Estimulação da corrente contínua transcraniana (tDCS) das áreas de Wernicke e broca em estudos de aprendizagem de línguas e aquisição de palavras

Resumo

Aqui, nós descrevemos um protocolo para usar a estimulação transcraniana da corrente direta para os experimentos psico-e neurolingüísticos visados estudar, em uma maneira naturalista contudo inteiramente controlada, o papel de áreas corticais do cérebro humano na aprendizagem de palavra, e um um conjunto abrangente de procedimentos comportamentais para avaliar os resultados.

Resumo

A língua é uma função altamente importante contudo mal compreendida do cérebro humano. Enquanto os estudos de padrões de ativação cerebral durante a compreensão da linguagem são abundantes, o que muitas vezes é criticamente ausente é a evidência causal do envolvimento das áreas cerebrais em uma função linguística particular, não menos importante devido à natureza humana única dessa habilidade e uma escassez de ferramentas neurofisiológicas para estudar relações causais no cérebro humano não invasivamente. Os anos recentes têm visto uma ascensão rápida no uso da estimulação transcraniana da corrente contínua (tDCS) do cérebro humano, de uma técnica não invasora fácil, barata e segura que possa modular o estado da área estimulada do cérebro (putatively deslocando a excitação/ de inibição), permitindo um estudo da sua contribuição particular para funções específicas. Enquanto se concentra principalmente no controle motor, o uso de tDCS está se tornando mais generalizada na pesquisa básica e clínica sobre funções cognitivas mais elevadas, a linguagem incluída, mas os procedimentos para sua aplicação permanecem variáveis. Aqui, nós descrevemos o uso de tDCS em uma experiência Psicolingüística da palavra-aprendizagem. Nós apresentamos as técnicas e os procedimentos para a aplicação da estimulação cathodal e anodal de áreas da língua do núcleo de broca e de Wernicke no hemisfério esquerdo do cérebro humano, descrevem os procedimentos de criar jogos equilibrados de estímulos psycholingüísticos, um regime de aprendizagem controlado ainda naturalista, e um conjunto abrangente de técnicas para avaliar os resultados de aprendizagem e efeitos de tDCS. Como um exemplo de aplicação de tDCS, mostramos que a estimulação catodal da área de Wernicke antes de uma sessão de aprendizado pode impactar a eficiência da aprendizagem de palavras. Este impacto está presente imediatamente após a aprendizagem e, importante, preservado durante mais tempo após os efeitos físicos da estimulação desgastam fora, sugerindo que os tDCS possam ter a influência a longo prazo no armazenamento e nas representações lingüísticas no cérebro humano .

Introdução

Os mecanismos neurobiológicos da função da linguagem humana ainda são pouco compreendidos. Como o alicerce de nossa capacidade de comunicação, este traço Neurocognitivo humano único desempenha um papel particularmente importante em nossa vida pessoal e sócio-econômica. Todos os déficits que afetam a fala e a linguagem são devastadores para os portadores e caros para a sociedade. Ao mesmo tempo, na clínica, os procedimentos de tratamento dos déficits de fala (como afasia) permanecem suboptimal, não menos importante devido à má compreensão dos mecanismos neurobiológicos envolvidos¹. Na pesquisa, o advento recente e o rápido desenvolvimento de métodos de neuroimagem levaram a múltiplas descobertas descrevendo padrões de ativação; ainda, evidências causais muitas vezes ainda faltam. Além disso, as áreas da língua do cérebro são situadas um tanto controlado para a aplicação de aproximações mainstream do neuroestimulação que podem fornecer a evidência causal, o mais importante a técnica Transcranial da estimulação magnética (TMS). Visto que o protocolo off-line TMS, tal como a estimulação do estouro do Theta, pode causar a dor devido à proximidade próxima dos músculos ao ponto da estimulação, os protocolos "em linha" TMS podem introduzir artefatos sadios da estimulação, que é indesejável devido à interferência com apresentação do estímulo linguístico². Mesmo que TMS seja amplamente utilizado em estudos de língua apesar de tais inconvenientes, uma alternativa bem-vinda pode ser fornecida por outros métodos da estimulação, o mais notàvelmente estimulação Transcranial da corrente contínua (tDCS). Nos últimos anos, tDCS tem visto um crescimento notável em seu uso devido à sua acessibilidade, facilidade de uso, segurança relativa e, muitas vezes, resultados bastante marcantes³. Mesmo que os mecanismos exatos que sustentam a influência de tDCS na atividade neural não são compreendidos completamente, a opinião do mainstream é que, pelo menos em níveis da baixa intensidade (tipicamente 1-2 miliampères para 15-60 minutos), não causa nenhuma excitação neural ou inibição por se , mas, em vez disso, modula o potencial transmembranado em repouso de forma graduada em direção à despolarização, deslocando os limiares de excitação para cima ou para baixo e, assim, tornando o sistema neural mais ou menos suscetível a modulações por outros eventos, estímulos, Estados ou comportamentos^4,5. Considerando que a maioria das aplicações relatadas até à data centraram-se na função motora⁶ e/ou déficits do sistema motor, tem sido cada vez mais aplicada a funções cognitivas de nível superior e suas respectivas deficiências. Tem havido um aumento na sua aplicação à fala e à linguagem, principalmente em pesquisas voltadas para a recuperação da afasia pós-AVC^7,8,9, embora até agora tenha levado a resultados mistos em relação à potencial terapêutico, sítios de estimulação e hemisférios, e polaridade de corrente óptima. Como esta pesquisa, e particularmente a aplicação de tDCS na neurobiologia cognitiva da função de linguagem normal, ainda está em sua infância, é crucial delinear procedimentos para estimular pelo menos os córtices de linguagem principal (mais importante Wernicke e Áreas de broca) usando tDCS, que é um dos principais objetivos do relatório atual.

Aqui, consideraremos a aplicação de tDCS a áreas de linguagem em uma experiência de aprendizado de palavras. Em geral, o caso da aprendizagem de palavras é tomado aqui como um exemplo de um experimento neurolinguístico, e a parte de tDCS do procedimento não deve mudar substancialmente para outros tipos de experimentos de linguagem visando as mesmas áreas. No entanto, utilizamos esta oportunidade para destacar também as principais considerações metodológicas em um experimento de aquisição de palavras por si, que é o segundo objetivo principal da descrição atual do protocolo. Mecanismos cerebrais que sustentam a aquisição de palavras – uma capacidade humana onipresente no cerne da nossa habilidade de comunicação linguística – permanecem em grande parte desconhecidas¹⁰. Complicando o quadro, a literatura existente difere amplamente na forma como os protocolos experimentais promovem a aquisição de palavras, no controle sobre os parâmetros de estimulação e nas tarefas utilizadas para avaliar os desfechos de aprendizagem (ver, por exemplo, Davis et al.¹¹). Abaixo, descrevemos um protocolo que utiliza estímulos altamente controlados e modo de apresentação, assegurando uma aquisição naturalista orientada por contexto de vocabulário novo. Além disso, usamos uma bateria abrangente de tarefas para avaliar os resultados comportamentais em diferentes níveis, tanto imediatamente após a aprendizagem e após uma fase de consolidação durante a noite. Isso é combinado com Sham e tDCS catodais de áreas de linguagem (nós fazemos um exemplo específico usando a estimulação da área de Wernicke) que pode fornecer evidências causais sobre os processos e mecanismos neural subjacentes.

Protocolo

Todos os procedimentos foram aprovados pelo Comitê de ética em pesquisa local da Universidade Estadual de São Petersburgo, São Petersburgo, com consentimento obtido de todos os participantes.

Nota: todos os participantes devem assinar o consentimento informado e preencher um questionário para atestar a ausência de quaisquer contra-indicações para a estimulação de tDCS (ver técnica e considerações no uso da estimulação de corrente contínua transcraniana de alta definição de 4 x 1 anel (HD-tDCS) por Willamar e colegas¹²) e para coletar outros dados relevantes para o estudo, tais como acuidade visual, demografia, experiência de linguagem e handedness. Para este último, recomenda-se o trabalho seminal de Oldfield¹³ .

1. assuntos e ambiente experimental

1. Em uma experiência de linguagem típica, garantir que todos os indivíduos são destros e não têm registro de déficits de linguagem, distúrbios neurológicos ou psiquiátricos. A sua língua nativa e o seu estatuto bilíngüe/multilingue devem ser controlados.
2. Realize todas as medições em uma câmara à prova de som ou pelo menos atenuada pelo som. A isolação sadia é muito importante, desde que todo o som, ruído, discurso humano estranhos, etc. podem significativamente afetar o desempenho e assim influenciar os dados (Figura 1).
3. Para evitar interferências por contato desnecessário com o sujeito-experimentador, coloque apenas a tela, fones de ouvido/alto-falantes e quaisquer dispositivos de entrada (teclado, caixas de botões) dentro da câmara. Tenha toda a interação com o experimentador sobre o intercomunicador a menos que o contato pessoal for exigido.
4. Use os seguintes parâmetros ideais, com base na extensa pilotagem, para cor de fundo e tamanho da fonte: cor de fundo cinza (RGB: 125, 125, 125), cor de texto preto (RGB: 0; 0; 0), face da fonte Arial, tamanho 27.
5. Para reduzir atrasos e jitter na apresentação visual, use uma placa de vídeo e um monitor com uma taxa de atualização de 100 Hz e superior.
6. Para medir os tempos de reação, use almofadas de resposta de grau de pesquisa, que têm melhor ergonomia e cronometragem mais preciso em comparação com teclados convencionais.

2. preparação do estímulo

1. Escolha palavras do idioma em questão, que são controladas por sua duração, frequência lexical e estrutura geral (para evitar quaisquer efeitos básicos das propriedades de estímulo de superfície no processamento de nível superior). Aqui, todas as palavras-base foram oito fonemas/letras longas e consistiram de três sílabas com a estrutura CVCCVCVC (onde C é consonante, e V é vogal).
2. Para criar várias listas, divida as palavras em conjuntos, que não devem diferir estatisticamente (como medido com, por exemplo, testes t) em seu Lemma, bigrama e/ou trigrama, bem como frequência silânica. Estes podem ser obtidos a partir de bases de dados psicolingüísticas específicas da linguagem; aqui, o corpus nacional russo foi usado (http://www.ruscorpora.ru/en/). Aqui, um conjunto foi usado para criar (através de modificação) palavras e pseudopalavras novas ortograficamente semelhantes, outro conjunto para criar pseudopalavras de controle não relacionados e um conjunto adicional usado como palavras de controle não relacionadas (Figura 2a). Isso levou a cinco conjuntos de 10 itens cada (50 estímulos no total). Modifique esses procedimentos de acordo com suas necessidades experimentais exatas.
3. Para minimizar quaisquer efeitos de formas de superfície na semântica recém-adquirida, contrabalançar os conjuntos em toda a amostra de assunto, de forma que eles desempenham diferentes funções experimentais para diferentes assuntos.
4. Criar novas formas de palavra que sigam as regras de fonologia e fonotáctica e assemelham-se a palavras existentes em termos de estrutura ortográfica e fonológica.
   Nota: para se certificar de que as novas palavras podem entrar em competição com as palavras existentes, os procedimentos atuais foram baseados naqueles desenvolvidos em uma série de experimentos por Gaskell e colegas^11,14 e visando manter a palavra onsets ( Cvccv-) estável, ao girar seus deslocamentos (-CVC) através dos artigos diferentes no jogo. Ou seja, preservamos as duas primeiras sílabas de uma palavra existente e variamos a sílaba Suprema de tal forma que um novo formulário de palavra nova, anteriormente desconhecido, foi criado (por exemplo, mandarim-> mandanal *, onde o último CVC foi retirado de outra palavra na lista, Cardeal, para criar um novo item).
5. Repita o procedimento descrito acima para criar o maior número de formulários de palavras novas, conforme necessário. Para a demonstração atual, criamos listas de novas formas de palavra a serem aprendidas e de pseudopalavras não aprendidas semelhantes (por exemplo, mandarim-> mandanal *, mandaket *, todos os três potencialmente entrando em uma competição lexical pós-aprendizagem, como vizinhos), bem como mais listas de controle de palavras reais e pseudopalavras novas que não compartilharem essa semelhança e, portanto, não produziriam uma competição lexical com os principais estímulos (por exemplo, circular, muskenal *; Exemplos russos são usados em todo, transliterado de cirílico para o latim script para facilitar a compreensão).

3. estímulos de sentença para aprendizagem semântica contextual

1. Criar novos significados a serem associados às novas palavras no processo de aprendizado. Isso pode ser feito-up, objetos obsoletos ou raros ou conceitos não presentes na língua ou cultura nativa dos sujeitos.
2. Para a aprendizagem contextual da semântica nova, os procedimentos usados por Mestrez-Misse e por colegas¹⁵ são recomendados. Criar várias frases únicas que descrevem situações através das quais se pode compreender o significado de cada uma das palavras novas (por exemplo, "para controlar os insetos na época medieval, as pessoas usaram mandaket"). Use uma seqüência de tais frases para cada uma das palavras novas (aqui, um total de 5 frases por palavra), e gradualmente revelar o significado de cada novo conceito de um mais geral para o contexto sentencial mais específico.
3. Apresente palavras novas idealmente em seu formulário do dicionário (isto é, uninflected, por exemplo, caso nominativo ou acusativo do singular no Russian), de modo que a forma de superfície não seja flexionada diferentemente em sentenças diferentes (tabela 1), a menos que a régua da inflexão aprendizagem também é necessária.
4. Controlar e equilibrar o comprimento das frases e o número de palavras entre as condições. Aqui, cada sentença consistiu em 8 palavras. Sempre coloque palavras novas no final das sentenças. Tal colocação permite a acumulação de informações contextuais necessárias (Além disso, isso permite a implementação deste projeto, se necessário, em um EEG ou MEG configuração para gravar respostas cerebrais evocadas desmascarado por estímulos palavra mais).
5. Apresentar sentenças específicas em palavras em subblocos específicos do Word, revelando gradualmente o significado de cada nova palavra, sem intercalações ou sentenças randomizantes relacionadas a diferentes romances.
6. Randomize a ordem dos subblocos em todo o grupo de assunto. A apresentação de sentença Word-by-Word é recomendada se a modalidade Visual for usada.
7. Determinar o intervalo interestímulo com base em propriedades específicas de estímulo para permitir sua apresentação conveniente (Figura 2b); Certifique-se de separar diferentes subblocos com intervalos adicionais e dar pausas regulares.

4. tarefas para avaliar a aquisição de novas formas de palavra e novos significados

Nota: use várias tarefas para avaliar diferentes níveis de aquisição e compreensão de ambas as formas de palavra de superfície e semântica lexical. Cinco tarefas são usadas no presente protocolo: recordação livre, reconhecimento de cubos, decisão lexical, definição semântica e harmonização semântica. As tarefas são aplicadas na ordem em que estão listadas abaixo, que foi otimizado para reduzir qualquer transição entre tarefas sucessivas.

1. Na tarefa de recall livre, cada participante reproduza o maior número de formulários de palavras que eles poderiam lembrar digitando-os na planilha preparada. A instrução é a seguinte: "por favor, escreva na coluna todas as novas palavras que você pode lembrar."
2. Inclua os mesmos estímulos no reconhecimento e na decisão lexical (segunda e terceira tarefas, respectivamente) e use a mesma taxa de apresentação.
   1. Estas tarefas incluem todos os artigos (palavras novas, palavras reais do concorrente que os novos são derivados, concorrentes não treinados do de pseudopalavras derivados das mesmas palavras reais, pseudopalavras não relacionados do controle e palavras existentes do controle não relacionado).
   2. Para a tarefa de reconhecimento, use a seguinte instrução: "você será apresentado com palavras sequencialmente. Pressione o botão "1" com o dedo médio da mão esquerda se você encontrou a palavra durante o experimento, ou pressione "2" com o dedo indicador da mão esquerda, se você não tiver. " Modifique a codificação de resposta, a mão e os dedos de acordo com suas necessidades específicas.
   3. A instrução para a tarefa de decisão lexical é: "você será apresentado com palavras reais e sem sentido sequencialmente. Pressione "1" com o dedo médio da mão esquerda se a palavra faz sentido, ou pressione "2" com o dedo indicador da mão esquerda, se não. " Modifique-os conforme necessário.
3. Use a tarefa de definição semântica para estimar a aquisição de significado inovador e a correspondência entre o significado e a forma de superfície.
   1. Dê aos participantes uma lista dos itens aprendidos (ou seja, aqueles apresentados anteriormente na fase de aprendizado) com as instruções acima: "aqui está uma lista de novas palavras apresentadas a você anteriormente. Tente definir cada um deles e digite suas definições na planilha ".
   2. Para avaliar a integralidade e a exatidão das definições dadas, envolva peritos independentes para classificar as respostas; acordo entre peritos poderia ser testado utilizando, por exemplo, o coeficiente de concordância de Kendall (W).
4. Use a tarefa de correspondência semântica para avaliar a aquisição da semântica através da tomada de vínculos explícitos entre as formas de palavras recém-aprendidas e seus significados de forma simplificada.
   1. Use a seguinte instrução: "você será apresentado uma palavra e três definições. Você deve escolher uma definição correta para cada palavra pressionando o botão correspondente ". Apenas uma das definições está correta, com os outros dois correspondentes aos outros itens novos. Além das três definições opcionais, incluindo "nada disso" ou/e "não sure" opções também é recomendado.

5. procedimentos de

1. Certifique-se de que a estimulação de tDCS precede a tarefa comportamental que se destina a modular.
   1. Área de Wernicke.
      Nota: a colocação do elétrodo da estimulação que melhor corresponde à área de Wernicke é CP5 de acordo com o sistema 10-20 internacional prolongado para EEG^16,17.
      1. Para localizar este local na ausência de uma tampa de eletrodo, siga os procedimentos padrão do sistema 10-20.
      2. Meça a cabeça com uma fita do inion ao Nasion, e anote o meio desta distância. Em seguida, meça a distância do ponto pré-auricular esquerdo ao ponto pré-auricular direito e marque o ponto de cruzamento das duas medições.
      3. Para encontrar a localização CP5, medir 30% da distância entre os pontos pré-auriculares do ponto de cruzamento para baixo do hemisfério esquerdo e marcá-lo. Meça 10% da distância entre o inion e o násio do ponto marcado à parte traseira da cabeça. Este ponto é o local CP5 para o eletrodo ativo (Figura 3).
   2. Área de broca
      Nota: o mais próximo da área de broca é o local de eletrodo F5¹⁸ de acordo com o sistema 10-20.
      1. Na ausência de um tampão de EEG, siga os procedimentos padrão do sistema 10-20 para encontrar e marcar o ponto de cruzamento entre o inion-Nasion e os pontos preauricular, como descrito acima.
      2. Para encontrar a posição F5, meça 20% da distância entre o inion e o násio do ponto de cruzamento à parte dianteira da cabeça. Meça 30% da distância entre os pontos pré-auriculares do ponto recentemente marcado para baixo o hemisfério esquerdo. Este ponto corresponde ao local F5 para o eletrodo ativo (Figura 3).
   3. Locais homólogos no hemisfério direito: para os homólogos hemisféricos da direita das áreas de Wernicke e broca, use os mesmos procedimentos acima, com a exceção de medir a distância da linha média no lado direito do couro cabeludo. As posições do elétrodo são: CP6 para o homólogo de RH Wernicke e F6 para o homólogo de broca.
   4. Use eletrodos esponjoso medindo 5 cm x 5 cm, pois este tamanho é um bom comprometimento entre a estimulação focal (o que provoca mais irritação e desconforto) e eletrodos maiores que carecem de focalidade. Mergulhe os eletrodos em solução salina fisiológica por 5 min antes da aplicação.
   5. A fim de minimizar o efeito da estimulação em outras áreas do cérebro, coloque o eletrodo de referência na base do pescoço no lado esquerdo (direito para homólogos) (ver Figura 3 e Figura 4). Use eletrodos esponjoso medindo 5 cm x 5 cm também.
      Nota: deve ser prestada especial atenção à prevenção da propagação da solução para além dos limites da zona de aplicação do eléctrodo. Cuidado especial deve ser tomado para manter a área circundante eletrodo seco.
   6. Para a estimulação catdal óptima, use 1,5 corrente do miliampère por 15 minutos. No início, a corrente sobe gradualmente de 0 a 1,5 mA acima de 30 s, e no final da estimulação ele cai de volta para zero mais de 30 s.
   7. Para a estimulação anodal, use o mesmo procedimento que a estimulação catdal, exceto a polaridade é invertida, e o elétrodo anodal é coloc no local ativo, quando o cáde for usado como o elétrodo de referência situado fora da área do escalpe.
2. Estimulação Sham
   1. Realize o procedimento simulado de estimulação geralmente como descrito acima, exceto que a corrente só é aplicada brevemente no início e no final da sessão Sham. Para este fim, durante o primeiro e o último 30 s da sessão, aplique um pulso elétrico de uma forma triangular com um máximo de 1,5 miliampères, como usado no protocolo atual.
3. Principal tarefa comportamental: aprendizagem semântica contextual
   1. Os conjuntos atuais com frases contextuais para as palavras novas em uma ordem aleatória. Inicie cada frase com uma apresentação palavra por palavra.
   2. Depois disso, exiba a frase inteira na tela para garantir sua compreensão completa. Os participantes pressionam a barra de espaço com o dedo indicador da mão esquerda depois de ler a sentença inteira. Duração da apresentação da sentença é 5000 MS.
      Nota: os conjuntos das frases são separados uns dos outros pela aparência de três mira ("+ + +") para 2000 MS. cada nova apresentação do conceito começa com uma única Cruz de fixação ("+") presente para 500 MS antes que as palavras da sentença sejam piscadas. Cada palavra é apresentada para 500 MS, e a tela vazia na cor de fundo entre as palavras dentro de uma frase é de 300 MS de comprimento.
4. Procedimento de avaliação da aquisição
   1. Para avaliar os efeitos de aprendizado imediatamente e após a fase de consolidação durante a noite, quebre o estímulo definido em dois subconjuntos, igualmente distribuídos em condições de estímulo e contrabalançado em todo o grupo de assuntos, e execute a tarefa de avaliação imediatamente após o protocolo de aprendizagem em um subconjunto, e após um atraso de 24 h no outro.
      Nota: esta estratégia é baseada na literatura que destaca a importância da consolidação da memória durante a noite para a aquisição de novas palavras^19,20.
   2. Use todas as tarefas desenvolvidas na ordem descrita na seção 3 acima para avaliar diferentes níveis de aquisição de palavra/conceito. Escolha a ordem das tarefas para minimizar quaisquer efeitos de transição de uma tarefa para as seguintes.
   3. Para as tarefas 1 e 4, use planilhas a serem preenchidas por assuntos (manualmente ou usando um processador de texto ou planilha); apresentar as outras tarefas usando o software de simulação temporalmente preciso.
      Nota: cada estímulo nas tarefas 2 e 3 é apresentado para 600 MS, com uma cruz de fixação ("+") presente no intervalo interestímulo (1400 MS); consulte a Figura 3. Para as outras tarefas, o tempo de resposta não é limitado.

6. análise de dados

1. Realizar análise de dados utilizando diferentes testes comparando dois conjuntos de amostras provenientes de distribuições contínuas (como Wilcoxon Signed Rank Test ou Mann-Whitney U-Test) ou medianas (teste tde duas amostragens, se a distribuição for normal).

Resultados

Enquanto os dados foram analisados para o conjunto específico de tarefas, deve-se ressaltar que o conjunto desenvolvido de testes e o paradigma podem ser adaptados a uma variedade de experimentos psicolinguísticos. Os resultados foram analisados em termos de escores de acurácia (número de acertos) e o tempo de reação (RT) utilizando teste de Rank não paramétrico de Wilcoxon assinado e teste U de Mann-Whitney em todos os grupos (condições de estimulação catodal e Sham). As dife...

Discussão

Os resultados destacam alguns pontos importantes que precisam ser levados em consideração na realização da pesquisa Psicolinguística em geral, e os estudos de tDCS em neurolinguística, em particular. A estimulação de córtices da língua (exemplificada aqui pela área de Wernicke) produz um teste padrão complexo de resultados comportáveis. Diferentemente da técnica TMS, onde é possível interromper totalmente o processamento da fala (por exemplo, o chamado protocolo de "parada de fala")²¹