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Physiological description of autism spectrum disorder responses driven by olfactive stimulation

Author(s): Pereira, Lara Isabel Faria

Date: 2022

Persistent ID: http://hdl.handle.net/10773/47808

Origin: RIA - Repositório Institucional da Universidade de Aveiro

Subject(s): Autism spectrum disorders; Odours; Olfaction; Facial EMG; ECG; Machine learning; Cross validation


Description

Autism Spectrum Disorder (ASD) is frequently associated with abnormal sensory perception, which is one of the factors that contribute to the emergence of cog nitive, behavioral, and social issues, and is one of the earliest indicators of ASD. Multiple studies demonstrate the significance of olfactory stimuli in social and cognitive development, despite the fact that the relationship between ASD and olfaction is one of the least studied among the senses. Particularly, a persistently abnormal reaction to smell in the ASD population has been proposed as a key indicator to distinguish ASD from other developmental disorders, leading to the assumption that olfactory dissociation may be an effective diagnostic criterion. As the diagnosis of ASD is based on the identification of atypical behaviors, which may not become evident until the disorder is well-established, it is typically delayed. Significant progress have been made through the development of biomarkers that could support early diagnosis, predict developmental outcomes, and monitor the efficacy of treatment. Due to the fact that smell does not require speech, the feasibility of odor-based biomarkers to diagnose autism in non-communicative chil dren have an object of research recently. Electrophysiology, e.g., electrocardiogram (ECG) and electromyogram (EMG), has both practical and theoretical benefits as a clinical biomarker for neurodevelopmental disorders. In this context, the purpose of this dissertation is to investigate the feasibility of using physiological responses to olfactory stimuli to analyze and characterize responses from adults with ASD to different odor types and valences, as well as classify adults with ASD. We fo cused on the analysis of a previously collected data set containing ECG and EMG responses obtained from a sample of adults with ASD and adults with typical devel opment (TD) when exposed to odor stimuli, which varied in type and valence. The signals were preprocessed and 32 features were extracted from the data. In order to draw conclusions regarding differences in the physiological response of ASD and TD groups, as well as differences in the physiological response to different odor types and valences, the data were subsequently analyzed using various statistical tests. Taking into account the results of the statistical tests, a classifier based on k nearest neighbors with a leave one-out strategy, was used in an attempt to classify ASD examples. Both the statistical tests and the classification yielded encouraging results, revealing features with statistically significant differences between groups, odor types, and valences,and a F1 score of 67% in the classification task. These results support the possibility of characterize the physiological response of both groups and classify individuals with ASD based on this type of data.

Quando comparado com pessoas com desenvolvimento típico (TD), o Transtorno do Espetro Autista (TEA) está frequentemente associado a perceção sensorial anor mal, sendo este um dos fatores que contribui para a manifestação de distúrbios cognitivos, comportamentais e sociais, consistindo num dos primeiros marcadores da TEA. Apesar da relação do TEA com o olfato ser das menos estudadas, entre os sentidos existentes, várias investigações provam a importância dos estímulos olfativos no desenvolvimento social e cognitivo. Em particular, foi proposta uma reação persistentemente anormal ao cheiro na população com TEA como um indi cador chave para distinguir TEA de outros problemas de desenvolvimento, levando a supor que a dissociação olfativa pode ser um bom critério de diagnóstico. Uma vez que o diagnóstico de TEA se baseia no reconhecimento de comportamentos atípicos, que podem não se tornar aparentes até que o distúrbio esteja bem estabe lecido, este é tipicamente tardio. O desenvolvimento de biomarcadores para apoiar o diagnóstico precoce, prever resultados de desenvolvimento, e acompanhar a efi cácia da terapia constitui um avanço significativo. Considerando que o cheiro não requer fala, a viabilidade de biomarcadores baseados no odor poderem ser utiliza dos para diagnosticar o autismo em crianças que ainda não são comunicativas tem sido, recentemente, alvo de diversos estudos científicos. Como biomarcador clí nico para doenças de desenvolvimento neurológico, a eletrofisiologia, por exemplo, eletrocardiograma (ECG) e eletromiograma (EMG), oferece benefícios práticos e teóricos. Neste contexto, o objetivo desta dissertação é explorar o potencial da uti lização das respostas fisiológicas aos estímulos olfativos para analisar e caracterizar respostas de adultos com TEA a diferentes tipos e valências do odor, assim como para classificar adultos com TEA. Concentrámo-nos na análise de um conjunto de dados previamente recolhidos contendo as respostas do ECG e EMG obtidas de uma amostra de adultos com TEA e adultos com TD quando sujeitos a estímulos olfativos que diferiam no tipo de odor e valência. Os dados foram pré-processados e um total de 32 características foram extraídas destes sinais. Posteriormente, os dados foram analisados utilizando diferentes testes estatísticos, a fim de tirar conclusões relativamente a diferenças na resposta fisiológica de adultos TD e com TEA, bem como diferenças na resposta fisiológica a diferentes tipos e valências de odor. Tendo em consideração os resultados obtidos nos testes estatísticos, foi utilizada uma estratégia de classificação de cada caso de TEA e TD com base nos restantes vizinhos mais próximos (estratégia "leave-one-out"). Tanto os testes estatísticos como o classificador deram origem a resultados promissores, revelando diferenças estatisticamente significativas entre diferentes grupos, tipos de odor e valências, e métrica F1 de 67% na tarefa de classificação. Estes resultados apoiam a viabilidade de classificar indivíduos com TEA e a possibilidade de caracterizar a resposta fisiológica de ambos os grupos com base neste tipo de dados.

Document Type Master thesis
Language English
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