FUNCTIONAL AND NEURAL BASES OF SPATIAL-TEMPORAL DISORDERS OF VISUAL AWARENESS

L’estinzione visiva è un disturbo spazio-temporale di visual awareness. Pazienti con lesioni all’emisfero destro che presentano estinzione visiva spesso mostrano difficoltà nel rilevare lo stimolo controlesionale quando presentato contemporaneamente ad uno stimolo ipsilesionale (condizione di stimolazione bilaterale). In questi pazienti spesso inoltre lo stimolo di sinistra deve essere presentato con un vantaggio temporale per poter essere percepito come simultaneo a quello di destra. Nel presente lavoro, sono stati condotti tre esperimenti al fine di indagare le basi funzionali e neurali dei disturbi spazio-temporali di visual awareness. Attraverso il primo esperimento abbiamo indagato i correlati neurali di tali disturbi in pazienti con ictus in fase cronica con estinzione visiva. I deficit di visual awareness potrebbero in linea di principio dipendere da una disfunzione della corteccia parietale posteriore dovuta alla lesione della giunzione temporo-parietale, area tipicamente danneggiata nei pazienti con disturbi di visual awareness. Infatti la corteccia visiva ipsilesionale che risulta strutturalmente intatta potrebbe essere funzionalmente normale ma la sua attività viene modulata in maniera patologica a causa delle influenze top-down che derivano dalla corteccia parietale posteriore, e questo creerebbe asimmetria interemisferica. Tuttavia, non è ancora chiaro se l'effetto di una modulazione top-down disfunzionale influenzi esclusivamente le risposte del paziente o se induca cambiamenti neurali nelle aree visive. In questo esperimento, abbiamo cercato di indagare tale aspetto utilizzando la tomografia ad emissione di posizione (PET) a riposo in pazienti post-ictus. Nello specifico attraverso tale metodica abbiamo comparato il metabolismo corticale di un paziente che mostra estinzione visiva in fase cronica con quello di due pazienti che hanno recuperato il disturbo in fase acuta e che al momento dell’esame PET non evidenziavano deficit di visual awareness. Dai risultati si evidenzia che nel paziente con estinzione la corteccia visiva ipsilesionale, seppur strutturalmente intatta, risulta ipometabolica rispetto alla corteccia visiva controlesionale, mentre nessuna asimmetria interemisferica nelle aree visive è stata trovata nei pazienti senza estinzione. Questi dati suggeriscono che i cambiamenti neurali nelle aree occipitali strutturalmente intatte potrebbero essere cruciali per spiegare il disturbo di visual awareness per stimoli controlesionale in pazienti con estinzione in fase cronica. Nel secondo e nel terzo esperimento abbiamo studiato il possibile contributo dei meccanismi di cattura contingente dell’attenzione nell’elaborazione spazio-temporale delle informazioni visive, sia in pazienti con disturbi dell'attenzione (esperimento 2) sia in soggetti sani (esperimento 3). Dalla letteratura emerge che il deficit attentivo dei pazienti con lesioni parietali destre può essere determinato dalla difficoltà di disancorare l’attenzione da stimoli ipsilesionale per riorientarla verso stimoli controlesionali. È stato tuttavia dimostrato che il deficit di disancoraggio dipende della rilevanza che gli stimoli ipsilesionali assumono sulla base della richiesta del compito e/o delle aspettative del paziente. Anche studi su soggetti sani suggeriscono che l’aspettativa per una modalità sensoriale può accelerare la relativa percezione dello stimolo presentato in quella modalità piuttosto che in un’altra, riducendo il tempo necessario per la rilevazione dello stimolo stesso (ipotesi del “prior entry”). Il secondo esperimento si è concentrato sull’indagine delle basi funzionali dei disturbi spazio-temporali di visual awareness nei pazienti con estinzione visiva. Nello specifico abbiamo indagato se la richiesta del compito influenza l'elaborazione spazio-temporale delle informazioni visive in questi pazienti. Sono state valutate le prestazioni di un paziente con estinzione visiva in un compito di giudizio di ordine temporale. Il compito era eseguito in 2 diverse condizioni: in un caso s’istruiva il paziente ad eseguire il compito focalizzando la propria attenzione su un particolare stimolo (focused condition) mentre in un altro si chiedeva di eseguire il compito senza focalizzare l’attenzione su uno specifico stimolo (non-focused condition). Le prestazioni del paziente sono state confrontate con quelle di un paziente cerebroleso destro senza estinzione visiva e di quattro soggetti sani comparabili per età. Nella condizione non-focused il paziente con estinzione ha mostrato un bias spazio-temporale (PSS = -255), mentre si è evidenziata una riduzione importante di tale bias nella condizione focused (PSS = -44). Questi risultati indicano una chiara modulazione delle prestazioni del paziente sulla base del set attentivo utilizzato. Al contrario, nessuna modulazione è stata trovata sia nel paziente cerebroleso (condizione non-focused: PSS = -4, condizione focused: PSS = -2) che nei soggetti sani (condizione non-focused: PSS media = -16, condizione focused: media PSS = 3). Inoltre il paziente con estinzione ha mostrato una maggiore accuratezza nella discriminazione temporale di stimoli controlesionali, ma non di quelli ispilesionali, nella condizione focused (62,5%) rispetto alla condizione non-focused (46,7%). Lo scopo del terzo esperimento è stato quello di indagare le possibili influenze dei meccanismi di cattura contingente dell’attenzione sull’elaborazione spazio-temporale delle informazioni visive in soggetti sani. Diciotto soggetti sono stati testati attraverso un compito di giudizio di ordine temporale simile a quello utilizzato nell'esperimento 2. Nella condizione non-focused i soggetti non hanno mostrato alcun bias nel giudizio di ordine temporale (PSS = -3,6). Al contrario focalizzando l’attenzione su uno specifico stimolo (condizione focused) i soggetti mostravano un bias nel giudizio ordine temporale (PSS = -11) a favore di tale stimolo. Sulla base delle nostre conoscenze, questi sono i primi dati che dimostrano come la cattura dell’attenzione sia contingente al set attentivo anche in compiti di giudizio di ordine temporale.

Visual extinction is a spatial-temporal disorder of visual awareness. Right-hemisphere patients with visual extinction frequently miss the stimulus presented in their contralesional field on trials with bilateral presentation. They can also need the left stimulus to be presented with a temporal lead in order to be perceived as simultaneous to the right one. In the present work, three experiments were carried out in order to investigate functional and neural bases of spatial-temporal disorders of visual awareness. The first one focused on neural correlates of spatial-temporal disorders of visual awareness in patients with visual extinction at a chronic stage. An impairment of visual awareness is likely to depend upon unbalanced top-down modulation from dorsal fronto-parietal on occipital areas, typically intact in the ipsilesional hemisphere, biasing spatial-temporal processing of visual information towards the ipsilesional side. However, it is not clear yet whether the effect of a dysfunctional top-down modulation can only affect responses or, rather, induce neural changes in targeted visual areas. In this experiment, we addressed this issue by using position emission tomography (PET) at rest to measure possible differences between the cortical metabolism of one patient showing visual extinction at a chronic stage, and two patients who recovered from extinction, one at a chronic and another at a sub-acute stage. We found the structurally intact visual cortex of the extinction patient being hypometabolic in the right as compared to the left hemisphere, whereas no hemispheric asymmetry in the metabolism of visual cortex was found in the patients who recovered from extinction. Our data suggest that neural changes in structurally intact occipital areas might be crucial to explain the lack of visual awareness for contralesional stimuli in chronic extinction patients. In the second and third experiment we investigated the possible contribution of mechanisms of contingent attentional capture to spatial-temporal processing of visual information both in patients with attention disorders (experiment 2) and in healthy individuals (experiment 3). It was suggested that impairments of right parietal patients can be accounted for by a deficit in disengaging exogenous attention from ipsilesional stimuli and reorienting it towards contralesional events. It has been shown that the disengagement deficit depending on their behavioural relevance of ipsilesional stimuli (task demands and expectation of the patient). Also the results in the healthy subjects suggest that attending to a sensory modality can speed up the relative perception of stimulus presented in that rather than a different modality, reducing the time necessary for the stimulus to be perceived (“prior entry” hypothesis). The second experiment focused on functional basis of spatial-temporal disorders of visual awareness in patients with visual extinction, investigating whether task-set related factors can affect spatial-temporal processing of visual information in these patients. Specifically, we examined the performance of a visual extinction patient on a temporal order judgment (TOJ) task under conditions with different attentional set and compared his performance to that of one right-brain-damaged patient without visual extinction and four healthy subjects age matched. In the not focused condition the extinction patient shown spatial-temporal bias (PSS=-255), while he shown an important reduction of this bias under focused condition (PSS=-44). These findings indicate a clear modulation of patient’s performance with the attentional set, particularly for the PSS. On the contrary, no such a modulation was found both in the brain-damaged control patient (not focused condition: PSS=-4, focused condition: PSS=-2) and in healthy subjects (not focused condition: mean PSS=-16; focused condition: mean PSS=3). Furthermore the extinction patient showed higher accuracy of temporal discrimination for left-sided stimuli, but not for right-sides stimuli, in the focused (62,5%) as compared to the not focused (46,7%) condition. The aim of the third experiment was to investigate whether mechanisms of contingent attentional capture would also affect spatial-temporal processing of visual information in healthy subjects. Eighteen participants were tested on a similar TOJ paradigm as that used in experiment 2. In the not focused task-set condition subjects showed no bias in temporal order judgment (PSS=-3.6). On the contrary focusing subject’s attentional set onto one stimulus dimension yielded a clear-cut bias in temporal order judgment (PSS=-11). Present findings support evidence indicating that exogenous attention would affect sensitivity in a TOJ task and also extend this evidence, showing that in a TOJ task, as in other visual orienting tasks, capture of attention by external stimuli is contingent to the current attentional set.