Schematické znázornenie procesov v Normanovom a Shalliceovom modeli. Úplné šípky predstavujú vstupné informácie a bodkované šípky predstavujú výstupné informácie z nedávno aktivovaných schém.
Výkonné funkcie sú kognitívne aparáty, ktoré kontrolujú a riadia kognitívne procesy. Norman a Shallice (1980) navrhli model exekutívnych funkcií kontroly pozornosti, ktorý špecifikuje, ako sa myšlienkové a akčné schémy aktivujú alebo potláčajú za rutinných a nerutinných okolností. Schémy alebo scenáre špecifikujú sériu činností alebo myšlienok jednotlivca pod vplyvom podmienok prostredia. Každá stimulačná podmienka sa mení na aktiváciu reakcie alebo schémy. Spustenie príslušnej schémy v rutinných, dobre naučených situáciách monitoruje plánovanie kontingencie, ktoré laterálne inhibuje konkurenčné schémy na kontrolu kognitívneho aparátu. Pri jedinečných, nerutinných postupoch kontroluje aktiváciu schémy dozorný systém pozornosti (SAS). SAS je výkonný monitorovací systém, ktorý dohliada a kontroluje plánovanie sporov ovplyvňovaním pravdepodobnosti aktivácie schém a umožňuje, aby sa počas automatických procesov pozornosti uplatňovali všeobecné stratégie na nové problémy alebo situácie.
Exekutívne funkcie sú kognitívne procesy, ktoré riadia iné mozgové činnosti a fungujú prevažne v prefrontálnych oblastiach čelného laloku. Exekutívne funkcie majú obmedzenú kapacitu a zodpovedajú za iniciáciu, konsolidáciu, reguláciu a inhibíciu kognitívnych, jazykových, motorických a emocionálnych procesov. Tieto procesy sú základom takých funkcií, ako je sebahodnotenie, plánovanie, riešenie problémov, kontrola impulzov a pozornosti a strategický výber alebo postupnosť správania na dosiahnutie požadovaných cieľov.
Meranie exekutívnych funkcií je často menej presné ako meranie neexekutívnych úloh, pretože mozog je vzájomne prepojený a zložitý. Exekutívne funkcie sa ťažko merajú nezávisle od všetkých ostatných kognitívnych funkcií a často ich ovplyvňujú neexekutívne faktory. V dôsledku toho môže byť ťažké pochopiť vzťah medzi správaním a kognitívnymi procesmi.
Bolo navrhnutých mnoho modelov exekutívnych funkcií, z ktorých žiadny úplne neprevažuje nad ostatnými z hľadiska platnosti a prijateľnosti. Vzhľadom na základnú zložitosť mozgu je veľmi ťažké overiť, ktorý model (modely) je najsprávnejší. Tento článok je najviac zameraný na výkonnú funkciu Supervisory Attention System a výskum týkajúci sa tohto systému.
Normanov a Shalliceov model (1980)
V roku 1980 psychológovia Donald Norman a Tim Shallice navrhli rámec kontroly pozornosti výkonných funkcií. Model využíva myšlienkové a akčné schémy alebo schémy, ktoré sú sériou naučených myšlienkových a akčných sekvencií, akoby skriptov, ktoré špecifikujú správanie počas situácií. Schémy sa aktivujú z percepčných podnetov alebo z výstupu nedávno aktivovaných schém. Napríklad vstup do kuchyne a nájdenie hromady neumytého riadu (vstup) môže iniciovať behaviorálnu reakciu na čistenie (schéma). Predpokladá sa, že existuje obrovské, konečné množstvo myšlienkových a akčných schém a že majú rôznu hierarchiu. Napríklad schémy vysokej úrovne predstavujú riešenie problémov, zatiaľ čo schémy nízkej úrovne sú typické pre činnosti.
V Norman-Shalliceovom modeli riadia fungovanie a kontrolu schém dva hlavné procesy. Kontingenčné plánovanie je mechanizmus nižšej úrovne, ktorý reguluje procesy schém pre známe, automatické činnosti, ako aj niektoré nové situácie. Kontingenčné plánovanie zabezpečuje aktiváciu správnej schémy a prostredníctvom inhibície zabraňuje súčasnému vykonávaniu viacerých konkurenčných akcií. Schémy majú podmienky výberu a spúšťajú sa, ak úroveň aktivácie dosiahne prahovú hodnotu. Prepojené schémy sa navzájom inhibujú. Schéma, ktorá sa stretne so zvýšeným počtom aktivácií, bude mať za následok ľahší budúci prístup a väčšie potlačenie aktivácie tých schém, ktoré sú s ňou spojené. Niekoľko súčasne prebiehajúcich schém, napríklad chôdza a rozprávanie, sa používaním posilňuje a vyžaduje si menšiu kontrolu pozornosti. Kontingenčné plánovanie je rýchle, automatické a dôsledné pri aktivácii schém.
Druhou zložkou Normanovho-Shalliceovho modelu je dozorný systém pozornosti (SAS). Tento mechanizmus vyššej úrovne má kontrolu nad plánovaním kontentov. SAS monitoruje vedomé, zámerné plánovanie činností, nové situácie, ktoré sa nedajú riešiť pomocou predtým naučených schém a/alebo keď je rozhodujúce zabrániť chybám alebo zvyčajným reakciám. Okrem monitorovania aktivácie vhodných schém a potláčania nevhodných schém sa SAS prispôsobuje riešeniu problémov, ktoré existujúce schémy nedokázali vyriešiť. Inými slovami, modifikuje všeobecné stratégie na riešenie nerutinných problémov. Ak neexistujú žiadne existujúce schémy týkajúce sa problému, potom sa pod kontrolou pozornosti môže vytvoriť, posúdiť a implementovať nová schéma. Vytvorenie novej schémy trvá približne 8 až 10 sekúnd. Kontrolný systém pozornosti je pomalý, dobrovoľný a používa flexibilné stratégie na riešenie rôznych náročných problémov.
V oblasti pozornosti existujú dva hlavné rozdiely v spracovaní. Automatické procesy pozornosti si nevyžadujú vedomú kontrolu a spúšťajú sa ako reakcia na známe podnety z prostredia. To je v kontraste s riadenými procesmi pozornosti, ktoré si vyžadujú vedomú kontrolu, aby mohli reagovať na jedinečné situácie.
SAS sa podieľa na výkonnej zložke pracovnej pamäte, ktorá slúži na ukladanie, kontrolu a spracovanie príslušných informácií. SAS umožňuje nezávislé správanie zapojené do pamäte, plánovania, rozhodovania, kognitívneho odhadu, riešenia problémov, nebezpečného prostredia, nových situácií, inhibície chýb, korekcie chýb a iniciovania činností. Zahŕňa aj hlavné zložky ľudskej pozornosti vrátane výberu, deliteľnosti, možnosti posunu a udržateľnosti. Výber pozornosti je schopnosť vybrať si konkrétnu úlohu namiesto výraznejšieho podnetu alebo súboru podnetov v pozadí. Rozdeliteľnosť je, keď sa pozornosť rozdeľuje medzi úlohy. Schopnosť preskakovať pozornosť z jednej úlohy na druhú je známa ako schopnosť presunu. Udržanie pozornosti na jednej úlohe dlhší čas sa označuje ako udržateľnosť pozornosti. SAS zohľadňuje aj priming očakávaných úloh. Znížená aktivita v SAS však zodpovedá momentálnym nedostatkom pozornosti, ktoré vedú k irelevantnému správaniu známemu ako chyba zachytenia. Keď je SAS neúspešný pri potláčaní irelevantnej schémy, pozornosť je nepriaznivo ovplyvnená. Podobne pacienti s dysfunkčným SAS vykazujú komplikácie pri vybavovaní si spomienok na konkrétne udalosti a problémy so zameraním pozornosti, plánovaním a iniciovaním činností.
Ďalšia chyba v systéme dohľadu nad pozornosťou môže mať ešte ničivejšie následky. Keď ľudia čelia ohrozujúcej situácii, často majú obmedzený čas na vytvorenie reakcie „bojuj alebo uteč“, ktorá je ideálna na zvýšenie prežitia. Kognitívna paralýza nastáva vtedy, keď jedinec počas núdzovej situácie nereaguje alebo „zamrzne“ buď z dôvodu časového, alebo kognitívneho nedostatku. Inhibícia SAS je navrhovaným časovým obmedzením počas núdzovej situácie. Ak je možné obnoviť vhodnú vopred naučenú schému, spustí sa reakcia na prežitie. Ak však žiadna existujúca schéma nemôže reagovať, výsledkom je kognitívna paralýza, inak sa prejavuje iracionálne správanie. Na základe tohto chápania možno mylne predpokladať, že SAS je v nebezpečných situáciách nepriaznivá. Kontrolný systém pozornosti poskytuje jednotlivcom schopnosť predvídať a mentálne sa pripraviť na situácie pred každým možným stretnutím. Mnohí sa dohadovali o konkrétnych úlohách SAS v situáciách prežitia; všeobecné chápanie je, že funguje na zvýšenie šance na prežitie a že funguje v spojení s integrovaným systémom.
3D animované zobrazenie ľavej mozgovej hemisféry s odstráneným pravým neokortexom. Zvýraznená oblasť predstavuje ľavý čelný lalok.
Pravdepodobné umiestnenie SAS je v čelných lalokoch, konkrétne v prefrontálnej kôre. Vyplýva to z pochopenia, že čelné laloky poskytujú rámec na dosiahnutie dosiahnuteľných cieľov. Dorsolaterálna oblasť čelných lalokov sa podieľa na myslení a jazyku a organizuje mentálne reprezentácie obsahu. Prefrontálna kôra pojme mnoho systémov a úloh, ktoré pracujú nezávisle, v závislosti a v interakcii so SAS. Fungovanie SAS závisí od viacerých špecifických systémov a štruktúr v mozgu. V priebehu 80. a 90. rokov 20. storočia sa uskutočnilo veľa neuropsychologických výskumov zameraných na čelné laloky a prefrontálnu kôru (PFC). Postupom času bol systém dozornej pozornosti začlenený do výskumu veku, poranení mozgu, psychologických porúch, degeneratívnych ochorení, zneužívania návykových látok a ďalších. V nasledujúcej časti je uvedený stručný prehľad výskumu zahŕňajúceho SAS.
Výskum kontrolného systému pozornosti
Fokálne lézie frontálneho laloku
Pacienti s poškodeným čelným lalokom vykazujú príznaky charakteristické pre ľudí s exekutívnou dysfunkciou, napríklad zhoršené vyhľadávanie autobiografických informácií. Pacienti s léziami frontálnych lalokov sa vo veľkej miere líšia v kognitívnych nedostatkoch, ktoré sa u nich prejavujú, a sú špecificky viazané na presnú modalitu lézie.
Lézie v ľavom prednom frontálnom laloku sa spájajú s ťažkosťami pri riešení nových problémov, s menším problémom pri riešení dobre naučených úloh. To naznačuje, že SAS je prítomná v ľavom prednom frontálnom laloku a je rozšírenejšia ako kontingenčné plánovanie. Niektoré spoločné funkcie charakterizované SAS sú plánovanie, inhibícia a abstrakcia logických pravidiel. Tieto procesy sa merali pomocou špeciálne navrhnutých úloh, a to Tower of London (TOL), Haylingov test, resp. brixtonský test, a použili sa na porovnanie pacientov s léziou čelného laloku a kontrolných jedincov. Pacienti s léziami potrebovali viac pohybov a robili viac chýb v úlohe TOL, mali problémy s iniciovaním automatických reakcií a inhibíciou dominantných reakcií v Haylingovom teste a chýbala im schopnosť objavovať a uplatňovať logické pravidlá. Ich odpovede mali abnormálne vysoký výskyt iracionálnych odpovedí. Tento účinok bol najvýraznejší u pacientov s léziou ľavej prednej časti frontálneho laloku, čo naznačuje, že porucha kognitívnych funkcií mala za následok dysfunkciu SAS, ktorá môže byť operabilnejšia v ľavej prednej časti frontálneho laloku.
V samostatnej štúdii založenej na tých istých troch kognitívnych meraniach sa však zistili protichodné výsledky. Pacienti s frontálnymi léziami nevykazovali žiadne významné zhoršenie v testoch Tower of London, Halying alebo Brixton, napriek tomu, že v úlohách TOL a Hayling boli pomalší.
Tieto protichodné zistenia môžu byť dôsledkom rozdielneho výberu pacientov do štúdií. V prvom súbore výsledkov boli pacienti starší a mali úplne odstránené veľké časti čelných lalokov, zatiaľ čo v druhom súbore boli pacienti mladší a mali menšie oblasti poškodenia bez odstráneného tkaniva. U starších účastníkov sa zvýšilo riziko kognitívneho starnutia a úbytku prefrontálnej šedej hmoty. Mozog je vysoko prepojený a len zriedkavo fungujú štruktúry úplne nezávisle od iných oblastí. Dá sa usúdiť, že dozorný systém pozornosti, ktorý sa nachádza v čelných lalokoch, spolupracuje s procesmi v iných oblastiach mozgu. Pacienti s odstránenými časťami čelných lalokov tak budú mať systémy úplne zablokované, aby mohli správne fungovať. Naopak, pacienti s nefunkčnými neporušenými léziami môžu poskytovať spojenia pre ostatné zložky systému, aby zostali funkčné. Okrem toho oblasti mozgu napojené na dysfunkčnú zložku môžu vykazovať neuronálnu plasticitu, aby začlenili niektoré z narušených funkcií do svojich vlastných procesov.
Výskum skúmal vplyv veku na niektoré špecifické exekutívne funkcie, ktoré sú charakteristické pre dozorný systém pozornosti. Ukázalo sa, že funkcie ako plánovanie, inhibícia a abstrakcia logických pravidiel sú citlivé u pacientov s frontálnou dysfunkciou.
Výskumníci zistili, že starší ľudia majú zhoršené výkonné funkcie merané pomocou TOL, Haylingovho testu a Brixtonského testu. Staršie osoby sú v porovnaní s mladými dospelými vo všeobecnosti pomalšie a na riešenie problémov potrebovali viac ťahov, robili viac chybných odpovedí a mali väčšie problémy s pochopením a uplatňovaním logických pravidiel. Účinky súvisiace s vekom sa pri plánovaní znížili, keď sa štatisticky kontrolovala rýchlosť spracovania, čo naznačuje, že časť účinkov súvisiacich s vekom na výkonné funkcie bola spôsobená rýchlosťou. Pri štatistickej kontrole rýchlosti spracovania pre inhibíciu a reflexiu logických pravidiel boli účinky veku stále zjavné. Tieto zistenia viedli výskumníkov k presvedčeniu, že u starších ľudí dochádza k frontálnemu úpadku.
Lézie čelného laloku a vek ovplyvňujú procesy výkonných funkcií podobným, ale odlišným spôsobom. Pacienti s léziou čelného laloku boli pomalší ako kontrolná skupina pri iniciácii a inhibícii úloh počas Haylingovho testu, zatiaľ čo starší účastníci boli pomalší ako mladí len pri inhibičných úlohách. Starší pacienti aj pacienti s poškodením frontálneho laloku produkovali vysokú úroveň chýb v Brixtonskom teste, ale odpovede starších pacientov boli v priamejšom vzťahu k logickým pravidlám.
Ďalší výskum ukázal, že s vekom sa objem prefrontálnej šedej hmoty zmenšuje. Toto zmenšenie mozgovej kôry starších ľudí by mohlo vysvetľovať niektoré sprostredkované vplyvy súvisiace s vekom na výkonné funkcie.
Porucha pozornosti s hyperaktivitou (ADHD)
Pomerne nedávno sa pozornosť sústredila na pochopenie vplyvu poruchy pozornosti s hyperaktivitou na výkonné procesy jednotlivcov. Osoby s ADHD majú niekoľko podobných prejavov správania s pacientmi, u ktorých sa potvrdilo narušenie exekutívnych funkcií, charakteristických pre nedostatky SAS. Niektoré z týchto paralelných prejavov správania zahŕňajú problémy s iniciovaním a reguláciou vhodného správania, potláčaním impulzívneho správania a časovým udržaním pozornosti a úsilia.
Deti s ADHD majú narušenú samoreguláciu plánovania a organizácie. Deti aj dospievajúci s ADHD trpia kognitívnymi deficitmi vrátane hendikepovaného akademického fungovania, porúch učenia, porúch reči a jazyka a deficitov inteligencie. Deti majú skreslené vnímanie seba samých, napríklad uvádzajú vyššie sebahodnotenie, než si zaslúžia, čo je známe ako pozitívne iluzórne skreslenie. Okrem toho je ich nedostatočná motivácia, deficit pracovnej pamäte a neschopnosť uplatniť svoju inteligenciu hlavnou navrhovanou príčinou ich celkovej inteligencie, ktorá je pod normou. Tieto poruchy výkonných funkcií však nie sú reprezentatívne pre všetky deti a dospievajúcich s poruchou pozornosti a hyperaktivitou.
Stimulačné lieky na ADHD sa bežne používajú na krátkodobé zmiernenie príznakov a vo všeobecnosti môže užívanie liekov účinne zlepšiť schopnosti jednotlivcov pri kognitívnych úlohách, pozornosť a znížiť impulzivitu. Okrem toho dôkazy poukazujú na priaznivé účinky na správanie a celkový prínos pre frontálne funkcie a kognitívny výkon. Najčastejší vedľajší účinok však môže spôsobiť epizóda úzkosti, mánie a nespavosti. Úzkosť môže potláčať pozornosť a poznávanie, a tým zhoršovať exekutívne funkcie.
Vplyv alkoholu priamo na kognitívne schopnosti jednotlivca je zrejmý. Chronická konzumácia alkoholu môže mať nepriamy vplyv na čelné laloky. Detoxikovaní muži, chronickí alkoholici, vykazovali zníženú inhibíciu a flexibilitu pri plánovaní, zisťovaní pravidiel, koordinácii medzi úlohami a robili viac chýb. Títo jedinci mali relatívne zdravú krátkodobú pamäť, ale výrazne im chýbala schopnosť usmerňovať uložené informácie. Rýchlosť spracovania nebola faktorom ich exekutívnych deficitov. Merania zahŕňali londýnsku vežu, Brixtonský test, úlohu Hayling, test vytvárania stôp, Stroopov interferenčný test a úlohu Alpha-Span. Výsledky pozitrónovej emisnej topografie overili aktiváciu frontálneho laloku počas testov exekutívnych funkcií, v ktorých alkoholici vykazovali slabý výkon.
Závislosti od alkoholu a drog sú do veľkej miery ovplyvnené automatickými procesmi. Tieto zistenia by sa mohli uplatniť pri klinickej liečbe detoxikovaných alkoholikov, ktorí sa snažia abstinovať.
Schizofrenickí pacienti majú intelektuálne, sociálne a jazykové poruchy. Exekutívne funkcie schizofrenikov sa skúmali v oblasti plánovania, inhibície a abstrakcie logických pravidiel pomocou testov Tower of London, Hayling a Brixton. Pacienti boli výrazne horší vo všetkých troch úlohách v porovnaní s kontrolnými osobami, ktoré zodpovedali úrovni vzdelania, veku a pohlaviu. Tieto výsledky naznačujú, že schizofrenickí pacienti majú buď špecifické poruchy pre každú z týchto úloh zvlášť, alebo ide o všeobecnú dysfunkciu, ktorá ovplyvňuje všetky tri úlohy. Parazitovanie, ako aj doplňujúce zistenia z iných štúdií by naznačovali všeobecný deficit v SAS.
Pri výpočte rôznych štatistických korelácií sa zistilo, že pacienti so schizofréniou boli v zásadnom vzťahu, aj keď nie úplne paralelne s pacientmi s dysfunkciou čelného laloku. Na rozdiel od všeobecnej poruchy kladenej na schizofrenikov, fokálne lézie predpokladali špecifické deficity.
Deti s autizmom majú zhoršenú schopnosť riešiť problémy, zapojiť sa do premysleného a primeraného správania, udržať si relevantné úlohy a sebakontrolovať sa. Chýba im mentalizácia alebo teória mysle (Theory of Mind – ToM) a majú zmyslové, percepčné, kognitívne a intelektuálne deficity. To naznačuje, že deti s autizmom majú všeobecné deficity v plánovacích a regulačných systémoch vysokého rádu, známych ako exekutívne funkcie. Autisti majú zväčšenú mozgovú kôru charakterizovanú nepravidelným rastom neurónov, zmenšeným objemom corpus callosum (zhoršuje komunikáciu medzi hemisférami), abnormálnou štruktúrou a funkciou čelného laloku, mozočku, mediálneho temporálneho laloku, súvisiacich limbických systémov (amygdala a hipokampus) a zvýšenou hladinou serotonínu. Tieto mozgové a molekulárne abnormality by mohli byť príčinou charakteristickej poruchy výkonných funkcií u pacientov s autizmom. SAS je na určitej úrovni a v určitej intenzite narušená u všetkých piatich pervazívnych vývinových porúch (PDD), medzi ktoré patrí autizmus, Aspergerov syndróm (AS), Rettov syndróm, detská dezintegračná porucha (CDD) a pervazívna vývinová porucha nešpecifikovaná inak (PDD-NOS).
Vplyv Parkinsonovej choroby na SAS sa zhoduje s tými, ktoré sa zistili pri otrave oxidom uhoľnatým, a oba potvrdzujú dysfunkcie frontálneho laloku.
Osoby, ktoré prežili otravu oxidom uhoľnatým, mali relatívne normálne schopnosti v bežných úlohách zameraných na pozornosť, ale boli oslabené vo vysokých funkciách, ako je prepínanie a kontrola pozornosti. Tieto úlohy nižšej a vyššej úrovne odrážajú plánovanie kontingencie, resp. kontrolný systém pozornosti. Preživší boli výrazne pomalší vo výkone a poruchy boli prítomné viac ako 1 mesiac.