En semantisk Priming Event-relaterade potentiella (ERP) uppgift att studera lexiko-semantiska och Visuo-semantisk bearbetning i Autism Spectrum Disorder
Summary
Detta dokument beskriver en semantisk priming ERP uppgift använder inom-modalitet par av bilder och ord för att undersöka semantisk bearbetning hos individer med autism (ASD).
Abstract
Individer med autism (ASD) har karakteristiska underskott för att förstå innebörden av språk eller semantisk bearbetning. Vissa tecken tyder dock på att semantisk bearbetning av icke-språkliga stimuli är intakt, vilket tyder på att semantiska underskott kan vara språkspecifika. Att på lämpligt sätt karakterisera semantisk bearbetning underskott hos personer med ASD, jämförelse mellan inom-modalitet språkliga (t.ex. skrivit ord) och icke-språkliga (t.ex. bilder) stimuli krävs. Detta dokument beskriver sådan metod som utnyttjar en semantisk priming paradigm under samtidig inspelning av elektroencefalografiska (EEG) data. EEG ger en dynamisk mått på hjärnans aktivitet som lämpar sig väl att karakterisera subtila skillnader i semantisk bearbetning som inte är observerbara på beteendemässiga nivå. Den semantiska priming paradigm presenterar ett prime bild eller ord (t.ex. hund) följt av en målbild eller ord som är antingen relaterade (t.ex. katt) eller inte (t.ex. en penna) prime. Detta paradigm kan således användas för att utvärdera semantisk bearbetning över olika modaliteter och jämföra lexiko-semantiska och visuo-semantisk bearbetning förmåga hos personer med ASD och hur de skiljer sig från TD individer. De specifika stegen i skapa de stimuli, utför EEG testning, och analysera EEG data diskuteras. Representativa resultat illustrera hur komponenten N400 evenemangsrelaterade potential (ERP) är minskad följande semantiskt-relaterade prime-target par jämfört med obesläktade par. Jämförelser av N400 mellan villkor, modaliteter och grupper kan ge uppskattningar av framgången av semantisk bearbetning och kan därmed användas för att karaktärisera semantiska underskott hos personer med ASD eller andra kliniska populationer.
Introduction
Forskare i kognitiv psykologi har länge varit intresserad av hur människor förstår innebörden av språk. Språkbearbetning innebär en sekvens av steg i ökande komplexitet, från brev och word erkännande, att semantisk bearbetning, till syntaktiska parsning. Semantisk bearbetning refererar till åtkomst till innebörden av ett stimulus, vare sig det är ett ord, bild eller ljud. Följande tidiga steg av inledande ordigenkänning, åtkomst av en ordets innebörd, eller semantik, är ett avgörande steg i språkbearbetning. Semantisk integration avser processen att integrera innebörden av stimuli för att förstå deras relationer och är avgörande för högre nivå språk bearbetning såsom förståelse meningar. Inte bara innebörden av varje ord i en mening behöver nås, men innebörden av varje enskilt ord måste integreras för att bilda en sammanhängande förståelse av meningen mening, eller ”kärnan”.
Individer med autism (ASD) har ofta betydande underskott i språk förståelse1. Det finns vissa belägg som tyder på att dessa svårigheter beror på brister i semantisk bearbetning och integration2,3,4. Men andra studier har visat att personer med ASD inte visar semantiska bearbetningen underskott när material presenteras i icke-språkliga (t.ex. visuell eller auditiv) modaliteter3,5,6 . Sådana fynd tyder på att semantisk bearbetning underskott i ASD kan begränsas till språkliga (dvs, skrivna eller talade) modaliteter. Som sådan, kan metoder som kontrasterar olika modaliteter ge insikt i den utsträckning som semantisk bearbetning underskott är domän-specifika eller vägledande av en genomgripande bearbetning stil. Syftet med denna uppsats är att beskriva en metod för att jämföra semantisk bearbetning mellan olika modaliteter med hjälp av en semantisk priming uppgift under samtidiga elektrofysiologiska inspelning.
Det semantiska priming paradigmet har en lång historia i forskning undersöker hur semantisk bearbetning influenser lägre word erkännande7,8. I traditionella semantiska priming uppgifter, ett förstklassigt ord presenteras (t.ex. katt) följt av ett mål ord som är antingen semantiskt relaterade (t.ex. hund) eller inte (t.ex. bok) prime. Sådan uppgift sker ofta i samband med en lexikal beslut uppgift, så att deltagarna ombeds att avgöra om målet ordet är ett riktigt ord eller inte. Andra paradigm kanske deltagarna utföra en semantisk kategorisering uppgift på målet ordet, eller bedöma om de två stimuli är relaterade eller inte. Oavsett den specifika uppgiften, har årtionden av bevis fastställt att reaktionstider (RTs) är snabbare till målet ord som är semantiskt besläktade prime jämfört med dem som är orelaterade.
Denna ”semantiska priming effekt” har tillskrivits ett antal mekanismer i teoretiska konton7,8. En är att priming effekten beror på automatisk sprida aktivering genom semantiska nätverk, så att hämtning av prime ordets mening aktiverar innebörden av andra semantiskt relaterade ord, inklusive målet ordet. Detta minskar sedan den tid som behövs för semantisk aktivering av det mål ordet. En andra teoretiska mekanismen är att deltagarna av livslängd, som posits som ser prime ordet, generera en förväntade uppsättning potentiella mål. Målet ord som ingår i detta set redovisas sedan snabbare. Andra slutligen har postulerade existensen av en efter lexikala mekanism av semantiska matchning, som fastställer förekomsten av en semantisk relation mellan prime och målet ordet. Oavsett den specifika mekanismen som ligger bakom effekten, kan semantiska grundning vara en användbar index av semantisk bearbetning och integration. Detta paradigm är inte heller begränsad till lexikala stimuli, och kan också användas för att undersöka semantiska priming av icke-språk stimuli som bilder9 liksom korset-modal semantiska priming (t.ex. mellan ord och bild)3.
Semantiska priming effekter har varit väl studerat i Psykolingvistiska litteraturen och har undersökts med avseende på typ av prime-target förbindelser, tidpunkten för prime och målet presentation och många andra manipulationer8. De elektrofysiologiska korrelat av denna effekt har också välkarakteriserad10. Elektroencefalografi (EEG) är en metod för inspelning neural aktivitet via förändringar i elektriska aktiviteten mäts vid hårbotten. EEG är en användbar val av metod för en semantisk priming paradigm eftersom det har mycket bra temporal upplösning (storleksordningen millisekunder, ms) och kan därmed ge subtila skillnader i semantisk bearbetning mellan villkor eller grupper även i avsaknad av beteendemässiga effekter eller svaren.
Event-relaterade potentialer (ERPs) är tid-låst förändringar i EEGEN som uppstår i svar på en viss stimulus eller beteende. Beroende på tidpunkten och polaritet i svaret är olika delar av ERP reflekterande av olika aspekter av kognitiv bearbetning. Komponenten N400 är en väletablerad markör för semantisk bearbetning och semantisk integration11,12 (även om flera andra tolkningar finns10,13). N400 amplituden reduceras när semantisk integration är lättare (till exempel när den prime och mål i en semantisk priming paradigm är semantiskt relaterade) jämfört med när semantisk integration är svårare (t.ex. När två ord är orelaterade). Ännu viktigare, är amplitud skillnaden mellan relaterade och orelaterade villkor (dvs ”N400 effekten”) inte specifika för språket. N400 effekter observeras också i icke-språk modaliteter, som svar på par semantiskt-relaterade och orelaterade bilder eller miljöljud14,15,16,17. N400 är således en användbar ERP-komponent för tillämpningen av den nuvarande paradigmen eftersom det kan användas som en modalitet-oberoende uppskattning av semantisk bearbetning och integration förmågor.
Personer med ASD visar minskad eller frånvarande semantiska priming effekter och N400 svar på språk stimuli2,3,4, tyder på försämringar i semantisk bearbetning. Sådana effekter har hittats i svar på visuo-semantiska och ljud-semantisk stimuli3,5,6, utlåning stöd till påståendet att semantiska bearbetningen är selektivt nedsatt för språk stimuli. Men har de flesta tidigare studier som jämförde modaliteter använt cross-modal priming, så att paret prime-målet innehåller en lexikal stimulans. Med tanke på förslaget att personer med ASD har underskott i semantisk bearbetning av språk stimuli, kan sådana kors-modal stimuli ha påverkat resultaten. För att verkligen undersöka huruvida semantisk bearbetning av språket selektivt är nedsatt hos personer med ASD, måste inom-modalitet parar av lexikala och icke-lexikala stimuli användas. I en färsk studie, Coderre et al. 6 enligt den första direkta jämförelsen av inom-modalitet uttrycker och föreställer semantiska priming att undersöka semantisk bearbetning underskott hos vuxna (i åldrarna 18-68) med ASD. Deltagare med ASD och normalt-utveckling (TD) deltagarna tittade på par av bilder och ord och ombads bedöma huruvida stimuli var relaterade eller inte. Under denna semantiska priming uppgift spelades deras hjärnaktivitet med hjälp av EEG. Genom att jämföra N400 effekter mellan grupper och modaliteter, som detta paradigm inblick i arten av semantisk bearbetning i personer med ASD.
Syftet med denna uppsats är att beskriva den semantiska grundningen ERP metodik anställd av Coderre et al. 6. Trots detta paradigm genomfördes initialt för att studera semantisk bearbetning hos vuxna med ASD, det kan vara användbart för någon praktiker som vill utforska de neurala korrelat till lexiko-semantiska och visuo-semantisk bearbetning, antingen i TD individer eller i specifika kliniska populationer.
Protocol
Representative Results
Discussion
Detta dokument har rapporterat kritiska steg i att utveckla en semantisk priming ERP paradigm med bild och ord stimuli för att utforska semantisk bearbetning underskott hos personer med ASD. Stora steg är att skapa stimuli, programmering uppgiften och utför EEG tester och analyser. Den mest tidsödande delen av detta förfarande sannolikt vara bildandet av stimuli, som detta kräver noggrann matchande både mellan och inom stimulans par, villkoren och formerna på variabler som längd, frekvens och semantiskt släktsk…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Utvecklingen av detta paradigm stöddes av fondens terapeutiska kognitiv neurovetenskap och Benjamin och Akram Miller familj kapitalförsäkring på åldrande, Alzheimers och Autism forskning.
Materials
| EEG system | Electrical Geodesics, Inc. (EGI) | Geodesic EEG system (GES) 400 system: Net Amps 400 amplifier, NetStation 5.3, 128-channel HydroCel Geodesic Sensor nets | |
| Potassium chloride | Electrical Geodesics, Inc. (EGI) | ||
| Plastic bucket | Electrical Geodesics, Inc. (EGI) | EGI provides a plastic bucket for mixing electrolyte but any clean container can be used | |
| Baby shampoo | Johnson's | ||
| GNU Image Manipulation Program (GIMP) |
References
- Tager-Flusberg, H., Paul, R., Lord, C. Language and communication in autism. Handbook of Autism and Pervasive Developmental Disorders. , 335-364 (2005).
- Kamio, Y., Robins, D., Kelley, E., Swainson, B., Fein, D. Atypical Lexical/Semantic Processing in High-Functioning Autism Spectrum Disorders without Early Language Delay. Journal of Autism and Developmental Disorders. 37, 1116-1122 (2007).
- McCleery, J. P., Ceponiene, R., Burner, K. M., Townsend, J., Kinnear, M., Schreibman, L. Neural correlates of verbal and nonverbal semantic integration in children with autism spectrum disorders. Journal of Child Psychology and Psychiatry. 51 (3), 277-286 (2010).
- Dunn, M. A., Gaughan, H., Kreuzer, J., Kurtzberg, D. Electrophysiologic correlates of semantic classification in autistic and normal children. Developmental Neuropsychology. 16 (1), 79-99 (1999).
- Kamio, Y., Toichi, M. Dual access to semantics in autism: is pictorial access superior to verbal access?. Journal of Child Psychology and Psychiatry. 41 (7), 859-867 (2000).
- Coderre, E. L., Chernenok, M., Gordon, B., Ledoux, K. Linguistic and Non-Linguistic Semantic Processing in Individuals with Autism Spectrum Disorders: An ERP Study. Journal of Autism and Developmental Disorders. 47 (3), 795-812 (2017).
- Neely, J. H. Semantic priming effects in vidual word recognition: A selective review of current findings and theories. Basic processes in reading: Visual word recognition. 11, 264-336 (1991).
- McNamara, T. P. . Semantic priming: Perspectives from memory and word recognition. , (2005).
- McPherson, W. B., Holcomb, P. J. An electrophysiological investigation of semantic priming with pictures of real objects. Psychophysiology. 36, 53-65 (1999).
- Kutas, M., Federmeier, K. D. Thirty years and counting: Finding meaning in the N400 component of the event-related brain potential (ERP). Annual Review of Psychology. 62, 621-647 (2011).
- Kutas, M., Hillyard, S. Reading Senseless Sentences: Brain Potentials Reflect Semantic Incongruity. Science. 207 (4427), 203-205 (1980).
- Lau, E. F., Phillips, C., Poeppel, D. A cortical network for semantics: (de)constructing the N400. Nature Reviews Neuroscience. 9 (12), 920-933 (2008).
- Brouwer, H., Fitz, H., Hoeks, J. Getting real about Semantic Illusions: Rethinking the functional role of the P600 in language comprehension. Brain Research. 1446, 127-143 (2012).
- Barrett, S. E., Rugg, M. D. Event-Related Potentials and the Semantic Matching of Pictures. Brain and Cognition. , 201-212 (1990).
- Hamm, J. P., Johnson, B. W., Kirk, I. J. Comparison of the N300 and N400 ERPs to picture stimuli in congruent and incongruent contexts. Clinical Neurophysiology. 212, 1339-1350 (2002).
- Ganis, G., Kutas, M., Sereno, M. I. The search for "common sense": an electrophysiological study of the comprehension of words and pictures in reading. Journal of Cognitive Neuroscience. 8 (2), 89-106 (1996).
- Nigam, A., Hoffman, J. E., Simons, R. F. N400 to Semantically Anomalous Pictures and Words. Journal of Cognitive Neuroscience. 4 (1), 15-22 (1992).
- Coltheart, M. The MRC psycholinguistic database. Quarterly Journal of Experimental Psychology. 33A, 497-505 (1981).
- Brysbaert, M., New, B. Moving beyond Kucera and Francis: A critical evaluation of current word frequency norms and the introduction of a new and improved word frequency measure for American English. Behavior Research Methods. 41 (4), 977-990 (2009).
- Davies, M. . The Corpus of Contemporary American English: 450 million words, 1990-present. , (2009).
- Zuccolotto, A. P., Roush, R. E., Eschman, A., Schneider, W. . E-Prime 2.0 Getting Started Guide. , (2012).
- Duncan, C. C., et al. Event-related potentials in clinical research: Guidelines for eliciting, recording, and quantifying mismatch negativity, P300, and N400. Clinical Neurophysiology. 120 (11), 1883-1908 (2009).
- Tools, P. S. . E-Prime Extensions for Net Station 2.0 User Manual. , (2014).
- Electrical Geodesics Inc. . Net Station 5 User Manual. , (2017).
- Tanner, D., Morgan-Short, K., Luck, S. J. How inappropriate high-pass filters can produce artifactual effects and incorrect conclusions in ERP studies of language and cognition. Psychophysiology. 52 (8), 997-1009 (2015).
- Dien, J. Issues in the application of the average reference: Review, critiques, and recommendation. Behavior Research Methods, Instruments, and Computers. 30 (1), 34-43 (1998).
- Dien, J., Franklin, M. S., May, C. J. Is "Blank" a suitable neutral prime for event-related potential experiments?. Brain and Language. 97, 91-101 (2006).
- Franklin, M. S., Dien, J., Neely, J. H., Huber, E., Waterson, L. D. Semantic priming modulates the N400, N300, and N400RP. Clinical Neurophysiology. 118 (5), 1053-1068 (2007).
- Luck, S. J. . An Introduction to the Event-Related Potential Technique. , (2005).
- Groppe, D. M., Urbach, T. P., Kutas, M. Mass univariate analysis of event-related brain potentials/fields I: A critical tutorial review. Psychophysiology. 48, 1711-1725 (2011).
- Tanner, D., Van Hell, J. G. ERPs reveal individual differences in morphosyntactic processing. Neuropsychologia. 56, 289-301 (2014).
- D’Arcy, R. C. N., et al. Electrophysiological assessment of language function following stroke. Clinical Neurophysiology. 114 (4), 662-672 (2003).
- Pérez Velázquez, J. L., Galán, R. F. Information gain in the brain’s resting state: A new perspective on autism. Frontiers in Neuroinformatics. 7 (37), 1-10 (2013).
- Davis, G., Plaisted-Grant, K. Low endogenous neural noise in autism. Autism. 19 (3), 351-362 (2015).
- Ledoux, K., Coderre, E. L., Bosley, L., Buz, E., Gangopadhyay, I., Gordon, B. The concurrent use of three implicit measures (eye movements, pupillometry, and event-related potentials) to assess receptive vocabulary knowledge in normal adults. Behavior Research Methods. 48 (1), 285-305 (2016).
- Matson, J. L., Shoemaker, M. Intellectual disability and its relationship to autism spectrum disorders. Research in Developmental Disabilities. 30 (6), 1107-1114 (2009).
