Brain dynamics of persistent developmental stuttering: a multimodal neurophysiological perspective

Speech fluency in people with developmental stuttering (DS) is frequently interrupted by involuntary repetitions and prolongations of syllables, words, and sounds and/or by recurrent hesitations and pauses. Usually, DS occurs for the first time in early childhood and often remits spontaneously during puberty. However, in many cases it persists in adulthood. The combination of different therapeutic approaches may result in decent stuttering severity improvements. Nevertheless, a decisive rehabilitative solution, especially for adults, is not yet available. In the last decades, the brain functioning of individuals with DS has been extensively investigated through numerous neuroimaging and neurophysiological studies. A series of “neural markers” suggests that stuttering may be the result of deficient neural dynamics in brain networks that support motor behavior, speech processing, and cognition. Dysfunctional activity within brain structures associated with motor planning, execution, and control is evident also in the absence of speech tasks, thus suggesting that dysfluencies may be only the overt symptom of a more general motor disorder. However, despite the crucial role of the motor system in DS, only a basic knowledge of its neural correlates is still available. By using a multimodal non-invasive neurophysiological approach (e.g. TMS, EEG, TMS/EEG co-registration, and MEG, also in combination with source imaging and structural MRI information), this dissertation intends to fill important research gaps in stuttering, such as those related to i) the dynamics of neural networks in DS, ii) the muscular interplay during movement execution, iii) the effects of “social” stress on dysfluencies and speech motor programs. The results highlight the critical role of the supplementary motor area (SMA) in the disturbance, and show that the often reported left hemisphere speech/motor under-activations may be counteracted by a mechanism in which cortical structures of the right hemisphere may react, in a “delayed” attempt of compensation. They also shed light on how external sensorial cues may help in improving the regulation of neural motor commands, proposing a mechanism by which the neural system may favor the preparation and control of motor sequences. Finally, they show that social and cognitive stress may negatively modulate the activity of the SMA “complex” and related regions, such as the anterior cingulate cortex, further contributing to perturb the neural exchange between speech and motor networks that precedes speech production. As a consequence, the multimodal non-invasive neurophysiological approach adopted in the present dissertation provides further contributions to the current understanding of the neural substrates that underlie the pathophysiological mechanisms of DS. Results may be useful to improve the available rehabilitation strategies, as well as to drive the realization of new and more tailored evidence-based interventions for this under-evaluated disturbance.

Nelle persone con balbuzie evolutiva, la normale fluenza del linguaggio è spesso interrotta da ripetizioni e prolungamenti involontari di sillabe, parole e suoni e/o da esitazioni e pause ricorrenti. La balbuzie evolutiva è un disturbo che compare nella prima infanzia e spesso scompare spontaneamente durante l’adolescenza tuttavia, in un certo numero di persone persiste nell’età adulta. Sebbene numerosi approcci terapeutici siano attualmente impiegati per il trattamento di questo disturbo, una terapia completamente efficace e risolutiva, specialmente per gli adulti, non è ancora disponibile. Negli ultimi decenni il sistema nervoso centrale di bambini e adulti con balbuzie evolutiva è stato ampiamente studiato in numerosi studi neurofisiologici e di neuroimaging. Tali studi hanno permesso l’identificazione di una serie di “marker neurali” del disturbo, i quali suggeriscono che la balbuzie possa essere il risultato di anomale dinamiche neurali tra network cerebrali coinvolti nella realizzazione di compiti motori, nell'elaborazione del linguaggio e nei processi cognitivi. In particolare, l’evidenza di una anomala attività delle strutture cerebrali coinvolte nella pianificazione, esecuzione e controllo dei movimenti, anche non in concomitanza con compiti di produzione linguistica, ha permesso di ipotizzare che le disfluenze possano essere solamente il sintomo manifesto di un disturbo motorio più generale. Sebbene sia evidente un ruolo cruciale del sistema motorio nella balbuzie, solamente una conoscenza di base dei suoi correlati neurali è attualmente disponibile. Attraverso un approccio neurofisiologico non invasivo e multimodale (TMS, EEG, co-registrazione TMS/EEG e MEG, in combinazione con MRI) questa tesi si prefigge di accrescere la conoscenza del substrato neurale che sottende il meccanismo fisiopatologico della balbuzie evolutiva in età adulta. Lo scopo degli studi presentati in questa tesi è quello di comprendere le dinamiche neurali della balbuzie, di studiare l’influenza reciproca tra diversi distretti muscolari durante l’esecuzione dei movimenti (anche in quelli non collegati al linguaggio) e di comprendere gli effetti dello stress sociale sulla manifestazione delle disfluenze e, perciò, sui meccanismi di preparazione motoria del linguaggio. I risultati evidenziano il ruolo cruciale dell’area supplementare motoria nei meccanismi fisiopatologici della balbuzie e dimostrano come le ridotte attivazioni delle aree motorie e di quelle deputate al controllo del linguaggio nell’emisfero sinistro vengano contrastate da una anomala reazione delle strutture corticali dell’emisfero destro, in un tentativo “tardivo” di compensazione. Evidenziano inoltre come la presentazione di segnali sensoriali esterni possa facilitare la regolazione dei comandi motori, proponendo l’esistenza di un meccanismo attraverso il quale il sistema nervoso può favorire la preparazione ed il controllo delle sequenze motorie. Infine, evidenziano come, nelle persone con balbuzie, lo stress sociale e cognitivo possa modulare negativamente l’attività dell’area supplementare motoria (e delle regioni collegate, come per esempio l’area del cingolo anteriore) interferendo ulteriormente con l’attività neurale dei network motori e del linguaggio che precede la produzione linguistica. L'approccio neurofisiologico multimodale adottato nella presente tesi permette di accrescere la comprensione del substrato neurale che sottende i meccanismi fisiopatologici della balbuzie evolutiva persistente in età adulta. I risultati potranno contribuire al miglioramento delle terapie attualmente disponibili, nonché favorire la realizzazione di nuove e più mirate strategie riabilitative per questo disturbo troppo spesso sottovalutato.