Early development of cortical brain responses in newborns and fetuses – cognitive studies with fetal magnetoencephalography

Abstract

During early developmental stages the brain is more vulnerable to physiological insult than the more mature brain. However, an early diagnosis of deficits might enhance the chances for successful interventions due to the high cortical plasticity of the immature brain. This thesis contains two studies on early cognitive development, conducted with a device called fetal magnetoencephalography (fMEG). It allows non-invasive recordings of cortical responses in utero. Objective: Two study paradigms that assess cognitive functioning, such as integrative processes and the development of speech perception, were applied to neonates and fetuses. Methods: In study 1, brain responses to visual stimuli (VER) in a habituation paradigm were recorded in 25 fetuses (aged between 29 and 37 weeks gestational age (GA)) and 12 newborns (aged between 6 and 22 days). In study 2, auditory evoked responses (AER) to tone pairs were presented to 22 fetuses (aged between 29 and 38 weeks GA) and 15 neonates (aged between 2 and 38 days). This paradigm was applied in two difficulties – with short and long gaps between the tones. In both studies, the newborns already participated in the corresponding antecedent fetal recordings. Results: In study 1, nine of the 12 newborns showed a response decrement for consecutive visual stimuli, indicating habituation. The remaining three recordings were discontinued early. The prenatal VER rate was only 29%. But these fetuses exhibited a response decrement as well. In study 2, the newborns showed a trend to 2 responses with increasing age in the long gap tone pair. The prenatal study revealed single responses in most cases and no trend was observed. However, the fetal response rate between 76% and 86% was higher than in previous studies. Conclusions: Both paradigms have been successfully applied on neonates and fetuses, and cortical responses were recorded with fMEG technology. Despite the challenges in fetal data analysis, these investigations might help to improve future study paradigms and technological advances. Significance: These studies might contribute to a more accurate detection of early developmental delays and the development of subsequent impairments.

Entwicklungsdefizite entstehen häufig schon während der pränatalen Kortexgenese, wohingegen ihre Diagnose zumeist viel später erfolgt, wenn sich z.B. das Verhalten des Kindes nicht Altersgemäß entwickelt. In den pränatalen und beginnenden neonatalen Entwicklungsstadien verfügt der Kortex über eine hohe Plastizität, die mit zunehmendem Alter abnimmt. Somit ist der Einsatz von Interventionsmethoden möglichst früh im Entwicklungsverlauf wünschenswert, um irreversiblen Defiziten und deren physiologischen sowie psychosozialen Folgeschäden vorzubeugen. Voraussetzung hierfür ist allerdings eine frühzeitige Diagnose von Entwicklungsdefiziten. Mit Hilfe neuer Technologien – wie der fetalen Magnetoenzephalographie (fMEG) – ist die Erfassung auditorisch oder visuell evozierter Gehirnantworten schon vor der Geburt möglich. Das fMEG ist nicht invasiv und misst fetale Magnetfelder, die bei neuronaler Aktivität über der Hirnrinde entstehen. Dabei leiten hochsensible Sensoren – die sogenannten SQUID (Superconducting Quantum Interference Device) – die fetalen Magnetfelder über der mütterlichen Bauchoberfläche ab. Bei Kindern und Erwachsenen können evozierte Felder dazu dienen, Probanden mit Defiziten von nicht beeinträchtigten Personen zu unterscheiden. Somit könnte das fMEG zu einer frühen Erkennung von Entwicklungsdefiziten beitragen. Interventionsmethoden in diesen frühen Stadien könnten die Plastizität des sich entwickelnden Gehirns dazu nutzen, Defiziten entgegen zu wirken und weitere Entwicklungsrückstände zu verhindern. In den Anfangsstadien der Entwicklung spielen Wahrnehmung und Gedächtnis eine zentrale Rolle, da sie erst den Erwerb vieler weiterer Funktionen ermöglichen. Das Ziel dieser Arbeit ist es, kognitive Paradigmen in frühen Entwicklungsstadien anzuwenden, um einen besseren Einblick in die fetalen und neonatalen Grundlagen komplexer kortikaler Prozesse zu bekommen. Mit dem fMEG wurden 2 Studien zur fetalen und neonatalen Entwicklung evozierter Potenziale durchgeführt. In der ersten Untersuchung geht es um die Erfassung integrativer Prozesse, auch Habituation genannt. Die zweite Studie untersucht die Entwicklung der Lautwahrnehmung als Basis für Spracherwerb. In Studie 1 nahmen 25 Föten zwischen der 29. und 37. Schwangerschaftswoche, sowie 12 Neugeborene im Alter von 6 bis 22 Tagen teil. Vier aufeinander folgende Lichtblitze wurden präsentiert um kortikale Antworten zu evozieren. Die Reaktionsintensität der vier Stimuli wurde zueinander in Beziehung gesetzt, wobei Habituation durch eine Abnahme der Intensität von der ersten Gehirnantwort zu den darauf folgenden Reaktionen definiert ist. In Studie 2 wurden auditorisch evozierte Felder zu Tonpaaren verschiedener Länge präsentiert. Sie unterscheiden sich durch den Abstand zwischen den beiden Tönen – in einer Version war dieser kürzer als in der anderen. Die Eigenschaften der evozierten Felder auf beide Tonpaare wurden bei 22 Feten zwischen der 29. und der 38. Schwangerschaftswoche, sowie bei 15 Säuglingen im Alter zwischen 2 und 38 Tagen untersucht. In beiden Untersuchungen wurden die Neugeborenen aus der Stichprobe der jeweils vorausgehenden fetalen Studie rekrutiert. Studie 1 ergab eine Abnahme der Reaktionsintensität von der ersten bis zur letzten Stimuluspräsentation bei 9 der 12 Säuglinge. Dies weist auf Habituation hin, was als einer der wichtigsten Indikatoren für kognitive Prozesse gilt. Die drei übrigen Erhebungen wurden vorzeitig abgebrochen. In nur 29% der fetalen Daten waren evozierte Felder erkennbar. Allerdings zeigten diese Feten ebenfalls eine Abnahme der Reaktionsintensität. Studie 2 ergab einen Trend zu zwei Gehirnantworten mit zunehmendem Alter der Neugeborenen, zumindest in der längeren Version des Tonpaares. Die jüngeren Säuglinge reagierten dagegen zumeist mit nur einer Gehirnantwort. In der pränatalen Studie konnte kein Trend verzeichnet werden – die meisten Feten zeigten eine Gehirnantwort auf das Tonpaar. Allerdings war die Anzahl der erfassten fetalen Felder mit 76% bis 86% größer als in vergleichbaren Studien. Die Anwendung beider Paradigmen an Feten und Neugeborenen war erfolgreich, und die entsprechenden Gehirnantworten konnten mit dem fMEG erfasst werden. Die fetalen Daten ergaben trotz der Herausforderungen in der Datenanalyse Hinweise für die Gestaltung zukünftiger Studienprotokolle. Beide Studien könnten einen ersten Schritt zu einem besseren Einblick in die funktionelle Kortexgenese in Utero darstellen, und damit zu einer frühzeitigen Erkennung von Entwicklungsverzögerungen beitragen.