Name: Transkranielle Gleichstromstimulation (tDCS) der Bereiche Wernicke und Broca in Studien zum Sprachenlernen und Worterwerb (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-07-13T13:00:00.000+00:00
Duration: 12 min 49 s
Description: Erfahren Sie die Anwendung von transkranieller Gleichstromstimulation (tDCS) auf Wernicke- und Broca-Areale für Wortlernstudien. Diese Methode ermöglicht kausale Untersuchungen zur Rolle kortikaler Areale beim Spracherwerb.

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Unterstützt durch den RF Government Grant Contract No.14.W03.31.0010. Wir danken Ekatarina Perikova und Alexander Kirsanov für ihre Unterstützung bei der Vorbereitung dieser Publikation. Wir danken Olga Shcherbakova und Margarita Filippova für ihre Hilfe bei der Stimulusauswahl und Anastasia Safronova und Pavel Inozemcev für ihre Unterstützung bei der Herstellung von Videomaterial.

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-tDCS) von Willamar und Kollegen12) und um andere für die Studie relevante Daten wie Sehschärfe, Demografie, Spracherfahrung und Handlichkeit zu sammeln. Für letztere wird die wegweisende Arbeit von Oldfield13 empfohlen.
1. Themen und experimentelle Sondierwelt
<ol><li>Stellen Sie in einem typischen Sprachexperiment sicher, dass alle Probanden rechtshändig sind und keine Aufzeichnungen über Sprachdefizite, neurologische oder psychiatrische Störungen haben. Ihre Muttersprache und ihr zweisprachiger/mehrsprachiger Status müssen kontrolliert werden.</li>
	<li>Führen Sie alle Messungen in einer schalldichten oder zumindest schallabgeschwächten Kammer durch. Schalldämmung ist sehr wichtig, da jeder Fremdschall, Lärm, menschliche Sprache usw. die Leistung erheblich beeinflussen und somit die Daten beeinflussen kann (Abbildung 1).</li>
	<li>Um Interferenzen durch unnötigen Kontakt mit Dementauch experimentierfreudigen Geräten zu vermeiden, platzieren Sie nur den Bildschirm, Kopfhörer/Lautsprecher und alle Eingabegeräte (Tastatur, Tastenkästen) in der Kammer. Haben Sie alle Interaktion mit dem Experimentator über Gegensprechanlage, es sei denn, persönlicher Kontakt ist erforderlich.</li>
	<li>Verwenden Sie die folgenden optimalen Parameter, basierend auf umfangreichen Pilotierungen, für Hintergrundfarbe und Schriftgröße: graue Hintergrundfarbe (RGB: 125, 125, 125), schwarze Textfarbe (RGB: 0; 0; 0; 0), Arial Schriftfläche, Größe 27.</li>
	<li>Um Verzögerungen und Jitter in der visuellen Präsentation zu reduzieren, verwenden Sie eine Grafikkarte und einen Monitor mit einer Bildwiederholrate von 100 Hz und höher.</li>
	<li>Um Reaktionszeiten zu messen, verwenden Sie Reaktionspads in Forschungsqualität, die eine bessere Ergonomie und ein präziseres Timing im Vergleich zu herkömmlichen Tastaturen aufweisen.</li>
</ol>2. Stimulus-Vorbereitung
<ol><li>Wählen Sie Wörter der betreffenden Sprache, die für ihre Dauer, lexikalische Häufigkeit und Gesamtstruktur gesteuert werden (um grundlegende Auswirkungen von Oberflächenreizeigenschaften auf die Verarbeitung auf höherer Ebene zu vermeiden). Hier waren alle Basiswörter acht Phoneme/Buchstaben lang und bestanden aus drei Silben mit der CVCCVCVC-Struktur (wobei C konsonant und V Vokal ist).</li>
	<li>Um mehrere Listen zu erstellen, teilen Sie die Wörter in Sätze auf, die sich nicht statistisch unterscheiden sollten (wie z.B. mitt-Tests) auf ihrem Lemma, Bigram und/oder Trigramm sowie der Syllabic-Frequenz gemessen. Diese können aus sprachspezifischen psycholinguistischen Datenbanken bezogen werden; hier wurde russischer Nationalkorpus verwendet (http://www.ruscorpora.ru/en/). Hier wurde ein Satz verwendet, um (durch Modifikation) orthographisch ähnliche neue Wörter und Pseudowörter zu erstellen, einen anderen Satz zum Erstellen nicht verwandter Steuerelement-Pseudowörter und einen weiteren Satz, der als nicht verwandte Steuerwörter verwendet wird (Abbildung 2A). Dies führte zu fünf Sätzen zu je 10 Gegenständen (insgesamt 50 Reize). Ändern Sie diese Verfahren entsprechend Ihren genauen experimentellen Anforderungen.</li>
	<li>Um die Auswirkungen von Oberflächenformen auf die neu erworbene Semantik zu minimieren, gleichen sie die Sätze in der Fachstichprobe aus, sodass sie unterschiedliche experimentelle Rollen für verschiedene Themen spielen.</li>
	<li>Erstellen Sie neuartige Wortformen, die den Regeln der Phonologie und Phonotaktik folgen und bestehenden Wörtern in Bezug auf die orthographische und phonologische Struktur ähneln. ANMERKUNG: Um sicherzustellen, dass die neuen Wörter in Konkurrenz zu bestehenden Wörtern treten können, basierten die derzeitigen Verfahren auf den Verfahren, die in einer Reihe von Experimenten von Gaskell und Kollegen11,14 entwickelt wurden und darauf abzielten, das Wort zu behalten ( CVCCV-) stabil, während ihre Offsets (-CVC) über verschiedene Elemente im Set rotieren. Das heißt, wir haben die ersten beiden Silbe eines bestehenden Wortes erhalten und die ultimative Silbe so variiert, dass eine neue, bisher unbekannte neue Wortform geschaffen wurde (z.B. Mandarine -> mandanal*, wo das letzte CVC von einem anderen Wort in der Liste, Kardinal, , um ein neues Element zu erstellen).</li>
	<li>Wiederholen Sie das oben beschriebene Verfahren, um so viele neue Wortformen wie nötig zu erstellen. Für die aktuelle Demonstration haben wir Listen neuartiger Wortformen erstellt, die erlernt werden müssen, und von ähnlichen ungelernten Pseudowörtern (z.B. Mandarine -> mandanal*, mandaket*, alle drei, die möglicherweise nach dem Lernen in einen lexikalischen Wettbewerb eintreten, sowie weitere Kontrolllisten von echten Wörtern und neuartigen Pseudowörtern, die diese Ähnlichkeit nicht teilen und somit keinen lexikalischen Wettbewerb mit den Hauptreizen (z. B. kreisförmig, muskenal*) erzeugen würden; Russische Beispiele werden überall verwendet, transliteriert von kyrillischer in lateinischeRschrift für einfaches Verständnis).</li>
</ol>3. Satzreize für kontextuelles semantisches Lernen
<ol><li>Erstellen Sie neue Bedeutungen, die mit den neuen Wörtern im Lernprozess in Verbindung gebracht werden. Dies können geschminkt, veraltete oder seltene Objekte oder Konzepte sein, die nicht in der Muttersprache oder Kultur der Probanden vorhanden sind.</li>
	<li>Für das kontextuelle Erlernen der neuartigen Semantik werden die von Mestrez-Misse und Kollegen15 angewandten Verfahren empfohlen. Erstellen Sie mehrere einzigartige Sätze, die Situationen beschreiben, durch die man die Bedeutung jedes der neuen Wörter verstehen kann (z.B. "Um Insekten im Mittelalter zu kontrollieren, benutzten die Menschen mandaket"). Verwenden Sie eine Folge solcher Sätze für jedes der neuen Wörter (hier insgesamt 5 Sätze pro Wort) und offenbaren Sie nach und nach die Bedeutung jedes neuen Konzepts von einem allgemeineren zu einem spezifischeren sensentialen Kontext.</li>
	<li>Präsentieren Sie neuartige Wörter idealerweise in ihrer Wörterbuchform (d.h. uninflected, z.B. Singular Nominativ- oder Akkusativfall auf Russisch), so dass die Oberflächenform in verschiedenen Sätzen nicht unterschiedlich gebeugt wird (Tabelle 1), es sei denn, die Biegeregel Lernen ist ebenfalls erforderlich.</li>
	<li>Steuern und balancieren Sie die Länge der Sätze und die Anzahl der Wörter zwischen den Bedingungen. Hier bestand jeder Satz aus 8 Wörtern. Platzieren Sie immer neue Wörter am Ende der Sätze. Eine solche Platzierung ermöglicht den Aufbau notwendiger kontextbezogener Informationen (außerdem ermöglicht dies die Implementierung dieses Entwurfs, falls erforderlich, in einer EEG- oder MEG-Einstellung, um evozierte Gehirnreaktionen aufzuzeichnen, die durch weitere Wortreize entlarvt werden).</li>
	<li>Präsentieren Sie wortspezifische Sätze in wortspezifischen Unterblöcken, die nach und nach die Bedeutung jedes neuen Wortes offenbaren, ohne Sätze zu verschiedenen neuen Wörtern zu verfeinern oder zu randomisieren.</li>
	<li>Randomisieren Sie die Reihenfolge der Unterblöcke in der Themengruppe. Die Wort-für-Wort-Satzpräsentation wird empfohlen, wenn die visuelle Modalität verwendet wird.</li>
	<li>Bestimmen Sie das Interstimulus-Intervall basierend auf bestimmten Stimuluseigenschaften, um ihre bequeme Darstellung zu ermöglichen (Abbildung 2B); stellen Sie sicher, verschiedene Unterblöcke mit zusätzlichen Intervallen zu trennen und regelmäßige Pausen zu geben.</li>
</ol>4. Aufgaben zur Bewertung des Erwerbs neuer Wortformen und neuer Bedeutungen
HINWEIS: Verwenden Sie mehrere Aufgaben, um verschiedene Erfassungs- und Verständnisebenen sowohl der Oberflächenwortformen als auch der lexikalischen Semantik zu bewerten. Im vorliegenden Protokoll werden fünf Aufgaben verwendet: freier Rückruf, Cued-Erkennung, lexikalische Entscheidung, semantische Definition und semantische Übereinstimmung. Die Aufgaben werden in der Reihenfolge angewendet, in der sie unten aufgeführt sind, die optimiert wurde, um die Übertragung zwischen aufeinander folgenden Aufgaben zu reduzieren.
<ol><li>Lassen Sie in der kostenlosen Rückrufaufgabe jeden Teilnehmer so viele neue Wortformen reproduzieren, wie er sich erinnern kann, indem er sie in die vorbereitete Kalkulationstabelle eingibt. Die Anweisung lautet wie folgt: "Bitte notieren Sie sich in der Spalte alle neuen Wörter, an die Sie sich erinnern können."</li>
	<li>Berücksichtigen Sie die gleichen Reize in die Erkennung und die lexikalische Entscheidung (zweite bzw. dritte Aufgaben) und verwenden Sie dieselbe Darstellungsrate.<ol>
<li>Diese Aufgaben umfassen alle Elemente (neuartige Wörter, echte Mitbegriffe, von denen die neuen abgeleitet sind, untrainierte Pseudowort-Konkurrenten, die von denselben realen Wörtern abgeleitet sind, nicht verwandte Kontroll-Pseudowörter und nicht verwandte Kontrollwörter vorhandener Wörter).</li>
		<li>Verwenden Sie für die Erkennungsaufgabe die folgende Anweisung: "Sie werden mit Wörtern nacheinander angezeigt. Drücken Sie die Taste "1" mit dem Mittelfinger der linken Hand, wenn Sie das Wort während des Experiments kennengelernt haben, oder drücken Sie "2" mit dem Zeigefinger der linken Hand, wenn Sie dies nicht haben." Ändern Sie die Antwortcodierung, Hand und Finger in Übereinstimmung mit Ihren spezifischen Anforderungen.</li>
		<li>Die Anweisung für die lexikalische Entscheidungsaufgabe lautet: "Du wirst mit echten und bedeutungslosen Wörtern nacheinander dargestellt. Drücken Sie "1" mit dem Mittelfinger der linken Hand, wenn das Wort Sinn macht, oder drücken Sie "2" mit dem Zeigefinger der linken Hand, wenn dies nicht der Fall ist." Ändern Sie diese bei Bedarf.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Verwenden Sie die semantische Definitionsaufgabe, um den Erwerb neuartiger Bedeutung und die Übereinstimmung zwischen Bedeutung und Oberflächenform zu schätzen.<ol>
<li>Geben Sie den Teilnehmern eine Liste der erlernten Elemente (d. h. die, die zuvor in der Lernphase vorgestellt wurden) mit der obigen Anleitung: "Hier ist eine Liste neuer Wörter, die Ihnen zuvor vorgestellt wurden. Versuchen Sie, jeden von ihnen zu definieren und geben Sie ihre Definitionen in die Kalkulationstabelle ein."</li>
		<li>Um die Vollständigkeit und Genauigkeit der gegebenen Definitionen zu bewerten, beauftragen Sie unabhängige Sachverständige, um die Antworten zu bewerten; Vereinbarung zwischen Experten könnte z. B. anhand des Kendall-Konkordanzkoeffizienten (W) getestet werden.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Verwenden Sie die semantische Matching-Aufgabe, um den Erwerb von Semantik zu bewerten, indem Sie explizite Verbindungen zwischen den neu gelernten Wortformen und deren Bedeutung auf vereinfachte Weise herstellen.<ol>
<li>Verwenden Sie die folgende Anweisung: "Ihnen werden ein Wort und drei Definitionen angezeigt. Sie sollten eine richtige Definition für jedes Wort wählen, indem Sie die entsprechende Taste drücken." Nur eine der Definitionen ist richtig, die anderen beiden entsprechen den anderen Romanen. Zusätzlich zu den drei optionalen Definitionen wird auch "keine dieser" oder/und "nicht sicher" Optionen empfohlen.</li>
	</ol>
</li>
</ol>5. Verfahren
<ol><li>Stellen Sie sicher, dass die tDCS-Stimulation der Verhaltensaufgabe vorangeht, die sie modulieren soll.<ol>
<li>Wernickes Gebiet. HINWEIS: Die Stimulationselektrodenplatzierung, die am besten dem Wernicke-Bereich entspricht, ist CP5 nach dem erweiterten International 10-20 System für EEG16,17.<ol>
<li>Um diesen Standort in Ermangelung einer Elektrodenkappe zu lokalisieren, befolgen Sie die standardmäßigen 10-20 Systemverfahren.</li>
			<li>Messen Sie den Kopf mit einem Band von der Inion bis zur Nasion, und beachten Sie die Mitte dieser Entfernung. Messen Sie dann den Abstand vom linken Präauricularpunkt zum rechten präauricularen Punkt, und markieren Sie den Kreuzpunkt der beiden Messungen.</li>
			<li>Um die POSITION CP5 zu finden, messen Sie 30 % des Abstands zwischen den präauricularen Punkten vom Kreuzpunkt nach unten auf der linken Hemisphäre und markieren Sie sie. Messen Sie 10% des Abstands zwischen der Inionen und der Nasion vom markierten Punkt zum hinteren Teil des Kopfes. Dieser Punkt ist die CP5-Position für die aktive Elektrode (Abbildung 3).</li>
		</ol>
</li>
		<li>Brocas Gebiet HINWEIS: Am nächsten an Brocas Bereich ist die F5-Elektroden-Site18 nach dem 10-20-System.<ol>
<li>In Ermangelung einer EEG-Obergrenze sollten Sie die standarden 10-20-Systemverfahren befolgen, um den Kreuzpunkt zwischen Inion-Nasion und präauricularen Punkten zu finden und zu markieren, wie oben beschrieben.</li>
			<li>Um die F5-Position zu finden, messen Sie 20% des Abstands zwischen der Inion und der Nasion vom Kreuzpunkt zur Vorderseite des Kopfes. Messen Sie 30% des Abstands zwischen den präauricularen Punkten vom kürzlich markierten Punkt nach unten auf der linken Hemisphäre. Dieser Punkt entspricht der F5-Position für die aktive Elektrode (Abbildung 3).</li>
		</ol>
</li>
		<li>Homologe Orte in der rechten Hemisphäre: Für rechtshemisphärische Homologe der Gebiete von Wernicke und Broca verwenden Sie die gleichen Verfahren wie oben, mit Ausnahme der Messung des Abstands von der Mittellinie auf der rechten Seite der Kopfhaut. Elektrodenstandorte sind: CP6 für den RH Wernicke Homolog und F6 für den Broca-Homolog.</li>
		<li>Verwenden Sie schwammige Elektroden von 5 cm x 5 cm, da diese Größe ein guter Kompromiss zwischen fokaler Stimulation (die mehr Reizungen und Beschwerden verursacht) und größeren Elektroden ohne Brennweite ist. Die Elektroden vor der Anwendung in physiologischer Salzlösung einweichen.</li>
		<li>Um die Wirkung der Stimulation auf andere Bereiche des Gehirns zu minimieren, legen Sie die Referenzelektrode an der Basis des Halses auf der linken Seite (rechts für Homologe) (siehe Abbildung 3 und Abbildung 4). Verwenden Sie auch schwammige Elektroden von 5 cm x 5 cm. HINWEIS: Besondere Aufmerksamkeit sollte darauf geachtet werden, die Ausbreitung der Lösung über die Grenzen der Elektroden-Anwendungszone hinaus zu verhindern. Besondere Vorsicht ist geboten, um den umgebenden Elektrodenbereich trocken zu halten.</li>
		<li>Für eine optimale kathosale Stimulation 1,5 mA Strom für 15 min verwenden. Zu Beginn steigt der Strom allmählich von 0 auf 1,5 mA über 30 s, und am Ende der Stimulation fällt er wieder auf Null über 30 s.</li>
		<li>Für die annodale Stimulation verwenden Sie das gleiche Verfahren wie die kathhole Stimulation, außer dass die Polarität umgekehrt ist und die Annodalelektrode an der aktiven Stelle platziert wird, während die Kathode als Referenzelektrode außerhalb des Kopfhautbereichs verwendet wird.</li>
	</ol></li>
	<li>Scheinstimulation<ol>
<li>Führen Sie das Scheinstimulationsverfahren im Allgemeinen wie oben beschrieben durch, außer dass der Strom nur kurz am Anfang und am Ende der Scheinsitzung angewendet wird. Zu diesem Zweck, während der ersten und der letzten 30 s der Sitzung, wenden Sie einen elektrischen Impuls einer dreieckigen Form mit einem Maximum von 1,5 mA, wie in diesem Protokoll verwendet.</li>
	</ol></li>
	<li>Wichtigste Verhaltensaufgabe: kontextbezogenes semantisches Lernen<ol>
<li>Präsentieren Sie Sätze mit kontextuellen Sätzen für die neuen Wörter in einer zufälligen Reihenfolge. Beginnen Sie jeden Satz mit einer Wort-für-Wort-Präsentation.</li>
		<li>Danach zeigen Sie den gesamten Satz auf dem Bildschirm an, um sein vollständiges Verständnis zu gewährleisten. Lassen Sie die Teilnehmer die Leertaste mit dem Zeigefinger der linken Hand drücken, nachdem sie den ganzen Satz gelesen haben. Die Dauer der Satzpräsentation beträgt 5000 ms. HINWEIS: Die Sätze der Sätze sind durch das Erscheinen von drei Fadenkreuzen ("+++") für 2000 ms voneinander getrennt. Jede neue Konzeptpräsentation beginnt mit einem einzigen Fixierungskreuz ("+"), das für 500 ms vorhanden ist, bevor die Satzwörter geblitzt werden. Jedes Wort wird für 500 ms angezeigt, und der leere Bildschirm in der Hintergrundfarbe zwischen Wörtern innerhalb eines Satzes ist 300 ms lang.</li>
	</ol></li>
	<li>Verfahren zur Bewertung der Erwerbswürdigung<ol>
<li>Um die Lerneffekte sowohl unmittelbar als auch nach der Konsolidierungsphase über Nacht zu bewerten, brechen Sie den Stimulus in zwei Teilmengen auf, die gleichmäßig auf die Stimulusbedingungen verteilt und über die Themengruppe verteilt sind, und führen Sie die Bewertungsaufgabe aus. unmittelbar nach dem Lernprotokoll auf einer Teilmenge und nach einer Verzögerung von 24 h auf der anderen. HINWEIS: Diese Strategie basiert auf der Literatur, die die Bedeutung der Konsolidierung des Speichers über Nacht für den Erwerb neuer Wörter19,20hervorhebt.</li>
		<li>Verwenden Sie alle entwickelten Aufgaben in der in Abschnitt 3 beschriebenen Reihenfolge, um verschiedene Ebenen der Wort-/Konzepterfassung zu bewerten. Wählen Sie die Reihenfolge der Aufgaben aus, um die Übertragungseffekte von einer Aufgabe auf die folgenden zu minimieren.</li>
		<li>Für die Aufgaben 1 und 4 verwenden Sie Tabellenkalkulationen, die von Personen (von Hand oder mit einem Text- oder Tabellenprozessor) ausgefüllt werden sollen; die anderen Aufgaben mit zeitlich präziser Simulationssoftware darstellen. ANMERKUNG: Jeder Stimulus in den Aufgaben 2 und 3 wird für 600 ms dargestellt, mit einem Fixationskreuz ("+") im Interstimulus-Intervall (1400 ms); siehe Abbildung 3. Für die anderen Aufgaben ist die Reaktionszeit nicht begrenzt.</li>
	</ol></li>
</ol>6. Datenanalyse
<ol><li>Führen Sie Datenanalysen mit verschiedenen Tests durch, in denen zwei Sätze von Stichproben aus kontinuierlichen Verteilungen (z. B. Wilcoxon-signierter Rangtest oder Mann-Whitney U-Test) oder Medianen (zwei-Sample-t-Test, wenn die Verteilung normal ist) verglichen werden.</li>
</ol>

<ol><li>Sebastian, R., Tsapkini, K., Tippett, D. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Transcranial+direct+current+stimulation+in+post+stroke+aphasia+and+primary+progressive+aphasia%3A+Current+knowledge+and+future+clinical+applications%5BTitle%5D)+AND+%22Neuro+Rehabilitation%22%5BJournal%5D)">Transcranial direct current stimulation in post stroke aphasia and primary progressive aphasia: Current knowledge and future clinical applications.</a> Neuro Rehabilitation. 39 (1), 141-152 (2016).</li>
<li>Antal, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Low+intensity+transcranial+electric+stimulation%3A+Safety%2C+ethical%2C+legal+regulatory+and+application+guidelines%5BTitle%5D)+AND+%22Clinical+Neurophysiology%22%5BJournal%5D)">Low intensity transcranial electric stimulation: Safety, ethical, legal regulatory and application guidelines.</a> Clinical Neurophysiology. 128 (9), 1774-1809 (2017).</li>
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<li>Nitsche, M. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Modulation+of+cortical+excitability+by+weak+direct+current+stimulation--technical%2C+safety+and+functional+aspects%5BTitle%5D)+AND+%22Supplements+to+Clinical+Neurophysiology%22%5BJournal%5D)">Modulation of cortical excitability by weak direct current stimulation--technical, safety and functional aspects.</a> Supplements to Clinical Neurophysiology. 56, 255-276 (2003).</li>
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Die Autoren haben nichts zu verraten.

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 einen ...

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 Verhaltensweisen4,5. 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 Schlaganfall7,8,9, 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.

transkranielle gleichstromstimulation (tdcs) der bereiche wernicke und broca in studien zum sprachenlernen und worterwerb

Transcranial Direct Current Stimulation (tDCS) of Wernicke's and Broca's Areas in Studies of Language Learning and Word Acquisition

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. .

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) analy...

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.

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

Language is a highly important yet poorly understood function of the human brain. While studies of brain activation patterns during language comprehension ...

In diesem Video beschreiben wir ein einfaches zeit- und kosteneffizientes Protokoll zur Verwendung transkranieller Gleichstromstimulation für psycho- und neurolinguistische Experimente, die darauf abzielen, die Rolle der kortikalen Bereiche des menschlichen Gehirns beim Wortlernen auf naturalistische, aber vollständig kontrollierte Weise zu untersuchen, und ein umfassendes Set von Verhaltensverfahren zur Bewertung der Ergebnisse. Sprache ist eine sehr wichtige, aber wenig verstandene Funktion des menschlichen Gehirns. Während Studien über Gehirnaktivierungsmuster während des Sprachverständnisses reichlich vorhanden sind, was oft kritisch fehlt, sind kausale Beweise für die Beteiligung der Gehirnbereiche an einer bestimmten Funktion, nicht zuletzt aufgrund der einzigartigen menschlichen Natur dieser Fähigkeit, und einem Mangel an neurophysiologischen Werkzeugen, um kausale Beziehungen im Gehirn nicht-invasiv zu untersuchen.In den letzten Jahren ist die Anwendung der transkraniellen Gleichstromstimulation (tDCS) rapide zugenommen, eine einfache, kostengünstige und sichere nicht-invasive Technik, die den Zustand des stimulierten Hirnbereichs modulieren kann, was sie vermeintlich durch Verschiebung der Anregungs- und Hemmschwellen tut, und somit die Untersuchung ihres besonderen Beitrags zu bestimmten Funktionen ermöglicht. Hier werden wir den Einsatz von tDCS in einem psycholinguistischen Wortlernexperiment beschreiben. Hier werden wir die Anwendung von tDCS auf Sprachbereiche in einem Wortlernexperiment betrachten.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 im Worterwerbsexperiment an sich hervorzuheben, was das zweite Hauptziel des aktuellen Berichts ist. Es ist wichtig, alle rechtlichen und ethischen Genehmigungen für Studien zu menschlichen Themen zu erhalten, die von Ihrer lokalen Gesetzgebung gefordert werden.In unserer Studie wurde die Genehmigung von der Universitäts-Ethikkommission erteilt. Führen Sie alle Messungen in einer schalldichten oder zumindest schalldämpfenden Kamera durch. Schalldämmung ist sehr wichtig, da jeder Fremdeinklang, Lärm, menschliche Sprache usw. die Leistung erheblich beeinflussen und somit die Daten beeinflussen kann.Um Interferenzen durch unnötigen Betreff-Experimentatorkontakt zu vermeiden, müssen sich nur der Bildschirm, Kopfhörer oder Lautsprecher und alle Eingabegeräte wie Tastatur- oder Tastenboxen innerhalb der Kamera befinden. Die Interaktion mit dem Experimentator ist über die Gegensprechanlage zu halten, es sei denn, es ist ein persönlicher Kontakt erforderlich. Die optimalen Parameter für die Textpräsentation sind schwarzer Text auf grauem Hintergrund.Wir verwenden Schriftart Arial Größe 27. Um Verzögerungen und Jitter in der visuellen Präsentation zu reduzieren, empfehlen wir die Verwendung einer Grafikkarte und eines Monitors mit einer Bildwiederholrate von 100 Hertz und höher. Um Reaktionszeiten zu messen, verwenden Sie Reaktionspads der Forschungsklasse, die ergonomielich und präziser im Vergleich zu herkömmlichen Tastaturen sind.Wir haben Wörter der russischen Sprache gewählt, die für ihre Länge und Gesamtstruktur kontrolliert wurden, um grundlegende Auswirkungen von Oberflächeneigenschaften auf die Verarbeitung auf höherer Ebene zu vermeiden. Um mehrere Listen zu erstellen, teilten wir das Wort in Sätze ein, die sich statistisch nicht in ihrer und syllabischen Häufigkeit unterschieden. Dies wurde mit T-Tests festgestellt.Neuartige Wortformen wurden erstellt, indem die alternativen Silbe innerhalb jedes Satzes von Wörtern transponiert wurden. So ähnelten die neuen Wörter bestehenden Wörtern in Bezug auf die orthographische und phonologische Struktur. Als Ergebnis haben wir eine Liste von zu erlernenden Wortformen und eine Liste ähnlicher ungelernter Pseudowörter aus einem Satz vorhandener Wörter erstellt.Alle drei Stimulus-Typen, die ein Set teilten, würden daher nach der Lernphase potenziell als Nachbarn in einen lexikalischen Wettbewerb eintreten. Weitere Kontrolllisten von Wörtern und Pseudowörtern, die diese Ähnlichkeit nicht gemeinsam hatten, wurden ebenfalls erstellt. Die Sets wurden um die Themengruppen herum in der Art und Weise ausgeglichen, dass sie verschiedene experimentelle Rollen spielten, um alle Auswirkungen der Oberflächenform auf die neu erworbene Semantik zu minimieren.Wir haben auch neue Bedeutungen geschaffen, die mit den neuen Wörtern im Lernprozess verbunden sind. Sie wurden aus veralteten oder realen Konzepten hergestellt, die in der Sprache der Teilnehmer nicht vorhanden waren. Für das kontextuelle Erlernen der neuartigen Semantik haben wir für jeden neuen Begriff fünf Sätze geschaffen, die Situationen beschreiben, durch die man die Bedeutung der neuen Wörter allmählich vom allgemeinen zum spezifischeren Kontext verstehen konnte.Neuartige Wörter wurden in ihrer Grundform dargestellt. Die Länge der Sätze und die Anzahl der Wörter wurden kontrolliert und zwischen den Bedingungen ausgeglichen. Jeder Satz bestand aus acht Wörtern entsprechend der minimalen Länge der Sätze in Russisch, die Ihnen erlauben, den Kontext zu verstehen.Wenn Sie diese Sätze lesen, können Sie verstehen, dass circunal eine Art negatives Gefühl ist, das auftritt, wenn Sie sich zu viele Passwörter von Ihren Konten merken müssen. Um den Erwerb und das Verständnis von Wortformen und Semantik zu beurteilen, verwenden wir mehrere Aufgaben, freien Rückruf, Cue-Erkennung, lexikalische Entscheidungen, semantische Definition und semantisches Urteilsvermögen. Bei der kostenlosen Rückrufaufgabe mussten die Teilnehmer so viele neue Wortformen reproduzieren, wie sie sich erinnern konnten, indem sie sie in die vorbereitete Tabelle eingeben.Die Erkennungs- und lexikalischen Entscheidungsaufgaben wurden mit den gleichen Reizen und der gleichen Präsentationsgeschwindigkeit verwendet und unterscheiden sich nur in den Anweisungen. Die Elemente wurden nacheinander und zufällig dargestellt. Bei der Erkennungsaufgabe mussten die Teilnehmer die Taste eins drücken, wenn sie während des Experiments auf das Wort stießen, oder zwei drücken, wenn sie dies nicht taten.In der lexikalischen Entscheidung mussten sie Die Taste eins drücken, wenn sie präsentiert wurden, was sinnvoll war, oder zwei drücken, wenn nicht. Semantische Aufgaben wurden verwendet, um den Erwerb normaler Bedeutungen und die Übereinstimmung zwischen dieser Bedeutung und der Oberflächenform zu schätzen. In der semantischen Definitionsaufgabe erhalten die Teilnehmer eine Liste der Elemente, die zuvor in der Lernphase vorgestellt wurden.Sie sollten versuchen, jeden von ihnen zu definieren und ihre Definitionen in die Kalkulationstabelle einzugeben. Bei der semantischen Urteilsaufgabe wurden den Teilnehmern ein Wort und drei Definitionen präsentiert. Sie sollten eine richtige Definition für jedes Wort auswählen, indem sie die entsprechende Taste drücken.Nur eine der Definitionen war richtig. Darüber hinaus schlagen wir vor, keine dieser oder keine sichere Option einzuschließen. Transkranielle Gleichstrom elektrische Stimulation, tDCS, erzeugt Neuromodulationen und spontane und neuronale Aktivität.Abhängig von der Strömungsorientierung der Zellen kann das Membranpotential leicht in Richtung Hyperpolarisation verschoben werden. Zum Beispiel, für das Motorsystem geschieht es während der Annodalstimulation, oder Depolarisation für kathhole Stimulation. Diese Änderung in Ihrer neuronalen Erregbarkeit wird zu verschiedenen temporären Veränderungen in der Gehirnfunktion führen, einschließlich der motorischen sensorischen und hohen kognitiven Funktionen.Hier werden wir die Anwendung von tDCS auf Sprachbereiche wie Wernickes und Brocas Bereiche des Menschen in einem Wortlernexperiment betrachten. Es ist wichtig, sich den Hauptunterschied zwischen tDCS und anderen nicht-invasiven Hirnstimulationsmethoden, wie der transkraniellen magnetischen Stimulation, zu merken, erstens, da es keine einfachere Möglichkeit gibt, die Empfindlichkeit gegenüber tDCS durch Schwellenwertbewertung zu bestimmen, wird ein einziges Protokoll für alle Probanden angewendet. Zweitens ist es sehr schwierig, den Stimulationsbereich genau abzuschätzen.Man kann nur über den hypothetischen Bereich sprechen. Drittens ist es auch schwierig, die Dauer von Offline-Stimulationseffekten abzuschätzen. Vermutlich wird der Haupteffekt der Stimulation bis zu einer Stunde nach Beendigung der Stimulation beobachtet.Die Wirkung der Stimulation kann jedoch manchmal sogar einen Tag nach der Stimulation erkannt werden. Es gibt drei Arten der Stimulation, kathhodal, mit einer Kathodenelektrode über Zielbereich, Anodal, mit der Anode über Zielbereich, und Placebo, oder Scheinstimulation. Verwenden Sie Schwammelektroden, die fünf mal fünf Zentimeter messen.Die Elektroden sollten vor der Anwendung fünf Minuten lang in physiologischer Salzlösung eingeweicht werden. Um die Wirkung der Stimulation auf andere Bereiche des Gehirns zu minimieren, setzen Sie die Annodalelektrode an der Basis des Halses auf der rechten Seite. Wir verwenden schwammige Elektroden, die zwei mal fünf Zentimeter messen.Besondere Aufmerksamkeit sollte darauf beiliegen, eine Ausbreitung der Lösung über die Grenzen der Elektroden-Anwendungszone hinaus zu verhindern. Besondere Vorsicht ist geboten, um den umgebenden Elektrodenbereich trocken zu halten. Das optimale Protokoll für die Kathodenstimulation ist die Stimulation durch einen Milliampstrom für 10 Minuten.Zunächst steigt der Strom in den ersten 20 Sekunden auf einen Milliamp, und am Ende der Stimulation sinkt er in den letzten 20 Sekunden der Stimulation auf Null. Die Sätze mit Kontextsätzen, die die neuen Wörter enthalten, werden in zufälliger Reihenfolge dargestellt. Jeder Satz beginnt mit einer Wort-für-Wort-Präsentation.Danach erscheint der gesamte Satz auf dem Bildschirm, um sein vollständiges Verständnis zu gewährleisten. Die Teilnehmer müssen nach dem Lesen des gesamten Satzes einen angezeigten Antwortknopf mit dem Zeigefinger der linken Hand drücken. Die linke Hand wird verwendet, um Interferenzen mit den Sprachfehlern der linken Hemisphäre zu reduzieren.Die Dauer der Satzpräsentation beträgt fünf Sekunden. Dann erscheint ein Fadenkreuz in der Mitte des Bildschirms für 500 Millisekunden und der nächste Satz beginnt. Die Sätze der Sätze werden durch das Erscheinen von drei Fadenkreuzen für zwei Sekunden voneinander getrennt.Jede neue Konzeptpräsentation beginnt mit einem weiteren Fadenkreuz, das 500 Millisekunden lang vorhanden ist, bevor die Satzwörter geblitzt werden. Jedes Wort wird für 500 Millisekunden dargestellt, der leere Bildschirm und die Hintergrundfarbe zwischen den Wörtern innerhalb eines Satzes für 300 Millisekunden. Wir haben eine Batterie von verschiedenen Tests verwendet, da tDCS-Effekte auf die Sprachverarbeitung nicht bekannt sind.Um die Lerneffekte sowohl sofort als auch nach der Konsolidierungsphase über Nacht zu bewerten, empfehlen wir, den Stimulus in zwei Teilmengen aufzuteilen, die gleichmäßig auf die Stimulusbedingungen verteilt und über die Themengruppe verteilt sind. Wir führen die Bewertungsaufgaben unmittelbar nach dem Lernprotokoll und nach 24 Stunden Verzögerung durch. Dieses Protokoll ermöglicht datenanalysen mit verschiedenen Tests, bei denen zwei Sätze von Proben aus kontinuierlichen Verteilungen mit gleichen Medianen verglichen werden, wie Wilcox- und Rank-Sum-Test oder Mann-Whitney U-Test oder Mediane, um T-Tests zu testen, wenn die Verteilung normal ist.Innerhalb jeder Gruppe gab es deutliche Unterschiede in den Genauigkeitsergebnissen und Reaktionszeiten zwischen den beiden Bewertungssitzungen. In der Scheingruppe war die Worterkennung am ersten Tag deutlich besser als am zweiten. In der kathotorischen Gruppe war die Reaktionszeit in der Erkennungsaufgabe bei neuen Wörtern deutlich schneller als bei Konkurrenz-Pseudowörtern am ersten Tag, aber nicht am zweiten.Die Ergebnisse der lexikalischen Entscheidungsaufgabe zeigten, dass nach der kathatorischen Stimulation sowohl am ersten als auch am zweiten Tag bei neuartigen Wörtern deutlich bessere Leistungen zu erzielen waren als bei Pseudowort-Konkurrenten. In der Scheingruppe war dieser Effekt jedoch nur am zweiten Tag signifikant. tDCS von Sprachkortika, die hier durch Wernickes Gebiet veranschaulicht werden, erzeugt ein komplexes Muster von Verhaltensergebnissen.Die kontextuelle Darstellung neuer Wörter nach tDCS erweitert die Möglichkeiten des gleichzeitigen Studiums der Erfassung von Wortform per se und ihrer Semantik erheblich. Um die verschiedenen Effekte zu lösen, ist eine Batterie von verschiedenen Tests erforderlich, die die Prozesse auf verschiedenen Ebenen des Kurz- und Langzeitgedächtnisses, des lexikalischen Zugriffs, der semantischen Verarbeitung usw. testen könnte. Die kognitiven Effekte, die während der transienten Stimulationsphase erzielt werden, werden über einen längeren Zeitraum aufrechterhalten und können daher möglicherweise zur Modulation der Worterfassung und -verarbeitung in praktischen Umgebungen verwendet werden.

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Research

Forschung

JoVE Journal

Behavior

Verhalten

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