From Social Brain to Action and Perception Neural correlates of the early social abilities and their behavioural forerunners in typical and atypical development

The present research project is addressed to the study of the development of the “social brain”, a network of brain regions specialized for processing social stimuli.This system is evolutionary specialized to social interaction and it plays a crucial role in social development. Human beings are “socially tuned”, but the origins of this specialization process are to date, in part unknown. This research is focused on the emergence of early precursors of social abilities, and on the processing of socially relevant information in the first year of life, in typical and atypical development. In particular the following areas have been investigated: the neural correlates of the human action processing at birth, the ability to understand goal-directed actions in the first year of life; the early neuro-cognitive endophenotypes of the Autism Spectrum Disorders (ASDs) related to the precursors of the social cognition (i.e. attentional pattern during face and gaze processing; the action processing). The populations studied are infants and newborns having different degrees of familial risk for autism emergence. The principal aims of the project are a) to investigate when and how few social abilities are achieved during the typical development; b) to study – by means of at risk populations- the role of early asynchrony in growth on atypical development trajectories; c) to identify some possible early behavioural and neurophysiological indicators which could predict the future emergence of Autism Spectrum Disorders (ASDs). In order to study these aspects, functional brain neuroimaging has been integrated with the theoretical framework and the classical techniques of developmental cognitive neuroscience. These complementary methods of investigation allow to study functional brain structures and behavioural systems at the same time. Four main studies have been conducted with the aim to shed light on the very early mechanisms of social orienting and action processing and how these specialized. The first study employed behavioral neurocognitive procedures and the non-invasive functional neuroimaging techniques (fNIRS - functional Near Infrared Spectroscopy) on a sample of newborn infants in order to collect direct and indirect data (looking behaviour and cortical oxygenation changes) during the passive observation of dynamic biological stimuli, socially communicative (i.e. face-to-face interaction) or not communicative (goal-directed action), compared to dynamic non social and non biological stimuli. The second and third study addressed to older infants (between 6 and 9 months old) is focused on the role of behavioural (i.e. related to the mental states of the agent) and environmental cues (i.e. related to the context where- or to the mode by which- the action is executed) in the goal attribution processes. Three different paradigms have been utilized in order to evaluate which are the more efficient features which modulate the others’ actions understanding in the first year of life. The fourth study consists in the administration of two well established behavioural paradigms in the field of visual attention to a sample of newborn infants at high risk for ASD (because later-born sibling of a proband). An additional original task has been proposed to the high-risk sample, to evaluate the spontaneous preference for biological over non-biological motion in realistic scenes of goal-directed actions. The infant siblings’ data were compared to the performances of peers (undergone to the same tasks) with unspecified risk for autism (i.e. general population) to highlight the presence of a hypothetical peculiar attentional phenotype in unaffected relatives of children with autism (Broader Autism Phenotype)

Il presente progetto di ricerca è rivolto allo studio dello sviluppo del “cervello sociale”, una rete di regioni cerebrali specializzate per l’elaborazione degli stimoli sociali. Questo sistema è specializzato in senso evolutivo per l’interazione sociale e gioca un ruolo cruciale nello sviluppo sociale. Gli esseri umani sono “sintonizzati” socialmente, ma le origini di questo processi di specializzazione, ad oggi, sono in parte sconosciuti. Questa ricerca è focalizzata sulla comparsa dei precursori delle abilità sociali, e sull’elaborazione delle informazioni socialmente rilevanti nel primo anno di vita, nello sviluppo tipico quanto in quello atipico. In particolare sono state investigate le seguenti aree: i correlati neurali dell’elaborazione di azioni umane alla nascita; l’abilità di comprendere azioni dirette ad uno scopo nel primo anno di vita; gli endofenotipi neurocognitivi precoci del Disturbo dello Spettro Autistico (DSA) connessi ai precursori della cognizione sociale (es. pattern attentivi durante l’elaborazione dello sguardo e del volto; la percezione di azioni). Le popolazioni indagate sono infanti e neonati aventi diversi gradi di rischio familiare di sviluppare autismo. Gli scopi principale del progetto sono a) approfondire quando e come alcune abilità sociali vengono acquisite durante il corso dello sviluppo tipico; b) studiare - per mezzo di popolazioni a rischio- il ruolo di disarmonie precoci nella crescita sulle traiettorie evolutive atipiche; c) identificare possibili indicatori neurali e comportamentali precoci, i quali possano prevedere la futura comparsa di Disturbi dello Spetro Autistico (DSA). Al fine di studiare questi aspetti, la tecnica di neuroimmagine funzionale è stata integrata con il quadro teorico e alle tecniche classiche delle neuroscienze cognitive in ambito evolutivo. Questi metodi complementari di ricerca permettono di studiare allo stesso tempo sia meccanismi comportamentali, sia le strutture funzionali del cervello sottostanti a tali sistemi. Quattro principali studi sono stati condotti con lo scopo di gettare luce sui meccanismi precocissimi dell’orientamento sociale e dell’elaborazione dell’azione e come si specializzano. Nel primo studio sono state adoperate procedure comportamentali neurocognitive assieme alla tecnica non invasiva di neuroimaging della spettroscopia del vicino infrarosso (fNirs) su un campione di neonati, al fine ti raccogliere dati diretti ed indiretti (comportamento visivo e cambiamenti di ossigenazione corticale) durante l’osservazione passiva di stimoli dinamici biologici, socialmente comunicativi (es. interazione faccia-a-faccia) o non comunicativi (azione goal-directed), in contrapposizione a stimoli dinamici non sociali e non biologici. Il secondo e terzo studio, rivolto a infanti (tra i 6 e i 9 mesi di vita) è centrato sul ruolo di indizi comportamentali (relativi agli stati mentali dell’agente) e ambientali (relativi al contesto in cui o al modo in cui l’azione è eseguita) nei processi di attribuzione di scopo. Tre diversi paradigmi sono stati impiegati per valutare quali siano le caratteristiche più efficaci nel modulare la comprensione delle azioni altrui nel primo anno di vita. Il quarto studio consiste nel sottoporre a due paradigmi comportamentali consolidati nel campo dell’attenzione visiva un campione di bambini ad alto rischio di DSA (perché fratelli minori di un probando). Un compito aggiuntivo originale è stato proposto al campione a rischio, per valutare la preferenza spontanea per il movimento biologico su quello non biologico in scene realistiche di azioni dirette ad uno scopo. I dati dei fratelli di bambini affetti sono stati confrontati con le performance (agli stessi compiti) di un gruppo di pari con rischio di DSA non specificato (popolazione generale), per evidenziare la presenza di un ipotetico fenotipo attentivo peculiare nei parenti non affetti di bambini con autismo (fenotipo autistico diffuso) The infant siblings’ data were compared to the performances of peers (undergone to the same tasks) with unspecified risk for autism (i.e. general population) to highlight the presence of a hypothetical peculiar attentional phenotype in unaffected relatives of children with autism (Broader Autism Phenotype)