Summary

Transkraniell direkt ström stimulering (tDCS) av Wernickes och Brocas områden i studier av språkinlärning och ord förvärv

Published: July 13, 2019
doi:

Summary

Här beskriver vi ett protokoll för att använda transkraniell direkt ström stimulering för psyko-och neurolingvistiska experiment som syftar till att studera, i en naturalistisk men helt kontrollerat sätt, den roll som kortikala områden i den mänskliga hjärnan i Word Learning, och en omfattande uppsättning beteendemässiga förfaranden för att bedöma resultaten.

Abstract

Språket är en mycket viktig men dåligt förstådd funktion av den mänskliga hjärnan. Medan studier av hjärnans aktiveringsmönster under språkförståelse är riklig, vad som ofta är kritiskt saknas är kausala belägg för hjärn områdenas engagemang i en viss språklig funktion, inte minst på grund av den unika mänskliga karaktären hos denna förmåga och brist på neurofysiologiska verktyg för att studera kausala relationer i den mänskliga hjärnan noninvasivt. De senaste åren har sett en snabb ökning av användningen av transkraniell direkt ström stimulering (TDCs) av den mänskliga hjärnan, en enkel, billig och säker noninvasiv teknik som kan modulera tillståndet i det stimulerade hjärn området (putatively genom att flytta excitation/ som möjliggör en studie av dess särskilda bidrag till specifika funktioner. Även om de flesta fokuserar på motorstyrning, användning av tDCS blir allt vanligare i både grundläggande och klinisk forskning om högre kognitiva funktioner, språk ingår, men förfarandena för dess tillämpning förblir varierande. Här beskriver vi användningen av tDCS i ett psykolingvistiskt ord inlärnings experiment. Vi presenterar de tekniker och förfaranden för tillämpning av katodal och anodal stimulering av centrala språkområden i Broca och Wernicke i den vänstra hjärnhalvan av den mänskliga hjärnan, beskriv förfarandena för att skapa balanserade uppsättningar av Psykolingvistiska stimuli, en kontrollerade men ändå naturalistiska inlärningssystem, och en omfattande uppsättning tekniker för att bedöma läranderesultat och tDCS effekter. Som ett exempel på TDCs ansökan visar vi att katodal stimulering av Wernicke område före en lärande session kan påverka ordet lärande effektivitet. Denna effekt är både närvarande omedelbart efter inlärning och, viktigare, bevaras under längre tid efter de fysiska effekterna av stimulering avnötning, vilket tyder på att tDCS kan ha långsiktig påverkan på språklig lagring och representationer i den mänskliga hjärnan .

Introduction

De neurobiologiska mekanismerna för mänsklig språkfunktion är fortfarande dåligt förstådda. Som grundsten för vår kommunikationsförmåga, denna unika mänskliga neurokognitiva drag spelar en särskilt viktig roll i vår personliga och socioekonomiska liv. Alla underskott som påverkar tal och språk är förödande för de drabbade och dyra för samhället. Samtidigt, på kliniken, rutiner för behandling av tal underskott (såsom afasi) förbli suboptimala, inte minst på grund av dålig förståelse av de neurobiologiska mekanismerna inblandade1. I forskning, den senaste Advent och snabb utveckling av neuroimaging metoder har lett till flera upptäckter som beskriver aktiveringsmönster; ändå saknas det ofta kausala bevis. Dessutom, språk områden i hjärnan ligger något suboptimalt för tillämpning av mainstream neurostimulering metoder som kan ge kausala bevis, viktigast av transkraniell magnetisk stimulering teknik (TMS). Medan offline TMS-protokollet, såsom theta burst stimulering, kan orsaka smärta på grund av närheten av musklerna till den punkt av stimulering, “online” TMS protokoll kan införa ljud artefakter från stimulering, vilket är önskvärt på grund av störningar språklig stimulans presentation2. Även om TMS används flitigt i språkstudier trots sådana olägenheter, ett välkommet alternativ kan tillhandahållas av andra stimulans metoder, framför allt transkrakala direkt-ström stimulering (tDCS). Under de senaste åren har tDCS sett en anmärkningsvärd tillväxt i dess användning på grund av dess tillgänglighet, användarvänlighet, relativ säkerhet och ofta ganska slående resultat3. Även om den exakta mekanismer som underbygger tDCS inflytande på neurala aktivitet inte förstås helt, mainstream uppfattning är att, åtminstone på låg intensitet nivåer (typiskt 1-2 mA för 15-60 min), det orsakar inte någon neural excitation eller hämning per se , utan modulerar istället den vilande transmembranpotentialen i ett graderat sätt mot de-eller hyperpolarisering, och skiftar exciteringströsklarna uppåt eller nedåt och därigenom gör neurala system mer eller mindre mottagliga för modulationer av andra händelser, stimuli, påstår eller uppföranden4,5. Medan de flesta av de ansökningar som rapporteras hittills har fokuserat på motor funktionen6 och/eller motorsystemet underskott, har det blivit alltmer tillämpas på högre nivå kognitiva funktioner och deras respektive funktionshinder. Det har skett en ökning av dess tillämpning på tal och språk, främst i forskning som syftar till återhämtning av post-stroke afasi7,8,9, även om det hittills har lett till blandade resultat med avseende på terapeutisk potential, stimuleringssajter och halvklot samt optimal ström polaritet. Eftersom denna forskning, och särskilt tillämpningen av tDCS i kognitiv neurobiologi av normal språk funktion, är fortfarande i sin linda, är det viktigt att avgränsa förfaranden för att stimulera åtminstone kärnan språk cortices (viktigast Wernicke ‘ s och Brocas områden) med hjälp av tDCS, vilket är ett av huvudsyftena med den aktuella rapporten.

Här kommer vi att överväga tillämpning av tDCS till språkområden i ett ord inlärnings experiment. I allmänhet är fallet med ordinlärning tas här som ett exempel på ett neurolingvistiskt experiment, och tDCS del av förfarandet bör inte förändras avsevärt för andra typer av språk experiment som riktar sig till samma områden. Ändå använder vi denna möjlighet att också belysa viktiga metodologiska överväganden i ett ord förvärvs experiment i sig, vilket är det andra huvudsyftet med den nuvarande protokoll beskrivningen. Hjärnmekanismer underbygger ord förvärv-en allestädig mänsklig kapacitet i centrum för vår språkliga kommunikation skicklighet-fortfarande i stort sett okända10. Komplimenterar bilden, skiljer befintlig litteratur mycket i hur experimentella protokoll främja ord förvärv, kontroll över stimulering parametrar, och i uppgifter som används för att bedöma läranderesultat (se, t. ex., Davis et al.11). Nedan beskriver vi ett protokoll som använder mycket kontrollerade stimuli och presentationsläge, samtidigt som en naturalistisk kontext driven förvärv av nya ordförråd. Dessutom använder vi ett omfattande batteri av uppgifter för att bedöma resultaten behaviorally på olika nivåer, både omedelbart efter inlärning och efter en övernattning konsolideringsfas. Detta kombineras med bluff och katodal TDCs av språkområden (vi gör ett särskilt exempel med Wernicke s område stimulering) som kan ge kausala bevis på underliggande neurala processer och mekanismer.

Protocol

Alla procedurer godkändes av den lokala forskningsetiska kommittén vid S:t Petersburg State University, S:t Petersburg, med samtycke från alla deltagare. Obs: alla deltagare måste underteckna informerat samtycke och fylla i ett frågeformulär för att intyga frånvaron av kontraindikationer för tDCS stimulering (se teknik och överväganden vid användning av 4 x 1 ring High-Definition transcranial rikta ström stimulering (HD-tDCS) av Willamar och kollegor12) och…

Representative Results

Medan data analyserades för den specifika uppsättningen uppgifter, bör det betonas att den utvecklade uppsättningen av tester och paradigmet kunde anpassas till en mängd olika Psykolingvistiska experiment. Resultaten analyserades i termer av noggrannhet Poäng (antal korrekta svar) och reaktionstid (RT) med icke-parametriska Wilcoxon undertecknat rank test och Mann-Whitney U test över grupper (cathodal och simulerad stimulering villkor). Signifikanta skillnader i uppgifter inom varj…

Discussion

Resultaten belyser några viktiga punkter som måste beaktas vid genomförandet av psykolingvistisk forskning i allmänhet, och neurolingvistik tDCS studier i synnerhet. Stimulering av språk cortices (exemplifieras här av Wernicke område) ger ett komplext mönster av beteendemässiga resultat. Till skillnad från TMS-tekniken, där det är möjligt att helt störa tal bearbetningen (t. ex. det så kallade “Speech gripande”-protokollet)21, möjliggör denna metod en möjligen mer komplicerad, gr…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Stöds av RF-statliga bidragskontrakt nr 14. W 03.31.0010. Vi vill tacka Ekatarina Perikova och Alexander Kirsanov för deras stöd vid utarbetandet av denna publikation. Vi är tacksamma för Olga Shcherbakova och Margarita Filippova för deras hjälp i stimulans urvalet och att Anastasia Safronova och Pavel Inozemcev för deras hjälp i produktionen av videomaterial.

References

  1. 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).
  2. Antal, A., et al. Low intensity transcranial electric stimulation: Safety, ethical, legal regulatory and application guidelines. Clinical Neurophysiology. 128 (9), 1774-1809 (2017).
  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. Flöel, A., et al. Short-term anomia training and electrical brain stimulation. Stroke. 42 (7), 2065-2067 (2011).
  9. 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).
  10. Shtyrov, Y. Neural bases of rapid word learning. The Neuroscientist. 18 (4), (2012).
  11. 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).
  12. 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).
  13. Oldfield, R. C. The assessment and analysis of handedness: the Edinburgh inventory. Neuropsychologia. 9 (1), 97-113 (1971).
  14. Rodd, J. M., et al. Learning new meanings for old words: effects of semantic relatedness. Memory & Cognition. 40 (7), 1095-1108 (2012).
  15. Quiroga, R. Q., Fried, I., Koch, C. Brain cells for grandmother. Scientific American. 308 (2), 30-35 (2013).
  16. 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).
  17. Chatrian, G. E., Lettich, E., Nelson, P. L. Modified nomenclature for the “10%” electrode system. Journal of Clinical Neurophysiology. 5 (2), 183-186 (1988).
  18. Nishitani, N., Schürmann, M., Amunts, K., Hari, R. Broca’s Region: From Action to Language. Physiology. 20 (1), 60-69 (2005).
  19. Dumay, N., Gareth Gaskell, M. Overnight lexical consolidation revealed by speech segmentation. Cognition. 123 (1), 119-132 (2012).
  20. Landi, N., et al. Neural representations for newly learned words are modulated by overnight consolidation, reading skill, and age. Neuropsychologia. 111, 133-144 (2018).
  21. Tarapore, P. E., et al. Language mapping with navigated repetitive TMS: Proof of technique and validation. NeuroImage. 82, 260-272 (2013).
  22. 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).
  23. 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).
  24. 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).
  25. 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).
  26. 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).
  27. 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).
  28. 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).
check_url/59159?article_type=t

Play Video

Cite This Article
Blagovechtchenski, E., Gnedykh, D., Kurmakaeva, D., Mkrtychian, N., Kostromina, S., Shtyrov, Y. Transcranial Direct Current Stimulation (tDCS) of Wernicke’s and Broca’s Areas in Studies of Language Learning and Word Acquisition. J. Vis. Exp. (149), e59159, doi:10.3791/59159 (2019).

View Video