Advanced EEG/ERP signal analysis for the investigation of early sensory processing and cognitive development

The electroencephalography (EEG) and in particular the event related potentials (ERPs) represent one of the most effective current ways to look at infant brain function. Although, these techniques are suitable for infants, especially if compared to other neuroimaging tools (e.g. the functional magnetic resonance imaging, fMRI, or the positron emission tomography, PET), they pose several challenges including data acquisition, data analysis and interpretation of the results. Auditory sensory processing is among the topics that have received more attention in infant ERP research, especially because lower-level auditory skills (e.g. the ability to discriminate between auditory stimuli presented in rapid succession, called rapid auditory processing (RAP) ability) have been shown to play a crucial role in language development and suggested to be a risk marker for the development of language and learning disorders. Nevertheless, the debate around physiological and functional meaning of different infant ERP components is still open and more clarity about the underlying neural mechanisms is therefore called for. Advanced EEG/ERP signal processing can address this issue, even though the applicability of advanced methods, such as source localization techniques, is often problematic with infant data. The present PhD dissertation is within this framework aiming at the in-depth electrophysiological study of early RAP and at the investigation of its implication in later language development. RAP abilities have been studied for the first time as a marker of risk for language-learning impairment (LLI) in Italian infants, testing fine-grained auditory processing of two acoustic features (sound frequency and duration), which are critical for language acquisition. Advanced source localization and time-frequency approaches, have been used to better investigate the neural electrophysiological substrates of infant auditory sensory processing, studying different electrophysiological correlates of RAP. Finally, the predictive value of these correlates for later linguistic development have been examined, concretely evaluating the relevance and the potentiality of the electrophysiological parameters extracted. The methods of analysis applied resulted to facilitate a deeper functional understanding of infant sensory processing, showing the neuronal oscillatory mechanisms underlying RAP and identifying the cortical area involved in auditory processing. Overall, our results supported RAP involvement in language development, since early RAP skills resulted to be impaired in infants at familial risk for LLI and all the different electrophysiological measures we considered were in some extent related to the linguistic outcome. Moreover, prediction analysis suggested that source resolved parameters might be more sensitive for the identification of neurophysiological biomarker. Finally, the potential of the techniques used and the feasibility of their application to infant data has been demonstrated. Thus, providing to researchers involved in studies with infant populations useful references for a deep analysis of their data.

L’elettroencefalogramma (EEG) ed in particolare i potenziali evento-correlati (ERPs) rappresentano ancora oggi il modo più efficace di studiare le funzioni cerebrali nei primi mesi ed anni di vita. Queste tecniche, infatti, risultano essere particolarmente adatte all’ utilizzo con neonati, soprattutto rispetto ad altri strumenti di neuroimaging (e.g. risonanza magnetica funzionale, fMRI, o tomografia ad emissione di positroni, PET). Nonostante ciò il loro uso nella prima infanzia può comunque risultare difficoltoso relativamente all’acquisizione, all’analisi e all’interpretazione dei dati raccolti. L’elaborazione acustica è tra i temi maggiormente studiati mediante le tecnica dei potenziali evocati nella prima infanzia, soprattutto per via dell’evidenza che le abilità di elaborazione acustica di base (e.g. la capacità di discriminare stimoli uditivi presentati in successione rapida, denominata abilità di rapida elaborazione acustica, RAP) giocano un ruolo fondamentale nello sviluppo del linguaggio e sembrano essere un marcatore di rischio per disordini del linguaggio e dell’apprendimento. Malgrado ciò il dibattito relativo al significato funzionale e fisiologico delle diverse componenti ERP individuate nella prima infanzia è tuttora aperto e vi è la necessità di far luce sui meccanismi neuronali che vi stanno alla base. Metodi avanzati di analisi del segnale EEG/ERP potrebbero rispondere a tale necessità, anche se il loro utilizzo con dati raccolti su neonati risulta spesso essere problematico. La presente tesi di dottorato si inserisce in questo contesto ponendosi l’obiettivo di approfondire lo studio elettrofisiologico del RAP nella prima infanzia e di investigare le sue implicazioni nel successivo sviluppo del linguaggio. Le abilità di RAP sono state studiate per la prima volta come marcatore di rischio per lo sviluppo di disturbi del linguaggio e dell’apprendimento in una popolazione di bambini italiani, valutando l’elaborazione uditiva fine di due caratteristiche acustiche (frequenza e durata), che risultano essere critiche per l’apprendimento del linguaggio. Metodi avanzati di localizzazione delle sorgenti e di analisi tempo frequenza sono stati impiegati al fine di investigare maggiormente i substrati neuronali dell’elaborazione acustica nella prima infanzia, permettendo lo studio di diversi correlati elettrofisiologici del RAP. Infine, è stato esaminato il valore predittivo di tali correlati rispetto allo sviluppo del linguaggio, valutando così in modo concreto la rilevanza e le potenzialità dei diversi parametri elettrofisiologici estratti. I metodi di analisi proposti hanno permesso di approfondire le conoscenze relative all’elaborazione acustica precoce, mostrando i meccanismi oscillatori neuronali alla base del RAP e identificando le aree corticali coinvolte nel processing acustico. Nel complesso i risultati ottenuti supportano l’ipotesi dell’importante ruolo svolto dal RAP nello sviluppo del linguaggio. Le abilità RAP precoci sono, infatti, risultate deficitarie nei bambini a rischio familiare per LLI e tutte le misure elettrofisiologiche del RAP individuate si sono mostrate più o meno correlate con il successivo sviluppo del linguaggio. I risultati ottenuti hanno, inoltre, mostrato una maggiore sensitività dei parametri elettrofisiologici stimati a partire dalle sorgenti nell’identificazione di marcatori neuropsicologici. Infine, il lavoro svolto ha permesso di dar luce alle potenzialità e alla fattibilità dei metodi proposti per l’analisi di segnali registrati in bambini molto piccoli. Ciò costituisce un importante riferimento per le ricerche future nell’ambito dell’analisi approfondita del segnale EEG/ERP nella prima infanzia.