Local-global visuospatial processing in Autism Spectrum Disorders and Nonverbal Learning Disabilities: A cross-task and cross-disorder comparison

Visuospatial abilities are considered essential to our interaction with the environment and are involved in many every-day activities (Hegarty & Waller, 2005; Jansen, Wiedenbauer, & Hahn, 2010). A useful way to approach this neuropsychological domain is the global-local paradigm, according to which, people may attend an event using a global processing style, in which they consider the gestalt of a set of stimuli, or a local processing style, in which they focus on details (Förster & Dannenberg, 2010; Navon, 1977; Schooler, 2002). An abundance of research on global versus local processing has revealed preferential processing styles (with a global or local bias) in specific neurodevelopmental disorders, particularly as concerns Autism Spectrum Disorders (ASD) (Caron, Mottron, Dawson, Bertiaume, & Dawson, 2006; Kuschner, Bodner, & Minshew, 2009). Conflicting findings have often emerged in the literature (see for example Van der Hallen, Evers, Brewaeys, Van den Noortgate, & Wagemans, 2015), however, showing that participants with different developmental disorders can process both global and local information, depending on the task requirements and the cognitive domain involved, but in different and atypical ways (Dukette & Stiles, 2001). These results prevent possible generalizations and need to be further explored. Differently, global and local processing styles have never been studied in children with other neurodevelopmental disorders, such as Nonverbal Learning Disabilities (NLD), even though there is evidence to suggest that the issue could be relevant in individuals with NLD as well (Chow & Skuy, 1999). For this reason, cross-task and cross-syndrome comparisons are suggested as the best way to analyze these processing abilities and reveal similarities and differences in global and local processing styles in neurodevelopmental disorders (D’Souza, Booth, Connolly, Happé, & Karmiloff-Smith, 2016). The main aim of this PhD dissertation is to improve our understanding of the role of global and local visuospatial processing in the neuropsychological profile of specific neurodevelopmental disorders, using cross-task and cross-disorder comparisons. Children with ASD without intellectual disability (ID) or NLD were tested in terms of their performance in different domains of visuospatial skills, comparing them with each other and with children who had other neurodevelopmental disorders, such as dyslexia or Attention Deficit Hyperactivity Disorder (ADHD). The assessment focused on visuospatial processing speed, visuo-perceptual and visuo-constructive abilities, visuospatial working memory (VSWM), and their interplay with local and global processing. Based on the modified Block Design Task (BDT) paradigm (Caron et al., 2006), new tasks and stimuli have been devised in order to assess the previously mentioned visuospatial abilities, and four studies have been carried out. Study I aimed to make a cross-task comparison on global-local visuospatial processing in two groups of participants with ASD without ID – with and without a visuospatial peak (–P and –NP) – comparing them with matched typically developing (TD) individuals. The results helped us to clarify the visuospatial profile of the two groups of individuals with ASD, demonstrating the importance of taking specific factors into account (i.e. the visuospatial domains examined and the perceptual reasoning abilities). Participants with ASD-NP performed poorly in all domains, revealing weaker spatial integration abilities in the visuo-perceptual domain and a diminished sensitivity to perceptual coherence in the VSWM, while the ASD-P group used both global and local processing effectively according to the task, and a local bias only emerged in the visuo-constructive task. In agreement with D’Souza and coauthors (2016), our results support the conviction that labelling individuals with ASD as ‘local processors’ is restrictive. They may use both local and global processing styles depending on the demands of the task in hand, the visuospatial domain involved and their cognitive visuospatial functioning. Study II (Chapter 3) aimed to investigate global and local visuospatial processing in children with symptoms of NLD comparing them with children with symptoms of dyslexia and with TD controls. The results showed that children with symptoms of NLD were less accurate in visuo-constructive tasks, while children with symptoms of dyslexia were only slightly impaired in a visuo-constructive task, but clearly slower in the perceptual task. Children with symptoms of NLD were less able to benefit from different levels of coherence of the stimuli, probably as a consequence of their less flexible and efficient visuospatial processes (Mammarella, & Cornoldi, 2005). In particular, the global dominance mechanism (Navon, 1977) made it more complicated for the group with symptoms of NLD to switch from a global to a local processing, which was needed to complete the visuo-constructive task correctly. After investigating the issue of global and local visuospatial processing separately for ASD without ID and NLD, the aim of Study III (Chapter 4) was to draw a cross-disorders comparison, highlighting similarities and differences across three clinical profiles - ASD without ID, NLD and ADHD - as compared with TD controls. Our results revealed different visuospatial profiles for the groups considered, and suggested the utility of manipulating the coherence of stimuli to investigate visuospatial skills. Marked deficit in all the visuospatial domains emerged for the group with NLD, confirming that impairments in the visuospatial domain are core and distinctive symptoms of this disorder (Cornoldi, Mammarella, & Fine, 2016; Semrud-Clikeman, Walkowiak, Wilkinson, & Christopher, 2010). In addition, difficulty in integrating local configurations in a coherent whole emerged for the visuo-perceptual domain. A heterogeneous profile emerged for children with ADHD, which showed, consistently with previous studies, impairment in the visuospatial processing speed domain and in VSWM (Martinussen, Hayden, Hogg-Johnson, & Tannock, 2005; Weigard & Huang-Pollock, 2017). Moreover, these participants presented some difficulties in visuo-constructive abilities when they had to deal with global configurations, while they performed normally in visuo-perceptual task. Differently, participants with ASD performed normally in all the examined domains, using effectively both global and local visuospatial processes, with the sole exception of the visuo-constructive task in which this group showed slower response times and a diminished sensitivity to perceptual coherence (Caron et al., 2006; Shah & Frith, 1993). Finally, since individuals with NLD and those with High Functioning Autism or Asperger Syndrome (DSM-IV TR, American Psychiatric Association [APA], 2000) are often confused, Study IV (Chapter 5) included a further comparison between ASD and NLD. Visuo-constructive abilities and VSWM were investigated in a subgroup of participants with ASD without ID and without a visuospatial peak (ASD-NP) and in a group with NLD. Thus, Study IV aimed to analyze whether ASD-NP – though not representative of the ASD without ID population as a whole– shared any characteristics with the NLD group. Once again, our results differentiate the visuospatial profile of children with NLD from that of children with ASD. The former group showed an impaired performance in all the domains examined affecting both global and local levels of processing. The ASD group had a more heterogeneous profile, with normal performance in VSWM and in the drawing of a complex figure, slower response times in the segmented condition of visuoconstructive BDT and a more local and fragmented drawing style in the recall of a complex figure. Here again, local bias affected the performance of participants with ASD in tasks demanding visuoconstructive skills that specifically involved combining parts to form a single whole (Simic, Khan, & Rovet, 2013). General conclusions derived from the main findings of the four studies, and both clinical and educational implications will be thus highlighted in the final chapter of this dissertation. To conclude, investigating visuospatial abilities and global-local processing in individuals with neurodevelopmental disorders offer crucial insight for the analysis of the strengths and weaknesses of the clinical profiles examined and for their differential diagnosis. There is still space for further research on the domains of visuospatial abilities, and on the general neuropsychological functioning of children with different neurodevelopmental disorders. This dissertation was an effort to raise and clarify some points, however other questions remain open and will require further studies.

Le abilità visuospaziali sono un insieme di abilità considerate essenziali nell’interazione con l’ambiente e sono coinvolte in numerose attività quotidiane (Hegarty & Waller, 2005; Jansen, Wiedenbauer, & Hahn, 2010). Il paradigma di elaborazione globale-locale (Navon, 1977) costituisce un utile approccio per studiare questo dominio neuropsicologico. Secondo tale paradigma le persone possono percepire un evento usando uno stile di elaborazione globale, per cui considerano la gestalt di un insieme di stimoli, o uno stile di elaborazione locale, per cui si focalizzano sui dettagli (Förster & Dannenberg, 2010; Navon, 1977; Schooler, 2002). Numerose ricerche sull’elaborazione globale-locale hanno rivelato l’uso preferenziale di uno stile di elaborazione (con un bias globale o locale) in specifici disturbi del neurosviluppo, in particolare riguardo al disturbo dello spettro dell’autismo (ASD) (Caron, Mottron, Dawson, Bertiaume, & Dawson, 2006; Kuschner, Bodner, & Minshew, 2009). Tuttavia, risultati conflittuali sono spesso emersi in letteratura (vedi Van der Hallen, Evers, Brewaeys, Van den Noortgate, & Wagemans, 2015) e mostrano come i partecipanti con differenti disturbi dello sviluppo possono elaborare sia informazioni locali che globali, a seconda delle richieste del compito e del dominio cognitivo coinvolto, ma in modi differenti e atipici (Dukette & Stiles, 2001). Questi risultati prevengono possibili generalizzazioni e necessitano di essere ulteriormente esplorati. Al contrario, gli stili di elaborazione globale-locale non sono mai stati studiati in bambini con altri disturbi del neurosviluppo, come il disturbo dell’apprendimento nonverbale (NLD), nonostante evidenze abbiano suggerito che questi aspetti possano essere rilevanti anche nell’NLD (Chow & Skuy, 1999). Per tale ragione, confronti tra differenti disturbi del neurosviluppo e attraverso l’uso di diversi compiti vengono suggeriti come il metodo migliore per analizzare queste abilità ed evidenziare similitudini o differenze nell’uso degli stili di elaborazione (D’Souza, Booth, Connolly, Happé, & Karmiloff-Smith, 2016). L'obiettivo principale della presente tesi di Dottorato è quello di migliorare la nostra comprensione del ruolo dell’elaborazione visuospaziale globale-locale nel profilo neuropsicologico di specifici disturbi del neurosviluppo, attraverso la comparazione di diversi disturbi e l’uso di prove differenti. Sono state indagate le prestazioni di partecipanti con ASD senza disabilità intellettiva (ID) o NLD in diversi domini di abilità visuospaziali, confrontandoli tra loro e con bambini aventi altri disturbi del neurosviluppo, come la dislessia o il deficit di attenzione/iperattività (ADHD). L’assessment si è concentrato sull’indagine della velocità di elaborazione visuospaziale, delle abilità visuo-percettive, visuo-costruttive e di memoria di lavoro visuospaziale (VSWM). È stata inoltre indagata l’interazione tra le performance in questi domini e l'elaborazione globale-locale. Sulla base del paradigma modificato di disegno con cubi (BDT) (Caron et al., 2006), sono stati elaborati nuovi compiti e stimoli per valutare le abilità visuospaziali menzionate. In particolare, sono stati condotti quattro studi. Lo Studio I ha indagato gli stili di elaborazione visuospaziale globale-locale in due gruppi di partecipanti con ASD senza ID - con e senza un picco visuospaziale (-P e -NP) - confrontandoli con individui a sviluppo tipico (TD). I risultati hanno permesso di chiarire il profilo visuospaziale dei due gruppi di partecipanti con ASD, dimostrando l’importanza di tenere in considerazione fattori specifici (come i domini di abilità visuospaziali esaminati e le abilità di ragionamento percettivo dei partecipanti). I partecipanti con ASD-NP hanno ottenuto scarsi risultati in tutti i domini, mostrando inferiori capacità di integrazione spaziale nel dominio visuo-percettivo e una ridotta sensibilità alla coerenza percettiva nella VSWM, mentre il gruppo ASD-P ha utilizzato entrambe le strategie di elaborazione globale e locale in modo efficace in base al compito e un bias locale è emerso solo nel compito visuo-costruttivo. In accordo con D'Souza et al. (2016), i nostri risultati sostengono la convinzione che etichettare gli individui con ASD come "local processors" sia restrittivo. Infatti, essi possono utilizzare entrambi gli stili di elaborazione locale e globale a seconda delle richieste del compito, del dominio visuospaziale coinvolto e del loro funzionamento cognitivo di tipo visuospaziale. Lo studio II (Capitolo 3) ha indagato l'elaborazione visuospaziale globale-locale nei bambini con sintomi di NLD confrontandoli con bambini con sintomi di dislessia e con TD. I risultati hanno mostrato un’accuratezza inferiore per i bambini con sintomi di NLD nel compito visuo-costruttivo, mentre i bambini con sintomi di dislessia hanno mostrato lievi difficoltà nel compito visuo-costruttivo e una chiara lentezza in quello viuso-percettivo. Inoltre, i bambini con sintomi di NLD si sono mostrati meno in grado di beneficiare dei diversi livelli di coerenza degli stimoli, probabilmente come conseguenza dei loro processi visuospaziali meno flessibili ed efficienti (Mammarella & Cornoldi, 2005). In particolare, il meccanismo di dominanza globale (Navon, 1977) ha reso più complicato per il gruppo con sintomi di NLD il passaggio dall’elaborazione globale a quella locale, necessario per completare correttamente il compito visuo-costruttivo. Dopo aver esaminato l’elaborazione visuospaziale globale-locale separatamente per ASD senza ID e NLD, lo scopo dello Studio III (Capitolo 4) era quello di effettuare un confronto tra disturbi, evidenziando somiglianze e differenze tra tre profili clinici - ASD senza ID, NLD e ADHD - rispetto ai TD. I nostri risultati hanno rivelato diversi profili visuospaziali per i gruppi considerati e suggerito l'utilità di manipolare la coerenza degli stimoli per l’indagine di tali abilità. Per il gruppo con NLD è emerso un deficit marcato in tutti i domini visuospaziali, a conferma che le difficoltà in tale dominio costituiscono sintomi fondamentali e distintivi di questo disturbo (Cornoldi, Mammarella & Fine, 2016, Semrud-Clikeman, Walkowiak, Wilkinson e Christopher, 2010). Inoltre, per il dominio visuo-percettivo è emersa la difficoltà di integrare le configurazioni locali in un insieme coerente. Per il gruppo con ADHD si è evidenziato un profilo eterogeneo, i partecipanti con tale diagnosi hanno mostrato, in linea con gli studi precedenti, un deficit nel dominio di velocità di elaborazione visuospaziale e nella VSWM (Martinussen, Hayden, Hogg-Johnson & Tannock, 2005, Weigard & Huang-Pollock, 2017). Inoltre, questi partecipanti hanno presentato alcune difficoltà nelle abilità viso-costruttive quando dovevano ricostruire configurazioni globali, mentre sono emerse abilità visuo-percettive in norma. Diversamente, i partecipanti con ASD hanno mostrato prestazioni in norma in tutti i domini esaminati, utilizzando efficacemente processi visuospaziali globali e locali, con l'unica eccezione del compito visuo-costruttivo in cui questo gruppo ha mostrato tempi di risposta più lenti e una sensibilità ridotta alla coerenza percettiva (Caron et al., 2006; Shah & Frith, 1993). Infine, considerato che i profili di individui con NLD e con autismo ad alto funzionamento o sindrome di Asperger (DSM-IV TR, American Psychiatric Association [APA], 2000) sono spesso confusi, nello Studio IV (Capitolo 5) è stato proposto un ulteriore confronto tra ASD e NLD. Le abilità visuo-costruttive e la VSWM sono state studiate in un sottogruppo di partecipanti con ASD senza ID e senza picco visuospaziale (ASD-NP) e in partecipanti con NLD. Lo scopo era quello di analizzare se il gruppo con ASD-NP - sebbene non rappresentativo dell'intera popolazione con ASD senza ID – condividesse o meno caratteristiche con il gruppo NLD. Ancora una volta, i nostri risultati hanno permesso di differenziare il profilo visuospaziale dei bambini con NLD da quello dei bambini con ASD. Il primo gruppo ha mostrato prestazioni deficitarie in tutti i domini esaminati sia per il livello di elaborazione locale sia per quello globale. Il gruppo con ASD ha mostrato invece un profilo più eterogeneo, con prestazioni in norma nella VSWM e nel disegno di una figura complessa, tempi di risposta più lenti nella condizione segmentata della prova visuo-costruttiva e uno stile di disegno locale e frammentato nel disegno a memoria di una figura complessa. Anche qui, il bias locale ha influenzato le prestazioni dei partecipanti con ASD in compiti che richiedevano competenze visuo-costruttive e nello specifico di combinare le parti per formare un unico insieme (Simic, Khan, & Rovet, 2013). Infine, le conclusioni generali derivate dai principali risultati dei quattro studi e le loro implicazioni cliniche ed educative sono state evidenziate nel capitolo conclusivo della presente tesi. Per concludere, l'analisi delle capacità visuospaziali e l'elaborazione globale-locale in individui con disturbi del neurosviluppo offrono una visione cruciale per l'analisi dei punti di forza e di debolezza dei profili clinici esaminati e per la loro diagnosi differenziale. C'è ancora molto spazio per ulteriori ricerche sulle capacità visuospaziali e sul funzionamento neuropsicologico generale dei bambini con diversi disturbi del neurosviluppo. La presente tesi ha avuto l’obiettivo di sollevare e chiarire alcuni punti, ma altre domande restano aperte e richiederanno ulteriori studi.