Functional significance of auditory cortex activation for cognitive skills in children

Abstract

Children and adults show marked differences in their neural processing of auditory information. Most notably, children show a robust, prolonged activation pattern at ~250 ms after auditory stimulation, as measured by electro- and magnetoencephalography (M/EEG). Furthermore, auditory processing during development is crucial in enabling essential skills such as reading, writing, and language learning. Recently, this list of skills that rely on the proper development of the auditory cortex has been extended to include more general cognitive skills such as executive functioning and attention. The current literature has related auditory processes in children, especially in the left hemisphere, to performance on language-related tasks, but the extent of the functional significance of a developing auditory system remains elusive. This dissertation aims to (i) provide a comprehensive account of the functional significance of the prolonged activation pattern in children and (ii) examine the associations between auditory activation and performance on language, attention, and inhibition tasks in children and adults. In study I, source analysis of the activation pattern at ~250 ms showed stronger responses in children with delayed language development compared to typical controls. However, in the clinical group, the left hemisphere activation strength correlated positively with performance on a phonological processing task. Study II investigated the association between auditory activation and attention and inhibition tasks in typical developing children and found that, while the activation strength was unaffected by the task demands, stronger left hemisphere activation was associated with a superior performance on certain inhibition tasks. Finally, study III contrasted the auditory activation patterns of children and adults and investigated their functional significance for response inhibition. We found divergent associations between auditory activation and inhibition task performance in children and adults. Together, the results suggest a functional difference in the auditory processing of adults and children: children seem to rely more strongly on auditory cortical activation until more automatized auditory processing is established in adulthood, which seems especially important for competent language development and inhibitory control.

Lapsilla ja aikuisilla on huomattavia eroja aivojen kuuloinformaation käsittelyssä. Lasten aivoissa nähdään erityinen pitkäkestoinen aivovaste ~250 ms kuuloärsykkeen esittämisen jälkeen elektroenkefalografialla ja magnetoenkefalografialla (M/EEG) mitattuna. Kuulotiedon käsittelyn kehitys on lisäksi merkittävässä roolissa monien taitojen, kuten lukemisen, kirjoittamisen ja kielen oppimisen kannalta. Kuuloaivokuoren kehitys on viime aikoina yhdistetty myös laajemmin kognitiiviseen kehitykseen, mm. toiminnanohjaukseen ja tarkkaavuuteen. Tämänhetkisen tutkimuskirjallisuus osoittaa, että kuulotiedon käsittely erityisesti vasemmalla kuuloaivokuorella on yhteydessä suoriutumiseen kielellisissä tehtävissä, mutta kehittyvän kuulojärjestelmän merkitys laajemmin on epäselvää. Tämän väitöskirjan tavoitteena on (i) selvittää lasten pitkäkestoisen aivoaktivaation toiminnallinen merkitys ja (ii) tutkia kuulotiedon käsittelyn yhteyttä kognitiiviseen suoriutumiseen kielellisissä, tarkkaavuus- ja inhibitiotehtävissä lapsilla ja aikuisilla. Ensimmäisessä osatutkimuksessa aktivaation lähdemallinnus osoitti voimakkaampia vasteita lapsilla, joilla oli viivästynyt kielen kehitys verrattuna kontrolleihin. Tässä kliinisessä ryhmässä vasemman aivopuoliskon aktivaation voimakkuus oli kuitenkin positiivisesti yhteydessä kognitiiviseen suorituskykyyn fonologisen tiedonkäsittelyn tehtävässä. Toisessa osatutkimuksessa selvitettiin kuuloaktivaation yhteyttä tarkkaavuuteen ja inhibitioon tyypillisesti kehittyvillä lapsilla ja havaittiin, että vaikka tehtävän vaatimukset eivät vaikuttaneet aktivaation voimakkuuteen, voimakkaampi aktivaatio vasemmassa aivopuoliskossa oli yhteydessä parempaan suorituskykyyn inhibitiotehtävässä. Kolmannessa osatutkimuksessa verrattiin lasten ja aikuisten kuuloaktivaatiota ja tutkittiin sen toiminnallista merkitystä reaktioinhibitiolle. Kuuloaktivaation yhteys suoriutumiseen reaktioinhibitio-tehtävässä oli lapsilla ja aikuisilla erilainen. Yhdessä nämä tulokset viittaavat toiminnalliseen eroon aikuisten ja lasten kuulotiedon käsittelyssä; lapsen aivot näyttävät nojaavan voimakkaammin kuuloaivokuoren aktivaatioon, kunnes aikuisikään mennessä on muodostunut automatisoituneempi kuulon prosessointiketju. Tällä kuuloaivokuoren aktivaatiolla näyttää olevan tärkeä rooli kielen ja inhibitorisen kontrollin kehityksen kannalta.