De Invloed van Fysieke activiteit op Cognitieve Controle
Maike Jongerius
Studentnummer: 10003034 Bachelorthese
Begeleider: Eva de Ruiter
Inhoudsopgave
De Invloed van Fysieke activiteit op Cognitieve Controle 4
Invloed van Fysieke activiteit op Geheugen, Planning en Cognitieve Inhibitie 6
Invloed van Fysieke activiteit op P3 Amplitude en Latentie 12
Conclusies en discussie 14
Literatuurlijst 17
Scholen besteden steeds minder tijd aan lichamelijke opvoeding, om zo meer tijd over te houden voor academische ontwikkeling. In dit artikel is gekeken naar de invloed van fysieke activiteit op de cognitieve controle. Er is in eerste instantie gekeken naar de invloed van fysieke activiteit op drie kenmerken van cognitieve controle, te weten: cognitieve inhibitie, geheugen en planning. Vervolgens wordt er dieper ingegaan op de neurofysiologische
correlaten van fysieke activiteit tijdens het maken van cognitieve taken door te kijken naar de amplitude en latentie van de P3 golf van het event related potential. Hieruit bleek dat fysieke activiteit een positieve invloed heeft op cognitieve controle. Ook bleek de amplitude van P3 verhoogd te zijn tijdens gemiddelde activiteit. Een afname van de P3 latentie werd in
De Invloed van Fysieke activiteit op Cognitieve Controle
Volgens de Global Competitiveness Index van het World Economic Forum is Nederland op dit moment de op zeven na grootste kenniseconomie ter wereld (Global Competitiveness Report 2013-2014, WEF). Nederland stond in 2000 nog op een 4e plaats (Cuppen, 2012), en bij alle verkiezingen duikt steevast weer de wens op van politici om Nederland terug in de top 5 te krijgen. Deze fixatie op intellectuele ontwikkeling legt een grote druk bij scholen, die kinderen al vanaf jonge leeftijd in korte tijd veel kennis moeten bijbrengen. En dat geldt niet alleen voor Nederland. Internationaal begint de nadruk steeds meer te liggen op cognitieve vaardigheden, waardoor op basisscholen de tijd besteed aan extra-curriculaire vakken zoals creatieve- en lichamelijke opvoeding zienderogen afneemt (Andersen et al., 1998; Center for Education Policy, 2007, aangehaald in Drolette et al. 2014; Hillman, Pontifex, Raine, Castelli, Hall & Kramer, 2009; Dwyer et al., 2003; Hoelscher et al., 2001, aangehaald in Pirrie & Lodewyk, 2012), om zo alle beschikbare tijd te kunnen besteden aan de academische vaardigheden.
Of dit ook echt zal leiden tot betere schoolprestaties van de leerlingen is echter nog maar de vraag. Fysieke activiteit vertoont namelijk juist een positief verband met
schoolprestaties (Castelli, Hillman, Buck & Erwin, 2007; Chomitz, Slining, McGowan, Mitchell, Dawson & Hacker, 2008; Coe, Pivarnik, Womack, Reeves & Malina, 2006; Davis & Cooper, 2011; Dwyer, Sallis, Blizzard, Lazarus & Dean, 2001; Kwak, Kremers, Bergman, Ruiz, Rizzo & Sjöström, 2009). Dit zijn correlationele onderzoeken en geven daarmee geen uitsluitsel over oorzaak en gevolg. Het is mogelijk dat deze positieve correlatie het gevolg is van een algemeen gezondere levensstijl in cognitief hoog-functionerende individuen (Abbott et al., 2004; Kalmijn et al., 2000, aangehaald in Winter et al., 2007) of van een tot nu toe niet-gediagnosticeerde cognitieve stoornis die een reductie in fysieke activiteit met zich meebrengt (Weuve et al., 2004, aangehaald in Winter et al., 2007). Ondanks dat uit deze onderzoeken geen duidelijke oorzaak is aan te wijzen, valt er wel uit op te maken dat deelname aan fysieke (buitenschoolse) activiteiten niet interfereert met de schoolprestaties, en dat dit wellicht zelfs een positieve invloed zou kunnen hebben. Als fysieke activiteit inderdaad een positieve invloed heeft op de schoolprestaties, zou het snijden in de tijd die wordt besteed aan
lichamelijke opvoeding op (basis)scholen de cognitieve ontwikkeling van de leerlingen eerder belemmeren dan bevorderen. Om een duidelijker beeld te krijgen van hoe deze factoren elkaar beïnvloeden is het van belang om gecontroleerd experimenteel onderzoek te doen.
Een goede manier om te kijken naar de invloed die fysieke activiteit heeft op
schoolprestaties is te kijken naar de invloed van fysieke activiteit op de cognitieve controle. Cognitieve controle omvat alle vaardigheden die doelbewust gedrag mogelijk maken, zoals vooruit denken en informatie integreren, en is daarmee van belang bij het volledige scala aan academische vaardigheden die kinderen leren, zoals wiskundige problemen oplossen of verslagen schrijven en presentaties houden. Voss et al., 2011; Chaddock et al., 2012 hebben reeds een positieve associatie gevonden tussen fysieke activiteit en cognitieve controle, maar ook hier gaat het om correlationeel onderzoek en is er nog geen oorzakelijk verband aan te wijzen. Daarom zal in dit literatuuroverzicht gekeken worden naar de invloed van fysieke activiteit op cognitieve controle aan de hand van gecontroleerd experimenteel onderzoek.
De invloed van fysieke activiteit kan opgedeeld worden in twee vormen: een directe invloed en een invloed op de lange termijn. Dat wil zeggen de invloed die fysieke activiteit heeft op cognitieve vaardigheden direct na het uitvoeren van de fysieke inspanning, en de invloed die regelmatige fysieke activiteit heeft op de cognitieve vaardigheden in het
algemeen. Aangezien het hier gaat om een eerste overzicht is er voor gekozen vooral te kijken naar de directe invloed die fysieke activiteit heeft op cognitieve controle. Bij positieve
bevindingen zouden verdere studies zich kunnen richten op de meer langdurige effecten van fysieke inspanning op cognitieve controle.
Zoals eerder is genoemd omvat cognitieve controle vele cognitieve vaardigheden. Daarom is er hier voor gekozen specifiek in te gaan op drie vaardigheden die nauw betrokken zijn bij de ontwikkeling van academische vaardigheden. Eerst zal er gekeken worden naar één van de belangrijkste vaardigheden op school: geheugen, het vermogen de te leren stof te onthouden en op een later tijdstip weer toe te passen. De tweede vaardigheid die besproken zal worden is planning: het vermogen om overzicht te krijgen over het werk dat gedaan moet worden en de stappen die genomen moeten worden om dit doel te bereiken. Dit is een
vaardigheid die leerlingen zowel nodig hebben in een brede context (Welke taken ga ik wanneer uitvoeren?) als in een vakspecifieke context (zoals het doorzien van de deelsommen die nodig zijn om een wiskundig probleem op te lossen, of een overzicht van welke
argumenten in welke volgorde van een betoog een overtuigend geheel maken). De laatste vaardigheid is cognitieve inhibitie: het vermogen zich niet te laten afleiden door niet-relevante stimuli, zoals kletsende medeleerlingen of de regen die tegen het raam slaat.
Bij de ontwikkeling van eventuele interventies is het niet alleen belangrijk om te weten of fysieke activiteit een invloed heeft op cognitieve controle, maar ook welke invloed. Daarom zal er in de tweede paragraaf dieper ingegaan worden op hoe fysieke activiteit deze
vaardigheden zou kunnen beïnvloeden. Dit zal gedaan worden aan de hand van het event
related brain potential. Een event related potential is een elektrofysiologische reactie van de
hersenen op gebeurtenissen of stimuli uit de omgeving, die gemeten kunnen worden met een elektro-encefalogram (EEG). Deze reactie bestaat uit vele verschillende componenten. In dit literatuuroverzicht zal alleen gekeken worden naar de P3 (of P300) component. Dit is een component van het event related potential dat actief wordt bij het waarnemen van relevante stimuli en sterk geassocieerd is met cognitieve inhibitie. De latentie van deze golf (de vertraging tussen het presenteren van de stimulus en het optreden van de P3 golf) is
geassocieerd met de verwerkingssnelheid van stimuli en de amplitude ervan (de hoogte van de P3 golf) met de hoeveelheid gebruikte aandachtsbronnen. Dat houdt in dat hoe kleiner de vertraging is, des te sneller de informatieverwerking en hoe groter de amplitude, des te meer aandachtsbronnen er zijn gebruikt.
Tot slot zullen enkele kanttekeningen geplaatst worden bij de huidige stand van zaken van onderzoek naar de invloed van fysieke activiteit op cognitieve controle en zullen er suggesties gedaan worden voor vervolgonderzoek.
Invloed van Fysieke activiteit op Geheugen, Planning en Cognitieve Inhibitie
Geheugen
Het belang van geheugen voor het ontwikkelen van academische vaardigheden is niet te onderschatten, zowel op de lange als op de korte termijn. Elke vorm van onderwijs kent een stapsgewijze opbouw waarbij steeds meer kennis als bekend beschouwd wordt. Daarnaast maken de meeste scholen gebruik van toets vormen die het memoriseren van bepaalde informatie vereist (zoals woordjes- of topografietoetsen). Kinderen verschillen in de mate waarin zij academische vaardigheden reeds beheersen. Om ervoor te controleren dat de prestatie op geheugentaken niet beïnvloed wordt door deze verschillen kan gebruik gemaakt worden van vocabulaire toetsen die gemaakt zijn van niet-bestaande woorden. Zo weet men zeker dat de kinderen nog geen ervaring hebben met deze woorden en kunnen eventuele plafondeffecten worden tegengegaan.
Pesce, Crova, Cereatti, Casella en Bellucci (2009) onderzochten de directe invloed van fysieke activiteit op geheugen door gebruik te maken van zo’n onzinwoordenlijst. Zij lieten 52 elf- en twaalfjarigen een onzinwoordenlijst van twintig items leren. Zowel direct na een circuit training als twaalf minuten erna werd retentie van de woordenlijst gemeten door middel van free recall. De deelnemers noemden zoveel mogelijk woorden die ze zich van de
lijst konden herinneren. Zij vonden dat zowel bij de directe free recall geheugentest als na een interventie van 12 minuten het aantal woorden dat onthouden werd hoger was na fysieke inspanning dan na rust. Een nadeel aan dit onderzoek is dat er gebruik werd gemaakt van een rustperiode van slechts 12 minuten, wat voor het geheugen een relatief korte periode is. Daarom is het tevens belangrijk om te kijken naar geheugen over een langere periode. Winter et al. (2007) onderzochten dit door 27 deelnemers tussen de 19 en 27 jaar een nieuwe
vocabulaire aan te leren na 40 minuten hardlopen op gemiddelde intensiteit (ongeveer 60% van de maximale hartslag) of na rust, en deze zowel één week als acht maanden later te toetsen. De woorden werden geleerd door plaatjes te combineren met een nieuw woord, en door middel van cued recall werden de woorden ook weer getoetst: deelnemers kregen een combinatie van een plaatje en een woord te zien, waarbij ze moesten aangeven of de combinatie klopte of niet. Uit hun resultaten bleek dat geheugen na één week beter was na fysieke inspanning dan na rust. De effecten waren echter niet meer aanwezig na een periode van acht maanden.
Wellicht is één sessie van fysieke inspanning niet voldoende om een effect te creëren dat na acht maanden nog meetbaar is. Om te kijken of er een sterker effect optreedt na regelmatige fysieke inspanning lieten Hopkins, Davis, Vantieghem, Whalen en Bucci (2012) 75 deelnemers tussen de 18 en 36 jaar een novel object recognition taak uitvoeren. Hierbij krijgen deelnemers eerst een serie plaatjes te zien. Vervolgens krijgen ze plaatjes aangeboden waarvan ze moeten aangeven of ze deze in de eerste serie plaatjes hebben gezien of dat het nieuwe plaatjes zijn. Na de eerste meting deden de deelnemers of gedurende vier weken mee aan een trainingsprogramma of hielden ze vier weken rust, waarna ze wederom de novel
object recognition taak uitvoerden. Uit hun resultaten bleek dat de deelnemers aan het
trainingsprogramma hadden meegedaan beter presteerden op de novel object recognition taak op de tweede meting, terwijl deelnemers uit de rustconditie juist slechter presteerde, ondanks dat zij op de dag van de tweede meting wel een trainingssessie hadden. Ondanks dat deze resultaten aantonen dat het effect van fysieke inspanning wellicht versterkt wordt door herhaalde training, maakten Hopkins et al. (2012) geen gebruik van een follow-up meting, waardoor er helaas geen uitspraken gedaan kunnen worden over eventuele lange-termijn effecten.
Deze resultaten bieden een indicatie voor de positieve invloed van fysieke activiteit op het geheugen, maar voorzichtigheid is geboden bij deze interpretatie. Er is nog zeer weinig onderzoek gedaan naar dit verband, met zeer uiteenlopende onderzoeksmethoden. Dit maakt het lastig om een eenduidig beeld te krijgen over de invloed van fysieke activiteit op het
geheugen. Deze onderzoeken laten zien dat een voorzichtig optimisme over de invloed van fysieke activiteit op het geheugen gerechtvaardigd is, maar meer onderzoek is nodig om hier met meer zekerheid uitspraken over te kunnen doen.
Planning
Zoals eerder gezegd is planning een vaardigheid die leerlingen zowel binnen specifieke vakken als in het algemeen nodig hebben. Verschillende soorten basisonderwijs zoals het Montessori-, Dalton- en Jenaplanonderwijs, (Hoe kies ik de juiste school? 09-02-2007, Infonu) maken gebruik van zogenaamde weektaken, waarbij leerlingen een bepaalde hoeveelheid taken krijgt die het in die week moet afmaken. De kinderen bepalen daarbij zelf wanneer ze welke taak maken, waardoor het belangrijk is dat ze hun werk goed inplannen.
Of het vermogen tot plannen ook wordt beïnvloed door fysieke inspanning werd onder andere onderzocht door Pirrie en Lodewyk (2012), die gebruik maakten van de Planning,
Attention, Successive and Simultaneous processing (PASS) theorie als basis voor het meten
van planning. Voor het meten van planning maakten zij gebruik van een trail making test, waarbij 40 deelnemers van 10 jaar nummers en getallen in oplopende volgorde moeten verbinden (van 1 naar 2, 2 naar 3 of van A naar B, B naar C, etc.) en een tweede test waarbij ze hiertussen moeten afwisselen (van 1 naar A, A naar 2, 2 naar B etc.). Uit hun onderzoek bleek dat de scores op de planning taak toenamen na een 20 minuten durende sessie van verschillende fysieke oefeningen (zoals huppen of sprintjes trekken) ten opzichte van na een periode van rust. Een trail making test is echter een relatief zwakke maat voor planning, aangezien de test een stapsgewijze methode toelaat (per item zoeken naar het volgende item, in plaats van vooraf de route uit te stippelen) waardoor de taak in stukken wordt gehakt en er geen planning van de gehele taak plaatsvindt.
Een taak die planning meer expliciet meet is de Tower of London taak. Deze taak biedt een beter inzicht in de mate van planning, omdat het zowel rekening houdt met het aantal zetten dat gebruikt wordt om tot de doelsituatie te komen, als met de tijd die daarvoor nodig is en de tijd die iemand neemt totdat iemand begint. Vooral deze laatste maat is een goede indicatie voor planning. Chang et al. (2011) gebruikten deze taak om de invloed van fysieke activiteit op planning te meten door 42 deelnemers met een gemiddelde leeftijd van 22 jaar zowel direct voor als na fysieke inspanning (fietsen op een ergometer voor 30 minuten) of een rustperiode (lezen voor 30 minuten) de Tower of London taak te laten maken. Hieruit bleek dat deelnemers na fysieke inspanning significant minder zetten nodig hadden om tot de doelsituatie te komen, zonder dat er verschillen werden gevonden in de tijd die nodig was om
tot deze situatie te komen. Hieruit blijkt dat deelnemers niet simpelweg het proces versnelden, maar dat hun prestatie verbeterde zonder accuratesse op te offeren. Hung, Tsai, Chen, Wang en Chang (2013) herhaalde dit experiment met 40 deelnemers met een gemiddelde leeftijd van 22 jaar, maar namen daarbij ook de meting mee van initiatietijd, de tijd die deelnemers nodig hebben om te beginnen met knikkers verplaatsen. Uit hun resultaten bleek ook dat deelnemers na fysieke inspanning minder zetten nodig hebben om tot de doelsituatie te komen, en ook dat deelnemers na fysieke inspanning een langere initiatietijd hadden. Dit toont aan dat deelnemers na fysieke inspanning langer nadenken over welke zetten ze nodig hebben om tot de doelsituatie te komen, maar vervolgens ook minder zetten nodig hebben om dit doel te bereiken, wat duidt op het maken van een betere planning tijdens de initiatietijd.
Deze onderzoeken leveren bewijs voor het idee dat fysieke inspanning een positief effect zou kunnen hebben op planning, maar ook hier is voorzichtigheid geboden. Ondanks dat deze onderzoeker door een meer gelijkmatige opzet een meer geïntegreerd beeld geven van de invloed van fysieke activiteit op planning, is er nog maar weinig onderzoek gedaan. Meer onderzoek zou nodig zijn om meer zekerheid te krijgen over dit verband.
Cognitieve inhibitie
Om optimaal geconcentreerd aan een taak te kunnen werken, is het belangrijk dat kinderen zich niet laten afleiden door niet-relevante stimuli, zoals bijvoorbeeld het tikken van een pen van een klasgenootje of andere sommen op een werkblad. Dit negeren van niet-relevante stimuli heet cognitieve inhibitie. Inhibitie wordt vaak gemeten met reactietaken, waarbij de deelnemers zo snel en zo accuraat mogelijk op stimuli moeten reageren,
gecombineerd met een minder vaak voorkomende stimulus waarop juist niet gereageerd moet worden, de stop-stimulus. Door deze ongelijke verdeling van stimuli wordt de reactie bij de presentatie van een stimulus automatisch in gang gezet, waardoor deze geïnhibeerd moet worden bij het voorkomen van de stop-stimulus. De mogelijkheid dat fysieke activiteit de cognitieve controle verhoogt zou impliceren dat fysieke activiteit mogelijk leidt tot een snellere informatieverwerking, wat bij inhibitietaken zou leiden tot snellere reactietijden bij de ‘gewone’ stimuli, zonder dat er meer fouten gemaakt worden op de stop-stimuli. Anders zouden de snellere reactietijden het gevolg kunnen zijn van snelheid-accuratesse trade-off, wat wil zeggen dat een deel van de accuratesse wordt opgeofferd om zo snel mogelijk op de stimuli te reageren.
Ellemberg en Louis-Deschênes (2010) onderzochten de invloed van fysieke activiteit op cognitieve inhibitie bij 72 jongens in de leeftijd van zeven of tien jaar, waarvan de helft
een half uur ergometer training kreeg (fietsen op 60% van de maximale hartslag) en de andere helft een half uur lang televisie keek. Direct voor en na de interventie werd een
keuzereactietijdtaak afgenomen, waarbij deelnemers drie verschillende geometrische vormen te zien kregen in vier verschillende kleuren, waarbij er voor de cirkels een andere respons vereist was dan voor de andere vormen. Uit hun onderzoek bleek dat kinderen in beide leeftijdsgroepen direct na de ergometer training significant sneller waren op de
keuzereactietijdtaak dan kinderen die televisie hadden gekeken. Er bleek geen verschil te zijn in accuraatheid, wat impliceert dat de snellere reactietijden niet het gevolg waren van
snelheid-accuratesse trade-off.
De bevindingen van Ellemberg en Louis-Deschênes (2010) worden verder
ondersteund door de onderzoeken van Davranche en McMorris (2009), die gebruik maakten van een Simontaak. Hierbij moesten de 12 deelnemers met een gemiddelde leeftijd van 32 jaar zo snel mogelijk reageren op een taak-relevant element van een stimulus (de kleur van de stimulus) terwijl niet-relevante informatie genegeerd wordt (de locatie van de stimulus), en Yanagisawa et al. (2010), die gebruik maakten van de Strooptaak. 20 Deelnemers met een gemiddelde leeftijd van 21 jaar kregen een kaart te zien met daarop de namen van kleuren gedrukt in een niet-overeenkomstige kleur, waarbij het de bedoeling is dat de deelnemer de kleur waarin het woord gedrukt staat noemt (en de dominante respons om het woord te lezen onderdrukt). Beide onderzoeken maakten gebruik van ergometer fietstraining op 60% van de maximale hartslag, en beiden vonden een verbeterde prestatie na fysieke inspanning
vergeleken met na rust.
Ook O’Leary, Pontifex, Scudder, Brown en Hillman (2011), Drolette et al. (2014) en Hillman et al. (2009) onderzochten de invloed van fysieke activiteit (in alle drie de gevallen 20 minuten hardlopen op een loopband op 60% van de maximale hartslag) op cognitieve inhibitie, met behulp van de Flanker Taak. Hierbij is het de bedoeling dat deelnemers (36 deelnemers van 18-25 jaar, 40 deelnemers van 10 jaar en 20 deelnemers van 10 jaar respectievelijk) niet taak-relevante stimuli die naast de target stimulus staan negeren, en alleen reageren op de target stimulus. Zo kan er bijvoorbeeld gevraagd worden om alleen te reageren op de richting van de middelste stimulus. De andere stimuli kunnen ofwel congruent (dezelfde richting) ofwel incongruent (andere richting) zijn. Al deze onderzoeken toonden aan dat deelnemers na fysieke inspanning sneller reageerden op de target stimuli dan na
rustperiodes, zonder daarbij meer fouten te maken. De snellere reactietijd is dus niet te wijten aan een snelheid-accuratesse trade-off. Drolette et al. (2014) en Hillman et al. (2009) vonden
zelfs dat deelnemers na fysieke inspanning, naast een snellere reactietijd, minder fouten maakten dan na rustsessies.
Omdat de mate van fysieke inspanning in een lessetting minder goed te controleren is dan in een laboratoriumsetting, is het ook interessant om te kijken naar verschillende mate van intensiteit. Kamijo, Nishihira, Higashiura en Kuroiwa (2007) maakten ook gebruik van de Flanker Taak, maar maakten daarnaast gebruik van verschillende maten van intensiteit van de inspanning. 12 Deelnemers van 22 tot 30 jaar doorliepen drie condities: lichte, middelmatige en zware inspanning, met een respectievelijke intensiteit van 40%, 60% en 80% van de maximale hartslag. Ook zij vonden dat reactietijd sneller was na inspanning in vergelijking met de baseline, en bovendien dat dit gold voor alle drie de condities. Hierbij werden niet meer fouten gemaakt ten opzichte van de baseline meting, waaruit blijkt dat de snellere reactietijden geen gevolg zijn van een snelheid-accuratesse trade-off.
De tot zover besproken onderzoeken maakten allen gebruik van cognitieve testen direct na, of zelfs tijdens, de fysieke inspanning. Omdat elk uur een trainingssessie inzetten het dagelijkse lesprogramma ernstig zou verstoren, is het ook interessant om te kijken of er een langdurig positief effect van fysieke inspanning op cognitieve controle zou zijn. Joyce, Graydon, McMorris en Davranche (2009) deden een eerste stap in die richting door niet alleen direct na fysieke inspanning een stop-taak paradigma af te nemen (waarbij de deelnemers zo snel en accuraat mogelijk op stimuli moeten reageren, maar waarbij er ook stop-stimuli aanwezig waarop niet gereageerd moet worden), maar ook na een pauze van een half uur. Hieruit bleek dat de tien deelnemers met een gemiddelde leeftijd van 23 jaar sneller reageerden op zowel de ga- als stop-stimuli, en dat dit effect zowel direct na fysieke
inspanning als een half uur later aanwezig was. Verder onderzoek is nodig om te onderzoeken hoe lang de effecten van fysieke inspanning blijven na beëindigen van de trainingssessie.
Uit deze onderzoeken blijkt dat fysieke inspanning een positief effect heeft op de cognitieve inhibitie. Over de invloed van fysieke inspanning op geheugen en planning moeten voorzichtigere conclusies getrokken worden, aangezien hier nog weinig onderzoek naar gedaan is. Desalniettemin is uit voorgaand onderzoek gebleken dat fysieke inspanning een positieve invloed kan hebben op de cognitieve controle, wat betekent dat scholen er wellicht goed aan zouden doen de hoeveelheid lichamelijke opvoeding van kinderen weer op te voeren.
Waar nog niet naar is gekeken is hoe fysieke inspanning leidt tot deze verbeterde prestatie op cognitieve inhibitie. Om te onderzoeken of fysieke inspanning leidt tot neurofysiologische veranderingen kan er gekeken worden naar event related potentials,
waarop neuro-elektrische veranderingen ten gevolge van een stimulus zichtbaar worden. Bijzondere interesse is er voor de P3 of P300 golf, die voorkomt bij de presentatie van een stimulus en betrokken is bij inhibitoire controle (Donchin, 1981; aangehaald in Drolette et al., 2014). Zoals reeds is gezegd kan de amplitude en latentie van deze golf informatie geven over de gebruikte aandachtsbronnen en verwerkingssnelheid van een stimulus, waardoor deze golf een indicatie geeft van de cognitieve controle. In de volgende paragraaf zal daarom gekeken worden naar de invloed van fysieke activiteit op P3 amplitude en latentie tijdens de afname van cognitieve taken die cognitieve inhibitie meten.
Invloed van Fysieke activiteit op P3 Amplitude en Latentie
Aangezien er met enige zekerheid gesteld kan worden dat fysieke activiteit de cognitieve inhibitie positief kan beïnvloeden, valt te verwachten dat dit gepaard gaat met neurologisch meetbare veranderingen. Om een beter beeld te krijgen van de neurocognitieve invloed die fysieke activiteit heeft op de cognitieve prestatie op inhibitie- en geheugentaken kan er tijdens de taken gebruik gemaakt worden van neurologische metingen zoals het EEG, dat event related potentials meet. Voor de cognitieve inhibitie is vooral de P3 golf van het
event related potential van belang. Dit komt omdat twee elementen van deze golf zeer
informatief zijn met betrekking tot cognitieve processen die betrokken zijn bij de
informatieverwerking bij een waargenomen stimulus. De eerste daarvan is de amplitude, dat wil zeggen de relatieve hoogte van de golf, die geassocieerd is met de hoeveelheid aandacht die aan een stimulus besteed wordt. Hoe hoger de piek van de P3 golf, des te meer
aandachtsbronnen er besteed zijn aan de stimulus. Het tweede kenmerk is de latentie, dat wil zeggen de tijd die er voorbijgaat tussen de presentatie van de stimulus en het ontstaan van de P3 golf, die geassocieerd is met verwerkingssnelheid. Hoe korter de latentie, des te sneller de verwerking van de stimulus. Verwacht wordt dat de positieve invloed van fysieke inspanning op cognitieve inhibitie zich uit in een hogere amplitude, wat zou betekenen dat er meer aandacht besteed wordt aan de stimuli, en een kortere latentie, wat zou betekenen dat stimuli sneller verwerkt worden.
Hillman, Snook en Jerome (2003) onderzochten de amplitude en latentie van de P3 golf tijdens het uitvoeren van een Flanker Taak na fysieke inspanning en na een rustsessie bij 20 deelnemers met een gemiddelde leeftijd van 20 jaar. De fysieke inspanning bestond uit 30 minuten hardlopen op een loopband. Zij vonden een toegenomen amplitude van de P3 golf tijdens het uitvoeren van de taak na fysieke inspanning vergeleken met na rust, wat aangeeft
dat er meer aandachtsbronnen werden aangesproken ten tijde van de Flanker Taak na fysieke inspanning. De invloed van fysieke inspanning op de latentie van de P3 golf was echter alleen merkbaar bij de incongruente items van de Flanker Taak (dus de items waarbij de afleidende stimuli een andere richting op wezen dan de target stimulus), wat zou kunnen betekenen dat deze invloed alleen merkbaar is bij relatief complexere cognitieve taken. Kamijo, Nishihira, Higashiura en Kuroiwa (2007) vonden dezelfde resultaten na zowel lichte als gemiddelde inspanning (ergometer fietstraining op 40% en 60% van de maximale hartslag
respectievelijk). Na zware inspanning (fietsen op 80% van de maximale hartslag) vonden zij echter geen verhoogde amplitude van de P3 golf, wat suggereert dat de P3 amplitude wellicht beïnvloedt wordt door fysieke activiteit in een omgekeerde U-vorm afhankelijk van de intensiteit van de inspanning. Interessant is hier om op te merken dat dit verschil niet terug gevonden werd in de prestatie op de Flanker taak zelf, waarop alle drie de inspanningsniveaus leidden tot een betere prestatie dan een periode van rust. Meer onderzoek naar het effect van verschillende maten van intensiteit van fysieke inspanning is nodig om hier meer
duidelijkheid over te krijgen. Ook vonden zij een afgenomen P3 latentie, maar wederom alleen bij de incongruente trials. Het is mogelijk dat deze relatief eenvoudige taken minder aandacht vereisen en daarom minder gevoelig zijn voor de positieve effecten van fysieke activiteit.
Andere onderzoekers vonden echter wel een duidelijk afgenomen latentie van de P3 golf bij zowel de incongruente als de congruente trials. Hillman et al. (2009) maakten gebruik van het hardlopen op een loopband en de Flanker Taak, maar zij vonden naast een
toegenomen amplitude van de P3 golf ook een afgenomen latentie van de P3 golf bij beide trials. Hetzelfde geldt voor het onderzoek van Drolette et al. (2014), die eveneens na een fysieke inspanning van hardlopen op een loopband zowel een toegenomen amplitude van de P3 golf vonden als een afgenomen latentie van de P3 golf bij zowel congruente als
incongruente trials.
Alle vier deze onderzoeken maken gebruik van aerobe training, dat wil zeggen relatief langdurige training die de hartslag en ademhaling verhoogt. Er wordt echter steeds vaker gebruik gemaakt van exergames (O’Leary, Pontifex, Scudder, Brown en Hillman, 2011). Dit zijn actieve videogames zoals Dance Dance Revolution of verschillende sporten op de Nintendo Wii™. O’Leary, Pontifex, Scudder, Brown en Hillman (2011) deden onderzoek naar de invloed van zowel aerobe fysieke activiteit als exergamen op de amplitude en latentie van de P3 golf. Aangezien Orosy-Fildes en Allen (1989; aangehaald in O’Leary, Pontifex, Scudder, Brown en Hillman, 2011) aantoonden dat het spelen van videogames de reactietijd
op simpele reactietijdtaken kan doen afnemen, voegde zij hier ter controle een videogame conditie aan toe. In de videogame conditie werd MarioKart® gespeeld, in de exergame conditie trainden de deelnemers met de Wii Fit™. Uit hun resultaten blijkt dat het positieve effect dat fysieke inspanning heeft op de amplitude en latentie van de P3 golf alleen geldt voor fysieke inspanning als aerobe inspanning, want noch de verhoogde amplitude nog een verminderde latentie werden gevonden voor de exergame conditie. De videogame en exergame conditie verschilde niet van elkaar.
Uit de bovenstaande onderzoeken komt naar voren dat lichte en gemiddelde fysieke activiteit de amplitude van de P3 golf verhoogt tijdens het uitvoeren van cognitieve taken, wat erop duidt dat er na fysieke inspanning meer aandachtsbronnen beschikbaar zijn voor het uitvoeren van die taken, maar er is indicatie dat dit effect wellicht niet generaliseert naar zware inspanning. Over een eventuele vermindering van de latentie van de P3 golf tijdens het uitvoeren van cognitieve taken na fysieke activiteit zijn gemengde resultaten gevonden. Bij cognitief meer complexere taken wordt wel een afname gevonden van de latentie van de P3 golf, maar bij de minder complexe taken worden zowel afnames als nulbevindingen gedaan. Hieruit blijkt dat complexere situaties sneller worden verwerkt, maar het is niet duidelijk of ook relatief meer eenvoudige situaties sneller worden verwerkt. Wellicht is er in eenvoudige situaties sprake van een plafondeffect, waardoor fysieke activiteit deze verwerkingssnelheid niet meer veel kan beïnvloeden. Verder onderzoek hiernaar is dus wenselijk.
Conclusies en discussie
Uit bovenstaande onderzoeken kan geconcludeerd worden dat fysieke activiteit een positieve invloed heeft op de cognitieve controle. Naar de invloed van fysieke activiteit op geheugen en planning is nog relatief weinig onderzoek gedaan, dus is voorzichtigheid geboden bij deze conclusie, maar de eerste resultaten zijn positief. Een iets stelligere conclusie kan reeds getrokken worden over de positieve invloed van fysieke activiteit op cognitieve inhibitie. Deze invloed blijkt ook meetbaar te zijn met EEG’s, die tot uiting komt in een verhoogde beschikbaarheid van aandachtsbronnen bij cognitieve taken na inspanning. Ook hier moet echter voorzichtigheid worden betracht. Bij intensieve inspanning werd geen verhoogde P3 amplitude gevonden, ondanks dat de cognitieve prestatie van deelnemers niet achteruitging. E discrepantie tussen cognitieve en prestatiebevindingen toont aan dat er wellicht meerdere factoren een rol spelen bij het beïnvloeden van de cognitieve prestatie. Fysieke activiteit lijkt de verwerkingssnelheid in complexe situaties positief te beïnvloeden,
maar over de invloed van fysieke activiteit op de verwerkingssnelheid bij eenvoudige situaties bestaat nog onzekerheid. In sommige onderzoeken wordt een positief effect gevonden, maar dit is niet altijd het geval. Dit zou het gevolg kunnen zijn van een methodologisch probleem. Wellicht is de verwerking van eenvoudige situaties onder normale omstandigheden al zo snel, dat fysieke inspanning hier weinig meer aan kan verbeteren. In grote steekproeven kan zo’n klein verschil echter al snel leiden tot een significant resultaat. De onderzoekers die een afgenomen latentie waarnamen in zowel complexe als eenvoudige situaties maakten gebruik van grotere steekproeven dan de onderzoekers die dit verschil niet waarnamen bij de
simpelere situaties. Een onderzoek dat rekening houdt met de klinische relevantie van de gevonden verschillen is hier op zijn plaats.
In vrijwel al deze onderzoeken is echter gebruik gemaakt van een sterk gecontroleerde gemiddelde inspanning, die voor elk individu apart werd vastgesteld (alle deelnemers
leverden een inspanning op ongeveer 60% van de maximale hartslag). De absolute inspanning die geleverd werd per deelnemer verschilde dus, afhankelijk van de conditie van elke
deelnemer. Het is denkbaar dat de cognitieve prestatie het beste is binnen een bepaalde range van hartslagen per minuut, ongeacht de conditie van de deelnemer (net zoals het algemeen metabolisme van elk individu het beste werkt als de lichaamstemperatuur rond de 37 graden Celsius blijft). Hierdoor zou het kunnen zijn dat voor sommige deelnemers de inspanning teveel, of voor anderen te weinig was om een positief effect te kunnen hebben op de cognitieve prestatie, waardoor het ‘werkelijke’ effect wellicht onderbelicht is gebleven in deze onderzoeken. Bovendien is in een lessituatie op scholen de intensiteit van de oefening per leerling veel moeilijker te controleren. Het is goed denkbaar dat leerlingen die de oefeningen leuker vinden, zich veel meer inspannen tijdens de gymles dan leerlingen die er geen plezier in hebben en daardoor op hogere intensiteit sporten. Daarom zijn deze resultaten niet zonder meer te generaliseren naar de dagelijkse praktijk.
Daarnaast meten vrijwel al deze onderzoeken slechts een kortdurend effect van éénmalige inspanning. Alle cognitieve taken in deze onderzoeken werden afgenomen binnen een uur na de fysieke inspanning. Indien de positieve effecten van fysieke activiteit beperkt zouden blijven tot dit eerste uur, zouden zelfs extra lessen lichamelijke opvoeding op scholen maar een zeer beperkte invloed hebben op de academische prestaties van de leerlingen. De sterke correlaties die er gevonden zijn tussen deelname aan fysieke activiteit en academische prestaties doen vermoeden dat regelmatige fysieke inspanning een sterker en meer langdurig effect zou kunnen hebben op de cognitieve vaardigheden, maar tot dusver toonden alleen Winter et al. (2007) aan dat het effect van fysieke activiteit op het geheugen een week later
nog aanwezig was. Om een beter beeld te krijgen van het effect van regelmatig sporten zou meer longitudinaal onderzoek nodig zijn. Hopkins, Davis, Vantieghem, Whalen en Bucci (2012) deden reeds een voorlopig eerste onderzoek hiernaar, maar hun resultaten dienen nog verder ondersteund worden door vervolgonderzoek.
Ondanks dat er nog meer onderzoek nodig is naar de precieze vaardigheden die beïnvloed worden en in welke omstandigheden, is het duidelijk dat fysieke activiteit de cognitieve controle op een positieve manier kan beïnvloeden. Als Nederland terug wil keren in de top vijf van kenniseconomieën, zijn deze onderzoeken een sterke oproep zijn aan alle scholen om lichamelijke opvoeding vooral op het programma te laten staan, maar ook aan bijvoorbeeld bedrijven of de klinische praktijk om fysieke activiteit aan te moedigen, want hieruit blijkt maar weer: een gezonde geest leeft in een gezond lichaam.
Literatuurlijst
Castelli, D.M., Hillman, C.H., Buck, S.M. & Erwin, H.E. (2007). Physical fitness and
academic achievement in third- and fifth-grade students. Journal of Sport & Exercise,
29, 239-252.
Chaddock, L., Erickson, K.I., Prakash, R.S., Voss, M.W., VanPatter, M., Pontifex, M.B., Hillman, C.H. & Kramer, A.F. (2012). A functional MRI investigation of the
association between childhood aerobic fitness and neurocognitive control. Biological
Psychology, 89, 260-268.
Chang, Y.K., Tsai, C.L., Hung, T.M., So, E.C., Chen, F.T. & Etnier, J.L. (2011). Effects of Acute Exerciseon Executive Function: A Study With a Tower of London Task.
Journal of Sport & Exercise Psychology, 33, 847-865.
Chomitz, V.R., Slining, M.M., McGown, R.J., Mitchell, S.E., Dawson, G.F. & Hacker, K.A. (2008). Is there a relationship between physical fitness and academic achievement? Positive results from public school children in the Northeastern United States. Journal
of school health, 79, 30-37.
Coe, D.P., Pivarnik, J.M., Womack, C.J., Reeves, M.J. & Malina, R.M. (2006). Effect of physical education and activity levels on academic achievement in children. Medicine
& Science in Sports & Exercise, 1515-1519.
Cuppen, H. (2012). Nederland terug in top 5 kenniseconomieën. Opgehaald op 19-05-2014 van
http://www.delta.tudelft.nl/artikel/nederland-terug-in-top-5-kenniseconomien/25592.
Davis, C.L. & Cooper, S. (2011). Fitness, fatness, cognition, behavior, and academic
achievement among overweight children: Do cross-sectional associations correspond to exercise trial outcomes? Preventive medicine, 52, 65-69.
Davranche, K. & McMorris, T. (2009). Specific effects of acute moderate exercise on cognitive control. Brain and Cognition, 69, 565-570.
Drolette, E.S., Scudder, M.R., Raine, L.B., Moore, D., Siliba, B.J., Pontifex, M.B. & Hillman, C.H. (2014). Acute exercise facilitates brain function and cognition in children who need it most: An ERP study of individual differences in inhibitory control
capacity. Developmental Cognitive Neuroscience, 7, 53-64.
Dwyer, T., Sallis, J.F., Blizzard, R.L. 7 Dean, K. (2001). Relation of academic performance to physical activity and fitness in children. Pediatric Exercise Science, 13, 225-237.
Ellemberg, D. & St-Louis-Deschênes, M. (2010) The effect of acute physical exercise on cognitive function during development. Psychology of Sport and Exercise, 11, 122 -126.
Hillman, C.H., Pontifex, M.B., Raine, L.B., Castelli, D.M., Hall, E.E. & Kramer, A.F. (2009). The effect of acute treadmill walking on cognitive control and academic achievement in preadolescent children. Neuroscience, 159, 1044-1054.
Hillman, C.H., Snook, E.M. & Jerome, G.J. (2003). Acute cardiovascular exercise and executive control function. International Journal of Psychophysiology, 48, 307-314. Hopkins, M.E., Davis, F.C., Vantieghem, M.R., Whalen, P.J. & Bucci, D.J. (2012).
Differential effects of acute and regular physical exercise on cognition and affect.
Neuroscience, 215, 59-68.
Hung, T.M., Tsai, C.L., Chen, F.T., Wang, C.C. & Chang, Y.K. (2013). The immediate and sustained effects of acute exercise on planning aspect of executive function.
Psychology of Sport and Exercise, 14, 728-736.
Infonu. Hoe kies ik de juiste school? Opgehaald op 13-06-2014 van http://mens-en-samenleving.infonu.nl/onderwijs/2172-hoe-kies-ik-de-juiste-school.html Joyce, J., Graydon, J., McMorris, T. & Davranche, K. (2009). The time course effect of
moderate intensity exercise on response execution and response inhibition. Brain and
Cognition, 71, 14-19.
Kamijo, K., Nishihira, Y., Higashiura, T. & Kuroiwa, K. (2007). The ineractive effect of exercise intensity and task difficulty on human cognitive processing. International
Journal of Psychophysiology, 65, 114-121.
Kwak, L., Kremers, S.P.J., Bergman, P., Ruiz, J.R., Rizzo, N.S. & Sjöström, M. (2009) Associations between physical activity, fitness, and academic achievement. The
journal of pediatrics, 155, 914-918.
O’Leary, K.C., Pontifex, M.B., Scudder, M.R., Brown, M.L. & Hillman, C.H. (2011). The effects of single bouts of aerobic exercise, exergaming, and videogame play on cognitive control. Clinical Neuropsychology, 122, 1518-1525.
Pesce, C., Crova, C., Cereatti, L., Casella, R. & Bellucci, M. (2009). Physical activity and mental performance in preadolescents: Effects of acute exercise on free-recall memory. Mental Health and Physical Activity, 2, 16-22.
Pirrie, A.M. & Lodewyk, K.R. (2012). Investigating links between moderate-to-vigorous physical activity and cognitive performance in elementary school students.
Voss, M.W., Chaddock, L., Kim, J.S., VanPatter, M., Pontifex, M.B., Raine, L.B., Cohen, N.J., Hillman, C.H. & Kramer, A.F. (2011). Aerobix fitness is associated with greater efficiency of the network underlying cognitive controle in preadolescent children.
Neuroscience, 199, 166-176.
Winter, B., Breitenstein, C., Mooren, F.C., Voelker, K., Fobker, M., Lechtermann, A., Krueger, K., Fromme, A., Korsukewitz, C., Floel, A. & Knecht, S. (2007). High impact running improves learning. Neurobiology of Learning and Memory, 87, 597 -609.
World Economic Forum. Global competitiveness report. Opgehaald op 13-06-2014 van http://www3.weforum.org/docs/GCR2013-14/GCR_Rankings_2013-14.pdf. Yanagisawa, H., Dan, I., Tsuzuki, D., Kato, M., Okamoto, M., Kyutoku, Y. & Soya, H.
(2010). Acute moderate exercise elicits increased dorsolateral prefrontal activation and improves cognitieve performance with Stroop test. NeuroImage, 50, 1702-1710.
Research proposal design
The influence of acute physical activity on P300 latency while executing a Stroop interference task
Summary
This research proposal suggest further research into the field of neurocognitive correlates of physical activity during the execution of relatively simple cognitive tasks. More specifically the research question is: what is the influence of acute physical activity on P300 latency
during the execution of a Stroop interference task? P3 latency is correlated with the speed of
processing stimuli. Previous research has found that P3 latency decreases after physical activity during complex cognitive tasks, but has found contradictory results when it comes to relatively simple cognitive tasks. Given this inconsistency in previous findings, more research is needed to shed some light on the impact of physical activity on different levels of cognitive demand. Therefore, in this research cognitive tasks of simple, moderate and hard difficulty will be used in order to see if physical activity affects these differently.
Justification of the research question
Research has shown that physical activity is correlated with higher academic performance (Castelli, Hillman, Buck & Erwin, 2007; Chomitz, Slining, McGowan, Mitchell, Dawson & Hacker, 2008; Coe, Pivarnik, Womack, Reeves & Malina, 2006; Davis & Cooper, 2011; Dwyer, Sallis, Blizzard, Lazarus & Dean, 2001; Kwak, Kremers, Bergman, Ruiz, Rizzo & Sjöström, 2009) and cognitive control (Voss et al., 2011; Chaddock et al., 2012). This seems to be the result of a positive influence of physical activity on cognitive performance (Chang, Tsai, Hung, So, Chen & Etnier, 2011, Davranche & McMorris, 2009, Ellemberg & St-Louis-Deschênes, 2010, Hopkins, Davis, Vantieghem, Whalen & Bucci, 2012, Hung, Tsai, Chen, Wang & Chang, 2013, Joyce, Graydon, McMorris & Davranche, 2009, O’Leary, Pontifex, Scudder, Brown & Hillman, 2011, Pesce, Crova, Cereatti, Casella & Bellucci, 2009, Pirrie & Lodewyk, 2012, Winter, Breitenstein, Mooren, Voelker, Fobker, Lechtermann, Krueger, Fromme, Korsukewitz, Floel & Knecht, 2007, Yanagisawa, Tsuzuki, Kato, Okamoto, Kyutoku & Soya, 2010). More specifically, researchers are interested in the P3 wave of the event related potentials, because this wave is highly correlated with the amount of attentional resources available and the processing speed during cognitive tasks (the amplitude and latency of the wave respectively). The relationship between physical activity and P3 latency has been researched using a Flanker task, a task in which individuals are asked to respond to target stimuli, while ignoring surrounding stimuli (Hillman, Belopolsky, Snook, Kramer and McAuley, 2004) and a task switching paradigm (Hillman, Kramer, Belopolsky and Smith, 2003), showing that active individuals had a shorter P3 latency during the tasks and better performance at the tasks. However, because these researched utilized correlational measures, no inferences can be made about the causal influence of physical activity on cognitive performance on these tasks. It might be possible that a more active lifestyle is a result, rather than a cause, of improved cognitive functioning. Therefore, experimental research is required.
So far, research that has been done on the subject has found contradictory results. Hillman, Snook and Jerome (2003) and Kamijo, Nishihira, Higashiura and Kuroiwa (2007)
investigated the effect of physical exercise on P3 latency during the execution of a Flanker task and found only decreased P3 latencies when the surrounding stimuli were different from the target stimulus, but not when they were the same. However, when Hillman, Pontifex,
Raine, Castelli, Hall and Kramer (2009) and Drolette, Scudder, Raine, Moore, Siliba, Pontifex and Hillman (2014) investigated P3 latency, they found that P3 latency was decreased both during incongruent as during congruent trials. Therefore it is still unclear whether physical activity improves processing speed in relatively simple cognitive tasks.
More research is needed. The Flanker task, used in all of the experiments mentioned above, provides only two levels of difficulty: congruent (“easy”) trials and incongruent (“complex”) trials. To get a better understanding of how physical exercise influences P3 latency at
different levels of cognitive demand, more levels of difficulty are required. Therefore, in this research a Tower of London task will be utilized, of which the tasks will be either simple (2-4 moves) moderate (5-7 moves) or hard (8-10 moves).
It is expected that the harder the cognitive tasks, the more pronounced the influence of physical activity will be on processing speed. More specifically the hypotheses are:
1. The difference in execution time between the simple and moderate tasks will be smaller after physical activity than after rest.
2. The difference in execution time between the moderate and hard tasks will be smaller after physical activity than after rest.
Research method
Participants
Participants in this research will be recruited through the University of Amsterdam research lab. Most participants are therefore expected to be university students.
Tower of London Task
For this study, the Tower of London task will be used. The apparatus for this task consist of two identical boards consisting of three vertical pegs: a short, middle and tall one that can hold one, two or three beads respectively, and two sets of three beads (red, green and blue). The experimenter places the beads on one of the boards in a certain way, creating a target situation. The beads on the other board are in a standard starting configuration. The
participant will move these beads in order to come to the goal situation in as few moves as possible without violating the TOL task rules. These rules are as follows:
1. One can only place as many beads on a peg as it can physically hold. 2. One can move only one bead at a time.
3. One can only move a bead that is on top of a peg. 4. All beads that are not being moved must be on a peg.
Administration of the TOL task takes approximately 30 minutes. Seven performance scores can be identified: total move score (number of moved beads – number of solution moves), total correct score (number of problems in which only the minimal number of moves was used), rule violation score (number of rule violations), time violation score (number of
problems not solved within 1 minute), total initial time (time between presentation of the goal situation and first bead-move), total executive time (time between first and last move) and total planning-solving time (total initial time + total executive time).
Procedure
This study will use a within-subjects design in which two cognitive testing sessions will be completed at approximately the same time of day on separate days. The assessment of VO2max
will take place on a different testing day. Participants will be instructed to avoid all moderate to vigorous physical activity during both days of testing, to minimize fatigue-interference. On one of these sessions participants will perform a 30 minute moderate intensity exercise (60% of maximum heart rate) ergometer training before executing the Tower of London task, on the other 30 minutes of seated rest on the same ergometer. All participants are presented with problems from each difficulty. The order of the sessions and presentation of the problems will be counterbalanced across participants. Execution time and total move scores will be used to measure performance on the Tower of London task.
Heart rate will be monitored during both sessions. Participants will be given feedback and will be asked to keep the heart rate as close as possible to 60% of the maximum heart rate. Participants will be outfitted with an electrode cap for the EEG recordings (measuring P3) during the task directly following the intervention sessions (seated rest or ergometer exercise), after which they will perform the Tower of London task. Participants will receive €10,-/h in reward for their participation.
Data analysis
The data from the Tower of London task and P3 measures will be analyzed using a 2 (condition: exercise or rest) x 3 (difficulty of the task: simple, moderate or hard) repeated measures ANOVA for the execution time, total move scores and latency measures.
Possible results
Expected results are a main effect for condition (participants are expected to have lower execution time, total move scores and P3 latencies after physical activity) and of difficulty (easy tasks are expected to be made better than more complex task). The most important result will be the interaction between these to variables. The influence of physical activity could for example be either more pronounced in complex task than easy tasks, providing support for the findings of Hillman, Snook and Jerome (2003) and Kamijo, Nishihira, Higashiura and Kuroiwa (2007). If this is true, this might imply a ‘maximum processing speed’, that is already reached or nearly reached in easier tasks, so that physical activity cannot improve performance much more. If there is no interaction (meaning the influence of physical activity is the same for easy, moderate and complex cognitive tasks) this will bolster the findings of Hillman, Pontifex, Raine, Castelli, Hall and Kramer (2009) and Drolette, Scudder, Raine, Moore, Siliba, Pontifex and Hillman (2014), meaning that physical activity can improve the maximum processing speed at every difficulty level.
Literature
Castelli, D.M., Hillman, C.H., Buck, S.M. & Erwin, H.E. (2007). Physical fitness and
academic achievement in third- and fifth-grade students. Journal of Sport & Exercise,
29, 239-252.
Chaddock, L., Erickson, K.I., Prakash, R.S., Voss, M.W., VanPatter, M., Pontifex, M.B., Hillman, C.H. & Kramer, A.F. (2012). A functional MRI investigation of the
association between childhood aerobic fitness and neurocognitive control. Biological
Psychology, 89, 260-268.
Chang, Y.K., Tsai, C.L., Hung, T.M., So, E.C., Chen, F.T. & Etnier, J.L. (2011). Effects of Acute Exerciseon Executive Function: A Study With a Tower of London Task.
Journal of Sport & Exercise Psychology, 33, 847-865.
Chomitz, V.R., Slining, M.M., McGown, R.J., Mitchell, S.E., Dawson, G.F. & Hacker, K.A. (2008). Is there a relationship between physical fitness and academic achievement? Positive results from public school children in the Northeastern United States. Journal
of school health, 79, 30-37.
Coe, D.P., Pivarnik, J.M., Womack, C.J., Reeves, M.J. & Malina, R.M. (2006). Effect of physical education and activity levels on academic achievement in children. Medicine
& Science in Sports & Exercise, 1515-1519.
Davis, C.L. & Cooper, S. (2011). Fitness, fatness, cognition, behavior, and academic
achievement among overweight children: Do cross-sectional associations correspond to exercise trial outcomes? Preventive medicine, 52, 65-69.
Davranche, K. & McMorris, T. (2009). Specific effects of acute moderate exercise on cognitive control. Brain and Cognition, 69, 565-570.
Drolette, E.S., Scudder, M.R., Raine, L.B., Moore, D., Siliba, B.J., Pontifex, M.B. & Hillman, C.H. (2014). Acute exercise facilitates brain function and cognition in children who need it most: An ERP study of individual differences in inhibitory control capacity.
Developmental Cognitive Neuroscience, 7, 53-64.
Dwyer, T., Sallis, J.F., Blizzard, R.L. 7 Dean, K. (2001). Relation of academic performance to physical activity and fitness in children. Pediatric Exercise Science, 13, 225-237. Ellemberg, D. & St-Louis-Deschênes, M. (2010) The effect of acute physical exercise on
cognitive function during development. Psychology of Sport and Exercise, 11, 122-126.
Hillman, C.H., Kramer, A.F., Belopolsky, A.V. & Smith, D.P. (2006). A cross-sectional examination of age and physical activity on performance and event-related brain potentials in a task switching paradigm. International Journal of Psychophysiology,
59, 30-39.
Hillman, C.H., Kramer, A.F., Belopolsky, Snook, E.M., Kramer, A.F. & McAuley, E. (2004). Physical activity and executive control: implications for increased cognitive health during older adulthood. Research queterly for exercise and sport, 75:2, 176-185. Hillman, C.H., Pontifex, M.B., Raine, L.B., Castelli, D.M., Hall, E.E. & Kramer, A.F. (2009).
The effect of acute treadmill walking on cognitive control and academic achievement in preadolescent children. Neuroscience, 159, 1044-1054.
Hillman, C.H., Snook, E.M. & Jerome, G.J. (2003). Acute cardiovascular exercise and executive control function. International Journal of Psychophysiology, 48, 307-314. Hopkins, M.E., Davis, F.C., Vantieghem, M.R., Whalen, P.J. & Bucci, D.J. (2012).
Differential effects of acute and regular physical exercise on cognition and affect.
Neuroscience, 215, 59-68.
Hung, T.M., Tsai, C.L., Chen, F.T., Wang, C.C. & Chang, Y.K. (2013). The immediate and sustained effects of acute exercise on planning aspect of executive function.
Psychology of Sport and Exercise, 14, 728-736.
Joyce, J., Graydon, J., McMorris, T. & Davranche, K. (2009). The time course effect of moderate intensity exercise on response execution and response inhibition. Brain and
Cognition, 71, 14-19.
Kamijo, K., Nishihira, Y., Higashiura, T. & Kuroiwa, K. (2007). The ineractive effect of exercise intensity and task difficulty on human cognitive processing. International
Journal of Psychophysiology, 65, 114-121.
Kwak, L., Kremers, S.P.J., Bergman, P., Ruiz, J.R., Rizzo, N.S. & Sjöström, M. (2009) Associations between physical activity, fitness, and academic achievement. The
journal of pediatrics, 155, 914-918.
O’Leary, K.C., Pontifex, M.B., Scudder, M.R., Brown, M.L. & Hillman, C.H. (2011). The effects of single bouts of aerobic exercise, exergaming, and videogame play on cognitive control. Clinical Neuropsychology, 122, 1518-1525.
Pesce, C., Crova, C., Cereatti, L., Casella, R. & Bellucci, M. (2009). Physical activity and mental performance in preadolescents: Effects of acute exercise on free-recall memory. Mental Health and Physical Activity, 2, 16-22.
Pirrie, A.M. & Lodewyk, K.R. (2012). Investigating links between moderate-to-vigorous physical activity and cognitive performance in elementary school students. Mental
Health and Physical Activity, 5, 93-98.
Voss, M.W., Chaddock, L., Kim, J.S., VanPatter, M., Pontifex, M.B., Raine, L.B., Cohen, N.J., Hillman, C.H. & Kramer, A.F. (2011). Aerobix fitness is associated with greater efficiency of the network underlying cognitive controle in preadolescent children.
Neuroscience, 199, 166-176.
Winter, B., Breitenstein, C., Mooren, F.C., Voelker, K., Fobker, M., Lechtermann, A., Krueger, K., Fromme, A., Korsukewitz, C., Floel, A. & Knecht, S. (2007). High impact running improves learning. Neurobiology of Learning and Memory, 87, 597 -609.
Yanagisawa, H., Dan, I., Tsuzuki, D., Kato, M., Okamoto, M., Kyutoku, Y. & Soya, H. (2010). Acute moderate exercise elicits increased dorsolateral prefrontal activation and improves cognitieve performance with Stroop test. NeuroImage, 50, 1702-1710.
