Language and communication abnormalities in Williams Syndrome and Schizophrenia : Event-related potentials (ERP) evidence

Tese de doutoramento em Psicologia (área de conhecimento em Psicologia Clínica)
Language and communication abnormalities are a hallmark of both Williams Syndrome
(WS) and Schizophrenia. Both disorders represent atypical developmental pathways, in which the
complexity of the relationships between genes, brain, and behavior has been intriguing
researchers for decades. On the one hand, WS represents a genetic disorder characterized by a
submicroscopic deletion in chromosome 7. This syndrome was initially proposed as a
paradigmatic example of cognitive dissociation and, in particular, of the independence of
language from general cognition. On the other hand, Schizophrenia is characterized by a
multiplicity of symptoms (e.g., hallucinations, delusions, thought disorder, flat affect), with
genetic and environmental factors contributing to its onset. Dysfunction in language and
emotional processing has been consistently reported in both disorders, contributing to deficits in
social interactions.
The studies described in this dissertation aimed at analyzing the electrophysiological
correlates of language processing in both WS and Schizophrenia, in particular semantics and
prosody. The event-related potentials (ERP) technique was chosen due to its temporal resolution
that is ideal for the investigation of language.
Study 1 explored the electrophysiological correlates of prosody processing in WS,
comparing emotional intonations embedded in intelligible semantic information, and ‘pure
prosody’ sentences. Abnormalities were found in N100, P200, and N300 components in WS
individuals, when compared with typically developing controls. In particular, reduced N100 was
observed for prosody sentences with semantic content but more negative N100 for pure prosody
sentences, and more positive P200 for both pure prosody sentences and sentences with
semantic content, in particular for happy intonations. These findings suggest abnormalities in
early auditory processing, indicating a bottom-up contribution to the impairment in emotional
prosody processing and comprehension. Also, the reduced N300 peak amplitude in individuals in
WS at parietal electrodes and its enhancement at frontal electrodes may indicate abnormal
electrophysiological response at the stage of evaluating the emotional significance of the auditory
message.
Study 2 analyzed the ERP correlates of semantic processing in WS. A set of sentences
was presented auditorily, with half ending with an expected word, and half ending with an
unexpected and implausible word. Abnormalities were found in early sensorial components (N100 and P200) in WS, although no differences between WS and a typically developing group
were found for the N400 component (an index of semantic integration). Interestingly, more
positive P600 amplitude was found for WS, suggesting difficulties in later integration processes.
Study 3 aimed at characterizing the electrophysiological correlates of prosody processing
in Schizophrenia, using the same experimental paradigm described in Study 2. Results showed
sensory abnormality in processing auditory signal for all prosody types (reduced N100), as well
as failure to extract emotion-specific information from the auditory signal (P200). Importantly,
both types of abnormalities were found in sentences with semantic content only, suggesting topdown
modulation of sensory-level and automatic processing of prosodic information.
Study 4 aimed at investigating the effects of induced mood (neutral vs. positive vs.
negative) on semantic processing in Schizophrenia. Data suggest differential access to semantic
networks in this neuropsychiatric disorder, and abnormalities in the modulation of language
processing by mood, as indexed by N400 amplitude to three types of sentence endings (expected
words, unexpected words from the same semantic category as the expected exemplar, and
unexpected words from a different semantic category of the expected exemplar), under neutral,
positive, or negative mood. Differences were more pronounced under positive mood.
Together, these ERP studies provide, for the first time, electrophysiological evidence for
atypical prosody processing in both WS and Schizophrenia, and for abnormal interactions of
mood and cognition in Schizophrenia. Also, they extend few previous ERP studies with WS on
semantic processing, including, for the first time, participants with European Portuguese as
native language. These findings are expected to contribute to a better understanding of language
atypicalities in both disorders.
Alterações da linguagem e da comunicação são uma característica central da Síndrome
de Williams (SW) e da Esquizofrenia. Ambas constituem trajectórias desenvolvimentais atípicas,
em que a complexidade inerente às relações entre genes, cérebro e comportamento tem
intrigado investigadores há várias décadas. Por um lado, a SW representa uma perturbação
genética caracterizada por uma delecção submicroscópica no cromossoma 7. Esta síndrome foi,
inicialmente, proposta como um exemplo paradigmático de dissociação cognitiva e, em
particular, de independência da linguagem em relação à cognição geral. Por outro lado, a
Esquizofrenia é caracterizada por uma multiplicidade de sintomas (e.g., alucinações, delírios,
perturbação do pensamento, embotamento afectivo), sendo o seu início influenciado por factores
genéticos e ambientais. Alterações ao nível do processamento da linguagem e emocional têm
sido consistentemente reportadas em ambas as perturbações, contribuindo para os défices
verificados ao nível das interacções sociais.
Os estudos descritos nesta Tese tiveram como objectivo a análise dos correlatos
electrofisiológicos do processamento da linguagem na SW e na Esquizofrenia, em particular o
processamento semântico e prosódico. A técnica de potenciais evocados (ERP) foi escolhida
devido à sua resolução temporal, que é ideal para a investigação da linguagem.
No Estudo 1 exploraram-se os correlatos electrofisiológicos do processamento da
prosódia na SW, comparando prosódia emocional em frases com conteúdo semântico
perceptível, com prosódia em frases transformadas sem conteúdo semântico perceptível. Os
resultados apontaram para anormalidades nos componentes de onda N100, P200 e N300 em
indivíduos com SW, quando comparados com um grupo com desenvolvimento normal. Em
particular, observou-se uma reduzida amplitude do componente N100 para frases com entoação
prosódica e conteúdo semântico inteligível, e uma amplitude mais negativa do mesmo
componente para frases de prosódia “pura”. Ao mesmo tempo, a amplitude da P200 na SW foi
mais positiva, em comparação com o grupo de desenvolvimento típico, quer para frases de
prosódia “pura”, quer para frases com entoação prosódica e conteúdo semântico inteligível, e
em particular para prosódia alegre. Estes resultados sugerem anomalias em fases precoces do
processamento auditivo, indicando uma contribuição bottom-up para as alterações evidenciadas
no processamento e compreensão da prosódia emocional na SW. Finalmente, a observação de
uma redução da amplitude do componente N300 em eléctrodos parietais e o seu aumento em eléctrodos frontais poderá indicar anormalidades na resposta electrofisiológica associada à
avaliação do significado emocional da mensagem acústica.
O Estudo 2 analisou os correlatos electrofisiológicos do processamento semântico na
SW. Um conjunto de frases foi apresentado auditivamente, metade delas terminando com uma
palavra esperada e metade terminando com uma palavra inesperada e implausível. Os
resultados revelaram anomalias em componentes sensoriais precoces (N100 e P200), apesar de
não terem sido observadas diferenças entre a SW e um grupo com desenvolvimento típico no
componente de onda N400 (um indicador de processos de integração semântica).
Interessantemente, a amplitude do componente P600 foi mais positiva na SW, o que sugere
dificuldades em processos de integração tardios.
O Estudo 3 teve como objectivo a caracterização dos correlatos electrofisiológicos do
processamento prosódico na Esquizofrenia, tendo como base o paradigma experimental descrito
no Estudo 2. Os resultados sugerem anomalias sensoriais no processamento do sinal auditivo
para todos os tipos de prosódia (redução da amplitude da N100), bem como dificuldades na
extracção de informação emocional específica a partir do sinal auditivo (P200). Ambos os tipos
de anomalias foram encontrados apenas para frases com conteúdo semântico, sugerindo uma
modulação top-down do processamento sensorial e automático da informação prosódica.
O objectivo do Estudo 4 foi investigar os efeitos do humor induzido (neutro vs. positivo
vs. negativo) no processamento semântico na Esquizofrenia. Os dados obtidos sugerem um
acesso diferencial às redes semânticas nesta perturbação, bem como anomalias na modulação
do processamento linguístico pelo estado de humor, tal como evidenciado pela amplitude do
componente de onda N400 para três tipos de finais de frase (palavras esperadas, palavras não
esperadas da mesma categoria semântica da palavra esperada, palavras não esperadas de uma
categoria semântica diferente da da palavra esperada), em três tipo de humor (neutro vs.
positivo vs. negativo). Estas diferenças foram mais pronunciadas na condição de humor positivo.
Em conjunto, estes estudos ERP apresentaram, pela primeira vez, evidência
electrofisiológica para o processamento atípico da prosódia emocional quer na SW quer na
Esquizofrenia, bem como para anormalidades nos processos de interacção entre humor e
cognição na Esquizofrenia. Ao mesmo tempo, complementam estudos ERP prévios no âmbito do
processamento semântico na SW, incluindo, pela primeira vez, participantes tendo como língua
nativa o Português Europeu. Espera-se que estes resultados contribuam para uma melhor
compreensão das alterações do processamento linguístico, observadas tanto na SW como na
Esquizofrenia.
Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT)