A Longitudinal Study Investigating Brain Responses to an Audio-Visual Loom in Extra-Stimulated Infants Using High-Density EEG

Abstract

Tre ulike hastigheter av en audio-visuell looming (voksende) stimulus (roterende sirkel) ble brukt for å undersøke kortikale responser registrert med elektroencefalogram (EEG) i spedbarn som hadde fått ekstra motorisk stimulering og spedbarn som hadde en tradisjonell oppvekst uten ekstra motorisk stimulering. 20 spedbarn deltok i studien hvorav 10 (4 jenter) mottok ekstra motorisk stimulering i form av babysvømming og de resterende 10 (4 jenter) hadde en tradisjonell norsk oppvekst. Spedbarna ble testet første gang da de var, i gjennomsnitt, 20 uker gamle og igjen da de var, i gjennomsnitt, 43 uker gamle. Studiens hensikt var å undersøke om ekstra motorisk stimulering kunne fremme audio-visuell bevegelsespersepsjon gjennom analyser av auditive og visuelt fremkalte potensialer (AEP og VEP), samt analyser av hjerneaktivitet gjennom frekvensanalyse (TSE). Resultatene viste at AEP og VEP responser oppsto nærmere den audio-visuelle kollisjonen med økende alder. Ekstrastimulerte spedbarn viste også responser nærmere den virtuelle kollisjonen enn kontroll-spedbarna ved første testing. Alle spedbarn viste lengre tid-før-kollisjon (TTC) i sakte looms, og kortere TTC for medium og raske looms ved første testing. Spedbarna viste imidlertid VEP ved et mer eller mindre fiksert tidspunkt (-0.6 s) ved siste testing, noe som tyder på en endring av timing-strategi fra en strategi som var mindre effektiv til en strategi som var bedre egnet for å oppfatte stimulusen. AEP oppsto også nærmere kollisjonen ved siste testing, men viste ikke den samme tidspunktfikseringen som VEP. TSE viste lav-frekvens-aktivitet (i delta- og theta-band) ved tidlig alder, og aktivitet i høyere frekvenser (som i alpha- og beta-band) i både visuelle og auditive områder ved slutten av spedbarnas første leveår. Det kan tyde på mer modne hjerneresponser i prosesseringen av den audio-visuelle loomen. Ekstrastimulerte spedbarn viste også mer sofistikert, og mindre spredning, i aktivitet enn kontrollene allerede ved første testing. Resultatene samlet tyder på at ekstra motorisk stimulering kan være delaktig i utviklingen av multisensorisk bevegelsespersepsjon. Ytterligere forskning er nødvendig for å undersøke koblingen mellom ekstra motorisk stimulering og bevegelsespersepsjon, da det vil kunne være med på å forme intervensjoner og behandlingsmetoder for individer med atypisk utvikling i bevegelsespersepsjon.

The present study investigated cortical responses to an audio-visual looming stimulus approaching at three different velocities in infants who had received extra motor-stimulation and infants who had received a traditional Western upbringing, using high-density electroencephalogram (EEG). 20 infants participated in the study, 10 (4 girls) of whom received extra motor-stimulation (baby swimming lessons) and 10 (4 girls) being traditionally-raised control infants. Infants were tested first when they were, on average, 20 weeks and again when they were, on average, 43 weeks. The aim of the study was to examine whether extra motor-stimulation facilitated audio-visual motion perception by analysing auditory and visual evoked potentials (AEP and VEP) as well as induced brain activity through frequency-analyses (temporal spectral evolution, TSE). Results showed AEP and VEP peaks to appear closer to collision with increasing age. Extra-stimulated infants showed responses later in the looming sequence than controls at the first session, but not at the last. For VEPs, all infants displayed longer times-to-collision (TTC) for slow looms, and shorter for medium and fast approaching looms at the first session, while more or less time-fixed responses (-0.6 s) were seen in all speeds at the last session, suggesting a shift to a more efficient timing strategy in response to the loom. AEPs also occurred closer to collision with age but were not seen at fixed times like the VEPs at the last session. Time-frequency analyses revealed low-frequency activity (delta-band and theta-band) at an early age and activity in higher frequency-bands (alpha-band and beta-band) later in the first year of life in all infants in both visual and auditory areas, suggesting more mature processing of the audio-visual loom. Additionally, extra-stimulated infants also showed more sophisticated, less widespread, activity at the first testing session than controls. Findings suggests that receiving extra motor-stimulation may possibly facilitate development of multisensory motion perception. To develop possible interventions for infants with abnormal development in motion perception, further research investigating the relationship between additional motor-stimulation and motion perception is required.