ABSTRACT In carefully designed experiments, cognitive scientists interpret the mean event-related potentials (ERP) in terms of cognitive operations. However, the huge signal variability from one trial to the next, questions the representability of such mean events. We explored here whether this variability is an unwanted noise, or an informative part of the neural response. We took advantage of the rapid changes in the visual system during human infancy and analyzed the variability of visual responses to central and lateralized faces in 2-to 6-month-old infants and adults using high-density electroencephalography (EEG). We observed that neural trajectories of individual trials always remain very far from ERP components, only moderately bending their direction with a substantial temporal jitter across trials. However, single trial trajectories displayed characteristic patterns of acceleration and deceleration when approaching ERP components, as if they were under the active influence of steering forces causing transient attraction and stabilization. These dynamic events could only partly be accounted for by induced microstate transitions or phase reset phenomena. Furthermore, these structured modulations of response variability, both between and within trials, had a rich sequential organization, which, in infants, was modulated by the task difficulty. Our approaches to characterize Event Related Variability (ERV) expand and reinterpret classic ERP analyses, making them compliant with pervasive neural variability and providing a more faithful description of neural events following stimulus presentation.

By interfering with the normal sequence of mechanisms serving the brain maturation, premature birth and related stress can alter perinatal experiences, with potential long-term consequences on a child's neurodevelopment. The early characterization of brain functioning and maturational changes is thus of critical interest in premature infants who are at high risk of atypical outcomes and could benefit from early diagnosis and dedicated interventions. Using high-density electroencephalography (HD-EEG), we recorded resting-state brain activity in extreme and very preterm infants at the equivalent age of pregnancy term (n=43), and longitudinally 2-months later (n=33), compared with full-term born infants (n=14). We characterized the maturation of brain activity by using microstate analysis (a method to quantify the spatiotemporal dynamics of the spontaneous transient network activity) while controlling for vigilance states. The comparison of premature and full-term infants first showed slower dynamics as well as altered spatio-temporal properties of resting-state activity in preterm infants. Maturation of functional networks between term-equivalent age and 2 months later in preterms was translated by the emergence of richer dynamics, manifested in part by faster temporal activity (shorter duration of microstates) as well as an evolution in the spatial organization of the dominant microstates. The inter-individual differences in the temporal dynamics of brain activity at term-equivalent age were further impacted by gestational age at birth and sex (with slower microstate dynamics in infants with lower birth age and in boys) but not by other considered risk factors. This study highlights the potential of the microstate approach to reveal maturational properties of the emerging resting-state network activity in premature infants.

Brain development incorporates several intermingled mechanisms throughout infancy leading to intense and asynchronous maturation across cerebral networks and functional modalities. Combining electroencephalography (EEG) and diffusion magnetic resonance imaging (MRI), previous studies in the visual modality showed that the functional maturation of the event-related potentials (ERP) during the first postnatal semester relates to structural changes in the corresponding white matter pathways. Here we aimed to investigate similar issues in the auditory modality. We measured ERPs to syllables in 1- to 6-month-old infants and analyzed them in relation with the maturational properties of underlying neural substrates measured with diffusion tensor imaging (DTI). We first observed a decrease in the latency of the auditory P2, and a decrease of diffusivities in the auditory tracts and perisylvian regions with age. Secondly, we highlighted some of the early functional and structural substrates of lateralization. Contralateral responses to monoaural syllables were stronger and faster than ipsilateral responses, particularly in the left hemisphere. Besides, the acoustic radiations, arcuate fasciculus, middle temporal and angular gyri showed DTI asymmetries with a more complex and advanced microstructure in the left hemisphere, whereas the reverse was observed for the inferior frontal and superior temporal gyri. Finally, after accounting for the age-related variance, we correlated the inter-individual variability in P2 responses and in the microstructural properties of callosal fibers and inferior frontal regions. This study combining dedicated EEG and MRI approaches in infants highlights the complex relation between the functional responses to auditory stimuli and the maturational properties of the corresponding neural network.

Abstract To navigate the social world, humans must represent social entities, and the relationships between those entities, starting with spatial relationships. Recent research suggests that two bodies are processed with particularly high efficiency in visual perception, when they are in a spatial positioning that cues interaction, i.e. close and face-to-face. Socially relevant spatial relations such as facingness may facilitate visual perception by triggering grouping of bodies into a new integrated percept, which would make the stimuli more visible and easier to process. We used electroencephalography and a frequency-tagging paradigm to measure a neural correlate of grouping (or visual binding), while female and male participants saw images of two bodies face-to-face or back-to-back. The two bodies in a dyad flickered at frequency F1 and F2, respectively, and appeared together at a third frequency Fd (dyad frequency). This stimulation should elicit a periodic neural response for each body at F1 and F2, and a third response at Fd, which would be larger for face-to-face ( vs. back-to-back) bodies, if those stimuli yield additional integrative processing. Results showed that responses at F1 and F2 were higher for upright than for inverted bodies, demonstrating that our paradigm could capture neural activity associated with viewing bodies. Crucially, the response to dyads at Fd was larger for face-to-face ( vs. back-to-back) dyads, suggesting integration mediated by grouping. We propose that spatial relations that recur in social interaction (i.e., facingness) promote binding of multiple bodies into a new representation. This mechanism can explain how the visual system contributes to integrating and transforming the representation of disconnected body-shapes into structured representations of social events.

Abstract By interfering with the normal sequence of mechanisms serving the brain maturation, premature birth and related stress can alter perinatal experiences, with potential long-term consequences on a child's neurodevelopment. The early characterization of brain functioning and maturational changes is thus of critical interest in premature infants who are at high risk of atypical outcomes and could benefit from early diagnosis and dedicated interventions. Using high-density electroencephalography (HD-EEG), we recorded brain activity in extreme and very preterm infants at the equivalent age of pregnancy term (n=43), and longitudinally 2-months later (n=33), compared with full-term born infants (n=14). We characterized the maturation of brain activity by using a dedicated microstate analysis to quantify the spatio-temporal dynamics of the spontaneous transient network activity while controlling for vigilance states. The comparison of premature and full-term infants first showed slower dynamics as well as altered spatio-temporal properties of brain activity in preterm infants. Maturation of functional networks between term-equivalent age and 2 months later in preterms was linked to the emergence of faster dynamics, manifested in part by shorter duration of microstates, as well as an evolution in the spatial organization of the dominant microstates. The inter-individual differences in the temporal dynamics of brain activity at term-equivalent age were further impacted by sex (with slower microstate dynamics in boys) and by gestational age at birth for some microstate dynamics but not by other considered risk factors. This study highlights the potential of the microstate approach to reveal maturational properties of the emerging brain network activity in premature infants.