Testing a specific link between executive functions and social cognition in autism spectrum disorders

Abstract

Autism spectrum disorder (ASD) is an early-onset, life-long severe neurodevelopmental disorder with a high worldwide prevalence. ASD is marked by the specificity of significant impairments in social interaction and communication, restricted interests, and the presence of repetitive and stereotyped behaviours. These individuals also show difficulties across multiple domains, including neurodevelopmental, intellectual functioning and adaptive behaviour, negatively affecting multiple areas from personal autonomy to coping skills. In addition, executive functioning (EF) impairments are common in ASD, having a cascading-effect on daily-life demands involving complex functions such as social cognition (SC), a central core symptom. Several cognitive models have been proposed to explain characteristics and difficulties that ASD individuals exhibit. In fact, ASD is one of the most studied neurodevelopmental disorder and at the same time, intriguingly, one of we have less certainties about. The nature of these impairments can potentially be dissected by neuroimaging which bears an enormous potential for unveiling the neural mechanisms mediating the affected EF and SC. Furthermore, by unravelling the role of both EF and SC, the cognitive and functional deficits observed in ASD can potentially be explained. The main focus of this thesis is the comprehensive investigation and characterization of the functional, intellectual and neurodevelopmental profile of ASD and definite establishment of the specific link between two of the main dysfunctional areas in this condition, namely EF and SC. In the first study of this thesis, the functional profile in ASD was comprehensively investigated by exploring the adaptive behaviour profile and the impact of intelligence quotient (IQ) in these abilities. For this we recruited participants with other neurodevelopmental disorders (OND), such as intellectual disability (ID) or learning disabilities, as a comparison model of putative deficits in adaptive behaviour. We highlighted that the main impairment in adaptive behaviour is within the domain of socialization skills, representing a distinctive factor of ASD versus OND, independently of ID. We also proved that co-occurring ID results in further debilitating effects on overall functioning, especially in ASD. Additionally, our study showed a disappointing and intriguing result that chronological age is negatively associated with measures of adaptive behaviour. We further characterized the ASD phenotype, by studying the intellectual profile of ASD individuals, as compared to OND. We found that ASD have lower scores in the verbal intelligence quotient (IQ) than performance IQ. The core distinctive score between groups, in intellectual profile, was the Processing Speed Index, which has an impact in EF, is lower in ASD. Surprisingly, this study demonstrated that the strengths and deficits are not the same in ASD with and without ID, and that the intellectual profile is associated with adaptive behaviour and not with core ASD symptoms. The neurodevelopmental profile of ASD was also characterized. Specifically, we questioned if there was any marker in the neurodevelopmental profile and, particularly in early milestones that could predict later acquisition of expressive language, determinant in communication skills which directly impacts the functional profile and SC. Our findings suggest that core abilities (global and nonverbal intelligence) at early age, have great and important information about the potential development of language later in children with ASD. After the characterization of our clinical sample, we directly assessed SC and executive functioning. We explored social attention, that integrates SC, in ASD by using an experimental paradigm based on an assessment tool that we used in the diagnostic process of these individuals. Our results suggest that social attention allocation is task dependent, raising the question whether spontaneous attention deficits can be rescued by guiding goal-directed actions. Finally, we explicitly explored the link between EF and SC in ASD by investigating the behavioural performance, visual patterns and neural underpinnings using a new ecological goal-oriented task. This task is based on a daily living chore: shopping in a supermarket, which draws heavily on EF, and SC. Our findings show that attentional deficits can be rescued by guiding goal-directed actions using explicit cues and stresses the importance of the structured or not structured context of the task and the cognitive load that implies. Taken together, our results point to the very relevant fact that attentional allocation in ASD population is context and task dependent. We also went further in the understanding of the neural correlates of these impairments by demonstrating a hyperactivation of three simultaneous brain networks (executive, saliency and social cognition networks) in the same ecological task in our ASD sample. In sum, we provided novel clues to the current understanding of the neurocognitive and functional profile of ASD, namely in which concerns EF and SC. By using different approaches and methodologies and studying different ASD samples, we added to current knowledge by characterizing, for the first time, the adaptive, neurodevelopmental and intellectual profiles of Portuguese ASD population and clearly corroborating the link between EF and SC using an ecological approach.

A perturbação do espectro do autismo (PEA) é uma perturbação crónica do neurodesenvolvimento, com uma elevada prevalência na população mundial que se manifesta na infância. Caracteriza-se por défices na interação e comunicação social, acompanhados pela presença de interesses restritivos assim como comportamentos repetitivos e estereotipados. Estes indivíduos manifestam ainda alterações noutros domínios relevantes como o desenvolvimento psicomotor, o funcionamento intelectual e o comportamento adaptativo, afetando negativamente a aprendizagem de competências de autonomia e a capacidade para resolver situações do dia-a-dia. Défices ao nível do funcionamento executivo são também comuns nesta patologia, tendo um impacto significativo na execução de tarefas quotidianas que envolvem competências mais complexas como a cognição social, que constitui um dos sintomas centrais na PEA. Vêm sendo propostos vários modelos cognitivos na tentativa de explicar este conjunto de sintomas e dificuldades característicos dos indivíduos com PEA. Na verdade, esta é uma das patologias mais estudadas e, no entanto uma das que desperta mais dúvidas e incertezas na comunidade científica. A constelação de défices frequentemente observados nestes doentes constitui uma excelente oportunidade para explorar, usando a neuroimagem, os mecanismos neuronais que estão na base de alterações do funcionamento executivo e da cognição social. Outro ponto importante prende-se com o facto de que melhor conhecimento do funcionamento executivo e da cognição social, pode constituir um valioso contributo para compreender as dificuldades cognitivas e funcionais encontradas nestes indivíduos. O foco desta tese prende-se, primeiramente, com a investigação do perfil funcional, intelectual e de neurodesenvolvimento desta população, pretendendo-se ainda esclarecer de forma inequívoca a ligação entre o funcionamento executivo e a cognição social, duas das áreas substancialmente afetadas nesta doença. O primeiro estudo que compõe esta tese incidiu sobre a investigação funcional, tendo sido especificamente investigado o perfil de comportamento adaptativo destes doentes assim como a importância do quociente de inteligência para explicar estas competências. Para isso, foram recrutados participantes com outras perturbações do neurodesenvolvimento (ODN), nomeadamente perturbação do desenvolvimento intelectual (PDI) e dificuldades de aprendizagem, que constituíram um importante modelo de comparação. Neste estudo demonstrámos que, na PEA, a área do comportamento adaptativo que apresenta maior comprometimento prende-se com a socialização, o que constitui um fator distintivo da amostra com ODN, independentemente da PDI. Foi também possível verificar que a comorbilidade com PDI tem um impacto negativo sobre o funcionamento geral, especialmente na PEA. Por outro lado, o nosso estudo revelou de forma surpreendente que a idade cronológica tem uma associação negativa com medidas do comportamento adaptativo. A tentativa de obter uma caracterização aprofundada do fenótipo da PEA foi o foco do segundo trabalho experimental, através do estudo do perfil intelectual destes doentes quando comparados com indivíduos com ODN. Foram reunidas evidências de que indivíduos com PEA apresentam resultados inferiores no quociente de inteligência verbal quando comparado com o quociente de inteligência de realização. Adicionalmente a medida que melhor distingue os grupos experimentais é o Índice de Velocidade de Processamento, que tem um impacto significativo no funcionamento executivo. Surpreendentemente, este estudo revelou que o perfil de competências e défices encontrado em doentes com PEA com e sem PDI é distinto e que o perfil intelectual está associado ao comportamento adaptativo, contudo, a mesma associação não se verifica para os sintomas nucleares da PEA. O perfil de neurodesenvolvimento na PEA foi igualmente abordado. Foi investigada a existência de marcadores precoces do perfil de neurodesenvolvimento suscetíveis de predizer mais tarde a aquisição ou não da linguagem expressiva, a qual influencia fortemente o perfil funcional e a cognição social destes indivíduos. Os nossos resultados revelaram que capacidades centrais (inteligência global e não-verbal) em idades precoces, são relevantes como, preditores do desenvolvimento da linguagem em crianças com PEA. De seguida o foco deste trabalho centrou-se no estudo da cognição social e do funcionamento executivo. Primeiramente, investigámos a capacidade de atenção social, que integra a cognição social, na PEA, através do uso de um paradigma experimental construído para o efeito, tendo por base um instrumento de avaliação amplamente usado no processo de diagnóstico. Reunimos evidência de que a alocação da atenção social depende do tipo de tarefa apresentada, sugerindo que os défices de atenção podem ser minimizados através da implementação de estratégias de ação orientadas para objetivos. Pretendemos também investigar a associação entre funcionamento executivo e cognição social através do estudo do desempenho comportamental, do padrão de movimentos oculares e dos correlatos neuronais numa tarefa com validade ecológica e orientada para objetivos. Esta tarefa requeria que o participante fizesse uma compra no supermercado, uma atividade do dia-a-dia que implica o recrutamento de funções executivas e cognição social. Verificámos que os défices de atenção podem ser minimizados através do uso de estratégias de ação focadas em objetivos com o recurso a pistas orientadoras destacando, assim, a importância do contexto, mais ou menos estruturado, e do esforço cognitivo exigido em cada tarefa no desempenho obtido. No seu conjunto, os nossos dados evidenciam que o contexto e o tipo de tarefa a executar têm reflexo na alocação da atenção na PEA. Por fim, conseguimos compreender durante a execução de uma compra no supermercado (tarefa experimental com validade ecológica) os correlatos neuronais encontrados na PEA, onde foi demonstrado um aumento da atividade neuronal em áreas pertencentes a três redes neuronais (executiva, saliência e cognição social). Em suma, o trabalho aqui apresentado contribui com novas pistas que permitem melhorar a compreensão do perfil neurocognitivo e funcional nos indivíduos que sofrem de PEA, particularmente no que respeita ao funcionamento executivo e à cognição social. Aplicando diferentes abordagens metodológicas e fazendo uso de diversas técnicas para o estudo de grupos com PEA, caracterizámos, pela primeira vez, os perfis adaptativo, de neurodesenvolvimento e intelectual em amostras de população portuguesa com PEA e estabelecemos, de forma inequívoca, a associação entre o funcionamento executivo e a cognição social através do uso de uma experiência ecológica do ponto de vista neurocomportamental.