Neural correlates of speech and print processing in children with or without reading or attention deficits in native and foreign languages

Abstract

Reading difficulties (RD) and attentional problems (AP) are the most frequently reported learning disorders in school-aged children. Although extensive research has been conducted on the subject, several questions about the neural processes in these learning difficulties remain to be answered. This dissertation investigates neural correlates of speech processing, visual reading processing, and auditory attentional processing in typical children and in children with reading or attentional difficulties. High-density event-related potentials (ERPs), fixation-related potentials (FRPs), and source reconstruction methods were used. In addition, behavioral measures were used to complement the brain data. In Study I, discriminatory brain processes, the mismatch response (MMR), and the late discriminative negativity (LDN), were investigated in native (Finnish) and foreign (English) language contexts in typical children (CTR, N=86) and in children with RD (N=26). Atypical discriminatory responses with enhanced brain activity to native and foreign speech items were found in the RD group. Furthermore, in both groups, brain responses were different for the native language stimuli than for foreign speech stimuli. Study II investigated speech-perception-related obligatory responses (P1-N250), and early visual response in reading (N170). The results showed associations between brain activity in both modalities and brain activity with reading scores. The brain responses to speech reflected in the source activity of the temporal sources were found to be associated with the brain activity to print in the temporo-occipital areas. Furthermore, the brain activity for speech and print showed correlations with the reading scores. Study III investigated the involuntary attention brain response (P3a) in speech processing investigated, both in typical children and in children with AP (N=17), using native and foreign language stimuli. The results showed a group difference in the P3a response, and significant correlations between the attention score and the brain activity in the native context in both groups. No significant correlations were found in the foreign language context. The neural network of attention was also investigated, using source analysis. Enhanced brain responses were found in the AP group, both at the scalp and source levels. Overall, this dissertation investigated the temporal brain dynamics of different processes and their relationships and showed how they varied between different populations of children with and without learning disorders.

Lukivaikeudet ja tarkkaavaisuushäiriöt ovat yleisimmin raportoituja oppimishäiriöitä kouluikäisillä lapsilla. Mittavasta tutkimuksesta huolimatta useisiin näiden oppimisvaikeuksien aivoperustaan liittyviin kysymyksiin ei olla vielä saatu vastausta. Tässä väitöskirjassa tutkitaan puheen prosessoinnin, visuaalisen lukemisen prosessoinnin ja auditiivisen tarkkaavaisuuden prosessoinnin neuraalisia korrelaatioita tyypillisesti kehittyneillä lapsilla ja lapsilla, joilla on lukemisen tai tarkkaavaisuusden vaikeuksia. Tutkimuksessa käytettiin aivovasteita (ERP), fiksaatiopotentiaaleja (FRP, silmänliikkeisiin aikasidottuja aivovasteita) ja aivoaktivaation lähdemallinnusmenetelmiä. Lisäksi tutkimuksessa käytettiin käyttäytymistason mittareita täydentämään aivojen tuottamaa tietoa. Tutkimuksessa I tutkittiin aivojen esitietoista erottelua mittaaviaprosesseja, poikkeavuusnegatiivisutta (MMR) ja myöhäistä erottelunegatiivisuutta (LDN) äidinkielen (suomi) ja vieraan kielen (englanti) puheärsykkeisiintyypillisesti kehittyneillä lapsilla (kontorlliryhmä, CTR, N=86) ja lapsilla, joilla oli lukemisen vaikeuksia (RD, N=26). Lukivaikeusryhmässä havaittiin epätyypilline erottelua heijastava aivovaste ollen suurentunut sekä äidinkielisiin että vieraskielisiin puheääniin. Lisäksi aivovasteet poikkesivat toisistaan äidinkielen ärsykkeisiin verrattuna vieraan puheen ärsykkeisiin kummassakin ryhmässä. Tutkimuksessa II tutkittiin puheen havaitsemiseen liittyviä aivojen perusvasteita ääniin (ns. P1-N250 komponenttia) ja niiden yhteyksiä lukemisen perusprosesseja heijastaviin visuaalisiin aivovasteisiin (ns. N170 komponenttiin) lähteen paikannusmallinnuksen avulla. Kuulotiedon ja puhetiedon käsittelyä heijastavien aivoaktivaatiolähteiden välillä havaittiin yhteyksiä. Aivojen ohimolohkon kuulo-ja puhealueiden aktivaatiolla oli selkeä yhteys sanantunnistusta heijastavaan aktivaatioon ohimo-ja takaraivolohkojen liittymäkohdan läheisyydessä olevalla ns. visuaalisella sanan tunnistamisalueella (VWFA). Lisäksi puheen prosessointia heijastava aktivaatio oli yhteydessälukutehtävässä suoriutumiseen. Tutkimuksessa III tutkittiin tahattoman huomion suuntaamista heijastavaa aivovastetta (ns. P3a) sekä äidin että vieraan kielen puheärsykkeisiintyypillisesti kehittyvillä lapsilla ja lapsilla, joilla oli tarkkaavaisuuden pulmai (N=17). Tulokset osoittivat, että P3a-vaste äidinkielisiin puheääniin erotteli ryhmiä ja oli yhteydessä tarkkaavaisuutta mittaaviin opettajan arviointeihin. Vieraan kielen prosessointia heijastavilla aivovasteilla ei havaittu olevan yhteyksiä tarkkaavaisuuteen. Tarkkaavaisuuden hermoverkkoa tutkittiin myös lähteenpaikannus analyysin avulla. Tarkkavaaisuuspulmaisten ryhmässä havaittiin suurentuneita aivovasteita sekä lähdeaktivaation että sensorien (päänpinnalta) mitattavien aivovasteiden tasolla. Kaiken kaikkiaan tämän väitöskirjan tulokset osoittivat eroja tyypillisesti kehittyvien lasten ja oppimisen vaikeuksista kärsivien lasten sekä eri kielisiä ärsykkeitä heijastavien aivovasteiden välillä.