Транскраниальный Прямой ток стимуляции (tDCS) Вернике и Брока в области изучения языка обучения и слова Приобретение

Резюме

Здесь мы описываем протокол для использования транскраниальной прямой стимуляции тока для психо- и нейролингвистических экспериментов, направленных на изучение, в натуралистической, но полностью контролируемой образом, роль корковых областей человеческого мозга в изучении слов, и комплексный набор поведенческих процедур для оценки результатов.

Аннотация

Язык является очень важной, но плохо понимаемой функцией человеческого мозга. В то время как исследования моделей активации мозга во время понимания языка в изобилии, то, что часто критически отсутствует причинно-следственной связи с участием областей мозга в конкретной лингвистической функции, не в последнюю очередь из-за уникальной человеческой природы этой способности и дефицит нейрофизиологических инструментов для изучения причинно-следственных связей в человеческом мозге неинвазивно. В последние годы наблюдается быстрый рост использования транскраниальной стимуляции прямого тока (tDCS) человеческого мозга, простой, недорогой и безопасный неинвазивный метод, который может модулировать состояние стимулируемой области мозга (по-видимому, путем изменения возбуждения / пороговых значений, что позволяет изучить его особый вклад в конкретные функции. Хотя основное внимание уделяется управлению двигателем, использование tDCS становится все более распространенным как в основных, так и в клинических исследованиях по более высоким когнитивным функциям, включая язык, но процедуры его применения остаются переменными. Здесь мы описываем использование tDCS в психолингвистическом эксперименте по изучению слов. Представляем методы и процедуры применения катодальной и анодальной стимуляции основных языковых областей Брока и Вернике в левом полушарии человеческого мозга, описываем процедуры создания сбалансированных наборов психолингвистических стимулов, контролируемый, но натуралистический режим обучения, а также комплексный набор методов оценки результатов обучения и эффектов tDCS. В качестве примера приложения tDCS мы показываем, что катадальная стимуляция области Вернике до начала учебной сессии может повлиять на эффективность обучения слову. Это воздействие как присутствует сразу после обучения и, что важно, сохраняется в течение более длительного времени после физического воздействия стимуляции стираться, предполагая, что tDCS может иметь долгосрочное влияние на лингвистическое хранение и представления в человеческом мозге .

Введение

Нейробиологические механизмы функции человеческого языка до сих пор плохо изучены. Как основа нашей коммуникативной способности, эта уникальная нейрокогнитивная черта человека играет особенно важную роль в нашей личной и социально-экономической жизни. Любые дефициты, влияющие на речь и язык, являются разрушительными для страдающих и дорогими для общества. В то же время, в клинике процедуры для лечения речевого дефицита (таких как афазия) остаются неоптимальными, не в последнюю очередь из-за плохого понимания нейробиологических механизмов, участвующих¹. В исследованиях, недавнее появление и быстрое развитие методов нейровизуализации привели к многочисленным открытиям, описывающим модели активации; тем не менее, причинно-следственных связей часто все еще не хватает. Кроме того, языковые области мозга расположены несколько неоптимально для применения основных подходов нейростимуляции, которые могут обеспечить причинно-следственные доказательства, самое главное транскраниальной магнитной стимуляции техники (TMS). В то время как автономный протокол TMS, такие как стимуляция тета-всплеска, может вызвать боль из-за близости мышц к точке стимуляции, "онлайн" протоколы TMS могут ввести звуковые артефакты от стимуляции, что нежелательно из-за вмешательства в лингвистический стимул презентации². Несмотря на то, что TMS широко используется в языковых исследованиях, несмотря на такие неудобства, желанная альтернатива может быть предоставлена другими методами стимуляции, в первую очередь транскраниальной стимуляцией прямого тока (tDCS). В последние годы, tDCS наблюдается значительный рост его использования из-за его доступности, простота использования, относительная безопасность и часто довольно поразительные результаты³. Несмотря на то, что точные механизмы, лежащие в основе влияния tDCS на нейронную активность, не изучены полностью, основное мнение состоит в том, что, по крайней мере, при низких уровнях интенсивности (обычно 1-2 мА на 15-60 мин), это не вызывает никаких нервных возбуждений или ингибирование как такового , но вместо этого модулирует отдыха трансмембранный потенциал в градуированный путь к де- или гиперполяризации, сдвиг порогов возбуждения вверх или вниз и тем самым делая нейронную систему более или менее восприимчивы к модуляции другими событиями, стимулы, состояний или поведения^4,5. В то время как большинство заявок, о которых сообщалось на сегодняшний день, были сосредоточены на двигательной функции⁶ и/или дефиците двигательной системы, она все чаще применяется к когнитивным функциям более высокого уровня и их соответствующим нарушениям. Там был рост в его применении к речи и языку, в основном в исследованиях, направленных на восстановление после инсульта афазии^7,8,9, хотя это до сих пор привело к неоднозначным результатам в отношении терапевтический потенциал, места стимуляции и полушария, и оптимальная ток полярность. Поскольку это исследование, и в частности применение tDCS в когнитивной нейробиологии нормальной функции языка, все еще находится в зачаточном состоянии, крайне важно разграничить процедуры для стимулирования по крайней мере основных кортиков языка (самое главное Вернике и Районы Брока) с использованием tDCS, который является одной из основных целей текущего доклада.

Здесь мы рассмотрим применение tDCS к языковым областям в эксперименте по изучению слов. В целом, случай изучения слов рассматривается здесь как один из примеров нейролингвистического эксперимента, и часть процедуры tDCS не должна существенно меняться для других типов языковых экспериментов, ориентированных на те же области. Тем не менее, мы используем эту возможность, чтобы также выделить основные методологические соображения в эксперименте по приобретению слова как такового, который является второй основной целью текущего описания протокола. Мозг механизмы, лежащие в основе слова приобретения - вездесущий человеческий потенциал в основе нашей лингвистической коммуникативной навык - остаются в значительной степени неизвестны¹⁰. Усложняя картину, существующая литература широко отличается тем, как экспериментальные протоколы способствуют приобретению слова, контролю над параметрами стимуляции, а также задачам, используемым для оценки результатов обучения (см., например, Davis et al.¹¹). Ниже мы описываем протокол, который использует высококонтролируемые стимулы и режим презентации, обеспечивая при этом натуралистическое контекстное приобретение нового словаря. Кроме того, мы используем полную батарею задач для оценки результатов поведенчески на разных уровнях, как сразу после обучения, так и после ночного этапа консолидации. Это в сочетании с фиктивным и cathodal tDCS языковых областей (мы делаем конкретный пример, используя стимуляцию области Вернике), которые могут обеспечить причинно-следственные данные о лежащих в основе нейронных процессов и механизмов.

протокол

Все процедуры были утверждены местным комитетом по этике Санкт-Петербургского государственного университета (СПбГУ) с согласия всех участников.

ПРИМЕЧАНИЕ: Все участники должны подписать информированное согласие и заполнить анкету, чтобы подтвердить отсутствие каких-либо противопоказаний для стимуляции tDCS (см. Техника и соображения в использовании 4 х 1 Кольцо Высокой четкости Транскраниальной прямого тока стимуляции (HD-tDCS) Вилламар омичем и коллегами¹²⁾и для сбора других данных, имеющих отношение к исследованию, таких как острота зрения, демография, языковой опыт и сдаваемость. Для последнего рекомендуется основополагающая работа Oldfield^13.

1. Субъекты и экспериментальная среда

1. В типичном языковом эксперименте убедитесь, что все испытуемые являются правшами и не имеют записи о языковом дефиците, неврологических или психиатрических расстройствах. Необходимо контролировать их родной язык и двуязычный/многоязычный статус.
2. Проведите все измерения в звуконепроницаемой или, по крайней мере, звукоизоляционной камере. Звукоизоляция очень важна, так как любой посторонний звук, шум, человеческая речь и т.д. могут существенно повлиять на производительность и тем самым повлиять на данные(рисунок 1).
3. Чтобы избежать помех ненужного контакта субъекта-экспериментатора, поместите только экран, наушники/динамики и любые входные устройства (клавиатура, кнопки коробки) внутри камеры. Иметь все взаимодействия с экспериментатором по домофону, если не требуется личный контакт.
4. Используйте следующие оптимальные параметры, основанные на обширном пилотировании, для фонового цвета и размера шрифта: серый цвет фона (RGB: 125, 125, 125), черный цвет текста (RGB: 0; 0; 0), лицо шрифта Arial, размер 27.
5. Чтобы уменьшить задержки и нервозности в визуальной презентации, используйте видеокарту и монитор с скоростью обновления 100 Гц и выше.
6. Для измерения времени реакции используйте научно-исследовательские ответные площадки, которые имеют лучшую эргономику и более точное время по сравнению с обычными клавиатурами.

2. Стимул подготовка

1. Выберите слова языка, о котором идет речь, которые контролируются в течение их продолжительности, лексической частоты и общей структуры (чтобы избежать каких-либо основных эффектов поверхностных стимулов свойства на более высоком уровне обработки). Здесь все базовые слова были восемь фонем / буквы долго и состоял из трех слогов со структурой CVCCVCVC (где C является согласным, и V гласный).
2. Чтобы создать несколько списков, разделите слова на наборы, которые не должны отличаться статистически (как измеряется, например, т-тесты) на их лемме, бигаме и/или триграмме, а также слоговой частоте. Они могут быть получены из языковых психолингвистических баз данных; здесь использовался Российский национальный корпус (http://www.ruscorpora.ru/en/). Здесь, один набор был использован для создания (через модификацию) орфографически похожие романные слова и псевдослова, другой набор для создания несвязанных контроль псевдослов, а также еще один набор используется в качестве несвязанных контрольных слов (Рисунок 2A). Это привело к пяти наборов по 10 пунктов каждый (50 стимулов в общей сложности). Измените эти процедуры в соответствии с вашими точными экспериментальными требованиями.
3. Чтобы свести к минимуму любое воздействие поверхностных форм на вновь приобретенную семантику, уравновешивайте наборы по всей выборке объекта, таким образом, чтобы они играли различные экспериментальные роли для разных предметов.
4. Создавайте новые формы слов таким образом, чтобы они следовали правилам фонологии и фонотаксии и напоминали существующие слова с точки зрения орфографической и фонологической структуры.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Чтобы убедиться, что новые слова могут вступить в конкуренцию с существующими словами, нынешние процедуры были основаны на тех, которые разработаны в серии экспериментов Gaskell и коллег^11,14 и направлены на сохранение слова наступления ( CVCCV-) стабильна, при повороте их смещения (-CVC) по различным элементам в наборе. То есть, мы сохранили первые два слога существующего слова и разнообразили конечный слог так, что была создана новая, ранее незнакомая форма нового слова (например, мандарин --gt; mandanal, где последний CVC был взят из другого слова в списке, кардинал, для создания нового элемента).
5. Повторите описанную выше процедуру для создания как можно большего количества новых форм слов по мере необходимости. Для текущей демонстрации, мы создали списки новых форм слова, которые будут изучены и аналогичных неухоженные псевдослова (например, мандарин - йgt; mandanal, mandaket, все три потенциально вступления в лексической конкуренции после обучения, как соседи), а также дополнительные контрольные списки реальных слов и новых псевдослов, которые не разделяют этого сходства и, таким образом, не будут создавать лексическую конкуренцию с основными стимулами (например, круговой, мушкенальной; Русские примеры используются во всем, транслитерированных от кириллицы до латинской письменности для удобства понимания).

3. Стимулы предложения для контекстуального семантического обучения

1. Создавайте новые значения, связанные с новыми словами в процессе обучения. Это могут быть вымытые, устаревшие или редкие предметы или понятия, не присутствующие на родном языке или культуре субъектов.
2. Для контекстуального изучения семантики романов рекомендуется процедуры, используемые Mestrez-Misse и коллегами^15. Создайте несколько уникальных предложений, описывающих ситуации, с помощью которых можно понять значение каждого из слов романа (например, "Для борьбы с насекомыми в средние века, люди использовали mandaket"). Используйте последовательность таких предложений для каждого из слов романа (здесь, в общей сложности 5 предложений на слово), и постепенно раскрыть смысл каждой новой концепции от более общего к более конкретному сенденциальному контексту.
3. Настоящее романные слова идеально в их форме словаря (т.е., uninflected, например, сингулярный nominative или обвинительный случай в русском языке), таким образом, что форма поверхности не перегибает по-разному в разных предложениях(Таблица1), если правило перегиба обучение также требуется.
4. Контролируйте и балансируйте длину предложений и количество слов между условиями. Здесь каждое предложение состояло из 8 слов. Всегда поместите новые слова в конце предложения. Такое размещение позволяет накапливать необходимую контекстуальную информацию (далее, это позволяет реализовать эту конструкцию, при необходимости, в ЭЭГ или МЭГ настройки для записи вызвали реакции мозга разоблачены дальнейшие раздражители слова).
5. Представляем конкретные предложения в отдельных словах подблоков, постепенно раскрывая значение каждого нового слова, не перемешивая или рандомизируя предложения, связанные с различными новыми словами.
6. Рандомизуйсь по порядку подблоков по всей группе субъекта. При использовании визуального модальности рекомендуется представление предложения по слову слова.
7. Определить интерстимул интервал на основе конкретных свойств стимула, чтобы их удобное представление(рисунок2B); не забудьте разделить различные подблоки с дополнительными интервалами и дать регулярные перерывы.

4. Задачи по оценке приобретения новых форм слов и новых значений

ПРИМЕЧАНИЕ: Используйте несколько задач для оценки различных уровней приобретения и понимания как поверхностных форм слов, так и лексической семантики. В настоящем протоколе используются пять задач: свободный отзыв, распознавание кюш, лексическое решение, семантическое определение и семантическое соответствие. Задачи применяются в порядке, указанном ниже, который был оптимизирован для уменьшения переноса между последовательными задачами.

1. В задаче свободного отзыва у каждого участника воспроизвести как можно больше новых форм слов, которые они могли вспомнить, введя их в подготовленную таблицу. Инструкция такова: «Пожалуйста, запишите в колонке все новые слова, которые вы можете запомнить».
2. Включите одни и те же стимулы в распознавание и лексическое решение (второй и третий задачи, соответственно) и используйте одинаковую скорость представления.
   1. Эти задачи включают в себя все элементы (новые слова, реальные слова конкурента новые являются производными от, неподготовленных псевдослов конкурентов, полученных от тех же реальных слов, не связанных контроля псевдослов и несвязанных контроля существующих слов).
   2. Для задачи распознавания используйте следующую инструкцию: «Вам будут представлены слова последовательно. Нажмите кнопку "1" средним пальцем левой руки, если вы столкнулись со словом во время эксперимента, или нажмите "2" указательным пальцем левой руки, если у вас нет". Измените кодирование ответа, руки и пальцы в соответствии с вашими конкретными требованиями.
   3. Инструкция для задачи лексического решения: «Вы будете представлены с реальными и бессмысленными словами последовательно. Нажмите "1" средним пальцем левой руки, если слово имеет смысл, или нажмите "2" указательным пальцем левой руки, если это не так". Изменять их по мере необходимости.
3. Используйте задачу семантического определения для оценки приобретения нового значения и соответствия между смыслом и формой поверхности.
   1. Предоставь участникам список изученных предметов (т.е. тех, которые были представлены ранее на этапе обучения) с инструкцией выше: "Вот список новых слов, представленных вам ранее. Попробуйте определить каждый из них и введите их определения в электронную таблицу».
   2. Для оценки полноты и точности данных определений привлекайте независимых экспертов к оценке ответов; соглашение между экспертами может быть опробовано с использованием, например, коэффициента соответствия Кендалла (W).
4. Используйте семантические задачи сопоставления для оценки приобретения семантики путем создания явных связей между вновь изученными формами слов и их значениями в упрощенном порядке.
   1. Используйте следующую инструкцию: "Вам будет представлено слово и три определения. Вы должны выбрать одно правильное определение для каждого слова, нажав соответствующую кнопку». Правильно только одно из определений, а два других - с другими новыми пунктами. В дополнение к трем факультативным определениям, втом ли "ни один из этого" или / и "не уверен" варианты также рекомендуется.

5. Процедуры

1. Убедитесь, что стимуляция tDCS предшествует поведенческой задаче, которую она предназначена для модулировать.
   1. Район Вернике.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Размещение электрода стимуляции, что лучше всего соответствует области Вернике является CP5 в соответствии с расширенной Международной 10-20 системы для ЭЭГ^16,17.
      1. Чтобы найти это место в отсутствие крышки электрода, следуйте стандартным 10-20 системным процедурам.
      2. Измерьте голову лентой от иниона до nasion, и обратите внимание на середину этого расстояния. Затем измерьте расстояние от левой предаурикулярной точки до правой предаурикулярной точки и отметьте перекрестную точку двух измерений.
      3. Чтобы найти местоположение CP5, измерьте 30% расстояния между доаурикулярными точками от перекрестной точки вниз по левому полушарию и отметьте его. Измерьте 10% расстояния между инионом и nasion от отмеченной точки к задней части головки. Этот пункт является расположение CP5 для активного электрода(рисунок 3).
   2. Район Брока
      ПРИМЕЧАНИЕ: Ближе всего к области Брока является F5 электрод сайт¹⁸ в соответствии с 10-20 системы.
      1. При отсутствии крышки ЭЭГ следуйте стандартным 10-20 системным процедурам, чтобы найти и отметить точку между инионно-назионными и предавичными точками, как описано выше.
      2. Чтобы найти местоположение F5, измерьте 20% расстояния между инионом и nasion от перекрестной точки к передней части головы. Измерьте 30% расстояния между доаурикулярными точками от недавно отмеченной точки вниз по левому полушарию. Эта точка соответствует местоположению F5 для активного электрода(рисунок 3).
   3. Гомологичные места в правом полушарии: для правого полушария гомологи области Вернике и Брока, использовать те же процедуры, как выше, за исключением измерения расстояния от средней линии вниз по правой стороне головы. Электрод местах являются: CP6 для RH Вернике гомолог и F6 для Broca гомолог.
   4. Используйте губчатые электроды размером 5 см х 5 см, так как этот размер является хорошим компромиссом между фокусной стимуляцией (которая вызывает больше раздражения и дискомфорта) и более крупными электродами, которым не хватает фокусности. Замочите электроды в физиологическом сольном растворе в течение 5 минут перед нанесением.
   5. Для того, чтобы свести к минимуму влияние стимуляции на другие участки мозга, поместите эталонный электрод в основание шеи на левой (справа для гомологов) стороне (см. Рисунок 3 и Рисунок 4). Используйте губчатые электроды размером 5 см х 5 см.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Особое внимание следует уделить предотвращению распространения раствора за пределы зоны применения электрода. Особое удели сохранить окружающую область электрода сухой.
   6. Для оптимальной катодальной стимуляции используйте ток 1,5 мА в течение 15 мин. В начале, ток постепенно поднимается от 0 до 1,5 мА свыше 30 с, а в конце стимуляции он падает обратно к нулю более 30 с.
   7. Для анодальной стимуляции используйте ту же процедуру, что и катодальная стимуляция, за исключением того, что полярность обращена вспять, и анодальный электрод помещается в активном месте, в то время как катод используется в качестве эталонного электрода, расположенного за пределами области кожи головы.
2. Шам стимуляции
   1. Выполните процедуру фиктивной стимуляции, как правило, как описано выше, за исключением того, что ток применяется только кратко в начале и в конце фиктивной сессии. С этой целью в течение первого и последнего 30-х годов сеанса нанесите электрический импульс треугольной формы с максимальным объемом 1,5 мА, как это используется в настоящем протоколе.
3. Основная поведенческая задача: контекстуальное семантическое обучение
   1. Настоящие наборы с контекстуальными предложениями для слов романа в случайном порядке. Начните каждое предложение с презентации слов за словом.
   2. После этого отобразите все предложение на экране, чтобы обеспечить его полное понимание. Попустите участников нажим на пробел указательным пальцем левой руки после прочтения всего предложения. Продолжительность представления предложения составляет 5000 мс.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Наборы предложений отделены друг от друга по появлению трех перекрестий («я») на 2000 мс. Каждая новая презентация концепции начинается с одного креста фиксации («я»), присутствующих на 500 мс до проблесков слова предложения. Каждое слово представлено на 500 мс, а пустой экран в цвете фона между словами в одном предложении составляет 300 мс в длину.
4. Процедура оценки приобретения
   1. Для оценки эффектов обучения как сразу, так и после ночного этапа консолидации, разбейте стимул, установленный на два подмножества, равномерно распределенные по условиям стимула и уравновешенные по всей группе субъекта, и запустите задачу оценки сразу после обучения протокол на одном подмножестве, и после 24 ч задержки на другой.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Эта стратегия основана на литературе, которая подчеркивает важность ночной консолидации памяти для приобретения новых слов^19,20.
   2. Используйте все разработанные задачи в порядке, описанном в разделе 3 выше, для оценки различных уровней приобретения слова/концепции. Выберите порядок задач, чтобы свести к минимуму любые эффекты переноса от одной задачи к следующей.
   3. Для задач 1 и 4 используют электронные таблицы, которые должны быть заполнены предметами (вручную или с помощью текста или процессора электронной таблицы); представить другие задачи с использованием временно точного программного обеспечения моделирования.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Каждый стимул в задачах 2 и 3 представлен на 600 мс, с крестом фиксации ("я"), присутствующим в интервале интерстимула (1400 мс); см. Рисунок 3. Для других задач время отклика не ограничено.

6. Анализ данных

1. Выполните анализ данных с помощью различных тестов, сравнивая два набора образцов, полученных из непрерывного распределения (таких как Уилкоксон подписал ранг аттест или Манн-Уитни U-тест) или медианы (два образца t-test, если распределение нормально).

Результаты

Хотя данные анализировались для конкретного набора задач, следует подчеркнуть, что разработанный набор тестов и парадигма могут быть адаптированы к различным психолингвистическим экспериментам. Результаты были проанализированы с точки зрения точности оценки (коли?...

Обсуждение

Результаты подчеркивают несколько важных моментов, которые необходимо учитывать при проведении психолингвистических исследований в целом, и нейролингвистики tDCS исследований в частности. Стимулирование языковых кортиков (примером для области Вернике) создает сложную модель поведен?...