Cognitive training supported by information and communications technologies

Abstract

This doctoral thesis investigates the concept of Cognitive Training (CT), a non-pharmaceutical intervention method originating in psychology, and explores its application in computer-based environments using multimedia and game mechanics. CT has garnered increasing scientific and public attention for its potential to enhance cognitive functions such as memory, attention, and executive function—skills essential for mental health and quality of life. While interest in CT dates back over five decades, its computer-based forms began to emerge in the 1990s. However, many early digital implementations were merely digitized versions of traditional paper-based exercises, offering limited interactivity and engagement. Only in recent years has the integration of gamification and multimedia elements gained traction, though often without solid theoretical or empirical grounding. As a result, user engagement and adherence remained low in many interventions, undermining their overall effectiveness. This research addresses these gaps by focusing on the design, application, and evaluation of computer-based CT, with a particular emphasis on working memory—a cognitive function central to nearly all brain activities. A key component of this work is a systematic literature review following PRISMA guidelines, which synthesizes evidence from 44 peer-reviewed studies. The review identifies specific game elements—such as feedback, adaptive difficulty, levels, and visual rewards—that enhance engagement, motivation, and performance in CT programs. Despite limited use of competitive or social features, the findings suggest that thoughtful gamification can significantly improve both user experience and cognitive outcomes. The thesis also presents three case studies that apply insights from the literature to practical interventions. The first two examine the development of multimedia-enhanced digital exercises for individuals with neurocognitive disorders, particularly Alzheimer’s disease. It investigates how traditional rehabilitation activities can be effectively transferred into interactive, computer-based formats, offering richer sensory input and better adaptability. Results indicate that such digital tools can support cognitive rehabilitation by increasing engagement and accessibility. The third case study involves the design and evaluation of a serious game targeting working memory in healthy users. The game incorporates evidence-based gamification techniques and was evaluated in a pre-post experimental setting. Findings demonstrate significant improvements in working memory performance and high user satisfaction, validating the effectiveness of CT when grounded in robust design principles. The final outcome of this thesis is the development of design guidelines for computer-based CT interventions, offering practical guidelines for tailoring programs to specific user groups. This outcome serves as a resource for software developers, cognitive scientists, and clinical practitioners aiming to create more effective, engaging, and accessible cognitive training tools.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή εστιάζει στη διερεύνηση της έννοιας της Γνωστικής Εκπαίδευσης (ΓΕ), μιας μη φαρμακευτικής παρέμβασης που αντλεί τις ρίζες της από τον χώρο της ψυχολογίας, με σκοπό την ενίσχυση βασικών γνωστικών λειτουργιών μέσω στοχευμένων ασκήσεων. Ιδιαίτερη έμφαση δίδεται στην αξιοποίηση της ΓΕ σε υπολογιστικά περιβάλλοντα, με την ενσωμάτωση πολυμεσικών εργαλείων και μηχανισμών παιχνιδιού (gamification), προκειμένου να ενισχυθεί η αποτελεσματικότητα και η προσκόλληση των χρηστών στις παρεμβάσεις. Αν και το επιστημονικό ενδιαφέρον για τη γνωστική ενδυνάμωση χρονολογείται πάνω από πέντε δεκαετίες, οι πρώτες ψηφιακές εφαρμογές εμφανίστηκαν τη δεκαετία του 1990. Οι πρώτες μορφές ηλεκτρονικής ΓΕ περιορίστηκαν, ωστόσο, στην απλή ψηφιοποίηση παραδοσιακών έντυπων ασκήσεων, παρουσιάζοντας περιορισμένη διαδραστικότητα και ελκυστικότητα. Η εισαγωγή πολυμεσικών στοιχείων και τεχνικών παιχνιδοποίησης πραγματοποιήθηκε σε μεταγενέστερο στάδιο, πλην όμως κατά κανόνα χωρίς θεωρητική ή εμπειρική τεκμηρίωση. Η έλλειψη αυτή συχνά είχε ως αποτέλεσμα χαμηλά ποσοστά προσκόλλησης των χρηστών και μειωμένη αποτελεσματικότητα των παρεμβάσεων. Η παρούσα εργασία επιχειρεί να καλύψει τα υφιστάμενα κενά, εστιάζοντας στον σχεδιασμό, την εφαρμογή και την αξιολόγηση της ΓΕ σε ψηφιακά περιβάλλοντα, με κεντρικό άξονα τη λειτουργία της εργαζόμενης μνήμης, δεδομένης της σημασίας της για το σύνολο των γνωστικών διεργασιών. Σημαντικό τμήμα της διατριβής αποτελεί η διενέργεια συστηματικής βιβλιογραφικής ανασκόπησης, στην οποία περιλαμβάνονται 44 εμπειρικές μελέτες. Η ανασκόπηση αυτή ανέδειξε συγκεκριμένα στοιχεία παιχνιδιού (όπως η ανατροφοδότηση, η προσαρμοστικότητα της δυσκολίας, τα επίπεδα, και τα οπτικά επιτεύγματα) που συνδέονται με αυξημένη εμπλοκή, κίνητρο και γνωστική απόδοση στα προγράμματα ΓΕ. Η εμπειρική διάσταση της διατριβής αρθρώνεται σε τρείς μελέτες περίπτωσης. Οι δύο πρώτες αφορούν την ανάπτυξη και αξιολόγηση πολυμεσικών ασκήσεων για άτομα με νευρογνωστικές διαταραχές, ιδίως νόσο Alzheimer, με στόχο την ηλεκτρονική μεταφορά παραδοσιακών παρεμβάσεων σε διαδραστικές, υπολογιστικές μορφές. Τα αποτελέσματα καταδεικνύουν την προστιθέμενη αξία των πολυμέσων στην αύξηση της προσβασιμότητας και της ελκυστικότητας των παρεμβάσεων. Η τρίτη μελέτη επικεντρώνεται στον σχεδιασμό και την πειραματική αξιολόγηση σοβαρού παιχνιδιού (serious game) για την ενίσχυση της εργαζόμενης μνήμης σε υγιή πληθυσμό, με θετικά αποτελέσματα τόσο στη γνωστική επίδοση όσο και στην υποκειμενική ικανοποίηση των χρηστών. Η διατριβή ολοκληρώνεται με τη διαμόρφωση κατευθυντήριων οδηγιών σχεδιασμού για υπολογιστικά προγράμματα ΓΕ, προσαρμοσμένα στις ανάγκες διαφορετικών ομάδων χρηστών. Το εν λόγω πλαίσιο αποτελεί πολύτιμο εργαλείο για επαγγελματίες από τον χώρο της γνωστικής ψυχολογίας και της ανάπτυξης εκπαιδευτικού λογισμικού, παρέχοντας τις βάσεις για πιο αποτελεσματικές, επιστημονικά τεκμηριωμένες και ελκυστικές παρεμβάσεις γνωστικής ενδυνάμωσης.