Arousal • Pozor
Koncentrace • Vědomí
Rozhodování • Výkonné funkce
Jazyk • Učení • Paměť
Koordinace motoriky • Vnímání
Plánování • Řešení problémů
Myšlení
Arthur L. Benton • Antonio Damasio
Phineas Gage • Norman Geschwind
Donald Hebb • Alexander Luria •
Muriel D. Lezak • Brenda Milner
Karl Pribram • Oliver Sacks
Roger Sperry
Benderův-Gestaltův test
Bentonův test zrakové retence
Hodnocení klinické demence
Trvalá výkonnostní úloha
Haylingovy a Brixtonovy testy
Lexikální rozhodovací úloha
Mini vyšetření duševního stavu
Stroopova úloha
Wechsler Adult Intelligence Scale
Wisconsinská úloha třídění karet
Výkonný systém je teoretizovaný kognitivní systém v psychologii, který řídí a řídí jiné kognitivní procesy. Označuje se také jako výkonná funkce, výkonné funkce, dozorový systém pozornosti nebo kognitivní kontrola.
Koncept je používán psychology a dalšími neurovědci k popisu volně definované kolekce mozkových procesů, které jsou zodpovědné za plánování, kognitivní flexibilitu, abstraktní myšlení, osvojování pravidel, iniciování vhodných akcí a potlačování nevhodných akcí a výběr relevantních smyslových informací.[citace potřeba]
Má se za to, že výkonný systém je silně zapojen do zvládání nových situací mimo doménu některých našich ‚automatických‘ psychologických procesů, které by mohly být vysvětleny reprodukcí naučených schémat nebo nastaveným chováním. Psychologové Don Norman a Tim Shallice nastínili pět typů situací, kdy by rutinní aktivace chování nebyla dostatečná pro optimální výkon:
Výkonné funkce jsou často vyvolány, když je nutné potlačit reakce, které mohou být jinak automaticky vyvolány podněty ve vnějším prostředí. Například při prezentaci potenciálně prospěšného podnětu, jako je chutný kousek čokoládového dortu, může být automatickou reakcí zakousnutí. Pokud je však toto chování v rozporu s vnitřními plány (například když se rozhodnete nejíst čokoládový dort, když držíte dietu), mohou být výkonné funkce zapojeny, aby tuto reakci potlačily. Nervové mechanismy, kterými jsou výkonné funkce realizovány, jsou tématem probíhajících debat v oblasti kognitivní neurovědy.
Neuropsycholog Elkhonon Goldberg, žák Alexandra Lurii, představil metaforu prefrontální kůry jako ředitele orchestru a kůry jako předních řad, aby vysvětlil roli výkonných funkcí.
Ačkoli výzkum výkonných funkcí a jejich neurální báze za posledních 5 let výrazně vzrostl, teoretický rámec, v němž se nachází, není nový. V 50. letech britský psycholog Donald Broadbent rozlišoval mezi „automatickými“ a „řízenými“ procesy (tento rozdíl charakterizovali více Shiffrin a Schneider v roce 1977) a zavedl pojem selektivní pozornosti, s níž jsou výkonné funkce úzce spjaty. V roce 1975 americký psycholog Michael Posner použil termín „kognitivní kontrola“ ve své knize nazvané „Pozornost a kognitivní kontrola“.
Práce vlivných výzkumníků, jako byli Michael Posner, Joaquin Fuster, Tim Shallice a jejich kolegové v 80. letech (a později Trevor Robbins, Bob Knight, Don Stuss a další), položila velkou část základů nedávného výzkumu výkonných funkcí. Posner například navrhl, aby existovala samostatná „výkonná“ větev systému pozornosti, která je zodpovědná za zaměření pozornosti na vybrané aspekty prostředí. Britský neuropsycholog Tim Shallice podobně navrhl, že pozornost je regulována „dozorovým systémem“, který může potlačit automatické reakce ve prospěch plánování chování na základě plánů nebo záměrů. Během tohoto období se objevila shoda, že tento kontrolní systém je umístěn v nejpřednější části mozku, prefrontální kůře mozkové (PFC)
Psycholog Alan Baddeley navrhl podobný systém jako součást svého modelu pracovní paměti a argumentoval, že musí existovat složka (kterou pojmenoval „centrální exekutiva“), která umožňuje manipulovat s informacemi v krátkodobé paměti (například při mentální aritmetice).
Rozvoj výkonného systému
Genetické vlivy na výkonnou funkci
Záplava nedávných studií zkoumala genetické a environmentální vlivy na vývoj výkonného systému. Na jedné straně někteří výzkumníci tvrdili, že 99% rozptylu výkonné funkce je způsobeno geny, zatímco jiní výzkumníci izolovali environmentální koreláty výkonné funkce a tvrdili, že jsou důležité pro její vývoj. Je třeba poznamenat, že zatímco odhady dědičnosti nejsou dokonalé a často chybně interpretované , environmentální koreláty výkonné funkce (např. styl rodičovství) nemusí být příčinné.
V roce 2008 Naomi Friedmanová a její kolegové přišli s ohromujícím tvrzením, že 99% rozptylu ve schopnosti výkonné funkce lze vysvětlit geny, což ponechává jen malý prostor pro vlivy prostředí . Výzkumníci použili složené měřítko výkonné funkce, které izoluje latentní faktor výkonné funkce v celé baterii výkonných testů (viz analýza faktorů). Předchozí studie naznačily, že pouze 20-70% rozptylu v jednotlivých úkolech výkonné funkce lze připsat genům, nicméně zde použité měřítko lze považovat za nadřazené, protože extrahuje pouze rozptyl společný všem testům používaným v baterii výkonné funkce, která se používá jako čistší měřítko výkonné funkce.
V rámci modelu „jednoty a rozmanitosti“ výkonných funkcí používali výzkumníci faktorové analytické techniky k oddělení genetických vlivů na společný výkonný systém a na jeho samostatné složky (inhibice, aktualizace a posouvání). Zajímavé je, že tři inhibiční úlohy, které tvořily složku „inhibice“ výkonné funkce, sdílely 100% jeho genetického vlivu se společným faktorem EF, takže neměly žádnou jedinečnou dědičnost ze společného faktoru výkonné funkce. Na druhou stranu, aktualizační a posouvací složky byly z 66% & 67% jedinečně dědičné. Environmentální faktory tvořily 13% rozptylu v posouvající se složce a u zbývajících dvou se blížily nule.
Vliv životního prostředí na výkonnou funkci
Na druhou stranu výzkumníci také ukázali, že výkonné schopnosti korelují s různými faktory prostředí. Výzkumníci se zabývali různými aspekty stylu rodičovství, které mohou ovlivnit výkonnou funkci jejich dětí. Různé intervenční studie navíc ukázaly, že výkonnou funkci lze zlepšit faktory prostředí, což naznačuje roli pro životní prostředí.
Byl studován vliv různých faktorů rodičovství na výkonnou funkci dítěte, včetně: citlivosti, „podpory samostatnosti matky“, rodičovského používání slov, chaosu v rodině a nekonzistentního rodičovství. „Podpora samostatnosti matky“ je složené měřítko lešení, podpůrného verbálního chování a flexibility rodiče k dítěti během úkolu řešení problémů a bylo prokázáno, že má dobrou spolehlivost mezi hodnotiteli. Annie Bernier a kolegové našli několik malých korelací mezi citlivostí matky (r=.26) a podporou samostatnosti matky (r=.32) na výkonné úkoly měřící konflikt . Vliv obecného kognitivního vývoje byl z odhadů korelací odstraněn, což vylučuje jako možný vysvětlující faktor, nicméně vliv sociální třídy by mohl zůstat životaschopným zprostředkovatelským faktorem mezi lepším výkonem testu a stylem rodičovství. Samostatná studie ukázala, že rodičovská výchova a rodičovský příjem nezprostředkovávaly vliv podpory samostatnosti matky, nicméně slovník dítěte zcela zprostředkovával vliv podpory samostatnosti matky na výkonnou funkci .
Claire Hughesová a Rosie Ensorová také ukázaly, že chaos v rodině (r=-.2), nekonzistentní rodičovství (r=-.2) a rodičovské lešení (r=.3) také korelovaly se zlepšenou výkonnou funkcí ve věku 4 let v porovnání s věkem 2 let a s účinkem verbální schopnosti ve věku 4 let se rozdělily . První dvě proměnné byly měřeny jako sebehlášení od rodiče, zatímco jako u jiných studií bylo lešení měřeno pomocí behaviorálních hodnocení rodiče během úkolu s jeho dítětem. Velikost efektu většiny těchto faktorů je spíše malá (r<.40 normálně), nicméně většina těchto studií nebere v úvahu zeslabující účinek chyby měření na velikosti efektu, takže je obtížné porovnávat s navrhovaným účinkem genů na výkonnou funkci.
Model Miller & Cohen (2001)
V nedávné době, v roce 2001, Earl Miller a Jonathan Cohen publikovali vlivný článek nazvaný ‚Integrační teorie prefrontální kortexové funkce‘, ve kterém tvrdí, že kognitivní kontrola je primární funkcí PFC, a že kontrola je realizována zvýšením zisku smyslových nebo motorických neuronů, které jsou zapojeny do úkolu- nebo cíle-relevantních prvků vnějšího prostředí. V klíčovém odstavci argumentují:
„Předpokládáme, že PFC plní specifickou funkci v kognitivním řízení: aktivní udržování vzorců činnosti, které představují cíle a prostředky k jejich dosažení. Poskytují signály zkreslení ve velké části zbytku mozku, ovlivňují nejen vizuální procesy, ale i další smyslové modality, stejně jako systémy zodpovědné za provádění odezvy, získávání paměti, emoční hodnocení atd. Souhrnným účinkem těchto signálů zkreslení je vedení toku nervové aktivity po drahách, které vytvářejí správné mapování mezi vstupy, vnitřními stavy a výstupy potřebnými k provedení daného úkolu.“
Miller a Cohen explicitně čerpají z dřívější teorie vizuální pozornosti, která pojímá vnímání vizuální scény z hlediska konkurence mezi více reprezentacemi – například barvami, jednotlivci nebo objekty. Selektivní vizuální pozornost působí na ‚zkreslení‘ této soutěže ve prospěch určitých vybraných rysů nebo reprezentací. Představte si například, že čekáte na rušném vlakovém nádraží na přítele, který má na sobě červený kabát. Jste schopni selektivně zúžit zaměření své pozornosti na hledání červených objektů, v naději, že identifikujete svého přítele. Desimone a Duncan tvrdí, že mozek toho dosahuje selektivním zvýšením zisku neuronů reagujících na červenou barvu, takže výstup z těchto neuronů s větší pravděpodobností dosáhne navazující fáze zpracování, a následně usměrní chování. Podle Millera a Cohena je tento mechanismus selektivní pozornosti ve skutečnosti jen zvláštním případem kognitivního ovládání – tím, kdy dochází ke zkreslení ve smyslové oblasti. Podle Millerova a Cohenova modelu může PFC vykonávat kontrolu nad vstupními (smyslovými) nebo výstupními (odezvovými) neurony, stejně jako nad sestavami zapojenými do paměti, nebo emocí. Kognitivní ovládání je zprostředkováno recipročním propojením mezi PFC a smyslovou, limbickou i motorickou kůrou. V rámci jejich přístupu se tedy termín „kognitivní ovládání“ používá pro každou situaci, kdy je signál zkreslení použit k podpoře odpovídajícího úkolu, a ovládání se tak stává rozhodující složkou široké škály psychologických konstruktů, jako je selektivní pozornost, sledování chyb, rozhodování, inhibice paměti a inhibice odezvy.
Psychometrické modely výkonné funkce
Psychometrické analýzy výkonné funkce mají dva vzájemně související cíle: zlepšit měření výkonné funkce a nastínit modely výkonné funkce.
Měření výkonné funkce
Testy výkonných funkcí mají obvykle špatné psychometrické (měřicí) vlastnosti. Ve většině studií výkonných funkcí jsou vzájemné korelace mezi úkoly, které mají za cíl měřit výkonné funkce, obvykle nízké (r<.40 téměř ve všech případech). Takové nízké korelace jsou připisovány takzvanému problému „nečistoty úkolů“; že i když jsou testy navrženy tak, aby hodnotily specifické výkonné funkční schopnosti, je nevyhnutelné, aby výkon ovlivňovaly i jiné kognitivní faktory, než které mají být měřeny. Například archetypální výkonná funkce „plánovací“ úkol, „Věž Hanoj“, vyžaduje, aby jednotlivci sladili aktuální konfiguraci disků na čtyřech kolících s koncovou konfigurací zobrazenou na kusu papíru- nicméně různá pravidla o tom, jak lze disky přesouvat a maximální počet tahů zvyšuje nároky na plánovací schopnosti. Lze si představit, že výkon úkolů ovlivňují i jiné faktory než plánování, například prostorová pracovní paměť. Mezi další problémy patří nízká spolehlivost úkolů při testování, nicméně se někdy předpokládá, že opakované předložení úkolu nikdy nezměří stejnou míru „kontrolovaného“ chování výkonných pracovníků, jak se naše reakce stávají automatičtějšími. A konečně, výkonné funkce mají hypotézu, že nízké chování procesů odpovídá; jinými slovy výkonný orgán je velmi doménová obecná entita, která se projevuje spoustou různých chování. Lze to přirovnat k rozpoznávání obličeje, které se projevuje v úzkých situacích a je snadněji měřitelné.
Model „jednoty a diverzity“
Tento model byl formálně navržen Akirou Miyakem, Naomi Friedmanovou a kolegy ve vlivné studii z roku 2000. Výzkum se snažil řešit poněkud vágní představy o výkonném systému, které existovaly, někteří výzkumníci definovali výkonné úkoly jako čistě „frontální lalok“ a jiní definovali výkonnou funkci jako vše od „řízeného“ chování po plánování a pracovní paměť. Ani před tímto liniovým výzkumem většina výzkumníků neviděla výkonný systém jako jedinou entitu (pravděpodobně kvůli velkému množství procesů, do kterých byl zapojen), ale něco vícerozměrného s „relativně nezávislými subfunkcemi“.
Analýza 9 různých testů výkonných funkcí, kterou provedla firma Miyake & Friedman, umožnila výzkumníkům vyzkoušet, zda se na data vejdou tři různé modely, a to: lze testovací výkony nejlépe vysvětlit odchylkami v 1, 2 nebo 3 různých schopnostech? Nejlépe vyhovoval třífaktorový model, a tak byly navrženy tři různé „latentní faktory“ jako subkomponenty výkonného fungování, které zahrnovaly: „posun“ (schopnost měnit se mezi mentálními množinami nebo úkoly), „aktualizaci“ (aktualizace nebo monitorování pracovní paměti) a „inhibici“ (schopnost inhibovat automatickou odezvu). „Faktorové zatížení“ popisuje, do jaké míry je rozptyl v těchto úkolech vysvětlitelný dílčími složkami výkonné funkce, a ty se pohybovaly od 11 do 40%. Je třeba připomenout, že výsledek jakékoliv faktorové analýzy je jasně svázán s počtem a povahou úkolů zahrnutých v analýze a dílčí složky nalezené v této studii nejsou myšleny jako průkazné. Při analýze 9 testů, které mají analyzovat právě inhibici, vědci zjistili, že inhibici lze popsat třemi dalšími dílčími děleními. Analýza tří výše uvedených složek však byla v literatuře dominantní.
Aspekt „jednoty“ modelu vychází ze zjištění, že dílčí složky výkonné funkce) mají tendenci vzájemně korelovat. Například v původní Miyakeho studii spolu složky výkonné funkce korelovaly poměrně silně (.42 < r < .63). Miyake naznačil, že tento korelaci by mohl vysvětlit společný výkonný systém nebo požadavek na úkol, jako je „udržování informací o cíli a kontextu v pracovní paměti“. Výzkumníci však ani neuvažují o možnosti, že by obecná inteligence (nebo „g“) vysvětlovala v analýzách „jednotu“. To je zvláště podivné, protože jediná konkrétní definice „g“ je, že jde o jevy „pozitivní mnohočetnosti“ (poitivní korelace) mezi kognitivními testy . Pozdější analýzy naznačily, že obecná inteligence může být skutečně faktorem ovlivňujícím „jednotu“ výkonných funkcí.
Určitým zjevným omezením tohoto směru výzkumu je, že jednoslovné entity jako „aktualizace“ jsou téměř stejně neurčité a amorfní jako pojmy jako „výkonná funkce“. Navíc korelace mezi úkoly nemusí nutně znamenat funkční vztahy. Například by se dalo očekávat korelaci mezi maximální rychlostí vozu a cenou vnitřní výbavy, nicméně tento vztah není přímo kauzální. Nicméně, maximální rychlost vozu, jeho míle na galon, náklady na jeho samostatné komponenty, všichni bychom očekávali korelaci s faktorem, který reprezentuje, jak „prémiový“ je, což lze také považovat za relativně amorfní vlastnost (jako „aktualizační“ schopnost). Závěrem lze říci, že psychometrické modely dodávají oboru více koncepční jasnosti a použití faktorových analytických technik umožňuje lepší měření.
Výkonný systém je tradičně poměrně těžko definovatelný, hlavně kvůli tomu, co psycholog Paul W. Burgess nazývá nedostatkem „korespondence mezi procesem a chováním“. To znamená, že neexistuje jediné chování, které by samo o sobě mohlo být svázáno s výkonnou funkcí, nebo dokonce s výkonnou dysfunkcí. Například je zcela zřejmé, co pacienti s poruchou čtení nedokážou, ale není tak zřejmé, čeho přesně by výkonní pacienti mohli být neschopní.
Mnoho experimentálních důkazů o nervových strukturách zapojených do výkonných funkcí pochází z laboratorních úloh, jako je Stroopův úkol nebo Wisconsin Card Sorting Task (WCST). V Stroopově úkolu jsou například lidské subjekty požádány, aby pojmenovaly barvu, ve které jsou barevná slova vytištěna, když barva inkoustu a význam slova často kolidují (například slovo „RED“ zeleným inkoustem). Výkonné funkce jsou potřebné k provedení tohoto úkolu, protože relativně nadsazené a automatické chování (čtení slov) musí být potlačeno ve prospěch méně cvičeného úkolu – pojmenování barvy inkoustu. Nedávné studie funkčního neurozobrazování ukázaly, že dvě části PFC, přední cingulární kůra (ACC) a dorsolaterální prefrontální kůra (DLPFC), jsou považovány za zvlášť důležité pro provedení tohoto úkolu. Nicméně studie funkčního neurozobrazování samy o sobě nemohou prokázat, že daná (aktivovaná) oblast mozku je kritická pro výkon úkolu – to vyžaduje neuropsychologii, např. stejně jako další studie ztráty funkce využívající transkraniální magnetickou stimulaci, např.
Kontextová citlivost PFC neuronů
Další důkazy o zapojení PFC do výkonných funkcí pocházejí ze studií jednobuněčné elektrofyziologie u subhumánních primátů, jako je opice makak, které ukázaly, že (na rozdíl od buněk v zadním mozku) je mnoho neuronů PFC citlivých na spojení podnětu a kontextu. Například buňky PFC mohou reagovat na zelený pokyn ve stavu, kdy tento pokyn signalizuje, že by měl být proveden sackádový pohyb doleva, ale ne na zelený pokyn v jiném experimentálním kontextu. To je důležité, protože optimální nasazení výkonných funkcí je vždy závislé na kontextu. Abych citoval příklad, který nabídli Miller a Cohen, rezident USA může mít přehnanou odezvu dívat se doleva, když přechází silnici. Nicméně, když „kontext“ signalizuje, že je ve Spojeném království, tato odezva by musela být potlačena ve prospěch jiného párování podnětu a odezvy (podívejte se doprava, když přecházíte silnici). Tento behaviorální repertoár jasně vyžaduje nervový systém, který je schopen integrovat podnět (silnici) s kontextem (USA, Spojené království), aby naznačil chování (dívejte se doleva, dívejte se doprava). Současné důkazy naznačují, že neurony v PFC zřejmě reprezentují právě tento druh informací. Další důkazy z jednobuněčné elektrofyziologie u opic naznačují ventrolaterální PFC (podřadná prefrontální konvexita) v kontrole motorických odezev. Byly například identifikovány buňky, které zvyšují svou rychlost palby na signály NoGo i signál, který říká „tam se nedívejte!“
Důkazy pro ovlivnění pozornosti ve smyslových oblastech
Elektrofyziologie a studie funkčního neurozobrazování zahrnující lidské subjekty byly použity k popisu nervových mechanismů, které jsou základem pozornosti. Většina studií se zaměřila na aktivaci na „místech“ ovlivnění, například ve zrakové nebo sluchové kůře. První studie využívaly potenciály související s událostmi, aby odhalily, že elektrické mozkové reakce zaznamenané přes levou a pravou zrakovou kůru jsou posíleny, když je subjektu nařízeno věnovat se příslušné (kontralaterální) straně prostoru. Nástup neurozobrazovacích technik založených na krevním toku, jako je funkční magnetická rezonance (fMRI) a pozitronová emisní tomografie (PET), umožnil v nedávné době prokázat, že nervová aktivita v řadě smyslových oblastí, včetně barevných, pohybových a obličejově citlivých oblastí zrakové kůry, je posílena, když je subjektům nařízeno věnovat se této dimenzi podnětu, naznačující kontrolu zisku ve smyslovém neokortexu. Například v typické studii Liou a spolupracovníci prezentovali subjekty s poli teček pohybujících se doleva nebo doprava, prezentovaných buď červeně nebo zeleně. Před každým podnětem pokyn naznačil, zda by subjekty měly reagovat na základě barvy nebo směru teček. I když barva a pohyb byly přítomny ve všech stimulačních polích, aktivita fMRI v barevně citlivých oblastech (V4) byla zvýšena, když byly subjekty instruovány, aby se věnovaly barvě, a aktivita v pohybově citlivých oblastech byla zvýšena, když byly subjekty nasměrovány k tomu, aby se věnovaly směru pohybu. Několik studií také uvedlo důkazy o zkreslujícím signálu před nástupem podnětu, s pozorováním, že oblasti čelní kůry mají tendenci být aktivní před nástupem očekávaného podnětu.
Konektivita mezi PFC a senzorickou oblastí při použití výkonných funkcí
Navzdory rostoucí měně „zaujatého“ modelu výkonných funkcí jsou přímé důkazy o funkční konektivitě mezi PFC a smyslovými oblastmi při použití výkonných funkcí dosud spíše řídké. Jediný přímý důkaz skutečně pochází ze studií, ve kterých je poškozena část čelní kůry mozkové a odpovídající účinek je pozorován daleko od místa léze, v reakcích smyslových neuronů. Nicméně jen málo studií zkoumalo, zda je tento účinek specifický pro situace, kdy jsou výkonné funkce vyžadovány. Jiné metody měření konektivity mezi vzdálenými oblastmi mozku, jako je korelace v odpovědi fMRI, přinesly nepřímé důkazy, že čelní kůra mozková a smyslové oblasti komunikují během různých procesů, o kterých se předpokládá, že zapojují výkonné funkce, jako je pracovní paměť, ale je zapotřebí dalšího výzkumu, aby se zjistilo, jak proudí informace mezi PFC a zbytkem mozku při použití výkonných funkcí.
Kontrola inhibice shora dolů
Kromě usnadňujících nebo zesilovacích mechanismů ovládání se mnozí autoři zasazují o inhibiční mechanismy v oblasti ovládání odezvy, paměti, selektivní pozornosti, teorie mysli, regulace emocí a také sociálních emocí, jako je empatie. Na toto téma byla nedávno napsána recenze, která tvrdí, že aktivní inhibice je platný pojem v některých oblastech psychologie/kognitivní kontroly.
Pokroky v neurozobrazovacích technikách umožnily studium genetických vazeb na výkonné funkce s cílem využít zobrazovací techniky jako potenciální endofenotypy pro objevení genetických příčin výkonných funkcí.