Functional brain connectivity underlying decision making in social cognition: an fMRI study in ASD

Abstract

Autism Spectrum Disorder (ASD) is a condition known for affecting how an individual perceives and acts in a social environment, which can lead to difficulties in interacting and communicating. The hallmarks of this condition and its consistent behavioral patterns can be detected in early childhood, despite the diagnostic difficulties that are often present. ASD prevalence is estimated at approximately 1/100 children around the world and has been following a rapid increase. However, the etiology and pathogenesis of this disorder are still a matter of investigation.This study aimed to use the functional resonance imaging technique (fMRI) to evaluate the functional brain connectivity in ASD when compared to healthy individuals. Firstly, potential key regions showing hypoactivation or hyperactivation in the autism group were analyzed, to ascertain for novel and simple brain response biomarkers, which might contribute to improve diagnosis. Then, functional brain connectivity analysis was performed to investigate brain networks potentially affected in individuals with this condition.It has been suggested that ASD individuals show lower functional connectivity between salience and theory of the mind networks, as well as between key regions known as being the most important when studying the “emotional brain”. Here, to test this hypothesis, fMRI data acquired during a simple geometric animation visual task were analyzed. Both ASD and healthy individuals visualized four different types of interactions, a positive, a negative, an indifferent, and a linear one during the acquisition.Our results suggested that both the temporoparietal junction (TPJ) and the medial prefrontal cortex (mPFC) show task-related hypoconnectivity with the inferior frontal gyrus (IFG) in the clinical group, which might be linked with ASD difficulties in comprehending the surrounding environment and integrating simple social cues.When comparing how each group processes the visualized interactions, our results showed that the positive and negative interactions are where the differences are notorious. ASD subjects revealed lower connectivity patterns between the supramarginal gyrus (SMG)/TPJ and the medial temporal gyrus (MTG) and also with the IFG, two important regions in the mirror neuron system, responsible for understanding other people’s actions.In sum, our results suggest that in autism several regions of the salience network show a poor level of connectivity with regions from the ToM network and that functions performed by the SMG (important in interpreting social context) might be compromised, due to its poorer connectivity with the TPJ and IFG. Our study thus supports previous literature suggesting autism hypoconnectivity in neural networks relevant for social cogniton.

A perturbação do espectro do autismo é uma desordem do neurodesenvolvimento conhecida por afetar a forma como um indivíduo perceciona e age num ambiente social, o que pode levar a dificuldades de interação e comunicação. As suas características e os seus padrões comportamentais podem ser identificados logo no início da infância de um indivíduo, apesar das dificuldades de diagnóstico frequentemente presentes. A prevalência desta condição está estimada em cerca de 1/100 crianças no mundo e regista um rápido aumento. No entanto, a etiologia e a patogénese desta perturbação são ainda objeto de investigação. O objetivo deste estudo é, através da utilização da técnica de Ressonância Magnética Funcional (fMRI, do inglês, functional magnetic resonance imaging), avaliar as diferenças de conectividade funcional do cérebro entre indivíduos com autismo e indivíduos saudáveis. Em primeiro lugar, foi efetuada uma análise da resposta cerebral para verificar se existem potenciais regiões-chave que apresentem hipoactivação ou hiperactivação no grupo clínico, e para verificar se existem potenciais biomarcadores que possam permitir um diagnóstico mais precoce. A segunda parte deste trabalho centra-se principalmente no conceito de conectividade funcional e na possibilidade de encontrar redes cerebrais afetadas em indivíduos com autismo.Neste projeto, foram utilizados dados de fMRI adquiridos durante uma tarefa visual baseada em animações geométricas simples. Ambos os grupos tinham de visualizar quatro tipos diferentes de interação entre duas esferas, uma positiva (interação afliativa), uma negativa (interação antagonista), uma indiferente (interação neutra) e uma linear (sem interação).Os resultados mostraram que sujeitos com autismo apresentam uma menor conectividade funcional entre as redes da saliência e da teoria da mente (ToM), bem como entre regiões-chave conhecidas como as mais importantes quando se estuda o "cérebro emocional". Tanto o cortéx médio pré-frontal (mPFC, do inglês, medial prefrontal cortex) como a junção temporo-parietal (TPJ, do inglês, temporoparietal junction) mostram hipoconectividade com o giro inferior frontal (IFG, do inglês inferior frontal gyrus}) no grupo clínico. Estes correlatos podem estar relacionados com o facto de indivíduos afetados por esta condição poderem nem sempre compreender o ambiente que os rodeia e terem dificuldades em integrar e compreender as regras de uma simples interação social.Ao comparar a conectividade funcional entre grupos durante cada interação, os resultados mostram ser durante a visualização das interações positiva e negativa que ocorrem as diferenças mais notórias. Os sujeitos do grupo de controlo revelam maior conectividade entre o giro supramarginal/ TPJ com o giro medial temporal(MTG, do inglês, middle temporal gyrus) e com o IFG, duas regiões importantes do sistema de neurónios espelho (MNS, do inglês, mirror neuron system), com um papel importante na compreensão das ações dos outros.Concluindo, os nossos resultados estão conforme a literatura analisada e suportam a ideia de hipoactivação e hipoconectividade de regiões/conexões cerebrais em indivíduos com esta condição. Em indivíduos com perturbação do espetro autista, várias regiões da rede de saliência apresentam um fraco nível de conectividade com regiões da rede ToM e sugerem também que as funções desempenhadas pelo SMG (importantes na interpretação do ambiente social) podem estar comprometidas, devido à sua pior comunicação com o TPJ, mPFC e outras regiões da ToM.Em suma, os nossos resultados sugerem que várias regiões da rede de saliência apresentam um fraco nível de conectividade com regiões da rede ToM e sugerem também que as funções desempenhadas pelo SMG (importantes na interpretação do contexto social) podem estar comprometidas, devido à sua pior comunicação com o TPJ e com o IFG. O nosso estudo está, portanto, de acordo com estudos anteriores que sugerem padrões de hipoconectividade no autismo entre redes neuronais relacionados com a cognição social.