Investigation of the dorsal stream hypothesis in Williams syndrome

Abstract

O Síndrome de Williams (SW) é uma perturbação genética rara do neurodesenvolvimento caracterizada por alterações sensoriais, cognitivas e neuroanatómicas. Esta patologia constitui, por isso, um modelo ímpar para investigar a natureza modular (ou não) dos processos cognitivos, dado que proporciona uma oportunidade rara de estudo das relações entre genes, cérebro e comportamento. O SW tem suscitado interesse no domínio das neurociências cognitivas, devido ao seu perfil cognitivo peculiar, caracterizado por funções preservadas no domínio da linguagem e do reconhecimento facial em oposição a consideráveis défices de coerência visual e de perceção visuo-espacial. No SW verifica-se um viés a favor do processamento visual local, falhando ao mesmo tempo na integração desta informação local que é determinante para a perceção de coerência global. Estas dissociações funcionais no domínio cognitivo têm sido estudadas a par com dissociações ao nível do funcionamento neuronal particularmente no que diz respeito às vias de processamento visual dorsal e ventral. Contudo, o debate persiste e os correlatos neuroanatómicos e neurofisiológicos destes défices não estão ainda estabelecidos. O foco desta tese prende-se com a investigação de múltiplos níveis de processamento visual associados às vias dorsal e ventral no SW, com especial enfoque nas dissociações funcionais encontradas nesta patologia. Nestas incluem-se as dicotomias funcionais entre as vias dorsal vs. ventral, o processamento local vs. global e as representações egocêntricas vs. alocêntricas, bem como as relações entre eles. O estudo destas dicotomias é relevante no SW pois este é um modelo neurobiológico de dissociação entre as vias visuais ventral e dorsal, caracterizada por um défice acentuado desta última. Nesta tese foram usadas de forma complementar múltiplos métodos tais como a psicofísica, eletrofisiologia bem como neuroimagem funcional com vista a melhor caracterizar os défices visuo-espaciais no SW e elucidar em que medida os seus correlatos neuronais se prendem com o funcionamento das vias dorsal e ventral. Neste trabalho, a coerência visual foi extensivamente investigada no SW através da avaliação do processamento visual local e global sob várias condições experimentais (perceção, memória e capacidade visuo-construtiva) comparando com as perturbações do espectro do autismo (PEA), que têm sido associadas a défices de coerência visual, do processamento local vs. global e do funcionamento da via dorsal. O nosso primeiro estudo confirmou o SW como um modelo clínico de coerência visual diminuída, mostrando que estes défices são mais severos nesta patologia do que nas PEA sugerindo o envolvimento da via dorsal (mais afectada no SW) neste tipo de processamento. O estudo da dissociação entre as vias dorsal e ventral no SW foi aprofundado, no segundo estudo, usando um novo paradigma experimental no qual investigámos representações espaciais egocêntricas (associadas à via dorsal) e alocêntricas (associadas à via ventral) no SW. Desenvolvemos uma tarefa experimental em computador e outra utilizando um tabuleiro (com maior validade ecológica). Ambos os tipos de representação espacial se mostraram alteradas no grupo de SW. Para além de confirmarem défices na via visual dorsal no SW (representações egocêntricas), os nossos resultados revelaram alterações inesperadas nas representações espaciais alocêntricas sugerindo que a via ventral pode também estar afetada nesta condição. Uma vez confirmado que o grupo de SW constitui um modelo clínico de coerência visual diminuída e alterações da via dorsal, realizámos dois estudos adicionais, com vista a estabelecer os correlatos neuronais dos défices de coerência visual no SW. Devido ao seu carácter complementar, estes estudos usaram respetivamente eletroencefalografia (EEG) e ressonância magnética funcional (RMF). A perceção de coerência foi avaliada com uma tarefa de perceção de estrutura tridimensional através do movimento na qual modulámos a informação de profundidade. Os dados de EEG revelaram padrões distintos entre os grupos, sugerindo uma organização neuronal alternativa no SW. Um novo componente, o P200, foi observado somente para este grupo e foram observadas diferentes fontes neuronais, sobretudo localizadas no lobo occipital por contraste às fontes parietais encontradas nos controlos. A elevada resolução espacial da RMF permitiu ao estudo subsequente uma melhor localização dos correlatos neuronais desta reorganização. Verificou-se que, enquanto os controlos ativam as áreas dorso-laterais esperadas (sulco intraparietal caudal e córtex occipital lateral/hMT+), os indivíduos com SW recrutam áreas mais mediais (cuneus, precuneus e córtex retrosplenial) em resposta aos estímulos coerentes em 3D, mas também a imagens estáticas de várias categorias visuais e movimento coerente simples (2D). A ativação em zonas mais mediais do cérebro observada no grupo de SW sugere uma reorganização substancial das regiões da via dorsal, com o processamento de movimento a ocorrer na parte medial desta via. Não encontrámos diferenças entre os grupos no que respeita à via ventral, não obstante ligeiras alterações nos padrões de ativação entre os grupos que poderão indicar que esta via não está tão preservada quanto o esperado. O trabalho aqui apresentado demonstra défices de coerência visual no SW que estão associados à disfunção da via dorsal, avaliada em múltiplos níveis visuais. A reorganização substancial da via dorsal observada no SW pode levar a alterações na via visual ventral, como sugerido pelos nossos estudos. Estes resultados contribuem para o conhecimento relativo à natureza das dissociações funcionais (dorsal/ventral, ego/alo e local/global) no SW e proporcionam um avanço no nosso entendimento dos mecanismos de processamento visual que ocorrem na via dorsal.

Williams syndrome (WS) is a rare genetically based neurodevelopmental condition associated with a unique combination of sensory, cognitive and neuroanatomical characteristics. This condition is, therefore, an outstanding model to understand cognition because it provides a rare opportunity to investigate genes, brain and behaviour relationships. WS has captured the interest of cognitive neuroscientists in the last decades, mainly because of its intriguing cognitive profile characterized by surprising spared language and face abilities contrasting with severe deficits in visuospatial skills and visual coherence. These patients tend to exhibit a visual bias towards local processing while failing to achieve global coherence from the integration of local cues. Functional dissociations in the cognitive domain have been concomitantly investigated at the neural level in particular in which concerns both dorsal and ventral visual processing pathways. However, the existing literature on this topic has not yet settled this issue and the neurophysiological and neuroanatomical correlates of such impairments remain unclear. The main focus of this thesis is the investigation of multiple levels of visual processing along dorsal and ventral visual pathways in WS, from the point of view of functional dissociations. These include dorsal vs. ventral, local vs. global, ego vs. allocentric processing dichotomies and their relationships. This is particularly relevant, since this condition is a neurobiological model of a split between ventral and dorsal visual processing pathways with a generalized deficit in dorsal pathway. The combination of multiple methodological modalities such as psychophysics, electrophysiology and neuroimaging tools is conducted in this thesis to allow a better characterization of the visuospatial impairments in WS and elucidate on how the neural correlates of such vulnerabilities relate to dorsal and ventral functioning. In the first study of this thesis, visual coherence perception in WS was comprehensively investigated by probing the local-global visual processing under different task conditions (Navon hierarchical figures under perception, memory and visuoconstructive conditions) and performing a direct comparison to autism spectrum disorders (ASD) in which visual coherence weakness was also suggested, along with local vs. global and dorsal stream deficits. We confirmed the WS group as a clinical model of impaired visual coherence. These impairments were shown in WS to a larger extent than in ASD which may suggest the involvement of the dorsal visual stream (more impaired in WS than in ASD) in such perceptual mechanisms. We further investigated the dorsal vs. ventral stream dissociation in WS by employing a novel paradigm in which dichotomic egocentric (associated with dorsal stream) and allocentric (associated with ventral stream) spatial frames of reference were investigated. A computer judgment task as well as a more ecological 3D judgment task (using a board) was used. Our findings confirmed dorsal stream vulnerability in the WS group as assessed by egocentric spatial judgments. We also found unexpected impaired allocentric spatial judgments in WS suggesting that ventral visual stream may also be compromised. Given that the aforementioned findings confirm WS as a suitable clinical model of coherence impairment and dorsal stream vulnerability (alongside with possible slightly affected ventral stream function), we conducted two additional studies to investigate neural correlates of visual coherence impairment in WS. These studies were accomplished using electroencephalogram (EEG) and functional magnetic resonance imaging (fMRI). We used a three-dimensional (3D) structure-from-motion (SFM) task in order to assess coherent perception in which we parametrically modulated depth information. EEG data revealed distinct patterns across groups, suggesting functional reorganization in WS. We observed a novel component P200 present only in the clinical group as well as differential neural sources in occipital sites in contrast to parietal sources in controls. The fMRI study, due to its higher spatial resolution, allowed us to pinpoint the neural correlates of such reorganization. Individuals with WS recruited more medial areas (cuneus, precuneus and retrosplenial cortex) in response to 3D coherent stimuli, high-level visual object categories and simple coherent motion in contrast with typically developing controls who showed, as expected, more lateral areas (caudal intraparietal sulcus and lateral occipital cortex/hMT+). This shift to the midline we observed in the WS group pattern of activation suggests a substantial reorganization of dorsal stream regions with predominant motion processing occurring in the medial part of this visual pathway. We did not identify significant group differences regarding the ventral visual modulation. However, subtle alterations in the pattern of activation across groups were found indicating that ventral visual stream may not be as preserved as traditionally defined. In sum, the work presented in this thesis demonstrate visual coherence impairments in WS which are associated with dorsal stream dysfunction as was assessed by multiple visual levels. The substantial reorganization of dorsal stream observed in our EEG and fMRI studies may contribute to alterations in the ventral visual stream which already demonstrated slight vulnerabilities. These findings improve our knowledge concerning the nature of functional dissociations (dorsal/ventral, ego/allo and local/global) in WS and provide insight on the mechanisms of visual processing within the dorsal stream.