Cognitieve dynamiek bij kinderen

1.1 Achtergrond
Deze studie heeft als doel de aard en implicaties van cognitieve fluctuaties te
onderzoeken, wat verwijst naar de schommelingen in prestaties die individuen
vertonen bij cognitieve taken over de tijd. Hoewel cognitieve vaardigheden
zoals redeneren, geheugen en woordenschat uitgebreid zijn bestudeerd, lag de
nadruk voornamelijk op gemiddelde prestatieniveaus, waarbij de rijke en
informatieve dimensie van variabiliteit grotendeels over het hoofd werd gezien.
Traditioneel werden cognitieve vaardigheden beschouwd als stabiele
eigenschappen met levenslange gevolgen (Deary, 2014). Deze benadering heeft
echter de cognitieve fluctuaties in verschillende contexten en situaties
genegeerd.

De literatuur heeft de aanzienlijke gevolgen van cognitieve fluctuaties voor
het echte leven en educatieve resultaten benadrukt (Gottfredson & Deary, 2004).
Bijvoorbeeld, individuen met een hogere fluctuatie in cognitieve prestaties
zijn meer vatbaar voor onjuiste plaatsing in ongeschikte educatieve omgevingen,
met langdurige gevolgen (Woodrow, 1932) tot gevolg. Bovendien is cognitieve
fluctuatie geïdentificeerd als een mogelijke vroegtijdige
waarschuwingsindicator voor nadelige resultaten en neurodevelopmentele
stoornissen zoals 'attention deficit hyperactivity disorder' (ADHD) (Fagot et
al., 2018; Kofler et al., 2013).

Ondanks speculaties over het belang van cognitieve fluctuaties die bijna een
eeuw aanhouden (Nesselroade, 1991), is empirisch onderzoek over dit onderwerp
beperkt gebleven vanwege logistieke uitdagingen en het gebrek aan geschikte
kwantitatieve technieken. Recentere studies hebben echter bewijs geleverd dat
individuen fluctuaties vertonen in cognitieve prestaties over verschillende
trials, uren, dagen en zelfs seizoenen (Kelly & Beltz, 2020; Licher et al.,
2019; Rabbitt et al., 2001; Sievertsen et al., 2016). Opmerkelijk is dat deze
fluctuatie met name uitgesproken is tijdens perioden van snelle cognitieve
ontwikkeling, zoals kindertijd en ouderdom (Galeano Weber et al., 2018;
MacDonald et al., 2006; Siegler, 1994).

Het begrijpen van cognitieve fluctuaties is om verschillende redenen cruciaal.
Ten eerste hebben individuen met grotere fluctuatie meer kans om onnauwkeurig
geclassificeerd te worden in scholen of beroepen, met levenslange gevolgen, wat
de noodzaak benadrukt van betrouwbare en nauwkeurige beoordelingsmethoden
(Cattell, 1966). Ten tweede impliceert fluctuatie in prestaties dat individuen
een aanzienlijk deel van hun tijd onder de drempel van adequate prestaties
kunnen presteren, wat ernstige gevolgen kan hebben, met name in beroepen met
hoge inzet, zoals piloot of chirurgie (MacDonald et al., 2006). Bovendien is
cognitieve fluctuatie in verband gebracht met neuro-ontwikkelingsstoornissen
zoals ADHD, en interventies gericht op fluctuatie hebben veelbelovende
resultaten getoond in het verlichten van symptomen (Kofler et al., 2013). Ten
slotte heeft het verminderen van cognitieve fluctuatie het potentieel om
dagelijkse functioneren te verbeteren en uitdagingen voor kwetsbare individuen
te verminderen (Li & Lindenberger, 1999; MacDonald et al., 2006).

In dit unieke longitudinale ontwerp, waarbij gebruik wordt gemaakt van
gegamificeerde versies van klassieke cognitieve domeinen, zullen we
variabiliteit meten over een reeks taken op meerdere niveaus van temporale
resolutie: maanden, dagen, gelegenheden en trials. Gedurende een periode van
drie jaar zullen 600 kinderen (waarvan 200 ook in de neuroimaging groep zullen
zijn) worden gemeten. Eens per jaar zullen ze deelnemen aan een 'burst': een
week waarin ze drie keer per dag worden gemeten, en tot twee andere
meetgelegenheden als klaslokalen of ouders van individuele deelnemers
instemmen. We zullen geavanceerde methodologie gebruiken om de gedragsmatige,
neurale en omgevingsmechanismen van variabiliteit te begrijpen, evenals de
longitudinale gevolgen van variabiliteit voor cognitieve ontwikkeling en het
optreden van mentale gezondheidssymptomen zoals ADHD. Door de sterke punten van
diepgaande fenotypering te combineren met geavanceerde kwantitatieve
modellering, zullen we in staat zijn om theorieën van cognitieve ontwikkeling
te testen en te ontwikkelen, de rol van hersenstructuur en -functie bij het
ondersteunen van cognitieve dynamiek te demonstreren en het effect van
cognitieve variabiliteit op ontwikkelingsresultaten vast te stellen.

Het testen van jonge kinderen is belangrijk in de CODEC-studie omdat cognitieve
variabiliteit met name uitgesproken is tijdens perioden van snelle cognitieve
ontwikkeling, zoals in de vroege kindertijd (Galeano Weber et al., 2018;
MacDonald et al., 2006; Siegler, 1994). Door zich te richten op jonge kinderen,
heeft de studie tot doel de dynamische veranderingen en schommelingen in
cognitieve prestaties tijdens deze kritieke ontwikkelingsfase vast te leggen en
te analyseren. Bovendien is het begrip van cognitieve variabiliteit in de
vroege kindertijd essentieel om potentiële risicofactoren en vroege
waarschuwingsindicatoren voor neurodevelopmentele stoornissen zoals ADHD te
identificeren (Fagot et al., 2018; Kofler et al., 2013). Door cognitieve
variabiliteit bij jonge kinderen te beoordelen, kan de studie bijdragen aan
vroege detectie- en interventiestrategieën. Eerdere MRI-scangegevens aan het
Donders Instituut hebben aangetoond dat kinderen vanaf 8 jaar duidelijk
begrijpen wat er gebeurt, vragen of zorgen kunnen uiten en hoogwaardige
gegevens kunnen opleveren. Daarom worden alleen kinderen vanaf 8 jaar opgenomen
in de beeldvormingsgroep. In de gedragsgroep, die slechts een minimaal risico
heeft, kunnen 7-jarige kinderen worden opgenomen om uitsluiting van jongere
kinderen in dezelfde klas als de 8-jarigen te voorkomen. Ze zullen worden
toegestaan om deel te nemen aan de beeldvormingsgroep vanaf het moment dat ze 8
worden. Bovendien, zoals eerder vermeld, omdat kinderen op de leeftijd van
11-12 jaar van school veranderen (van basis- naar middelbare school), streven
we ernaar om de werving te richten op kinderen van 8-10 jaar bij de eerste
meting om de minimale belasting en wetenschappelijk inzicht in een belngrijke
periode van de ontwikkeling in evenwicht te brengen en om maximale retentie te
garanderen gedurende de drie jaar dat ze nog steeds op de basisschool zitten.

1.2 Meting en Modellering
Om de oorzaken en gevolgen van variabiliteit te begrijpen, moeten we het eerst
goed meten, en wel op een accurate manier (Flake & Fried, 2020). In eerdere
studies zijn een breed scala aan variabiliteitsmetrieken gebruikt. Ze lijden
echter aan een reeks praktische en theoretische beperkingen. Zo kunnen
eenvoudige samenvattende metingen zoals iSD (individuele standaarddeviaties) of
ICV (coëfficiënt van variatie) bevooroordeeld zijn vanwege verwaarlozing van
autoregressieve structuren (de Haan-Rietdijk et al., 2016), individuele
verschillen in gemiddelde prestaties of trendachtige veranderingen in de loop
van de tijd. Bovendien negeren eenvoudige metingen zoals iSD of iSD2 meetfouten
die inherent zijn aan variabiliteit (Wang & Grimm, 2012). De uitdagingen van
het modelleren van deze bronnen van variatie op een gefundeerde manier hebben
tot nu toe nauwkeurige metingen van variabiliteit belemmerd. Om deze
uitdagingen te overwinnen, zullen we gebruikmaken van het nieuwe, flexibele,
integratieve statistische raamwerk van Dynamische Structurele Equation
Modellering (DSEM) (Asparouhov et al., 2018; Hamaker et al., 2018; McNeish &
Hamaker, 2020 - zie 'methodologie'). DSEM stelt ons in staat om gelijktijdig
alle componenten van het tijdsverloop te schatten. Bovendien kunnen, met behulp
van een op maat gemaakt multilevel SEM-raamwerk en Bayesiaanse schatting, elk
van deze bronnen van variabiliteit worden geschat als een random effect (dat
wil zeggen als variërend tussen individuen). Cruciaal is dat variabiliteit
vervolgens kan worden gemodelleerd als afhankelijke en/of on

2 DOELEN
2.1 Primaire Doelen:

De CODEC-studie heeft als primair doel de bestaande kenniskloven aan te pakken
en ons begrip van cognitieve variabiliteit verder te bevorderen. Dit wordt
gedaan door Experience Sampling Methods, longitudinale ontwerpen, diepgaande
fenotypering en state-of-the-art statistische methoden te integreren om drie
kernvragen te onderzoeken:

1. Hoe verschilt cognitieve variabiliteit tussen individuen?
2. Wat zijn de neurale, psychologische en omgevingsmechanismen die ten
grondslag liggen aan cognitieve variabiliteit?
3. Wat zijn de langetermijnsgevolgen en uitkomsten die verband houden met
verschillen in cognitieve variabiliteit?

2.2 Secundaire Doelen:

1. Meting en Modellering:
• Een uitgebreide en nauwkeurige meting van variabiliteit ontwikkelen met
behulp van DSEM.
• Variabiliteit verkennen over verschillende domeinen en tijdsresoluties.
2. De Mechanismen van Variabiliteit:
• De rol van strategie-exploratie en -exploitatie als drijvende krachten van
variabiliteit verkennen.
3. Langetermijngevolgen van Variabiliteit:
• Variabiliteit onderzoeken als een vroege marker voor atypische ontwikkeling,
met name bij neuro-ontwikkelingsstoornissen zoals autisme en ADHD.

Studieopzet: dit is een longitudinale observationele cohortstudie met kinderen
van 7 tot 10 jaar bij de eerste meting. We zullen een flexibel ontwerp
gebruiken, wat betekent dat we zullen proberen metingen te starten bij 8-jarige
kinderen om ze gedurende 3 jaar te volgen (terwijl ze nog op de basisschool
zitten). Om echter een voldoende grote steekproefomvang te hebben, zullen we
ook kinderen meten die graag willen deelnemen in de leeftijd van 7 tot 10 jaar
bij de eerste testsessie (gedragsdeel) en tussen 8 en 10 jaar bij de eerste
testsessie voor het imaging deel.

Duur: 3 jaar; Deelnemers die alleen deelnemen aan het gedragsonderzoek, worden
gedurende een 'burstperiode' (1 week van testen 2-3 keer per dag) jaarlijks
onderzocht gedurende 3 jaar (in totaal 3 burstperioden) en tot twee extra korte
metingen per jaar, indien dit is overeengekomen met de klas of ouders.
Deelnemers die ook deelnemen aan het imaging onderzoek zullen ook eenmaal
worden gescand aan het begin van de studie (jaar 1) en eenmaal aan het einde
van de studie (jaar 3).

Setting:

Het merendeel van de gegevensverzameling zal plaatsvinden in klaslokalen van
samenwerkende scholen.
Een subset van individuen kan onze individuele verwervingsroute gebruiken en
dus hun taken thuis uitvoeren.
200 van de 600 kinderen zullen deelnemen aan 2 beeldvormingssessies, die zullen
plaatsvinden aan het Donders Institute for Brain, Cognition and Behaviour aan
de Radboud Universiteit.

Onderbouwing van het Ontwerp:
De studie heeft tot doel om de cognitieve ontwikkeling van kinderen in de loop
van de tijd en de invloed van cognitieve variabiliteit op verschillende taken
te onderzoeken. Een longitudinaal cohortstudieontwerp is geschikt voor dit
onderzoek, omdat het de mogelijkheid biedt om veranderingen in variabiliteit
van cognitieve vermogens in de loop van de tijd te onderzoeken. Frequente
steekproeven zijn vereist om verschillende tijdsresoluties (bijvoorbeeld van
trial tot trial, van gelegenheid tot gelegenheid, van dag tot dag) te scheiden,
zorgen voor voldoende statistische kracht en ontwikkelingseffecten te scheiden
van herhalingseffecten.

Het risico voor de deelnemers aan dit onderzoek is verwaarloosbaar. De
volledige steekproef zal deelnemen aan een op tablets gebaseerde cognitieve
studie, vergelijkbaar met taken die al zijn geïmplementeerd als onderdeel van
veelgebruikte onderwijsplatforms. Een subgroep van deelnemers zal ook deelnemen
aan de neuroimaging fenotyperingsarm. MRI is een niet-invasieve techniek. MRI
is al veelvuldig gebruikt bij kinderen van vergelijkbare (en jongere)
leeftijden zonder schadelijke gevolgen wanneer aan de inclusiecriteria wordt
voldaan. Aangezien het doel van het onderzoek is om individuele verschillen in
cognitieve variabiliteit in de vroege kinderjaren te begrijpen, vereist dit
onderzoek de deelname van kinderen. Het onderzoek zal gedurende 3 jaar lopen en
kinderen zullen meerdere keren per jaar deelnemen aan gedragstesten (één week
intensief testen - 'burst-week' en tot 2 andere meetmomenten per jaar als
klassen of ouders van individuele deelnemers instemmen). De subgroep van 200
kinderen die deelneemt aan de MRI-studie zal in het eerste jaar een MRI-sessie
hebben en een vervolgonderzoeksscan na een interval van ongeveer 3 jaar.
Aangezien kinderen op de leeftijd van 11-12 jaar van school veranderen (van
basisschool naar middelbare school), richten we ons op kinderen van 7 tot 10
jaar om een maximale retentie gedurende de drie jaar te waarborgen terwijl ze
nog steeds de basisschool bijwonen. Op basis van eerdere positieve ervaringen
met het scannen van kinderen aan het Donders Instituut, vanaf 8-jarige
leeftijd, zullen alleen kinderen van 8 jaar en ouder worden toegelaten tot de
imagingsessies.
De belasting voor het gedragsdeel zal bestaan uit herhaalde deelname (meerdere
keren per jaar: 1 burst-week en tot twee andere meetmomenten per jaar als
klassen en individuele deelnemers instemmen) aan korte stemming- en
slaapschalen, vergezeld van cognitieve metingen, op een speelse manier getest
op het tablet-gebaseerde platform (m-Path). Gedurende 1 week (bijvoorbeeld
'burst-week') per jaar (gedurende 3 jaar) zullen kinderen 3 spellen spelen
gedurende 15 minuten (5 minuten per spel), 2 of 3 keer per dag (afhankelijk van
de mogelijkheden binnen de klassen of thuis). Verdere testmomenten bestaan uit
kinderen die alle 5 spellen één keer spelen gedurende in totaal 25 minuten (5
minuten per spel).
De belasting voor de beeldvormingsarm zal bestaan uit 2 bezoeken ter plaatse
aan het Donders Instituut voor ouder(s) en kind. Voor de kinderen omvat de
belasting twee beeldsessies (eenmaal aan het begin van het onderzoek en eenmaal
ongeveer 3 jaar later). Hoewel kinderen van 8-11 jaar hun deelname aan
MRI-onderzoek volgens de DISCO-RC-vragenlijst (DISCOmfort in Research with
Children; Staphorst et al., 2017;
https://vragenlijst.kindenonderzoek.nl/resultaten/mri-scan/) niet als eng of
vervelend beoordelen, geven sommige kinderen aan zich moe of verveeld te
voelen. Tijdens scans die het toelaten, zal een stille animatievideo worden
afgespeeld om verveling te verminderen, en we zullen regelmatig interactie
hebben met deelnemers tussen scans. De MRI-sessie zal in totaal ongeveer 2 uur
duren en omvat een screening en welkom (15 minuten), het beantwoorden van een
reeks korte vragenlijsten over stemming en vermoeidheid (15 minuten), een
oefenscan om kinderen vertrouwd te maken (30 minuten), de daadwerkelijke
MRI-sessie (~55 minuten), en een bedankje/debrief met een klein cadeautje (5
minuten). Om mogelijke ongemakken in de scanner verder te verminderen, zullen
kinderen gehoorbescherming krijgen die geschikt is voor hun leeftijd en zal hun
hoofd worden ondersteund met schuimkussens. Tijdens de twee taakgerichte
fMRI-blokken (2*8,5 minuten) zullen we de kijkrichting en pupilgrootte
registreren met behulp van het Eyelink 1000 Plus-systeem. Tijdens de scansessie
hebben kinderen continu contact met de experimentatoren en kunnen ze op elk
moment vragen om de MRI-scanner te verlaten zonder gevolgen.
De begeleidende volwassene zal worden gevraagd om bij elk bezoek een reeks
vragenlijsten in te vullen, wat ongeveer 35 minuten zal duren en/of deel te
nemen aan dezelfde 5 cognitieve spellen als het kind eerder deelnam tijdens het
gedragsdeel (25 minuten). De deelname van de ouders aan de vragenlijsten en
cognitieve taken vereist toestemming op een ander formulier dan de toestemming
van het kind. Ouderlijke deelname is niet vereist voor de deelname van het kind
aan de beeldvormingsarm.