Estimulación Transcraneal de Corriente Directa (tDCS) de las áreas de Wernicke y Broca en Estudios de Aprendizaje de Idiomas y Adquisición de Palabras

Summary

Aquí, describimos un protocolo para el uso de la estimulación transcraneal de corriente directa para experimentos psicolinguísticos y neurolinguísticos destinados a estudiar, de manera naturalista pero totalmente controlada, el papel de las áreas corticales del cerebro humano en el aprendizaje de palabras, y un conjunto completo de procedimientos conductuales para evaluar los resultados.

Abstract

El lenguaje es una función muy importante pero mal entendida del cerebro humano. Si bien los estudios de los patrones de activación cerebral durante la comprensión del lenguaje son abundantes, lo que a menudo falta críticamente es evidencia causal de la participación de las áreas cerebrales en una función linguística particular, sobre todo debido a la naturaleza humana única de esta capacidad y una escasez de herramientas neurofisiológicas para estudiar las relaciones causales en el cerebro humano de manera no invasiva. En los últimos años se ha producido un rápido aumento en el uso de la estimulación transcraneal de corriente directa (tDCS) del cerebro humano, una técnica no invasiva fácil, económica y segura que puede modular el estado del área cerebral estimulada (putativamente cambiando la excitación/ umbrales de inhibición), lo que permite un estudio de su contribución particular a funciones específicas. Mientras que se centra principalmente en el control motor, el uso de tDCS es cada vez más extendido en la investigación básica y clínica sobre funciones cognitivas más altas, lenguaje incluido, pero los procedimientos para su aplicación siguen siendo variables. Aquí, describimos el uso de tDCS en un experimento psicolinguístico de aprendizaje de palabras. Presentamos las técnicas y procedimientos para la aplicación de la estimulación cathodal y anodal de las áreas del lenguaje central de Broca y Wernicke en el hemisferio izquierdo del cerebro humano, describen los procedimientos de creación de conjuntos equilibrados de estímulos psicolinguísticos, un régimen de aprendizaje controlado pero naturalista, y un conjunto completo de técnicas para evaluar los resultados de aprendizaje y los efectos del tDCS. Como ejemplo de la aplicación de tDCS, demostramos que la estimulación cathodal del área de Wernicke antes de una sesión de aprendizaje puede afectar la eficiencia del aprendizaje de palabras. Este impacto está presente inmediatamente después del aprendizaje y, lo que es más importante, preservado durante más tiempo después de que los efectos físicos de la estimulación desaparezcan, lo que sugiere que el tDCS puede tener influencia a largo plazo en el almacenamiento linguístico y las representaciones en el cerebro humano .

Introduction

Los mecanismos neurobiológicos de la función del lenguaje humano todavía no se entienden bien. Como la base de nuestra capacidad de comunicación, este rasgo neurocognitivo humano único juega un papel particularmente importante en nuestra vida personal y socioeconómica. Cualquier déficit que afecte al habla y al lenguaje es devastador para los enfermos y costoso para la sociedad. Al mismo tiempo, en la clínica, los procedimientos para el tratamiento de los déficits del habla (como la afasia) siguen siendo subóptimos, sobre todo debido a la mala comprensión de los mecanismos neurobiológicos involucrados¹. En la investigación, el reciente advenimiento y el rápido desarrollo de los métodos de neuroimagen han llevado a múltiples descubrimientos que describen patrones de activación; sin embargo, a menudo faltan pruebas causales. Además, las áreas del lenguaje del cerebro se encuentran algo subóptima para la aplicación de enfoques de neuroestimulación convencionales que pueden proporcionar evidencia causal, lo más importante la técnica de estimulación magnética transcraneal (TMS). Mientras que el protocolo TMS fuera de línea, como la estimulación de ráfaga theta, puede causar dolor debido a la proximidad de los músculos al punto de estimulación, los protocolos TMS “en línea” pueden introducir artefactos de sonido de la estimulación, que es indeseable debido a la interferencia con presentación de estímulo linguístico². A pesar de que TMS es ampliamente utilizado en estudios de idiomas a pesar de tales inconvenientes, una alternativa bienvenida puede ser proporcionada por otros métodos de estimulación, sobre todo la estimulación transcraneal de corriente directa (tDCS). En los últimos años, tDCS ha visto un notable crecimiento en su uso debido a su accesibilidad, facilidad de uso, seguridad relativa y a menudo resultados bastante sorprendentes³. A pesar de que los mecanismos exactos que sustentan la influencia de tDCS en la actividad neuronal no se entienden completamente, la opinión principal es que, al menos a niveles de baja intensidad (normalmente 1-2 mA durante 15-60 min), no causa ninguna excitación neural o inhibición per se , pero en su lugar modula el potencial transmembrana en reposo de manera calificada hacia la des- o hiperpolarización, desplazando los umbrales de excitación hacia arriba o hacia abajo y haciendo así el sistema neural más o menos susceptible a modulaciones por otros eventos, estímulos, estados o comportamientos^4,5. Mientras que la mayoría de las aplicaciones notificadas hasta la fecha se han centrado en los déficits de la función motora⁶ y/o del sistema motor, se ha aplicado cada vez más a las funciones cognitivas de alto nivel y sus respectivas discapacidades. Ha habido un aumento en su aplicación al habla y al lenguaje, principalmente en la investigación dirigida a la recuperación de la afasia post-accidente cerebrovascular^7,8,9, a pesar de que hasta ahora ha dado lugar a resultados mixtos con respecto a la potencial terapéutico, sitios y hemisferios de estimulación, y polaridad de corriente óptima. Como esta investigación, y particularmente la aplicación de tDCS en la neurobiología cognitiva de la función normal del lenguaje, todavía está en su infancia, es crucial delinear los procedimientos para estimular al menos los cortices del lenguaje central (lo más importante broca) utilizando tDCS, que es uno de los principales objetivos del informe actual.

Aquí, consideraremos la aplicación de tDCS a áreas de lenguaje en un experimento de aprendizaje de palabras. En general, el caso del aprendizaje de palabras se toma aquí como un ejemplo de un experimento neurolinguístico, y la parte tDCS del procedimiento no debe cambiar sustancialmente para otros tipos de experimentos de idiomas dirigidos a las mismas áreas. Sin embargo, aprovechamos esta oportunidad para destacar también las principales consideraciones metodológicas en un experimento de adquisición de palabras per se, que es el segundo objetivo principal de la descripción actual del protocolo. Los mecanismos cerebrales que sustentan la adquisición de palabras – una capacidad humana omnipresente en el núcleo de nuestra habilidad de comunicación linguística – siguen siendo en gran medida desconocidos¹⁰. Complicando el panorama, la literatura existente difiere ampliamente en la forma en que los protocolos experimentales promueven la adquisición de palabras, en el control sobre los parámetros de estimulación y en las tareas utilizadas para evaluar los resultados de aprendizaje (véase, por ejemplo, Davis et al.¹¹). A continuación, describimos un protocolo que utiliza estímulos altamente controlados y el modo de presentación, al tiempo que aseguramos una adquisición naturalista basada en el contexto del vocabulario novedoso. Además, utilizamos una completa batería de tareas para evaluar los resultados de forma conductual en diferentes niveles, tanto inmediatamente después del aprendizaje como después de una etapa de consolidación durante la noche. Esto se combina con tDCS falso y cathodal de áreas del lenguaje (hacemos un ejemplo particular usando la estimulación de área de Wernicke) que puede proporcionar evidencia causal sobre los procesos y mecanismos neuronales subyacentes.

Protocol

Todos los procedimientos fueron aprobados por el comité local de ética de investigación de la Universidad Estatal de San Petersburgo, San Petersburgo, con el consentimiento obtenido de todos los participantes. NOTA: Todos los participantes deben firmar el consentimiento informado y rellenar un cuestionario para dar fe de la ausencia de contraindicaciones para la estimulación tDCS (ver Técnica y Consideraciones en el Uso de 4 x 1 Ring Estimulación Transcraneal de Corriente Directa de Alta…

Representative Results

Si bien los datos fueron analizados para el conjunto específico de tareas, cabe destacar que el conjunto desarrollado de pruebas y el paradigma podrían adaptarse a una variedad de experimentos psicolinguísticos. Los resultados se analizaron en términos de puntuaciones de precisión (número de respuestas correctas) y el tiempo de reacción (RT) utilizando la prueba de rango firmada por Wilcoxon no paramétrico y la prueba Mann-Whitney U entre grupos (condiciones de estimulación de ca…

Discussion

Los resultados ponen de relieve algunos puntos importantes que deben tenerse en cuenta a la hora de realizar investigaciones psicolinguísticas en general, y estudios neurolinguísticos tDCS en particular. La estimulación de los cortices del lenguaje (ejemplificado aquí por el área de Wernicke) produce un patrón complejo de resultados conductuales. A diferencia de la técnica TMS, donde es posible interrumpir completamente el procesamiento del habla (por ejemplo, el llamado protocolo de “detención de voz”)<sup class…