Summary
Här beskriver vi ett protokoll för att använda transkraniell direkt ström stimulering för psyko-och neurolingvistiska experiment som syftar till att studera, i en naturalistisk men helt kontrollerat sätt, den roll som kortikala områden i den mänskliga hjärnan i Word Learning, och en omfattande uppsättning beteendemässiga förfaranden för att bedöma resultaten.
Abstract
Språket är en mycket viktig men dåligt förstådd funktion av den mänskliga hjärnan. Medan studier av hjärnans aktiveringsmönster under språkförståelse är riklig, vad som ofta är kritiskt saknas är kausala belägg för hjärn områdenas engagemang i en viss språklig funktion, inte minst på grund av den unika mänskliga karaktären hos denna förmåga och brist på neurofysiologiska verktyg för att studera kausala relationer i den mänskliga hjärnan noninvasivt. De senaste åren har sett en snabb ökning av användningen av transkraniell direkt ström stimulering (TDCs) av den mänskliga hjärnan, en enkel, billig och säker noninvasiv teknik som kan modulera tillståndet i det stimulerade hjärn området (putatively genom att flytta excitation/ som möjliggör en studie av dess särskilda bidrag till specifika funktioner. Även om de flesta fokuserar på motorstyrning, användning av tDCS blir allt vanligare i både grundläggande och klinisk forskning om högre kognitiva funktioner, språk ingår, men förfarandena för dess tillämpning förblir varierande. Här beskriver vi användningen av tDCS i ett psykolingvistiskt ord inlärnings experiment. Vi presenterar de tekniker och förfaranden för tillämpning av katodal och anodal stimulering av centrala språkområden i Broca och Wernicke i den vänstra hjärnhalvan av den mänskliga hjärnan, beskriv förfarandena för att skapa balanserade uppsättningar av Psykolingvistiska stimuli, en kontrollerade men ändå naturalistiska inlärningssystem, och en omfattande uppsättning tekniker för att bedöma läranderesultat och tDCS effekter. Som ett exempel på TDCs ansökan visar vi att katodal stimulering av Wernicke område före en lärande session kan påverka ordet lärande effektivitet. Denna effekt är både närvarande omedelbart efter inlärning och, viktigare, bevaras under längre tid efter de fysiska effekterna av stimulering avnötning, vilket tyder på att tDCS kan ha långsiktig påverkan på språklig lagring och representationer i den mänskliga hjärnan .
Introduction
De neurobiologiska mekanismerna för mänsklig språkfunktion är fortfarande dåligt förstådda. Som grundsten för vår kommunikationsförmåga, denna unika mänskliga neurokognitiva drag spelar en särskilt viktig roll i vår personliga och socioekonomiska liv. Alla underskott som påverkar tal och språk är förödande för de drabbade och dyra för samhället. Samtidigt, på kliniken, rutiner för behandling av tal underskott (såsom afasi) förbli suboptimala, inte minst på grund av dålig förståelse av de neurobiologiska mekanismerna inblandade1. I forskning, den senaste Advent och snabb utveckling av neuroimaging metoder har lett till flera upptäckter som beskriver aktiveringsmönster; ändå saknas det ofta kausala bevis. Dessutom, språk områden i hjärnan ligger något suboptimalt för tillämpning av mainstream neurostimulering metoder som kan ge kausala bevis, viktigast av transkraniell magnetisk stimulering teknik (TMS). Medan offline TMS-protokollet, såsom theta burst stimulering, kan orsaka smärta på grund av närheten av musklerna till den punkt av stimulering, "online" TMS protokoll kan införa ljud artefakter från stimulering, vilket är önskvärt på grund av störningar språklig stimulans presentation2. Även om TMS används flitigt i språkstudier trots sådana olägenheter, ett välkommet alternativ kan tillhandahållas av andra stimulans metoder, framför allt transkrakala direkt-ström stimulering (tDCS). Under de senaste åren har tDCS sett en anmärkningsvärd tillväxt i dess användning på grund av dess tillgänglighet, användarvänlighet, relativ säkerhet och ofta ganska slående resultat3. Även om den exakta mekanismer som underbygger tDCS inflytande på neurala aktivitet inte förstås helt, mainstream uppfattning är att, åtminstone på låg intensitet nivåer (typiskt 1-2 mA för 15-60 min), det orsakar inte någon neural excitation eller hämning per se , utan modulerar istället den vilande transmembranpotentialen i ett graderat sätt mot de-eller hyperpolarisering, och skiftar exciteringströsklarna uppåt eller nedåt och därigenom gör neurala system mer eller mindre mottagliga för modulationer av andra händelser, stimuli, påstår eller uppföranden4,5. Medan de flesta av de ansökningar som rapporteras hittills har fokuserat på motor funktionen6 och/eller motorsystemet underskott, har det blivit alltmer tillämpas på högre nivå kognitiva funktioner och deras respektive funktionshinder. Det har skett en ökning av dess tillämpning på tal och språk, främst i forskning som syftar till återhämtning av post-stroke afasi7,8,9, även om det hittills har lett till blandade resultat med avseende på terapeutisk potential, stimuleringssajter och halvklot samt optimal ström polaritet. Eftersom denna forskning, och särskilt tillämpningen av tDCS i kognitiv neurobiologi av normal språk funktion, är fortfarande i sin linda, är det viktigt att avgränsa förfaranden för att stimulera åtminstone kärnan språk cortices (viktigast Wernicke ' s och Brocas områden) med hjälp av tDCS, vilket är ett av huvudsyftena med den aktuella rapporten.
Här kommer vi att överväga tillämpning av tDCS till språkområden i ett ord inlärnings experiment. I allmänhet är fallet med ordinlärning tas här som ett exempel på ett neurolingvistiskt experiment, och tDCS del av förfarandet bör inte förändras avsevärt för andra typer av språk experiment som riktar sig till samma områden. Ändå använder vi denna möjlighet att också belysa viktiga metodologiska överväganden i ett ord förvärvs experiment i sig, vilket är det andra huvudsyftet med den nuvarande protokoll beskrivningen. Hjärnmekanismer underbygger ord förvärv-en allestädig mänsklig kapacitet i centrum för vår språkliga kommunikation skicklighet-fortfarande i stort sett okända10. Komplimenterar bilden, skiljer befintlig litteratur mycket i hur experimentella protokoll främja ord förvärv, kontroll över stimulering parametrar, och i uppgifter som används för att bedöma läranderesultat (se, t. ex., Davis et al.11). Nedan beskriver vi ett protokoll som använder mycket kontrollerade stimuli och presentationsläge, samtidigt som en naturalistisk kontext driven förvärv av nya ordförråd. Dessutom använder vi ett omfattande batteri av uppgifter för att bedöma resultaten behaviorally på olika nivåer, både omedelbart efter inlärning och efter en övernattning konsolideringsfas. Detta kombineras med bluff och katodal TDCs av språkområden (vi gör ett särskilt exempel med Wernicke s område stimulering) som kan ge kausala bevis på underliggande neurala processer och mekanismer.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Alla procedurer godkändes av den lokala forskningsetiska kommittén vid S:t Petersburg State University, S:t Petersburg, med samtycke från alla deltagare.
Obs: alla deltagare måste underteckna informerat samtycke och fylla i ett frågeformulär för att intyga frånvaron av kontraindikationer för tDCS stimulering (se teknik och överväganden vid användning av 4 x 1 ring High-Definition transcranial rikta ström stimulering (HD-tDCS) av Willamar och kollegor12) och att samla in andra data som är relevanta för studien såsom synskärpa, demografi, språk erfarenhet och handedness. För den senare, det nyskapande arbete av Oldfield13 rekommenderas.
1. försökspersonernas och försöks miljöns
- I ett typiskt språk experiment, se till att alla ämnen är högerhänt och har inga register över språk underskott, neurologiska eller psykiska störningar. Deras modersmål och Tvåspråkig/flerspråkig status måste kontrolleras.
- Utför alla mätningar i en ljudtät eller åtminstone ljudförsvagad kammare. Ljudisolering är mycket viktigt, eftersom alla främmande ljud, buller, mänskligt tal, etc. kan avsevärt påverka prestandan och därmed påverka data (figur 1).
- För att undvika störningar av onödiga försöksledaren kontakt, placera bara skärmen, hörlurar/högtalare och eventuella inmatningsenheter (tangentbord, knapp boxar) inuti kammaren. Har all interaktion med försöksledaren över intercom om inte personlig kontakt krävs.
- Använd följande optimala parametrar, baserat på omfattande pilotering, för bakgrundsfärg och teckenstorlek: grå bakgrundsfärg (RGB: 125, 125, 125), svart text färg (RGB: 0; 0; 0), Arial font face, storlek 27.
- För att minska förseningar och jitter i visuell presentation, Använd ett grafikkort och en bildskärm med en uppdateringsfrekvens på 100 Hz och högre.
- För att mäta reaktionstider, använda forsknings-grade svar pads, som har bättre ergonomi och mer exakt timing i jämförelse med konventionella tangentbord.
2. stimulans förberedelser
- Välj ord av språket i fråga, som kontrolleras för deras varaktighet, lexikal frekvens och övergripande struktur (för att undvika eventuella grundläggande effekter av ytan stimulans egenskaper på högre nivå bearbetning). Här var alla basord åtta fonem/bokstäver långa och bestod av tre stavelser med CVCCVCVC struktur (där C är konsonant, och V är vokalen).
- För att skapa flera listor, dela upp orden i uppsättningar, som inte bör skilja sig statistiskt (mätt med t. ex. ttester) på deras lemma, bigram och/eller trigram samt syllabisk frekvens. Dessa kan erhållas från språkspecifika Psykolingvistiska databaser; här användes Russian National corpus (http://www.ruscorpora.ru/en/). Här, en uppsättning användes för att skapa (genom modifiering) ortografiskt liknande roman ord och pseudowords, en annan uppsättning för att skapa icke-närstående kontroll pseudowords, och en ytterligare uppsättning används som orelaterade kontroll ord (figur 2A). Detta ledde till fem uppsättningar av 10 punkter vardera (50 stimuli totalt). Ändra dessa procedurer i enlighet med dina exakta experimentella krav.
- För att minimera eventuella effekter av Surface-formulär på nyförvärvad semantik, motbalansera uppsättningarna i ämnes exemplet, så att de spelar olika experimentella roller för olika ämnen.
- Skapa nya ordformer så att de följer reglerna för fonologi och fonotax och likna befintliga ord i form av ortografisk och fonologisk struktur.
Anmärkning: för att se till att de nya orden kan träda i konkurrens med befintliga ord, de nuvarande förfarandena baserades på dem som utvecklats i en rad experiment av Gaskell och kollegor11,14 och syftar till att hålla ordet ansats ( CVCCV-) stabil, medan rotera sina förskjutningar (-CVC) över olika objekt i uppsättningen. Det är, vi bevarade de två första stavelserna i ett befintligt ord och varierade den ultimata stavelse så att en ny, tidigare obekanta roman ord form skapades (t. ex., mandarin-> mandanal *, där den sista CVC togs från ett annat ord i listan, kardinal, för att skapa ett nytt objekt). - Upprepa proceduren som beskrivs ovan för att skapa så många nya ordformer som behövs. För den nuvarande demonstrationen, skapade vi listor över nya ordformer som skall läras och av liknande oinlärt pseudoord (till exempel Mandarin-> mandanal *, mandaket *, alla tre potentiellt ingå en lexikal konkurrens efter lärande, som grannar) samt ytterligare kontroll listor över riktiga ord och nya pseudoord som inte delar denna likhet och därmed inte skulle skapa en lexikal konkurrens med de viktigaste stimuli (t. ex. cirkulär, muskenal *; Ryska exempel används genomgående, translittereras från kyrilliska till latinska alfabetet för att underlätta förståelsen).
3. meningen stimuli för kontextuella semantiska lärande
- Skapa nya betydelser som ska associeras med de ny orden i inlärningsprocessen. Detta kan göras upp, föråldrade eller sällsynta objekt eller begrepp som inte finns i ämnena modersmål eller kultur.
- För kontextuell inlärning av ny semantik, de förfaranden som används av Mestrez-Misse och kollegor15 rekommenderas. Skapa flera unika meningar som beskriver situationer genom vilka man kan förstå innebörden av var och en av de nya orden (t. ex., "att kontrollera insekter i medeltiden, människor som används mandaket"). Använd en sekvens av sådana meningar för vart och ett av de nya orden (här, totalt 5 meningar per ord), och gradvis avslöja innebörden av varje nytt koncept från en mer generell till mer specifik sentential sammanhang.
- Presentera nya ord helst i deras ordbok form (dvs., uninflected, t. ex., singular nominativ eller ackusativ fall på ryska), så att ytan form inte böjs annorlunda i olika meningar (tabell 1), om inte böjning regel lärande krävs också.
- Kontrollera och balansera längden på meningar och antalet ord mellan förhållanden. Här bestod varje mening av 8 ord. Placera alltid nya ord i slutet av meningarna. Sådan placering tillåter uppbyggnad av nödvändig kontextuell information (ytterligare, detta gör det möjligt att genomföra denna design, om det behövs, i ett EEG eller MEG inställning för att spela in framkallade hjärnan svar avslöjade av ytterligare ord stimuli).
- Presentera ord-specifika meningar i Word-specifika sub-block, gradvis avslöjar innebörden av varje nytt ord, utan Interfoliering eller randomisera meningar relaterade till olika roman ord.
- Randomisera ordningen på del blocken i ämnesgruppen. Ord-för-ord mening presentation rekommenderas om visuell modalitet används.
- Bestäm interstimulus intervallet baserat på specifika stimulans egenskaper för att möjliggöra deras bekväm presentation (figur 2b); Se till att separera olika del block med ytterligare intervaller och ge regelbundna pauser.
4. uppgifter för att bedöma förvärv av nya ordformer och roman betydelser
Obs: Använd flera uppgifter för att bedöma olika nivåer av förvärv och förståelse av både ytan ordformer och lexikal semantik. Fem uppgifter används i det nuvarande protokollet: gratis återkallande, cued erkännande, lexikala beslut, semantisk definition och semantisk matchning. Uppgifterna tillämpas i den ordning de listas nedan, vilket optimerades för att minska eventuella överföringar mellan efterföljande uppgifter.
- I den fria återkallande uppgift, har varje deltagare reproducera så många nya ordformer som de kunde minnas genom att skriva in dem i den förberedda kalkylblad. Instruktionen är som följer: "Skriv ned alla nya ord som du kan minnas i kolumnen."
- Inkludera samma stimuli i erkännande och lexikala beslut (andra och tredje uppgifter, respektive) och använda samma presentations frekvens.
- Dessa uppgifter omfattar alla objekt (nya ord, verkliga konkurrentord romanen dem härstammar från, otränade pseudoword konkurrenter härrör från samma verkliga ord, icke-närstående kontroll pseudoord och orelaterad kontroll befintliga ord).
- För erkännande uppgiften, Använd följande instruktion: "du kommer att presenteras med ord sekventiellt. Tryck på knappen "1" med långfingret på vänster hand om du har stött på ordet under experimentet, eller tryck på "2" med pekfingret på vänster hand om du inte har. " Ändra svars kodning, hand och fingrar i enlighet med dina specifika krav.
- Instruktionen för den lexikala besluts uppgiften är: "du kommer att presenteras med verkliga och meningslösa ord sekventiellt. Tryck "1" med långfingret på vänster hand om ordet vettigt, eller tryck på "2" med pekfingret på vänster hand om det inte. " Ändra dessa vid behov.
- Använd den semantiska definitions uppgiften för att uppskatta förvärvet av ny innebörd och korrespondensen mellan innebörden och ytan form.
- Ge deltagarna en lista över de lärde objekt (dvs. de som presenteras tidigare i inlärningsfasen) med instruktionen ovan: "här är en lista med nya ord som presenteras för dig tidigare. Försök att definiera var och en av dem och skriv in deras definitioner i kalkylarket ".
- För att bedöma fullständigheten och noggrannheten hos de givna definitionerna, anlita oberoende experter för att betygsätta svaren. överenskommelse mellan experter kan testas med hjälp av exempelvis Kendalls koefficient för konkordans (W).
- Använd semantisk matchande uppgift för att bedöma förvärvet av semantik genom att göra explicita länkar mellan de nyligen inlärta ord formerna och deras innebörd på ett förenklat sätt.
- Använd följande instruktion: "du kommer att presenteras ett ord och tre definitioner. Du bör välja en korrekt definition för varje ord genom att trycka på motsvarande knapp ". Endast en av definitionerna är korrekt, med de andra två som motsvarar de andra roman posterna. Förutom de tre valfria definitionerna, inklusive "ingen av detta" eller/och "inte säker" alternativ rekommenderas också.
5. förfaranden
- Se till att tDCS stimulering föregår beteendemässiga uppgift den är avsedd att modulera.
- Wernickes område.
Anmärkning: den stimulering elektrodplacering som bäst motsvarar Wernicke område är CP5 enligt Extended International 10-20 system för EEG16,17.- För att lokalisera denna plats i avsaknad av ett elektrod lock, följ standard 10-20 system procedurer.
- Mät huvudet med ett band från Inion till nasion, och notera mitten av detta avstånd. Sedan, mäta avståndet från den vänstra medfödd punkt till höger medfödd punkt, och markera Crosspoint av de två mätningarna.
- För att hitta CP5 plats, mäta 30% av avståndet mellan medfödd punkter från Crosspoint ner vänster hjärnhalva och markera den. Mät 10% av avståndet mellan Inion och nasion från den markerade punkten till bakhuvudet. Denna punkt är den CP5 platsen för den aktiva elektroden (figur 3).
- Broca ' s Area
Anmärkning: närmast Broca område är F5 elektrod plats18 enligt 10-20 systemet.- I avsaknad av en EEG-mössa, följ standarden 10-20 system procedurer för att hitta och markera Crosspoint mellan Inion-nasion och medfödd punkter, som beskrivits ovan.
- För att hitta F5 plats, mäta 20% av avståndet mellan Inion och nasion från Crosspoint till framsidan av huvudet. Mät 30% av avståndet mellan medfödd punkter från den nyligen markerade punkten ner den vänstra halvklotet. Denna punkt motsvarar F5-platsen för den aktiva elektroden (figur 3).
- Homolog platser i den högra hjärnhalvan: för högerhemisfäriska homologer av Wernicke ' s och Broca områden, använda samma förfaranden som ovan, med undantag för att mäta avståndet från mittlinjen ner till höger i hårbotten. Elektrod platser är: CP6 för RH Wernicke homologt och F6 för Broca homologt.
- Använd svampiga elektroder som mäter 5 cm x 5 cm eftersom denna storlek är en bra kompromiss mellan fokal stimulering (som orsakar mer irritation och obehag) och större elektroder som saknar fokalitet. Blötlägg elektroderna i fysiologisk saltlösning i 5 minuter före applicering.
- För att minimera effekten av stimulering på andra områden i hjärnan, placera referenselektroden vid basen av halsen till vänster (höger för homologer) sida (se figur 3 och figur 4). Använd svampig elektroder som mäter 5 cm x 5 cm också.
Anmärkning: särskild uppmärksamhet bör ägnas åt att förhindra att lösningen sprids bortom gränserna för appliceringszonen för elektroden. Särskild försiktighet bör iakttas för att hålla det omgivande elektrod området torrt. - För optimal katodal stimulering, Använd 1,5 mA ström för 15 min. Vid uppkomsten stiger strömmen gradvis från 0 till 1,5 mA över 30 s, och i slutet av stimulering det sjunker tillbaka till noll över 30 s.
- För anodal stimulering, använda samma förfarande som katodal stimulering, utom polariteten är omvänd, och anodal elektroden placeras på den aktiva platsen, medan katoden används som referenselektrod placerad utanför hårbotten området.
- Wernickes område.
- Simulerad stimulering
- Utför simulerad stimuleringsprocedur i allmänhet enligt beskrivningen ovan, förutom att den nuvarande endast tillämpas kortfattat i början och slutet av simulerad session. För detta ändamål, under den första och den sista 30 s av sessionen, tillämpa en elektrisk puls av en triangulär form med högst 1,5 mA, som används i detta protokoll.
- Huvudsaklig beteendemässig uppgift: kontextuell semantisk inlärning
- Presentera uppsättningar med kontextuella meningar för de nya orden i slumpmässig ordning. Starta varje mening med en Word-by-Word-presentation.
- Efter detta, Visa hela meningen på skärmen för att säkerställa dess full förståelse. Har deltagarna trycka på mellanslagstangenten med pekfingret på vänster hand efter att ha läst hela meningen. Varaktigheten av meningen presentationen är 5000 MS.
ANMÄRKNINGAR: uppsättningarna av meningarna separeras från varandra genom utseendet på tre hårkors ("+ + +") för 2000 MS. varje nytt koncept presentation börjar med en enda fixering Cross ("+") närvarande för 500 ms innan meningen ord är blixtrade. Varje ord presenteras för 500 ms, och den tomma skärmen i bakgrundsfärgen mellan ord inom en mening är 300 MS lång.
- Förfarande för förvärvs bedömning
- För att bedöma inlärnings effekter både omedelbart och efter konsolideringsfasen över natten, Bryt stimulansen i två undergrupper, jämnt fördelade över stimulans förhållanden och motviktning i ämnesgruppen, och kör bedömnings uppgiften omedelbart efter inlärnings protokollet på en delmängd, och efter en 24 h fördröjning på den andra.
Obs: denna strategi är baserad på litteraturen som belyser vikten av natten minne konsolidering för förvärvet av nya ord19,20. - Använd alla utvecklade uppgifter i den ordning som beskrivs i avsnitt 3 ovan för att bedöma olika nivåer av ord/koncept förvärv. Välj ordningen för uppgifterna för att minimera eventuella överföring effekter från en uppgift till följande.
- För aktiviteter 1 och 4 använder du kalkylblad som ska fyllas av ämnen (för hand eller med hjälp av en text-eller kalkylblads processor). presentera de andra uppgifterna med hjälp av temporalt exakt simuleringsprogram.
Anmärkning: varje stimulans i uppgifter 2 och 3 presenteras för 600 MS, med en fixering Cross ("+") som finns i interstimulus intervallet (1400 MS); Se diagram 3. För övriga uppgifter är svarstiden inte begränsad.
- För att bedöma inlärnings effekter både omedelbart och efter konsolideringsfasen över natten, Bryt stimulansen i två undergrupper, jämnt fördelade över stimulans förhållanden och motviktning i ämnesgruppen, och kör bedömnings uppgiften omedelbart efter inlärnings protokollet på en delmängd, och efter en 24 h fördröjning på den andra.
6. analys av data
- Utföra dataanalys med olika tester som jämför två uppsättningar av prover som kommer från kontinuerliga distributioner (såsom Wilcoxon undertecknat rank test eller Mann-Whitney U-test) eller medianer (två-prov t-test, om distributionen är normal).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Medan data analyserades för den specifika uppsättningen uppgifter, bör det betonas att den utvecklade uppsättningen av tester och paradigmet kunde anpassas till en mängd olika Psykolingvistiska experiment. Resultaten analyserades i termer av noggrannhet Poäng (antal korrekta svar) och reaktionstid (RT) med icke-parametriska Wilcoxon undertecknat rank test och Mann-Whitney U test över grupper (cathodal och simulerad stimulering villkor). Signifikanta skillnader i uppgifter inom varje grupp presenteras i tabell 3. nedan belyser vi de viktigaste stimuleringsrelaterade resultaten (för beskrivande statistik se tabell 2).
Jämförelsen av prestanda i lexikal besluts uppgift mellan de två grupperna (katodal kontra simulerad stimulering villkor) visade skillnader den första dagen mellan noggrannhet för konkurrent pseudowords: noggrannhet ökade mer efter katodal än efter bluff stimulering (р ≤ 0,041), vilket tyder på minskad lexikal konkurrens efter katodal stimulering. I erkännande uppgiften, noggrannhet för nya ord var bättre efter bluff än efter katodal stimulering både på den första (р ≤ 0,034) och den andra (р ≤ 0,09) dag, vilket tyder på minskad lexikal inlärning effektivitet efter stimulering. Ingen av uppgifterna visade skillnader i RT mellan grupper. Resultaten av de semantiska uppgifterna visade matchningen mellan romanen form mening och ytan form var mer framgångsrik för katodal grupp över bluff på den andra dagen endast (р ≤ 0,011).
Inom varje grupp fanns det anmärkningsvärda skillnader i noggrannhet Poäng och reaktionstider mellan de två bedömningar sessioner. I Sham-gruppen var romanen ordigenkänning bättre på den första än den andra dagen (р ≤ 0,049). I den katodal gruppen var RT i erkännande uppgiften betydligt kortare för nya ord än för konkurrenten pseudoord den första dagen (р ≤ 0,042), men inte på den andra. Resultaten av lexikal besluts uppgift visade att efter katodal stimulering på den första (р ≤ 0,003) och den andra dagen (р ≤ 0,001), det fanns bättre prestanda för nya ord än för pseudoword konkurrenter. I Sham-gruppen observerades dock denna effekt endast den andra dagen (р ≤ 0,002).
Figur 1 : Experimentell kammare. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2 : Procedur för att presentera stimuli i sammanhangsbaserad inlärning sekvens. (A) att göra stimulans grupper: grupper av ord/pseudoordstimuli. (B) diagram över stimulans presentation i sammanhangsberoende inlärnings block. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3 : Placering av stimulering elektrod för Wernicke s och Broca områden. Vänster panel: sidovy och projektion på hjärnområden. Hjärn zoner, EEG-elektroder (system 10-20%) motsvarar dem, och röda rektanglar som representerar platsen för stimulerande elektroder är markerade. Referenselektroden visas vid hals basen. Höger panel: projektion av den stimulerande elektroden på EEG 10-20% systemlayout. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 4 : TDCs-utrustning. A) stimulator. Bsaltlösning. (C) elektroder vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
| Exempel på meningar |
| Нашим бабушкам было неведомо такое чувство как мушкелак. Våra mormödrar visste inte en sådan känsla som mushkelak. |
| Благодаря своей хорошей памяти, Маша Programme чувствовала мушкелак. Tack vare hennes goda minne, upplevde Masha aldrig någon mushkelak. |
| För att nämna några av dessa, så är det bara att vara en av de mest i de flesta fall.................... Efter att ha fått några konton, började jag lider av mushkelak. |
| Секретный блокнот поможет решить такую проблему как мушкелак. En hemlig anteckningsbok kan hjälpa dig att lösa problemet med mushkelak. |
| Петр устанавливал одинаковые пароли, Programme желая ощущать мушкелак. Peter alltid ställa samma lösenord som han inte vill ha någon mushkelak. |
Tabell 1: exempel på meningar för kontextuell inlärning av nya ord.
| Simulerad stimulering | Cathodal stimulering | ||||
| Menar | Sd | Menar | Sd | ||
| Uppgift 1: gratis återkallande | |||||
| Dag 1 | Noggrannhet | 4,91 | 2,22 | 5,69 | 1,49 |
| Dag 2 | Noggrannhet | 2,53 | 2,44 | 2,84 | 2,26 |
| Uppgift 2: erkännande. Noggrannhet Poäng | |||||
| Dag 1 | Nya ord | 3,06 | 0,89 | 1,96 | 1,68 |
| Konkurrentord | 3,63 | 1,14 | 3,73 | 1,29 | |
| Pseudoord för konkurrent | 2,60 | 1,15 | 2,69 | 1,39 | |
| Kontrollera pseudoord | 3,79 | 1,32 | 3,92 | 1,41 | |
| Kontroll ord | 4,67 | 1,05 | 4,29 | 1,16 | |
| Dag 2 | Nya ord | 2,58 | 0,93 | 1,56 | 1,47 |
| Konkurrentord | 4,40 | 0,74 | 4,10 | 1,39 | |
| Pseudoord för konkurrent | 3,13 | 1,25 | 3,31 | 1,00 | |
| Kontrollera pseudoord | 4,33 | 0,92 | 4,50 | 1,14 | |
| Kontroll ord | 4,58 | 1,02 | 4,38 | 1,44 | |
| Uppgift 2: erkännande. Reaktionstid (MS) | |||||
| Dag 1 | Nya ord | 793 | 167 | 858 | 183 |
| Konkurrentord | 804 | 151 | 845 | 179 | |
| Pseudoord för konkurrent | 883 | 261 | 962 | 306 | |
| Kontrollera pseudoord | 849 | 201 | 833 | 234 | |
| Kontroll ord | 699 | 131 | 767 | 196 | |
| Dag 2 | Nya ord | 836 | 200 | 933 | 272 |
| Konkurrentord | 816 | 239 | 818 | 213 | |
| Pseudoord för konkurrent | 859 | 281 | 924 | 236 | |
| Kontrollera pseudoord | 818 | 280 | 866 | 265 | |
| Kontroll ord | 734 | 212 | 817 | 234 | |
| Uppgift 3: lexikalt beslut. Noggrannhet Poäng | |||||
| Dag 1 | Nya ord | 2,42 | 1,63 | 1,96 | 1,68 |
| Konkurrentord | 4,13 | 0,78 | 4,10 | 0,90 | |
| Pseudoord för konkurrent | 3,46 | 1,17 | 4,02 | 1,33 | |
| Kontrollera pseudoord | 4,21 | 1,02 | 4,25 | 1,26 | |
| Kontroll ord | 4,54 | 0,72 | 4,54 | 0,78 | |
| Dag 2 | Nya ord | 2,04 | 1,47 | 1,56 | 1,47 |
| Konkurrentord | 4,38 | 0,56 | 4,46 | 0,61 | |
| Pseudoord för konkurrent | 3,81 | 1,08 | 3,94 | 1,39 | |
| Kontrollera pseudoord | 4,54 | 0,78 | 4,58 | 1,28 | |
| Kontroll ord | 4,42 | 0,72 | 4,63 | 0,71 | |
| Uppgift 3: lexikalt beslut. Reaktionstid (MS) | |||||
| Dag 1 | Nya ord | 817 | 244 | 921 | 248 |
| Konkurrentord | 747 | 181 | 797 | 201 | |
| Pseudoord för konkurrent | 927 | 307 | 910 | 265 | |
| Kontrollera pseudoord | 891 | 291 | 852 | 213 | |
| Kontroll ord | 737 | 217 | 784 | 221 | |
| Dag 2 | Nya ord | 878 | 287 | 963 | 292 |
| Konkurrentord | 743 | 174 | 811 | 197 | |
| Pseudoord för konkurrent | 914 | 290 | 918 | 244 | |
| Kontrollera pseudoord | 871 | 286 | 853 | 244 | |
| Kontroll ord | 719 | 189 | 756 | 234 | |
| Uppgift 4: semantisk definition | |||||
| Dag 1 | På | 1,27 | 0,75 | 1,87 | 1,45 |
| Noggrannhet | 7,97 | 4,03 | 8,71 | 5,66 | |
| Dag 2 | På | 0,52 | 0,79 | 1,39 | 1,44 |
| Noggrannhet | 2,82 | 2,73 | 5,86 | 5,74 | |
| Uppgift 5: semantisk matchning | |||||
| Dag 1 | Noggrannhet | 3,16 | 0,97 | 3,18 | 1,03 |
| Reaktionstid (MS) | 10914 | 3391 | 10856 | 6039 | |
| Dag 2 | Noggrannhet | 2,41 | 1,07 | 2,89 | 1,25 |
| Reaktionstid (MS) | 8798 | 2488 | 8908 | 3419 | |
Tabell 2: Beskrivande statistik.
| Simulerad stimulering | p-värde | Cathodal stimulering | p-värde | |
| Uppgift 1: Free Recall. Noggrannhet Poäng | ||||
| Mellan dagar | Noggrannhet poäng dag 1 kontra noggrannhet poäng dag 2 | 0,001 | Noggrannhet poäng dag 1 kontra noggrannhet poäng dag 2 | < 0,001 |
| Uppgift 2: erkännande. Noggrannhet Poäng | ||||
| Dag 1 | Nya ord vs. | ─ | Nya ord vs. | ─ |
| Konkurrentord | 0,042 | Konkurrentord | 0,004 | |
| Kontrollera pseudoord | 0,041 | Pseudoord för konkurrent | 0,045 | |
| Kontroll ord | 0,001 | Kontrollera pseudoord | 0,002 | |
| ─ | ─ | Kontroll ord | < 0,001 | |
| Dag 2 | Nya ord vs. | ─ | Nya ord vs. | ─ |
| Konkurrentord | 0,001 | Konkurrentord | < 0,001 | |
| Kontrollera pseudoord | 0,001 | Pseudoord för konkurrent | 0,001 | |
| Kontroll ord | 0,001 | Kontrollera pseudoord | < 0,001 | |
| ─ | ─ | Kontroll ord | < 0,001 | |
| Mellan dagar | Nya ord | 0,049 | Konkurrentord | 0,036 |
| Konkurrentord | 0,011 | Pseudoord för konkurrent | 0,024 | |
| Pseudoord för konkurrent | 0,034 | Kontrollera pseudoord | 0,020 | |
| Kontrollera pseudoord | 0,030 | ─ | ─ | |
| Erkännande. Reaktionstid (MS) | ||||
| Dag 1 | Nya ord vs. Kontroll ord | 0,005 | Nya ord vs. | ─ |
| Pseudoord för konkurrent | 0,042 | |||
| Kontroll ord | 0,006 | |||
| Dag 2 | Nya ord kontra kontroll ord | 0,007 | Nya ord vs. | ─ |
| Konkurrentord | 0,001 | |||
| Kontrollera pseudoord | 0,045 | |||
| Kontroll ord | 0,014 | |||
| Uppgift 3: lexikalt beslut. Noggrannhet Poäng | ||||
| Dag 1 | Nya ord vs. | ─ | Nya ord vs. | ─ |
| Konkurrentord | 0,001 | Konkurrentord | < 0,001 | |
| Kontrollera pseudoord | 0,001 | Pseudoord för konkurrent | 0,003 | |
| Kontroll ord | 0,001 | Kontrollera pseudoord | 0,001 | |
| ─ | ─ | Kontroll ord | < 0,001 | |
| Dag 2 | Nya ord vs. | ─ | Nya ord vs. | ─ |
| Konkurrentord | 0,001 | Konkurrentord | < 0,001 | |
| Pseudoord för konkurrent | 0,002 | Pseudoord för konkurrent | 0,001 | |
| Kontrollera pseudoord | 0,001 | Kontrollera pseudoord | < 0,001 | |
| Kontroll ord | 0,001 | Kontroll ord | < 0,001 | |
| Mellan dagar | Inga signifikanta skillnader | ─ | Kontrollera pseudoord | 0,033 |
| Lexikalt beslut. Reaktionstid (MS) | ||||
| Dag 1 | Nya ord vs. | Nya ord vs. | ─ | |
| Konkurrentord | 0,022 | Konkurrentord | 0,001 | |
| Pseudoord för konkurrent | < 0,001 | Kontroll ord | 0,013 | |
| Kontrollera pseudoord | 0,033 | ─ | ─ | |
| Dag 2 | Nya ord vs. | ─ | Nya ord vs. | ─ |
| Konkurrentord | 0,003 | Konkurrentord | 0,003 | |
| Kontroll ord | 0,008 | Kontroll ord | 0,001 | |
| Uppgift 4: semantisk definition. Matchnings-och noggrannhets Poäng | ||||
| Mellan dagar | Matchande poäng dag 1 kontra matchande poäng dag 2 | 0,001 | Matchande poäng dag 1 kontra matchande poäng dag 2 | 0,006 |
| Noggrannhet poäng dag 1 kontra noggrannhet poäng dag 2 | 0,001 | Noggrannhet poäng dag 1 kontra noggrannhet poäng dag 2 | < 0,001 | |
| Uppgift 5: semantisk matchning. Noggrannhet Poäng | ||||
| Mellan dagar | Noggrannhet poäng dag 1 kontra noggrannhet poäng dag 2 | 0,006 | Inga signifikanta skillnader | ─ |
| Semantisk matchning. Reaktionstid (MS) | ||||
| Mellan dagar | Reaktionstid dag 1 kontra reaktionstid dag 2 | 0,002 | Reaktionstid dag 1 kontra reaktionstid dag 2 | 0,015 |
Tabell 3: signifikanta skillnader i noggrannhets resultat och reaktionstider inom varje grupp (simulerad och katodal stimuleringar). Värdena inom parentes är medelvärdet Poäng och reaktionstider.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Resultaten belyser några viktiga punkter som måste beaktas vid genomförandet av psykolingvistisk forskning i allmänhet, och neurolingvistik tDCS studier i synnerhet. Stimulering av språk cortices (exemplifieras här av Wernicke område) ger ett komplext mönster av beteendemässiga resultat. Till skillnad från TMS-tekniken, där det är möjligt att helt störa tal bearbetningen (t. ex. det så kallade "Speech gripande"-protokollet)21, möjliggör denna metod en möjligen mer komplicerad, graderad och subtil påverkan på språkprocessmekanismerna. Vi har funnit en variation av både noggrannhet och reaktionstid skillnader som skiljde sig avsevärt mellan villkor, tester och bedömnings dagar. De tekniska konsekvenserna av det protokoll som rapporteras diskuteras kortfattat nedan.
För att frigöra de olika effekterna, ett batteri av olika tester behövs, som kan testa för processer på olika nivåer av kort-och långtidsminne, lexikal tillgång, semantisk bearbetning, etc. Till exempel, effekterna här inkluderar olika prestanda i återkallande och erkännande för olika stimulans typer och stimulansvillkor, vilket tyder på differential lexikala konkurrenseffekter för nya och gamla poster, och divergerande effekter av tDCS på lexikala och semantiska nivåer. Våra resultat bekräftar känsligheten hos de utnyttjade uppgifterna till effektiviteten av nya ord förvärv på olika nivåer, inklusive erkännande, förståelse av ett ord mening och gratis återkallande.
På samma sätt, en TDCs villkor (t. ex., anodal, katodal stimulering) kräver en ordentlig kontroll tillstånd (eller kontrollgrupp), bluff (placebo) stimulering är den lämpligaste baslinjen. Till skillnad från elektrisk stimulering av motoriska cortex, kan effekterna inte alltid vara entydiga22, de är starkt beroende av de tester som används, eller kanske inte visas alls23.
En annan mycket viktig punkt är att endast en typ av stimulans kan tillämpas i varje enskilt ämne i samband med en enda experimentell session. Detta innebär normalt en mellan-gruppdesign, till exempel en anodal stimulering grupp, en katodal stimulering grupp, och en placebo (Sham) kontrollgrupp. För inom gruppen mönster, använda olika tDCS protokoll på olika dagar, minst 24 h isär (i studier, detta innebär också att använda olika språkliga stimuli på olika dagar för att undvika kontaminering av resultaten genom upprepning effekter). Den nuvarande rapporten använder ett experiment med katodal stimulering av Wernicke områden som ett exempel, men liknande förfaranden gäller för andra polariteter/platser.
Kontextuell presentation av nya ord utvidgar betydligt möjligheterna till samtidig studie av förvärv av ord form i sig och dess semantik. Traditionellt studeras dessa processer separat med fokus antingen på förvärvet av en ny ord form eller på sambandet mellan en innebörd av ett välbekant ord med andra semantiska enheter24,25,26. I det föreslagna protokollet kombineras båda målen. Därför är det möjligt att jämföra dynamiken i ett nytt koncept förvärv i nivå med ord form perception och att bemästra dess innehåll, som uppnås genom att använda en omfattande uppsättning tester. Behovet av en sådan jämförelse betonas här genom divergerande dynamik prestanda på nya yta former återkallande och erkännande i motsats till semantisk matchning.
Det är viktigt att komma ihåg de viktigaste skillnaderna mellan tDCS och andra icke-invasiva metoder hjärn stimulering, såsom TMS. Eftersom det inte finns något enkelt sätt att avgöra individuell känslighet för tDCS genom tröskel bedömning, tillämpas ett enda protokoll för alla ämnen. Det är mycket svårt att exakt uppskatta stimulans området-man kan bara tala om den ungefärliga/hypotetiska område som stimuleras. Det är också svårt att uppskatta varaktigheten för offlinestimuleringseffekter när strömmen är avstängd. Förmodligen, de viktigaste effekterna av stimulering observeras upp till en timme efter uppsägning av stimulering. Emellertid, effekterna kan ibland upptäckas även en dag efter stimulering20.
Ändå, jämfört med TMS, den relativa enkel tillämpning av tDCS, den betydligt lägre risken för biverkningar och avsaknaden av akustiska artefakter gör detta protokoll attraktivt för att studera tal och språk funktion. Det är också värt att notera att kombinationen av elektrisk stimulering med andra metoder, till exempel med TMS, fMRI, EEG eller farmakologisk intervention, gör det möjligt att studera neuronala mekanismer av TDCs i mer detalj27,28.
Eftersom tDCS-stimulering inte är mycket lokaliserad, är en icke-specifik effekt möjlig. Detta framgår tydligt av de befintliga bevisen, där mycket olika eller till och med motsatta protokoll ibland kan leda till liknande resultat. Detta kan bero på den allmänna påverkan på andra kognitiva funktioner och processer såsom uppmärksamhet, hämtning från minnet, och så vidare. Ett specialiserat batteri av tester behövs för att upptäcka de effekter som är förknippade med en viss språk funktion. Efter de föreslagna stegen i den stimulans material skapandet (verifiering av ytan eller Lemma frekvensen av orden, längd av ord och meningar, etc.), är det nödvändigt att beakta den grammatiska och fonetiska strukturen i ett språk. Till exempel kan antalet ord i en mening och längden på orden variera beroende på det exakta behovet. Dessutom bör de ord som används i experimentet kontrolleras för både stavning och ljud. I ett ortografiskt transparent språk som ryska, är detta relativt enkelt, men det kan vara svårt att uppnå på andra språk (t. ex., engelska, danska eller mandarin).
I linje med en kropp av tidigare studier, finner vi olika effekter av förvärvet omedelbart efter inlärnings blocket och efter en övernattning sömn, vilket belyser effekterna av övernattning konsolidering. Viktigt, vi hittar också gruppskillnader (Sham kontra katod) på den andra dagen. Det är allmänt accepterat att den fysiska effekten av stimulering av cortex är relativt kortvarig, på order av minuter till flera timmar. Detta innebär att de kognitiva effekter som uppnåtts under den övergående stimuleringsfasen ändå upprätthålls under en längre period och kan därför eventuellt användas för att modulera ord anskaffning och-bearbetning i praktiska inställningar. Uppenbarligen är inte bara de centrala språkområden i Broca och Wernicke inblandade i språk funktionen; antagande av det protokoll som beskrivs ovan är möjligt för alla områden i hjärnan, medan ett batteri av Psykolingvistiska tester finjusteras för specifika experimentella ändamål är fortfarande behövs för att bedöma stimulering inverkan på en specifik neurolinguistic drag.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna har inget att avslöja.
Acknowledgments
Stöds av RF-statliga bidragskontrakt nr 14. W 03.31.0010. Vi vill tacka Ekatarina Perikova och Alexander Kirsanov för deras stöd vid utarbetandet av denna publikation. Vi är tacksamma för Olga Shcherbakova och Margarita Filippova för deras hjälp i stimulans urvalet och att Anastasia Safronova och Pavel Inozemcev för deras hjälp i produktionen av videomaterial.
References
- 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).
- Antal, A., et al. Low intensity transcranial electric stimulation: Safety, ethical, legal regulatory and application guidelines. Clinical Neurophysiology. 128 (9), 1774-1809 (2017).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Flöel, A., et al. Short-term anomia training and electrical brain stimulation. Stroke. 42 (7), 2065-2067 (2011).
- 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).
- Shtyrov, Y. Neural bases of rapid word learning. The Neuroscientist. 18 (4), (2012).
- 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).
- 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).
- Oldfield, R. C. The assessment and analysis of handedness: the Edinburgh inventory. Neuropsychologia. 9 (1), 97-113 (1971).
- Rodd, J. M., et al. Learning new meanings for old words: effects of semantic relatedness. Memory & Cognition. 40 (7), 1095-1108 (2012).
- Quiroga, R. Q., Fried, I., Koch, C. Brain cells for grandmother. Scientific American. 308 (2), 30-35 (2013).
- 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).
- Chatrian, G. E., Lettich, E., Nelson, P. L. Modified nomenclature for the "10%" electrode system. Journal of Clinical Neurophysiology. 5 (2), 183-186 (1988).
- Nishitani, N., Schürmann, M., Amunts, K., Hari, R. Broca's Region: From Action to Language. Physiology. 20 (1), 60-69 (2005).
- Dumay, N., Gareth Gaskell, M. Overnight lexical consolidation revealed by speech segmentation. Cognition. 123 (1), 119-132 (2012).
- Landi, N., et al. Neural representations for newly learned words are modulated by overnight consolidation, reading skill, and age. Neuropsychologia. 111, 133-144 (2018).
- Tarapore, P. E., et al. Language mapping with navigated repetitive TMS: Proof of technique and validation. NeuroImage. 82, 260-272 (2013).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
