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)
Summary
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。
Abstract
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.
Introduction
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。
Protocol
Representative Results
Discussion
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…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
由 RF 政府赠款合同 No.14.W03.31.0010 提供支持。我们要感谢埃卡塔琳娜·佩里科娃和亚历山大·基尔萨诺夫在编写本出版物时给予的支持。我们感谢奥尔加·谢尔巴科娃和玛格丽塔·菲利波娃在刺激选择方面给予的帮助,并感谢阿纳斯塔西娅·萨夫罗诺娃和帕维尔·伊诺泽梅耶夫协助制作视频材料。
Referências
- Sebastian, R., Tsapkini, K., Tippett, D. C. Transcranial direct current stimulation in post stroke aphasia and primary progressive aphasia: Current knowledge and future clinical applications. Neuro Rehabilitation. 39 (1), 141-152 (2016).
- Antal, A., et al. Low intensity transcranial electric stimulation: Safety, ethical, legal regulatory and application guidelines. Clinical Neurophysiology. 128 (9), 1774-1809 (2017).
- Lefaucheur, J. P., et al. Evidence-based guidelines on the therapeutic use of transcranial direct current stimulation (tDCS). Clinical Neurophysiology. 128 (1), 56-92 (2017).
- Priori, A. Brain polarization in humans: a reappraisal of an old tool for prolonged non-invasive modulation of brain excitability. Clinical Neurophysiology. 114 (4), 589-595 (2003).
- Shah, P. P., Szaflarski, J. P., Allendorfer, J., Hamilton, R. H. Induction of neuroplasticity and recovery in post-stroke aphasia by non-invasive brain stimulation. Frontiers in Human Neuroscience. 7, 888 (2013).
- Nitsche, M. A., et al. Modulation of cortical excitability by weak direct current stimulation–technical, safety and functional aspects. Supplements to Clinical Neurophysiology. 56, 255-276 (2003).
- Fridriksson, J., Richardson, J. D., Baker, J. M., Rorden, C. Transcranial direct current stimulation improves naming reaction time in fluent aphasia: a double-blind, sham-controlled study. Stroke. 42 (3), 819-821 (2011).
- Flöel, A., et al. Short-term anomia training and electrical brain stimulation. Stroke. 42 (7), 2065-2067 (2011).
- Hamilton, R. H., Chrysikou, E. G., Coslett, B. Mechanisms of aphasia recovery after stroke and the role of noninvasive brain stimulation. Brain and Language. 118 (1-2), 40-50 (2011).
- Shtyrov, Y. Neural bases of rapid word learning. The Neuroscientist. 18 (4), (2012).
- Davis, M. H., Di Betta, A. M., Macdonald, M. J. E., Gaskell, M. G. Learning and Consolidation of Novel Spoken Words. Journal of Cognitive Neuroscience. 21 (4), 803-820 (2009).
- Villamar, M. F., et al. Technique and Considerations in the Use of 4×1 Ring High-definition Transcranial Direct Current Stimulation (HD-tDCS). Journal of Visualized Experiments. (77), (2013).
- Oldfield, R. C. The assessment and analysis of handedness: the Edinburgh inventory. Neuropsychologia. 9 (1), 97-113 (1971).
- Rodd, J. M., et al. Learning new meanings for old words: effects of semantic relatedness. Memory & Cognition. 40 (7), 1095-1108 (2012).
- Quiroga, R. Q., Fried, I., Koch, C. Brain cells for grandmother. Scientific American. 308 (2), 30-35 (2013).
- Mason, R. A., Prat, C. S., Just, M. A. Neurocognitive brain response to transient impairment of Wernicke’s area. Cerebral Cortex (New York, N.Y.: 1991). 24 (6), 1474-1484 (2014).
- Chatrian, G. E., Lettich, E., Nelson, P. L. Modified nomenclature for the “10%” electrode system. Journal of Clinical Neurophysiology. 5 (2), 183-186 (1988).
- Nishitani, N., Schürmann, M., Amunts, K., Hari, R. Broca’s Region: From Action to Language. Physiology. 20 (1), 60-69 (2005).
- Dumay, N., Gareth Gaskell, M. Overnight lexical consolidation revealed by speech segmentation. Cognition. 123 (1), 119-132 (2012).
- Landi, N., et al. Neural representations for newly learned words are modulated by overnight consolidation, reading skill, and age. Neuropsychologia. 111, 133-144 (2018).
- Tarapore, P. E., et al. Language mapping with navigated repetitive TMS: Proof of technique and validation. NeuroImage. 82, 260-272 (2013).
- Jacobson, L., Koslowsky, M., Lavidor, M. tDCS polarity effects in motor and cognitive domains: a meta-analytical review. Experimental Brain Research. 216 (1), 1-10 (2012).
- Malyutina, S., et al. Modulating the interhemispheric balance in healthy participants with transcranial direct current stimulation: No significant effects on word or sentence processing. Brain and Language. 186, 60-66 (2018).
- Geranmayeh, F., Leech, R., Wise, R. J. S. Semantic retrieval during overt picture description: Left anterior temporal or the parietal lobe?. Neuropsychologia. 76, 125-135 (2015).
- Lambon Ralph, M. A., Pobric, G., Jefferies, E. Conceptual knowledge is underpinned by the temporal pole bilaterally: convergent evidence from rTMS. Cerebral Cortex (New York, N.Y.: 1991). 19 (4), 832-838 (2009).
- Mueller, S. T., Seymour, T. L., Kieras, D. E., Meyer, D. E. Theoretical Implications of Articulatory Duration, Phonological Similarity, and Phonological Complexity in Verbal Working Memory. Journal of Experimental Psychology: Learning, Memory, and Cognition. 29 (6), 1353-1380 (2003).
- Bachtiar, V., Near, J., Johansen-Berg, H., Stagg, C. J. Modulation of GABA and resting state functional connectivity by transcranial direct current stimulation. eLife. 4, e08789 (2015).
- Márquez-Ruiz, J., et al. Transcranial direct-current stimulation modulates synaptic mechanisms involved in associative learning in behaving rabbits. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 109 (17), 6710-6715 (2012).
