Frontiers in Aging Neuroscience

Introduction

Spatiaaliset kyvyt ovat kriittisiä toiminnallisen riippumattomuuden kannalta. Niiden avulla pystymme paikantamaan kohteet avaruudessa, havaitsemaan visuaalisesti esineitä ja ymmärtämään kaksi- ja kolmiulotteisia (2D ja 3D) avaruudellisia suhteita esineiden ja ympäristömme välillä. Näiden kykyjen avulla voimme liikkua ympäristössämme turvallisesti arvioimalla tarkasti suuntaa ja etäisyyttä. Spatiaalinen kyvykkyys ei ole yhtenäinen toiminto, vaan se voidaan jakaa useisiin erillisiin kategorioihin, jotka yleisesti luokitellaan spatiaaliseksi visualisoinniksi, spatiaaliseksi hahmottamiseksi ja mentaaliseksi rotaatioksi. Spatiaalinen visualisointi on määritelty kyvyksi käsitellä henkisesti monimutkaista spatiaalista informaatiota, kun spatiaalisen tehtävän onnistunut suorittaminen edellyttää useita vaiheita (Linn ja Petersen, 1985; Voyer ym., 1995). Esimerkki tehtävästä, joka voisi sisältää spatiaalisia visualisointikykyjä, olisi esineiden järjestäminen niin, että ne mahtuvat matkalaukkuun. Spatiaalisella hahmottamisella tarkoitetaan kykyä määrittää tarkasti spatiaaliset suhteet oman orientaation suhteen huolimatta häiritsevän informaation läsnäolosta (Linn ja Petersen, 1985; Voyer ym., 1995). Spatiaalisen hahmottamisen kykyjä käytetään, kun liitytään liikkuvaan liikenteeseen vilkkaalla moottoritiellä. Kuljettajan on määriteltävä, mahtuuko auto liikenteessä olevaan aukkoon samalla, kun hän jättää huomioimatta ympärillä olevat merkityksettömät ajoneuvot moottoritiellä. Kolmas spatiaalisen kyvyn luokka, mentaalinen rotaatio, on kyky muuttaa objektin mentaalisen esityksen orientaatiota 2D- tai 3D-avaruudessa (Linn ja Petersen, 1985; Voyer ym., 1995). Mentaalisia rotaatiokykyjä käytetään usein päivän mittaan, esimerkiksi kammattaessa hiuksia tai meikatessa peilin edessä. On olemassa lukuisia standardoituja avaruudellisia testipatteristoja, jotka on kehitetty mittaamaan sitä, miten osallistujat ratkaisevat avaruudellisia tehtäviä. Esimerkkejä yleisesti käytetyistä tehtävistä, joita käytetään mittaamaan spatiaalisia visualisointikykyjä, ovat Paper Form Board (Likert ja Quasha, 1941), jossa osallistujien on tunnistettava, miltä taiton muoto näyttäisi taitettuna, ja Identical Block Test (Stafford, 1961), jossa osallistujat tunnistavat korttelit joukosta, jotka vastaavat vertailukorttelia, kun he saavat korttelien etupuolella olevia vihjeitä. Kaksi standardoitua testiä, joita käytetään avaruudellisen hahmottamisen arviointiin, ovat sauva- ja kehystesti (Witkin ja Asch, 1948), jossa osallistujien on tunnistettava vaaka- tai pystysuorat viivat, jotka on esitetty pyöristetyssä neliönmuotoisessa kehyksessä, ja vedenkorkeuskoe (Piaget ja Inhelder, 1956), jossa osallistujat ilmoittavat vesiviivan suunnan kallistetun astian kuvassa. Lisäksi on kehitetty lukuisia avaruudellisia testejä, joilla testataan mentaalista rotaatiota. Yleisimmin käytetty testi on Mental Rotation Test (Vandenburg ja Kuse, 1978), joka on muunnelma Shepardin ja Metzlerin (1971) kehittämästä alkuperäisestä testistä. Tässä testissä osallistujien on määritettävä, ovatko syvyydeltään toisiinsa nähden pyöritetyt esineparit identtisiä vai peilikuvia. Huolimatta spatiaalisten testien ryhmittelystä kolmeen yleiseen kategoriaan, jotka ovat spatiaalinen visualisointi, spatiaalinen hahmottaminen ja mentaalinen rotaatio, yhden testin tehtävien ratkaiseminen vaatii kuitenkin tyypillisesti useiden spatiaalisten prosessien käyttöä. Esimerkiksi testit, jotka on luokiteltu spatiaalisen visualisoinnin kategoriaan (esim. paperimuotoinen taulutehtävä, identtisten lohkojen testi), sisältävät todennäköisesti elementtejä mentaalisesta rotaatiosta ja spatiaalisesta hahmottamisesta.

Tietämyksemme siitä, miten ihmiset ovat vuorovaikutuksessa spatiaalisen ympäristönsä kanssa, on suurelta osin perustunut tutkimuksiin, joissa on käytetty tavanomaisia paperi- ja lyijykynälaskentaan perustuvia psykometrisiä testejä, tietokonepohjaisia kronometrisiä testejä (Linn ja Petersen, 1985; Voyer ym, 1995) ja viime aikoina immersiivisissä 3D-ympäristöissä tehtyihin testeihin (Parsons et al., 2004; Tsirlin et al., 2009). Vaikka nämä tutkimukset ovat ratkaisevan tärkeitä avaruudellisen kognition ymmärtämisen kannalta, käytettyjen 2D-tehtävien vähäiset visuomotoriset vaatimukset eivät useinkaan edusta fyysisiä vuorovaikutustilanteita, joita meillä on päivittäisessä ympäristössämme olevien esineiden kanssa. Lisäksi monet standardoidut testit eivät monimutkaisuutensa vuoksi sovellu käytettäväksi pienten lasten, ikääntyneiden ja potilasryhmien kanssa.

Olemme kehittäneet uudenlaisen visuomotorisen tehtävän, jonka variantit soveltuvat spatiaalisten kykyjen vaihteluväliin niinkin nuorista kuin kolmevuotiaista lapsista (Sacrey et al., 2012) vanhuksiin (Gonzalez et al., 2014) sekä potilasryhmiin (julkaisematon). Tehtävässä osallistujien on löydettävä, tavoiteltava, tartuttava ja käsiteltävä sopivia rakennuspalikoita palikoiden joukosta 3D-mallin jäljentämiseksi. Tehtävässä yhdistyvät kolme avaruudellisten kykyjen pääluokkaa: mentaalinen kierto, avaruudellinen visualisointi ja avaruudellinen havaitseminen. Mentaalisia rotaatiokykyjä haastetaan määrittelemällä, voidaanko työtilassa olevia 3D-palikoita kiertää siten, että ne vastaavat esimerkkimallin rakennuspalikoiden orientaatiota niiden orientaatiosta riippumatta. Lisäksi avaruudellisia visualisointikykyjä käytetään tunnistamaan näytemallin rakennuspalikkaa vastaava palikka vaihtoehtojen joukosta (jotka voivat erota toisistaan värin, muodon ja/tai koon perusteella; tässä yhteydessä käytetään nimitystä visuospatiaalinen haku). Spatiaalisia hahmotuskykyjä tarvitaan myös suurimmassa osassa tehtävää, kun osallistuja tunnistaa oikean rakennuspalikan häiriötekijöiden joukosta. Tässä tehtävässä, joka on samanlainen kuin standardoidut paperi- ja lyijykynä- ja tietokonepohjaiset testit, visuospatiaalisen monimutkaisuuden tasoa voidaan manipuloida, kun taas tehtävän visuomotoriset vaatimukset pidetään vakiona. Toisin kuin näissä standardoiduissa testeissä, tehtävämme visuomotoriset vaatimukset ovat kuitenkin laajat ja vastaavat jokapäiväisten tehtävien vaatimuksia. Kehitetyn tehtävän avulla voidaan tutkia avaruudellista kognitiota visuomotorisella alueella, mikä lisää arvokasta tietoa nykyiseen ymmärrykseemme avaruudellisesta vuorovaikutuksesta reaalimaailman skenaarioissa.

Tässä tutkimuksessa selvitettiin, onko mahdollista käyttää kurottautumistehtävää visuospatiaalisen ja visuomotorisen toimintakyvyn arvioimiseksi nuoremmilla (18-25-vuotiaat) ja vanhemmilla (60-82-vuotiaat) aikuisilla miehillä ja naisilla. Tietojemme mukaan tämä on ensimmäinen tutkimus, jossa on käytetty visuomotorista tehtävää, jossa yhdistyvät avaruudellisen visualisoinnin (visuospatiaalinen haku) ja mentaalisen rotaation näkökohdat. Tässä kokeessa visuospatiaalisen haun vaatimukset olivat yhdenmukaiset, mutta toistettavien mallien spatiaalinen monimutkaisuus moduloitiin kahdessa olosuhteessa. Matalan spatiaalisen monimutkaisuuden ehdossa jäljennettävän mallin jokaisen rakennuspalikan sijainti, ominaisuudet (eli väri ja koko) ja suuntaus näkyivät yhdestä ainoasta näkymätasosta, ja mallit olivat ”litteitä”. Korkean spatiaalisen monimutkaisuuden tilassa malli oli 3D-konfiguraatio, ja sitä oli käännettävä, jotta varmistettiin kunkin rakennuslohkon tarkka valinta ja sijoittaminen malliin. Tehtävän motoriset vaatimukset (esim. palikoiden tavoittaminen ja niihin tarttuminen) olivat samat molemmissa olosuhteissa.

Kunkin mallin toistamiseen kulunut kokonaisaika ja käden mieltymys kuhunkin tarttumiseen kirjattiin. Ottaen huomioon raportoidun useiden kognitiivisen toimintakyvyn mittareiden heikkenemisen iän myötä (Blanchard-Fields ja Hess, 1996; Gabrowski ja Mason, 2014) sekä iän myötä havaitun heikkenemisen avaruudellisessa visualisoinnissa (Hertzog, 1989; Salthouse, 1990; Borella ym., 2014) ja mentaalisessa rotaatiossa (Willis ja Schaie, 1989; Jansen ja Heil, 2010; Borella ym., 2014) ennakoimme ikään liittyvää heikkenemistä tehtäväsuorituksessa. Lisäksi kirjallisuuden mukaisesti, jossa raportoidaan miesten paremmasta suorituskyvystä naisiin verrattuna mentaalisen rotaation testeissä (McGlone ja Davidson, 1973; Linn ja Petersen, 1985; Voyer ym, 1995; Sherwin, 2003), ennustimme, että sukupuolten välisiä eroja ilmenisi, ja miehillä olisi johdonmukaisesti suorituskykyetu.

Materiaalit ja menetelmät

Osallistujat

Tutkimukseen rekrytoitiin yliopistoyhteisöstä 24 itsestään oikeakätiseksi ilmoittautunutta oikeakätistä nuorta aikuista (YA; 12 miestä; 18-25 vuotta) ja 20 itsestään oikeakätiseksi ilmoittautunutta oikeakätistä iäkästä aikuista (OA; 10 miestä; 60-81 vuotta). Tutkimus suoritettiin Lethbridgen yliopiston ihmistutkimuskomitean luvalla. Kaikki osallistujat olivat naiiveja tutkimuksen tarkoituksen suhteen ja antoivat kirjallisen tietoon perustuvan suostumuksen ennen tutkimuksen aloittamista.

Menetelmät

Osallistujat istuivat mukavasti keskellä pöydän edessä, jonka korkeus oli 0,74 m ja työskentelytila 0,70 m x 1,22 m. Osallistujia ohjeistettiin toistamaan kaksi neljän mallin sarjaa. Tämän jälkeen osallistujat vastasivat Edinburghin (Oldfield, 1971) ja Waterloon (Brown et al., 2006) kätisyyskyselylomakkeiden modifioituun versioon (katso Stone et al., 2013 modifioidun kyselylomakkeen täydellinen kuvaus). Naispuolisilta iäkkäiltä aikuisilta osallistujilta kysyttiin, käyttivätkö he hormonikorvaushoitoa, jotta voitiin selvittää, erosivatko kiertävät sukupuolihormonitasot todennäköisesti huomattavasti ryhmän sisällä.

48 ainutlaatuista rakennuspalikkaa (LEGO®) jaettiin pseudosattumanvaraisesti pöytälevylle osallistujien ollessa kasvot poispäin pöydästä. Läpinäkyvän teipin kaistaleen avulla työtila jaettiin kahtia, ja 24 palikkaa jaettiin vasemmalle ja oikealle puolelle (kuva 1A). Jokainen koe alkoi siten, että osallistujat tarkastivat 12-osaisen mallin, jonka he kopioisivat. Tarkastuksen jälkeen kokeen suorittaja sijoitti mallin pöydän lähimpään oikeaan tai vasempaan kulmaan (tasapainotettiin kokeiden välillä). On osoitettu, että mallin sijainti pöydällä ei vaikuta käden käyttöön (Stone et al., 2013). Jokaista koetta varten osallistujille annettiin ohjeet ”toistaa malli mahdollisimman nopeasti ja tarkasti käyttäen pöydällä olevia paloja”. Muita ohjeita osallistujille ei annettu. Osallistujat saivat vapaasti manipuloida ja kääntää jäljennettävää mallia rakentamisen aikana. Mallin jäljentämisen jälkeen molemmat mallit poistettiin ja annettiin toinen jäljennettävä malli. Rakennuspalikoita ei vaihdettu kokeiden välillä. Samaa 48 yksilöllisen rakennuspalikan sarjaa käytettiin tässä kokeessa jokaisessa neljän 12-osaisen mallin sarjassa (kuva 1A). LEGO®-mallien kaksi sarjaa erosivat toisistaan niiden tilallisen monimutkaisuuden suhteen. Matalan tilavaatimuksen tilassa (2D) jäljennettävän mallin rakennuspalikat olivat ”litteässä” kokoonpanossa (kuva 1B). Tämä mahdollisti sen, että osallistujat pystyivät tarkastelemaan kaikkien 12 rakennuspalikan ominaisuuksia ja orientaatiota yhdestä tasosta, mikä poisti tarpeen pyörittää mallia fyysisesti (vaikka osallistujat saivatkin edelleen vapaasti poimia ja manipuloida jäljennettävää mallia). Korkean tilantarpeen tilassa (3D) jäljennettävän mallin rakennuspalikat (samat kuin 2D-malleissa käytetyt) eivät olleet kaikki näkyvissä samassa tasossa (kuva 1C). Tämän vuoksi mallia jouduttiin kääntämään, jotta se voitiin kopioida tarkasti. Osallistujat rakensivat 2D-olosuhteissa neljä peräkkäistä mallia käyttäen kaikkia 48 palikkaa. Tämän jälkeen osallistujat rakensivat peräkkäin neljä mallia 3D-olosuhteissa käyttäen jälleen kaikkia 48 lohkoa. Aloitusehto (2D, 3D) tasapainotettiin ja mallien esitysjärjestys satunnaistettiin osallistujien välillä. Kaikilla osallistujilla käytettiin samoja kahdeksaa mallia.

Datan käsittely ja analyysi

Kokonaisaikaa (esim, latenssi, s) siitä hetkestä, kun osallistujat nostivat jommankumman kätensä pöydältä aloittaakseen kurottautumisen kohti rakennuspalikoita, siihen hetkeen, kun kopiomalli asetettiin pöydälle (mukaan lukien kurottautuminen, tarttuminen, mallin manipulointi ja mallin rakentaminen), kirjattiin Tough Timer® -pysäytyskellolla (Sportline Inc.). Tehtävä tallennettiin digitaalisella videokameralla (JV HD Everio®), joka oli sijoitettu suoraan osallistujien eteen siten, että työtila, rakennuspalikat ja osallistujien kädet näkyivät selvästi. Jokainen ote pisteytettiin vasemman tai oikean käden otteena, ja oikean käden käyttö määritettiin prosenttiosuutena mallin rakentamiseen käytettyjen otteiden kokonaismäärästä (oikean käden otteiden määrä / otteiden kokonaismäärä × 100).

Mallin monimutkaisuuden ja tehtävän etenemisen vaikutusta latenssiin ja käden käyttöön verrattiin sukupuolen ja ryhmän välillä käyttäen sekatekijöiden toistettujen mittausten varianssianalyysejä (RM ANOVA), jossa monimutkaisuus (2D, 3D) ja malli (1-4) olivat koehenkilöiden sisäisiä tekijöitä ja sukupuoli (mies, nainen) ja ryhmä (YA, OA) koehenkilöiden välisiä tekijöitä. Myöhemmin, jotta voitiin verrata nuorempien ja vanhempien aikuisten välisiä latenssimuutoksia, jotka johtuvat henkisestä rotaatiovaatimuksesta eivätkä motoriikan nopeudesta, 3D-latenssitiedot normalisoitiin 2D-tietoihin (*100), ja ne syötettiin kolmisuuntaiseen RM ANOVA:han. Mallinumero (1-4) oli koehenkilöiden sisäinen tekijä ja sukupuoli (mies, nainen) ja ryhmä (YA, OA) olivat koehenkilöiden väliset tekijät. Kun tilastollinen merkitsevyys määritettiin, suoritettiin asianmukaiset RM ANOVA:t tai parittaiset t-testit, ja parittaisten t-testien yhteydessä käytettiin bonferronin korjauksia moninkertaisia vertailuja varten.

Tiedot analysoitiin SPSS Statistics 18.0 for Windows -ohjelmalla (SPSS Inc., Chicago, IL, USA). Tilastollinen merkitsevyys asetettiin 0,05:een. Vaikutuskoko (ES) ilmoitettiin η2-arvoina.

Tulokset

Kaikki tiedot olivat normaalisti jakautuneita eivätkä rikkoneet varianssin homogeenisuusoletuksia. Siksi käyttäytymistietojen analysointiin käytettiin parametrisia tilastoja. Tiedot esitetään keskiarvoina ja keskihajontoina.

Kaikki osallistujat ilmoittivat itsensä oikeakätisiksi; tämä tieto vahvistettiin kätisyyskyselyllä. Kätisyyspisteet erosivat ryhmien välillä (F(1,40) = 6.94, p = 0.012, ES = 0.148), ja OA ilmoitti korkeammat kätisyyspisteet kuin YA-osallistujat (YA = 30.5 ± 6.9; OA = 35.4 ± 4.7). Tämä havainto on yhdenmukainen aiempien raporttien kanssa (Gonzalez et al., 2014), joiden mukaan vanhemmat osallistujat pitävät itseään yleensä enemmän oikeakätisempinä. Sukupuoli ei vaikuttanut eri tavoin kätisyyspisteisiin (p > 0.05). Ikä ei eronnut sukupuolten välillä (p > 0.05). Kaikki naispuoliset OA-osallistujat ilmoittivat itse, etteivät he käyttäneet hormonikorvaushoitoa.

Laajuus

Nuoret ja iäkkäät aikuiset

Analyysi paljasti merkitsevän monimutkaisuuden päävaikutuksen (F(1,40) = 112, p < 0.001, ES = 0,737; Kuva 2A), mikä viittaa siihen, että osallistujat rakensivat 2D-mallit huomattavasti nopeammin kuin 3D-mallit (2D = 62,4 ± 33,4 s, 3D = 101,5 ± 52,5 s). Mallien esitysjärjestys vaikutti myös latenssiin (F(3,120) = 19.0, p < 0.001, ES = 0.322), ja aikaisemmat kokeet suoritettiin hitaammin kuin myöhemmät kokeet (malli 1 = 97.8 ± 54.5 s, malli 4 = 69.7 ± 35.4 s), mikä viittaa siihen, että tehtävään liittyvä luontainen visuospatiaalinen haku luonnollisesti vähenee tehtävän edetessä, kun vähemmän lohkoja on jäljellä työpaikalla ja siksi vähemmän ”häiritseviä” lohkoja on läsnä, mikä antaa osallistujille mahdollisuuden tunnistaa sopiva lohko helpommin. Mallin ja ryhmän välinen vuorovaikutus saavutti myös merkitsevyyden (F(3,120) = 6.90, p < 0.001, ES = 0.147). Post hoc -vertailut osoittivat, että mallin rakentamisen latenssi väheni merkitsevästi mallin 1 ja mallin 3 välillä molemmissa ryhmissä: YA (t(23) = 4.77, p < 0.001) ja OA (t(19) = 4.74, p < 0.001) osoittivat, että latenssi väheni 8.8 s ja 40.3 s. Vastaavasti latenssi lyheni merkitsevästi mallin 1 rakentamisesta mallin 4 rakentamiseen molemmissa ryhmissä: YA (t(23) = 4,23, p < 0,001) osoitti 12,0 s:n vähennystä ja OA (t(19) = 4,39, p < 0,001)osoitti 47,4 s:n vähennystä. Monimutkaisuus mallin mukaan ja monimutkaisuus mallin mukaan ryhmän mukaan -vuorovaikutukset eivät olleet merkitseviä (p > 0,05). Ryhmän merkittävä päävaikutus (F(1,40) = 46.7, p < 0.001, ES = 0.539; Kuva 2A) osoitti, että YA suoritti kokeet huomattavasti nopeammin kuin OA (YA = 54.5 ± 10.4 s, OA = 114.8 ± 41.5 s). Monimutkaisuuden ja ryhmän välinen vuorovaikutus oli myös merkittävä (F(1,40) = 11.2, p = 0.002, ES = 0.220; Kuva 2A). Post hoc -parikohtaiset vertailut osoittivat, että latenssi kasvoi 2D-mallin rakentamisesta 3D-mallin rakentamiseen molemmissa ryhmissä: YA (t(23) = 15.4, p < 0.001) ja OA (t(19) = 6.704, p < 0.001) osoittivat vastaavasti 27.5 ja 52.9 s:n kasvua latenssissa. Sukupuoli ei vaikuttanut eri tavoin keskimääräiseen latenssiin (p > 0.05).

Selvittääksemme tarkemmin mallin monimutkaisuuden ja tehtävän etenemisen vaikutusta latenssiin suoritettiin kullekin ryhmälle (YA, OA) erillinen kolmitie RM ANOVA, jossa monimutkaisuutta (2D, 3D) ja mallia (1-4) käsiteltiin koehenkilön sisäisinä tekijöinä ja sukupuolta (uros, naaras) oli koehenkilöiden välinen tekijä.

Nuoret aikuiset

Analyysi vahvisti, että YA suoritti 2D-mallit nopeammin kuin 3D-mallit (F(1,22) = 274, p < 0.001, ES = 0.926; 2D = 40.8 ± 7.4 s, 3D = 68.3 ± 14.2 s; Kuva 2B). Mallien esitysjärjestys vaikutti myös latensseihin (F(3,66) = 6.97, p < 0.001, ES = 0.241), ja aikaisemmat kokeet suoritettiin hitaammin kuin myöhemmät kokeet (malli 1 = 60.6 ± 14.2 s, malli 4 = 48.6 ± 13.3 s). Sukupuolen merkittävä päävaikutus (F(1,22) = 4.38, p = 0.048, ES = 0.166; Kuva 2B) osoitti, että miespuoliset osallistujat suorittivat tehtävän nopeammin kuin naispuoliset osallistujat (miehet = 50.4 ± 10.5 s, naiset = 58.7 ± 9.0 s). Lopuksi merkittävä monimutkaisuuden ja sukupuolen välinen vuorovaikutus (F(1,22) = 4.75, p = 0.040, ES = 0.177; Kuva 2B) osoitti, että viiveet erosivat mies- ja naisosallistujien välillä riippuen siitä, kopioivatko he 2D- vai 3D-malleja. Post hoc -parikohtaiset vertailut eivät kuitenkaan saavuttaneet merkitsevyyttä (p > 0.05), ja miehet rakensivat mallit huomattavasti nopeammin kuin naiset molemmissa monimutkaisuusolosuhteissa. Mielenkiintoista oli, että kun YA-osallistujia pyydettiin täyttämään kyselylomake, joka koski heidän mukavuustasoaan LEGO®-palikoiden käsittelyssä, havaittiin, että mies- ja naisosallistujat olivat aloittaneet LEGO®-palikoilla leikkimisen (p > 0,05; miehet = 4,2 vuotta, naiset = 4,1 vuotta) ja käyttäneet LEGO®-palikoita edellisen kerran samassa iässä kuin miesosallistujat (p > 0,05; miehet = 13,4 vuotta, naiset = 12,7 vuotta). Lisäksi kun heitä pyydettiin ilmoittamaan, kuinka mukavasti he rakentavat LEGO®-palikoilla (asteikolla yksi-kymmenen, jossa kymmenen tarkoittaa ”erittäin mukavasti”), miesten ja naisten välillä ei ollut merkittävää eroa (p > 0,05; mies = 8,9, nainen = 8,5).2), mikä viittaa siihen, että miesten suoritusetu ei johtunut pelkästään siitä, että miespuolisilla osallistujilla oli enemmän kokemusta LEGO®-mallien rakentamisesta.

Iäkkäämmät aikuiset

Yhtä lailla kuin nuoret osallistujat, vanhemmat aikuiset saivat 2D-mallit valmiiksi nopeammin kuin 3D-mallit (F(1,18) = 42.6, p < 0.001, ES = 0.703; 2D = 88.4 ± 33.9 sekuntia, 3D = 141.3 ± 54.0 sekuntia; kuva 2C). Lisäksi mallien esitysjärjestys vaikutti valmistumisaikoihin (F(3,54) = 11.6, p < 0.001, ES = 0.392), jolloin varhaiset mallit rakennettiin hitaammin kuin myöhemmät mallit (malli 1 = 142.4 ± 51.4 s, malli 4 = 95.0 ± 37.2 s). Toisin kuin YA:ssa, latenssit olivat kuitenkin OA:n osalta johdonmukaisia sukupuolten välillä (p > 0.05). Sukupuoli ei myöskään vaikuttanut eri tavoin latensseihin mallin tai monimutkaisuuden mukaan (p > 0.05).

Prosenttimuutos

Kun tiedot normalisoitiin, jotta voitiin tutkia tarkemmin tehtävän mentaalisen rotaatiovaatimuksen vaikutuksia, analyysi ei paljastanut merkittäviä päävaikutuksia tai tekijöiden välisiä vuorovaikutuksia (p > 0.05). Toisin sanoen YA- ja OA-osallistujat osoittivat vertailukelpoista latenssin kasvua mallin monimutkaisuuden kasvaessa (YA = 167.4 ± 18.8%; OA = 163.9 ± 43.0%; Kuva 3). Tämä havainto viittaa siihen, että tämän uudenlaisen visuomotorisen tehtävän suorittamiseen vaadittavat avaruudelliset kyvyt haastettiin samalla tavalla mies- ja naisosallistujilla ja että lisäksi nämä avaruudelliset kyvyt näyttivät säilyvän iän myötä.

Käden käyttö

Nuoret ja iäkkäät aikuiset

Analyysi paljasti merkitsevän päävaikutuksen kompleksisuudelle (F(1,40) = 5.12, p = 0.029, ES = 0.113), mikä osoittaa, että osallistujat käyttivät oikeaa kättään enemmän 2D-mallien rakentamisen aikana 3D-malleihin verrattuna (2D = 75.5 ± 15.5 %, 3D = 72.0 ± 15.1 %). Käden käyttöön vaikutti myös mallien esitysjärjestys (F(3,120) = 12.4, p < 0.001, ES = 0.236), ja osallistujien oikean käden käyttö vaihteli 80 ja 68 prosentin välillä mallin 1 ja mallin 4 rakentamisen välillä (malli 1 = 80.2 ± 15.6 %, malli 2 = 68.0 ± 19.7 %, malli 3 = 76.4 ± 18.1 %, malli 4 = 70.4 ± 18.0 %). Myös mallin ja ryhmän välinen vuorovaikutus oli merkitsevä (F(3,120) = 38,0, p < 0,001, ES = 0,386). Post hoc -parikohtaiset vertailut eivät saavuttaneet merkitsevyyttä YA-ryhmän osalta. YA-ryhmä käytti kuitenkin oikeaa kättään merkitsevästi enemmän rakentaessaan mallia 1 verrattuna: Mallia 2 (t(20) = 5,02, p < 0,001; Malli 1 = 88,2 ± 12,8 %, Malli 2 = 66,0 ± 21,3 %) ja Mallia 4 (t(20) = 4,18, p = 0,001; Malli 4 = 71,0 ± 20,6 %). He käyttivät myös oikeaa kättään huomattavasti enemmän rakentaessaan mallia 3 verrattuna: Malli 2 (t(20) = 5,00, p < 0,001; malli 3 = 86,9 ± 15,1 %) ja malli 4 (t(20) = 4,179, p = 0,001). Ryhmä ja sukupuoli eivät vaikuttaneet eri tavoin keskimääräiseen oikean käden käyttöön (p > 0.05).

Keskustelu

Tässä tutkimuksessa kehitettiin uudenlainen arviointityökalu visuospatiaalisille kyvyille visuomotorisella alueella. Tietojemme mukaan tämä on ensimmäinen tutkimus, jossa kuvataan ja arvioidaan vuorovaikutteista visuomotorista tehtävää, joka haastaa sekä spatiaalisen visualisoinnin että mentaalisen rotaation kyvyt. Tehtävä edellytti, että osallistujat toistivat monimutkaisia malleja etsimällä ja valitsemalla rakennuspalikoita, jotka vaihtelevat ominaisuuksiltaan, kuten muodoltaan, väriltään ja kooltaan, palikoiden joukosta. Tutkimuksessa havaittiin, että kunkin mallin valmistumiseen kulunut aika lyheni molemmissa tilallisen monimutkaisuuden olosuhteissa peräkkäisten mallien rakentamisen myötä molemmilla osallistujaryhmillä. Tämä ajan väheneminen viittaa siihen, että tehtävän visuaalis-avaruudelliset hakuvaatimukset vähenivät luonnollisesti, kun palikoita (ja siten ”häiriötekijöitä”) poistettiin työtilasta ja sisällytettiin malleihin. Vahvistaen, että mallien tilallinen monimutkaisuus vaihteli olosuhteiden välillä, molemmilla osallistujaryhmillä kesti pidempään saada mallit valmiiksi tilallisesti monimutkaisemmassa (3D) olosuhteessa. Koska 2D- ja 3D-mallit koostuivat samasta määrästä identtisiä lohkoja, aikaero kuvastaa todennäköisesti 3D-mallien lisääntynyttä tilallista monimutkaisuutta. Lisäksi, koska manipulointi koski mallien ulottuvuuskoostumusta, olosuhteiden välinen aikaero säilyi kaikissa neljässä mallissa.

Tämän tutkimuksen tärkeä havainto oli, että OA-osallistujien avaruudelliset kyvyt säilyvät. YA:han verrattuna OA-osallistujat osoittivat hitaampia koeaikoja kaikissa koeolosuhteissa. Tämä johtuu todennäköisesti eroista tehtävän tuntemuksessa (voidaan väittää, että nuorilla aikuisilla on enemmän kokemusta LEGO:lla ”leikkimisestä” kuin vanhemmilla aikuisilla) ja havainto- ja liikenopeuden ikään liittyvästä heikkenemisestä (esim. Goggin ja Meeuwsen, 1992; Chaput ja Proteau, 1996). Kun tiedot kuitenkin normalisoitiin ja ilmaistiin prosentteina vähemmän vaativasta visuospatiaalisesta tehtävästä (2D-mallit), YA- ja OA-osallistujat käyttäytyivät samalla tavalla. Toisin sanoen tehtävän suorittamisaikojen suhteellinen kasvu matalan visuospatiaalisen monimutkaisuuden olosuhteista korkean visuospatiaalisen monimutkaisuuden olosuhteisiin ei eronnut YA:n ja OA:n välillä, mikä viittaa siihen, että kehitetyn tehtävän haastamat erityiset visuospatiaaliset kyvyt ovat itse asiassa säilyneet vanhemmalla iällä. Tämä on tärkeä havainto, koska on edelleen epäselvää, mihin visuospatiaalisiin prosesseihin ikä vaikuttaa ja mitkä säästyvät (ks. katsaus Iachini et al., 2009; Klencklen et al., 2012). Joissakin tutkimuksissa on esimerkiksi havaittu ikään liittyvää heikkenemistä kyvyssä pyörittää visuaalisia kuvia mentaalisesti, kyvyssä hakea spatiotemporaalisia sekvenssejä ja visuospatiaalisessa kuvantamisessa (Berg et al., 1982; Craik ja Dirkx, 1992; Iachini et al., 2005; Ruggiero et al., 2008). Toiset tutkimukset ovat osoittaneet, että ikääntyneiden avaruudelliset kyvyt ovat säilyneet (Cherry ja Park, 1993; Parkin ym., 1995; Yamamoto ja Degirolamo, 2012). Esimerkiksi Yamamoto ja Degirolamo (2012) pyysivät nuoria ja iäkkäitä osallistujia oppimaan maamerkkien sijainnit virtuaaliympäristöissä joko navigoimalla niissä ensimmäisen persoonan näkökulmasta tai näkemällä ilmakuvia ympäristöistä. Paikkatiedon oppimissuoritukset olivat senioreilla epätarkempia, kun navigoitiin ensimmäisen persoonan näkökulmasta, mutta yhtä tarkkoja kuin nuorilla aikuisilla, kun navigoitiin ilmakuvan avulla. Nämä tutkimukset ja tämän tutkimuksen tulokset viittaavat vahvasti siihen, että ikääntymisen seuraukset avaruudelliseen kognitioon ovat erilaiset riippuen siitä, minkälainen avaruudellinen prosessi on haastettu. Koska tässä tutkimuksessa käytetty tehtävä muistuttaa jokapäiväisiä toimintoja (esim. kurottautuminen ja esineisiin tarttuminen), tämä tutkimus täydentää myös näyttöä, jonka mukaan avaruudelliset kyvyt heikkenevät vähemmän jyrkästi (tai eivät heikkene) tutuissa, ekologisesti merkityksellisissä avaruudellisissa tehtävissä verrattuna abstrakteihin laboratoriotesteihin (De Beni et al., 2006; Iachini ym., 2009).

Monissa tutkimuksissa on osoitettu, että miehet suoriutuvat paremmin tehtävissä, joihin liittyy mentaalista rotaatiota, kolmiulotteisia kuvioita ja avaruudellista hahmottamista (McGlone ja Davidson, 1973; Linn ja Petersen, 1985; Voyer ym., 1995; Sherwin, 2003). Näissä tehtävissä käytetyt visuospatiaalisen monimutkaisuuden eri tasot riittivät tuottamaan sukupuolten välisiä eroja, joita oli aiemmin arvioitu paperi- ja lyijykynätesteillä ja tietokonepohjaisilla kromaattisilla testeillä (esim. Linn ja Petersen, 1985; Voyer ym., 1995; Sherwin, 2003). Tässä kokeessa nuoret miespuoliset osallistujat suorittivat tehtävät huomattavasti nopeammin kuin nuoret naispuoliset osallistujat. Hämmentävää on, että YA-osallistujilla esiintyvää sukupuolieroa ei havaittu OA:ssa. Tämä oli odottamatonta, sillä joissakin tutkimuksissa on raportoitu, että sukupuoleen liittyviä suorituseroja visuospatiaalisissa tehtävissä esiintyy ikääntyneillä (Berg ym., 1982; Willis ja Schaie, 1989; Jansen ja Heil, 2010). Tutkimuksissa, joissa raportoitiin ikääntyneiden aikuisten suorituskykyyn liittyvistä sukupuolieroista, on kuitenkin käytetty tavanomaisia paperi- ja kynätestejä. Sen sijaan kehitetyssä tehtävässä osallistujilta vaadittiin vuorovaikutusta ärsykkeiden kanssa, rakennuspalikoiden mentaalista pyörittämistä ennen tarttumista ja palikan asianmukaista suuntaamista, jotta se voitaisiin lisätä koottavaan 3D-malliin. On todennäköistä, että tehtävämme uudenlainen vuorovaikutteinen luonne on syy siihen, että tutkimuksemme ja aiemmat tutkimukset, joissa on arvioitu OA:n avaruudellisia kykyjä, eivät ole yhtäpitäviä. Vaikka on myös mahdollista, että havaitut sukupuolierot johtuvat siitä, että nuorilla miespuolisilla osallistujilla oli enemmän kokemusta rakennuspalikoilla ”leikkimisestä” kuin nuorilla naispuolisilla osallistujilla, ja tämä ero todennäköisesti häviää iän myötä, tämä ei näytä olevan ratkaiseva tekijä. Kun YA:lle esitettiin kyselylomake, joka koski heidän mukavuuttaan LEGO®-palikoiden käsittelyssä, nuorten mies- ja naisosallistujien vastauksissa ei havaittu eroja. On myös mahdollista spekuloida, että sukupuolisteroiditasoilla, joiden on oletettu vaikuttavan sukupuolten välisiin eroihin avaruudellisissa kyvyissä (Hampson, 1995; Martin ym., 2007), oli merkitystä havaittujen tulosten kannalta. Lisääntyneet estrogeenitasot on yhdistetty visuospatiaalisten kykyjen heikkenemiseen (Gordon ym., 1986). Sitä vastoin estrogeenin tuotannosta vastaavien gonadotropiinihormonien alentuneet tasot ovat yhteydessä parempiin visuospatiaalisiin kykyihin (Gordon ym., 1986). Koska tutkimuksemme iäkkäät naiset olivat postmenopausaalisia eivätkä saaneet estrogeenihormonikorvaushoitoa, on mahdollista, että näiden naisten alentuneet estrogeenitasot vaikuttivat osaltaan sukupuolten välisten erojen puuttumiseen.

Tässä tutkimuksessa osallistujat osoittivat voimakasta oikean käden mieltymystä, kun heille annettiin mahdollisuus käyttää molempia käsiä tarttumiseen. Tämä havainto on yhdenmukainen laboratoriomme aikaisempien tutkimusten kanssa (Gonzalez et al., 2007; Stone et al., 2013) ja ehdotuksen vasemman aivopuoliskon erikoistumisesta visuaalisesti ohjattuihin toimiin (Goodale, 1988; Gonzalez et al., 2006, 2007; Serrien et al., 2006). Mielenkiintoista on, että tehtävän spatiaalinen monimutkaisuus vaikutti eri tavoin oikean käden käyttöön, jolloin oikean käden käyttö väheni mentaalisen rotaatiovaatimuksen kasvaessa. Tämä havainto on yhdenmukainen yleisesti vallitsevan näkemyksen kanssa (Corballis ja Sergent, 1989; Ditunno ja Mann, 1990), jonka mukaan mentaalinen rotaatio on ensisijaisesti oikean aivopuoliskon erikoistumista. Vaikka tämä tulos näkyi koko ANOVA:ssa (YA ja OA), se näytti olevan spesifisempi OA:lle. Ehkä iäkkäiden aikuisten käsien käyttö on joustavampaa vastauksena tehtävien vaatimuksiin, erityisesti tilavaatimuksiin. Tarvitaan lisätutkimuksia sen selvittämiseksi, vaikuttavatko mentaalinen rotaatio ja/tai spatiaalisen visualisoinnin kyvyt käsien käyttöön sekä nuorilla että iäkkäillä aikuisilla.

Loppujen lopuksi on syytä mainita, että vaikka tässä tutkimuksessa kehitetyllä tehtävällä on monia yhtäläisyyksiä standardoituihin spatiaalisiin testeihin, siinä on ainutlaatuisena piirteenä reaalimaailman vuorovaikutus, jossa kurottaudutaan ympäristössä sijaitsevien esineiden tavoitteluun, tarttumiseen ja kokoamiseen. Joka päivä joudumme koskettelemaan ja tarttumaan ympärillämme oleviin asioihin. Meidän on tukeuduttava näihin visuospatiaalisiin kykyihin voidaksemme aktiivisesti vaikuttaa ympäristöömme. Koska kehitettyä tehtävää voidaan muokata manipuloimalla lohkojen kokoa ja mallin kokoonpanoa, tehtävä soveltuu visuospatiaalisten kykyjen arviointiin lapsilla (Sacrey ym., 2012), nuorilla ja iäkkäillä aikuisilla (Gonzalez ym., 2014) sekä todennäköisesti patologisilla väestöryhmillä (esim. Parkinsonin tautia sairastavat tai henkilöt, joilla on visuospatiaalinen laiminlyönti, tutkimus käynnissä). Mielenkiintoista on, että tutkimukset viittaavat yhä enemmän siihen, että spatiaaliset kyvyt ovat muokattavissa ja että niitä voidaan kouluttaa. Tämä joustavuus tarjoaa mahdollisuuden suunnitella koulutus- tai kuntoutusstrategioita, joita voitaisiin toteuttaa tunnistettujen erojen tai heikentymien minimoimiseksi avaruudellisessa suorituskyvyssä, olivatpa nämä erot seurausta sukupuolesta tai muista tunnistetuista avaruudelliseen kognitioon vaikuttavista tekijöistä, kuten sosioekonomisesta asemasta (Levine et al., 2005; Hackman ja Farah, 2009), ikääntymisestä (Klencklen et al., 2012) tai neurologisista häiriöistä (Vallar, 2007; Possin, 2010).

Johtopäätöksenä voidaan todeta, että käsillä olevaan tutkimukseen sisältyvässä tutkimuksessa kehitettiin uudentyyppinen työkalu, jonka avulla voidaan kartoittaa visuospatiaalisia kykyjä. Iäkkäät aikuiset suorittivat visuomotorisen tehtävän johdonmukaisesti hitaammin kuin nuoremmat osallistujat, mutta heidän suorituskykynsä oli kuitenkin vertailukelpoinen, kun tulokset ilmaistaan tehtävän vaatimusten prosentuaalisen muutoksen funktiona. Tärkeää on, että koska tehtävän visuomotoriset vaatimukset olivat yhdenmukaiset eri olosuhteissa, ero tehtävien suorittamiseen kuluneessa ajassa johtui visuospatiaalisen monimutkaisuuden manipuloinnista. Esitetty tehtävä soveltuisi hyvin visuospatiaalisen toiminnan tutkimiseen visuomotorisella alueella, erityisesti sukupuolen ja/tai kehityksen ja patologian suhteen.

Osaajien eturistiriitoja koskeva lausunto

Tekijät ilmoittavat, että tutkimus suoritettiin ilman kaupallisia tai taloudellisia suhteita, jotka voitaisiin tulkita mahdolliseksi eturistiriidaksi.

Kiitokset

Työtä tuki Kanadan luonnontieteiden ja tekniikan tutkimusneuvosto (apurahan numero: 40314). Rahoittajilla ei ollut osuutta tutkimuksen suunnitteluun, tietojen keruuseen ja analysointiin, julkaisupäätökseen tai käsikirjoituksen valmisteluun.