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Linguaggio: L'N400 nell'incongruenza semantica

Overview

Fonte: Laboratori di Sarah I. Gimbel e Jonas T. Kaplan— University of Southern California

Comprendere il linguaggio è uno dei compiti cognitivi più complessi di cui gli esseri umani sono capaci. Data l'incredibile quantità di scelte possibili quando si combinano singole parole per formare un significato nelle frasi, è fondamentale che il cervello sia in grado di identificare quando le parole formano combinazioni coerenti e quando appare un'anomalia che mina il significato. Ricerche approfondite hanno dimostrato che alcuni eventi elettrici registrati sul cuoio capelluto sono sensibili alle deviazioni in questo tipo di aspettativa. È importante sottolineare che queste firme elettriche di incongruenza sono specifiche per significati inaspettati e sono quindi diverse dalle risposte generali del cervello ad altri tipi di anomalie.

I correlati neurofisiologici dell'incongruenza semantica sono stati esaminati sperimentalmente attraverso l'uso di paradigmi che presentano fini semanticamente congruenti e incongruenti alle frasi. Originariamente introdotto nel 1980, il compito di incongruenza semantica presenta al partecipante una serie di frasi che terminano con una parola congruente o incongruente. Per verificare che la risposta sia da incongruenza semantica e non più in generale da sorpresa, alcune frasi includevano parole presentate in una dimensione diversa. 1 È stato dimostrato che la fine semanticamente incongruente di una frase suscita specifici eventi elettrici registrabili sul cuoio capelluto noti come potenziali correlati agli eventi (ERP). Un ERP è la risposta cerebrale misurata risultante da uno specifico evento sensoriale, cognitivo o motorio. Gli ERP sono misurati utilizzando l'elettroencefalografia (EEG), un mezzo non invasivo per valutare la funzione cerebrale in pazienti con malattia e individui normalmente funzionanti. Un componente ERP specifico trovato attraverso il cuoio capelluto, noto come N400, mostra una maggiore ampiezza in risposta a eventi semanticamente incongruenti. L'N400 è una deflessione negativa nel segnale EEG che si verifica tra 250 e 400 ms dopo l'inizio dello stimolo. In generale, i potenziali precoci riflettono l'elaborazione sensoriale-motoria, mentre i potenziali successivi come l'N400 riflettono l'elaborazione cognitiva.

In questo video, mostriamo come amministrare un'attività di incongruenza semantica utilizzando EEG. Il video riguarderà l'impostazione e la somministrazione dell'EEG e l'analisi degli ERP relativi sia agli stimoli di controllo che a quelli target nell'incongruenza semantica. In questo compito, i partecipanti sono impostati con gli elettrodi EEG, quindi l'attività cerebrale viene registrata mentre visualizzano frasi di controllo e frasi semanticamente incongruenti. La procedura EEG è simile a quella di Habibi et al.,1 e il compito è modellato su Kutas e Hillyard. 2 Quando gli ERP sono mediati tra le frasi congrue e incongrue, i correlati neurali di ciascun evento possono essere confrontati in una finestra temporale selezionata.

Procedure

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1. Reclutamento dei partecipanti

  1. Recluta 20 partecipanti per l'esperimento.
  2. Assicurarsi che i partecipanti siano stati pienamente informati delle procedure di ricerca e abbiano firmato tutti i moduli di consenso appropriati.

2. Raccolta dei dati

Figure 2
Figura 1: Posizionamento dell'elettrodo. Posizionamento degli elettrodi facciali per rilevare artefatti EOG e registrare il movimento mastoideo (A). Diagramma di misurazione da direttamente tra le sopracciglia a appena sotto la protuberanza nella parte posteriore della testa. Il 10% di questa misurazione viene misurato sopra il segno dell'occhio medio, ed è qui che viene posizionato l'elettrodo FPZ del cappuccio (B).

  1. Preparazione EEG (Nota: questi passaggi sono per l'uso con il sistema Neuroscan 4.3 con amplificatore Synamps 2 e un tappo rapido a 64 canali.)
    1. I partecipanti a uno studio EEG non dovrebbero avere prodotti per capelli(ad esempiogel, topo o balsamo leave-in) nei loro capelli prima della loro partecipazione.
    2. Riempire 2-4 siringhe da 10 ml con elettrodo-gel conduttivo(cioèQuick-gel). Si consiglia di mescolare il gel prima di usarlo per rilasciare bolle d'aria.
    3. Spazzolare accuratamente i capelli e il cuoio capelluto (circa 5 min).
    4. Testa pulita con alcool e garza di cotone. Pulire anche la pelle per il posizionamento degli elettrodi: due mastoidi (dietro ogni orecchio), sotto e sopra l'occhio sinistro VEO (elettro-oculare verticale), e i lati più lontani di ciascun occhio HEO (elettro-oculare orizzontale; Figura 1, a sinistra).
    5. Utilizzando dischi adesivi su due lati, posizionare gli elettrodi.
    6. Misura la testa dalla parte anteriore (direttamente tra le sopracciglia, a metà occhio) all'inion (sotto la protuberanza della testa nella parte posteriore). Questa distanza determinerà la dimensione del cappuccio (piccolo, medio o grande). Per posizionare il cappuccio, segnare il 10% della distanza misurata sulla fronte e assicurarsi che l'elettrodo medio-frontale (FPz) sia posizionato su questo punto contrassegnato.
    7. Collegare gli elettrodi facciali ai rispettivi cavi sul cappuccio.
    8. Inizia a riempire gli elettrodi con gel, usando la punta smussata dell'ago per raschiare i capelli da parte sotto l'elettrodo, in modo che l'elettrodo sia a diretto contatto con il cuoio capelluto. Fai attenzione a non ferire la pelle.
      1. Sollevare un po 'l'elettrodo rende più facile l'inserimento del gel. Nella maggior parte dei casi, ci saranno capelli sotto l'elettrodo. Spostarlo fuori mano consentirà una migliore impedenza.
    9. Porta il partecipante nella stanza insonorizzata e collega il cappuccio e i singoli elettrodi.
    10. Controllare l'impedenza della connessione elettrodo-cuoio capelluto per mantenerla al di sotto di 10 KΩ. Se l'impedenza è elevata, assicurarsi che l'elettrodo abbia gel conduttivo e sia in contatto con il cuoio capelluto.
      1. L'impedenza è la tendenza a impedire il flusso di una corrente alternata. Un'elevata impedenza può aumentare il rumore nei dati e deve essere ridotta al minimo prima dell'inizio dello studio.
      2. Nella maggior parte dei casi, i capelli sono nel modo dell'elettrodo. Toglierlo di mezzo dovrebbe ottenere una migliore impedenza.
    11. Una volta che l'impedenza è accettabile per tutti gli elettrodi e le tracce EEG sono prive di rumore, la raccolta dei dati può iniziare.
  2. Raccolta dati EEG
    1. Preparare il partecipante a svolgere l'attività.
      1. Posizionare il partecipante su una sedia a 75 cm dallo schermo del computer, in una stanza attenuata dal suono e dalla luce (schermata acusticamente ed elettricamente).
      2. Dì al partecipante che leggerà frasi di sette parole, presentate una parola alla volta sullo schermo di fronte a loro. Devono leggere ogni frase per rispondere alle domande sul contenuto delle frasi alla fine dell'esperimento.
        1. Ognuna delle sette parole della frase è mostrata individualmente per 100 ms, con un intervallo interstimolo di 1000 ms tra ogni parola.
          1. Le parole vengono presentate una alla volta al centro dello schermo per ridurre al minimo i movimenti oculari durante l'esperimento.
        2. Il partecipante vede prima 10 frasi di pratica.
        3. Mostra i 240 stimoli in ordine casuale, in due presentazioni di 120 frasi. Un terzo delle frasi sono frasi normali, dove l'ultima parola è semanticamente congruente con il resto della frase. Un terzo delle frasi sono frasi incongruenti, dove l'ultima parola è semanticamente incongruente con il resto della frase. Un terzo delle frasi sono frasi normali in cui l'ultima parola è presentata in un carattere più grande rispetto al resto della frase.
  3. Avviare il sistema e avere una registrazione continua dell'EEG durante la presentazione dell'attività funzionale.
  4. L'EEG è amplificato da amplificatori con un guadagno di 1024 e un passa-banda di 0,01-100 Hz.
  5. Le prove contaminate da battiti di ciglia e rigetto di artefatti (circa il 15% delle prove) saranno eliminate off-line.

3. Analisi dei dati

  1. Offline, dati di riferimento per mastoidi medi.
  2. Le epoche sono corrette al basale usando l'epoca 200 ms prima dell'inizio dello stimolo.
  3. Per correggere gli artefatti di movimento, escludere le epoche con una variazione del segnale superiore a 150 μV a qualsiasi elettrodo EEG nella media.
  4. Filtrare digitalmente i dati offline (passa banda 0,05-20 Hz).
  5. Utilizzare le medie ERP visualizzate dai siti di registrazione Pz per il corso temporale di ogni frase (Figura 2).
    1. Il picco (ampiezza e latenza) dell'N400 parietale viene ottenuto automaticamente da tutti gli elettrodi.

Figure 2
Figura 2: Risultati dell'attività di incongruenza semantica. Al partecipante viene presentata una frase, una parola alla volta. Ogni parola viene visualizzata per 100 ms, seguita da 1 s di uno schermo vuoto. I partecipanti vedono frasi congrue (rosso), frasi incongrue (blu) e frasi in cui l'ultima parola è presentata in una dimensione maggiore (verde). Solo le frasi incongrue producono la risposta N400 quando viene presentata l'ultima parola. Quando l'ultima parola è congrua ma di dimensioni maggiori, c'è una risposta P560 successiva.

  1. Analisi statistica
    1. Traccia le medie ERP degli elettrodi Pz parietali per condizioni di dimensioni congruenti, incongruenti e devianti.
    2. Per l'ampiezza di picco e le latenze, utilizzare i test F per ogni intervallo di latenza per determinare se esiste una differenza tra gli stimoli target e di controllo.

Comprendere il linguaggio comporta processi cognitivi complessi e, dato l'incredibile numero di scelte e disposizioni di parole che possono formare una singola frase, il cervello deve essere in grado di distinguere tra combinazioni coerenti e incoerenti.

La comprensione di una frase da parte di una persona, sia pronunciata – come quando una madre dice a suo figlio che sta andando al negozio – o scritta in un libro, dipende, in parte, da ciò che il cervello prevede che sarà la parola successiva nella frase.

Ad esempio, se qualcuno inizia a leggere "Era un buio e tempestoso ..." all'inizio di un libro, si prevede che "notte" sarà il termine successivo.

Tuttavia, occasionalmente si incontrano parole inaspettate, come "... e lo scienziato pazzo stava dipingendo il suo laboratorio il procione di colore ..."— che sconvolgono il significato della frase.

In questo caso, il termine anomalo è procione, in quanto si riferisce a un tipo di animale, piuttosto che a un colore previsto, come il nero.

Tali incongruenze semantiche – le frasi insensate – suscitano segnali elettrici unici nel cervello – risposte note come potenziali correlati agli eventi, ERP in breve – che possono fornire informazioni su come il cervello recupera la definizione o rielabora la parola fastidiosa nel tentativo di comprendere la frase.

Questo video spiega come la tecnica dell'elettroencefalografia, o EEG, può essere utilizzata per misurare gli ERP durante le attività di incongruenza semantica, in cui ai partecipanti vengono mostrate frasi che terminano con parole inaspettate.

Dimostriamo come progettare stimoli e raccogliere e analizzare i dati, concentrandoci in particolare su un componente unico degli ERP, denominato N400 per riflettere le sue caratteristiche.

In questo esperimento, l'EEG viene utilizzato per misurare l'attività cerebrale nei partecipanti che hanno mostrato stimoli semanticamente coerenti e incoerenti, al fine di indagare l'elaborazione e la comprensione del linguaggio.

Questi stimoli consistono in tre tipi di frasi: congrue, incongrue e devianti in termini di dimensioni. Sebbene ognuno sia composto da sette parole, differiscono nella natura dei loro ultimi termini.

Le parole finali in frasi congrue, come "Ha graffiato il suo cane dietro l'orecchio.", non pongono problemi di significato e appaiono nello stesso tipo di carattere - e dimensione - di quelli che lo precedono.

È importante sottolineare che queste frasi servono come controlli per valutare come il cervello risponde a combinazioni di parole coerenti.

Al contrario, frasi incongrue, come "Ha immerso il suo dito di pollo negli stivali.", possiedono ultimi termini semanticamente anomali.

Qui, gli stivali sono in conflitto con il significato del resto delle parole: ci si aspetta che le dita di pollo siano immerse in un condimento come la senape, non in articoli di abbigliamento. Pertanto, questi stimoli valutano quanto sorprendente e incoerente venga elaborato il linguaggio.

L'ultimo tipo di frasi è chiamato deviante per le dimensioni e contiene ultime parole che sono sorprendenti nell'aspetto - sono in un carattere più grande - ma non congruità.

Ad esempio, se nella frase "Ha messo la mano nel suo guanto.", il termine mitten è scritto a lettere più grandi, ha ancora senso semantico.

Questi stimoli sono critici, in quanto hanno lo scopo di distinguere se la risposta del cervello all'ultima parola in una frase è il risultato di una sorpresa generale – lo shock di una dimensione del testo incoerente – o è specifica per significati inaspettati.

Dopo che i partecipanti sono stati preparati per l'EEG, viene detto loro di leggere attentamente le frasi che appaiono sullo schermo di un computer, poiché in seguito verranno poste domande su di loro.

In realtà, nessun quiz viene dato alla fine dell'esperimento; tuttavia, queste istruzioni assicurano che i soggetti prestino attenzione agli stimoli imminenti.

Durante l'attività, ai partecipanti vengono mostrate in sequenza, nell'ordine corretto, le sette parole che compongono una singola frase.

Ogni termine appare singolarmente al centro del monitor, per ridurre i movimenti oculari che potrebbero interferire con la raccolta dei dati, per 100 ms ed è seguito da 1000 ms di schermo vuoto.

Le informazioni EEG vengono continuamente registrate in oltre 120 di tali processi, ognuno dei quali consiste in una frase unica. In particolare, gli stimoli sono mostrati alla stessa frequenza, 40 volte, ma in ordine casuale. Quindi, l'attività viene ripetuta una seconda volta, quindi i partecipanti devono leggere un totale di 240 frasi in tutto.

Successivamente, i dati EEG vengono elaborati per visualizzare gli ERP medi per ogni tipo di frase, da ciascun elettrodo, e gli scienziati cercano il componente N400 in queste forme d'onda.

La "N" in questo termine indica che il picco è negativo e il "400" rappresenta la sua latenza, che si verifica circa 400 ms dopo che lo stimolo dell'ultima parola è stato mostrato al partecipante.

Sulla base dell'esperienza precedente, si prevede che l'ampiezza di N400 aumenterà in risposta a eventi semanticamente incoerenti e sarà registrata da tutti gli elettrodi del cuoio capelluto.

Tuttavia, questa risposta sarà probabilmente più prominente all'elettrodo Pz, posizionato nella linea mediana del cuoio capelluto sopra i lobi parietali, regioni di cui sono noti per essere coinvolte nell'elaborazione e nell'integrazione del linguaggio scritto.

Prima di iniziare l'esperimento, recluta un partecipante che sia di madrelingua inglese e spiega loro i due componenti principali della procedura: che indosseranno elettrodi e che verranno mostrate frasi sullo schermo di un computer. Quindi, raccogli da loro tutti i moduli di consenso necessari e firmati.

Quindi, equipaggiare il partecipante con elettrodi per il cuoio capelluto e il viso. Per ulteriori dettagli su questa procedura, consultare i metodi descritti altrove in questa raccolta. Una volta nello spazio di prova, verificare i valori di impedenza su tutti gli elettrodi.

Dopo aver confermato che le tracce EEG sono prive di rumore, istruire il partecipante a sedersi in modo che i suoi occhi siano a circa 75 cm di distanza dallo schermo.

Sottolinea che dovrebbero leggere e prestare molta attenzione alle frasi che appaiono parola per parola su questo display, poiché in seguito verranno poste domande sul loro contenuto.

Per garantire che il partecipante comprenda il compito, mostra loro dieci frasi di pratica, ma non raccogliere dati durante questo periodo. Successivamente, avviare il sistema EEG per iniziare la registrazione continua.

Procedi con il compito funzionale presentando 120 prove, composte da 40 frasi congrue, 40 incongrue e 40 di dimensioni devianti, in un ordine casuale. Quindi, ripeti questo processo con un set aggiuntivo di 120 stimoli per garantire che vengano raccolti dati sufficienti.

Una volta che i dati sono stati registrati per tutti i 240 stimoli, elaboralo come descritto negli ERP di JoVE e nel video Oddball Task.

Per analizzare i dati, tracciare prima le forme d'onda medie per i timecourse di stimoli congrui, incongrui e di dimensioni devianti raccolti dal sito di registrazione Pz. Sull'asse x di questo grafico, che rappresenta il tempo in ms, indicare quando viene mostrata ogni parola di una frase.

Successivamente, individua i picchi N400 e, per ciascuno, calcola la sua ampiezza media, definita come la distanza tra il punto più basso del picco e il valore di base di 0 μV, rappresentato anche dall'asse orizzontale.

Quindi, calcola la latenza di questo componente: quanto tempo in ms ci vuole perché appaia nella forma d'onda dopo che è stata mostrata l'ultima parola in una frase.

Per gli intervalli di queste ampiezze e latenze, procedere all'uso di F-test per determinare se esiste una differenza tra stimoli target e di controllo.

Si noti che la risposta N400 è stata osservata solo dopo che ai partecipanti è stata mostrata l'ultima parola di una frase incongrua, indicando che questo evento elettrico riflette l'elaborazione neurale, in particolare coinvolgendo i lobi parietali, che identificano un'interruzione nell'elaborazione della frase causata da un termine incoerente.

È importante sottolineare che, sebbene N400 non sia stato osservato in forme d'onda raccolte utilizzando stimoli di dimensioni devianti, un altro componente unico, P560, un picco positivo con una latenza di 560 ms, lo era.

Ciò indica che il cervello risponde in modo diverso a stimoli visivi inaspettati e termini semanticamente incoerenti e suggerisce che N400 è una firma elettrica unica dell'incongruenza linguistica.

Ora che sai come l'incoerenza semantica può essere utilizzata per suscitare il componente N400 negli ERP, diamo un'occhiata ad altri modi in cui i ricercatori stanno esaminando questo segnale elettrico unico per studiare l'elaborazione e la comprensione del linguaggio.

Alcuni ricercatori mirano a determinare quando si sviluppa la capacità di identificare il linguaggio incoerente e se questa abilità cambia con l'età.

Tale lavoro ha comportato la visualizzazione di bambini piccoli, dotati di cappucci EEG, rappresentazioni di oggetti riconoscibili, come una macchina fotografica.

Tuttavia, il trucco è che quando il bambino guarda questa raffigurazione, gli viene detto che è qualcosa di diverso, ad esempio un gatto. Pertanto, questa è una versione modificata del compito di incongruenza semantica, poiché la parola parlata non corrisponde al significato dell'elemento visibile.

Le misurazioni delle risposte elettriche del cervello a questi compiti hanno dimostrato che i bambini mostrano una risposta migliorata in stile N400 a coppie incongrue di parole e oggetti - una che dura per diverse centinaia di ms - rispetto agli insiemi congrui.

È importante sottolineare che questo suggerisce che anche in tenera età, gli esseri umani sono in grado di identificare ed elaborare l'incongruenza semantica.

Altri ricercatori stanno valutando se gli ERP possono essere utilizzati per comprendere meglio i deficit linguistici associati a determinati disturbi della personalità, come la schizofrenia.

Paradossalmente, lavori precedenti hanno dimostrato che gli individui con caratteristiche pronunciate simili alla schizofrenia, come l'ansia o l'incapacità di provare piacere, dimostrano una maggiore risposta N400 a coppie di parole congrue - come animale e capra - rispetto alle persone con sintomi più lievi.

Tuttavia, quando questi partecipanti sono stati trattati con un farmaco antipsicotico chiamato olanzapina, l'ampiezza di questo componente N400 causato dalla congruità è diminuita rispetto agli individui trattati con placebo, suggerendo una possibile terapia che potrebbe trattare il linguaggio disgiunto a volte osservato in tali disturbi.

Hai appena visto il video di JoVE su come frasi congrue e incongrue possono essere utilizzate per indagare sull'elaborazione del linguaggio. A questo punto, dovresti sapere come presentare stimoli ai partecipanti e raccogliere e interpretare i dati ERP. Speriamo che ora tu capisca anche come il componente N400 viene utilizzato per indagare altri aspetti della comprensione del linguaggio, come ad esempio come può essere influenzato nei disturbi comportamentali.

Grazie per l'attenzione!

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Results

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Durante il compito di incongruenza semantica in cui i partecipanti hanno visualizzato frasi congrue, frasi incongrue e frasi in cui l'ultima parola è stata presentata in una dimensione maggiore, c'è stata una risposta N400 negativa solo per le frasi incongrue (Figura 2, blu). Le frasi con un elemento sorprendente (ultima parola più grande) che non era semanticamente incongruo non mostravano una risposta N400, ma mostravano una risposta P560 aumentata (Figura 2, rosso). La risposta N400 è iniziata circa 250 ms dopo la presentazione dell'ultima parola della frase e ha raggiunto il picco di circa 400 ms dopo l'inizio dello stimolo.

Questi risultati mostrano che l'attività elettrica nel cervello, e in particolare nel lobo parietale, si registra quando una parola semanticamente incongrua viene presentata come parte di una frase. Questo evento elettrico riflette i processi neurali che identificano l'interruzione dell'elaborazione delle frasi in corso da parte di una parola semanticamente inappropriata. L'N400 sembra fornire informazioni utili sui tempi, la classificazione e le interazioni dei processi cognitivi coinvolti nell'elaborazione e nella comprensione del linguaggio naturale.

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Applications and Summary

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Questo studio dimostra alcuni dei vantaggi dell'approccio ERP, in particolare la sua alta risoluzione temporale. In questo paradigma, per simulare la lettura naturale, gli stimoli delle parole sono presentati molto brevemente in successione. Grazie all'eccellente risoluzione temporale dell'EEG, siamo in grado di discernere le risposte elettriche agli stimoli individualmente.

Come marcatore dell'elaborazione semantica, l'N400 può essere uno strumento utile per comprendere lo sviluppo del linguaggio dall'infanzia all'età adulta. Lo studio di questo componente mostra che anche nei bambini di 19 mesi, c'è un effetto di incongruenza semantica quando sentono parole che non corrispondono alle immagini che stanno vedendo. 3 Questo dimostra la presenza molto precoce di un meccanismo per abbinare le parole al loro giusto contesto. Tuttavia, mentre i giovani adolescenti mostrano un N400 che discrimina tra linguaggio congruente e incongruente, il profilo di risposta di questa componente non è ancora così sfumato come quello degli adulti; ad esempio, non è così sensibile a diversi gradi di incongruenza. 4 Questi studi dimostrano la sensibilità di questo componente ERP come indice di elaborazione semantica.

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References

  1. Habibi, A., Wirantana, V. & Starr, A. Cortical Activity during Perception of Musical Rhythm; Comparing Musicians and Non-musicians. Psychomusicology 24, 125-135 (2014).
  2. Kutas, M., & Hillyard, S. A. (1980). Reading Senseless Sentences: Brain Potentials Reflect Semantic Incongruity. Science, 207(4427), 203-205.
  3. Friedrich, M., & Friederici, A. D. (2004). N400-like Semantic incongruity effect in 19-month olds: Processing known words in picture contexts. Journal of Cognitive Neuroscience, 16(8), 1465-1477.
  4. Benau, E. M., Morris, J., & Couperus, J. W. (2011). Semantic processing in children and adults: Incongruity and the N400. J Psycholinguist Res, 40, 225-239.

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