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Linguagem: O N400 em Incongruência Semântica

Overview

Fonte: Laboratórios de Sarah I. Gimbel e Jonas T. Kaplan - Universidade do Sul da Califórnia

Entender a linguagem é uma das tarefas cognitivas mais complexas das quais os humanos são capazes. Dada a incrível quantidade de escolhas possíveis ao combinar palavras individuais para formar significado em frases, é crucial que o cérebro seja capaz de identificar quando as palavras formam combinações coerentes e quando uma anomalia aparece que mina o significado. Pesquisas extensas mostraram que certos eventos elétricos registrados no couro cabeludo são sensíveis a desvios nesse tipo de expectativa. É importante ressaltar que essas assinaturas elétricas de incongruência são específicas para significados inesperados e, portanto, são diferentes das respostas gerais do cérebro a outros tipos de anomalias.

As correlações neurofisiológicas da incongruência semântica foram examinadas experimentalmente através do uso de paradigmas que apresentam fins semanticamente congruentes e incongruentes às sentenças. Originalmente introduzida em 1980, a tarefa de incongruência semântica apresenta ao participante uma série de frases que terminam com uma palavra congruente ou incongruente. Para testar que a resposta é de incongruência semântica e não mais geralmente devido à surpresa, algumas frases incluíam palavras apresentadas em um tamanho diferente. 1 O fim semanticamente incongruente de uma frase tem sido mostrado para provocar eventos elétricos específicos que são registrados no couro cabeludo conhecido como potenciais relacionados a eventos (ERPs). Um ERP é a resposta cerebral medida resultante de um evento sensorial, cognitivo ou motor específico. Os ERPs são medidos por meio da eletroencefalografia (EEG), um meio não invasivo de avaliar a função cerebral em pacientes com doença e indivíduos normalmente em funcionamento. Um componente ERP específico encontrado em todo o couro cabeludo, conhecido como N400, mostra maior amplitude em resposta a eventos semanticamente incongruentes. O N400 é uma deflexão negativa no sinal EEG que ocorre entre 250 e 400 ms após o início do estímulo. Em geral, os potenciais iniciais refletem o processamento sensorial-motor, enquanto potenciais posteriores como o N400 refletem o processamento cognitivo.

Neste vídeo, mostramos como administrar uma tarefa semântica de incongruência usando EEG. O vídeo cobrirá a configuração e administração do EEG, e a análise de ERPs relacionados tanto ao controle quanto aos estímulos de alvo na incongruência semântica. Nesta tarefa, os participantes são configurados com os eletrodos EEG, em seguida, a atividade cerebral é registrada enquanto eles vêem sentenças de controle e frases semanticamente incongruentes. O procedimento EEG é semelhante ao de Habibi et al.,1 e a tarefa é modelada após Kutas e Hillyard. 2 Quando os ERPs são mediados em todas as frases congruentes e incongruentes, as correlações neurais de cada evento podem ser comparadas em uma janela de tempo selecionada.

Procedure

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1. Recrutamento de participantes

  1. Recrute 20 participantes para o experimento.
  2. Certifique-se de que os participantes foram totalmente informados dos procedimentos de pesquisa e tenham assinado todos os formulários de consentimento adequados.

2. Coleta de dados

Figure 2
Figura 1: Colocação de eletrodos. Colocação dos eletrodos faciais para detectar artefatos EOG e registrar movimento mastoide (A). Diagrama de medição diretamente entre as sobrancelhas até pouco abaixo da colisão na parte de trás da cabeça. 10% desta medida é medida acima da marca média dos olhos, e é aqui que o eletrodo FPZ da tampa é colocado (B).

  1. Preparação de EEG (Nota: Estas etapas são para uso com o sistema Neuroscan 4.3 com amplificador Synamps 2 e uma tampa rápida de 64 canais.)
    1. Os participantes de um estudo de EEG não devem ter nenhum produto para cabelo (por exemplo,gel, mouse ou condicionador de licença) em seus cabelos antes de sua participação.
    2. Encha 2-4, seringas de 10 ml com eletrodo-gel condutivo (ou seja,gel rápido). Sugere-se mexer o gel antes de usá-lo para liberar bolhas de ar.
    3. Escove bem o cabelo e o couro cabeludo (cerca de 5 min).
    4. Cabeça limpa com álcool e gaze de algodão. Limpe também a pele para colocação de eletrodos: dois mastoides (atrás de cada orelha), abaixo e acima do olho esquerdo VEO (eletro-ocular vertical), e os lados distantes de cada heo ocular (horizontal eletro-ocular; Figura 1, esquerda).
    5. Usando discos adesivos de dois lados, coloque os eletrodos.
    6. Meça a cabeça da frente (diretamente entre as sobrancelhas, meio-olho) até a inigestão (abaixo da colisão da cabeça na parte de trás). Essa distância determinará o tamanho da tampa (pequena, média ou grande). Para colocar a tampa, marque a distância medida de 10% na testa e certifique-se de que o eletrodo frontal médio (FPz) seja colocado neste ponto marcado.
    7. Fixar os eletrodos faciais aos seus respectivos cabos na tampa.
    8. Comece a encher os eletrodos com gel, usando a ponta da agulha para raspar o cabelo de lado debaixo do eletrodo, para que o eletrodo esteja em contato direto com o couro cabeludo. Tenha cuidado para não ferir a pele.
      1. Levantar um pouco o eletrodo facilita a inserção do gel. Na maioria dos casos, haverá cabelo debaixo do eletrodo. Movê-lo para fora do caminho permitirá melhor impedância.
    9. Leve o participante para a sala à prova de som e conecte a tampa e eletrodos individuais.
    10. Verifique a impedância da conexão eletrodo-couro cabeludo para mantê-lo abaixo de 10 KΩ. Se a impedância for alta certifique-se de que o eletrodo tem gel condutivo e está em contato com o couro cabeludo.
      1. A impedância é a tendência de impedir o fluxo de uma corrente alternada. A alta impedância pode aumentar o ruído nos dados e deve ser minimizada antes do início do estudo.
      2. Na maioria dos casos, o cabelo está no caminho do eletrodo. Tirá-lo do caminho deve ficar melhor.
    11. Uma vez que a impedância é aceitável para todos os eletrodos e os traços de EEG são vazios de ruído, a coleta de dados pode começar.
  2. Coleta de dados EEG
    1. Prepare o participante para fazer a tarefa.
      1. Coloque o participante em uma cadeira a 75 cm da tela do computador, em uma sala de som e luz atenuada (acústica e eletricamente blindada).
      2. Diga ao participante que estará lendo frases de sete palavras, apresentadas uma palavra de cada vez na tela em frente a elas. Eles devem ler cada frase a fim de responder perguntas sobre o conteúdo das frases no final do experimento.
        1. Cada uma das sete palavras da frase é mostrada individualmente para 100 ms, com um intervalo de 1000 ms entre cada palavra.
          1. As palavras são apresentadas uma de cada vez no centro da tela para minimizar os movimentos dos olhos durante o experimento.
        2. O participante vê pela primeira vez 10 frases práticas.
        3. Mostre os 240 estímulos em uma ordem aleatória, em duas apresentações de 120 frases. Um terço das sentenças são sentenças normais, onde a última palavra é semanticamente congruente com o resto da frase. Um terço das sentenças são sentenças incongruentes, onde a última palavra é semanticamente incongruente com o resto da sentença. Um terço das frases são frases normais onde a última palavra é apresentada em uma fonte maior do que o resto da frase.
  3. Inicie o sistema e tenha gravação contínua de EEG durante toda a apresentação da tarefa funcional.
  4. O EEG é amplificado por amplificadores com um ganho de 1024 e um passe de banda de 0,01-100 Hz.
  5. Ensaios contaminados por pisca-piscas e rejeição de artefatos (aproximadamente 15% dos ensaios) serão eliminados off-line.

3. Análise de dados

  1. Offline, dados de referência para mastoides médios.
  2. As épocas são corrigidas usando a época de 200 ms antes do início do estímulo.
  3. Para corrigir para artefatos de movimento, exclua épocas com uma mudança de sinal superior a 150 μV em qualquer eletrodo EEG na média.
  4. Filtrar digitalmente os dados offline (bandpass 0,05-20 Hz).
  5. Use as médias ERP que são exibidas nos sites de gravação do Pz para o curso de tempo de cada frase(Figura 2).
    1. O pico (amplitude e latência) do parietal N400 é obtido automaticamente de todos os eletrodos.

Figure 2
Figura 2: Resultados da tarefa de incongruência semântica. O participante é apresentado com uma frase, uma palavra de cada vez. Cada palavra aparece para 100 ms, seguida por 1 s de uma tela em branco. Os participantes veem frases congruentes (vermelhas), frases incongruentes (azul) e frases em que a última palavra é apresentada em tamanho maior (verde). Apenas as frases incongruentes produzem a resposta N400 quando a última palavra é apresentada. Quando a última palavra é congruente, mas maior em tamanho, há uma resposta P560 posterior.

  1. Análise estatística
    1. Plot ERP médias dos eletrodos parietal Pz para condições de tamanho congruentes, incongruentes e desviantes.
    2. Para amplitude máxima e latências, use testes F para cada faixa de latência para determinar se há diferença entre os estímulos de alvo e controle.

Entender a linguagem envolve processos cognitivos complexos e , dado o incrível número de escolhas e arranjos de palavras que podem formar uma única frase , o cérebro deve ser capaz de distinguir entre combinações coerentes e incoerentes.

A compreensão de uma pessoa de uma frase, seja falada — como quando uma mãe diz ao filho que ela está indo para a loja — ou escrita em um livro, depende, em parte, do que o cérebro antecipa a próxima palavra na frase.

Por exemplo, se alguém começar a ler "Foi uma escuridão e tempestuosa..." no início de um livro, espera-se que "noite" será o termo seguinte.

No entanto, ocasionalmente palavras inesperadas são encontradas — como "... e o cientista louco estava pintando seu laboratório a cor guaxinim..."— que interrompem o significado da frase.

Neste caso, o termo anômo é guaxinim, pois se refere a um tipo de animal, em vez de uma cor esperada, como o preto.

Tais incongruências semânticas — as frases sem sentido — provocam sinais elétricos únicos no cérebro — respostas conhecidas como potenciais relacionados a eventos, ERPs para abreviar — que podem fornecer insights sobre como o cérebro recupera a definição ou reprocessa a palavra problemática na tentativa de compreender a sentença.

Este vídeo explica como a técnica de eletroencefalografia, ou EEG, pode ser usada para medir ERPs durante tarefas de incongruência semântica, nas quais os participantes são mostrados frases terminando com palavras inesperadas.

Demonstramos como projetar estímulos e coletar e analisar dados, focando especificamente em um componente único de ERPs, chamado N400 para refletir suas características.

Neste experimento, o EEG é usado para medir a atividade cerebral em participantes que mostram estímulos semanticamente coerentes e incoerentes, a fim de investigar o processamento e a compreensão da linguagem.

Esses estímulos consistem em três tipos de frases: congruente, incongruente e desviante de tamanho. Embora cada uma seja composta de sete palavras, elas diferem na natureza de seus últimos termos.

As palavras finais em frases congruentes, como "Ela arranhou seu cão atrás da orelha.", não representam problemas com significado e aparecem no mesmo tipo de fonte — e tamanho — como as anteriores.

É importante ressaltar que essas frases servem como controles para medir como o cérebro responde a combinações coerentes de palavras.

Em contraste, frases incongruentes, como "Ela mergulhou o dedo de galinha em botas.", possuem últimos termos que são semanticamente anômalos.

Aqui, as botas conflitam com o significado do resto das palavras — espera-se que os dedos de frango sejam mergulhados em um condimento como mostarda, não em artigos de vestuário. Assim, esses estímulos avaliam o quão surpreendente e incoerente a linguagem é processada.

O tipo final de frases são chamados de desviantes de tamanho e contêm últimas palavras que são surpreendentes na aparência — elas estão em uma fonte maior — mas não em congruência.

Por exemplo, se na frase "Ele colocou a mão na luva"," o termo luva é escrito em letras maiores, ainda faz sentido semântico.

Esses estímulos são críticos, pois são destinados a distinguir se a resposta do cérebro à última palavra em uma frase é resultado de uma surpresa geral — o choque de um tamanho de texto inconsistente — ou é específica para significados inesperados.

Depois que os participantes estão preparados para o EEG, eles são orientados a ler cuidadosamente frases que aparecem em uma tela de computador, pois perguntas serão feitas sobre eles mais tarde.

Na realidade, nenhum teste é dado no final do experimento; no entanto, estas instruções garantem que os sujeitos prestarão atenção aos próximos estímulos.

Durante a tarefa, os participantes são mostrados sequencialmente — na ordem correta — as sete palavras que compõem uma única frase.

Cada termo aparece individualmente no centro do monitor — para reduzir os movimentos oculares que poderiam interferir na coleta de dados — por 100 ms e é seguido por 1000 ms de tela em branco.

As informações do EEG são continuamente registradas em mais de 120 desses julgamentos, cada um deles consiste em uma sentença única. Especificamente, os estímulos são mostrados na mesma frequência — 40 vezes — mas em uma ordem aleatória. Em seguida, a tarefa é repetida uma segunda vez, de modo que os participantes devem ler um total de 240 frases ao todo.

Posteriormente, os dados do EEG são processados para visualizar ERPs médios para cada tipo de frase — a partir de cada eletrodo — e os cientistas procuram o componente N400 nessas formas de onda.

O "N" neste termo indica que o pico é negativo, e o "400" representa sua latência — que ocorre cerca de 400 ms após o estímulo da última palavra ser mostrado ao participante.

Com base na experiência anterior, espera-se que a amplitude de N400 aumente em resposta a eventos semanticamente inconsistentes, e será registrada de todos os eletrodos do couro cabeludo.

No entanto, essa resposta provavelmente será mais proeminente no eletrodo Pz, posicionado na linha média do couro cabeludo acima dos lóbulos parietal — regiões das quais são conhecidas por estarem envolvidas no processamento e integração da linguagem escrita.

Antes de iniciar o experimento, recrute um participante que seja um falante nativo de inglês, e explique-lhes os dois principais componentes do procedimento: que eles estarão usando eletrodos, e serão mostrados frases em uma tela de computador. Então, recolham de todos os formulários de consentimento assinados e necessários.

Em seguida, estilhape o participante com couro cabeludo e eletrodos faciais. Para obter mais detalhes sobre este procedimento, confira os métodos descritos em outros lugares desta coleção. Uma vez no espaço de teste, verifique os valores de impedância em todos os eletrodos.

Ao confirmar que os traços do EEG são vazios de ruído, instrua o participante a sentar-se para que seus olhos estejam a aproximadamente 75 cm de distância da tela.

Enfatize que eles devem ler e prestar atenção às frases que aparecem palavra por palavra neste visor, pois perguntas serão feitas sobre seu conteúdo mais tarde.

Para garantir que o participante entenda a tarefa, mostre-lhes dez frases práticas, mas não colete dados durante esse período. Depois, inicie o sistema EEG para iniciar a gravação contínua.

Prossiga com a tarefa funcional apresentando 120 ensaios — compostos por 40 sentenças congruentes, 40 incongruentes e 40 de tamanho desviante — em uma ordem aleatória. Em seguida, repita esse processo com um conjunto adicional de 120 estímulos para garantir que dados suficientes sejam coletados.

Uma vez que os dados tenham sido registrados para todos os 240 estímulos, processe-os como descritos nos ERPs do JoVE e no vídeo Oddball Task.

Para analisar os dados, primeiro plote as formas de onda médias para os prazos de estímulos congruentes, incongruentes e de tamanho desviante coletados do site de gravação do Pz. No eixo x deste gráfico — representando o tempo em ms — indique quando cada palavra em uma frase é mostrada.

Posteriormente, localize os picos N400 e, para cada um, calcule sua amplitude média — definida como a distância entre o ponto mais baixo do pico e o valor da linha de base de 0 μV, também representado pelo eixo horizontal.

Em seguida, calcule a latência deste componente — quanto tempo leva para que ele apareça na forma de onda após a última palavra em uma frase ser mostrada.

Para as faixas dessas amplitudes e latências, prossiga com o uso de testes F para determinar se há diferença entre os estímulos de alvo e controle.

Observe que a resposta n400 só foi observada depois que os participantes foram mostrados a última palavra de uma frase incongruente, indicando que este evento elétrico reflete o processamento neural — particularmente envolvendo os lobos parietal — que identificam uma interrupção no processamento de sentenças causada por um termo incoerente.

É importante ressaltar que, embora o N400 não tenha sido observado em formas de onda coletadas usando estímulos de tamanho desviante, outro componente único — P560, um pico positivo com latência de 560 ms — foi.

Isso indica que o cérebro responde de forma diferente a estímulos visuais inesperados e termos semanticamente inconsistentes, e sugere que N400 é uma assinatura elétrica única da incongruência linguística.

Agora que você sabe como a inconsistência semântica pode ser usada para obter o componente N400 em ERPs, vamos olhar para outras maneiras que os pesquisadores estão examinando este sinal elétrico único para estudar processamento e compreensão da linguagem.

Alguns pesquisadores visam determinar quando a capacidade de identificar linguagem incoerente se desenvolve, e se essa habilidade muda com a idade.

Tal trabalho envolveu mostrar crianças pequenas — equipadas com bonés EEG — representações de objetos reconhecíveis, como uma câmera.

No entanto, o truque é que quando a criança olha para esta representação, eles são informados de que é algo diferente — por exemplo, um gato. Assim, esta é uma versão modificada da tarefa semântica de incongruência, já que a palavra falada não corresponde ao significado do item visível.

Medições das respostas elétricas do cérebro a essas tarefas demonstraram que as crianças exibem uma resposta n400-esque aprimorada a pares incongruentes de palavras-item — uma que dura várias centenas de ms — em comparação com conjuntos congruentes.

É importante ressaltar que, mesmo desde cedo, os humanos são capazes de identificar e processar a incongruência semântica.

Outros pesquisadores estão avaliando se os ERPs podem ser usados para entender melhor os déficits linguísticos associados a certos transtornos de personalidade, como a esquizofrenia.

Paradoxalmente, trabalhos anteriores mostraram que indivíduos com características pronunciadas semelhantes à esquizofrenia, como ansiedade ou a incapacidade de sentir prazer, demonstram uma resposta n400 aumentada a pares de palavras congruentes — como animais e cabras — em comparação com pessoas com sintomas mais leves.

No entanto, quando esses participantes foram tratados com uma droga antipsicótica chamada olanzapina, a amplitude deste componente N400 causado pela congruência diminuiu em comparação com indivíduos que receberam um placebo, sugerindo uma possível terapia que poderia tratar a fala desarticulada às vezes observada em tais distúrbios.

Você acabou de assistir ao vídeo de JoVE sobre como frases congruentes e incongruentes podem ser usadas para investigar o processamento de linguagem. Neste ponto, você deve saber como apresentar estímulos aos participantes e coletar e interpretar dados ERP. Esperamos que você também entenda agora como o componente N400 está sendo usado para investigar outros aspectos da compreensão da linguagem, como como ele pode ser afetado em distúrbios comportamentais.

Obrigado por assistir!

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Results

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Durante a tarefa de incongruência semântica, onde os participantes viam frases congruentes, frases incongruentes e frases em que a última palavra foi apresentada em maior porte, houve uma resposta n400 negativa apenas para as frases incongruentes(Figura 2, azul). Frases com um elemento surpreendente (última palavra maior) que não era semanticamente incongruente não mostraram uma resposta N400, mas mostraram uma resposta P560 aumentada(Figura 2, vermelho). A resposta do N400 começou cerca de 250 ms após a apresentação da última palavra da frase e atingiu cerca de 400 ms após o início do estímulo.

Esses resultados mostram que a atividade elétrica no cérebro, e particularmente no lobo parietal, registra quando uma palavra semanticamente incongruente é apresentada como parte de uma frase. Este evento elétrico reflete os processos neurais que identificam a interrupção do processamento contínuo da sentença por uma palavra semanticamente inadequada. O N400 parece fornecer informações úteis sobre o tempo, classificação e interações dos processos cognitivos envolvidos no processamento e compreensão da linguagem natural.

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Applications and Summary

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Este estudo demonstra algumas das vantagens da abordagem ERP, em particular, sua alta resolução temporal. Nesse paradigma, para simular a leitura natural, os estímulos da palavra são apresentados muito brevemente em sucessão. Devido à excelente resolução temporal do EEG, somos capazes de discernir respostas elétricas aos estímulos individualmente.

Como marcador de processamento semântico, o N400 pode ser uma ferramenta útil na compreensão do desenvolvimento da linguagem desde a infância até a idade adulta. O estudo deste componente mostra que, mesmo em bebês de 19 meses, há um efeito semântico de incongruência quando ouvem palavras que não combinam com imagens que estão vendo. 3 Isso demonstra a presença muito precoce de um mecanismo para combinar palavras com seu contexto adequado. No entanto, enquanto os jovens adolescentes mostram um N400 que discrimina entre linguagem congruente e incongruente, o perfil de resposta deste componente ainda não é tão nuances quanto o dos adultos; por exemplo, não é tão sensível a diferentes graus de incongruência. 4 Esses estudos demonstram a sensibilidade deste componente ERP como índice de processamento semântico.

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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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