La capacidad para procesar e integrar la información cuantitativa numérica y la espacial: procesos cognitivos y bases neurales. Estudio de las variaciones en tres etapas del desarrollo y efectos de la neuromodulación frontoparietal sobre el procesamiento e integración de magnitudes espacio-numéricas en adultos

Abstract

[spa] El desarrollo de la cognición numérica durante la infancia es el andamiaje sobre el que se construye el futuro desarrollo de las habilidades matemáticas de mayor alcance, como la aritmética o el álgebra. Dentro de la cognición numérica (capacidad para procesar y manejar la información cuantitativa) son importantes el procesamiento numérico básico (capacidad para discriminar cantidades numéricas) y el procesamiento espacial básico (capacidad para distinguir tamaños, longitudes, etc.). La adquisición temprana de ambas habilidades es un buen predictor del futuro desempeño matemático. Sin embargo, dentro del campo de estudio de la cognición numérica, existe un amplio debate acerca de los sistemas neurocognitivos que subyacen a estas habilidades básicas. Concretamente se discute si los números se procesan utilizando un sistema específicamente numérico o un sistema general de procesamiento de magnitudes compartido con otras magnitudes continuas como el área, la luminosidad, la longitud, etc. A nivel de bases neurales, se sabe que tanto el procesamiento numérico como el espacial dependen de la integridad del surco intraparietal bilateral, junto con otras regiones frontoparietales. Son muchos los estudios que analizan cómo el procesamiento de las magnitudes espaciales interfiere en el procesamiento numérico, y viceversa; pero apenas se ha abordado la capacidad específica para convertir e integrar la información cuantitativa espacial y la numérica. Esta tesis tiene como objetivo analizar el procesamiento y la integración de magnitudes espacio-numéricas mediante una doble perspectiva: cognitivo-conductual y de bases neurales. Para ello se han realizado tres estudios consecutivos: un metaanálisis acerca del uso de las técnicas estimulación cerebral no invasiva (NIBS, del inglés Non-Invasive Brain Stimulation) en la cognición numérica; un estudio cognitivo-conductual transversal acerca de la capacidad para procesar e integrar la información cuantitativa numérica y la espacial a lo largo del desarrollo; y un experimento de neuromodulación de la excitabilidad cortical de las regiones frontoparietales sobre la capacidad para procesar e integrar la información cuantitativa numérica y la espacial, por efecto de la estimulación eléctrica transcraneal. Los resultados del metaanálisis prueban que las NIBS aplicadas sobre la corteza prefrontal y parietal tienen efectos neuromodulatorios, los cuales se traducen en cambios medibles en la cognición numérica. No obstante, la evidencia actual acerca del posible efecto mejorador de la estimulación eléctrica transcraneal sobre las habilidades del cálculo no es concluyente. Por su parte, el estudio cognitivo-conductual muestra que las habilidades de procesamiento numérico y de procesamiento espacial ya están diferenciadas en niños de 7 años, como lo evidencian los marcadores de desempeño en las tareas de comparación de magnitudes; y que esta diferenciación sigue presente en niños de 12 años, y se perfecciona en la edad adulta. Asimismo, la integración intencional de magnitudes espacio-numéricas, dependiente de las instrucciones de la tarea, parecería una habilidad tardía que se desarrolla durante la adolescencia, como lo evidencia el idéntico desempeño en niños de 7 y 12 años, y el salto cualitativo que se da en los adultos. Además, nuestro estudio permite concluir que la estimación de áreas con formas regulares (geométricas) o con figuras irregulares (amorfas) parecen implicar sistemas cognitivos diferentes, tanto en niños como en adultos, como se evidencia por el diferente rendimiento en las tareas de comparación de áreas según la forma de las figuras, aun cuando éstas tengan idéntica superficie. Finalmente, el experimento de estimulación muestra que la neuromodulación de la corteza prefrontal dorsolateral (DLPFC, del inglés Dorsolateral Prefrontal Cortex) derecha mediante estimulación eléctrica transcraneal anódica produce una mejora moderada de la cognición numérica consistente en un aumento generalizado de la velocidad de respuesta en tareas de procesamiento e integración numérico-espaciales. La combinación de los resultados de nuestros estudios, junto con los modelos teóricos preexistentes acerca del desarrollo del sistema general de procesamiento de magnitudes, unido al estado del arte acerca de las bases neurales del procesamiento numérico y el procesamiento espacial, y los datos relativos al neurodesarrollo, nos permiten avanzar una posible propuesta de un modelo explicativo del desarrollo de la capacidad para procesar e integrar las magnitudes, el cual denominamos Modelo ecológico de desarrollo del sistema de procesamiento e integración de magnitudes.

[eng] The development of numerical cognition during childhood is the scaffolding on which the future development of more far-reaching mathematical skills, such as arithmetic or algebra, is built. Numerical cognition (ability to process and handle quantitative information), includes both: basic numerical processing (ability to discriminate numerical quantities) and basic spatial processing (ability to distinguish sizes, lengths, etc.). It has been proved that the early acquisition of both skills is a good predictor of future mathematical performance. However, within the field of numerical cognition, there is an intense debate about the neurocognitive systems underlying these basic skills. Specifically, it is debated whether numbers are processed using a specifically numerical system or a general magnitude processing system shared with other continuous quantities such as area, lightness, length, etc. At the neural basis level, both numerical and spatial processing are known to depend on the integrity of the bilateral intraparietal sulcus, along with other frontoparietal regions. Many studies have analyzed how the processing of spatial magnitudes interferes with numerical processing, and vice versa; but the specific ability to convert and integrate spatial and numerical quantitative information has hardly been addressed. The aim of this thesis is to analyze the processing and integration of spatial-numerical magnitudes from a dual perspective: cognitive-behavioral and neural. Three consecutive studies have been carried out: (1) a meta-analysis on the use of non-invasive brain stimulation techniques (NIBS) in numerical cognition; (2) a cross-sectional cognitive-behavioral study on the ability to process and integrate numerical and spatial quantitative information throughout development; and (3) a neuromodulation experiment of the cortical excitability of frontoparietal regions on the ability to process and integrate numerical and spatial quantitative information, by means of transcranial electrical stimulation. The results of the meta-analysis prove that NIBS applied to the prefrontal and parietal cortices have neuromodulatory effects, which translate into measurable changes in numerical cognition. However, the current evidence on the possible enhancing effect of transcranial electrical stimulation on numeracy skills is inconclusive. Cognitive-behavioral research results shows that numerical processing and spatial processing skills are already differentiated in 7-year-olds, as evidenced by markers of performance in magnitude comparison tasks; and that this differentiation is still present in 12-year-olds and is refined in adulthood. Likewise, the intentional integration of spatial-numerical magnitudes, dependent on the instructions of the task, seems to be a late skill that develops during adolescence, as evidenced by the identical performance in 7- and 12-year-olds, and the qualitative leap that occurs in adults. Furthermore, our study allows to conclude that the estimation of areas with regular (geometric) shapes or with irregular (amorphous) figures seems to involve different cognitive systems in both children and adults, as evidenced by the different performance in the area comparison tasks according to the shape of the figures, even when they have identical surfaces. Finally, the stimulation experiment shows that neuromodulation of the right DLPFC by anodal transcranial electrical stimulation produces a moderate improvement in numerical cognition consisting of a generalized increase in response speed in numerical-spatial processing and integration tasks. The combination of the results of our studies, together with the pre-existing theoretical models about the development of the general magnitude processing system, together with the state of the art about the neural bases of numerical processing and spatial processing, and neurodevelopmental data, allow us to advance a possible proposal of an explanatory model of the development of the capacity to process and integrate magnitudes, which we call the Ecological model of the development of the magnitude processing and integration system.