Differential entrainment of neuroelectric delta oscillations in developmental dyslexia

Oscillatory entrainment to the speech signal is important for language processing, but has not yet been studied in developmental disorders of language. Developmental dyslexia, a difficulty in acquiring efficient reading skills linked to difficulties with phonology (the sound structure of language), has been associated with behavioural entrainment deficits. It has been proposed that the phonological ‘deficit’ that characterises dyslexia across languages is related to impaired auditory entrainment to speech at lower frequencies via neuroelectric oscillations (<10 Hz, ‘temporal sampling theory’). Impaired entrainment to temporal modulations at lower frequencies would affect the recovery of the prosodic and syllabic structure of speech. Here we investigated event-related oscillatory EEG activity and contingent negative variation (CNV) to auditory rhythmic tone streams delivered at frequencies within the delta band (2 Hz, 1.5 Hz), relevant to sampling stressed syllables in speech. Given prior behavioural entrainment findings at these rates, we predicted functionally atypical entrainment of delta oscillations in dyslexia. Participants performed a rhythmic expectancy task, detecting occasional white noise targets interspersed with tones occurring regularly at rates of 2 Hz or 1.5 Hz. Both groups showed significant entrainment of delta oscillations to the rhythmic stimulus stream, however the strength of inter-trial delta phase coherence (ITC, ‘phase locking’) and the CNV were both significantly weaker in dyslexics, suggestive of weaker entrainment and less preparatory brain activity. Both ITC strength and CNV amplitude were significantly related to individual differences in language processing and reading. Additionally, the instantaneous phase of prestimulus delta oscillation predicted behavioural responding (response time) for control participants only.

Temporal acuity in developmental dyslexia across the life span : Tactile, auditory, visual, and crossmodal estimations

Taustaa Kehityksellinen dysleksia (lukivaikeus) on erityinen lukemaan oppimisen vaikeus, johon liittyy usein myös vaikeuksia kirjoittamaan oppimisessa. Lukivaikeuden oletetaan useissa tapauksissa johtuvan vaikeudesta käsitellä kielen äännerakenteita (fonologinen prosessointi). Tämä poikkeavuus voi olla joko lukivaikeuden perimmäinen syy tai vaihtoehtoisesti ongelmat äänteiden käsittelyssä voivat heijastaa jotain vielä perustavamman tason vaikeutta. Eräs tällainen ehdotettu perustavan tasoin syy on poikkeavuus aistien toiminnoissa, erityisesti aistien aikatarkkuudessa. Aikatarkkuudella tarkoitetaan kykyä ja rajoja siinä, kuinka nopeasti esitettyä aistitiedon virtaa henkilö kykenee vastaanottamaan ja käsittelemään. Monet arjen toiminnot lukemisen rinnalla edellyttävät aistien erittäin tarkkaa ajallista erottelukykyä (esimerkiksi kuulo puheen ymmärtämisessä, tunto pintamateriaalin tunnistamisessa). Aikatarkkuusvaikeuksien esiintyvyyttä lukivaikeudessa on tutkittu aiemminkin, mutta yksimielisyyteen ei ole päästy siitä, onko kaikilla lukivaikeuksisilla näitä ongelmia tai mihin aisteihin vaikeudet mahdollisesti rajoittuvat. Myöskään ei tiedetä, havaitaanko aikatarkkuuden ongelmia kaiken ikäisillä lukivaikeuksisilla vai vaihteleeko mahdollinen ongelmien kuva iän mukana. Lisäksi on epäselvää, kuinka aikatarkkuuden ongelmat itseasiassa ovat yhteydessä kielen käsittelyn ja varsinaisen lukemisen vaikeuksiin. Tutkimussarjan aihe Tässä tutkimussarjassa aikatarkkuutta tutkittiin kolmessa yksittäisessä aistissa, joita olivat tunto, näkö ja kuulo, sekä kolmessa aistien välisessä yhdistelmässä, joita olivat audiotaktiilinen (kuulo-tunto), visuotaktiilinen (näkö-tunto) ja audiovisuaalinen (näkö-kuulo). Aikatarkkuutta arvioitiin kahdella eri menetelmällä, jotta saataisiin lisää tietoa siitä, missä tietyssä aikatarkkuuden osa-alueessa lukivaikeuksisilla mahdollisesti on vaikeuksia. Ensimmäisessä tehtävässä tutkittavan tuli arvioida, ovatko esitetyt ei-kielelliset ärsykkeet samanaikaisia vai eriaikaisia. Toisessa tehtävässä koehenkilön tuli arvioida esitettyjen ei-kielellisten ärsykkeiden esitysjärjestys. Molemmissa tehtävissä määriteltiin millisekuntitasolla (sekunnin tuhannesosa) se esitysnopeus, jolla koehenkilö kykeni arvioimaan ärsykkeiden ajalliset suhteet oikein. Englanninkielinen demonstraatio aikatarkkuustehtävistä löytyy internetistä (http://www.helsinki.fi/hum/ylpsy/neuropsy). Itse aikatarkkuustehtävien lisäksi tutkimussarjassa arvioitiin tutkimushenkilöiden päättelykykyä, kielellisiä toimintoja ja lukemista. Tutkimushenkilöt Tutkimuksiin osallistui 53 lukivaikeuksista ja 66 sujuvaa lukijaa, jotka oli jaettu kolmeen pääikäryhmään: lapset (8-12 vuotta), nuoret aikuiset (20-36 vuotta) ja ikääntyneemmät aikuiset (20-59 vuotta). Ikääntyneempien aikuisten ryhmä oli edelleen jaettu ikävuosikymmenluokkiin, mikä mahdollisti sen tutkimisen, vaikuttaako lisääntyvä aikuisikä lukivaikeuksisten aikatarkkuuteen (20-29, 30-39, 40-49 ja 50-59 -vuotiaat). Tutkimussarjan tulokset Aikatarkkuuden ongelmat lukivaikeuksisilla olivat yleistyneitä yli iän, aistien ja tehtävien Lukivaikeuksiset kaikissa pääikäryhmissä (lapset, nuoret aikuiset, ikääntyneemmän aikuiset) tarvitsivat samanikäisiä sujuvia lukijoita hitaamman esitystahdin, jotta he kykenivät arvioimaan ei-kielellisten ärsykkeiden ajallisen esitystavan oikein. Tämä aikatarkkuuden ongelma havaittiin lukivaikeuksisilla kaikissa aisteissa (tunto, kuulo, näkö) ja niiden yhdistelmissä (audiotaktiilinen, visuotaktiilinen, audiovisuaalinen). Lukivaikeuksisten aikatarkkuusongelmat ilmenivät edelleen molemmissa tehtävätyypeissä (samanaikaisuuden ja järjestyksen arvioinnissa). Aikatarkkuus ja sen ongelmat olivat yhteydessä äänteiden käsittelyyn Aikatarkkuus oli yhteydessä äänteiden käsittelykykyyn (fonologiseen prosessointiin), niin lapsilla kuin aikuisillakin, kaikissa aisteissa, niiden yhdistelmissä ja tehtävätyypeissä. Yhteys ei-kielellisen aikatarkkuuden ja kielellisten toimintojen välillä oli kuitenkin selkeämpi lukivaikeuksisilla kuin sujuvilla lukijoilla. Tämä tarkoittaa, että etenkin lukivaikeuksisilla ryhmätason huono aikatarkkuus oli yhteydessä huonoon äänteiden käsittelyyn (fonologiseen prosessointiin) ja päinvastoin. Suoraa yhteyttä lukemisen ja aikatarkkuuden välillä ei kuitenkaan havaittu. Lisääntyvä aikuisikä heikensi lukivaikeuksisten aikatarkkuutta suhteettoman paljon Tiedonkäsittelyn nopeuden on toistuvasti osoitettu hidastuvan normaalissa ikääntymisessä. Lisääntyvä aikuisikä (20-59 -vuotiailla) heikensikin sekä sujuvien että lukivaikeuksisten aikatarkkuutta. Toisin sanoen, mitä iäkkäämmästä aikuisesta oli kysymys, sitä hitaammin hänelle tuli esittää ärsykkeet, jotta hän kykeni arvioimaan niiden ajalliset suhteet oikein. Tämä ikään liittyvä tavanomainen hidastuminen oli kuitenkin yllättäen suhteettoman nopeaa lukivaikeuksisilla. Toisin sanoen, jo nuorilla lukivaikeuksisilla havaittu aikatarkkuuden vaikeus (ryhmäero verrattuna sujuviin lukijoihin) ei pysynyt saman suuruisena, vaan ryhmien ero kasvoi aikuisiän lisääntyessä. Tulosten merkitys Lukivaikeuden osoitettiin tässä tutkimussarjassa olevan yhteydessä yleistyneeseen vaikeuteen käsitellä ajassa nopeasti muuttuvaa ei-kielellistä aistitietoa (yli aistien ja niiden yhdistelmien, tehtävätyyppien, tutkittavien iän). Tämä osoittaa, että lukivaikeus ei ole ongelma, joka rajoittuu vain kielellisen materiaalin käsittelyn vaikeuksiin (äänteiden käsittely, lukeminen, kirjoittaminen). Nyt havaitut vaikeudet eivät myöskään rajoittuneet vain niihin aisteihin, jotka selkeimmin liittyvät lukemiseen (näkö) ja puhuttuun kieleen (kuulo); Ongelmia esiintyi myös muissa aisteissa (tunto). Lukivaikeuksisten lukijoiden ryhmätasolla havaittu aikatarkkuuden ongelma ei kuitenkaan heijastunut yksilötasolle; Jokainen lukivaikeuksinen ei ollut huono aikatarkkuustehtävissä. Näin ollen ei siis voida väittää, että kaikkien lukivaikeuksisten äänteiden käsittelyn tai lukemaan oppimisen vaikeudet voisivat selittyä aistien toimintojen poikkeavuudella. Aikatarkkuuden ongelmat eivät olleet yhteydessä varsinaiseen lukemiseen. Sekä lukivaikeuksisilla lapsilla että aikuisilla todettiin kuitenkin selkeä yhteys aikatarkkuuden ongelmien ja lukemaan oppimisen keskeisen ennakkoehdon, fonologisen prosessoinnin, välillä. Saattaa siis olla, että synnynnäinen aistien toimintojen poikkeavuus vaikuttaa yksilön suoriutumiseen jo ennen varsinaista lukemaan oppimista, kun ne taidot kehittyvät (fonologinen prosessointi), joille myöhempi lukemaan oppiminen perustuu. Ikäännyttäessä havaittu lukivaikeuksisten suhteettoman nopea aikatarkkuuden heikkeneminen osoittaa, että lukivaikeus ei voi olla ongelma, joka koskee vain lapsuusikää, tai vaikeus, joka johtuu vain kehityksen viivästymästä joka kurottaisiin iän myötä umpeen. Tulosten ymmärtämiseksi onkin muistettava kaksi seikkaa. Lukivaikeus on ensinnäkin yhdistetty synnynnäisiin, pieniin, poikkeavuuksiin aivojen rakenteissa ja toiminnoissa. Toisaalta tavanomaiseen ikääntymiseen liittyy se, että aivot kykenevät yhä huonommin korjaamaan ja kiertämään (kompensoimaan) pieniä vaurioita. Tämän perusteella tutkimussarjan tuloksista voidaan päätellä, että lukivaikeuksisten jo synnynnäisesti heikentyneet aivojen kompensointimahdollisuudet eivät ole yhtä tehokkaita puskuroimaan ikääntymisen tavanomaisia vaikutuksia kuin sujuvilla lukijoilla. Yllättävää kuitenkin on, että tämä korostunut heikkeneminen havaittiin jo suhteellisen nuorilla, työikäisillä, lukivaikeuksisilla, ennen 60 ikävuotta. Samanlaista ikäännyttäessä korostuvaa vaikeutta ei lukivaikeuksilla kuitenkaan havaittu päättelyssä, kielellisissä toiminnoissa tai itse lukemisessa. Vaikuttaakin siis siltä, että ne toiminnot, joita on harjaannutettu aktiivisesti, eivät heikkene kasvavan aikuisiän myötä yhtä suhteettomasti. Alkuperäiset artikkelit Laasonen M, Tomma-Halme J, Lahti-Nuuttila P, Service E, and Virsu V (2000) Rate of information segregation in developmentally dyslexic children, Brain and Language, 75(1), 66-81. Laasonen M, Service E, and Virsu V (2001) Temporal order and processing acuity of visual, auditory, and tactile perception in developmentally dyslexic young adults, Cognitive, Affective, and Behavioral Neuroscience, 1(4), 394-410. Laasonen M, Service E, and Virsu V (2002) Crossmodal temporal order and processing acuity in developmentally dyslexic young adults, Brain and Language, 80(3), 340-354. Laasonen M, Lahti-Nuuttila P, and Virsu V (2002) Developmentally impaired processing speed decreases more than normally with age, NeuroReport, 13(9), 1111-1113.

Susceptibility genes and neurodevelopmental mechanisms in dyslexia

Developmental dyslexia is a specific reading disability, which is characterised by unexpected difficulty in reading, spelling and writing despite adequate intelligence, education and social environment. It is the most common childhood learning disorder affecting 5-10 % of the population and thus constitutes the largest portion of all learning disorders. It is a persistent developmental failure although it can be improved by compensation. According to the most common theory, the deficit is in phonological processing, which is needed in reading when the words have to be divided into phonemes, or distinct sound elements. This occurs in the lowest level of the hierarchy of the language system and disturbs processes in higher levels, such as understanding the meaning of words. Dyslexia is a complex genetic disorder and previous studies have found nine locations in the genome that associate with it. Altogether four susceptibility genes have been found and this study describes the discovery of the first two of them, DYX1C1 and ROBO1. The first clues were obtained from two Finnish dyslexic families that have chromosomal translocations which disrupt these genes. Genetic analyses supported their role in dyslexia: DYX1C1 associates with dyslexia in the Finnish population and ROBO1 was linked to dyslexia in a large Finnish pedigree. In addition a genome-wide scan in Finnish dyslexic families was performed. This supported the previously detected dyslexia locus on chromosome 2 and revealed a new locus on chromosome 7. Dyslexia is a neurological disorder and the neurobiological function of the susceptibility genes DYX1C1 and ROBO1 are consistent with this. ROBO1 is an axon guidance receptor gene, which is involved in axon guidance across the midline in Drosophila and axonal pathfinding between the two hemispheres via the corpus callosum, as well as neuronal migration in the brain of mice. The translocation and decreased ROBO1 expression in dyslexic individuals indicate that two functional copies of ROBO1 gene are required in reading. DYX1C1 was a new gene without a previously known function. Inhibition of Dyx1c1 expression showed that it is needed in normal brain development in rats. Without Dyx1c1 protein, the neurons in the developing brain will not migrate to their final position in the cortex. These two dyslexia susceptibility genes DYX1C1 and ROBO1 revealed two distinct neurodevelopmental mechanisms of dyslexia, axonal pathfinding and neuronal migration. This study describes the discovery of the genes and our research to clarify their role in developmental dyslexia.

汉语发展性阅读障碍的神经心理学研究The Neuropsychological Basic of Chinese Developmental Dyslexia by ERP Study

本论文实验结果发现汉语阅读障碍在视听觉功能上有非语言特异性的感知觉加工缺陷：他们在完成视觉任务时成绩稍差，反应时延长，ERP波形成分的峰潜伏期也延长，波幅降低，尤其是左侧枕叶视皮层对右侧视野投射信号的加工效能差，这是首次报道他们枕叶视皮质的左右差异；他们完成听觉分辨任务时，对听觉分辨的效能比正常儿童低；尤其是在听觉相关电位中的表现，峰潜伏期延长，波幅降低。他们在视听觉双通道信号整合的加工上仍表现出ERP波形成分的峰潜伏期延长，波幅较低的现象；综合这三方面的结果，可以推论阅读障碍者可能对一般的信息进行感知觉加工的效能弱。 他们在同音字判断任务中表现出有语音意识缺陷：完成同音字判断任务的正确率与正常儿童有显著的差异；对假字的加工和形似同音字的加工产生的ERP波形均与正常儿童有显著差异，这种差异尤其在左脑更明显。 结合Franck的理论，推论汉语阅读障碍形成原因：汉语阅读障碍行为表现多种多样，这些变异性可能有一些共同的神经心理基础；由于出生前神经的异常发育，遗传的异常或环境的影响而导致的大脑左右两半球功能的差异，尤其左半球引起其对语言加工的缺陷，可能伴随出现视听觉等基本的感知觉功能障碍。

Language-universal Sensory Deficits in Developmental Dyslexia: English, Spanish, and Chinese

Studies in sensory neuroscience reveal the critical importance of accurate sensory perception for cognitive development. There is considerable debate concerning the possible sensory correlates of phonological processing, the primary cognitive risk factor for developmental dyslexia. Across languages, children with dyslexia have a specific difficulty with the neural representation of the phonological structure of speech. The identification of a robust sensory marker of phonological difficulties would enable early identification of risk for developmental dyslexia and early targeted intervention. Here, we explore whether phonological processing difficulties are associated with difficulties in processing acoustic cues to speech rhythm. Speech rhythm is used across languages by infants to segment the speech stream into words and syllables. Early difficulties in perceiving auditory sensory cues to speech rhythm and prosody could lead developmentally to impairments in phonology. We compared matched samples of children with and without dyslexia, learning three very different spoken and written languages, English, Spanish, and Chinese. The key sensory cue measured was rate of onset of the amplitude envelope (rise time), known to be critical for the rhythmic timing of speech. Despite phonological and orthographic differences, for each language, rise time sensitivity was a significant predictor of phonological awareness, and rise time was the only consistent predictor of reading acquisition. The data support a language-universal theory of the neural basis of developmental dyslexia on the basis of rhythmic perception and syllable segmentation. They also suggest that novel remediation strategies on the basis of rhythm and music may offer benefits for phonological and linguistic development.

Rise time and formant transition duration in the discrimination of speech sounds: The Ba–Wa distinction in developmental dyslexia

Across languages, children with developmental dyslexia have a specific difficulty with the neural representation of the sound structure (phonological structure) of speech. One likely cause of their difficulties with phonology is a perceptual difficulty in auditory temporal processing (Tallal, 1980). Tallal (1980) proposed that basic auditory processing of brief, rapidly successive acoustic changes is compromised in dyslexia, thereby affecting phonetic discrimination (e.g. discriminating /b/ from /d/) via impaired discrimination of formant transitions (rapid acoustic changes in frequency and intensity). However, an alternative auditory temporal hypothesis is that the basic auditory processing of the slower amplitude modulation cues in speech is compromised (Goswami , 2002). Here, we contrast children's perception of a synthetic speech contrast (ba/wa) when it is based on the speed of the rate of change of frequency information (formant transition duration) versus the speed of the rate of change of amplitude modulation (rise time). We show that children with dyslexia have excellent phonetic discrimination based on formant transition duration, but poor phonetic discrimination based on envelope cues. The results explain why phonetic discrimination may be allophonic in developmental dyslexia (Serniclaes , 2004), and suggest new avenues for the remediation of developmental dyslexia. © 2010 Blackwell Publishing Ltd.

Music, rhythm, rise time perception and developmental dyslexia: Perception of musical meter predicts reading and phonology

Introduction: Rhythm organises musical events into patterns and forms, and rhythm perception in music is usually studied by using metrical tasks. Metrical structure also plays an organisational function in the phonology of language, via speech prosody, and there is evidence for rhythmic perceptual difficulties in developmental dyslexia. Here we investigate the hypothesis that the accurate perception of musical metrical structure is related to basic auditory perception of rise time, and also to phonological and literacy development in children. Methods: A battery of behavioural tasks was devised to explore relations between musical metrical perception, auditory perception of amplitude envelope structure, phonological awareness (PA) and reading in a sample of 64 typically-developing children and children with developmental dyslexia. Results: We show that individual differences in the perception of amplitude envelope rise time are linked to musical metrical sensitivity, and that musical metrical sensitivity predicts PA and reading development, accounting for over 60% of variance in reading along with age and I.Q. Even the simplest metrical task, based on a duple metrical structure, was performed significantly more poorly by the children with dyslexia. Conclusions: The accurate perception of metrical structure may be critical for phonological development and consequently for the development of literacy. Difficulties in metrical processing are associated with basic auditory rise time processing difficulties, suggesting a primary sensory impairment in developmental dyslexia in tracking the lower-frequency modulations in the speech envelope. © 2010 Elsevier.

N1, P2 and T-complex of the auditory brain event-related potentials to tones with varying rise times in adults with and without dyslexia

Dyslexia is a learning difficulty affecting the acquisition of fluent reading and spelling skills due to poor phonological processing. Underlying deficits in processing sound rise time have also been found in children and adults with dyslexia. However, the neural basis for these deficits is unknown. In the present study event-related potentials were used to index neural processing and examine the effect of rise time manipulation on the obligatory N1. T-complex and P2 responses in English speaking adults with and without dyslexia. The Tb wave of the T-complex showed differences between groups, with the amplitudes for Tb becoming less negative with increased rise time for the participants with dyslexia only. Frontocentral N1 and P2 did not show group effects. Enhanced Tb amplitude that is modulated by rise time could indicate altered neural networks at the lateral surface of the superior temporal gyrus in adults with dyslexia. (C) 2011 Elsevier B.V. All rights reserved.

Auditory sensory deficits in developmental dyslexia: A longitudinal ERP study

The core difficulty in developmental dyslexia across languages is a "phonological deficit", a specific difficulty with the neural representation of the sound structure of words. Recent data across languages suggest that this phonological deficit arises in part from inefficient auditory processing of the rate of change of the amplitude envelope at syllable onset (inefficient sensory processing of rise time). Rise time is a complex percept that also involves changes in duration and perceived intensity. Understanding the neural mechanisms that give rise to the phonological deficit in dyslexia is important for optimising educational interventions. In a three-deviant passive 'oddball' paradigm and a corresponding blocked 'deviant-alone' control condition we recorded ERPs to tones varying in rise time, duration and intensity in children with dyslexia and typically developing children longitudinally. We report here results from test Phases 1 and 2, when participants were aged 8-10. years. We found an MMN to duration, but not to rise time nor intensity deviants, at both time points for both groups. For rise time, duration and intensity we found group effects in both the Oddball and Blocked conditions. There was a slower fronto-central P1 response in the dyslexic group compared to controls. The amplitude of the P1 fronto-centrally to tones with slower rise times and lower intensity was smaller compared to tones with sharper rise times and higher intensity in the Oddball condition, for children with dyslexia only. The latency of this ERP component for all three stimuli was shorter on the right compared to the left hemisphere, only for the dyslexic group in the Blocked condition. Furthermore, we found decreased N1c amplitude to tones with slower rise times compared to tones with sharper rise times for children with dyslexia, only in the Oddball condition. Several other effects of stimulus type, age and laterality were also observed. Our data suggest that neuronal responses underlying some aspects of auditory sensory processing may be impaired in dyslexia. © 2011 Elsevier Inc.