Abstract The aim of this study was to discover attention- and inhibitory control-related differences in the electrical activity of the brain in 6- to 9-year-old children who stutter (CWS) compared to typically developed children (TDC). For studies I and II, the study group consisted of 11 CWS (mean age 8.1 years, age range 6.3–9.5 years; all boys) and 19 fluently speaking children (mean age 8.1 years, age range 5.8–9.6 years; 7 girls). In study III, the participants were twelve boys who stutter (mean age 7.97 years, range 6.3–9.5 years) and 12 typically developed, fluently speaking boys (mean age 8.01 years, range 5.8–9.6 years). The CWS were recruited through local speech therapists and special teachers and newspaper advertisements, while controls were recruited from schools and preschools and among families of department staff and friends. Electroencephalography (EEG) was recorded during a visual Go/Nogo task, which forms a conflict between the pre-potent Go-response and inhibition of response in the Nogo condition, demanding inhibitory control. This EEG data was investigated with conventional event-related potentials (ERP) analysis, potential map and global field power (GFP) analysis and a time-frequency analysis including the periods between tasks. In the ERP analysis, the CWS had a delayed N2 component in the Go condition and a poorly defined P3 component. The potential maps and GFP waveforms confirmed the findings in the Go condition, but also revealed differences in the Nogo condition, described as a prolonged and excessive N2component and an absent P3 component in the CWS. These results indicate problems in the evaluation and classification of the stimulus and the response preparation and inhibition of the response. In the time-frequency analysis, the CWS showed reduced occipital alpha power in the “resting” or preparatory period between visual stimuli, particularly in the Nogo condition. Therefore, the CWS demonstrate reduced inhibition of the visual cortex in the absence of visual stimuli, which is likely related to problems in attentional gating. This newly discovered lack of occipital alpha modulation indicates elementary differences in the regulation of visual information processing in CWS. These findings support the view of stuttering as part of an extensive brain dysfunction involving also attentional and inhibitory networks. / Tiivistelmä Tutkimuksen tavoitteena oli tunnistaa tarkkaavuuteen ja inhibitiokontrolliin liittyviä eroja aivojen sähköisessä toiminnassa 6–9-vuotiailla lapsilla, jotka änkyttävät verrattuna tavanomaisesti kehittyviin lapsiin. Osatöissä I ja II koeryhmässä oli 11 änkyttävää lasta (iän keskiarvo 8.1 vuotta, ikäjakauma 6.3–9.5 vuotta) ja verrokkiryhmässä 19 sujuvasti puhuvaa lasta (keskiarvo 8.1 vuotta, jakauma 5.8–9.6 vuotta; 7 tyttöä). Osatyössä III koeryhmässä oli 12 änkyttävää poikaa (keskiarvo 7.97, jakauma 6.3–9.5 vuotta) ja verrokkiryhmässä 12 sujuvasti puhuvaa poikaa (keskiarvo 8.01 vuotta, jakauma 5.8–9.6 vuotta). Koehenkilöitä haettiin puheterapeuttien ja erityisopettajien välityksellä sekä lehti-ilmoituksilla. Verrokkiryhmän osallistujat rekrytoitiin kouluista, esikouluista sekä henkilökunnan ja ystävien perheiden joukosta. Elektroenkefalografia (EEG) rekisteröitiin visuaalisen Go/Nogo-tehtävän aikana. Tehtävässä ennakoidun Go-vasteen ja Nogo-tilanteessa vaadittavan reaktiosta pidättäytymisen välille syntyvä ristiriita kuormittaa inhibitiokontrollia. EEG-dataa arvioitiin herätevasteiden avulla, tutkimalla jännitekarttojen ja koko pään jännitevaihteluiden eroja sekä käyttämällä aika-taajuusanalyysia, mihin sisältyi myös tehtävien välinen aika. Herätevasteanalyysissä änkyttävillä lapsilla oli viivästynyt N2-vaste Go-tilanteessa ja huonosti erottuva P3-vaste. Jännitekarttojen ja koko pään jännitevaihteluiden perusteella tämä löydös vahvistui, mutta ryhmät erosivat toisistaan myös Nogo-tilanteessa. Änkyttävillä lapsilla N2-vaste oli pidentynyt ja voimakkaampi ja P3-vaste puuttui. Löydökset viittaavat ongelmiin ärsykkeen arvioinnissa ja luokittelussa sekä reaktion valmistelussa ja inhibitiossa. Aika-taajuusanalyysissa änkyttävillä lapsilla oli okkipitaalialueilla merkittävästi vähemmän alfataajuista toimintaa tehtävien välisen ”lepotilan” tai valmistautumisvaiheen aikana erityisesti Nogo-tilanteessa. Änkyttävillä lapsilla näköaivokuoren inhibitio ärsykkeen puuttuessa on näin ollen heikentynyt, mikä viittaa häiriöön tarkkaavuuden suuntaamisessa. Tämä todettu alfatoiminnan säätelyn puuttuminen ilmentää perustavanlaatuisia eroja näköärsykkeen käsittelyssä änkyttävillä lapsilla. Löydökset tukevat näkemystä änkytyksestä osana laaja-alaista aivojen toiminnan häiriötä, joka käsittää todennäköisesti myös tarkkaavuuteen ja inhibitiokontrolliin liittyviä verkostoja.

Abstract Brain activity fluctuations occur in multiple spatial and temporal scales. Functional magnetic resonance imaging (fMRI) has shown that infra slow fluctuations (ISF) of blood oxygen level-dependent signal (BOLD) are organized into well-defined areas called resting state networks (RSN). ISFs have also been detected in full-band EEG (fbEEG) data and in recent years, many have combined these two modalities to enable more accurate measurements of brain fluctuations. In simultaneous EEG-fMRI measurements the ISFs of BOLD signal have been found to be correlated with amplitude envelopes of faster electrophysiological data, suggesting the same underlying neuronal dynamics. Also direct correlations have been found in task related studies but not previously in resting state studies. Understanding the relation between EEG and BOLD signal in resting state might prove beneficial in the research of baseline activity fluctuations of the brain. Functional connectivity (FC) of the RSNs has been found to vary in different tasks and in some diseases, but also in resting state in healthy people. Despite numerous studies, no clear cause for these variations has yet been found. To research these open questions we performed simultaneous fbEEG-fMRI studies. The measurements from both modalities were analyzed with independent component analysis to improve the comparability of these results. Correlation analysis revealed that the EEG ISFs correlate with BOLD signal both temporally and spatially. These correlations showed spatiotemporal variability that was related to the strength of RSN functional connectivity. These results indicate that the ISFs of EEG and BOLD reflect a common source of fluctuations. The understanding of the correlations between ISFs in EEG and fMRI BOLD signals gives basic information of brain dynamics and of the variables that affect it. A better understanding of the background of brain activity helps in the development of more effective treatments for various neurological diseases as the knowledge of the mechanisms behind them grows. The ability to measure RSN activity with EEG more accurately can help in the development of new methods for early diagnosis of diseases. / Tiivistelmä Aivojen toiminta vaihtelee monissa avaruudellisissa ja ajallisissa mittakaavoissa. Toiminnallisissa magneettikuvauksissa (TMK) on havaittu, että veren happipitoisuudesta riippuvan (engl. BOLD) signaalin erittäin hitaat vaihtelut ovat järjestäytyneet hyvin määriteltyihin alueisiin, joita kutsutaan lepotilahermoverkostoiksi. Erittäin hitaita vaihteluita on havaittu myös täysikaistaisesta aivosähkökäyrästä (fbEEG). Viime vuosina nämä kaksi menetelmää on usein yhdistetty tarkemman mittaustuloksen aikaansaamiseksi. Samanaikaisissa EEG-TMK-mittauksissa BOLD signaalin erittäin hitaiden vaihteluiden on huomattu korreloivan nopeampien elektrofysiologisten värähtelyjen amplitudien verhokäyrien kanssa, mikä viittaa samaan perustana olevaan neuraaliseen dynamiikkaan. Myös suoria korrelaatioita on löydetty tehtäviin liittyvissä tutkimuksissa, mutta ei aiemmin lepotilatutkimuksissa. Lepotilan EEG:n ja BOLD-signaalin suhteen ymmärrys voi osoittautua hyödylliseksi aivojen perustilan aktiivisuuden vaihteluiden tutkimisessa. Hermoverkostojen toiminnallisen liittyvyyden on todettu huojuvan tietyissä tehtävissä ja joissain sairauksissa, mutta myös lepotilassa terveillä henkilöillä. Runsaasta tutkimuksesta huolimatta ei liittyvyyden huojunnalle ole vielä löytynyt selkeää aiheuttajaa. Näiden avoimien kysymysten tutkimiseksi suoritimme yhdenaikaisia fbEEG-TMK-mittauksia. Kummankin modaliteetin mittaustuloksia analysoitiin itsenäisten komponenttien analyysillä tulosten vertailtavuuden parantamiseksi. Korrelaatioanalyysit osoittivat, että EEG:n erittäin hitaat vaihtelut korreloivat ajallisesti ja avaruudellisesti TMK:n BOLD-signaalin kanssa. Näissä korrelaatioissa esiintyi sekä paikkaan että aikaan liittyvää huojuntaa, joka oli yhteydessä lepotilahermoverkostojen toiminnallisen liittyvyyden vahvuuteen. Nämä tulokset viittaavat siihen, että samat tekijät tuottavat EEG:n ja TMK:n BOLD-signaalien hitaat vaihtelut. EEG:n ja TMK:n signaalien erittäin hitaiden vaihteluiden välisen korrelaation ymmärtäminen antaa perustason tietoa aivojen toiminnan dynamiikasta sekä siihen vaikuttavista tekijöistä. Parempi ymmärrys aivotoiminnan taustoista auttaa kehittämään tehokkaampia hoitoja neurologisiin sairauksiin, kun tieto mekanismeista niiden takana tarkentuu. Mahdollisuus mitata lepotilahermoverkostojen toimintaa EEG:llä aiempaa tarkemmin voi auttaa kehittämään uusia menetelmiä sairauksien varhaiseen diagnostiikkaan.