Transkranielle Gleichstromstimulation (tDCS) der Bereiche Wernicke und Broca in Studien zum Sprachenlernen und Worterwerb

Summary

Hier beschreiben wir ein Protokoll zur Verwendung transkranieller Gleichstromstimulation für psycho- und neurolinguistische Experimente, die darauf abzielen, auf naturalistische, aber vollständig kontrollierte Weise die Rolle kortikaler Bereiche des menschlichen Gehirns beim Wortlernen zu untersuchen, und umfassende Verhaltensverfahren zur Bewertung der Ergebnisse.

Abstract

Sprache ist eine sehr wichtige, aber wenig verstandene Funktion des menschlichen Gehirns. Während Studien über Gehirnaktivierungsmuster während des Sprachverständnisses reichlich vorhanden sind, fehlen oft kausale Beweise für die Beteiligung der Hirnbereiche an einer bestimmten sprachlichen Funktion, nicht zuletzt aufgrund der einzigartigen menschlichen Natur dieser Fähigkeit und ein Mangel an neurophysiologischen Werkzeugen, um kausale Zusammenhänge im menschlichen Gehirn nicht invasiv zu untersuchen. In den letzten Jahren hat die Anwendung der transkraniellen Gleichstromstimulation (tDCS) des menschlichen Gehirns rapide zugenommen, eine einfache, kostengünstige und sichere nichtinvasive Technik, die den Zustand des stimulierten Hirnbereichs modulieren kann (vermutlich durch Verschiebung der Anregung/ Hemmschwellen), die eine Untersuchung ihres besonderen Beitrags zu bestimmten Funktionen ermöglichen. Während sich die Verwendung von tDCS hauptsächlich auf die Motorsteuerung konzentriert, wird der Einsatz von tDCS sowohl in der Grundlagen- als auch in der klinischen Forschung zu höheren kognitiven Funktionen, einschließlich Sprache, immer weiter verbreitet, aber die Verfahren für seine Anwendung bleiben variabel. Hier beschreiben wir den Einsatz von tDCS in einem psycholinguistischen Wortlernexperiment. Wir präsentieren die Techniken und Verfahren zur Anwendung der kathholen und annodalen Stimulation der Kernsprachengebiete von Broca und Wernicke in der linken Hemisphäre des menschlichen Gehirns, beschreiben die Verfahren zur Schaffung ausgewogener Sätze psycholinguistischer Reize, kontrolliertes, aber naturalistisches Lernregime und ein umfassendes Set von Techniken zur Bewertung der Lernergebnisse und tDCS-Effekte. Als Beispiel für die tDCS-Anwendung zeigen wir, dass die kathosale Stimulation des Wernickes-Bereichs vor einer Lernsitzung die Lerneffizienz von Wörtern beeinträchtigen kann. Diese Wirkung ist unmittelbar nach dem Lernen vorhanden und, was wichtig ist, über längere Zeit erhalten, nachdem die physischen Auswirkungen der Stimulation abnutzen, was darauf hindeutet, dass tDCS langfristigen Einfluss auf die sprachliche Speicherung und Repräsentationen im menschlichen Gehirn haben kann. .

Introduction

Die neurobiologischen Mechanismen der menschlichen Sprachfunktion sind noch immer schlecht verstanden. Als Grundfürst in unserer Kommunikationsfähigkeit spielt diese einzigartige menschliche neurokognitive Eigenschaft eine besonders wichtige Rolle in unserem persönlichen und sozioökonomischen Leben. Jegliche Defizite, die Sprache und Sprache beeinflussen, sind verheerend für die Betroffenen und teuer für die Gesellschaft. Gleichzeitig bleiben in der Klinik die Verfahren zur Behandlung von Sprachdefiziten (wie Aphasie) suboptimal, nicht zuletzt aufgrund des schlechten Verständnisses der neurobiologischen Mechanismen¹. In der Forschung haben die jüngste Einführung und schnelle Entwicklung von Neuroimaging-Methoden zu mehreren Entdeckungen geführt, die Aktivierungsmuster beschreiben; dennoch fehlen oft noch kausale Beweise. Darüber hinaus befinden sich Sprachbereiche des Gehirns etwas suboptimal für die Anwendung von Mainstream-Neurostimulationsansätzen, die kausale Beweise liefern können, vor allem die transkranielle magnetische Stimulationstechnik (TMS). Während Offline-TMS-Protokolle, wie z. B. die Stimulation des Theta-Bursts, aufgrund der Nähe der Muskeln bis zur Stimulation Schmerzen verursachen können, können “online”-TMS-Protokolle Schallartefakte aus der Stimulation einführen, was aufgrund von Interferenzen mit sprachliche Stimulus-Präsentation². Obwohl TMS trotz solcher Unannehmlichkeiten in Sprachstudien weit verbreitet ist, kann eine willkommene Alternative durch andere Stimulationsmethoden, insbesondere transkranielle Gleichstromstimulation (tDCS), bereitgestellt werden. In den letzten Jahren hat tDCS aufgrund seiner Zugänglichkeit, Benutzerfreundlichkeit, relativer Sicherheit und oft eher auffälliger Ergebnisse einen bemerkenswerten Anstieg seiner Nutzung erlebt³. Auch wenn die genauen Mechanismen, die dem tDCS-Einfluss auf die neuronale Aktivität zugrunde liegen, nicht vollständig verstanden werden, ist die Mainstream-Ansicht, dass, zumindest bei niedrigen Intensitätsniveaus (typischerweise 1-2 mA für 15-60 min), es keine neuronale Erregung oder Hemmung an sich verursacht. , moduliert aber stattdessen das ruhende Transmembranpotential in abgestufter Weise in Richtung De- oder Hyperpolarisation, verschiebt die Anregungsschwellen nach oben oder unten und macht dadurch das neuronale System mehr oder weniger anfällig für Modulationen durch andere Ereignisse, Reize, Zustände oder Verhaltensweisen^4,5. Während sich die meisten der bisher gemeldeten Anwendungen auf die Motorfunktion⁶ und/oder die Defizite des Motorsystems konzentrierten, wurde sie zunehmend auf übergeordnete kognitive Funktionen und deren jeweilige Behinderungen angewendet. Die Anwendung auf Sprache und Sprache hat zugenommen, vor allem in der Forschung zur Wiederherstellung der Aphasie nach dem Schlaganfall^7,8,9, obwohl sie bisher zu gemischten Ergebnissen in Bezug auf die therapeutisches Potenzial, Stimulationsstellen und Hemisphären sowie optimale Strompolarität. Da diese Forschung und insbesondere die Anwendung von tDCS in der kognitiven Neurobiologie der normalen Sprachfunktion noch in den Kinderschuhen steckt, ist es entscheidend, die Verfahren zur Stimulierung zumindest der Kernsprachen (vor allem wernickes und Brocas Gebiete) mit tDCS, was eines der Hauptziele des aktuellen Berichts ist.

Hier werden wir die Anwendung von tDCS auf Sprachbereiche in einem Wortlernexperiment prüfen. Im Allgemeinen wird der Fall des Wortlernens hier als ein Beispiel für ein neurolinguistisches Experiment genommen, und der tDCS-Teil des Verfahrens sollte sich für andere Arten von Sprachexperimenten, die auf dieselben Bereiche abzielen, nicht wesentlich ändern. Dennoch nutzen wir diese Gelegenheit, um auch wichtige methodische Überlegungen in einem Worterwerbsexperiment an sich hervorzuheben, was das zweite Hauptziel der aktuellen Protokollbeschreibung ist. Gehirnmechanismen, die dem Worterwerb zugrunde liegen – eine allgegenwärtige menschliche Fähigkeit, die den Kern unserer sprachlichen Kommunikationsfähigkeit ist – bleiben weitgehend unbekannt¹⁰. Erschwerend kommt hinzu, dass die vorhandene Literatur sehr unterschiedlich ist, wie experimentelle Protokolle die Worterfassung, die Kontrolle über Stimulationsparameter und aufgaben, die zur Bewertung von Lernergebnissen verwendet werden, fördern (siehe z. B. Davis et al.¹¹). Im Folgenden beschreiben wir ein Protokoll, das hochgesteuerte Reize und Präsentationsmodus verwendet und gleichzeitig eine naturalistische kontextgesteuerte Erfassung neuartigen Vokabulars sicherstellt. Darüber hinaus verwenden wir eine umfassende Reihe von Aufgaben, um die Ergebnisse auf verschiedenen Ebenen verhaltensauffällig zu bewerten, sowohl unmittelbar nach dem Lernen als auch nach einer über Nacht konsolidierten Phase. Dies wird mit Schein- und kathhodalen tDCS von Sprachbereichen kombiniert (wir machen ein besonderes Beispiel mit Wernickes Flächenstimulation), die kausale Beweise für zugrunde liegende neuronale Prozesse und Mechanismen liefern können.

Protocol

Alle Verfahren wurden von der lokalen Forschungsethikkommission der St. Petersburg State University, St. Petersburg, mit Zustimmung von allen Teilnehmern genehmigt. HINWEIS: Alle Teilnehmer müssen die einundnehmende Einwilligung in Kenntnis der Sachlage unterzeichnen und einen Fragebogen ausfüllen, um zu bestätigen, dass keine Kontraindikationen für die tDCS-Stimulation vorliegen (siehe Technik und Überlegungen bei der Verwendung von 4 x 1 Ring Transkranial Erd-Gleichstromstimulation (HD-…

Representative Results

Während die Daten für den spezifischen Satz von Aufgaben analysiert wurden, sollte betont werden, dass der entwickelte Satz von Tests und das Paradigma an eine Vielzahl von psycholinguistischen Experimenten angepasst werden könnte. Die Ergebnisse wurden in Bezug auf Genauigkeitsergebnisse (Anzahl der richtigen Antworten) und die Reaktionszeit (RT) mit nicht-parametrischen Wilcoxon signierten Rangtest und Mann-Whitney U-Test über Gruppen (katahodale und Scheinstimulationsbedingungen) a…

Discussion

Die Ergebnisse weisen auf einige wichtige Punkte hin, die bei der Psycholinguistik im Allgemeinen und neurolinguistischen tDCS-Studien im Besonderen berücksichtigt werden müssen. Die Stimulation von Sprachkortika (hier durch Wernickes Gebiet veranschaulicht) erzeugt ein komplexes Muster von Verhaltensergebnissen. Im Gegensatz zur TMS-Technik, bei der es möglich ist, die Sprachverarbeitung vollständig zu unterbrechen (z.B. das sogenannte “Speech Arrest”-Protokoll)²¹, ermöglicht diese Methode e…