aalto1 untyped-item.component.html
Neurophysiological methods for evaluation of infants’ sensory processing
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Science |
Doctoral thesis (article-based)
| Defence date: 2025-03-13
Electronic archive copy is available via Aalto Thesis Database.
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
85 + app. 55
Series
Aalto University publication series Doctoral Theses 21/2025
Abstract
Early infancy is a critical period for brain development, during which medical adversities can have lifelong consequences. Neurodevelopmental disorders often first manifest as sensorineural defects. However, assessing these in infants is challenging, as tests designed for older children are not yet suitable for developing babies. Therefore, there is a pressing need for innovative diagnostic tools for objective evaluation of sensory processing, offering insights into developing brain function and facilitating early interventions and care.
This Thesis presents new technical approaches to assess infants’ sensory systems by characterizing electroencephalography (EEG) responses to visual and somatosensory stimulation. Additionally, eye tracking was employed in a behavioral task to study the mechanisms of visual attention and face preference for various facial expressions. The research incorporated advanced computational techniques—such as source reconstruction and connectivity analysis—integrated with task designs that systematically targeted specific aspects of sensory processing.
In Study I, healthy 5- and 7-month-old infants were examined in a face-distractor competition paradigm, utilizing newly developed dynamic eye tracking metrics. Results revealed age-specific differences in gaze disengagement from faces, especially those with fearful expressions, indicating sensitivity to developmental changes. Studies II and III assessed cortical visual processing in healthy 3–5-month-old infants using cyclic orientation reversal, global form, and global motion stimuli. Eye tracking integrated with the visual stimulus presentation enabled detection of occipital steady-state EEG responses in 92–100% of the recordings, substantially exceeding detection rates reported in the literature. Connectivity analysis of these responses revealed recruitment of widespread functional networks extending also beyond the traditional visual streams, with a global form-related network metric correlating positively with later cognitive performance. Study IV examined proprioceptive EEG responses in asphyxiated neonates during repetitive hand movement stimulation. All neonates produced contralateral responses with vast cortico-cortical recruitment, though the extent of activation was reduced in cases with hypoxic-ischemic encephalopathy.
Overall, the studies demonstrate significant potential of the presented methods for early assessment of sensory processing and related neurocognitive development. However, high individual variability suggests that these tools may not yet be ready for clinical use. Further research is still needed with larger and more heterogeneous cohorts.
Varhaislapsuus on kriittinen ajanjakso aivojen kehitykselle, jolloin terveydellisillä ongelmilla voi olla elinikäisiä seurauksia. Kehityshäiriöiden ensioireisiin liittyy usein aistijärjestelmän toiminnan poikkeamia. Imeväisikäisten kehityksellisten arviointien tekeminen on kuitenkin haastavaa, eivätkä isommille lapsille soveltuvat testit ole vielä käyttökelpoisia kehittymättömille vauvoille. Aistitiedon käsittelyn tutkimuksessa tarvitaankin uusia diagnostisia työkaluja tarjoamaan objektiivista tietoa kehittyvien aivojen toiminnasta. Tällaiset menetelmät voisivat mahdollistaa varhaisia interventioita nopeuttaen lasten pääsyä hoitoon.
Väitöskirja esittelee uusia teknisiä ratkaisuja imeväisikäisten vauvojen aistijärjestelmien toiminnan arviointiin tarkastelemalla elektroenkefalografian (EEG) vasteita näkö- ja tuntoärsykkeisiin. Lisäksi työssä tutkittiin vauvojen visuaalista tarkkaavaisuutta ja kasvopreferenssiä katseenseurannan avulla eri kasvojen ilmeitä sisältävässä behavioraalisessa tehtävässä. Tutkimuksessa sovellettiin edistyneitä laskennallisia tekniikoita, kuten EEG:n lähde- ja konnektiviteettianalyysejä, yhdistettynä koeasetelmiin, jotka mahdollistivat menetelmien kohdentamisen aistitiedon käsittelyn eri osa-alueisiin.
Osatyössä I tutkittiin terveiden 5- ja 7-kuukautisten vauvojen visuaalista tarkkaavaisuutta kasvokuva-distraktori-koeasetelmassa hyödyntäen dynaamisia katseenseurannan mittareita. Tuloksissa nähtiin selviä ikäkohtaisia eroja vauvojen kyvyssä irrottaa tarkkaavaisuus kasvoista, erityisesti pelokkaista ilmeistä, mikä osoittaa herkkyyttä kehityksellisten muutosten havaitsemisessa. Osatöissä II ja III arvioitiin terveiden 3–5 kuukauden ikäisten vauvojen näkötiedon käsittelyä aivokuorella käyttäen suunnan kääntämiseen, globaaliin muotoon ja liikkeeseen perustuvia näköärsykkeitä. Katseenseurannan yhdistäminen mittaukseen mahdollisti aivojen takaosien EEG-vasteiden havaitsemisen 92–100 %:ssa mittauksista, mikä on merkittävä parannus aiempiin tutkimuksiin verrattuna. Ärsykkeet aktivoivat laajoja toiminnallisia verkostoja, jotka ulottuivat myös näköjärjestelmän perinteisten ratayhteyksien ulkopuolelle. Lisäksi havaittiin positiivinen korrelaatio globaalin muodon käsittelyn verkostometriikan ja lasten myöhemmän kognitiivisen suorituskyvyn välillä. Osatyössä IV tutkittiin asfyktisten vastasyntyneiden proprioseptiivisia EEG-vasteita käden toistuvaan liikestimulaatioon. Kontralateraaliset vasteet havaittiin kaikissa mittauksissa, ja niistä nähtiin laajaa aivokuoren aktivoitumista. Aktivaatio oli kuitenkin niukempaa niillä vauvoilla, joilla oli diagnosoitu hypoksis-iskeeminen aivovaurio.
Osatyöt osoittavat, että kehitetyillä menetelmillä on huomattavaa potentiaalia aistitiedon käsittelyn ja siihen liittyvän neurokognitiivisen kehityksen arviointiin vauvoilla. Yksilötason vaihtelu kuitenkin rajoittaa vielä niiden käyttöönottoa kliinisessä työssä. Lisätutkimuksia tarvitaan erityisesti laajemmissa ja heterogeenisemmissä aineistoissa.
Description
Supervising professor
Palva, J. Matias, Prof., Aalto University Department of Neuroscience and Biomedical Engineering and University of Helsinki, FinlandThesis advisor
Vanhatalo, Sampsa, Prof. University of Helsinki and Helsinki University Hospital, FinlandTokariev, Anton, Dr. University of Helsinki, Finland
Other note
Parts
- [Publication 1]: Ahtola, E., Stjerna, S., Yrttiaho, S., Nelson, C. A., Leppänen, J. M., & Vanhatalo, S. (2014). Dynamic eye tracking based metrics for infant gaze patterns in the face-distractor competition paradigm. PloS One, 9(5). https://doi.org/10.1371/journal.pone.0097299.
Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201710157149DOI: 10.1371/journal.pone.0097299 View at publisher
- [Publication 2]: Ahtola, E., Stjerna, S., Stevenson, N., & Vanhatalo, S. (2017). Use of eye tracking improves the detection of evoked responses to complex visual stimuli during EEG in infants. Clinical Neurophysiology Practice, 2, 81–90.
Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201802091388DOI: 10.1016/j.cnp.2017.03.002 View at publisher
- [Publication 3]: Ahtola, E., Stjerna, S., Tokariev, A., & Vanhatalo, S. (2020). Use of com-plex visual stimuli allows controlled recruitment of cortical networks in infants. Clinical Neurophysiology, 131(8), 2032–2040.
DOI: 10.1016/j.clinph.2020.03.034 View at publisher
- [Publication 4]: Ahtola, E., Leikos, S., Tuiskula, A., Haataja, L., Smeds, E., Piitulainen, H., Jousmäki, V., Tokariev, A., & Vanhatalo, S. (2023). Cortical networks show characteristic recruitment patterns after somatosensory stimulation by pneumatically evoked repetitive hand movements in newborn infants. Cerebral Cortex, 33(8), 4699–4713.
Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202212227293DOI: 10.1093/cercor/bhac373 View at publisher