Examining the link between information processing speed and executive functioning in multiple sclerosis

Slowed information processing speed (IPS) is frequently reported in those with multiple sclerosis (MS), and at least 20% are compromised on some aspect of executive functioning also. However, any relationship between these two processes has not been examined. The Sternberg Memory Scanning Test, Processing Speed Index (WAIS-III), Delis Kaplan Executive Function System (D.KEFS), and Working Memory Index (WMS-III) were administered to 90 participants with MS. Their performance on the PSI was significantly below the normative scores but no deficits in memory scanning speed were evident. The initial response speed of the Sternberg and the PSI were more closely related to D.KEFS performance, particularly in timed tasks with a high cognitive demand (switching tasks). In contrast, memory scanning speed was related to working memory. This study reinforces the link between IPS and working memory in MS, and supports the suggestion that IPS is not a unitary construct

Preserved Extra-Foveal Processing of Object Semantics in Alzheimer’s Disease

Alzheimer’s disease (AD) patients underperform on a range of tasks requiring semantic processing, but it is unclear whether this impairment is due to a generalised loss of semantic knowledge or to issues in accessing and selecting such information from memory. The objective of this eye-tracking visual search study was to determine whether semantic expectancy mechanisms known to support object recognition in healthy adults are preserved in AD patients. Furthermore, as AD patients are often reported to be impaired in accessing information in extra-foveal vision, we investigated whether that was also the case in our study. Twenty AD patients and 20 age-matched controls searched for a target object among an array of distractors presented extra-foveally. The distractors were either semantically related or unrelated to the target (e.g., a car in an array with other vehicles or kitchen items). Results showed that semantically related objects were detected with more difficulty than semantically unrelated objects by both groups, but more markedly by the AD group. Participants looked earlier and for longer at the critical objects when these were semantically unrelated to the distractors. Our findings show that AD patients can process the semantics of objects and access it in extra-foveal vision. This suggests that their impairments in semantic processing may reflect difficulties in accessing semantic information rather than a generalised loss of semantic memory

Executive function & semantic memory impairments in Alzheimer’s disease — investigating the decline of executive function and semantic memory in Alzheimer’s disease through computer-supported qualitative analysis of semantic verbal fluency and its applications in clinical decision support

Alzheimer’s Disease (AD) has a huge impact on an ever-aging society in highly developed industrialized countries such as the EU member states: according to the World Alzheimer’s Association the number one risk factor for AD is age. AD patients suffer from neurodegenerative processes driving cognitive decline which eventually results in the loss of patients’ ability of independent living. Episodic memory impairment is the most prominent cognitive symptom of AD in its clinical stage. In addition, also executive function and semantic memory impairments significantly affect activities of daily living and are discussed as important cognitive symptoms during prodromal as well as acute clinical stages of AD. Most of the research on semantic memory impairments in AD draws evidence from the Semantic Verbal Fluency (SVF) task which evidentially also places high demands on the executive function level. At the same time, the SVF is one of the most-applied routine assessments in clinical neuropsychology especially in the diagnosis of AD. Therefore, the SVF is a prime task to study semantic memory and executive function impairment side-by-side and draw conclusions about their parallel or successive impairments across the clinical trajectory of AD. To effectively investigate semantic memory and executive function processes in the SVF, novel computational measures have been proposed that tap into data-driven semantic as well as temporal metrics scoring an SVF performance on the item-level. With a better and more differentiated understanding of AD-related executive function and semantic memory impairments in the SVF, the SVF can grow from a well-established screening into a more precise diagnostic tool for early AD. As the SVF is one of the most-applied easy-to-use and low-burden neurocognitive assessments in AD, such advancements have a direct impact on clinical practice as well. For the last decades huge efforts have been put on the discovery of disease-modifying compounds responding to specific AD biomarker-related cognitive decline characteristics. However, as most pharmaceutical trials failed, the focus has shifted towards population-wide early screening with cost-effective and scalable cognitive tests representing an effective mid-term strategy. Computer-supported SVF analysis responds to this demand. This thesis pursues a two-fold objective: (1) improve our understanding of the progressive executive function and semantic memory impairments and their interplay in clinical AD as measured by the SVF and (2) harness those insights for applied early and specific AD screening. To achieve both objectives, this thesis comprises work on subjects from different clinical stages of AD (Healthy Aging, amnestic Mild Cognitive Impairment—aMCI, and AD dementia) and in different languages (German & French). All results are based on SVF speech data generated either as a one-time assessment or a repeated within-participant testing. From these SVF speech samples, qualitative markers are extracted with different amount of computational support (ranging from manual processing of speech to fully automated evaluation). The results indicate, that semantic memory is structurally affected from an early clinical—amnestic Mild Cognitive Impairment (aMCI)—stage on and is even more affected in the later acute dementia stage. The semantic memory impairment in AD is particularly worsened through the patients’ inability to compensate by engaging executive functions. Hence, over the course of the disease, hampered executive functioning and therefore the inability to compensate for corrupt semantic memory structures might be the main driver of later-stage AD patients’ notably poor cognitive performance. These insights generated on the SVF alone are only made possible through computer-supported qualitative analysis on an item-per-item level which leads the way towards potential applications in clinical decision support. The more fine-grained qualitative analysis of the SVF is clinically valuable for AD diagnosis and screening but very time-consuming if performed manually. This thesis shows though that automatic analysis pipelines can reliably and validly generate this diagnostic information from the SVF. Automatic transcription of speech plus automatic extraction of the novel qualitative SVF features result in clinical interpretation comparable to manual transcripts and improved diagnostic decision support simulated through machine learning classification experiments. This indicates that the computer-supported SVF could ultimately be used for cost-effective fully automated early clinical AD screening. This thesis advances current AD research in a two-fold manner. First it improves the understanding of the decline of executive function and semantic memory in AD as measured through computational qualitative analysis of the SVF. Secondly, this thesis embeds these theoretical advances into practical clinical decision support concepts that help screen population-wide and cost-effective for early-stage AD.Die Alzheimer-Krankheit (AD) stellt eine enorme Herausforderung für die immer älter werdende Gesellschaft in hochentwickelten Industrieländern wie den EU-Mitgliedsstaaten dar. Nach Angaben der World Alzheimer's Association ist der größte Risikofaktor für AD das Alter. Alzheimer-Patienten leiden unter neurodegenerativen Prozessen, die kognitiven Abbau verursachen und schließlich dazu führen, dass Patienten nicht länger selbstbestimmt leben können. Die Beeinträchtigung des episodischen Gedächtnisses ist das prominenteste kognitive Symptom von AD im klinischen Stadium. Darüber hinaus führen auch Störungen der Exekutivfunktionen sowie der semantischen Gedächtnisleistung zu erheblichen Einschränkungen bei Aktivitäten des täglichen Lebens und werden als wichtige kognitive Symptome sowohl im Prodromal- als auch im akuten klinischen Stadium von AD diskutiert. Der Großteil der Forschung zu semantischen Gedächtnisbeeinträchtigungen bei AD stützt sich auf Ergebnisse aus dem Semantic Verbal Fluency Tests (SVF), der auch die Exekutivfunktionen stark fordert. In der Praxis ist die SVF eines der am häufigsten eingesetzten Routine- Assessments in der klinischen Neuropsychologie, insbesondere bei der Diagnose von AD. Daher ist die SVF eine erstklassige Aufgabe, um die Beeinträchtigung des semantischen Gedächtnisses und der exekutiven Funktionen Seite an Seite zu untersuchen und Rückschlüsse auf ihre parallelen oder sukzessiven Beeinträchtigungen im klinischen Verlauf von AD zu ziehen. Um semantische Gedächtnis- und Exekutivfunktionsprozesse in der SVF effektiv zu untersuchen, wurden jüngst neuartige computergestützte Verfahren vorgeschlagen, die sowohl datengetriebene semantische als auch temporäre Maße nutzen, die eine SVF-Leistung auf Item-Ebene bewerten. Mit einem besseren und differenzierteren Verständnis von ADbedingten Beeinträchtigungen der Exekutivfunktionen und des semantischen Gedächtnisses in der SVF kann sich die SVF von einem gut etablierten Screening zu einem präziseren Diagnoseinstrument für frühe AD entwickeln. Da die SVF eines der am häufigsten angewandten, einfach zu handhabenden und wenig belastenden neurokognitiven Assessments bei AD ist, haben solche Fortschritte auch einen direkten Einfluss auf die klinische Praxis. In den letzten Jahrzehnten wurden enorme Anstrengungen unternommen, um krankheitsmodifizierende Substanzen zu finden, die auf spezifische, mit AD-Biomarkern verbundene Merkmale des kognitiven Abbaus reagieren. Da jedoch die meisten pharmazeutischen Studien in jüngster Vergangenheit fehlgeschlagen sind, wird heute als mittelfristige Strategie bevölkerungsweite Früherkennung mit kostengünstigen und skalierbaren kognitiven Tests gefordert. Die computergestützte SVF-Analyse ist eine Antwort auf diese Forderung. Diese Arbeit verfolgt deshalb zwei Ziele: (1) Verbesserung des Verständnisses der fortschreitenden Beeinträchtigungen der Exekutivfunktionen und des semantischen Gedächtnisses und ihres Zusammenspiels bei klinischer AD, gemessen durch die SVF, und (2) Nutzung dieser Erkenntnisse für angewandte AD-Früherkennung. Um beide Ziele zu erreichen, umfasst diese Thesis Forschung mit Probanden aus verschiedenen klinischen AD Stadien (gesundes Altern, amnestisches Mild Cognitive Impairment-aMCI, und AD-Demenz) und in verschiedenen Sprachen (Deutsch & Französisch). Alle Ergebnisse basieren auf SVF Sprachdaten, erhoben im Querschnittdesign oder als wiederholte Testung in einem Längsschnittdesign. Aus diesen SVF-Sprachproben werden mit unterschiedlicher rechnerischer Unterstützung qualitative Marker extrahiert (von manueller Verarbeitung der Sprache bis hin zu vollautomatischer Auswertung). Die Ergebnisse zeigen, dass das semantische Gedächtnis bereits im frühen aMCI Stadium strukturell beeinträchtigt ist und im späteren akuten Demenzstadium noch stärker betroffen ist. Die strukturelle Beeinträchtigung des semantischen Gedächtnisses bei Alzheimer wird insbesondere dadurch verschlimmert, dass die Patienten nicht in der Lage sind, dies durch den Einsatz exekutiver Funktionen zu kompensieren. Daher könnten im Verlauf der Erkrankung eingeschränkte Exekutivfunktionen und damit die Unfähigkeit, degenerierte semantische Gedächtnisstrukturen zu kompensieren, die Hauptursache für die auffallend schlechten kognitiven Leistungen von AD-Patienten im Akutstadium sein. Diese Erkenntnisse basierend auf der SVF alleine werden erst durch die computergestützte qualitative Analyse auf Item-per-Item-Ebene möglich und weisen den Weg zu möglichen Anwendungen in der klinischen Entscheidungsunterstützung. Die feinkörnigere qualitative Analyse der SVF ist klinisch wertvoll für die AD-Diagnose und das Screening, aber sehr zeitaufwändig, wenn sie manuell durchgeführt wird. Diese Arbeit zeigt jedoch, dass automatische Analysepipelines diese diagnostischen Informationen zuverlässig und valide aus der SVF generieren können. Die automatische Transkription von Sprache plus die automatische Extraktion der neuartigen qualitativen SVF-Merkmale führen zu einer klinischen Interpretation, die mit manuellen Analysen vergleichbar ist. Diese Verarbeitung führt auch zu einer verbesserten diagnostischen Entscheidungsunterstützung, die durch Klassifikationsexperimente mit maschinellem Lernen simuliert wurde. Dies deutet darauf hin, dass die computergestützte SVF letztendlich für ein kostengünstiges vollautomatisches klinisches AD-Frühscreening eingesetzt werden könnte. Diese Arbeit bringt die aktuelle AD-Forschung auf zweifache Weise voran. Erstens verbessert sie unser Verständnis der kognitiven Einschränkungen im Bereich der Exekutivfunktionen und des semantischen Gedächtnisses bei AD, gemessen durch die computergestützte qualitative Analyse der SVF. Zweitens bettet diese Arbeit diese theoretischen Fortschritte in ein praktisches Konzept zur klinischen Entscheidungsunterstützung ein, das zukünftig ein bevölkerungsweites und kosteneffektives Screening für AD im Frühstadium ermöglichen könnte

Automatic Detection of Dementia and related Affective Disorders through Processing of Speech and Language

In 2019, dementia is has become a trillion dollar disorder. Alzheimer’s disease (AD) is a type of dementia in which the main observable symptom is a decline in cognitive functions, notably memory, as well as language and problem-solving. Experts agree that early detection is crucial to effectively develop and apply interventions and treatments, underlining the need for effective and pervasive assessment and screening tools. The goal of this thesis is to explores how computational techniques can be used to process speech and language samples produced by patients suffering from dementia or related affective disorders, to the end of automatically detecting them in large populations us- ing machine learning models. A strong focus is laid on the detection of early stage dementia (MCI), as most clinical trials today focus on intervention at this level. To this end, novel automatic and semi-automatic analysis schemes for a speech-based cogni- tive task, i.e., verbal fluency, are explored and evaluated to be an appropriate screening task. Due to a lack of available patient data in most languages, world-first multilingual approaches to detecting dementia are introduced in this thesis. Results are encouraging and clear benefits on a small French dataset become visible. Lastly, the task of detecting these people with dementia who also suffer from an affective disorder called apathy is explored. Since they are more likely to convert into later stage of dementia faster, it is crucial to identify them. These are the fist experiments that consider this task us- ing solely speech and language as inputs. Results are again encouraging, both using only speech or language data elicited using emotional questions. Overall, strong results encourage further research in establishing speech-based biomarkers for early detection and monitoring of these disorders to better patients’ lives.Im Jahr 2019 ist Demenz zu einer Billionen-Dollar-Krankheit geworden. Die Alzheimer- Krankheit (AD) ist eine Form der Demenz, bei der das Hauptsymptom eine Abnahme der kognitiven Funktionen ist, insbesondere des Gedächtnisses sowie der Sprache und des Problemlösungsvermögens. Experten sind sich einig, dass eine frühzeitige Erkennung entscheidend für die effektive Entwicklung und Anwendung von Interventionen und Behandlungen ist, was den Bedarf an effektiven und durchgängigen Bewertungsund Screening-Tools unterstreicht. Das Ziel dieser Arbeit ist es zu erforschen, wie computergest ützte Techniken eingesetzt werden können, um Sprach- und Sprechproben von Patienten, die an Demenz oder verwandten affektiven Störungen leiden, zu verarbeiten, mit dem Ziel, diese in großen Populationen mit Hilfe von maschinellen Lernmodellen automatisch zu erkennen. Ein starker Fokus liegt auf der Erkennung von Demenz im Frühstadium (MCI), da sich die meisten klinischen Studien heute auf eine Intervention auf dieser Ebene konzentrieren. Zu diesem Zweck werden neuartige automatische und halbautomatische Analyseschemata für eine sprachbasierte kognitive Aufgabe, d.h. die verbale Geläufigkeit, erforscht und als geeignete Screening-Aufgabe bewertet. Aufgrund des Mangels an verfügbaren Patientendaten in den meisten Sprachen werden in dieser Arbeit weltweit erstmalig mehrsprachige Ansätze zur Erkennung von Demenz vorgestellt. Die Ergebnisse sind ermutigend und es werden deutliche Vorteile an einem kleinen französischen Datensatz sichtbar. Schließlich wird die Aufgabe untersucht, jene Menschen mit Demenz zu erkennen, die auch an einer affektiven Störung namens Apathie leiden. Da sie mit größerer Wahrscheinlichkeit schneller in ein späteres Stadium der Demenz übergehen, ist es entscheidend, sie zu identifizieren. Dies sind die ersten Experimente, die diese Aufgabe unter ausschließlicher Verwendung von Sprache und Sprache als Input betrachten. Die Ergebnisse sind wieder ermutigend, sowohl bei der Verwendung von reiner Sprache als auch bei der Verwendung von Sprachdaten, die durch emotionale Fragen ausgelöst werden. Insgesamt sind die Ergebnisse sehr ermutigend und ermutigen zu weiterer Forschung, um sprachbasierte Biomarker für die Früherkennung und Überwachung dieser Erkrankungen zu etablieren und so das Leben der Patienten zu verbessern

Reflections on the nature of measurement in language-based automated assessments of patients' mental state and cognitive function

Modern advances in computational language processing methods have enabled new approaches to the measurement of mental processes. However, the field has primarily focused on model accuracy in predicting performance on a task or a diagnostic category. Instead the field should be more focused on determining which computational analyses align best with the targeted neurocognitive/psychological functions that we want to assess. In this paper we reflect on two decades of experience with the application of language-based assessment to patients' mental state and cognitive function by addressing the questions of what we are measuring, how it should be measured and why we are measuring the phenomena. We address the questions by advocating for a principled framework for aligning computational models to the constructs being assessed and the tasks being used, as well as defining how those constructs relate to patient clinical states. We further examine the assumptions that go into the computational models and the effects that model design decisions may have on the accuracy, bias and generalizability of models for assessing clinical states. Finally, we describe how this principled approach can further the goal of transitioning language-based computational assessments to part of clinical practice while gaining the trust of critical stakeholders

Trajectories through semantic spaces in schizophrenia and the relationship to ripple bursts

Human cognition is underpinned by structured internal representations that encode relationships between entities in the world (cognitive maps). Clinical features of schizophrenia-from thought disorder to delusions-are proposed to reflect disorganization in such conceptual representations. Schizophrenia is also linked to abnormalities in neural processes that support cognitive map representations, including hippocampal replay and high-frequency ripple oscillations. Here, we report a computational assay of semantically guided conceptual sampling and exploit this to test a hypothesis that people with schizophrenia (PScz) exhibit abnormalities in semantically guided cognition that relate to hippocampal replay and ripples. Fifty-two participants [26 PScz (13 unmedicated) and 26 age-, gender-, and intelligence quotient (IQ)-matched nonclinical controls] completed a category- and letter-verbal fluency task, followed by a magnetoencephalography (MEG) scan involving a separate sequence-learning task. We used a pretrained word embedding model of semantic similarity, coupled to a computational model of word selection, to quantify the degree to which each participant's verbal behavior was guided by semantic similarity. Using MEG, we indexed neural replay and ripple power in a post-task rest session. Across all participants, word selection was strongly influenced by semantic similarity. The strength of this influence showed sensitivity to task demands (category > letter fluency) and predicted performance. In line with our hypothesis, the influence of semantic similarity on behavior was reduced in schizophrenia relative to controls, predicted negative psychotic symptoms, and correlated with an MEG signature of hippocampal ripple power (but not replay). The findings bridge a gap between phenomenological and neurocomputational accounts of schizophrenia

Linking metacognition and mindreading: Evidence from autism and dual-task investigations

Questions of how we know our own and other minds, and whether metacognition and mindreading rely on the same processes, are longstanding in psychology and philosophy. In Experiment 1, children/adolescents with autism (who tend to show attenuated mindreading) showed significantly lower accuracy on an explicit metacognition task than neurotypical children/adolescents, but not on an allegedly metacognitive implicit one. In Experiment 2, neurotypical adults completed these tasks in a single-task condition, or a dual-task condition that required concurrent completion of a secondary task that tapped mindreading. Metacognitive accuracy was significantly diminished by the dual-mindreading-task on the explicit task, but not the implicit task. In Experiment 3, we included additional dual-tasks to rule out the possibility that any secondary task (regardless of whether it required mindreading) would diminish metacognitive accuracy. Finally, in both experiments 1 and 2, metacognitive accuracy on the explicit task, but not the implicit task, was associated significantly with performance on a measure of mindreading ability. These results suggest that explicit metacognitive tasks (used frequently to measure metacognition in humans) share metarepresentational processing resources with mindreading, whereas implicit tasks (which are claimed by some comparative psychologists to measure metacognition in non-human animals) do not