weniger Blöcke am Arbeitsplatz verbleiben und daher weniger „Ablenkungsblöcke“ vorhanden sind, was es den Teilnehmern ermöglicht, den entsprechenden Block leichter zu identifizieren. Die Interaktion zwischen Modell und Gruppe erreichte ebenfalls Signifikanz (F(3,120) = 6,90, p < 0,001, ES = 0,147). Post-hoc-Vergleiche zeigten, dass die Latenz für die Modellkonstruktion von Modell 1 zu Modell 3 für beide Gruppen signifikant abnahm, wobei YA (t(23) = 4,77, p < 0,001) und OA (t(19) = 4,74, p < 0,001) eine Abnahme der Latenz um 8,8 s bzw. 40,3 s zeigten. Auch die Latenzzeit verringerte sich signifikant von der Konstruktion von Modell 1 zu Modell 4 für beide Gruppen, wobei YA (t(23) = 4,23, p < 0,001) eine Verringerung um 12,0 s und OA (t(19) = 4,39, p < 0,001) eine Verringerung um 47,4 s zeigte. Die Interaktionen Komplexität nach Modell und Komplexität nach Modell nach Gruppe waren nicht signifikant (p > 0,05). Ein signifikanter Haupteffekt der Gruppe (F(1,40) = 46,7, p < 0,001, ES = 0,539; Abbildung 2A) zeigte, dass die YA-Versuche signifikant schneller abgeschlossen wurden als die OA (YA = 54,5 ± 10,4 s, OA = 114,8 ± 41,5 s). Die Interaktion Komplexität nach Gruppe war ebenfalls signifikant (F(1,40) = 11,2, p = 0,002, ES = 0,220; Abbildung 2A). Post-hoc-Paarvergleiche ergaben, dass die Latenzzeit von der 2D- zur 3D-Modellkonstruktion für beide Gruppen zunahm, wobei YA (t(23) = 15,4, p < 0,001) und OA (t(19) = 6,704, p < 0,001) einen Anstieg der Latenzzeit um 27,5 bzw. 52,9 s zeigten. Das Geschlecht hatte keinen unterschiedlichen Einfluss auf die durchschnittliche Latenzzeit (p > 0,05).

Um die Auswirkungen der Modellkomplexität und der Aufgabenprogression auf die Latenzzeit genauer zu untersuchen, wurden anschließend für jede Gruppe (YA, OA) separate dreifache RM ANOVA durchgeführt, in denen die Komplexität (2D, 3D) und das Modell (1-4) als Within-Subject-Faktoren und das Geschlecht (männlich, weiblich) als Between-Subject-Faktor behandelt wurden.

Junge Erwachsene

Die Analyse bestätigte, dass YA die 2D-Modelle schneller bearbeiteten als die 3D-Modelle (F(1,22) = 274, p < 0,001, ES = 0,926; 2D = 40,8 ± 7,4 s, 3D = 68,3 ± 14,2 s; Abbildung 2B). Die Latenzen wurden auch durch die Reihenfolge der Modellpräsentation beeinflusst (F(3,66) = 6,97, p < 0,001, ES = 0,241), wobei frühere Versuche langsamer abgeschlossen wurden als spätere Versuche (Modell 1 = 60,6 ± 14,2 s, Modell 4 = 48,6 ± 13,3 s). Ein signifikanter Haupteffekt des Geschlechts (F(1,22) = 4,38, p = 0,048, ES = 0,166; Abbildung 2B) zeigte, dass männliche Teilnehmer die Aufgabe schneller bearbeiteten als die weiblichen Teilnehmer (Männer = 50,4 ± 10,5 s, Frauen = 58,7 ± 9,0 s). Schließlich deutet eine signifikante Interaktion zwischen Komplexität und Geschlecht (F(1,22) = 4,75, p = 0,040, ES = 0,177; Abbildung 2B) darauf hin, dass sich die Latenzzeit zwischen männlichen und weiblichen Teilnehmern unterscheidet, je nachdem, ob sie die 2D- oder 3D-Modelle nachbauen. Die paarweisen Post-hoc-Vergleiche erreichten jedoch keine Signifikanz (p > 0,05), wobei die männlichen Teilnehmer die Modelle in beiden Komplexitätsbedingungen signifikant schneller konstruierten als die weiblichen. Interessanterweise zeigte sich beim Ausfüllen eines Fragebogens zu ihrem Komfort beim Umgang mit LEGO® Steinen, dass die männlichen und weiblichen Teilnehmer in ähnlichem Alter mit LEGO® Steinen zu spielen begonnen (p > 0,05; Männer = 4,2 Jahre, Frauen = 4,1 Jahre) und sie zuletzt (p > 0,05; Männer = 13,4 Jahre, Frauen = 12,7 Jahre) verwendet hatten. Auch bei der Frage nach dem Komfort beim Bauen mit LEGO® Steinen (auf einer Skala von eins bis zehn, wobei zehn „sehr komfortabel“ bedeutet) gab es keinen signifikanten Unterschied zwischen Männern und Frauen (p > 0,05; Männer = 8,9, Frauen = 8.2), was darauf hindeutet, dass der Leistungsvorsprung der Männer nicht einfach darauf zurückzuführen ist, dass die männlichen Teilnehmer mehr Erfahrung mit dem Bau von LEGO®-Modellen haben.

Ältere Erwachsene

Gleich wie bei den jugendlichen Teilnehmern wurden die 2D-Modelle von den älteren Erwachsenen schneller fertiggestellt als die 3D-Modelle (F(1,18) = 42,6, p < 0,001, ES = 0,703; 2D = 88,4 ± 33,9 s, 3D = 141,3 ± 54,0 s; Abbildung 2C). Darüber hinaus wurden die Fertigstellungszeiten durch die Reihenfolge der Modellpräsentation beeinflusst (F(3,54) = 11,6, p < 0,001, ES = 0,392), wobei frühe Modelle langsamer konstruiert wurden als spätere Modelle (Modell 1 = 142,4 ± 51,4 s, Modell 4 = 95,0 ± 37,2 s). Im Gegensatz zur YA waren die Latenzen bei der OA jedoch zwischen den Geschlechtern konsistent (p > 0,05). Außerdem wirkte sich das Geschlecht nicht unterschiedlich auf die Latenzen nach Modell oder Komplexität aus (p > 0,05).

Prozentuale Veränderung

Als die Daten normalisiert wurden, um die Auswirkungen der mentalen Rotationsanforderungen der Aufgabe weiter zu untersuchen, ergab die Analyse keine signifikanten Haupteffekte oder Interaktionen zwischen den Faktoren (p > 0,05). Mit anderen Worten: YA- und OA-Teilnehmer zeigten einen vergleichbaren Latenzanstieg mit zunehmender Modellkomplexität (YA = 167,4 ± 18,8%; OA = 163,9 ± 43,0%; Abbildung 3). Dieser Befund deutet darauf hin, dass die räumlichen Fähigkeiten, die zur Bewältigung dieser neuartigen visuomotorischen Aufgabe erforderlich sind, bei männlichen und weiblichen Teilnehmern in ähnlicher Weise herausgefordert wurden und dass diese räumlichen Fähigkeiten darüber hinaus mit zunehmendem Alter erhalten zu bleiben schienen.

Handgebrauch

Junge und ältere Erwachsene

Die Analyse ergab einen signifikanten Haupteffekt der Komplexität (F(1,40) = 5,12, p = 0,029, ES = 0,113), was darauf hindeutet, dass die Teilnehmer bei der Konstruktion der 2D-Modelle ihre rechte Hand stärker einsetzten als bei den 3D-Modellen (2D = 75,5 ± 15,5%, 3D = 72,0 ± 15,1%). Die Verwendung der Hand wurde auch durch die Reihenfolge der Modellpräsentation beeinflusst (F(3,120) = 12,4, p < 0,001, ES = 0,236), wobei die Verwendung der rechten Hand der Teilnehmer zwischen 80 und 68 % zwischen der Konstruktion von Modell 1 und Modell 4 variierte (Modell 1 = 80,2 ± 15,6 %, Modell 2 = 68,0 ± 19,7 %, Modell 3 = 76,4 ± 18,1 %, Modell 4 = 70,4 ± 18,0 %). Die Interaktion zwischen Modell und Gruppe war ebenfalls signifikant (F(3,120) = 38,0, p < 0,001, ES = 0,386). Die paarweisen Post-hoc-Vergleiche erreichten keine Signifikanz für die YA-Gruppe. Die OA-Gruppe benutzte jedoch ihre rechte Hand signifikant häufiger bei der Konstruktion von Modell 1 im Vergleich zu: Modell 2 (t(20) = 5,02, p < 0,001; Modell 1 = 88,2 ± 12,8%, Modell 2 = 66,0 ± 21,3%) und Modell 4 (t(20) = 4,18, p = 0,001; Modell 4 = 71,0 ± 20,6%). Außerdem benutzten sie ihre rechte Hand signifikant häufiger bei der Konstruktion von Modell 3 im Vergleich zu: Modell 2 (t(20) = 5,00, p < 0,001; Modell 3 = 86,9 ± 15,1%) und Modell 4 (t(20) = 4,179, p = 0,001). Gruppe und Geschlecht hatten keinen unterschiedlichen Einfluss auf den durchschnittlichen Gebrauch der rechten Hand (p > 0,05).

Diskussion

In dieser Studie wurde ein neuartiges Bewertungsinstrument für visuospatiale Fähigkeiten im visuomotorischen Bereich entwickelt. Unseres Wissens ist dies die erste Studie, die eine interaktive visuomotorische Aufgabe beschreibt und bewertet, die sowohl die räumliche Visualisierung als auch die mentale Rotationsfähigkeit herausfordert. Die Aufgabe verlangte von den Teilnehmern, komplexe Modelle nachzubilden, indem sie Bausteine mit unterschiedlichen Eigenschaften wie Form, Farbe und Größe aus einer Reihe von Blöcken auswählten. Die Studie ergab, dass die Zeit für die Fertigstellung jedes Modells in beiden Bedingungen der räumlichen Komplexität mit der Konstruktion aufeinander folgender Modelle für beide Teilnehmergruppen abnahm. Dieser Zeitrückgang deutet darauf hin, dass die visuell-räumlichen Suchanforderungen der Aufgabe auf natürliche Weise abnehmen, wenn Blöcke (und damit „Ablenker“) aus dem Arbeitsbereich entfernt und in die Modelle integriert werden. Zur Bestätigung, dass die räumliche Komplexität der Modelle zwischen den Bedingungen unterschiedlich war, benötigten beide Teilnehmergruppen mehr Zeit, um die Modelle in der räumlich komplexeren (3D) Bedingung fertigzustellen. Da die 2D- und 3D-Modelle aus der gleichen Anzahl identischer Blöcke bestanden, spiegelt der Zeitunterschied wahrscheinlich die höhere räumliche Komplexität der 3D-Modelle wider. Da die Manipulation in der dimensionalen Zusammensetzung der Modelle bestand, blieb der Zeitunterschied zwischen den Bedingungen über alle vier Modelle hinweg bestehen.

Ein wichtiges Ergebnis der aktuellen Untersuchung war, dass die räumlichen Fähigkeiten bei den OA-Teilnehmern erhalten bleiben. Im Vergleich zu den YA-Teilnehmern zeigten die OA-Teilnehmer langsamere Versuchszeiten über alle Versuchsbedingungen hinweg. Dies ist wahrscheinlich auf Unterschiede in der Vertrautheit mit der Aufgabe zurückzuführen (man könnte argumentieren, dass junge Erwachsene mehr Erfahrung beim „Spielen“ mit LEGO haben als ältere Erwachsene) und auf die altersbedingte Abnahme der Wahrnehmungs- und Bewegungsgeschwindigkeit (z. B. Goggin und Meeuwsen, 1992; Chaput und Proteau, 1996). Wenn die Daten jedoch normalisiert und als Prozentsatz der weniger anspruchsvollen visuell-räumlichen Aufgabe (2D-Modelle) ausgedrückt wurden, verhielten sich YA- und OA-Teilnehmer ähnlich. Mit anderen Worten, der proportionale Anstieg der Aufgabenerledigungszeiten von der niedrigen zur hohen visuell-räumlichen Komplexität unterschied sich nicht zwischen YA und OA, was darauf hindeutet, dass die spezifischen visuell-räumlichen Fähigkeiten, die durch die entwickelte Aufgabe herausgefordert werden, im höheren Alter tatsächlich erhalten bleiben. Dies ist ein wichtiges Ergebnis, da nach wie vor unklar ist, welche visuell-räumlichen Prozesse im Alter beeinträchtigt werden und welche verschont bleiben (für einen Überblick siehe Iachini et al., 2009; Klencklen et al., 2012). So haben einige Studien eine altersbedingte Abnahme der Fähigkeit gezeigt, visuelle Bilder mental zu drehen, räumlich-zeitliche Sequenzen abzurufen und visuell-räumliches Vorstellungsvermögen (Berg et al., 1982; Craik und Dirkx, 1992; Iachini et al., 2005; Ruggiero et al., 2008). Andere Studien haben gezeigt, dass die räumlichen Fähigkeiten bei älteren Menschen erhalten bleiben (Cherry und Park, 1993; Parkin et al., 1995; Yamamoto und Degirolamo, 2012). Yamamoto und Degirolamo (2012) baten beispielsweise junge und ältere Teilnehmer, Orientierungspunkte in virtuellen Umgebungen zu erlernen, indem sie entweder in der Ich-Perspektive darin navigierten oder Luftaufnahmen der Umgebungen betrachteten. Die räumliche Lernleistung war bei den Senioren weniger genau, wenn sie in der Ich-Perspektive navigierten, aber genauso genau wie bei den jungen Erwachsenen, wenn sie aus der Luftansicht navigierten. Diese Studien und die Ergebnisse der aktuellen Untersuchung deuten stark darauf hin, dass die Folgen des Alterns für die räumliche Kognition je nach Art des herausgeforderten räumlichen Prozesses unterschiedlich sind. Da die in der vorliegenden Studie verwendete Aufgabe alltäglichen Handlungen ähnelt (z. B. das Greifen nach Objekten), trägt die vorliegende Untersuchung auch zu den Erkenntnissen bei, die einen weniger starken (oder gar keinen) Rückgang der räumlichen Fähigkeiten bei vertrauten, ökologisch relevanten räumlichen Aufgaben im Vergleich zu abstrakten Labortests zeigen (De Beni et al., 2006; Iachini et al., 2009).

Verschiedene Studien haben gezeigt, dass Männer bei Aufgaben, die mentale Rotation, 3D-Figuren und räumliche Wahrnehmung beinhalten, besser abschneiden (McGlone und Davidson, 1973; Linn und Petersen, 1985; Voyer et al., 1995; Sherwin, 2003). Die verschiedenen Ebenen der visuell-räumlichen Komplexität, die in den vorliegenden Aufgaben verwendet wurden, reichten aus, um die Geschlechtsunterschiede zu erzeugen, die zuvor durch Papier-und-Bleistift-Tests und computergestützte chromomere Tests ermittelt worden waren (z. B. Linn und Petersen, 1985; Voyer et al., 1995; Sherwin, 2003). Im vorliegenden Experiment lösten die jungen männlichen Teilnehmer die Aufgaben deutlich schneller als die jungen weiblichen Teilnehmer. Erstaunlicherweise wurde der Geschlechtsunterschied, der bei den YA-Teilnehmern bestand, bei den OA nicht beobachtet. Dies war unerwartet, da einige Studien über geschlechtsspezifische Leistungsunterschiede bei visuospatialen Aufgaben bei älteren Menschen berichtet haben (Berg et al., 1982; Willis und Schaie, 1989; Jansen und Heil, 2010). Die Studien, die über das Vorhandensein von Leistungsunterschieden zwischen den Geschlechtern bei älteren Erwachsenen berichten, haben jedoch Standardtests mit Papier und Bleistift verwendet. Im Gegensatz dazu verlangte die entwickelte Aufgabe, dass die Teilnehmer mit den Stimuli interagieren, die Bausteine vor dem Greifen mental drehen und den Block entsprechend ausrichten, um ihn dem zusammengebauten 3D-Modell hinzuzufügen. Es ist wahrscheinlich, dass der neuartige interaktive Charakter unserer Aufgabe für die Unstimmigkeiten zwischen unserer Studie und früheren Studien verantwortlich ist, die räumliche Fähigkeiten bei OA untersucht haben. Es ist zwar auch möglich, dass die festgestellten Geschlechtsunterschiede darauf zurückzuführen sind, dass die jungen männlichen Teilnehmer mehr Erfahrung im „Spielen“ mit Bauklötzen haben als die jungen weiblichen Teilnehmer, ein Unterschied, der sich mit zunehmendem Alter wahrscheinlich auflösen würde, aber es scheint unwahrscheinlich, dass dies der ausschlaggebende Faktor ist. Bei der Beantwortung eines Fragebogens, in dem es um den Umgang mit LEGO® Steinen ging, wurden keine Unterschiede zwischen den Antworten der jungen Frauen und Männer festgestellt. Man könnte auch spekulieren, dass der Östrogenspiegel, von dem man annimmt, dass er zu den geschlechtsspezifischen Unterschieden in den räumlichen Fähigkeiten beiträgt (siehe Hampson, 1995; Martin et al., 2007), eine Rolle bei den von uns beobachteten Ergebnissen spielte. Erhöhte Östrogenspiegel wurden mit einer Abnahme der visuell-räumlichen Fähigkeiten in Verbindung gebracht (Gordon et al., 1986). Im Gegensatz dazu werden verringerte Spiegel von Gonadotropin-Hormonen, die für die Östrogenproduktion verantwortlich sind, mit besseren visuell-räumlichen Fähigkeiten in Verbindung gebracht (Gordon et al., 1986). Da die älteren Frauen in unserer Studie postmenopausal waren und keinen Östrogen-Hormonersatz erhielten, ist es möglich, dass der verringerte Östrogenspiegel bei diesen Frauen zu den fehlenden Geschlechtsunterschieden beigetragen hat.

In der aktuellen Studie zeigten die Teilnehmer eine starke Präferenz für die rechte Hand, wenn sie die Möglichkeit hatten, beide Hände zum Greifen zu benutzen. Dieses Ergebnis steht im Einklang mit früheren Untersuchungen unseres Labors (Gonzalez et al., 2007; Stone et al., 2013) und dem Vorschlag einer Spezialisierung der linken Hemisphäre für visuell gesteuerte Handlungen (Goodale, 1988; Gonzalez et al., 2006, 2007; Serrien et al., 2006). Interessanterweise wurde der Einsatz der rechten Hand in unterschiedlicher Weise von der räumlichen Komplexität der Aufgabe beeinflusst, wobei der Einsatz der rechten Hand mit zunehmenden Anforderungen an die mentale Rotation abnahm. Dieses Ergebnis steht im Einklang mit der allgemein verbreiteten Ansicht (Corballis und Sergent, 1989; Ditunno und Mann, 1990), dass mentale Rotation in erster Linie eine Spezialisierung der rechten Hemisphäre ist. Obwohl dieses Ergebnis in der gesamten ANOVA (YA und OA) zu sehen war, schien es eher spezifisch für die OA zu sein. Möglicherweise ist der Handgebrauch bei älteren Erwachsenen als Reaktion auf die Anforderungen der Aufgabe, insbesondere die räumlichen Anforderungen, flexibler. Weitere Untersuchungen sind erforderlich, um festzustellen, ob mentale Rotation und/oder räumliche Visualisierungsfähigkeiten den Handgebrauch sowohl bei jungen als auch bei älteren Erwachsenen beeinflussen.

Abschließend ist zu erwähnen, dass die in dieser Studie entwickelte Aufgabe zwar viele Gemeinsamkeiten mit den standardisierten räumlichen Tests aufweist, aber in einzigartiger Weise die reale Interaktion des Greifens, Erfassens und Zusammenfügens von Objekten in der Umgebung beinhaltet. Jeden Tag müssen wir die Dinge um uns herum berühren und greifen. Wir müssen uns auf diese visuell-räumlichen Fähigkeiten verlassen, um unsere Umgebung aktiv beeinflussen zu können. Da die entwickelte Aufgabe durch Manipulation der Blockgröße und der Modellkonfiguration modifiziert werden kann, eignet sie sich für die Bewertung visuell-räumlicher Fähigkeiten bei Kindern (Sacrey et al., 2012), jungen und älteren Erwachsenen (Gonzalez et al., 2014) und wahrscheinlich auch bei pathologischen Populationen (z. B. Menschen mit Parkinson-Krankheit oder Menschen mit visuell-räumlicher Vernachlässigung, Forschung in Arbeit). Interessanterweise deutet die Forschung zunehmend darauf hin, dass räumliche Fähigkeiten formbar sind und trainiert werden können. Diese Flexibilität bietet die Möglichkeit, Trainings- oder Rehabilitationsstrategien zu entwickeln, die eingesetzt werden könnten, um festgestellte Unterschiede oder Beeinträchtigungen der räumlichen Leistung zu minimieren, unabhängig davon, ob diese Unterschiede eine Folge des Geschlechts oder anderer festgestellter Einflüsse auf die räumliche Kognition sind, wie z. B. des sozioökonomischen Status (Levine et al., 2005; Hackman und Farah, 2009), des Alterns (Klencklen et al., 2012) oder neurologischer Störungen (Vallar, 2007; Possin, 2010).

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass in der vorliegenden Studie ein neuartiges Instrument zur Bewertung visuospatialer Fähigkeiten entwickelt wurde. Ältere Erwachsene führten die visuomotorische Aufgabe durchweg langsamer aus als die jüngeren Teilnehmer, ihre Leistungen waren jedoch vergleichbar, wenn man die Ergebnisse als Funktion der prozentualen Veränderung der Aufgabenanforderungen ausdrückt. Da die visuomotorischen Anforderungen der Aufgabe unter allen Bedingungen gleich waren, resultierte der Unterschied in der Bearbeitungszeit der Aufgaben aus der Manipulation der visuospatialen Komplexität. Die vorgestellte Aufgabe würde sich gut für Untersuchungen der visuospatialen Funktion im visuomotorischen Bereich eignen, insbesondere in Bezug auf Geschlecht und/oder Entwicklung und Pathologie.

Erklärung zu Interessenkonflikten

Die Autoren erklären, dass die Forschung in Abwesenheit jeglicher kommerzieller oder finanzieller Beziehungen durchgeführt wurde, die als potenzieller Interessenkonflikt ausgelegt werden könnten.

Danksagungen

Diese Arbeit wurde vom Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada (Grant number: 40314) unterstützt. Die Geldgeber hatten keinen Einfluss auf das Studiendesign, die Datenerfassung und -analyse, die Entscheidung zur Veröffentlichung oder die Erstellung des Manuskripts.