Cognitive assessment using ERP in child and adolescent psychiatry: Difficulties and opportunities

Event related potentials (ERPs) represent powerful tools to investigate cognitive functioning in child and adolescent psychiatry. So far, the available body of research has largely focused on advancements in analysis methods, with little attention given to the perspective of assessment. The aim of this brief report is to provide recommendations for cognitive ERPs assessment that can be applied across diagnostic categories in child and adolescent psychiatry research. First, we discuss major issues for ERPs testing using examples from common psychiatric disorders. We conclude by summing up our recommendations for methodological standards and highlighting the potential role of ERPs in the field

EEG Biomarkers in Children and Adolescents With Feeding and Eating Disorders: Current Evidence and Future Directions

Introduction: Electroencephalography (EEG) represents a powerful tool to detect abnormal neural dynamics in child and adolescent psychiatry. Feeding and Eating Disorders (FEDs), such as anorexia nervosa (AN), bulimia nervosa (BN), binge eating disorder (BED), and avoidant restrictive food intake disorder (ARFID) onset in childhood and adolescence. EEG has rarely been used to examine cortical brain activity in children and adolescents with FEDs. This review aims to summarize EEG findings in FEDs amongst children and adolescents, and to highlight areas deserving further research. / Methods: We searched the literature for EEG studies on children and adolescents with FEDs using Google Scholar, PsycINFO, Medline, and PubMed. / Results: Twelve studies were identified, the majority focusing on AN (N = 10). The identified studies suggest reduced action monitoring control (preparatory waves, N200, P300), specific perceptual-cognitive styles to body/face perception (late positive potentials/early posterior negativity), as well as fundamental changes in posterior theta oscillations in AN. Behavioral traits of BN/BED (i.e., loss of control eating, emotional eating), and AN seem to be associated with an increased attentional reactivity (P300) to visual food stimuli. / Conclusion: Electroencephalography research in children and adolescents with FEDs is limited and mostly focused on AN. While EEG abnormalities seem consistent with a reduced top-down control and attentional allocation deficits in AN, altered attention specific to food cues emerges across FEDs. Overcoming conventional EEG analyses, and investigating spatial properties (i.e., electrical neuroimaging), will enhance our understanding of FEDs neurobiology

Temporal dynamics of cognitive flexibility in adolescents with anorexia nervosa: A high-density EEG study

Impairment in cognitive flexibility is a core symptom of anorexia nervosa (AN) and is associated with treatment resistance. Nevertheless, studies on the neural basis of cognitive flexibility in adolescent AN are rare. This study aimed to investigate brain networks underlying cognitive flexibility in adolescents with AN. To address this aim, participants performed a Dimensional Change Card Sorting task during high-density electroencephalography (EEG) recording. Anxiety was measured with the State–Trait Anxiety Inventory. Data were collected on 22 girls with AN and 23 controls. Evoked responses were investigated using global-spatial analysis. Adolescents with AN showed greater overall accuracy, fewer switch trial errors and reduced inverse efficiency switch cost relative to controls, although these effects disappeared after adjusting for trait and state anxiety. EEG results indicated augmented early visual orienting processing (P100) and subsequent impaired attentional mechanisms to task switching (P300b) in subjects with AN. During task switching, diminished activations in subjects with AN were identified in the posterior cingulate, calcarine sulcus and cerebellum, and task repetitions induced diminished activations in a network involving the medial prefrontal cortex, and several posterior regions, compared with controls. No significant associations were found between measures of cognitive flexibility and anxiety in the AN group. Findings of this study suggest atypical neural mechanisms underlying cognitive flexibility in adolescents with AN. More importantly, our findings suggest that different behavioural profiles in AN could relate to differences in anxiety levels. Future research should investigate the efficacy of cognitive training to rebalance brain networks of cognitive flexibility in AN

ERP Modulation during Observation of Abstract Paintings by Franz Kline

The aim of this study was to test the involvement of sensorimotor cortical circuits during the beholding of the static consequences of hand gestures devoid of any meaning.In order to verify this hypothesis we performed an EEG experiment presenting to participants images of abstract works of art with marked traces of brushstrokes. The EEG data were analyzed by using Event Related Potentials (ERPs). We aimed to demonstrate a direct involvement of sensorimotor cortical circuits during the beholding of these selected works of abstract art. The stimuli consisted of three different abstract black and white paintings by Franz Kline. Results verified our experimental hypothesis showing the activation of premotor and motor cortical areas during stimuli observation. In addition, abstract works of art observation elicited the activation of reward-related orbitofrontal areas, and cognitive categorization-related prefrontal areas. The cortical sensorimotor activation is a fundamental neurophysiological demonstration of the direct involvement of the cortical motor system in perception of static meaningless images belonging to abstract art. These results support the role of embodied simulation of artist’s gestures in the perception of works of art

Parieto-Frontal Circuits During Observation of Hidden and Visible Motor Acts in Children. A High-density EEG Source Imaging Study

Several studies showed that in the human brain specific premotor and parietal areas are activated during the execution and observation of motor acts. The activation of this premotor-parietal network displaying the so-called Mirror Mechanism (MM) was proposed to underpin basic forms of action understanding. However, the functional properties of the MM in children are still largely unknown. In order to address this issue, we recorded high-density EEG from 12 children (6 female, 6 male; average age 10.5, SD ±2.15). Data were collected when children observed video clips showing hands grasping objects in two different experimental conditions: (1) Full Vision, in which the motor act was fully visible; (2) Hidden, in which the interaction between the hand and the object was not visible. Event-related potentials (ERPs) and topographic map analyses were used to investigate the temporal pattern of the ERPs and their brain source of localization, employing a children template of the Montreal Neurological Institute. Results showed that two different parieto-premotor circuits are activated by the observation of object-related hand reaching-to-grasping motor acts in children. The first circuit comprises the ventral premotor and the inferior parietal cortices. The second one comprises the dorsal premotor and superior parietal cortices. The activation of both circuits is differently lateralized and modulated in time, and influenced by the amount of visual information available about the hand grasping-related portion of the observed motor acts

Time course and specificity of sensory-motor alpha modulation during the observation of hand motor acts and gestures: a high density EEG study

The main aim of the present study was to explore, by means of high-density EEG, the intensity and the temporal pattern of event-related sensory-motor alpha desynchronization (ERD) during the observation of different types of hand motor acts and gestures. In particular, we aimed to investigate whether the sensory-motor ERD would show a specific modulation during the observation of hand behaviors differing for goal-relatedness (hand grasping of an object and meaningless hand movements) and social relevance (communicative hand gestures and grasping within a social context). Time course analysis of alpha suppression showed that all types of hand behaviors were effective in triggering sensory-motor alpha ERD, but to a different degree depending on the category of observed hand motor acts and gestures. Meaningless gestures and hand grasping were the most effective stimuli, resulting in the strongest ERD. The observation of social hand behaviors such as social grasping and communicative gestures, triggered a more dynamic time course of ERD compared to that driven by the observation of simple grasping and meaningless gestures. These findings indicate that the observation of hand motor acts and gestures evoke the activation of a motor resonance mechanism that differs on the basis of the goal-relatedness and the social relevance of the observed hand behavior

High-density EEG and the Mirror Mechanism in children. Two empirical studies conducted on Typical Development children and children with Autism Spectrum Disorder

Numerosi studi hanno dimostrato la presenza di un meccanismo di rispecchiamento motorio in bambini di pochi mesi di vita, così come in bambini di età scolare (Marschall e Meltozf, 2011). Per i bambini di fascia di età scolare è stato sottolineato che la maggior parte delle evidenze empiriche, proviene da studi che hanno indagato il Meccanismo Specchio (MS) nel Disturbo dello Spettro Autistico (DSA). In relazione al profilo clinico delle persone con DSA (APA, 2000), è stato infatti ipotizzato che alcuni dei deficit manifestati in questa patologia, potrebbero essere la conseguenza di un alterato sviluppo nelle intrinseche proprietà del sistema motorio (Gallese, 2003; Gallese e Rochat, 2009). In generale, la maggior parte degli studi, che si sono occupati del MS in età evolutiva, hanno impiegato come tecnica di indagine l’Elettroencefalogramma (EEG). Di seguito vengono presentati due studi che sono stati realizzati in bambini di età scolare, impiegando l’EEG come tecnica. Per entrambi questi esperimenti abbiamo utilizzato il paradigma originale di Umiltà et al. (2001). In particolare, l'obiettivo principale del primo studio è stato quello di indagare nei bambini con DSA e a ST, l'intensità della soppressione dell’alfa sensori-motorio, durante l'osservazione di atti motori di afferramento, eseguiti in due diverse Condizioni sperimentali: una mano afferra un oggetto: (Condizione “Interamente visibile”), una mano afferra un oggetto, ma l'interazione tra la mano e l’oggetto viene nascosta da uno schermo nero (Condizione “Oscurata”). Inoltre, è stato esplorato il ruolo della “familiarità/semantica” degli oggetti afferrabili, ossia, della relativa influenza sulla soppressione dell’alfa sensori-motorio. Infine, nel tentativo di chiarire i controversi risultati di fMRI, le modulazioni dell’alfa sensori-motorio sono state investigate mediante una analisi di “soppressione per ripetizione ". Il primo risultato che merita di essere evidenziato è la soppressione dell’alfa indotta in entrambi i gruppi di bambini durante l'osservazione delle Condizione “Oscurata”, confermando come ci si aspettava dal lavoro Southgate et al. (2010), il pattern ottenuto in bambini di pochi mesi. Tuttavia, diversamente da Southgate et al. (2010), i presenti risultati mostrano che l'osservazione della Condizione “Interamente Visibile” suscita in entrambi i gruppi di bambini un livello più elevato di soppressione, se confrontato con l'osservazione della Condizione “Oscurata”. Le ragioni per cui l'osservazione di afferramento “Oscurato” induce minore attivazione del MS possono essere diverse. In primo luogo, i dati recenti di sul MS negli esseri umani sottolineano che la corteccia post-centrale può essere considerata parte integrante del circuito dei neuroni-specchio (vedi Keysers, Kaas e Gazzola 2010; Arnstein et al 2011). E 'possibile che la Condizione “Visibile” renda più esplicite agli osservatori le conseguenze sensoriali dell'azione osservata (per esempio, l’interazione/contatto mano-oggetto). Tali informazioni sono chiaramente mancanti nella Condizione “Oscurata”. Se questo è vero, i risultati ottenuti sembrerebbero suggerirebbe che sia i bambini a ST che i bambini con DSA sono ugualmente sensibili alla disponibilità visiva delle conseguenze somato-sensoriali delle azioni osservate. In secondo luogo, Umiltà et al. (2001) hanno dimostrato che solo il 50% dei neuroni pre-motori, testati nel macaco, rispondono alla Condizione “Oscurata”. Di conseguenza, i nostri risultati potrebbero anche dipendere da un numero inferiore di neuroni specchio attivati nella stessa Condizione. Inoltre, i nostri dati hanno mostrato una funzionalità alterata e lateralizzata del MS, nei bambini con DSA: caratterizzata da mancanza di soppressione dell’alfa sensori-motorio, nell'emisfero sinistro, durante l'osservazione dell’afferramento di un oggetto neutro, ed una significativa ridotta soppressione, nell'emisfero destro, durante l'osservazione dell’afferramento del giocattolo. E’ stata inoltre trovata una significativa correlazione negativa tra la soppressione dell’alfa sensori-motorio, nell'emisfero destro, durante l'osservazione dell’atto motorio di afferramento di un giocattolo e la sottoscala sociale dell’ADOS. Non sono state rilevate differenze tra i gruppi durante l'osservazione della Condizione “Oscurata”. L'approccio di analisi di “soppressione per ripetizione” non ha mostrato effetti di adattamento, nella potenza dell’alfa sensori-motorio, per entrambi i gruppi. Sulla base dei risultati attuali, proponiamo che alcuni dei disturbi cognitivi sociali manifestati nel DSA possano essere attribuiti ad una specifica compromissione della intrinseca organizzazione del sistema motorio corticale. Nel secondo studio, con la finalità di indagare i circuiti parieto-frontali con proprietà specchio, in bambini di età scolare, abbiamo registrato i Potenziali Evocati, durante l'osservazione dei due diversi tipi di atti motori sopra illustrati: la Condizione “Interamente visibile”, e la Condizione “Oscurata”. In questo secondo studio, le potenzialità dell’EEG ad alta densità e tecniche di localizzazione delle sorgenti cerebrali sono state impiegate per esplorare e descriverne i pattern temporali di attivazione delle due diverse Condizioni sperimentali. I potenziali registrati durante l’osservazione dell’interazione mano/oggetto (da 500 a 1000ms), Visibile e Oscurata, sono potenziali evocati tardivi. La Condizione “Interamente Visibile” e la Condizione “Oscurata” hanno mostrato modelli diversi di forma d’onda degli ERP (confermato dall’analisi di ampiezza degli ERP e dalla analisi TANOVA), aspetto che si è riflesso nelle diverse attivazioni, e nelle differenti temporizzazioni di processi comuni. Nel presente lavoro, con il metodo della localizzazione delle sorgenti (LAURA), abbiamo dimostrato che, nei bambini di età scolare, entrambe le nostre Condizioni si sono rilevate capaci di attivare aree tradizionalmente pensate essere parte del "Circuito Specchio di afferramento": la corteccia premotoria (BA6) e il lobo parietale inferiore (BA40) (vedi: Rizzolati, Sinigaglia 2010). Nei bambini, la Condizione “Interamente Visibile” ha indotto: prima, una attivazione generale posteriore (BA7, BA40), assieme ad una attivazione, sinistra, a livello frontale (BA6), quindi, un aumento di attivazione nella regione premotoria di destra (parte più ventrale) (BA6), infine, una generale diminuzione delle risposte. Un pattern analogo è stato osservato per la Condizione “Oscurata”, tuttavia, contraddistinto da una iniziale e prolungata risposta nel lobo parietale inferiore di destra (BA40) e da una assenza di attivazione in premotoria ventrale di destra. Un altro aspetto interessante emerso è che in entrambe le Condizioni questo meccanismo non sembra essere limitato alla corteccia premotoria ventrale e al lobo parietale inferiore, piuttosto sembra coinvolgere diversi circuiti; alcune di queste attivazioni riguardano una parte dorsale della corteccia premotoria (BA6: ‘superior frontal gyrus’), e il lobulo parietale superiore (BA7): aree che si pensa siano parte del così detto "circuito di raggiungimento" (la fase di “trasporto”, si veda: Filimon et al., 2007). Infine, per la Condizione “Oscurata” sono state registrate numerose attivazioni (BA17, BA19, BA10), rispetto alla Condizione “Interamente Visibile”: che sembrerebbero indicare, in generale, un maggior coinvolgimento di processi di varia natura. In sintesi, questo studio fornisce la prima descrizione dei circuiti parieto-frontali durante l'osservazione dell'azione nei bambini. I nostri risultati rappresentano la prima evidenza che anche nei bambini la comprensione dell’azione suscitata un forte coinvolgimento di questo circuito, modulato nel tempo ed influenzato dalla trasparenza dello scopo dell'azione osservata