Genetic and environmental modulators of neural encoding associated to speech processing and their relationship with auditory skills

Abstract

[eng] Individuals exhibit variability in auditory processing skills, including those related to musical or speech perception, which rely on an accurate neural representation of the spectro-temporal characteristics of the auditory signal. The Frequency-Following Response (FFR) is a neurological response originating mainly in the brainstem that synchronizes with incoming stimuli and serves as a tool to assess the tracking accuracy of the auditory system. FFR has been associated with problems in phonological awareness, reading alterations, and dyslexia. It has also been noted that this response is sensitive to environmental influences such as language experience, bilingualism, and musical training. In addition to studying environmental factors in auditory processing, genetic studies have helped to understand the contributions of genetic variants to individual differences observed in auditory skills. Twin studies have reported remarkable heritability for auditory processing, including pitch recognition, temporal processing, and dichotic word discrimination, among others. Molecular genetics approaches have investigated the association between genetic regions and behavioral phenotypes of auditory perception, such as music perception and beat synchronization. In the field of auditory responses measured by EEG, a study reported a significant association between the FFR and the serotonin uptake gene (SLC6A4), representing the only study relating an auditory electrophysiological response with a gene. While the study of auditory processing and perception has been focused on environmental factors or genetic contributions separately, studies that combine both approaches are scarce. Furthermore, studies that integrate measures at different levels, including genetic data, electrophysiological measures, and behavioral assessments of auditory processing in a iv single study, are non-existent. This thesis includes four studies that aim to explore the genetic and environmental factors contributing to auditory processing as reflected in the FFR. It also aims to investigate the relationship between FFR and functional assessments of audiological, musical and speech perception. A total of 129 young adults volunteered as participants in an experimental session that consisted of an FFR-EEG experiment, a saliva sample collection for genetic analyses, four behavioral tests to assess speech-in-noise (SIN) perception, reading skills, musical skills, and amplitude-modulation discrimination, in addition to a language proficiency questionnaire. Study I attempted at characterizing the relationship between the FFR and processing sounds in challenging environments. Its results revealed that background noise affects the FFR by enhancing the response to the F0 on one side and degrading the response to the formant and the neural transmission delay on the other side. Additionally, we correlated the FFR parameters with the performance in a SIN perception task, finding that only the response to the F1 to the vowel /a/ was correlated with SIN perception. In Study II, the auditory skills measured behaviorally were correlated with four components obtained by PCA from the FFR parameters to describe functional implications of the FFR. Only the F1 /o/ component was significantly correlated with the performance in reading skills and no other significant correlation was observed. When evaluating the relationship only between the behavioral measures, significant correlations were observed between SIN perception and reading skills. In Study III, we replicated the association between the promoter region of the SLC6A4 gene and the FFR response to the F0. Moreover, genome-wide analyses did not reveal significant associations after correcting for multiple comparisons, but suggestive probability values were found between FFR component and SNPs related to genes linked to different cognitive and behavioral assessments and v highly expressed in brain tissues. Based on the polygenic score analyses, we found a significant shared genetic etiology between SIN perception and ADHD. In Study IV, regarding the role of the age of bilingualism acquisition as a potential modulator of the neural response, we did not find a main effect of bilingualism across all FFR measures, nor with the behavioral assessments, indicating that by itself, this variable does not contribute to the observed differences. In summary, throughout this thesis, it was observed that the individual contribution of the different environmental and genetic effects studied has a relatively small effect size, thus highlighting the complexity underlying the in-depth study of auditory processing of sounds in our environment.

[cat] Els individus mostren variabilitat en les habilitats de processament auditiu, incloent-hi aquelles relacionades amb la percepció musical o del discurs, que depenen d'una representació neural precisa de les característiques espectro-temporals del senyal auditiu. La Resposta de Seguiment a Freqüència (FFR) és una resposta neurològica que es genera principalment al tronc cerebral, es sincronitza amb els estímuls entrants i serveix com a eina per avaluar la precisió de codificació del sistema auditiu. La FFR s'ha associat amb problemes en la consciència fonològica, alteracions en la lectura i dislèxia. També s'ha observat que aquesta resposta és sensible a influències ambientals com el bilingüisme i la formació musical. A més d'estudiar els factors ambientals en el processament auditiu, els estudis genètics han ajudat a comprendre les contribucions de les variants genètiques a les diferències individuals observades en les habilitats auditives. Els estudis bessons han reportat una heretabilitat notable per al processament auditiu, incloent-hi el reconeixement del to, el processament temporal i la discriminació de paraules, entre d'altres. Estudies de genètica molecular han investigat l'associació entre variants genètiques i fenotips conductuals de la percepció auditiva, com la percepció musical i la sincronització del ritme. En el camp de les respostes auditives mesurades per EEG, un estudi va informar d'una associació significativa entre la FFR i el gen de la recaptació de serotonina (SLC6A4), representant l'únic estudi que relaciona una resposta electrofisiològica auditiva amb un gen. Tot i que l'estudi del processament auditiu i de la percepció s'ha centrat en els factors ambientals o les contribucions genètiques per separat, els estudis que combinen ambdós enfocaments són escassos. A més, els estudis que integren mesures a diferents nivells, incloent-hi dades genètiques, electrofisiològiques i conductuals del processament auditiu en un sol estudi, són inexistents. Aquesta tesi inclou quatre estudis que tenen com a objectiu explorar els factors genètics i ambientals que contribueixen al processament auditiu reflectit en la FFR. També pretén investigar la relació entre la FFR i les avaluacions funcionals de la percepció audiològica, musical i del discurs. Un total de 129 joves adults es van participar voluntàriament en una sessió experimental que consistia en un experiment d'EEG-FFR, una recollida de mostra de saliva per a anàlisis genètiques, quatre proves conductuals per avaluar la percepció de SIN, les habilitats de lectura, les habilitats musicals i la discriminació d'amplitud modulada, a més d'un qüestionari de competència lingüística. L'Estudi I va intentar caracteritzar la relació entre la FFR i el processament de sons en ambients desafiants. Els resultats van revelar que el soroll de fons afecta la FFR al millorar la resposta a la F0 d'una banda i degradar la resposta al formant i el retard de transmissió neural de l'altra banda. A més, vam correlacionar els paràmetres de la FFR amb el rendiment en una tasca de percepció de SIN, descobrint que només la resposta a la F1 de la vocal /a/ estava correlacionada amb la percepció de SIN. En l'Estudi II, les habilitats auditives mesurades conductualment es van correlacionar amb quatre components obtinguts per PCA dels paràmetres de la FFR per descriure les implicacions funcionals de la FFR. Només el component F1 /o/ va correlacionar significativament amb el rendiment en habilitats de lectura i no van observar altres correlacions significatives. Quan es va avaluar la relació només entre les mesures conductuals, van observar correlacions significatives entre la percepció de SIN i les habilitats de lectura. En l'Estudi III, vam replicar l'associació entre la regió promotora del gen SLC6A4 i la resposta de la FFR a la F0. A més, les anàlisis genòmiques no van revelar associacions significatives després de corregir per comparacions múltiples, però es van trobar valors de probabilitat suggeridors entre les components de la FFR i SNPs relacionats amb gens relacionats amb diferents fenotips cognitius i conductuals i altament expressats en teixit cerebral. Les anàlisis de puntuacions poligèniques van detectar una etiologia genètica compartida entre la percepció de SIN i el TDAH. En l'Estudi IV, pel que fa al paper de l'edat d'adquisició del bilingüisme com a modulador potencial de la resposta neural, no vam trobar un efecte principal del bilingüisme en cap mesura de la FFR ni amb les avaluacions conductuals, indicant que per si sola, aquesta variable no contribueix a les diferències observades. En resum, al llarg d'aquesta tesi s'ha observat que la contribució individual dels diferents efectes ambientals i genètics estudiats té una mida d’efecte relativament petita, destacant així la complexitat que subjau en l'estudi profund del processament auditiu dels sons del nostre entorn.