Atypical electrical brain activity related to attention and inhibitory control in children who stutter

Abstract The aim of this study was to discover attention- and inhibitory control-related differences in the electrical activity of the brain in 6- to 9-year-old children who stutter (CWS) compared to typically developed children (TDC). For studies I and II, the study group consisted of 11 CWS (mean age 8.1 years, age range 6.3–9.5 years; all boys) and 19 fluently speaking children (mean age 8.1 years, age range 5.8–9.6 years; 7 girls). In study III, the participants were twelve boys who stutter (mean age 7.97 years, range 6.3–9.5 years) and 12 typically developed, fluently speaking boys (mean age 8.01 years, range 5.8–9.6 years). The CWS were recruited through local speech therapists and special teachers and newspaper advertisements, while controls were recruited from schools and preschools and among families of department staff and friends. Electroencephalography (EEG) was recorded during a visual Go/Nogo task, which forms a conflict between the pre-potent Go-response and inhibition of response in the Nogo condition, demanding inhibitory control. This EEG data was investigated with conventional event-related potentials (ERP) analysis, potential map and global field power (GFP) analysis and a time-frequency analysis including the periods between tasks. In the ERP analysis, the CWS had a delayed N2 component in the Go condition and a poorly defined P3 component. The potential maps and GFP waveforms confirmed the findings in the Go condition, but also revealed differences in the Nogo condition, described as a prolonged and excessive N2component and an absent P3 component in the CWS. These results indicate problems in the evaluation and classification of the stimulus and the response preparation and inhibition of the response. In the time-frequency analysis, the CWS showed reduced occipital alpha power in the “resting” or preparatory period between visual stimuli, particularly in the Nogo condition. Therefore, the CWS demonstrate reduced inhibition of the visual cortex in the absence of visual stimuli, which is likely related to problems in attentional gating. This newly discovered lack of occipital alpha modulation indicates elementary differences in the regulation of visual information processing in CWS. These findings support the view of stuttering as part of an extensive brain dysfunction involving also attentional and inhibitory networks.Tiivistelmä Tutkimuksen tavoitteena oli tunnistaa tarkkaavuuteen ja inhibitiokontrolliin liittyviä eroja aivojen sähköisessä toiminnassa 6–9-vuotiailla lapsilla, jotka änkyttävät verrattuna tavanomaisesti kehittyviin lapsiin. Osatöissä I ja II koeryhmässä oli 11 änkyttävää lasta (iän keskiarvo 8,1 vuotta, ikäjakauma 6,3–9,5 vuotta) ja verrokkiryhmässä 19 sujuvasti puhuvaa lasta (keskiarvo 8,1 vuotta, jakauma 5,8–9,6 vuotta; 7 tyttöä). Osatyössä III koeryhmässä oli 12 änkyttävää poikaa (keskiarvo 7,97, jakauma 6,3–9,5 vuotta) ja verrokkiryhmässä 12 sujuvasti puhuvaa poikaa (keskiarvo 8,01 vuotta, jakauma 5,8–9,6 vuotta). Koehenkilöitä haettiin puheterapeuttien ja erityisopettajien välityksellä sekä lehti-ilmoituksilla. Verrokkiryhmän osallistujat rekrytoitiin kouluista, esikouluista sekä henkilökunnan ja ystävien perheiden joukosta. Elektroenkefalografia (EEG) rekisteröitiin visuaalisen Go/Nogo-tehtävän aikana. Tehtävässä ennakoidun Go-vasteen ja Nogo-tilanteessa vaadittavan reaktiosta pidättäytymisen välille syntyvä ristiriita kuormittaa inhibitiokontrollia. EEG-dataa arvioitiin herätevasteiden avulla, tutkimalla jännitekarttojen ja koko pään jännitevaihteluiden eroja sekä käyttämällä aika-taajuusanalyysia, mihin sisältyi myös tehtävien välinen aika. Herätevasteanalyysissä änkyttävillä lapsilla oli viivästynyt N2-vaste Go-tilanteessa ja huonosti erottuva P3-vaste. Jännitekarttojen ja koko pään jännitevaihteluiden perusteella tämä löydös vahvistui, mutta ryhmät erosivat toisistaan myös Nogo-tilanteessa. Änkyttävillä lapsilla N2-vaste oli pidentynyt ja voimakkaampi ja P3-vaste puuttui. Löydökset viittaavat ongelmiin ärsykkeen arvioinnissa ja luokittelussa sekä reaktion valmistelussa ja inhibitiossa. Aika-taajuusanalyysissa änkyttävillä lapsilla oli okkipitaalialueilla merkittävästi vähemmän alfataajuista toimintaa tehtävien välisen ”lepotilan” tai valmistautumisvaiheen aikana erityisesti Nogo-tilanteessa. Änkyttävillä lapsilla näköaivokuoren inhibitio ärsykkeen puuttuessa on näin ollen heikentynyt, mikä viittaa häiriöön tarkkaavuuden suuntaamisessa. Tämä todettu alfatoiminnan säätelyn puuttuminen ilmentää perustavanlaatuisia eroja näköärsykkeen käsittelyssä änkyttävillä lapsilla. Löydökset tukevat näkemystä änkytyksestä osana laaja-alaista aivojen toiminnan häiriötä, joka käsittää todennäköisesti myös tarkkaavuuteen ja inhibitiokontrolliin liittyviä verkostoja