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Influence of dual-task performance on muscle and brain activity

Tsuchida, Wakako; Nakagawa, Kei; Kawahara, Yumi; Yuge, Louis

International Journal of Rehabilitation Research: June 2013 - Volume 36 - Issue 2 - p 127–133
doi: 10.1097/MRR.0b013e32835acfb8
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The simultaneous performance of multiple tasks is often required in daily life. The dual-task paradigm has been used extensively to evaluate the ability to perform simultaneous behavioral tasks. However, relatively few studies have been carried out to determine the muscle and brain activity underlying dual-task performance. This study determined the influence of single-task and dual-task conditions on muscle and brain activity by measuring ankle dorsiflexion, surface electromyography, and magnetoencephalography. Increased muscle activation and variability in the dorsiflexion interval was observed during dual-task performance compared with single-task performance, whereas brain activity in the contralateral motor and frontal areas was reduced. Incidental movement of the non-task-related ankle (contralateral ankle) showed a different pattern of brain activity during the dual-task performance in another experiment. These findings suggest that the activity decreased in several information-processing areas under dual-task conditions as a result of decentralization of attention. Activity in the right and left motor fields may play a role in the dual-task performance, as indicated by changes in brain activity during dual-task performance in two groups classified according to the activity level of the contralateral ankle.

Im Alltag müssen oft mehrere Aufgaben gleichzeitig bewältigt werden. Das Dual-Task-Paradigma wurde im umfangreichen Maße zur Evaluation der Fähigkeit der gleichzeitigen Durchführung von verhaltensorientierten Aufgaben angewandt. Allerdings wurden bisher nur relativ wenige Studien zur Ermittlung der Muskel- und Hirnaktivität bei der Dual-Task-Leistung durchgeführt. Die vorliegende Studie maß anhand von Knöcheldorsalflexion, Oberflächen-Elektromyographie und Magnetoenzephalographie, welchen Einfluss die Single-Task- und Dual-Task-Bedingungen auf die Muskel- und Hirnaktivität haben. Bei der Dual-Task-Leistung wurde während des Dorsalflexionsintervalls im Gegensatz zur Single-Task-Leistung eine erhöhte Muskelaktivität und -variabilität beobachtet, während die Hirnaktivität in den kontralateralen motorischen und frontalen Zentren reduziert war. Die zufällige Bewegung des nicht-aufgabenbezogenen (kontralateralen) Knöchels wies bei einem anderen Experiment ein abweichendes Muster der Hirnaktivität bei der Dual-Task-Leistung auf. Diese Ergebnisse legen den Schluss nahe, dass die Aktivität in mehreren informationsbearbeitenden Zonen unter Dual-Task-Bedingungen infolge der Dezentralisierung der Aufmerksamkeit abnahm. Die Aktivität in den rechten und linken motorischen Zentren wirkt sich möglicherweise auf die Dual-Task-Leistung aus, wie durch Veränderungen der Hirnaktivität bei der Dual-Task-Leistung in beiden Gruppen angezeigt, die nach Aktivitätslevel des kontralateralen Knöchels klassifiziert sind.

A menudo en nuestra vida diaria debemos realizar múltiples actividades de forma simultánea. El paradigma de tarea dual ha sido ampliamente utilizado para evaluar la capacidad de realizar tareas conductuales simultáneas. Sin embargo, es relativamente pequeño el número de estudios que se han llevado a cabo con el fin de determinar la actividad muscular y cerebral que forma la base de la ejecución de una tarea dual. Este estudio determinó la influencia de las condiciones de tarea simple y tarea dual en la actividad muscular y cerebral, gracias a la medición de la dorsiflexión del tobillo, la electromiografía de superficie y la magnetoencefalografía. Durante la ejecución de la tarea dual se observó un aumento de la activación muscular y la variabilidad en el intervalo de dorsiflexión en comparación con la tarea simple, mientras que se vio una disminución de la actividad cerebral en el área frontal y el área motora contralateral. El movimiento secundario del tobillo no implicado en la tarea (tobillo contralateral) presentó un patrón distinto de actividad cerebral durante la ejecución de la tarea dual en otro experimento. Estos hallazgos sugieren que la actividad disminuye en varias áreas de procesamiento de la información bajo las condiciones de tarea dual como resultado de la descentralización de la atención. La actividad de las áreas motoras izquierda y derecha puede desempeñar un papel importante en la realización de una tarea dual, tal y como indican los cambios producidos en la actividad cerebral durante la ejecución de la tarea dual en dos grupos clasificados en función del nivel de actividad del tobillo contralateral.

L'exécution simultanée de plusieurs tâches est souvent nécessaire dans la vie quotidienne. Le paradigme des tâches doubles est très communément utilisé pour évaluer la capacité d'exécuter simultanément des tâches comportementales. Toutefois, relativement peu d'études ont été menées pour déterminer l'activité musculaire et cérébrale sous-jacente à l’exécution de tâches doubles. Cette étude a déterminé l'influence des conditions de tâches simples et doubles sur l'activité musculaire et cérébrale en mesurant la dorsiflexion de la cheville, l'électromyographie de surface et la magnétoencéphalographie. Une activation accrue des muscles et une plus grande variabilité dans l'intervalle ont été observées au cours de la flexion dorsale lors de l’exécution d’une double tâche par rapport à une tâche simple, tandis que l'activité du cerveau dans les zones frontale et motrice controlatérale a diminué. Le mouvement secondaire de la cheville non associée à la tâche (cheville controlatérale) a montré une tendance différente de l'activité cérébrale pendant l'exécution de la double tâche dans une autre expérience. Ces résultats suggèrent une diminution de l'activité dans plusieurs régions responsables du traitement de l'information dans des conditions de tâche double en raison de la décentralisation de l'attention. L'activité dans les champs moteurs droit et gauche peut jouer un rôle dans l’exécution des tâches doubles, comme indiqué par les changements observés dans l'activité du cerveau pendant l’exécution de tâches doubles chez deux groupes classés selon le niveau d'activité de la cheville controlatérale.

Division of Bio-Environmental Adaptation Sciences, Graduate School of Biomedical & Health Sciences, Hiroshima University, Hiroshima, Japan

Correspondence to Wakako Tsuchida, MSc, BSc, RPT, Practical Education Center, Faculty of Health Sciences, Nihon Fukushi University 26-2, Higashihaemi, Handa, Aichi 4780012, Japan Tel: +81 569 20 0131; fax: +81 569 20 0139; e-mail: tuchida@n-fukushi.ac.jp

Received April 13, 2012

Accepted September 25, 2012

© 2013 Wolters Kluwer Health | Lippincott Williams & Wilkins