Challenging the use of adult neuropsychological models for explaining neurodevelopmental disorders: developed versus developing brains Annette Karmiloff-Smith Birkbeck Centre for Brain & Cognitive Development University of London AIRIPA talk, Pordenone.Oct.2013 Applicare modelli neuropsicologici x adulti ai disturbi neuroevolutivi La S. Williams può essere spiegata in termini di deficit selettivi o di sistema modulare normale (Clahsen & Temple, 2003, p.26, italics added) Implicazioni: Se si trova doppia dissociazione nelle sindromi genetiche: -> X e Y sono moduli di funzionamento indipendenti e geneticamente determinati Deficit dominio-specifici? Pazienti neuropsicologici (e.g. discalculia, agrammatismo) Cervello normalmente sviluppato danneggiato quando maturo Bambini con disturbi evolutivi & apparentemente dissociazioni pure (e.g. developmental dyscalculia/g-sli) Cervello in via di sviluppo atipico con regioni (inizialmente) in forte interazione number social Motce Vocabul ary Social cognitio n Grammar Vocabulary Grammar Number Cognition Processing Motion number Number Social cognition Processing Approccio dominio-specifico: ignora la storia evolutiva dell organismo Modello neuropsicologico adulto di accostamento di moduli intatti/danneggiati = inappropriato x studiare disturbi evolutivi Specificità del dominio: può essere il risultato dello sviluppo non necessariamento il punto di partenza No moduli separati, ma processo graduale di modularizzazione (specializzazione progressiva e localizzazione di circuiti neurali al termine del di sviluppo) Se non esistono moduli dominio-specifici, unica alternativa = singolo processo dominio-generale? 3^ alternativa = processi domain-relevant - no conoscenze fisse innate/ vincoli - vincoli biologici: (piccole differenze nel tipo di neuroni, densità neurale, superamento di soglie biochimica cerebrale, etc.) - interazioni cross-domain oltre periodo evolutivo: graduale specializzazione - Visione dello sviluppo più dinamica rispetto approccio dominio-specifico Se non esistono moduli dominio-specifici, unica alternativa = singolo processo dominio-generale? 3^ alternativa = processo domain-relevant: - no conoscenze fisse innate/ vincoli - vincoli biologici - interazione cross-domain : - Visione dello sviluppo più dinamica rispetto ad approccio DS All inizio entrambi gli emisferi competono per elaborare input. Circuiti domain-relevant vincono e si specializzano al termine del periodo critico: Approccio Neurocostruttivista Esempio di bias domain-relevant & Espressione di geni dopo Scoperta di FOXP2 gene mutato in famiglia KE Hype re FOXP2: (Fisher & collaborators) gene specifico per linguaggio nascita di genetica cognitiva (Gopnik/Pinker) Foxp2: highly conserved gene across numerous species BIRD: Foxp2 espressione dopo : Maggiore durante apprendimento del canto che nella produzione del canto (Scharff, Jarvis, Wada et al., 2004) MOUSE: Foxp2 espressione dopo : trascrizione ristretta a circuiti cerebrali coinvolti nel controllo motorio (Lai, Gerrelli, Monaco, Fisher & Copp, 2003) Espressione di FOXP2 negli esseri umani Umani: KE family deficits non specificoper il linguaggio (Vargha-Khadem,Watkins, Alcocket al. 1999, 2000) then make lips round, then spread lips Deficit anche: Articolazione di sequenze oro-facciali (non-linguistico) controllo fino-motorio percezione/produzione di ritmo 1
21/10/2013 Foxp2/FOXP2: conservato in diverse specie No conoscenza innata/contenuto rappresenzazione. Foxp2/FOXP2 coinvolto anche in: Abilità di coordinazione di sequenze di movimenti rapidi e ritmici 1. Deficit dominio-generali o dominio specifici (selettivi)? dominio-specifici dopo il Abilità di coordinazione di movimenti rapidi in sequenza FOXP2: no dominio specifico per linguaggio ma piuttosto domain-relevant x parola umana =>>linguaggio dopo il Confronti tra sindromi Sindrome Down: Discriminazione di piccole numerosità in WS & DS Trisomia cromosoma 21 Tutti cromosomi normali, ma 3 di circa ~300 geni > troppa espressione di geni Sindrome Williams: ~28 geni mancanti su una copia del cromosoma 7 < troppo poca espressione di geni Discriminazione di grandi numerosità in WS & DS Numeri esatti (2 vs 3): Stima di grandi numerosità TD OK @ 3-4 months WS/DS testati @ 10-39 mesi TD OK @ 6-7 months WS=TD WS & DS testati @ 10-39 mesi 8 vs 16 (ratio 1:2) DS=TD WS=no differenze significative DS=no differenze significative Replicato con Dots WS=TD >DS (Paterson, Girelli, Butterworth & Karmiloff-Smith, 2003; Van Herwegen, Ansari, Xu & Karmiloff-Smith, 2008) ratio 1:2 Abilità di coordinazione di movimenti rapidi in sequenza Se non è dominio-specifico, ma domain-relevant, Diverse domande: Non solo comunicazione orale Si possono ipotizzare altri deficits: Linguaggio dei segni? Piano? Violino? Danza? Modelli animali no: cosa è più simile al linguaggio umano? ma: quali comportamenti specie-specifici coinvolgono coordinazione di movimenti in sequenza: domain-relevant? Interpretare dati in termini di Dominio-specifico o domain-relevance Sensibilità al numero Dal punto di vista innatista domino-specifico: doppia dissociazione tra DS & WS Dal punto di vista neurocostruttivista, domainrelevant : interpretazione molto diversa degli stessi dati Doppia dissociazione: WS/DS (secondo modello neuropsicologico x adulti) Williams : Piccole numerosità (exact): intatto Grandi numerosità (approx): dannegg. Down : Piccole numerosità (exact): dannegg. Grandi numerosità (approx): intatto DS=TD>WS Paterson, Brown, Johnson & Karmiloff-Smith, 1998; Van Herwegen, Ansari, Xu & Karmiloff-Smith, 2008 Karmiloff-Smith, d Souza, Dekker, van Herwegen, Radic, Xu & Ansari, 2012 2
Tutto sembra molto chiaro Doppia dissociazione tra sindromi Due sotto-sistemi numerici Innati Geneticamente determinati WS: Uno o più dei 28 geni cancellati del cromosoma 7 contribuiscono a deficit dominio-specifico nel sistema del numero approssimato DS: Uno o più dei geni in eccesso nel cromosoma 21 contribuiscono a deficit dominio-specifico nel sistema del numero esatto (sistema del num. approssimato di scorta) Tutto sembra molto chiaro Ma. doppia dissociazione/riserva/preservato concetti in prestito da modelli del cervello adulto NO appropriati per sindromi neuro-evolutive Differenze tra sindromi sono relative, no assolute No palesi doppie dissociazioni! Per capire deficit a livello cognitivo del sistema del numero considerare le origini dei processi domain-relevant Come vengono elanorate configurazioni numeriche da WS/DS? Forse differenze DS/WS = no specifiche per numberi ma dovute a differenze più generali in attenzione visiva /visual scanning Esperimenti su pianificazione di saccadi visive/attenzione WS = saccadi danneggiate, più seri problemi visivi DS = saccadi adeguate, ma seri problemi di attenzione sostenuta Ipotesi: Grandi numerosità > necessita rapidi movimenti oculari tra quantità globali => DS ok Piccole numerosità > necessita attenzione sostenuta su singoli oggetti => WS ok Implicazioni per l intervento dell approccio domain-relevant - Dovrebbe essere sindrome-specifico - Dovrebbe iniziare nella prima infanzia e.g. WS: prima e.g. di sviluppo di strategie di elaborazione di numeri/volti - Non necessariamente nel dominio del deficit e.g. non potenziare sistema del numero: WS : potenziare movimenti saccadici DS : potenziare attenzione sostenuta Possibile effetto a cascata oltre il su diversi domini cognitivi 31 Bambini con S. Williams Deficit precoce nel pianificare saccadi visive deficit nel discriminare grandi numerosità Stop? Altra domanda cruciale (raramente in approccio d-s): Il deficit è domain-relevant per altri domini? Altro dominio: elaborazione volti in WS volti: intatto (ventrale=riserva) numeri: danneggiato (dorsale=danneg.) Oppure il deficit nelle saccadi può essere domain-relevant per elaborazione sia di numeri che di volti e spiegare sia prestazioni danneggiate che intatte? face on standardised tasks number Modulo elaborazione di volti intatto in WS? Diversi lab. internazionali (Bellugi, Vicari, Mills, K-S) : elaborazione volti in WS: prestazioni normali su compiti standardizzati (Benton, Rivermead) Cosa dire del cervello di WS? WS: no modularizzazione Nonostante buone prestazioni Controls WS Controlli sani: WS: difficoltà di localizzazione Controlli sani: Restrizione progressiva di circuiti cerebrali Configurazioni e caratteristiche WS Controls Prestazioni normali nell elaborazione di volti, ma. Buone prestazioni sostenute da: diversi processi neurali (mancata specializzazione) diversi processi cognitivi (featural) Elaborazione volti WS= focus su dettagli locali Discriminazione piccole numerosità = focus su dettagli locali = domain-relevant per diversi domini cognitivi Come spiegare normali punteggi nell elaborazione di volti di WS su test standardizzati? Dovuti ad allargata area Fusiforme?? 3
21/10/2013 Distinzioni tra cervello sviluppato e in via di sviluppo FFA in WS (adulti) allargamento inusuale (rispetto ad altre regioni): 2 interpretazioni (richiedono approccio evolutivo): FFA causa inusuale prestazione in elab. volti cervello comportamento Studi tra sindromi ASD/WS Altri studi tra diverse sindromi Autism Spectrum Disorders Autismo & Sindrome Williams - Allargame nto - inusuale focus su volti influenza allargamento FFA dopo : cervello Sia WS che ASD - difficoltà a pianificare rapidi movimenti oculari - fissazioni oculari atipiche - pointing atipico - attenzione triadica atipica - elaborazione volti atipica - reazione ai suoni amplificata - ossessioni - sonno atipico - problemi attentivi Confronto tra sindromini: sottile comprensione di deficit, molto più che ovvio confronto con sviluppo tipico Geni multipli di piccolo effetto Phenotypically: distanti, no contatto oculare Preferiscono interagire con oggetti Compiti spaziali > comunicazione/linguaggio Opposti profili sociali/cognitivi? Williams Syndrome Questa volta= reale dissociazione? comportamento Dissociazioni nel punto finale ma infanzia: associazioni Genetically: British Autism Sibs Study (BASIS) Genetically: 28 geni, 4 grande effetto Phenotypically: Amichevoli, interessati a occhi/volti Preferiscono interagire con persone Comunicazione/linguaggio > compiti spaziali confronto con sviluppo tipico vs tra sindromi: differenze più sottili (led by Johnson and Charman) Markers precoci per autismo Studio longitudinale fratelli 6-36 mesi: - Quali processi sono syndrome-specific vs syndrome-general? questionnari, valutazioni, esperimenti con eye-tracking, osservazione, ERP, EEG (gamma), DNA, etc. - Quali sono modality-specific vs modality-general? - I processi cognitivi e neurali sono diversi, anche quando prestazioni sono simili? URGENTE CONFRONTO TRA SINDROMI NECESSARIO: I markers per Autismo sono sindrome-specifici? WS/DS/FXS/TD Cross-syndrome design: with PhD students: D Souza, Kyjonková Seguire traiettorie evolutive oltre tra sindromi, piuttosto che con bambini sani (Dean D Souza s & Hana Kyjoková s ongoing doctoral theses) Growing up in East London 0,6 Deficit dominio-generali o dominio specifici (selettivi)? dominio-specifici dopo il ** Low Income 0,5 Primo studio: differenze regioni-selettive a livello di sviluppo funzionale cerebrale in gruppi con alto/basso status socioeconomico (SES) High I ncome 0,4 6 9-month-olds Power (µv2) 1. Vulnerabilità ambientali Risultati preliminari: EEG onde gamma frontali differiscono già nell infanzia (fam. basso redditto) 0,3 Effetti di SES su attività cerebrale a partire da 6 mesi 0,2 0,1 0,0 Temporal Left Frontal 20-30 Hz Temporal Left Frontal 31-40 Hz Tomalski, Kushnerenko, Ribeiro, Axelsson, Murphy, Karmiloff-Smith, Johnson & Moore (2013) 32 4
Influenze di variazioni ambientali su risultati neurocognitivi Not solo vulnerabilità genetica, ma anche ambientale: Avere un disturbo evolutivo cambia l ambiente (sociale e fisico) in cui bambino si sviluppa ES. DA WS & DS: AK-S LAB: LALLAZIONE/GATTONARE MERVIS LAB: IPERCORRETTISMI LESSICALI Visione più dinamica del modo in cui ambiente interagisce con vulnerabilità genetica 1. Deficit dominio-generali o dominio specifici (selettivi)? dominio-specifici dopo il Studiare i bambini NON vuol dire studiare lo sviluppo! Studio di bambini @ 5 mesi: niente a che fare con loro sviluppo! Risposta corretta: possono fare X a 5 mesi: si/no? - Quale processo precoce è alla base di X nell infanzia? - Come X si sviluppa in seguito? (e.g. U-shaped) Direzioni future nell approccio evolutivo Controintuitivo: capire la demenza studiando i bambini? Bambini con S. Down ->Alzheimer: 100% placche & grovigli tipici di cervelloalzheimer (APP gene su chr.21 sovraespresso durante sviluppo) Circa 50% DS adulti sintomi clinici di demenza AD Perchè non il 100%? -> Neuroscienze cognitive dellosviluppo: Fattori di rischio/protettivi a livello cellulare, genetico, neuro-cognitivo per AD in bambini con DS 5