韦尼克和布罗卡地区语言学习和文字习得研究中的颅内直接电流刺激(tDCS)

摘要

在这里,我们描述了一个协议,用于用于心理和神经语言实验的颅内直流刺激,旨在以自然主义但完全控制的方式研究人脑皮质区域在单词学习中的作用,以及评估结果的综合行为程序。

摘要

语言是人脑中非常重要但理解性差的功能。虽然对语言理解过程中大脑激活模式的研究很多,但经常严重缺失的是大脑区域参与特定语言功能的因果证据,这不仅仅是因为这种能力的独特人性和缺乏神经生理学工具,研究人脑中非侵入性的因果关系。近年来,人类大脑颅内直接电流刺激(tDCS)的使用迅速增加,这是一种简单、廉价和安全的非侵入性技术,可以调节受刺激的大脑区域的状态(假定通过转移激励/抑制阈值),以便研究其对特定功能的特定贡献。虽然主要侧重于电机控制,但tDCS的使用在关于高等认知功能(包括语言)的基础和临床研究中越来越广泛,但其应用过程仍然多变。在这里,我们描述了在心理语言单词学习实验中使用tDCS。我们介绍了在人脑左半球布罗卡和Wernicke核心语言区应用阴极和去药刺激的技术和程序,描述了创建平衡的心理语言刺激集的程序,受控但自然主义的学习制度,以及一套全面的技术来评估学习成果和tDCS效果。作为tDCS应用的一个示例,我们表明,在学习会话之前对Wernicke区域的阴极刺激会影响单词学习效率。这种影响在学习后立即存在,而且重要的是,在刺激的物理效应消失后,在较长时间内保留,这表明tDCS可能对人脑中的语言储存和表现产生长期影响.

引言

人类语言功能的神经生物学机制仍然缺乏理解。作为我们沟通能力的基石,这种独特的人类神经认知特征在我们的个人和社会经济生活中起着特别重要的作用。任何影响言语和语言的赤字对患者都是毁灭性的,对社会来说也是昂贵的。同时,在临床上,治疗言语缺陷(如失语症)的程序仍然不理想,尤其是由于对涉及的神经生物学机制了解^不足。在研究中,神经成像方法的最近出现和迅速发展导致了描述激活模式的多项发现;然而,因果证据往往仍然缺乏。此外,大脑的语言区域在应用主流神经刺激方法时有些不理想,这些方法可以提供因果证据,最重要的是颅内磁刺激技术(TMS)。离线TMS协议,如ta爆裂刺激,可以引起疼痛,由于肌肉接近刺激点,"在线"TMS协议可以引入声音伪影从刺激,这是不可取的干扰语言刺激^表达2。尽管TMS在语言研究中被广泛使用,尽管有这种不便,但其他刺激方法(最显著的是颅内直流刺激(tDCS)——提供了一个受欢迎的替代方案。近年来,tDCS的使用有了显著增长,其可及性、易用性、相对安全性以及通常相当引人注目的结果³。尽管对tDCS影响神经活动的确切机制并不完全理解,但主流观点认为,至少在低强度水平下(通常为15-60分钟为1-2 mA),它不会导致任何神经激发或抑制本身,而是以分级方式调节静止的跨膜电位,使其朝去或超极化,向上或向下移动激励阈值,从而使神经系统或多或少容易受到其他事件、刺激、刺激、调节的影响,状态或行为^4,5。虽然迄今为止报告的大多数应用都集中在电机功能6和/或电机系统缺陷上,但它已越来越多地应用于更高水平的认知功能及其各自的残疾。其在言语和语言中的应用有所增加,主要是旨在恢复中风后失语症7、8、9的研究,尽管迄今为止,它导致在脑卒中失语症方面的结果好坏参半。治疗潜力、刺激位点和半球,以及最佳电流极性。由于这项研究,特别是tDCS在正常语言功能的认知神经生物学中的应用,仍处于起步阶段,因此,制定至少刺激核心语言皮质的程序至关重要(最重要的是,Wernicke和布罗卡地区)使用tDCS,这是本报告的主要目标之一。

在此,我们将考虑在单词学习实验中将 tDCS 应用于语言领域。一般来说,单词学习的例子被作为神经语言实验的一个示例,并且对于针对相同区域的其他类型的语言实验,该程序的tDCS部分不应发生实质性变化。然而,我们利用这个机会在单词采集实验中强调主要的方法学考虑,这是当前协议描述的第二个主要目的。支撑词汇获取的大脑机制——一种无处不在的人类能力,是我们语言沟通技能的核心——在很大程度上仍不为人所知。使情况复杂化的是,现有文献在实验协议如何促进词习量、控制刺激参数以及用于评估学习成果的任务(例如,Davis^等人11)方面差异很大。下面,我们描述了一个使用高度受控的刺激和表示模式的协议,同时确保自然主义上下文驱动的新词汇的获取。此外,我们使用一系列全面的任务,在学习后立即在不同级别上对结果进行评估,并遵循一夜巩固阶段。这与语言区域的假和阴极tDCS(我们使用Wernicke的区域刺激做一个具体的例子)相结合,它可以为潜在的神经过程和机制提供因果证据。

研究方案

所有程序均经圣彼得堡国立大学当地研究伦理委员会批准,并征得所有与会者的同意。

注:所有参与者必须签署知情同意书并填写调查问卷,以证明TDCS刺激没有任何禁忌症(参见使用4×1环高清晰度颅内直接电流刺激的技术和注意事项)(HD-tDCS)由Willamar及其^同事12)提供,并收集与研究相关的其他数据,如视力、人口统计学、语言体验和手感。对于后者,建议奥德^菲尔德13的开创性工作。

1. 学科和实验环境

1. 在典型的语言实验中,确保所有受试者都是惯用右手的,并且没有语言缺陷、神经或精神疾病的记录。必须控制他们的母语和双语/多语种状态。
2. 在隔音或至少减音室中执行所有测量。隔音非常重要,因为任何多余的声音、噪音、人语等都会显著影响性能,从而影响数据(图1)。
3. 为避免不必要的主题实验者接触干扰,请仅将屏幕、耳机/扬声器和任何输入设备(键盘、按钮框)放在室内。除非需要个人联系,否则通过对讲机与实验者进行所有互动。
4. 对于背景颜色和字体大小,使用以下基于广泛领航的最佳参数:灰色背景颜色(RGB:125、125、125)、黑色文本颜色(RGB:0;0;0)、Arial 字体面、大小 27。
5. 要减少视觉演示中的延迟和抖动,请使用刷新率为 100 Hz 或更高的视频卡和监视器。
6. 要测量反应时间,请使用研究级响应垫,与传统键盘相比,它们具有更好的人体工程学和更精确的定时。

2. 刺激准备

1. 选择相关语言的单词,这些词的持续时间、词汇频率和整体结构受控制(以避免表面刺激属性对更高级别处理的任何基本影响)。在这里,所有基词都是八个音素/字母长,由三个带有CVCCVCVC结构的音节组成(其中C为辅音,V为元音)。
2. 要创建多个列表,请将单词划分为多个组,这些词不应在其 lemma、bigram 和/或三格以及音节频率上发生统计差异(例如,t -测试)。这些可以从语言特定的心理语言数据库获得;在这里,俄罗斯国家科普斯使用(http://www.ruscorpora.ru/en/)。在这里,一组用于创建(通过修改)正射学上相似的新颖词和伪词,另一组用于创建不相关的控制伪单词,另一组用于用作不相关的控制词(图 2A)。这导致五组10个项目(共50个刺激)。根据您的具体实验要求修改这些程序。
3. 为了尽量减少曲面形式对新获取语义的任何影响,请平衡整个主题样本的集,以便它们对不同的对象起到不同的实验作用。
4. 创造新颖的词形,使之遵循音词和声乐学的规则,在正交和音谱结构上与现存的词相似。
   注:为了确保新单词能够与现有词语竞争,现行程序以Gaskell及其同事11、14在一系列实验中开发的程序为基础,旨在保持单词的上落(CVCCV-) 稳定,同时在集中的不同项间旋转其偏移量 (-CVC)。也就是说,我们保留了现有单词的前两个音节,并改变了最终音节,因此创建了一个以前不熟悉的新词形式(例如,普通话 -> 曼丹纳],其中最后一个 CVC 取自列表中的另一个词,以创建新项)。
5. 重复上述过程,根据需要创建尽可能多的新词形式。在目前的演示中,我们创建了要学习的新颖词形式和类似未学的伪词(例如普通话 -> 曼丹纳]、曼达凯特,这三个可能进入词汇竞赛的单词列表,作为邻居),以及进一步控制与这种相似性不相同的真实词和新颖伪词列表,因此不会产生与主要刺激(例如圆形、火枪手*)的词法竞争;俄语示例被使用,从西里尔文到拉丁文脚本的音译,便于理解)。

3. 语境语义学习的句子刺激

1. 在学习过程中,创造与新单词相关的新颖含义。这可能是在主体的母语或文化中不存在的构成、过时或稀有的对象或概念。
2. 对于新语义的上下文学习,建议使用 Mestrez-Misse 和同事¹⁵使用的程序。创建几个独特的句子,描述情况,通过它,人们可以理解每个新词的含义(例如,"为了控制昆虫在中世纪,人们使用万能的"对每个新词使用一系列这样的句子(这里,每个单词共5个句子),并逐渐揭示每个新概念的含义,从更一般到更具体的发送上下文。
3. 理想地以字典形式呈现新词(例如,在俄语中,无拐词,例如,单数名义或指责性案例),这样,除非拐点规则,否则不同句子的表面形式不会有不同的变形(表1),除非拐点规则学习也是必要的。
4. 控制和平衡句子的长度和条件之间的单词数。在这里,每个句子由8个单词组成。总是把新词放在句子的末尾。这种放置允许积累必要的上下文信息(此外,这允许在 EEG 或 MEG 设置中实现此设计,以记录通过进一步词刺激所掩盖的脑反应)。
5. 在词特定的子块中呈现特定于单词的句子,逐渐揭示每个新词的含义,而不与不同的新颖词相关的句子交错或随机化。
6. 跨主题组随机化子块的顺序。如果使用视觉模式,建议逐字逐句表示。
7. 根据特定的刺激属性确定刺激间隔,以允许其方便的表示(图2B);确保用额外的间隔分隔不同的子块,并给予定期休息。

4. 评估新词形式和新含义的获取任务

注:使用多个任务来评估对表词形式和词义的不同级别的获取和理解。本协议使用了五个任务:自由调用、固化识别、词法决策、语义定义和语义匹配。任务按下面列出的顺序应用,经过优化以减少连续任务之间的任何结转。

1. 在自由调用任务中,让每个参与者通过在准备好的电子表格中键入尽可能多的新单词表单来重现他们所能记住的新单词表单。说明如下:"请在列中写下所有你能记住的新单词。
2. 在识别和词法决策(分别为第二和第三个任务)中包括相同的刺激,并使用相同的表示率。
   1. 这些任务包括所有项目(新颖词、新颖的真词派生自真实词、未经训练的伪词竞争对手派生自相同的真实单词、不相关的控制伪词和不相关的控制现有单词)。
   2. 对于识别任务,请使用以下说明:"将按顺序显示单词。如果在实验过程中遇到单词,用左手中指按按钮"1";如果没有,用左手的食指按"2"。根据您的具体要求修改响应编码、手和手指。
   3. 词汇决策任务的指示是:"将按顺序显示真实且毫无意义的单词。如果单词有意义,用左手的中指按"1";如果单词没有意义,则用左手的食指按"2"。根据需要修改这些。
3. 使用语义定义任务来估计新意的习得以及意义与表面形式之间的对应关系。
   1. 向学员提供学习项目(即以前在学习阶段提供的项目)的列表,并带有上述说明:"以下是之前提交给您的新单词列表。尝试定义每个定义,并在电子表格中键入其定义"。
   2. 为评估给定定义的完整性和准确性,聘请独立专家对答复进行评价;专家之间的协议可以使用,例如,肯德尔的和谐系数 (W) 进行测试。
4. 使用语义匹配任务,通过以简化的方式在新学的单词形式及其含义之间建立显式链接来评估语义的获取。
   1. 使用以下说明:"将显示一个单词和三个定义。您应该按相应的按钮为每个单词选择一个正确的定义。只有一个定义是正确的,其他两个对应于其他新颖的项目。除了三个可选定义外,还建议使用"没有这些"或/和"不确定"选项。

5. 程序

1. 确保 tDCS 刺激先于其旨在调节的行为任务。
   1. 韦尼克的面积
      注:根据EEG^16、17的扩展国际10-20系统,与Wernicke区域最对应的刺激电极放置是CP5。
      1. 要在没有电极盖的情况下找到此位置,请遵循标准 10-20 系统程序。
      2. 用胶带测量头部,从发锥到鼻咽,并记下此距离的中间部分。然后,测量从左前视点到右前视点的距离,并标记两个测量值的交叉点。
      3. 要查找 CP5 位置,可以测量从左半球交叉点到前视点之间的距离的 30%,并将其标记。测量从标记点到头部后部的印数和鼻咽之间的距离的 10%。此点是有源电极的 CP5 位置 (图 3)。
   2. 布罗卡地区
      注:根据10-20系统,最接近布罗卡区域的是F5电极位^点18。
      1. 在没有脑电图盖的情况下,按照标准 10-20 系统程序查找并标记内附点和前视点之间的交叉点,如上所述。
      2. 要查找 F5 位置,测量从交叉点到头部前部的 Inion 和 nasion 之间的距离的 20%。测量距点与左半球下最近标记点之间的距离的 30%。此点对应于有源电极的 F5 位置 (图 3)。
   3. 右半球的同源位置:对于Wernicke和Broca地区的右半球同线,使用与上述相同的程序,除了测量从中线到头皮右侧的距离。电极位置为:CP6为RH Wernicke同源体,F6为布罗卡同源。
   4. 使用尺寸为 5 cm x 5 cm 的海绵电极,因为这种尺寸在焦刺激(导致更多刺激和不适)和缺乏焦距的较大电极之间有很好的折衷。在应用前将电极浸泡在生理盐水溶液中5分钟。
   5. 为了尽量减少刺激对大脑其他区域的影响,将参考电极放在颈部底部左侧(右侧为同声体)侧(参见图3和图4)。使用尺寸为 5 厘米 x 5 厘米的海绵电极。
      注意:应特别注意防止溶液扩散到电极应用区域的边界以外。应特别注意保持周围电极区域干燥。
   6. 为了获得最佳阴极刺激,使用 1.5 mA 电流 15 分钟。在开始时,电流在30s以上逐渐从0到1.5mA上升,在刺激结束时,它下降到0超过30s。
   7. 对于阴极刺激,使用与阴极刺激相同的程序,除了极性反转,并且极极电极放置在活动位点,而阴极用作位于头皮区域外的参考电极。
2. 沙姆刺激
   1. 执行假刺激程序通常如上所述,除了电流仅在假会话的开始和结束短暂应用。为此,在会议的第一次和最后30秒,应用一个三角形的电脉冲,最大为1.5 mA,如本协议所使用。
3. 主要行为任务:上下文语义学习
   1. 以随机顺序呈现新颖词的上下文句子集。以逐字的演示文稿开始每个句子。
   2. 之后,在屏幕上显示整个句子,以确保其完全理解。让参与者在阅读整个句子后用左手的食指按压空格键。句子陈述的持续时间为 5000 毫秒。
      注:句子集通过 2000 ms 的三个十字线 ("*") 的外观彼此分隔。 每个新概念演示文稿都以单个固定十字 ("+") 开头,在闪现句子单词之前出现 500 ms。每个单词呈现 500 毫秒,一个句子中单词之间的背景颜色中的空屏幕为 300 ms 长。
4. 收购评估程序
   1. 要立即评估学习效果,并在隔夜巩固阶段之后,将刺激集分成两个子集,在刺激条件之间平均分布,并在主题组中进行平衡,并运行评估任务紧随一个子集上的学习协议,并在另一个子集上延迟 24 小时后。
      注:此策略基于强调隔夜记忆整合对于获取新单词^19、20的重要性的文献。
   2. 按上文第 3 节中描述的顺序使用所有已开发的任务来评估不同级别的单词/概念获取。选择任务的顺序,以最小化从一个任务到以下任务的任何结转效果。
   3. 对于任务 1 和 4,使用由主题填充的电子表格(手动或使用文本或电子表格处理器);使用时间精确的仿真软件呈现其他任务。
      注:任务2和任务3中的每个刺激都呈现为600 ms,在夹点间隔(1400 ms)中存在固定十字("+");参见图 3。对于其他任务,响应时间不受限制。

6. 数据分析

1. 使用不同的测试执行数据分析,比较来自连续分布的两组样本(如 Wilcoxon 签名排名测试或 Mann-Whitney U 型测试)或中位数(如果分布为正态值,则为双样本 t-test)。

结果

虽然对具体任务集的数据进行了分析,但应该强调的是,所开发的一套测试和范例可以适应各种心理语言实验。使用非参数Wilcoxon签名排名测试和Mann-Whitney U测试(阴极和假刺激条件)对结果进行了准确性评分(正确答案的数量)和反应时间(RT)进行了分析。表 3提出了每个组内任务的重大差异。下面,我们重点介绍与刺激相关的主要结果(有关描述性统计,见表2)。

讨论

研究结果强调了在进行一般心理语言研究,特别是神经语言学tDCS研究时需要考虑的几个要点。刺激语言皮质(这里用Wernicke的区域来说明)会产生一种复杂的行为结果模式。与TMS技术不同,在TMS技术中,完全中断语音处理(例如,所谓的"语音停止"协议)21,这种方法对语言处理机制的影响可能更为复杂、分级和微妙。我们发现各种准确性和反应时差在条件、测试和评估天数之间存在显著差异...