The Neural Correlates Of Attention To Physical Stimuli Of Variable Social Meaning: A Translational Approach To Autism

Abstract

Autism Spectrum Disorder (ASD) is well known by persistent social cognition deficits which are characteristic of its behavioural phenotype and are likely related to the neural mechanisms underlying social attention. Since social attention plays a fundamental role in social orientation and perception of others’ intentions, these impairments cause a series of unadjusted social behaviours which render difficult the building of successful interactions and relationships. These difficulties are hard to overcome, and generally, the outcome in adult life are high levels of dependency on their families or other support services, low rate of employment and reduction of close and satisfying social contacts. The impacts of ASD in families’ daily life are enormous ranging from increased parenting stress to significant financial strain and time pressure largely due to the necessity of intense and continuous early training of behavioural and social skills of autistic individuals. Usually, this training is facilitated by a therapist or teacher and may involve training peers, siblings, or parents to interact with youth with ASD. However, for the whole intervention process to succeed, it implies having a regular and considerable amount of human resources, which makes it a hard task to coordinate, longlasting and more prone to be less systematized. The aim of this thesis is to present a solution to train social skills (specifically joint attention - JA) of ASD subjects that gathers a series of properties that have been advocated by several authors in the field to represent requisites to overcome the generalization problem (among other problems) of the rehabilitation of social skills in ASD subjects in real life settings. These characteristics include high standardization, predictability, immersivity, controlled, and a personalized therapeutic approach. We were able to suggest this solution with the creation of a Brain Computer Interface (BCI), coupled with virtual reality that includes social interactions challenging JA responses, and specific feedback based on the neurophysiological response (P300) to the challenge presented. We expected to promote behavioural learning of automatic responses to JA cues. Naturally, we had to pass through several incremental steps to achieve our goals. It included some conceptual aspects like the dissection of the mechanisms underlying the cognitive processing of realistic and complex social scenes and BCIs, and the validation of the paradigm concept of using social cues to direct the focus of attention to relevant scene signals. Also, some other practical aspects were fundamental to address, such as the search for the best technical solution for the combination of virtual reality with electroencephalography (EEG) based BCI and the viability tests of our BCI as a potential social attention training tool for autism. In sum, we were able to show that realistic animated oddballs with social content generate a specific response that can be successfully classified, even at the single-trial level, and that this specific response is right lateralized for more complex scenes. We also show the feasibility of the introduction of realistic social cues and immersive setups in BCI paradigms and their use in ASD participants. Finally, we investigated whether this type of tool could be used in a structured clinical intervention and how would it be accepted by the target population by running a feasibility clinical trial. To do so, we acquired feasibility metrics which ended up being very positive in terms of assiduity and compliance. We also collected a series of standard neuropsychologic and neurobehavioral data from the participants to scrutinize any potential clinical effect in ASD and these data revealed some positive effects on patient’s mood and mental state translated, for example, by improvements in autism symptoms, sociability, and depression. We also created a new method to evaluate the rate of responses to JA cues (based on eye tracking data) as a tool to ascertain any effect of the BCI intervention, although it lacked sensitivity. Our work gives positive insights into the potential use of realistic stimuli in ecologic environments for clinical applications, and so we hope this work could inspire the investigation of new neurophysiologic-based rehabilitation tools coupled with virtual reality for improving social behaviour in ASD or for intervention in other disorders.

A perturbação do espectro do autismo (PEA) é bem conhecida pela ocorrência persistente de comportamentos sociais desajustados que estão provavelmente relacionados com deficiências nos mecanismos neuronais subjacentes à atenção social. Uma vez que a atenção social é fundamental para a perceção social das intenções dos outros, estas deficiências levam a comportamentos sociais que dificultam a construção de relações interpessoais satisfatórias. É difícil para os indivíduos do espectro do autismo lidar com estas dificuldades e, normalmente, a consequência a longo prazo são elevados níveis de dependência em relação às suas famílias ou outros serviços de apoio, baixa taxa de emprego e a inexistência de relações sociais próximas e satisfatórias. Para além disso, o impacto no dia a dia das famílias das pessoas com PEA é enorme. A necessidade prioritária de recorrer à intervenção precoce nos indivíduos com autismo colocam estas famílias numa pressão financeira e com cargas horárias pesadas. Isto aumenta significativamente o stress parental nestas familias. Normalmente a intervenção precoce envolve o treino intensivo de competências socais e é facultado por meio de terapeutas ou professores especializados e pode implicar a formação de colegas, familiares ou pais para a forma como interagir com a criança com PEA. No entanto, para que todo o processo de intervenção tenha sucesso é necessária uma quantidade de recursos humanos consideravel o que torna o mesmo processo dificil de coordenar, demorado e mais susceptivel de se tornar pouco sistematizado. O objectivo desta tese é apresentar uma solução para o treino de competências socias (especificamente a atenção conjunta) na PEA que reúne uma série de caracteristicas que têm vindo a ser preconizadas por alguns especialistas da área e que podem ajudar a resolver o problema (entre outros) da generalização das competências sociais treinadas para contextos socias reais. Estas caracteristicas são a uniformidade, a previsibilidade, a imersividade, a controlabilidade e a capacidade de personalizar a terapêutica. Nós apresentamos esta solução na forma de uma interface cérebro-computador (ICC), incluída num sistema de realidade virtual, que apresenta interaçõees sociais que promovem a atenção conjunta e que devolve uma resposta retroativa baseada na informação neurofisiológica resultante da interação social promovida. A espectativa é que, com este conceito, ocorra a aprendizagem operante de comportamento adaptativo das pessoas do espectro do autismo e que isso leve ao aumento de probabilidade de ocorrência de episódios bem-sucedidos de atenção conjunta em contextos sociais reais. O sucesso da nossa proposta dependeu, naturalmente, da realização de alguns passos incrementais. Esses passos incluíram o domínio de aspetos conceptuais tais como a compreensão de como é feito o processamento neuro-cognitivo de cenas socias complexas e realísticas e da validação do paradigma de estimulação da ICC tendo como base pistas sociais como guias da atenção. Para além destes passos, foi fundamental abordar aspetos pragmáticos tais como a busca da melhor solução técnica para a combinação da realidade virtual com a ICC havendo a ocorrência simultânea de aquisição de eletroencefalografia (EEG) e, também, os testes de viabilidade de utilização desta ferramenta como forma de treino de competências sociais no autismo. Em suma, fomos capazes de demonstrar que estímulos raros do tipo oddball (gerador da resposta neuronal P300) que incluem conteúdo social dão origem a uma resposta neuronal especifica que pode ser detetada ao nível de single trial e que essa resposta especifica é lateralizada à direita quando a cena no estímulo é mais complexa (inclui animações realistas de movimentos sociais). Também provámos a viabilidade da introdução destes estímulos complexos e animados de forma realista numa ICC, assim como a viabilidade do acoplamento de aparelhos de simulação de imersividade completa (realidade virtual 360º) numa ICC, e a possibilidade da sua utilização na população com PEA. Por fim dedicámo-nos à aferição da possibilidade do uso desta tecnologia como forma de intervenção clínica e de como seria tolerada pela população de estudo alvo recorrendo a um ensaio clínico de exequibilidade. Aqui registámos medidas de viabilidade que se mostraram bastante positivas em termos de assiduidade e adesão. Também recolhemos um conjunto de medidas neuropsicológicas e comportamentais padrão com o objetivo de desvendar algum eventual efeito clinico nos pacientes com PEA. A informação recolhida destas medidas revelou-se bastante interessante a nível do estado mental e do humor dos pacientes, mostrando melhorias em medidas de sintomas de autismo, de depressão e de sociabilidade. Também observámos a necessidade de criar um novo método para avaliar o rácio de respostas bem-sucedidas a pistas de atenção conjunta (baseado em medidas de movimentos oculares) de forma a verificar algum potencial efeito da intervenção com a ICC. No entanto este método não se revelou suficientemente sensível. Fazendo o balanço, acreditamos que o nosso trabalho introduz contributos relevantes acerca da utilização de estímulos realistas e de ambientes de realidade virtual imersivos em aplicações clínicas. Esperamos que isso possa inspirar a investigação e criação de novas ferramentas de reabilitação deste tipo, e que essas ferramentas tenham como base, cada vez mais, a utilização de medidas neurofisiológicas com o objetivo de melhorar a eficiência do treino de qualquer tipo de competência em patologias do neurodesenvolvimento.