Stimolazione transcranica della corrente diretta (tDCS) delle aree di Wernicke e Broca negli studi sull'apprendimento delle lingue e sull'acquisizione di parole

Summary

Qui, descriviamo un protocollo per l’utilizzo della stimolazione transcranica a corrente diretta per esperimenti psico-e neurolinguistici volti a studiare, in modo naturalistico ma completamente controllato, il ruolo delle aree corticali del cervello umano nell’apprendimento delle parole, e un una serie completa di procedure comportamentali per la valutazione dei risultati.

Abstract

La lingua è una funzione molto importante ma poco compresa del cervello umano. Mentre gli studi sui modelli di attivazione del cervello durante la comprensione del linguaggio sono abbondanti, ciò che spesso manca criticamente è la prova causale del coinvolgimento delle aree cerebrali in una particolare funzione linguistica, non da ultimo a causa della natura umana unica di questa capacità e una carenza di strumenti neurofisiologici per studiare le relazioni causali nel cervello umano in modo non invasivo. Negli ultimi anni si è assistito a un rapido aumento dell’uso della stimolazione transcranica a corrente diretta (tDCS) del cervello umano, una tecnica non invasiva facile, economica e sicura che può modulare lo stato dell’area cerebrale stimolata (putativamente spostando l’eccitazione/ soglie di inibizione), consentendo uno studio del suo particolare contributo a funzioni specifiche. Mentre si concentra principalmente sul controllo motorio, l’uso del tDCS sta diventando sempre più diffuso nella ricerca di base e clinica sulle funzioni cognitive superiori, linguaggio incluso, ma le procedure per la sua applicazione rimangono variabili. Qui, descriviamo l’uso di tDCS in un esperimento di apprendimento di parole psicolinguistico. Presentiamo le tecniche e le procedure per l’applicazione della stimolazione catodale e anodale delle aree linguistiche principali di Broca e Wernicke nell’emisfero sinistro del cervello umano, descriviamo le procedure di creazione di insiemi equilibrati di stimoli psicolinguistici, un regime di apprendimento controllato ma naturalistico e una serie completa di tecniche per valutare i risultati dell’apprendimento e gli effetti della tDCS. Come esempio di applicazione tDCS, mostriamo che la stimolazione catodale dell’area di Wernicke prima di una sessione di apprendimento può avere un impatto sull’efficienza di apprendimento delle parole. Questo impatto è presente immediatamente dopo l’apprendimento e, soprattutto, conservato nel tempo più lungo dopo che gli effetti fisici della stimolazione svaniscano, suggerendo che il tDCS può avere un’influenza a lungo termine sull’immagazzinamento linguistico e sulle rappresentazioni nel cervello umano .

Introduction

I meccanismi neurobiologici della funzione del linguaggio umano sono ancora poco compresi. Come fondamento della nostra capacità di comunicazione, questo tratto neurocognitivo umano unico svolge un ruolo particolarmente importante nella nostra vita personale e socio-economica. Eventuali deficit che colpiscono la parola e il linguaggio sono devastanti per i malati e costosi per la società. Allo stesso tempo, nella clinica, le procedure per il trattamento dei deficit di parola (come l’afasia) rimangono non ottimali, non da ultimo a causa della scarsa comprensione dei meccanismi neurobiologici coinvolti¹. Nella ricerca, il recente avvento e il rapido sviluppo di metodi di neuroimaging hanno portato a molteplici scoperte che descrivono i modelli di attivazione; tuttavia, le prove causali sono spesso ancora carenti. Inoltre, le aree linguistiche del cervello si trovano in qualche modo inalubrmente per l’applicazione di approcci di neurostimolazione tradizionali che possono fornire prove causali, soprattutto la tecnica di stimolazione magnetica transcranica (TMS). Mentre il protocollo TMS offline, come la stimolazione a scoppio theta, può causare dolore a causa della vicinanza dei muscoli al punto di stimolazione, i protocolli TMS “online” possono introdurre artefatti sonori dalla stimolazione, che è indesiderabile a causa di interferenze con presentazione di stimolo linguistico². Anche se il TMS è ampiamente utilizzato negli studi linguistici nonostante tali inconvenienti, un’alternativa gradita può essere fornita da altri metodi di stimolazione, in particolare la stimolazione transcranica a corrente diretta (tDCS). Negli ultimi anni, tDCS ha visto una notevole crescita nel suo utilizzo a causa della sua accessibilità, facilità d’uso, relativa sicurezza e spesso risultati piuttosto sorprendenti³. Anche se i meccanismi esatti alla base dell’influenza tDCS sull’attività neurale non sono compresi completamente, la visione mainstream è che, almeno a bassi livelli di intensità (in genere 1-2 mA per 15-60 min), non causa alcuna eccitazione neurale o inibizione di per sé , ma invece modula il potenziale trasmembrana a riposo in modo degradizzato verso la de- o l’iperpolarizzazione, spostando le soglie di eccitazione verso l’alto o verso il basso e rendendo così il sistema neurale più o meno suscettibile alle modulazioni da altri eventi, stimoli, stati o comportamenti^4,5. Mentre la maggior parte delle applicazioni segnalate fino ad oggi si sono concentrate sui deficit della funzione motoria⁶ e/o del sistema motorio, essa è stata sempre più applicata alle funzioni cognitive di livello superiore e alle rispettive disabilità. C’è stato un aumento della sua applicazione al linguaggio e al linguaggio, soprattutto nella ricerca finalizzata al recupero dell’afasia post-ictus^7,8,9, anche se finora ha portato a risultati contrastanti rispetto alla potenziale terapeutico, siti di stimolazione ed emisferi, e polarità attuale ottimale. Poiché questa ricerca, e in particolare l’applicazione della tDCS nella neurobiologia cognitiva della normale funzione linguistica, è ancora agli inizi, è fondamentale delineare le procedure per stimolare almeno le cortice del linguaggio centrale (soprattutto Wernicke’s e aree di Broca) utilizzando tDCS, che è uno degli obiettivi principali della relazione attuale.

In questo caso, prenderemo in considerazione l’applicazione del tDCS alle aree linguistiche in un esperimento di apprendimento delle parole. In generale, il caso dell’apprendimento delle parole è qui come un esempio di esperimento neurolinguistico, e la parte tDCS della procedura non dovrebbe cambiare sostanzialmente per altri tipi di esperimenti linguistici mirati alle stesse aree. Tuttavia, stihiamo questa opportunità per evidenziare anche importanti considerazioni metodologiche in un esperimento di acquisizione di parole di per sé, che è il secondo obiettivo principale della descrizione del protocollo corrente. I meccanismi cerebrali alla base dell’acquisizione delle parole – una capacità umana onnipresente al centro della nostra abilità di comunicazione linguistica – rimangono in gran parte sconosciuti¹⁰. A complicando il quadro, la letteratura esistente differisce ampiamente nel modo in cui i protocolli sperimentali promuovono l’acquisizione di parole, nel controllo sui parametri di stimolazione e nei compiti utilizzati per valutare i risultati dell’apprendimento (vedi, ad esempio, Davis et al.¹¹). Di seguito, descriviamo un protocollo che utilizza stimoli altamente controllati e modalità di presentazione, garantendo al contempo un’acquisizione naturalistica basata sul contesto di un nuovo vocabolario. Inoltre, utilizziamo una batteria completa di compiti per valutare i risultati in modo comportamentale a diversi livelli, sia immediatamente dopo l’apprendimento che dopo una fase di consolidamento notturno. Questo è combinato con la farsa e il catodale delle aree linguistiche (facciamo un esempio particolare usando la stimolazione dell’area di Wernicke) che può fornire prove causali sui processi neurali e sui meccanismi sottostanti.

Protocol

Tutte le procedure sono state approvate dal comitato etico di ricerca locale dell’Università statale di San Pietroburgo, con il consenso ottenuto da tutti i partecipanti. NOTA: Tutti i partecipanti devono firmare il consenso informato e compilare un questionario per attestare l’assenza di controindicazioni per la stimolazione tDCS (vedere Tecnica e considerazioni nell’uso della stimolazione transcranica transcranica ad alta definizione 4 x 1 Anello (HD-tDCS) di Willamar e colleghi<sup class="…

Representative Results

Mentre i dati sono stati analizzati per l’insieme specifico di compiti, va sottolineato che il set sviluppato di test e il paradigma potrebbe essere adattato a una varietà di esperimenti psicolinguistici. I risultati sono stati analizzati in termini di punteggi di precisione (numero di risposte corrette) e del tempo di reazione (RT) utilizzando il test di rango firmato Wilcoxon non parametrico e il test Mann-Whitney U tra i gruppi (condizioni di stimolazione catodale e fittizie). Differe…

Discussion

I risultati evidenziano alcuni punti importanti che devono essere presi in considerazione quando si conducono ricerche psicolinguistiche in generale, e studi tDCS neurolinguistica in particolare. La stimolazione delle cortice linguistiche (esemplificata qui dall’area di Wernicke) produce un complesso modello di risultati comportamentali. A differenza della tecnica TMS, in cui è possibile interrompere completamente l’elaborazione vocale (ad esempio, il cosiddetto protocollo “arresto vocale”)²¹, qu…