CORRELATI NEUROCOGNITIVI DEI DEFICIT NELL'APPRENDIMENTO MATEMATICO E
INTERVENTI DI POTENZIAMENTO
Gruppo: Brain Mathematical Interventions
Sibilla Daniela & Suman Ilaria
IL NOSTRO
“LEITMOTIF”
● Tecniche di neuroimmagine aprono opportunità per studiare le basi neurali dei processi deficitari nei MLD.
● Identificazione di interventi di training che attraverso la plasticità cerebrale agiscano sui correlati neurocognitivi implicati nei deficit di apprendimento matematico.
INTRODUZIONE
● MLD comporta un funzionamento anomalo di diverse aree cerebrali (e.g., Butterworth et al., 2011; Menon, V., 2015; Fias et al., 2014; Kucian et al., 2015):○ giudizio visivo di forma e riconoscimento di simboli (corteccia temporale-occipitale
ventrale);
○ elaborazione quantità e grandezza (regione solco intraparietale);
○ attenzione e funzioni della WM (rete di controllo frontoparietale).
● Una scarsa risposta all’intervento è associata con una debole neuroplasticità funzionale?
○ Valutazioni cognitive fMRI + tutoraggio matematico 1:1.
METODI:
PARTECIPANTI
● Campione iniziale di 46 b.ni tra i 7,5 e i 9,6 anni
● Destrimani e senza malattie
mediche/neurologiche/psicologiche
● 16 b.ni esclusi (movimenti scanner e copertura dell’intero cervello, accuratezza scanner, misure neuropsicologiche)
● Campione tot 30 b.ni (15 MLD e 15 TD)
METODI: DISEGNO
Valutazioni neuropsicologiche:
- QI (WASI)
- lettura e risoluzione di problemi (WIAT-II) - ML (WMTB-C)
fMRI:
- verifica validità addizione
- verifica validità identità numerica MRI strutturale
METODI:
TUTORAGGIO
Sessione di tutoraggio di 8 sett. secondo il paradigma MathWise:
1. Rafforzamento conoscenza numerica 2. Pratica strategica rapida di recupero
Focus → promuovere risposta rapida e uso di procedure di conteggio efficienti + formazione e rafforzamento delle rappresentazioni nella MLT
1. Il tutoraggio normalizza la prestazione dei b.ni con MLD → assenza di iperatt. corteccie
prefrontali bilaterali; corteccie partietali inf. e sup.; corteccia temporale occipitale ventrale; aree sottocorticali
2. Il tutoraggio normalizza l’attività cerebrale nei b.ni con MLD.
3. Normalizzazione dei modelli di attività cerebrale nei MLD → Support Vector Machine
4. La plasticità cerebrale predice il guadagno di prestazione nei b.ni MLD → Brain plasticity Index 5. Le misure comportamentali non predicono il guadagno di prestazione in b.ni con MLD.
RISULTATI
CONCLUSIONE
● Tutoraggio cognitivo 1:1 migliora le prestazioni
matematiche e le risposte cerebrali aberranti in b.ni con MLD
● Cambiamenti cerebrali funzionali b.ni MLD
● Potenziale unico degli approcci basati sulle neuroscienze per pratica educativa nei MLD
INTRODUZIONE
● Predittori comportamentali e neurali differenze individuali nell'acquisizione di abilità aritmetiche in risposta a 8 sett. tutoraggio matematico 1:1(Fuchs et al., 2008; Powell et al., 2009).
● Obiettivo tutoraggio: facilitare fluidità nella risoluzione dei problemi aritmetici (Beirne-Smith, 1991; Fuchs et al., 2008; Powell et al., 2009).
● Ipotesi: regioni prefrontali e parietali coinvolte
nell'aritmetica (Wu et al., 2009) e aree MLT coinvolte nella memoria dichiarativa (Cho et al., 2012)
predicono miglioramenti delle prestazioni nei b.ni che hanno ricevuto un tutoraggio 1:1.
METODI: DISEGNO
Partecipanti
- 24 b.ni (11 maschi, 13 femmine) 8,47 aa - gruppo di controllo (16 b.ni)
sMRI volume materia grigia HPC dx
● Otto sett. di tutoraggio matematico 1:1 migliorano le prestazioni aritmetiche per accuratezza, TR e strategie di recupero VS controllo
● Volume materia grigia HPC DX e connettività funzionale HPC predicono differenze individuali nell'acquisizione di abilità aritmetiche in risposta a 8 sett. di tutoraggio matematico individuale VS misure comportamentali
RISULTATI
CONCLUSIONE
● Significativi guadagni di prestazione (accuratezza, TR, efficienza e strategie di recupero).
● B.ni con discalculia deficit strutturali nell'ippocampo e nella corteccia entorinale (Rykhlevskaia et al., 2009) e scarse abilità di recupero fatti aritmetici dalla memoria (Geary et al., 2004).
● Volume ippocampale predittore di apprendimento matematico e acquisizione abilità di problem solving.
● L'acquisizione di abilità aritmetiche e il miglioramento della prestazione, risulta dipendere dall’integrità e connettività funzionale dei circuiti della corteccia
ippocampale-prefrontale e dei gangli ippocampali-basali.
INTRODUZIONE
Caratteristiche neurocognitive della MLD
● abilità “core” (ANS) e “non core” (funzioni esecutive, attenzione, capacità visuospaziali) compromesse (Peters L., De Smedt, 2018)
● rete frontoparietale bilaterale anomala (soprattutto PPC) (De Smedt et al., 2013) Prospettive di trattamento attuali e nuove MLD
● programmi educativi, tutoraggio e formazione cognitiva ultimi 20 aa
● approcci di neurostimolazione non invasiva tRNS (corrente casuale)
OBIETTIVI
DELLA RICERCA
● Sicurezza a lungo termine e fattibilità protocollo tRNS multisessione in popolazione pediatrica
● Effetti configurazione tRNS nel migliorare
apprendimento aritmetico e prestazioni di lunga durata
● Miglioramenti aritmetici dopo tRNS correlati a cambiamenti neuropsicologici?
PARTECIPANTI
Criteri di inclusione:
• pp di entrambi i sessi, con diagnosi di MLD;
• quoziente matematico tot almeno 2 DS sotto la media (punteggio composito ≤ 70);
• QI ≥ 85;
• età compresa tra 8 anni e 6 mesi e 14 anni e 11 mesi;
• vista normale o corretta fino alla norma.
Criteri di esclusione:
• presenza di diagnosi psichiatrica primaria;
• storia personale di malattie
neurologiche/mediche/genetiche;
• storia personale o di primo grado di epilessia;
• trattamento nps per MLD nell'anno precedente screening di base;
• trattamento con farmaci attivi sul SNC.
METODI: DISEGNO
MISURE DI ESITO
Questionari aritmetici
· BDE-2 (Biancardi, Bachmann, & Nicoletti, 2016)
· Tempo Test Rekenen (TTR)
· Math Processing Task Misure neuropsicologiche
· N-back (Kirchner, 1958)
· Geometric Puzzle
Questionari psicologici autosomministrati
· Mathematics Anxiety Rating Scale-Revised (MARS-R)
· Capacità e motivazione allo studio (Test AMOS 8-15)
Questionari psicologici somministrati dai genitori
· Sleep Disturbance Scale for Children (SDSC)
· Parent Stress Index (PSI)
· Scala di valutazione dei sintomi trasversali
Misure elettrofisiologiche
· EEG data will be collected via Geltrode electrodes
IPOTESI E RISULTATI ATTESI
● tRNS e allenamento cognitivo miglioreranno sign.
misure aritmetiche T1 e follow-up (T2, T3) vs placebo
● Miglioramenti correlati con cambiamenti nelle misure nps, psi e elettrofisiologiche
CONCLUSIONE...?
● Sicurezza e fattibilità di sessioni multiple e consecutive di tRNS in popolazione pediatrica
● Convalida di trattamenti “brain-based” con plasticità cerebrale?
TAKE-HOME MESSAGE
➔ Nella letteratura si riscontra che un tutoraggio
cognitivo 1:1 migliora le prestazioni matematiche in b.ni con MLD e agisce anche a livello cerebrale.
➔ Contributo unico delle neuroscienze:
● per individuare le differenze individuali nei circuiti cerebrali
● MA ANCHE attraverso la plasticità cerebrale:
l’individuazione di biomarcatori predittivi può
facilitare lo sviluppo di programmi di formazione e
intervento mirati.
BIBLIOGRAFIA
Beirne-Smith M (1991) Peer tutoring in arithmetic for children with learning disabilities. Except Child 57(4):330–337.
Biancardi, A., Nicoletti, C., & Bachmann, C. (2016). BDE 2-Batteria discalculia evolutiva: Test per la diagnosi dei disturbi dell’elaborazione numerica e del calcolo in età evolutiva–8-13 anni. Edizioni Centro Studi Erickson.
Butterworth, B., Varma, S. & Laurillard, D. Dyscalculia: from brain to education. Science 332, 1049–1053 (2011).
Cho S, et al. (2012) Hippocampal-prefrontal engagement and dynamic causal interactions in the maturation of children’s fact retrieval. J Cogn Neurosci 24(9):1849–1866.
Davis, J. et al. Towards a classification of biomarkers of neuropsychiatric disease: from encompass to compass. Mol. Psychiatr. 20, 152–153 (2015).
Fertonani A., Ferrari C., Miniussi C. What Do You Feel If I Apply Transcranial Electric Stimulation? Safety, Sensations and Secondary Induced Effects. Clin. Neurophysiol. 2015;126:2181–2188.
Fias, W., Menon, V. & Szucs, D. Multiple components of developmental dyscalculia. Trends Neurosci. Educ. 2, 43–47 (2014).
Fuchs LS, et al. (2008) Remediating computational deficits at third grade: A randomized field trial. J Res Educ Eff 1(1):2–32.
Fuchs LS, et al. Effects of first-grade number knowledge tutoring with contrasting forms of practice. J Educ Psychol 105(1):58–77.
Geary DC, Hoard MK, Byrd-Craven J, DeSoto MC (2004) Strategy choices in simple and complex addition: Contributions of working memory and counting knowledge for children with mathematical disability. J Exp Child Psychol 88(2):121–151.
Iuculano, T., Rosenberg-Lee, M., Richardson, J., Tenison, C., Fuchs, L., Supekar, K., & Menon, V. (2015). Cognitive tutoring induces widespread neuroplasticity and remediates brain function in children with mathematical learning disabilities. Nature communications, 6(1), 1-10.
Kirchner, W. K. (1958). Age differences in short-term retention of rapidly changing information. Journal of experimental psychology, 55(4), 352.
Kucian, K., Kaufmann, L. & von Aster, M. in Oxford Handbook of Numerical Cognition (eds Kadosh, R. C. & Dowker, A.) (Oxford Univ. Press, 2015).
Kucian, K. & von Aster, M. Developmental dyscalculia. Eur. J. Pediatr. 174, 1–13 (2015)
BIBLIOGRAFIA
Lazzaro, G., Battisti, A., Varuzza, C., Celestini, L., Pani, P., Costanzo, F., ... & Menghini, D. (2021). Boosting Numerical Cognition in Children and Adolescents with Mathematical Learning Disabilities by a Brain-Based Intervention: A Study Protocol for a Randomized, Sham-Controlled Clinical Trial. International Journal of Environmental Research and Public Health, 18(20), 10969.
Li, Y., & Geary, D. C. (2013). Developmental gains in visuospatial memory predict gains in mathematics achievement. PloS one, 8(7), e70160.
Mazzocco M.M.M., Feigenson L., Halberda J. Impaired Acuity of the Approximate Number System Underlies Mathematical Learning Disability (Dyscalculia): Impaired Numerical Acuity Contributes to MLD. Child. Dev. 2011;82:1224–1237.
Menon, V. in: Oxford Handbook of Numerical Cognition (eds Kadosh, R. C. & Dowker, A.) (Oxford University Press, 2015).
Murphy O.W., Hoy K.E., Wong D., Bailey N.W., Fitzgerald P.B., Segrave R.A. Transcranial Random Noise Stimulation Is More Effective than Transcranial Direct Current Stimulation for Enhancing Working Memory in Healthy Individuals: Behavioural and Electrophysiological Evidence. Brain Stimul. 2020;13:1370–1380.
Nemmi, F., Helander, E., Helenius, O., Almeida, R., Hassler, M., Räsänen, P., & Klingberg, T. (2016). Behavior and neuroimaging at baseline predict individual response to combined mathematical and working memory training in children. Developmental Cognitive Neuroscience, 20, 43-51.
Peters L., De Smedt B. Arithmetic in the Developing Brain: A Review of Brain Imaging Studies. Dev. Cogn. Neurosci. 2018;30:265–279.
Powell SR, Fuchs LS, Fuchs D, Cirino PT, Fletcher JM (2009) Effects of fact retrieval tutoring on third-grade students with math difficulties with and without reading difficulties. Learn Disabil Res Pract 24(1):1–11.
Rubinsten O., Henik A. Developmental Dyscalculia: Heterogeneity Might Not Mean Different Mechanisms. Trends Cogn. Sci. 2009;13:92–99.
Rykhlevskaia E, Uddin LQ, Kondos L, Menon V (2009) Neuroanatomical correlates of developmental dyscalculia: Combined evidence from morphometry and tractography. Frontiers Human Neurosci 3(51).
Supekar, K., Swigart, A. G., Tenison, C., Jolles, D. D., Rosenberg-Lee, M., Fuchs, L., & Menon, V. (2013). Neural predictors of individual differences in response to math tutoring in primary-grade school children. Proceedings of the National Academy of Sciences, 110(20), 8230-8235.
Wu SS, et al. (2009) Functional heterogeneity of inferior parietal cortex during mathematical cognition assessed with cytoarchitectonic probability maps. Cereb Cortex 19(12):2930–2945.
