Spotlight of attention in Developmental Dyslexia

Abstract

Developmental dyslexia (DD) is a neurodevelopmental disorder characterized by a reading impairment in spite of normal intellectual functioning and educational opportunities. Despite of the vast amount of studies, the causes of this condition and the mechanisms underlying such causes remain under debate and are still a subject of intensive research. Although phonological processing deficits are well established as core deficits in DD, it has been suggested that visuo-attentional impairments may also contribute to the pathophysiology of this condition. The main focus of this thesis is the characterization of multiple visuo-attentional processes in DD and of the relationship between these processes and the reading deficits present in this condition. In this work, a combination of different modalities is used, such as psychophysics, eye-tracking and neuroimaging, and different dyslexic populations are studied, namely children and adults, in order to allow a comprehensive understanding of the visuo-attentional mechanisms in DD. Since visual perception is implicated in such mechanisms, the first study of this thesis was focused on characterizing visual perception in DD. Given previous associations between abnormal dorsal stream processing and reading impairments, we used an innovative approach to infer dorsal impairments in DD population. The approach consisted of a battery of tasks following a gradient of dorsal stream contribution - a chromatic contrast sensitivity task (weak dorsal stream contribution), an intermediate spatial frequency contrast sensitivity task (mild dorsal stream contribution) and a local speed discrimination task (strong dorsal stream contribution). We confirmed that the higher the dorsal stream involvement, the higher the differences between DD children and typical readers. We also demonstrated that the higher the involvement of dorsal processing, the stronger the correlation to reading measures. After characterizing visual perception, we went to investigate different visuo-attentional processes in DD. In the second study of this thesis, we showed, for the first time, that dyslexic adults have global temporal deficits and abnormal distribution of attention in a task requiring exogenous orienting of attention. Importantly, we also demonstrated that their attentional cueing effects are dependent on the eccentricity, with an inability to efficiently use cues to rapidly direct attention to more peripheral eccentricities. In the third study of the thesis, we addressed the perceptual noise exclusion theory by investigating how low-level visual noise interferes with lexical and sub-lexical reading processes in DD children and typical readers. Contrary to the theory’s predictions, we showed that the presence of noise does not affect reading of DD children more than that of controls. Moreover, we found a stronger effect of low-level noise in sub-lexical reading than in lexical reading, indicating that the type of reading stimuli and consequent reading strategies play an important role in determining the effects of noise interference in reading. Finally, we conducted a fMRI study to investigate brain functioning in DD. Particularly, we studied the left ventral occipito-temporal cortex (VOTC), a region associated to memory-based visual-orthographic word recognition and that includes the Visual Word Form Area (VWFA) which has been described as an area specifically tuned to process letter strings. Based on the notion of a posterior-to-anterior gradient of increasing print specificity in VOTC, and contrary to the majority of the studies which focused exclusively on the analyses of the VWFA, we evaluated print tuning in DD along the whole VOTC. We corroborated previous studies by demonstrating an underactivation to print stimuli in the VWFA of dyslexics. Additionally, we also found differences in a more anterior area, indicating a possible role of this area in word processing and suggesting the involvement of multiple areas within VOTC in the reading impairments. In sum, the work presented in the current thesis provides novel clues to the current understanding of DD, by demonstrating that Portuguese dyslexics have impaired visual and visuo-attentional processing and a distinct neural organization. These findings increment the current characterization of this condition, essential for the development of improved methods for diagnosis and remediation.

A dislexia do desenvolvimento (DD) é uma perturbação do neurodesenvolvimento caracterizada pela incapacidade em descodificar e processar informação escrita, apesar de um nível intelectual normal e da existência de instrução adequada para a aprendizagem da leitura. Não obstante a extensa investigação existente sobre a DD, as suas causas, bem como os mecanismos que as subjazem, continuam a ser alvo de estudo e de debate. É comummente aceite que os défices no processamento fonológico são centrais na DD. No entanto, tem sido sugerido que défices em funções visuo-atencionais podem também contribuir para a patofisiologia desta perturbação. Esta tese tem como principal objectivo caracterizar múltiplos processos visuo-atencionais na DD, bem como a sua relação com as dificuldades de leitura presentes nesta perturbação. No sentido de permitir uma compreensão mais abrangente desta temática, foram usados nesta tese diversos métodos, tais como testes psicofísicos, medição dos movimentos oculares e neuroimagem funcional, e foram estudadas diferentes populações, nomeadamente crianças e adultos. Tendo em conta que a percepção visual está implicada nos processos visuo-atencionais, o primeiro estudo descrito nesta tese focou-se na caracterização da percepção visual na DD. Estudos prévios têm descrito uma associação entre alterações no processamento da via visual dorsal e os défices de leitura. Nesse sentido, usámos, neste estudo, uma abordagem inovadora para inferir alterações na via dorsal na população com DD. A abordagem consistiu no desenho de uma bateria de testes visuais que seguem um gradiente de contribuição da via dorsal – um teste de sensibilidade ao contraste cromático (fraca contribuição da via dorsal), um teste de sensibilidade ao contraste com frequências espaciais intermédias (ligeira contribuição da via dorsal) e uma tarefa de discriminação de velocidade (forte contribuição da via dorsal). O nosso estudo confirmou que quanto maior o envolvimento da via visual dorsal, maiores as diferenças entre o desempenho das crianças com DD e o das crianças sem dificuldades de leitura. Demonstrámos também que quando o envolvimento da via visual dorsal é maior, a correlação com as medidas de leitura é mais forte. Após a caracterização da percepção visual, a nossa investigação focou-se em diferentes processos visuo-atencionais na DD. No segundo estudo desta tese, usando uma tarefa que requer orientação exógena da atenção, demonstrámos, pela primeira vez, que os adultos com dislexia exibem défices temporais na orientação exógena da atenção, bem como alterações na sua distribuição espacial. Demonstrámos também que, nos disléxicos, o efeito das pistas atencionais é dependente da excentricidade visual, o que se traduz por uma incapacidade de usar pistas para dirigir eficaz e rapidamente a atenção em exentricidades visuais mais periféricas. No terceiro estudo da tese, abordámos a teoria da exclusão perceptual do ruído investigando a interferência do ruído visual de baixo nível nos processos lexicais e sub-lexicais em crianças com DD e em controlos. Demonstrámos, contra as previsões da teoria, que a presença de ruído não afecta de forma mais significativa a performance das crianças com DD do que a dos controlos. Demonstrámos também que o efeito do ruído é superior na leitura sub-lexical do que na lexical. Este resultado sugere que o tipo de estímulos e estratégias de leitura têm um papel importante na determinação dos efeitos do ruído na leitura. Por último, desenvolvemos um estudo com ressonância magnética funcional para investigar o funcionamento cerebral na DD. Estudámos, em particular, o córtice occipito-temporal ventral (VOTC) esquerdo, uma região associada ao reconhecimento das palavras baseado na memória visual ortográfica. Esta região inclui a Área da Forma Visual da Palavra (VWFA) que tem sido descrita como uma área especializada no processamento de palavras. Diferentes estudos têm sugerido um gradiente de especialização do processamento no VOTC. Contudo, a maioria da investigação do VOTC na DD focou-se exclusivamente no estudo da VWFA. O nosso estudo pretendeu analisar o processamento de estímulos de leitura em toda a extensão do VOTC. Em primeiro lugar, em consonância com outros estudos, demonstrámos hipoactivação para estímulos de leitura na VWFA dos disléxicos. No entanto, encontrámos também diferenças significativas numa área anterior do VOTC, sugerindo que esta área poderá ter também uma função no processamento de palavras. Desta forma, os resultados deste estudo sugerem o envolvimento de várias áreas no VOTC nos défices de leitura. O trabalho aqui apresentado demonstra défices visuais e visuo-atencionais e uma organização neuronal distinta na DD, fornecendo novas pistas para a compreensão dos mecanismos envolvidos nesta perturbação. Este trabalho contribui, desta forma, para a caracterização da DD, essencial para o desenvolvimento de métodos eficazes de diagnóstico e reabilitação.