Assessment of Adolescent Cognitive Ability with Eye-tracking Measures of Pro- and Antisaccades and Raven’s Coloured Progressive Matrices in Rural Malawi

Abstract

Arviolta 250 miljoonaa alle 5-vuotiasta lasta ei saavuta kehityspotentiaaliaan ja suurin osa heistä asuu köyhissä ja keskitulotason maissa. Ilman korjaavia toimia kognitiiviset kyvyt saattavat jäädä alle odotusten myös nuoruusiässä. Aika hedelmöityksestä toiseen syntymäpäivään, ”ensimmäiset 1000 päivää”, on erityisen tärkeä ajanjakso kognitiivisten kykyjen karttumiselle. Lapsuuden kasvuun ja kognitiiviseen kehitykseen vaikuttavat osin samat tekijät, kuten köyhyys, raskaana olevan äidin ja lapsen toistuvat infektiot sekä puutteellinen hoiva. On osoitettu, että heikko pituuskasvu erityisesti ensimmäisen kahden ikävuoden aikana on yhteydessä vaatimattomampaan kognitiiviseen kehitykseen. Viime aikoina globaaliksi päämääräksi on noussut varhaisen kognitiivisen kehityksen edistäminen.

Vain harva kognitiivista kehitystä mittaavista työkaluista on kehitetty tai validoitu matalan tulotason maissa. Ravenin matriisipäättelytehtävää (CPM) mittaa joustavaa älykkyyttä ja loogista päättelykykyä käyttäen geometrisia kuvioita ja testiä on laajasti käytetty erilaisissa ympäristöissä. Myös silmänliikekameramittaukset katseen nopeudesta ja kontrollista ovat helppokäyttöisiä kognitiotestausmenetelmiä. Katseen nopeus ja kontrolli ovat yhteydessä aivojen toimintaan ja rakenteeseen sekä joustavaan älykkyyteen. Väitöskirjassa käytettiin näitä testejä nuorten kognitiivisen kehityksen tutkimiseen matalan tulotason ympäristössä.

Väitöskirja on osa Lungwenan raskaudenaikaista interventiotutkimusta. Alun perin tutkimuksessa haluttiin selvittää, miten äidin raskaudenaikainen antibiootti-interventio malariaa ja sukuelinvälitteisiä infektioita vastaan ehkäisee ennenaikaista syntymää ja matalaa syntymäpainoa. Interventio annettiin kolmessa ryhmässä: sulfadoksiini-pyrimethamiini (SP) kuukausittain ja atsitromysiini kahdesti raskauden aikana (AZI-SP), SP kuukausittain tai SP kaksi kertaa raskauden aikana (kontrolli). Tutkimuksessa havaittiin, että ennenaikaisen syntymän esiintyvyys oli alhaisempi ja lasten syntymäpaino korkeampi AZI-SP-ryhmän äitien vauvoilla. 5 vuoden iässä nämä lapset suoriutuivat paremmin kognitiivisessa testissä ja heikon pituuskasvun kumulatiivinen esiintyvyys oli alhaisempi.

Tässä väitöskirjatutkimuksessa, lasten ollessa noin 13-vuotiaita, tavoitteena oli testata, olivatko aiemmin ryhmien välillä havaitut erot kognitiivisessa suoriutumisessa ja kasvussa yhä näkyvissä. Haluttiin myös arvioida silmän liikekameralla mitatun katseen nopeuden ja kontrollin tulosten yhteyttä toisiinsa ja CPM testin tuloksiin. Lisäksi selvitettiin, miten pituuskasvu ennen 2 ikävuotta ja sen jälkeen, lapsuuden yksittäiset pituus-ikäsuhdemittaukset ja varhaislapsuuden sairastavuus ennen 3 vuoden ikää, ennustivat nuorten kognitiivista suoriutumista.

Äidin raskaudenaikaisen AZI-SP-intervention havaittiin vähentävän kumulatiivista heikon kasvun ilmaantuvuutta 13 ikävuoteen saakka. Vaarasuhde (hazard ratio, HR) AZI-SP- ja kontrolliryhmän välillä oli 0.72, p<0.001. Prosakkadisen tehtävän tulos ennusti Ravenin testitulosta, kun taustamuuttujat huomioitiin. Silmän liikekameratehtävien ja CPM:n välinen yhteys oli vahvempi enemmän koulua käyneillä nuorilla. Pituuskasvu ennen kahden vuoden ikää ja pituus-ikäsuhde 2, 5 ja 13 vuoden iässä ennustivat Ravensin testitulosta (kertoimet vaihtelivat 0.27-0.47, p<0.003–0.03). Varhaislapsuuden sairastavuus ei ennustanut kognitiivisten testien tuloksia nuoruusiällä.

Äidin raskaudenaikainen, intensiivinen infektioehkäisy vähentää heikon pituuskasvun riskiä lapsilla 13 vuoden ikään asti. CPM-testin ja silmänliikekameramittausten yhteys oli heikko, eikä jälkimmäisiä tulisi käyttää yksin kognition arviointiin vastaavissa olosuhteissa. Tutkimustulokset vahvistavat käsitystä yhteisistä taustatekijöistä varhaisen pituuskasvun ja myöhemmän kognitiivisen kehityksen välillä. Pituusmittauksilla kahdesta ikävuodesta alkaen voidaan mahdollisesti tunnistaa lapsia, joilla on riski heikompaan kognitiiviseen kehitykseen.

It is estimated that 250 million children under age 5 years, most of them living in low- and middle-income countries, do not reach their developmental potential. Without correction, these children may enter adolescence with lower-than-expected cognitive abilities. The period from conception until the second birthday, “the first 1000 days”, is especially important for human capital formation. Childhood growth and later cognitive ability share common determinants including poverty, frequent infections of the pregnant mother and child, and inadequate care. Growth stunting, defined as a height-for-age Z-score below two standard deviations from the expected value, especially during the first 1000 days, is associated with later cognitive ability. In recent years, the global aim has become to promote factors that enhance early child development.

Only a few of the existing childhood developmental assessment tools have been developed in low-income countries. Raven’s coloured progressive matrices (CPM) is a widely used single measure of general cognitive ability (fluid intelligence) in diverse settings. The CPM test measures logical reasoning through the completion of patterns of geometric shapes. Another simple task is eye-tracking-based measurement of gaze speed and control, which is known to be associated with fluid intelligence as well as processes like attention and inhibition. In this thesis, these tests were used to evaluate the cognitive ability of adolescents in a low-income setting.

The thesis is based on a follow-up of the Lungwena antenatal intervention study offspring. The study was a clinical trial originally developed to study maternal, antenatal intermittent preventive treatment against malaria with monthly sulphadoxin-pyrimethamine (SP) and two doses of azithromycin (AZI-SP) during pregnancy, compared with monthly SP and SP twice (control), for the prevention of preterm birth and low birth weight. The main findings were a lower prevalence of preterm birth, and higher birth weight of the babies born to AZI-SP group mothers. At age 5 years, these children performed better on cognitive ability test, and the cumulative incidence of stunting was lower.

In the current follow-up at age 13 years, we tested whether the cognitive gains and better linear growth among AZI-SP group children were still observable. Second, we evaluated whether eye-tracking-based measures of gaze speed and control were associated with CPM performance. Third, we examined how linear growth before and after age 2 years, single length-/height-for-age Z-score measurements through childhood, and early morbidity measured with non-schedules health-care visits before age 3 years, predicted adolescent cognitive abilities.

Maternal treatment with AZI-SP resulted in a reduction of the cumulative incidence of stunting in offspring up to adolescence. Compared with the control group, the AZI-SP group showed a hazard ratio (HR) of 0.72, p<.001. There were no differences between the groups in fluid cognitive ability. In the background-variable-adjusted analysis, prosaccadic task performance very weakly predicted CPM result. The association between eye-tracking tasks and CPM was stronger among participants with more years of schooling. Linear growth before age 2 years, and height-for-age Z-score at ages 2, 5 and 13 years predicted adolescent CPM performance (coefficients ranging from 0.27 to 0.47, p<0.003-0.03). Early-life morbidity did not predict cognitive abilities in adolescence.

In conclusion, intensified maternal infection control reduces the risk of growth stunting until adolescence. CPM and eye-tracking measures are too weakly associated for the latter to serve as sole indicators of cognitive ability. The results provide further evidence of shared determinants between early linear growth and later cognitive abilities. Single height measurements from age 2 years onwards may help identify children at risk of poor development.