DOI: https://doi.org/10.1371/journal.pone.0342547
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41678513
تاريخ النشر: 2026-02-12
المؤلف: Manjiri Kulkarni وآخرون
الموضوع الرئيسي: دراسات علم النفس العصبي والسلوكي
نظرة عامة
تدرس الدراسة تأثير العمر على الاتصال الوظيفي بين مناطق القشرة الجبهية (PFC) أثناء المهام الحركية، وتحديداً اختبارات الأوتاد التسعة لليد اليمنى (R9HPT) واليد اليسرى (L9HPT). شملت مجموعتين: 20 بالغاً أصغر سناً (متوسط العمر 29 سنة) و19 بالغاً أكبر سناً (متوسط العمر 67 سنة). باستخدام طيف الأشعة تحت الحمراء القريبة الوظيفية (fNIRS) لقياس التغيرات في الهيموغلوبين المؤكسج (∆O₂Hb)، قام الباحثون بتقييم النشاط العصبي وأنماط الاتصال أثناء المهام.
أشارت النتائج إلى أن البالغين الأكبر سناً استغرقوا وقتاً أطول بشكل ملحوظ لإكمال كل من R9HPT وL9HPT مقارنة بالبالغين الأصغر سناً، حيث كانت L9HPT أكثر استغراقاً للوقت لكلا المجموعتين. ومن الجدير بالذكر أن زيادة ∆O₂Hb كانت مرتبطة بأوقات إكمال أطول لدى البالغين الأكبر سناً عبر خمس مناطق من القشرة الجبهية. وجدت الدراسة أنماطاً مميزة من الاتصال الوظيفي، حيث أظهرت كلا المجموعتين من العمر اتصالاً بين نصفي الكرة المخية أثناء كلا المهمتين. ومع ذلك، لوحظ اتصال داخلي نصفي كبير لدى البالغين الأكبر سناً في كلا المهمتين، بينما أظهر البالغون الأصغر سناً ذلك فقط أثناء L9HPT. تشير النتائج إلى أنه بينما يحتاج البالغون الأكبر سناً إلى مزيد من الاتصال أثناء مهام البراعة اليدوية، فإن ذلك لا يترجم إلى كفاءة أفضل في المهام، مما يبرز الحاجة إلى مزيد من الاستكشاف للعلاقة بين أداء 9HPT وأنشطة البراعة اليدوية اليومية.
مقدمة
تسلط مقدمة ورقة البحث الضوء على الدور الحاسم للبراعة اليدوية في أداء مهام الرعاية الذاتية وأنشطة الحياة اليومية (ADL)، مشددة على أن التدهورات المرتبطة بالعمر في هذه المهارة يمكن أن تؤدي إلى فقدان الاستقلالية. تناقش كيف يؤثر الشيخوخة على الأنظمة العصبية الأساسية للبراعة اليدوية، بما في ذلك الإدراك اللمسي، والوظائف الحسية الحركية، والتنسيق، وسرعة المعالجة الإدراكية. ومن الجدير بالذكر أن التغيرات في أنماط تنشيط القشرة، وخاصة في القشرة الجبهية (PFC)، لوحظت، حيث أظهر البالغون الأكبر سناً زيادة في التنشيط وأقل تمايزاً أثناء المهام الحركية مقارنة بالبالغين الأصغر سناً. يتم تفسير هذه الظاهرة بشكل متنوع إما كنشاط عصبي تعويضي أو غير تكيفي.
تهدف الدراسة إلى التحقيق في أنماط الاتصال الوظيفي داخل القشرة الجبهية أثناء مهام البراعة اليدوية باستخدام طيف الأشعة تحت الحمراء القريبة الوظيفية (fNIRS). من خلال تقييم نشاط الدماغ من خلال التغيرات في الهيموغلوبين المؤكسج (∆O₂Hb)، تسعى الدراسة إلى توضيح الفروق المرتبطة بالعمر في الاتصال الإقليمي أثناء اختبار الأوتاد التسعة (9HPT)، وهو مقياس قياسي للبراعة اليدوية. تفترض الفرضية أن البالغين الأكبر سناً سيظهرون اتصالاً وظيفياً أكبر، خاصة عند استخدام يدهم غير المهيمنة، وأن أوقات إكمال الاختبار الأطول ستتوافق مع زيادة النشاط العصبي والاتصال. يسمح هذا النهج بفهم أكثر دقة للآليات العصبية الكامنة وراء البراعة اليدوية في سياق الشيخوخة.
طرق البحث
استخدمت الدراسة تصميماً عرضياً لزيارة واحدة، تمت الموافقة عليه من قبل مجلس أخلاقيات البحث بجامعة تورونتو، للتحقيق في مقاييس الأداء المعرفي والبدني بين المشاركين الذين تم تجنيدهم بين مايو وديسمبر 2023. قبل التسجيل، تم الحصول على موافقة مستنيرة، وقدم المشاركون معلومات ديموغرافية، بما في ذلك العمر، الجنس، الوزن، الطول، ومؤشر كتلة الجسم. أكملوا استبيانات تقيم الحالة المعرفية، والأمراض المصاحبة، ومستويات النشاط البدني. تم قياس قوة القبضة، تلاها تطبيق شريط رأس جهاز طيف الأشعة تحت الحمراء القريبة الوظيفية (fNIRS) لمراقبة التغيرات في الهيموغلوبين غير المؤكسج (∆O₂Hb) في القشرة الجبهية (PFC) أثناء اختبار الأوتاد التسعة (9HPT)، الذي تم إجراؤه لكلتا اليدين بترتيب عشوائي.
استخدم نظام fNIRS شبكة مصفوفة رقيقة من ثمانية قنوات لالتقاط بيانات ∆O₂Hb من القشرة الجبهية، باستخدام طولين موجيين من الضوء تحت الأحمر (730 نانومتر و850 نانومتر) للتفريق بين الهيموغلوبين المؤكسج وغير المؤكسج. تم أخذ عينات البيانات بمعدل 10 هرتز، وشملت تحليلات الاتصال تصفية نطاق التردد لإشارات fNIRS. كان اختبار 9HPT، وهو اختبار موحد للبراعة، يتضمن وضع وإزالة الأوتاد من لوحة الأوتاد، مع تسجيل أوقات الإكمال بشكل منفصل لليد اليمنى واليسرى. أظهر هذا الاختبار موثوقية عالية في إعادة الاختبار (0.95 لليد اليمنى و0.92 لليد اليسرى) وهو موثق للاستخدام عبر مختلف الفئات العمرية، مما يجعله مقياساً مناسباً لتقييم المهارات الحركية الدقيقة في مجموعات سكانية متنوعة.
النتائج
في هذه الدراسة، تم تقسيم 39 مشاركاً مهيمنين على اليد اليمنى إلى مجموعتين: 20 فرداً أصغر سناً (متوسط العمر 29 ± 4 سنوات) و19 فرداً أكبر سناً (متوسط العمر 67 ± 12 سنة)، دون وجود اختلافات كبيرة في الخصائص بخلاف العمر وعدد أكبر من الأمراض المصاحبة في المجموعة الأكبر سناً (p < 0.001). كان جميع المشاركين لديهم على الأقل تعليم ثانوي. أشارت النتائج إلى أن المجموعة الأصغر سناً أكملت R9HPT وL9HPT بشكل أسرع بشكل ملحوظ من المجموعة الأكبر سناً، حيث كانت أوقات الإكمال أقصر بنسبة 21% و17% على التوالي (p < 0.001). بالإضافة إلى ذلك، أظهرت كلا المجموعتين أوقات إكمال أقصر لـ R9HPT مقارنة بـ L9HPT، حيث كانت المجموعة الأصغر سناً أسرع بنسبة 16% والمجموعة الأكبر سناً أسرع بنسبة 12% في اختبار اليد اليمنى. ومن الجدير بالذكر أن اثنين من المشاركين في المجموعة الأكبر سناً واجهوا صعوبات أثناء L9HPT، مما أثر على أوقات إكمال اختباراتهم بشكل عام.
المناقشة
تتناول قسم المناقشة في هذه الدراسة الاختلافات في الاتصال الوظيفي بين مناطق القشرة الجبهية (PFC) أثناء اختبار الأوتاد التسعة (9HPT) لليدين اليمنى واليسرى بين البالغين الأصغر سناً (18-40 سنة) والبالغين الأكبر سناً (≥50 سنة). تم اختيار المشاركين بعناية بناءً على معايير صحية، واليد المهيمنة، والقدرات المعرفية، وتم إجراء تقييمات متنوعة لوصف ظروفهم الأساسية. تشير النتائج إلى أن البالغين الأصغر سناً أظهروا اتصالاً أكبر بين مناطق القشرة الجبهية أثناء مهمة اليد اليسرى (L9HPT)، بينما أظهر البالغون الأكبر سناً مزيداً من الاتصال أثناء مهمة اليد اليمنى (R9HPT). ومن الجدير بالذكر أن البالغين الأكبر سناً استغرقوا وقتاً أطول لإكمال كلا المهمتين، وهو ما لم يتوافق مع زيادة الاتصال الوظيفي أو مستويات الهيموغلوبين المؤكسج ($\Delta O_2Hb$)، مما يشير إلى تعقيد العلاقة بين العمر، والاتصال، والبراعة اليدوية.
تسلط الدراسة الضوء على أنه بينما أظهر البالغون الأكبر سناً زيادة في $\Delta O_2Hb$ أثناء L9HPT، فإن ذلك لم يترجم إلى أداء أفضل مقارنة بالبالغين الأصغر سناً، مما يشير إلى استراتيجية محتملة للتفريق في العمر الأكبر. تشير النتائج إلى أن تعقيد المهام قد يتطلب تنشيط قشري أكبر لدى البالغين الأكبر سناً، لكن هذا لا يعزز بالضرورة الأداء. بالإضافة إلى ذلك، يبرز الأداء الأبطأ في اليد غير المهيمنة عبر كلا المجموعتين من العمر تأثير اليد المهيمنة على البراعة اليدوية. يدعو المؤلفون إلى إجراء أبحاث مستقبلية لاستكشاف مهام أكثر تعقيداً تعكس الحياة اليومية وتقييم آثار الأمراض المصاحبة على الأداء الوظيفي، مما قد يوفر رؤى حول الآليات العصبية الكامنة وراء التغيرات المرتبطة بالعمر في البراعة اليدوية.
القيود
تشمل قيود الدراسة التركيز فقط على البالغين المهيمنين على اليد اليمنى، مما يحد من استكشاف الاختلافات المحتملة في التنشيط العصبي المتعلقة بمعالجة الإدراك الحركي عبر هيمنة اليد. للحصول على فهم أكثر شمولاً لنشاط القشرة الجبهية (PFC)، من الضروري تضمين الأفراد المهيمنين على اليد اليسرى في الأبحاث المستقبلية. بالإضافة إلى ذلك، قد لا تكون النتائج قابلة للتطبيق على السكان الذين يعانون من أمراض مصاحبة كبيرة أو إعاقات معرفية، حيث كان لدى معظم المشاركين مشاكل صحية طفيفة.
علاوة على ذلك، كان نطاق أعمار البالغين الأكبر سناً في الدراسة ضيقاً نسبياً، مما قد يتسبب في تجاهل التباينات في المساهمات المعرفية لمهام البراعة اليدوية بين الأفراد في الخمسينيات والستينيات الذين قد لا يزالون يتمتعون بوظائف عالية. يجب أن تأخذ التحقيقات المستقبلية في الاعتبار فحص الاتصال باستخدام طيف الأشعة تحت الحمراء القريبة الوظيفية (fNIRS) أثناء مهام البراعة اليدوية عبر فئات عمرية أكثر تحديداً، بما في ذلك البالغين في منتصف العمر، والبالغين الأكبر سناً، وكبار السن. أخيراً، بينما تُعتبر تقنية fNIRS المستمرة قيمة وقابلة للنقل، إلا أنها تفتقر إلى التحديد التشريحي الموجود في تقنيات أخرى مثل التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي (fMRI).
DOI: https://doi.org/10.1371/journal.pone.0342547
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41678513
Publication Date: 2026-02-12
Author(s): Manjiri Kulkarni et al.
Primary Topic: Neural and Behavioral Psychology Studies
Overview
The study investigates the impact of age on functional connectivity among prefrontal cortex (PFC) regions during motor tasks, specifically the 9-hole peg tests for the right (R9HPT) and left (L9HPT) hands. It involved two groups: 20 younger adults (mean age 29 years) and 19 older adults (mean age 67 years). Using functional near-infrared spectroscopy (fNIRS) to measure changes in oxygenated hemoglobin (∆O₂Hb), the researchers assessed neural activity and connectivity patterns during the tasks.
Results indicated that older adults had significantly longer completion times for both R9HPT and L9HPT compared to younger adults, with L9HPT being more time-consuming for both groups. Notably, greater ∆O₂Hb was linked to longer completion times in older adults across five PFC regions. The study found distinct patterns of functional connectivity, with both age groups demonstrating interhemispheric connectivity during both tasks. However, significant intrahemispheric connectivity was observed in older adults for both tasks, while younger adults exhibited this only during L9HPT. The findings suggest that while older adults require more connectivity during hand dexterity tasks, this does not translate to improved task efficiency, highlighting the need for further exploration of the relationship between 9HPT performance and daily hand dexterity activities.
Introduction
The introduction of the research paper highlights the critical role of manual dexterity in performing self-care tasks and activities of daily living (ADL), emphasizing that age-related declines in this skill can lead to a loss of independence. It discusses how aging affects neural systems essential for manual dexterity, including tactile perception, sensorimotor functions, coordination, and cognitive processing speed. Notably, changes in cortical activation patterns, particularly in the prefrontal cortex (PFC), are observed, with older adults showing increased activation and less lateralization during motor tasks compared to younger adults. This phenomenon is interpreted variably as either compensatory or maladaptive dedifferentiated neural activity.
The study aims to investigate functional connectivity patterns within the PFC during manual dexterity tasks using functional near-infrared spectroscopy (fNIRS). By assessing brain activity through changes in oxygenated hemoglobin (∆O₂Hb), the research seeks to elucidate age-related differences in regional connectivity during the 9-hole peg test (9HPT), a standard measure of manual dexterity. The hypothesis posits that older adults will exhibit greater functional connectivity, particularly when using their non-dominant hand, and that longer test completion times will correlate with increased neural activity and connectivity. This approach allows for a more nuanced understanding of the neural mechanisms underlying manual dexterity in the context of aging.
Methods
The study employed a single-visit cross-sectional design, approved by the University of Toronto Research Ethics Board, to investigate cognitive and physical performance metrics among participants recruited between May and December 2023. Prior to enrollment, informed consent was obtained, and participants provided demographic information, including age, sex, weight, height, and body mass index. They completed questionnaires assessing cognitive status, comorbidities, and physical activity levels. Grip strength was measured, followed by the application of a functional near-infrared spectroscopy (fNIRS) sensor headband to monitor changes in deoxygenated hemoglobin (∆O₂Hb) in the prefrontal cortex (PFC) during the 9-Hole Peg Test (9HPT), which was conducted for both hands in a randomized order.
The fNIRS system utilized an eight-channel sparse grid array to capture PFC ∆O₂Hb data, employing two wavelengths of infrared light (730 nm and 850 nm) to differentiate between oxygenated and deoxygenated hemoglobin. The data were sampled at 10 Hz, and connectivity analyses involved bandpass filtering the fNIRS signals. The 9HPT, a standardized test for dexterity, involved placing and removing pegs from a pegboard, with completion times recorded separately for the right and left hands. This test demonstrated high test-retest reliability (0.95 for the right hand and 0.92 for the left hand) and is validated for use across various age groups, making it a suitable measure for assessing fine motor skills in diverse populations.
Results
In this study, 39 right-hand dominant participants were divided into two groups: 20 younger individuals (mean age 29 ± 4 years) and 19 older individuals (mean age 67 ± 12 years), with no significant differences in characteristics other than age and a higher number of comorbidities in the older group (p < 0.001). All participants had at least a high school education. The results indicated that the younger group completed the R9HPT and L9HPT significantly faster than the older group, with completion times being 21% and 17% shorter, respectively (p < 0.001). Additionally, both groups demonstrated shorter completion times for the R9HPT compared to the L9HPT, with the younger group being 16% faster and the older group 12% faster on the right-hand test. Notably, two participants in the older group experienced difficulties during the L9HPT, which affected their overall test completion times.
Discussion
The discussion section of this study examines the differences in functional connectivity among prefrontal cortex (PFC) regions during the Nine-Hole Peg Test (9HPT) for right and left hands between younger (18-40 years) and older (≥50 years) adults. Participants were carefully selected based on health criteria, handedness, and cognitive abilities, and various assessments were conducted to characterize their baseline conditions. The findings indicate that younger adults exhibited greater connectivity among PFC regions during the left-hand task (L9HPT), while older adults demonstrated more connectivity during the right-hand task (R9HPT). Notably, older adults had longer completion times for both tasks, which did not correlate with increased functional connectivity or oxygenated hemoglobin levels ($\Delta O_2Hb$), suggesting a complexity in the relationship between age, connectivity, and manual dexterity.
The study highlights that while older adults showed increased $\Delta O_2Hb$ during the L9HPT, this did not translate to improved performance compared to younger adults, indicating a potential dedifferentiation strategy in older age. The results suggest that the complexity of tasks may require greater cortical activation in older adults, but this does not necessarily enhance performance. Additionally, the slower performance in the non-dominant hand across both age groups emphasizes the impact of handedness on manual dexterity. The authors advocate for future research to explore more complex tasks reflective of daily living and to assess the effects of comorbidities on functional performance, which could provide insights into the neural mechanisms underlying age-related changes in manual dexterity.
Limitations
The study’s limitations include a focus solely on right-hand dominant adults, which restricts the exploration of potential differences in neural activation related to cognitive-motor processing across hand dominance. To gain a more comprehensive understanding of prefrontal cortex (PFC) activity, it is essential to include left-hand dominant individuals in future research. Additionally, the findings may not be applicable to populations with significant comorbidities or cognitive impairments, as the majority of participants had minimal health issues.
Moreover, the study’s age range for older adults was relatively narrow, potentially overlooking variations in cognitive contributions to hand dexterity tasks among individuals in their fifties and sixties who may still be highly functional. Future investigations should consider examining functional near-infrared spectroscopy (fNIRS) connectivity during hand dexterity tasks across more specific age categories, including middle-aged, older, and elderly adults. Lastly, while continuous wave fNIRS is a valuable and portable neuroimaging technique, it lacks the anatomical specificity found in other modalities such as functional magnetic resonance imaging (fMRI).