Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Behavior
Click here for the English version

Behavior

Транскраниальный Прямой ток стимуляции (tDCS) Вернике и Брока в области изучения языка обучения и слова Приобретение

Published: July 13, 2019 doi: 10.3791/59159
Automatic Translation
1, 1, 1, 1, 1, 1,2
1Laboratory of Behavioural Neurodynamics, St. Petersburg State University, 2Center of Functionally Integrative Neuroscience (CFIN), Department of Clinical Medicine, Aarhus University

Summary

Здесь мы описываем протокол для использования транскраниальной прямой стимуляции тока для психо- и нейролингвистических экспериментов, направленных на изучение, в натуралистической, но полностью контролируемой образом, роль корковых областей человеческого мозга в изучении слов, и комплексный набор поведенческих процедур для оценки результатов.

Abstract

Язык является очень важной, но плохо понимаемой функцией человеческого мозга. В то время как исследования моделей активации мозга во время понимания языка в изобилии, то, что часто критически отсутствует причинно-следственной связи с участием областей мозга в конкретной лингвистической функции, не в последнюю очередь из-за уникальной человеческой природы этой способности и дефицит нейрофизиологических инструментов для изучения причинно-следственных связей в человеческом мозге неинвазивно. В последние годы наблюдается быстрый рост использования транскраниальной стимуляции прямого тока (tDCS) человеческого мозга, простой, недорогой и безопасный неинвазивный метод, который может модулировать состояние стимулируемой области мозга (по-видимому, путем изменения возбуждения / пороговых значений, что позволяет изучить его особый вклад в конкретные функции. Хотя основное внимание уделяется управлению двигателем, использование tDCS становится все более распространенным как в основных, так и в клинических исследованиях по более высоким когнитивным функциям, включая язык, но процедуры его применения остаются переменными. Здесь мы описываем использование tDCS в психолингвистическом эксперименте по изучению слов. Представляем методы и процедуры применения катодальной и анодальной стимуляции основных языковых областей Брока и Вернике в левом полушарии человеческого мозга, описываем процедуры создания сбалансированных наборов психолингвистических стимулов, контролируемый, но натуралистический режим обучения, а также комплексный набор методов оценки результатов обучения и эффектов tDCS. В качестве примера приложения tDCS мы показываем, что катадальная стимуляция области Вернике до начала учебной сессии может повлиять на эффективность обучения слову. Это воздействие как присутствует сразу после обучения и, что важно, сохраняется в течение более длительного времени после физического воздействия стимуляции стираться, предполагая, что tDCS может иметь долгосрочное влияние на лингвистическое хранение и представления в человеческом мозге .

Introduction

Нейробиологические механизмы функции человеческого языка до сих пор плохо изучены. Как основа нашей коммуникативной способности, эта уникальная нейрокогнитивная черта человека играет особенно важную роль в нашей личной и социально-экономической жизни. Любые дефициты, влияющие на речь и язык, являются разрушительными для страдающих и дорогими для общества. В то же время, в клинике процедуры для лечения речевого дефицита (таких как афазия) остаются неоптимальными, не в последнюю очередь из-за плохого понимания нейробиологических механизмов, участвующих1. В исследованиях, недавнее появление и быстрое развитие методов нейровизуализации привели к многочисленным открытиям, описывающим модели активации; тем не менее, причинно-следственных связей часто все еще не хватает. Кроме того, языковые области мозга расположены несколько неоптимально для применения основных подходов нейростимуляции, которые могут обеспечить причинно-следственные доказательства, самое главное транскраниальной магнитной стимуляции техники (TMS). В то время как автономный протокол TMS, такие как стимуляция тета-всплеска, может вызвать боль из-за близости мышц к точке стимуляции, "онлайн" протоколы TMS могут ввести звуковые артефакты от стимуляции, что нежелательно из-за вмешательства в лингвистический стимул презентации2. Несмотря на то, что TMS широко используется в языковых исследованиях, несмотря на такие неудобства, желанная альтернатива может быть предоставлена другими методами стимуляции, в первую очередь транскраниальной стимуляцией прямого тока (tDCS). В последние годы, tDCS наблюдается значительный рост его использования из-за его доступности, простота использования, относительная безопасность и часто довольно поразительные результаты3. Несмотря на то, что точные механизмы, лежащие в основе влияния tDCS на нейронную активность, не изучены полностью, основное мнение состоит в том, что, по крайней мере, при низких уровнях интенсивности (обычно 1-2 мА на 15-60 мин), это не вызывает никаких нервных возбуждений или ингибирование как такового , но вместо этого модулирует отдыха трансмембранный потенциал в градуированный путь к де- или гиперполяризации, сдвиг порогов возбуждения вверх или вниз и тем самым делая нейронную систему более или менее восприимчивы к модуляции другими событиями, стимулы, состояний или поведения4,5. В то время как большинство заявок, о которых сообщалось на сегодняшний день, были сосредоточены на двигательной функции6 и/или дефиците двигательной системы, она все чаще применяется к когнитивным функциям более высокого уровня и их соответствующим нарушениям. Там был рост в его применении к речи и языку, в основном в исследованиях, направленных на восстановление после инсульта афазии7,8,9, хотя это до сих пор привело к неоднозначным результатам в отношении терапевтический потенциал, места стимуляции и полушария, и оптимальная ток полярность. Поскольку это исследование, и в частности применение tDCS в когнитивной нейробиологии нормальной функции языка, все еще находится в зачаточном состоянии, крайне важно разграничить процедуры для стимулирования по крайней мере основных кортиков языка (самое главное Вернике и Районы Брока) с использованием tDCS, который является одной из основных целей текущего доклада.

Здесь мы рассмотрим применение tDCS к языковым областям в эксперименте по изучению слов. В целом, случай изучения слов рассматривается здесь как один из примеров нейролингвистического эксперимента, и часть процедуры tDCS не должна существенно меняться для других типов языковых экспериментов, ориентированных на те же области. Тем не менее, мы используем эту возможность, чтобы также выделить основные методологические соображения в эксперименте по приобретению слова как такового, который является второй основной целью текущего описания протокола. Мозг механизмы, лежащие в основе слова приобретения - вездесущий человеческий потенциал в основе нашей лингвистической коммуникативной навык - остаются в значительной степени неизвестны10. Усложняя картину, существующая литература широко отличается тем, как экспериментальные протоколы способствуют приобретению слова, контролю над параметрами стимуляции, а также задачам, используемым для оценки результатов обучения (см., например, Davis et al.11). Ниже мы описываем протокол, который использует высококонтролируемые стимулы и режим презентации, обеспечивая при этом натуралистическое контекстное приобретение нового словаря. Кроме того, мы используем полную батарею задач для оценки результатов поведенчески на разных уровнях, как сразу после обучения, так и после ночного этапа консолидации. Это в сочетании с фиктивным и cathodal tDCS языковых областей (мы делаем конкретный пример, используя стимуляцию области Вернике), которые могут обеспечить причинно-следственные данные о лежащих в основе нейронных процессов и механизмов.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Все процедуры были утверждены местным комитетом по этике Санкт-Петербургского государственного университета (СПбГУ) с согласия всех участников.

ПРИМЕЧАНИЕ: Все участники должны подписать информированное согласие и заполнить анкету, чтобы подтвердить отсутствие каких-либо противопоказаний для стимуляции tDCS (см. Техника и соображения в использовании 4 х 1 Кольцо Высокой четкости Транскраниальной прямого тока стимуляции (HD-tDCS) Вилламар омичем и коллегами12)и для сбора других данных, имеющих отношение к исследованию, таких как острота зрения, демография, языковой опыт и сдаваемость. Для последнего рекомендуется основополагающая работа Oldfield13.

1. Субъекты и экспериментальная среда

  1. В типичном языковом эксперименте убедитесь, что все испытуемые являются правшами и не имеют записи о языковом дефиците, неврологических или психиатрических расстройствах. Необходимо контролировать их родной язык и двуязычный/многоязычный статус.
  2. Проведите все измерения в звуконепроницаемой или, по крайней мере, звукоизоляционной камере. Звукоизоляция очень важна, так как любой посторонний звук, шум, человеческая речь и т.д. могут существенно повлиять на производительность и тем самым повлиять на данные(рисунок 1).
  3. Чтобы избежать помех ненужного контакта субъекта-экспериментатора, поместите только экран, наушники/динамики и любые входные устройства (клавиатура, кнопки коробки) внутри камеры. Иметь все взаимодействия с экспериментатором по домофону, если не требуется личный контакт.
  4. Используйте следующие оптимальные параметры, основанные на обширном пилотировании, для фонового цвета и размера шрифта: серый цвет фона (RGB: 125, 125, 125), черный цвет текста (RGB: 0; 0; 0), лицо шрифта Arial, размер 27.
  5. Чтобы уменьшить задержки и нервозности в визуальной презентации, используйте видеокарту и монитор с скоростью обновления 100 Гц и выше.
  6. Для измерения времени реакции используйте научно-исследовательские ответные площадки, которые имеют лучшую эргономику и более точное время по сравнению с обычными клавиатурами.

2. Стимул подготовка

  1. Выберите слова языка, о котором идет речь, которые контролируются в течение их продолжительности, лексической частоты и общей структуры (чтобы избежать каких-либо основных эффектов поверхностных стимулов свойства на более высоком уровне обработки). Здесь все базовые слова были восемь фонем / буквы долго и состоял из трех слогов со структурой CVCCVCVC (где C является согласным, и V гласный).
  2. Чтобы создать несколько списков, разделите слова на наборы, которые не должны отличаться статистически (как измеряется, например, т-тесты) на их лемме, бигаме и/или триграмме, а также слоговой частоте. Они могут быть получены из языковых психолингвистических баз данных; здесь использовался Российский национальный корпус (http://www.ruscorpora.ru/en/). Здесь, один набор был использован для создания (через модификацию) орфографически похожие романные слова и псевдослова, другой набор для создания несвязанных контроль псевдослов, а также еще один набор используется в качестве несвязанных контрольных слов (Рисунок 2A). Это привело к пяти наборов по 10 пунктов каждый (50 стимулов в общей сложности). Измените эти процедуры в соответствии с вашими точными экспериментальными требованиями.
  3. Чтобы свести к минимуму любое воздействие поверхностных форм на вновь приобретенную семантику, уравновешивайте наборы по всей выборке объекта, таким образом, чтобы они играли различные экспериментальные роли для разных предметов.
  4. Создавайте новые формы слов таким образом, чтобы они следовали правилам фонологии и фонотаксии и напоминали существующие слова с точки зрения орфографической и фонологической структуры.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Чтобы убедиться, что новые слова могут вступить в конкуренцию с существующими словами, нынешние процедуры были основаны на тех, которые разработаны в серии экспериментов Gaskell и коллег11,14 и направлены на сохранение слова наступления ( CVCCV-) стабильна, при повороте их смещения (-CVC) по различным элементам в наборе. То есть, мы сохранили первые два слога существующего слова и разнообразили конечный слог так, что была создана новая, ранее незнакомая форма нового слова (например, мандарин --gt; mandanal, где последний CVC был взят из другого слова в списке, кардинал, для создания нового элемента).
  5. Повторите описанную выше процедуру для создания как можно большего количества новых форм слов по мере необходимости. Для текущей демонстрации, мы создали списки новых форм слова, которые будут изучены и аналогичных неухоженные псевдослова (например, мандарин - йgt; mandanal, mandaket, все три потенциально вступления в лексической конкуренции после обучения, как соседи), а также дополнительные контрольные списки реальных слов и новых псевдослов, которые не разделяют этого сходства и, таким образом, не будут создавать лексическую конкуренцию с основными стимулами (например, круговой, мушкенальной; Русские примеры используются во всем, транслитерированных от кириллицы до латинской письменности для удобства понимания).

3. Стимулы предложения для контекстуального семантического обучения

  1. Создавайте новые значения, связанные с новыми словами в процессе обучения. Это могут быть вымытые, устаревшие или редкие предметы или понятия, не присутствующие на родном языке или культуре субъектов.
  2. Для контекстуального изучения семантики романов рекомендуется процедуры, используемые Mestrez-Misse и коллегами15. Создайте несколько уникальных предложений, описывающих ситуации, с помощью которых можно понять значение каждого из слов романа (например, "Для борьбы с насекомыми в средние века, люди использовали mandaket"). Используйте последовательность таких предложений для каждого из слов романа (здесь, в общей сложности 5 предложений на слово), и постепенно раскрыть смысл каждой новой концепции от более общего к более конкретному сенденциальному контексту.
  3. Настоящее романные слова идеально в их форме словаря (т.е., uninflected, например, сингулярный nominative или обвинительный случай в русском языке), таким образом, что форма поверхности не перегибает по-разному в разных предложениях(Таблица1), если правило перегиба обучение также требуется.
  4. Контролируйте и балансируйте длину предложений и количество слов между условиями. Здесь каждое предложение состояло из 8 слов. Всегда поместите новые слова в конце предложения. Такое размещение позволяет накапливать необходимую контекстуальную информацию (далее, это позволяет реализовать эту конструкцию, при необходимости, в ЭЭГ или МЭГ настройки для записи вызвали реакции мозга разоблачены дальнейшие раздражители слова).
  5. Представляем конкретные предложения в отдельных словах подблоков, постепенно раскрывая значение каждого нового слова, не перемешивая или рандомизируя предложения, связанные с различными новыми словами.
  6. Рандомизуйсь по порядку подблоков по всей группе субъекта. При использовании визуального модальности рекомендуется представление предложения по слову слова.
  7. Определить интерстимул интервал на основе конкретных свойств стимула, чтобы их удобное представление(рисунок2B); не забудьте разделить различные подблоки с дополнительными интервалами и дать регулярные перерывы.

4. Задачи по оценке приобретения новых форм слов и новых значений

ПРИМЕЧАНИЕ: Используйте несколько задач для оценки различных уровней приобретения и понимания как поверхностных форм слов, так и лексической семантики. В настоящем протоколе используются пять задач: свободный отзыв, распознавание кюш, лексическое решение, семантическое определение и семантическое соответствие. Задачи применяются в порядке, указанном ниже, который был оптимизирован для уменьшения переноса между последовательными задачами.

  1. В задаче свободного отзыва у каждого участника воспроизвести как можно больше новых форм слов, которые они могли вспомнить, введя их в подготовленную таблицу. Инструкция такова: «Пожалуйста, запишите в колонке все новые слова, которые вы можете запомнить».
  2. Включите одни и те же стимулы в распознавание и лексическое решение (второй и третий задачи, соответственно) и используйте одинаковую скорость представления.
    1. Эти задачи включают в себя все элементы (новые слова, реальные слова конкурента новые являются производными от, неподготовленных псевдослов конкурентов, полученных от тех же реальных слов, не связанных контроля псевдослов и несвязанных контроля существующих слов).
    2. Для задачи распознавания используйте следующую инструкцию: «Вам будут представлены слова последовательно. Нажмите кнопку "1" средним пальцем левой руки, если вы столкнулись со словом во время эксперимента, или нажмите "2" указательным пальцем левой руки, если у вас нет". Измените кодирование ответа, руки и пальцы в соответствии с вашими конкретными требованиями.
    3. Инструкция для задачи лексического решения: «Вы будете представлены с реальными и бессмысленными словами последовательно. Нажмите "1" средним пальцем левой руки, если слово имеет смысл, или нажмите "2" указательным пальцем левой руки, если это не так". Изменять их по мере необходимости.
  3. Используйте задачу семантического определения для оценки приобретения нового значения и соответствия между смыслом и формой поверхности.
    1. Предоставь участникам список изученных предметов (т.е. тех, которые были представлены ранее на этапе обучения) с инструкцией выше: "Вот список новых слов, представленных вам ранее. Попробуйте определить каждый из них и введите их определения в электронную таблицу».
    2. Для оценки полноты и точности данных определений привлекайте независимых экспертов к оценке ответов; соглашение между экспертами может быть опробовано с использованием, например, коэффициента соответствия Кендалла (W).
  4. Используйте семантические задачи сопоставления для оценки приобретения семантики путем создания явных связей между вновь изученными формами слов и их значениями в упрощенном порядке.
    1. Используйте следующую инструкцию: "Вам будет представлено слово и три определения. Вы должны выбрать одно правильное определение для каждого слова, нажав соответствующую кнопку». Правильно только одно из определений, а два других - с другими новыми пунктами. В дополнение к трем факультативным определениям, втом ли "ни один из этого" или / и "не уверен" варианты также рекомендуется.

5. Процедуры

  1. Убедитесь, что стимуляция tDCS предшествует поведенческой задаче, которую она предназначена для модулировать.
    1. Район Вернике.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Размещение электрода стимуляции, что лучше всего соответствует области Вернике является CP5 в соответствии с расширенной Международной 10-20 системы для ЭЭГ16,17.
      1. Чтобы найти это место в отсутствие крышки электрода, следуйте стандартным 10-20 системным процедурам.
      2. Измерьте голову лентой от иниона до nasion, и обратите внимание на середину этого расстояния. Затем измерьте расстояние от левой предаурикулярной точки до правой предаурикулярной точки и отметьте перекрестную точку двух измерений.
      3. Чтобы найти местоположение CP5, измерьте 30% расстояния между доаурикулярными точками от перекрестной точки вниз по левому полушарию и отметьте его. Измерьте 10% расстояния между инионом и nasion от отмеченной точки к задней части головки. Этот пункт является расположение CP5 для активного электрода(рисунок 3).
    2. Район Брока
      ПРИМЕЧАНИЕ: Ближе всего к области Брока является F5 электрод сайт18 в соответствии с 10-20 системы.
      1. При отсутствии крышки ЭЭГ следуйте стандартным 10-20 системным процедурам, чтобы найти и отметить точку между инионно-назионными и предавичными точками, как описано выше.
      2. Чтобы найти местоположение F5, измерьте 20% расстояния между инионом и nasion от перекрестной точки к передней части головы. Измерьте 30% расстояния между доаурикулярными точками от недавно отмеченной точки вниз по левому полушарию. Эта точка соответствует местоположению F5 для активного электрода(рисунок 3).
    3. Гомологичные места в правом полушарии: для правого полушария гомологи области Вернике и Брока, использовать те же процедуры, как выше, за исключением измерения расстояния от средней линии вниз по правой стороне головы. Электрод местах являются: CP6 для RH Вернике гомолог и F6 для Broca гомолог.
    4. Используйте губчатые электроды размером 5 см х 5 см, так как этот размер является хорошим компромиссом между фокусной стимуляцией (которая вызывает больше раздражения и дискомфорта) и более крупными электродами, которым не хватает фокусности. Замочите электроды в физиологическом сольном растворе в течение 5 минут перед нанесением.
    5. Для того, чтобы свести к минимуму влияние стимуляции на другие участки мозга, поместите эталонный электрод в основание шеи на левой (справа для гомологов) стороне (см. Рисунок 3 и Рисунок 4). Используйте губчатые электроды размером 5 см х 5 см.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Особое внимание следует уделить предотвращению распространения раствора за пределы зоны применения электрода. Особое удели сохранить окружающую область электрода сухой.
    6. Для оптимальной катодальной стимуляции используйте ток 1,5 мА в течение 15 мин. В начале, ток постепенно поднимается от 0 до 1,5 мА свыше 30 с, а в конце стимуляции он падает обратно к нулю более 30 с.
    7. Для анодальной стимуляции используйте ту же процедуру, что и катодальная стимуляция, за исключением того, что полярность обращена вспять, и анодальный электрод помещается в активном месте, в то время как катод используется в качестве эталонного электрода, расположенного за пределами области кожи головы.
  2. Шам стимуляции
    1. Выполните процедуру фиктивной стимуляции, как правило, как описано выше, за исключением того, что ток применяется только кратко в начале и в конце фиктивной сессии. С этой целью в течение первого и последнего 30-х годов сеанса нанесите электрический импульс треугольной формы с максимальным объемом 1,5 мА, как это используется в настоящем протоколе.
  3. Основная поведенческая задача: контекстуальное семантическое обучение
    1. Настоящие наборы с контекстуальными предложениями для слов романа в случайном порядке. Начните каждое предложение с презентации слов за словом.
    2. После этого отобразите все предложение на экране, чтобы обеспечить его полное понимание. Попустите участников нажим на пробел указательным пальцем левой руки после прочтения всего предложения. Продолжительность представления предложения составляет 5000 мс.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Наборы предложений отделены друг от друга по появлению трех перекрестий («я») на 2000 мс. Каждая новая презентация концепции начинается с одного креста фиксации («я»), присутствующих на 500 мс до проблесков слова предложения. Каждое слово представлено на 500 мс, а пустой экран в цвете фона между словами в одном предложении составляет 300 мс в длину.
  4. Процедура оценки приобретения
    1. Для оценки эффектов обучения как сразу, так и после ночного этапа консолидации, разбейте стимул, установленный на два подмножества, равномерно распределенные по условиям стимула и уравновешенные по всей группе субъекта, и запустите задачу оценки сразу после обучения протокол на одном подмножестве, и после 24 ч задержки на другой.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Эта стратегия основана на литературе, которая подчеркивает важность ночной консолидации памяти для приобретения новых слов19,20.
    2. Используйте все разработанные задачи в порядке, описанном в разделе 3 выше, для оценки различных уровней приобретения слова/концепции. Выберите порядок задач, чтобы свести к минимуму любые эффекты переноса от одной задачи к следующей.
    3. Для задач 1 и 4 используют электронные таблицы, которые должны быть заполнены предметами (вручную или с помощью текста или процессора электронной таблицы); представить другие задачи с использованием временно точного программного обеспечения моделирования.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Каждый стимул в задачах 2 и 3 представлен на 600 мс, с крестом фиксации ("я"), присутствующим в интервале интерстимула (1400 мс); см. Рисунок 3. Для других задач время отклика не ограничено.

6. Анализ данных

  1. Выполните анализ данных с помощью различных тестов, сравнивая два набора образцов, полученных из непрерывного распределения (таких как Уилкоксон подписал ранг аттест или Манн-Уитни U-тест) или медианы (два образца t-test, если распределение нормально).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Хотя данные анализировались для конкретного набора задач, следует подчеркнуть, что разработанный набор тестов и парадигма могут быть адаптированы к различным психолингвистическим экспериментам. Результаты были проанализированы с точки зрения точности оценки (количество правильных ответов) и время реакции (RT) с использованием непараметрических Уилкоксон подписал ранг аттест и Манн-Уитни U тест по группам (катодальные и фиктивные условия стимуляции). Значительные различия для задач в каждой группе представлены в таблице3; ниже мы выделяем основные результаты, связанные со стимуляцией (для описательной статистики см. Таблицу 2).

Сравнение производительности в лексической задаче принятия решений между двумя группами (катодальные и фиктивные условия стимуляции) показали различия в первый день между точностью для конкурентов псевдослов: точность увеличилась больше после катодального, чем после обмана стимуляции (0,041 евро), что свидетельствует о снижении лексической конкуренции после катодальной стимуляции. В задаче распознавания точность новых слов была лучше после обмана, чем после катодальной стимуляции как на первом (р 0.034), так и на второй день (0.09), что свидетельствует о снижении эффективности лексического обучения после стимуляции. Ни одна из задач не выявила различий в RT между группами. Результаты семантических задач показали соответствие между значением новой формы и поверхностной формой было более успешно для катодальной группы над sham на второй день только (0.011).

В каждой группе между двумя сессиями оценки наблюдались заметные различия в оценках точности и времени реакции. В фиктивной группе распознавание новых слов было лучше на первом, чем на второй день (0,049 евро). В катодальной группе RT в задаче распознавания был значительно короче для новых слов, чем для псевдонимов конкурентов в первый день (0,042), но не на втором. Результаты лексического решения показали, что после катодальной стимуляции на первом (0,003 евро) и на второй день (0,001) производительность для новых слов была лучшей, чем для псевдослов конкурентов. В фиктивной группе, однако, этот эффект наблюдался только на второй день (0,002 евро).

Figure 1
Рисунок 1 : Экспериментальная камера. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Figure 2
Рисунок 2 : Процедура представления стимулов в последовательности контекстуального обучения. (A) Создание стимула групп: Группы слова / псевдослова стимулов. (B) Диаграмма презентации стимула в контекстуальном блоке обучения. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Figure 3
Рисунок 3 : Расположение стимуляционного электрода для районов Вернике и Брока. Левая панель: Вид сбоку и проекция на области мозга. Зоны мозга, ЭЭГ электроды (система 10-20%) соответствующие им, и красные прямоугольники, представляющие расположение стимулирующих электродов отмечены. Эталонный электрод отображается в основании шеи. Правая панель: Проекция стимулирующего электрода на макет еГЭ 10-20% системы. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Figure 4
Рисунок 4 : оборудование tDCS. (A) Стимулятор; (B) сольный раствор; (C) электроды Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Примеры предложений
Квинси Проделан.
Наши бабушки не знали такого ощущения, как мушкелак.
Квинси Промдин.
Благодаря хорошей памяти Маша никогда не испытывала никаких мушкелаков.
Зинедин Зидан.
Получив несколько счетов, я начал страдать от мушкелака.
Квинси Проверсна.
Секретный блокнот может помочь вам решить проблему мушкелак.
Зинэтула Билялетд.
Петр всегда устанавливал один и тот же пароль, так как не хотел иметь кашукелака.

Таблица 1: Примеры предложений для контекстуального изучения новых слов.

Шам стимуляции Катодальная стимуляция
Означает Sd Означает Sd
Задача 1: бесплатный отзыв
День 1 Точность 4.91 2.22 5,69 1.49
День 2 Точность 2.53 2.44 2.84 2.26
Задача 2: признание. Точность оценки
День 1 Новые слова 3.06 Для 0,89 1,96 1.68
Слова конкурента 3,63 1.14 3,73 1.29
Конкурент псевдослова 2.60 2,60 1.15 2.69 Год 1.39
Управление псевдословами 3.79 1.32 3,92 1.41
Управление словами 4,67 1.05 4.29 20.03.2016 1.16
День 2 Новые слова 2.58 0,93 1.56 1,47
Слова конкурента 4.40 4.40 0,74 4.10 4.10 1.39
Конкурент псевдослова 3.13 3.13 1,25 3.31 1.00
Управление псевдословами 4,33 0,92 4.50 02.03.2017 1.14
Управление словами 4.58 1.02 4.38 1.44
Задача 2: признание. Время реакции (ms)
День 1 Новые слова 793 г. 167 г. 858 183 г.
Слова конкурента 804 г. 151 год 845 179 г.
Конкурент псевдослова 883 г. 261 г. 962 г. 306 г.
Управление псевдословами 849 год 201 год 833 года 234 г.
Управление словами 699 г. 131 год 767 г. 196 г.
День 2 Новые слова 836 200 г. 933 г. 272 г.
Слова конкурента 816 год 239 г. 818 год 213 Г.
Конкурент псевдослова 859 281 год 924 г. 236
Управление псевдословами 818 год 280 г. 866 265 Г.
Управление словами 734 г. 212 Г. 817 год 234 г.
Задача 3: лексическое решение. Точность оценки
День 1 Новые слова 2.42 1,63 1,96 1.68
Слова конкурента 4.13 13.10.2018 0,78 4.10 4.10 0,90
Конкурент псевдослова 3,46 1.17 4.02 4.02 1,33
Управление псевдословами 4.21 1.02 4,25 1.26
Управление словами 4.54 0,72 4.54 0,78
День 2 Новые слова 2.04 20.04 1,47 1.56 1,47
Слова конкурента 4.38 0,56 4.46 0,61
Конкурент псевдослова 3,81 1.08 3,94 1.39
Управление псевдословами 4.54 0,78 4.58 1.28
Управление словами 4.42 44.04.2.2. 0,72 4,63 0,71
Задача 3: лексическое решение. Время реакции (ms)
День 1 Новые слова 817 год 244 Г. 921 г. 248 г.
Слова конкурента 747 г. 181 год 797 г. 201 год
Конкурент псевдослова 927 г. 307 год 910 г. 265 Г.
Управление псевдословами 891 год 291 год 852 год 213 Г.
Управление словами 737 г. 217 Г. 784 г. 221 год
День 2 Новые слова 878 год 287 963 г. 292 г.
Слова конкурента 743 г. 174 г. 811 год 197 г.
Конкурент псевдослова 914 г. 290 г. 918 г. 244 Г.
Управление псевдословами 871 286 год 853 244 Г.
Управление словами 719 год 189 год 756 г. 234 г.
Задача 4: семантическое определение
День 1 Соответствующие 1.27 0,75 1,87 1,45
Точность 7,97 4.03 4.03 8.71 5,66
День 2 Соответствующие 0,52 0,79 1.39 1.44
Точность 2.82 2.73 5,86 5,74
Задача 5: семаническое соответствие
День 1 Точность 3.16 0,97 3.18 18.10.2018 1.03
Время реакции (ms) 10914 год 3391 год 10856 год 6039 г.
День 2 Точность 2.41 1.07 2.89 1,25
Время реакции (ms) 8798 год 2488 год 8908 год 3419 г.

Таблица 2: Описательная статистика.

Шам стимуляции р-значение Катодальная стимуляция р-значение
Задача 1: бесплатный отзыв.  Точность оценки
Между днями Точность оценки День 1 против точности оценки День 2 0,001 Точность оценки День 1 против точности оценки День 2 Злт;0,001
Задача 2: признание. Точность оценки
День 1 Новые слова против ─ Новые слова против ─
Слова конкурента 0,042 Слова конкурента 0,004
Управление псевдословами 0,041 Конкурент псевдослова 0,045
Управление словами 0,001 Управление псевдословами 0,002
─ ─ Управление словами Злт;0,001
День 2 Новые слова против ─ Новые слова против ─
Слова конкурента 0,001 Слова конкурента Злт;0,001
Управление псевдословами 0,001 Конкурент псевдослова 0,001
Управление словами 0,001 Управление псевдословами Злт;0,001
─ ─ Управление словами Злт;0,001
Между днями Новые слова 0,049 Слова конкурента 0,036
Слова конкурента 0,011 Конкурент псевдослова 0,024
Конкурент псевдослова 0,034 Управление псевдословами 0,020
Управление псевдословами 0,030 ─ ─
Распознавание. Время реакции (ms)
День 1 Новые слова против  Управление словами 0,005 Новые слова против ─
Конкурент псевдослова 0,042
Управление словами 0,006
День 2 Новые слова против контрольных слов 0,007 Новые слова против ─
Слова конкурента 0,001
Управление псевдословами 0,045
Управление словами 0,014
Задача 3: лексическое решение. Точность оценки
День 1 Новые слова против ─ Новые слова против ─
Слова конкурента 0,001 Слова конкурента Злт;0,001
Управление псевдословами 0,001 Конкурент псевдослова 0,003
Управление словами 0,001 Управление псевдословами 0,001
─ ─ Управление словами Злт;0,001
День 2 Новые слова против ─ Новые слова против ─
Слова конкурента 0,001 Слова конкурента Злт;0,001
Конкурент псевдослова 0,002 Конкурент псевдослова 0,001
Управление псевдословами 0,001 Управление псевдословами Злт;0,001
Управление словами 0,001 Управление словами Злт;0,001
Между днями Нет существенных различий ─ Управление псевдословами 0,033
Лексическое решение. Время реакции (ms)
День 1 Новые слова против Новые слова против ─
Слова конкурента 0,022 Слова конкурента 0,001
Конкурент псевдослова Злт;0,001 Управление словами 0,013
Управление псевдословами 0,033 ─ ─
День 2 Новые слова против ─ Новые слова против ─
Слова конкурента 0,003 Слова конкурента 0,003
Управление словами 0,008 Управление словами 0,001
Задача 4: семантическое определение. Результаты сопоставления и точности
Между днями Соответствие оценки День 1 против соответствия оценки День 2 0,001 Соответствие оценки День 1 против соответствия оценки День 2 0,006
Точность оценки День 1 против точности оценки День 2 0,001 Точность оценки День 1 против точности оценки День 2 Злт;0,001
Задача 5: семанское соответствие. Точность оценки
Между днями Точность оценки День 1 против точности оценки День 2 0,006 Нет существенных различий ─
Семантический соответствие. Время реакции (ms)
Между днями Время реакции День 1 против времени реакции День 2 0,002 Время реакции День 1 против времени реакции День 2 0,015

Таблица 3: Значительные различия в оценках точности и времени реакции в каждой группе (фиктивные и катодальные стимуляции). Значения в скобках являются средними баллами и временами реакции.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Результаты подчеркивают несколько важных моментов, которые необходимо учитывать при проведении психолингвистических исследований в целом, и нейролингвистики tDCS исследований в частности. Стимулирование языковых кортиков (примером для области Вернике) создает сложную модель поведенческих исходов. В отличие от метода TMS, где можно полностью нарушить обработку речи (например, так называемый протокол «ареста речи»)21,этот метод позволяет, возможно, более сложно, градуировано и тонко влиять на механизмы обработки языка. Мы обнаружили различные различия в точности и времени реакции, которые существенно разошлись между условиями, тестами и днями оценки. Ниже кратко рассматриваются технические последствия протокола, о которых сообщается.

Для разъединения различных эффектов необходима батарея различных тестов, которые могли бы тестировать процессы на разных уровнях кратковременной и долгосрочной памяти, лексического доступа, семантической обработки и т.д. Например, эффекты здесь включают различную производительность в отзыве и признании для различных типов стимулов и условий стимуляции, что предполагает дифференциальные лексические эффекты конкуренции для новых и старых элементов, и различные эффекты tDCS на лексических и семантических уровней. Наши результаты подтверждают чувствительность использованных задач к эффективности приобретения нового слова на разных уровнях, включая распознавание, понимание значения слова и свободный отзыв.

Таким же образом, условие tDCS (например, анодальная, катодальная стимуляция) требует надлежащего условия контроля (или контрольной группы), фиктивная (плацебо) стимуляция является наиболее подходящим базовым уровнем. В отличие от электрической стимуляции моторной коры, эффекты не всегда могут быть однозначными22,они сильно зависят от используемых тестов, или не могут появиться на всех23.

Другим очень важным моментом является то, что только один тип стимуляции может применяться в каждом отдельном предмете в контексте одного экспериментального сеанса. Это обычно влечет за собой между группой дизайн, например, анодальной группы стимуляции, катодальной стимуляции группы, и плацебо (фиктивный) контрольной группы. Для внутригрупповых конструкций, используйте различные протоколt tDCS на по-разному днях, по крайней мере 24 h врозь (в изучении учить, это также влечет за собой использовать по-разному лингвистические стимулы на по-разному днях для того чтобы во избежание загрязнение результатов эффектами повторения). В настоящем докладе в качестве примера используется эксперимент с катодной стимуляцией районов Вернике, однако аналогичные процедуры применяются и к другим полярностям/сайтам.

Контекстное представление новых слов значительно расширяет возможности одновременного изучения приобретения формы слова как таковой и ее семантики. Традиционно эти процессы изучаются отдельно, ориентируясь либо на приобретение новой формы слова, либо на корреляцию значения знакомого слова с другими семантическими единицами24,25,26. Предлагаемый протокол объединяет обе цели; таким образом, можно сравнить динамику приобретения новой концепции на уровне восприятия формы слова и динамику освоения ее содержания, что достигается с помощью комплексного набора тестов. Необходимость такого сравнения подчеркивается здесь динамичной динамикой производительности на новых поверхностных формах отзыва и признания в отличие от семантического соответствия.

Важно помнить основные различия между tDCS и другими неинвазивными методами стимуляции мозга, такими как TMS. Поскольку не существует простого способа определить индивидуальную чувствительность к tDCS по оценке порога, для всех субъектов применяется единый протокол. Очень трудно точно оценить область стимуляции - можно говорить только о приблизительной/ гипотетической области стимулируется. Кроме того, трудно оценить продолжительность эффектов автономной стимуляции после выключения тока. Предположительно, основные эффекты стимуляции наблюдаются до одного часа после прекращения стимуляции. Тем не менее, эффекты иногда могут быть обнаружены даже на следующий день после стимуляции20.

Тем не менее, по сравнению с TMS, относительная легкость применения tDCS, существенно более низкий риск побочных эффектов и отсутствие акустических артефактов делают этот протокол привлекательным для изучения речевой и языковой функции. Стоит также отметить, что сочетание электрической стимуляции с другими методами, например, с ТМС, МРТ, ЭЭГ или фармакологическим вмешательством, позволяет более детально изучать нейронные механизмы tDCS27,28.

Поскольку стимуляция tDCS не является высоко локализованной, возможен неспецифический эффект. Это очевидно из имеющихся фактических данных, где очень разные или даже противоположные протоколы иногда могут привести к аналогичным результатам. Это может быть связано с общим воздействием на другие когнитивные функции и процессы, такие как внимание, извлечение из памяти, и так далее. Для обнаружения эффектов, связанных с определенным языковым функцией, необходима специализированная батарея тестов. Следуя предлагаемым шагам создания стимулирующего материала (проверка поверхности или частоты слов, длина слов и предложений и т.д.), необходимо учитывать грамматические и фонетические структуры языка. Например, количество слов в предложении и длина слов могут варьироваться в зависимости от точной необходимости. Кроме того, слова, используемые в эксперименте, должны контролироваться как для орфографии, так и для звука. На орфографически прозрачном языке, таком как русский, это относительно просто, но это может быть трудно достичь на других языках (например, английском, датском или китайском).

В соответствии с телом предыдущих исследований, мы находим различные эффекты приобретения сразу после обучения блока и после ночного сна, который подчеркивает последствия ночной консолидации. Важно отметить, что мы также находим групповые различия (фальшивка по сравнению с катодом) на второй день. Принято считать, что физический эффект стимуляции коры коры относительно недолговечный, на порядок минут до нескольких часов. Это означает, что когнитивные эффекты, достигнутые во время переходной фазы стимуляции, тем не менее, сохраняются в течение более длительного периода и поэтому могут быть использованы для модуляции приобретения и обработки слов в практических условиях. Очевидно, что в языковой функции участвуют не только основные языковые области Брока и Вернике; Принятие описанного выше протокола возможно для любой области мозга, в то время как батарея психолингвистических тестов, отработанная для конкретных экспериментальных целей, все еще необходима для оценки воздействия стимуляции на конкретную нейролингвистическую черту.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Авторам нечего раскрывать.

Acknowledgments

Поддерживается государственным грантом РФ No14.W03.31.0010. Мы хотели бы поблагодарить Экатарину Перикову и Александра Кирсанова за поддержку в подготовке этой публикации. Мы благодарны Ольге Чербаковой и Маргарите Филипповой за помощь в отборе стимулов, а также Анастасии Сафроновой и Павлу Иноземцеву за помощь в производстве видеоматериалов.

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 4x1 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).

Tags

Поведение Выпуск 149 tDCS область Вернике область Брока речь приобретение слов язык
Транскраниальный Прямой ток стимуляции (tDCS) Вернике и Брока в области изучения языка обучения и слова Приобретение
Play Video
PDF DOI

Cite this Article

Blagovechtchenski, E., Gnedykh, D.,… More

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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter