fMRI and MEG in the study of typical and atypical cognitive development

SummaryThe tremendous changes in brain structure over childhood are critical to the development of cognitive functions. Neuroimaging provides a means of linking these brain-behaviour relations, as task protocols can be adapted for use with young children to assess the development of cognitive functions in both typical and atypical populations. This paper reviews some of our research using magnetoencephalography (MEG) and functional MRI (fMRI) in the study of cognitive development, with a focus on frontal lobe functions. Working memory for complex abstract patterns showed clear development in terms of the recruitment of frontal regions, seen with fMRI, with indications of strategy differences across the age range, from 6 to 35 years of age. Right hippocampal involvement was also evident in these n-back tasks, demonstrating its involvement in recognition in simple working memory protocols. Children born very preterm (7 to 9 years of age) showed reduced fMRI activation particularly in the precuneus and right hippocampal regions relative to control children. In a large normative n-back study (n = 90) with upright and inverted faces, MEG data also showed right hippocampal activation that was present across the age range; frontal sources were evident only from 10 years of age. Other studies have investigated the development of set shifting, an executive function that is often deficit in atypical populations. fMRI showed recruitment of frontal areas, including the insula, that have significantly different patterns in children (7 to 14 years of age) with autism spectrum disorder compared to typically developing children, indicating that successful performance implicated differing strategies in these two groups of children. These types of studies will help our understanding of both normal brain-behaviour development and cognitive dysfunction in atypically developing populations.

RésuméLes importantes modifications structurelles du cerveau intervenant durant l’enfance s’avèrent déterminantes pour le développement des fonctions cognitives. La neuroimagerie peut constituer une méthode d’étude des relations entre modifications cérébrales structurelles et comportement, vu que les protocoles d’étude du développement cognitif peuvent être adaptés aux jeunes enfants appartenant à des populations normales ou déviantes. Nous reprenons ici certains de nos travaux utilisant la magnétoencéphalographie (MEG) et la résonance magnétique nucléaire fonctionnelle (fMRI) pour l’étude du développement cognitif, en particulier celui des fonctions du lobe frontal. Une maturation de la mémoire de travail en rapport avec des patterns complexes a été clairement mise en évidence : elle se remarque dans le recrutement des régions frontales, démontré par la fMRI, parallèlement à une évolution des stratégies utilisées dans les différentes tranches d’âge entre six et 35 ans. Des tâches de type n-back ont aussi démontré la mise en jeu de l’hippocampe droit, impliqué dans la reconnaissance lors de protocoles simples d’évaluation de la mémoire de travail. Dans la tranche d’âge sept à neuf ans, la fMRI montre une moindre activation, particulièrement dans le precuneus et l’hippocampe droit, chez d’anciens grands prématurés par rapport à des enfants contrôle. Dans une large (n = 90) étude normative de tâches n-back faisant appel à des visages droits ou inversés, des études MEG ont également démontré une activation de l’hippocampe droit dans toutes les tranches d’âge ; en revanche, des sources frontales n’étaient évidentes qu’à partir de l’âge de dix ans. D’autres études ont porté sur le développement de la flexibilité attentionnelle, fonction exécutive souvent déficitaire dans les populations déviantes. La fMRI a montré que des enfants (sept à 14 ans) présentant des désordres relevant du spectre de l’autisme présentaient un pattern de recrutement des aires frontales, en particulier de l’insula, différent de celui d’enfants présentant un développement normal, démontrant que ces deux groupes d’enfants utilisaient des stratégies différentes pour réussir les tâches. Des études de ce type devraient nous aider pour mieux comprendre à la fois la maturation normale des relations cerveau/comportement et les dysfonctionnements cognitifs apparaissant dans des populations non typiques.