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Stimolazione transcranica della corrente diretta (tDCS) delle aree di Wernicke e Broca negli studi sull'apprendimento delle lingue e sull'acquisizione di parole

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Summary

Qui, descriviamo un protocollo per l'utilizzo della stimolazione transcranica a corrente diretta per esperimenti psico-e neurolinguistici volti a studiare, in modo naturalistico ma completamente controllato, il ruolo delle aree corticali del cervello umano nell'apprendimento delle parole, e un una serie completa di procedure comportamentali per la valutazione dei risultati.

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Blagovechtchenski, E., Gnedykh, D., Kurmakaeva, D., Mkrtychian, N., Kostromina, S., Shtyrov, Y. Transcranial Direct Current Stimulation (tDCS) of Wernicke's and Broca's Areas in Studies of Language Learning and Word Acquisition. J. Vis. Exp. (149), e59159, doi:10.3791/59159 (2019).

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Abstract

La lingua è una funzione molto importante ma poco compresa del cervello umano. Mentre gli studi sui modelli di attivazione del cervello durante la comprensione del linguaggio sono abbondanti, ciò che spesso manca criticamente è la prova causale del coinvolgimento delle aree cerebrali in una particolare funzione linguistica, non da ultimo a causa della natura umana unica di questa capacità e una carenza di strumenti neurofisiologici per studiare le relazioni causali nel cervello umano in modo non invasivo. Negli ultimi anni si è assistito a un rapido aumento dell'uso della stimolazione transcranica a corrente diretta (tDCS) del cervello umano, una tecnica non invasiva facile, economica e sicura che può modulare lo stato dell'area cerebrale stimolata (putativamente spostando l'eccitazione/ soglie di inibizione), consentendo uno studio del suo particolare contributo a funzioni specifiche. Mentre si concentra principalmente sul controllo motorio, l'uso del tDCS sta diventando sempre più diffuso nella ricerca di base e clinica sulle funzioni cognitive superiori, linguaggio incluso, ma le procedure per la sua applicazione rimangono variabili. Qui, descriviamo l'uso di tDCS in un esperimento di apprendimento di parole psicolinguistico. Presentiamo le tecniche e le procedure per l'applicazione della stimolazione catodale e anodale delle aree linguistiche principali di Broca e Wernicke nell'emisfero sinistro del cervello umano, descriviamo le procedure di creazione di insiemi equilibrati di stimoli psicolinguistici, un regime di apprendimento controllato ma naturalistico e una serie completa di tecniche per valutare i risultati dell'apprendimento e gli effetti della tDCS. Come esempio di applicazione tDCS, mostriamo che la stimolazione catodale dell'area di Wernicke prima di una sessione di apprendimento può avere un impatto sull'efficienza di apprendimento delle parole. Questo impatto è presente immediatamente dopo l'apprendimento e, soprattutto, conservato nel tempo più lungo dopo che gli effetti fisici della stimolazione svaniscano, suggerendo che il tDCS può avere un'influenza a lungo termine sull'immagazzinamento linguistico e sulle rappresentazioni nel cervello umano .

Introduction

I meccanismi neurobiologici della funzione del linguaggio umano sono ancora poco compresi. Come fondamento della nostra capacità di comunicazione, questo tratto neurocognitivo umano unico svolge un ruolo particolarmente importante nella nostra vita personale e socio-economica. Eventuali deficit che colpiscono la parola e il linguaggio sono devastanti per i malati e costosi per la società. Allo stesso tempo, nella clinica, le procedure per il trattamento dei deficit di parola (come l'afasia) rimangono non ottimali, non da ultimo a causa della scarsa comprensione dei meccanismi neurobiologici coinvolti1. Nella ricerca, il recente avvento e il rapido sviluppo di metodi di neuroimaging hanno portato a molteplici scoperte che descrivono i modelli di attivazione; tuttavia, le prove causali sono spesso ancora carenti. Inoltre, le aree linguistiche del cervello si trovano in qualche modo inalubrmente per l'applicazione di approcci di neurostimolazione tradizionali che possono fornire prove causali, soprattutto la tecnica di stimolazione magnetica transcranica (TMS). Mentre il protocollo TMS offline, come la stimolazione a scoppio theta, può causare dolore a causa della vicinanza dei muscoli al punto di stimolazione, i protocolli TMS "online" possono introdurre artefatti sonori dalla stimolazione, che è indesiderabile a causa di interferenze con presentazione di stimolo linguistico2. Anche se il TMS è ampiamente utilizzato negli studi linguistici nonostante tali inconvenienti, un'alternativa gradita può essere fornita da altri metodi di stimolazione, in particolare la stimolazione transcranica a corrente diretta (tDCS). Negli ultimi anni, tDCS ha visto una notevole crescita nel suo utilizzo a causa della sua accessibilità, facilità d'uso, relativa sicurezza e spesso risultati piuttosto sorprendenti3. Anche se i meccanismi esatti alla base dell'influenza tDCS sull'attività neurale non sono compresi completamente, la visione mainstream è che, almeno a bassi livelli di intensità (in genere 1-2 mA per 15-60 min), non causa alcuna eccitazione neurale o inibizione di per sé , ma invece modula il potenziale trasmembrana a riposo in modo degradizzato verso la de- o l'iperpolarizzazione, spostando le soglie di eccitazione verso l'alto o verso il basso e rendendo così il sistema neurale più o meno suscettibile alle modulazioni da altri eventi, stimoli, stati o comportamenti4,5. Mentre la maggior parte delle applicazioni segnalate fino ad oggi si sono concentrate sui deficit della funzione motoria6 e/o del sistema motorio, essa è stata sempre più applicata alle funzioni cognitive di livello superiore e alle rispettive disabilità. C'è stato un aumento della sua applicazione al linguaggio e al linguaggio, soprattutto nella ricerca finalizzata al recupero dell'afasia post-ictus7,8,9, anche se finora ha portato a risultati contrastanti rispetto alla potenziale terapeutico, siti di stimolazione ed emisferi, e polarità attuale ottimale. Poiché questa ricerca, e in particolare l'applicazione della tDCS nella neurobiologia cognitiva della normale funzione linguistica, è ancora agli inizi, è fondamentale delineare le procedure per stimolare almeno le cortice del linguaggio centrale (soprattutto Wernicke's e aree di Broca) utilizzando tDCS, che è uno degli obiettivi principali della relazione attuale.

In questo caso, prenderemo in considerazione l'applicazione del tDCS alle aree linguistiche in un esperimento di apprendimento delle parole. In generale, il caso dell'apprendimento delle parole è qui come un esempio di esperimento neurolinguistico, e la parte tDCS della procedura non dovrebbe cambiare sostanzialmente per altri tipi di esperimenti linguistici mirati alle stesse aree. Tuttavia, stihiamo questa opportunità per evidenziare anche importanti considerazioni metodologiche in un esperimento di acquisizione di parole di per sé, che è il secondo obiettivo principale della descrizione del protocollo corrente. I meccanismi cerebrali alla base dell'acquisizione delle parole – una capacità umana onnipresente al centro della nostra abilità di comunicazione linguistica – rimangono in gran parte sconosciuti10. A complicando il quadro, la letteratura esistente differisce ampiamente nel modo in cui i protocolli sperimentali promuovono l'acquisizione di parole, nel controllo sui parametri di stimolazione e nei compiti utilizzati per valutare i risultati dell'apprendimento (vedi, ad esempio, Davis et al.11). Di seguito, descriviamo un protocollo che utilizza stimoli altamente controllati e modalità di presentazione, garantendo al contempo un'acquisizione naturalistica basata sul contesto di un nuovo vocabolario. Inoltre, utilizziamo una batteria completa di compiti per valutare i risultati in modo comportamentale a diversi livelli, sia immediatamente dopo l'apprendimento che dopo una fase di consolidamento notturno. Questo è combinato con la farsa e il catodale delle aree linguistiche (facciamo un esempio particolare usando la stimolazione dell'area di Wernicke) che può fornire prove causali sui processi neurali e sui meccanismi sottostanti.

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Protocol

Tutte le procedure sono state approvate dal comitato etico di ricerca locale dell'Università statale di San Pietroburgo, con il consenso ottenuto da tutti i partecipanti.

NOTA: Tutti i partecipanti devono firmare il consenso informato e compilare un questionario per attestare l'assenza di controindicazioni per la stimolazione tDCS (vedere Tecnica e considerazioni nell'uso della stimolazione transcranica transcranica ad alta definizione 4 x 1 Anello (HD-tDCS) di Willamar e colleghi12)e raccogliere altri dati rilevanti per lo studio come l'acuità visiva, la demografia, l'esperienza linguistica e la mano. Per quest'ultimo, si raccomanda il lavoro seminale di Oldfield13.

1. Soggetti e ambiente sperimentale

  1. In un tipico esperimento linguistico, assicurarsi che tutti i soggetti siano destrori e non abbiano alcuna registrazione di deficit linguistici, disturbi neurologici o psichiatrici. La loro lingua madre e lo status bilingue/multilingue devono essere controllati.
  2. Condurre tutte le misurazioni in una camera insonorizzata o almeno attenuata dal suono. L'isolamento acustico è molto importante, poiché qualsiasi suono estraneo, rumore, discorso umano, ecc. può influenzare in modo significativo le prestazioni e quindi influenzare i dati (Figura 1).
  3. Per evitare interferenze da parte di un inutile contatto soggetto-sperimentatore, posizionare solo lo schermo, le cuffie/altoparlanti e tutti i dispositivi di input (tastiera, caselle dei pulsanti) all'interno della camera. Avere tutte le interazioni con lo sperimentatore tramite citofono a meno che non sia richiesto un contatto personale.
  4. Utilizzare i seguenti parametri ottimali, basati su un'estesa distribuzione pilota, per il colore di sfondo e la dimensione del carattere: colore di sfondo grigio (RGB: 125, 125, 125), colore del testo nero (RGB: 0; 0; 0), faccia del carattere Arial, dimensione 27.
  5. Per ridurre i ritardi e il nervosismo nella presentazione visiva, utilizzare una scheda video e un monitor con una frequenza di aggiornamento di 100 Hz e superiore.
  6. Per misurare i tempi di reazione, utilizzare cuscinetti di risposta di qualità di ricerca, che hanno una migliore ergonomia e tempi più precisi rispetto alle tastiere convenzionali.

2. Preparazione dello stimolo

  1. Scegliere le parole della lingua in questione, che sono controllate per la loro durata, frequenza lessicale e struttura complessiva (per evitare eventuali effetti di base delle proprietà di stimolo superficiale sull'elaborazione di livello superiore). Qui, tutte le parole di base erano lunghe otto fonemi/lettere e consistevano di tre sillabe con la struttura CVCCVCVC (dove C è consonante e V è vocale).
  2. Per creare più liste, dividere le parole in set, che non devono differire statisticamente (come misurato con, ad esempio, t-test) sul loro lemma, bigram e/o trigrammo, nonché frequenza sillabica. Questi possono essere ottenuti da banche dati psicolinguistici specifici della lingua; qui è stato utilizzato il Corpus Nazionale Russo (http://www.ruscorpora.ru/en/). In questo caso, un set è stato utilizzato per la creazione (attraverso la modifica) di parole e pseudoparole ortograficamente simili, un altro set per la creazione di pseudoparole di controllo non correlate e un altro set utilizzato come parole di controllo non correlate (Figura 2A). Questo ha portato a cinque serie di 10 elementi ciascuno (50 stimoli in totale). Modificare queste procedure in base ai requisiti sperimentali esatti.
  3. Per ridurre al minimo gli effetti delle forme di superficie sulla semantica appena acquisita, controbilanciare gli insiemi nell'esempio del soggetto, in modo che svolgono ruoli sperimentali diversi per soggetti diversi.
  4. Creare nuove forme di parole in modo che seguano le regole della fonologia e fonotattica e assomigliano alle parole esistenti in termini di struttura ortografica e fonologica.
    NOTA: Per assicurarsi che le nuove parole possano entrare in concorrenza con le parole esistenti, le procedure attuali sono state basate su quelle sviluppate in una serie di esperimenti di Gaskell e colleghi11,14 e volti a mantenere l'insorgenza della parola ( CVCCV-) stabile, ruotando i loro offset (-CVC) su diversi elementi del set. Cioè, abbiamo conservato le prime due sillabi di una parola esistente e variato la sillaba finale in modo che sia stato creato un nuovo modulo di parola nuovo, precedentemente sconosciuto (ad esempio, mandarino -> mandanal, dove l'ultimo CVC è stato preso da un'altra parola nell'elenco, cardinale, per creare un nuovo elemento).
  5. Ripetere la procedura descritta in precedenza per creare tutti i nuovi moduli di parole necessari. Per la dimostrazione in corso, abbiamo creato elenchi di nuove forme di parole da imparare e di simili pseudoparole non apprese (ad es. mandarino -> mandanal, mandaket, tutti e tre potenzialmente entrando in una competizione lessicale dopo l'apprendimento, come vicini) così come ulteriori elenchi di controllo di parole reali e di nuove pseudoparole che non condividevano questa somiglianza e quindi non produrrebbero una concorrenza lessicale con gli stimoli principali (ad esempio, circolare, muskenal; Esempi russi sono utilizzati in tutto, traslitterato dal alfabeto cirillico al latino per facilità di comprensione).

3. Stimoli di condanna per l'apprendimento semantico contestuale

  1. Crea nuovi significati da associare alle nuove parole nel processo di apprendimento. Questo potrebbe essere costituito, oggetti o concetti obsoleti o rari non presenti nella lingua o nella cultura madre dei soggetti.
  2. Per l'apprendimento contestuale di una nuova semantica, si raccomandano le procedure utilizzate da Mestrez-Misse e colleghi15. Creare diverse frasi uniche che descrivono situazioni attraverso le quali si può capire il significato di ciascuna delle nuove parole (ad esempio, "Per controllare gli insetti in epoca medievale, la gente ha usato il mandaket"). Usa una sequenza di tali frasi per ciascuna delle nuove parole (qui, un totale di 5 frasi per parola), e rivela gradualmente il significato di ogni nuovo concetto da un contesto sentenziale più generale a più specifico.
  3. Presentare nuove parole idealmente nel loro formato dizionario (cioè non flesse, ad esempio, singolare caso nominativo o accusativo in russo), in modo che la forma superficiale non sia flessa in modo diverso in frasi diverse (Tabella 1), a meno che la regola di inflessione non sia è necessario anche l'apprendimento.
  4. Controllare e bilanciare la lunghezza delle frasi e il numero di parole tra le condizioni. Qui, ogni frase consisteva di 8 parole. Metti sempre nuove parole alla fine delle frasi. Tale posizionamento consente l'accumulo di informazioni contestuali necessarie (inoltre, questo consente di implementare questo progetto, se necessario, in un ambiente EEG o MEG per registrare le risposte cerebrali evocate smascherate da ulteriori stimoli di parola).
  5. Presenta frasi specifiche delle parole in sottoblocchi specifici delle parole, rivelando gradualmente il significato di ogni nuova parola, senza interlasciare o randomizzare frasi relative a diverse parole novelle.
  6. Randomizzare l'ordine dei sottoblocchi nel gruppo di argomenti. La presentazione di una frase parola per parola è consigliata se viene utilizzata la modalità visiva.
  7. Determinare l'intervallo interstimolo in base a specifiche proprietà di stimolo per consentire la loro presentazione conveniente (Figura 2B); assicurarsi di separare diversi sottoblocchi con intervalli aggiuntivi e dare pause regolari.

4. Compiti di valutare l'acquisizione di nuove forme di parola e nuovi significati

NOTA: utilizzare diverse attività per valutare diversi livelli di acquisizione e comprensione sia delle forme di parola superficiali che della semantica lessicale. Nel presente protocollo vengono utilizzati cinque compiti: richiamo gratuito, riconoscimento cued, decisione lessicale, definizione semantica e corrispondenza semantica. Le attività vengono applicate nell'ordine in cui sono elencate di seguito, ottimizzato per ridurre qualsiasi riporto tra le attività successive.

  1. Nell'attività di richiamo gratuito, chiedi a ogni partecipante di riprodurre il maggior numero di nuovi moduli di parola che potrebbe ricordare digitandoli nel foglio di calcolo preparato. L'istruzione è la seguente: "Si prega di scrivere nella colonna tutte le nuove parole che si possono ricordare."
  2. Includere gli stessi stimoli nel riconoscimento e nella decisione lessicale (rispettivamente secondo e terzo compito) e utilizzare lo stesso tasso di presentazione.
    1. Questi compiti includono tutti gli elementi (parole nuove, parole reali del concorrente da cui derivano i nuovi, concorrenti pseudoparola non addestrati derivati dalle stesse parole reali, pseudoparole di controllo non correlate e parole esistenti di controllo non correlate).
    2. Per l'attività di riconoscimento, utilizzare la seguente istruzione: "Ti verranno presentate le parole in sequenza. Premi il tasto "1" con il dito medio della mano sinistra se hai incontrato la parola durante l'esperimento, o premi "2" con l'indice della mano sinistra se non l'hai fatto." Modificare la codifica di risposta, la mano e le dita in base alle vostre esigenze specifiche.
    3. L'istruzione per il compito decisionale lessicale è: "Vi verrà presentato con parole reali e senza significato in sequenza. Premere "1" con il dito medio della mano sinistra se la parola ha senso, o premere "2" con l'indice della mano sinistra in caso contrario." Modificarli in base alle esigenze.
  3. Utilizzare l'attività di definizione semantica per stimare l'acquisizione di un nuovo significato e la corrispondenza tra il significato e la forma superficiale.
    1. Fornisci ai partecipanti un elenco degli elementi appresi (cioè quelli presentati in precedenza nella fase di apprendimento) con le istruzioni precedenti: "Ecco un elenco di nuove parole presentate in precedenza. Provare a definire ciascuno di essi e digitare le loro definizioni nel foglio di calcolo".
    2. Per valutare la completezza e l'accuratezza delle definizioni fornite, coinvolgere esperti indipendenti per valutare le risposte; accordo tra esperti potrebbe essere testato utilizzando, ad esempio, il coefficiente di concordanza di Kendall (W).
  4. Utilizzare l'attività di corrispondenza semantica per valutare l'acquisizione della semantica attraverso collegamenti espliciti tra le forme di parole appena apprese e i loro significati in modo semplificato.
    1. Utilizzare la seguente istruzione: "Ti verrà presentata una parola e tre definizioni. Si dovrebbe scegliere una definizione corretta per ogni parola premendo il pulsante corrispondente". Solo una delle definizioni è corretta, con le altre due corrispondenti agli altri articoli del romanzo. Oltre alle tre definizioni facoltative, tra cui opzioni "nessuna di queste" o/e "non sicuro".

5. Procedure

  1. Assicurarsi che la stimolazione tDCS preceda l'attività comportamentale che è destinato a modulare.
    1. Area di Wernicke.
      NOTA: Il posizionamento dell'elettrodo di stimolazione che meglio corrisponde all'area di Wernicke è CP5 secondo il sistema internazionale esteso 10-20 per EEG16,17.
      1. Per individuare questa posizione in assenza di un tappo di elettrodo, seguire le procedure di sistema standard 10-20.
      2. Misurare la testa con un nastro dall'inione alla nasion e notare il centro di questa distanza. Quindi, misurare la distanza dal punto preauauricolare sinistro al punto preauauricolare destro e contrassegnare il punto di intercrolazione delle due misure.
      3. Per trovare la posizione CP5, misurare il 30% della distanza tra i punti preauricolari dal punto trasversale lungo l'emisfero sinistro e contrassegnarlo. Misurare il 10% della distanza tra l'inione e la nasion dal punto contrassegnato alla parte posteriore della testa. Questo punto è la posizione CP5 per l'elettrodo attivo (Figura 3).
    2. Area di Broca
      NOTA: Il più vicino all'area di Broca è il sito dell'elettrodo F518 secondo il sistema 10-20.
      1. In assenza di un tappo EEG, seguire le procedure standard del sistema 10-20 per trovare e contrassegnare il punto incrociato tra punti inion-nasion e preauricolari, come descritto sopra.
      2. Per trovare la posizione F5, misurare il 20% della distanza tra l'inione e la nasion dal punto incrociato alla parte anteriore della testa. Misurare il 30% della distanza tra i punti preauricolari dal punto recentemente contrassegnato verso il basso nell'emisfero sinistro. Questo punto corrisponde alla posizione F5 per l'elettrodo attivo (Figura 3).
    3. Le posizioni omologhe nell'emisfero destro: per gli omologhi a destra-emisferici delle aree di Wernicke e Broca, utilizzano le stesse procedure di cui sopra, con l'eccezione di misurare la distanza dalla linea mediana lungo il lato destro del cuoio capelluto. Le posizioni degli elettrodi sono: CP6 per l'omologo RH Wernicke e F6 per l'omologa di Broca.
    4. Utilizzare elettrodi spugnosi che misurano 5 cm x 5 cm in quanto questa dimensione è un buon compromesso tra stimolazione focale (che causa più irritazione e disagio) e elettrodi più grandi che mancano di focalità. Immergere gli elettrodi in soluzione salina fisiologica per 5 min prima dell'applicazione.
    5. Per ridurre al minimo l'effetto della stimolazione su altre aree del cervello, posizionare l'elettrodo di riferimento alla base del collo sul lato sinistro (a destra per gli omologhi) (vedere figura 3 e Figura 4). Utilizzare elettrodi spugnosi che misurano 5 cm x 5 cm pure.
      NOTA: Occorre prestare particolare attenzione alla prevenzione della diffusione della soluzione oltre i limiti della zona di applicazione degli elettrodi. Particolare attenzione deve essere presa per mantenere l'area dell'elettrodo circostante asciutta.
    6. Per una stimolazione catolana ottimale, utilizzare una corrente da 1,5 mA per 15 min. All'inizio, la corrente sale gradualmente da 0 a 1,5 mA su 30 s, e alla fine della stimolazione scende di nuovo a zero su 30 s.
    7. Per la stimolazione anodale, utilizzare la stessa procedura della stimolazione catodale, tranne che la polarità è invertita, e l'elettrodo anodale è posizionato nel sito attivo, mentre il catodo viene utilizzato come elettrodo di riferimento situato al di fuori dell'area del cuoio capelluto.
  2. Stimolazione Sham
    1. Eseguire la procedura di stimolazione finta generalmente come descritto sopra tranne che la corrente viene applicata solo brevemente all'inizio e alla fine della sessione finta. A tal fine, durante la prima e le ultime 30 s della sessione, applicare un impulso elettrico di una forma triangolare con un massimo di 1,5 mA, come utilizzato nel protocollo attuale.
  3. Attività comportamentale principale: apprendimento semantico contestuale
    1. Presenta i set con frasi contestuali per le nuove parole in ordine casuale. Inizia ogni frase con una presentazione parola per parola.
    2. Dopo questo, visualizzare l'intera frase sullo schermo per garantire la sua piena comprensione. Chiedi ai partecipanti di premere la barra spaziatrice con l'indice della mano sinistra dopo aver letto l'intera frase. La durata della presentazione della frase è di 5000 ms.
      NOTA: I set delle frasi sono separati l'uno dall'altro dall'aspetto di tre puntatori a croce ("-") per 2000 ms. Ogni nuova presentazione del concetto inizia con una singola croce di fissaggio (-") presente per 500 ms prima che le parole della frase vengano lampeggiate. Ogni parola viene presentata per 500 ms e la schermata vuota nel colore di sfondo tra le parole all'interno di una frase è lunga 300 ms.
  4. Procedura di valutazione delle acquisizioni
    1. Per valutare gli effetti dell'apprendimento sia immediatamente che dopo la fase di consolidamento overnight, suddividere lo stimolo in due sottoinsiemi, equamente distribuiti tra le condizioni di stimolo e controbilanciati tra il gruppo di soggetti, ed eseguire l'attività di valutazione immediatamente dopo il protocollo di apprendimento su un sottoinsieme, e dopo un ritardo di 24 ore sull'altro.
      NOTA: Questa strategia si basa sulla letteratura che mette in evidenza l'importanza del consolidamento della memoria overnight per l'acquisizione di nuove parole19,20.
    2. Utilizzare tutte le attività sviluppate nell'ordine descritto nella sezione 3 precedente per valutare i diversi livelli di acquisizione parola/concetto. Scegliere l'ordine delle attività per ridurre al minimo gli effetti di trasporto da un'attività a quelle seguenti.
    3. Per le attività 1 e 4 utilizzare fogli di calcolo che devono essere riempiti da soggetti (a mano o utilizzando un processore di testo o foglio di calcolo); presentare gli altri compiti utilizzando un software di simulazione temporale preciso.
      NOTA: ogni stimolo nelle Attività 2 e 3 viene presentato per 600 ms, con una correzione incrociata ("-") presente nell'intervallo interstizio (1400 ms); vedere la figura 3. Per le altre attività il tempo di risposta non è limitato.

6. Analisi dei dati

  1. Eseguire l'analisi dei dati utilizzando test diversi confrontando due set di campioni provenienti da distribuzioni continue (ad esempio il test di rango firmato Wilcoxon o il test U Mann-Whitney) o mediani (test t-test a due campioni, se la distribuzione è normale).

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Representative Results

Mentre i dati sono stati analizzati per l'insieme specifico di compiti, va sottolineato che il set sviluppato di test e il paradigma potrebbe essere adattato a una varietà di esperimenti psicolinguistici. I risultati sono stati analizzati in termini di punteggi di precisione (numero di risposte corrette) e del tempo di reazione (RT) utilizzando il test di rango firmato Wilcoxon non parametrico e il test Mann-Whitney U tra i gruppi (condizioni di stimolazione catodale e fittizie). Differenze significative per le attività all'interno di ciascun gruppo sono presentate nella tabella 3; di seguito, evidenziamo i principali risultati relativi alla stimolazione (per la statistica descrittiva vedi Tabella 2).

Il confronto delle prestazioni nel compito decisionale lessicale tra i due gruppi (condizioni di stimolazione catalativa contro finta) ha mostrato differenze il primo giorno tra la precisione per le pseudoparole concorrenti: la precisione è aumentata più dopo il catodale che dopo la farsa stimolazione (zonto 0,041), suggerendo una ridotta competizione lessicale dopo la stimolazione catodale. Nell'attività di riconoscimento, la precisione per le nuove parole era migliore dopo la sham che dopo la stimolazione catolana sia sul primo (0,034 USD) che sul secondo giorno , suggerendo una riduzione dell'efficienza di apprendimento lessicale dopo la stimolazione. Nessuna delle attività mostrava differenze nella RT tra i gruppi. I risultati delle attività semantiche mostrarono la corrispondenza tra il significato della forma romanzo e la forma della superficie fu più efficace per il gruppo cathodal sopra la finzione solo il secondo giorno .

All'interno di ogni gruppo, vi erano notevoli differenze nei punteggi di precisione e nei tempi di reazione tra le due sessioni di valutazione. Nel gruppo farsi, il nuovo riconoscimento delle parole era migliore il primo che il secondo giorno. Nel gruppo cafodale, RT nell'attività di riconoscimento era significativamente più breve per le parole nuove che per le pseudoparole dei concorrenti il primo giorno. I risultati del compito decisionale lessicale mostrarono che dopo la stimolazione catodale sul primo (0,003) e il secondo giorno (zon 0,001), c'erano prestazioni migliori per nuove parole rispetto ai concorrenti pseudofù. Nel gruppo finto, tuttavia, questo effetto è stato osservato solo il secondo giorno.

Figure 1
Figura 1 : Camera sperimentale. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 2
Figura 2 : procedura per la presentazione di stimoli in sequenza di apprendimento contestuale. (A) Fare gruppi di stimolo: Gruppi di stimoli di parola/pseudoparola. (B) Diagramma della presentazione dello stimolo nel blocco di apprendimento contestuale. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 3
Figura 3 : Posizione dell'elettrodo di stimolazione per le aree di Wernicke e Broca. Pannello sinistro: vista laterale e proiezione sulle aree cerebrali. Zone cerebrali, elettrodi EEG (sistema 10-20%) corrispondenti, e rettangoli rossi che rappresentano la posizione di elettrodi stimolanti sono contrassegnati. L'elettrodo di riferimento è mostrato alla base del collo. Pannello destro: Proiezione dell'elettrodo stimolante sul layout del sistema EEG 10-20%. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 4
Figura 4 : apparecchiature tDCS. (A) Stimolatore; (B) salina; (C) elettrodi Si prega di fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Esempi di frasi
E s.l.m. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Le nostre nonne non conoscevano una sensazione come i mushkelak.
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Grazie alla sua buona memoria, Masha non ha mai sperimentato alcun mushkelak.
, t.a.), s.t. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Avendo avuto qualche account, ho iniziato a soffrire di mushkelak.
S. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Un taccuino segreto potrebbe aiutarti a risolvere il problema dei mushkelak.
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Peter ha sempre impostato la stessa password come lui non voleva avere alcun mushkelak.

Tabella 1: Esempi di frasi per l'apprendimento contestuale di nuove parole.

Stimolazione Sham Stimolazione caoile
Significare Sd Significare Sd
Attività 1: richiamo gratuito
Giorno 1 esattezza 4.91 2.22 5.69 1.49 (in questo: la pagina del documento)
Giorno 2 esattezza 2.53 (in questo da 23) 2.44 2.84 2.26
Attività 2: riconoscimento. Punteggi di accuratezza
Giorno 1 Nuove parole 3.06 0,89 1.96 (in inglese) 1.68 (in inglese)
Parole del concorrente 3.63 (in inglese) 1.14 (in questo stato del documento) 3.73 1.29 (in tito lo dei min
pseudoparole concorrenti 2.60 (in inglese) 1.15 (in linguaggio 1): 2.69 1.39 (in questo modo)
Controllare pseudoparole 3.79 1.32 (in questo stato del documento) 3.92 (in vie tallato) 1.41 (in linguaggio 1.41)
Parole di controllo 4.67 (in inglese) 1.05 (in questo stato del documento in stato di 4.29 (in questo stato del documento) 1.16 (in inglese)
Giorno 2 Nuove parole 2.58 (in questo da 24) 0,93 (lei, da quando il calibro della 1.56 (in inglese) 1.47 (in questo: la pagina del documento di lavoro
Parole del concorrente 4.40 (in questo stato del sistema) 0,74 (in questo 04) 4.10 (in linguaggio: 40) 1.39 (in questo modo)
pseudoparole concorrenti 3.13 La sua 1.25 (in vie del 12) 3.31 1.00 (in questo da 1,00)
Controllare pseudoparole 4.33 (in modo 0,92 (in linguaggio calibro 02) 4.50 (in questo stato del sistema) 1.14 (in questo stato del documento)
Parole di controllo 4.58 (in questo stato del documento) 1.02 (in questo stato del documento) 4.38 (in modo 1.44 (in questo: la pagina del documento di lavoro
Attività 2: riconoscimento. Tempo di reazione (ms)
Giorno 1 Nuove parole 793 167 (in inglese) 858 858 183 del sistema
Parole del concorrente 804 151 del sistema 845 845 179 del 179
pseudoparole concorrenti 883 261 Del sistema di 962 (in inglese) 306 Anche
Controllare pseudoparole 849 849 201 Del 2032 833 234 (di sistema)
Parole di controllo 699 del sistema 131 del 132 767 Il 196 del sistema
Giorno 2 Nuove parole 836 200 anni 933 272 (in questo stato del 24>
Parole del concorrente 816 Del XIX io, 239 del 231: 818 88 213 del sistema di
pseudoparole concorrenti 859 859 281 del sistema 924 236 (di
Controllare pseudoparole 818 88 280 anni 866 265 anni (in inglese)
Parole di controllo 734 212 (di cinea) 817 817 234 (di sistema)
Compito 3: decisione lessicale. Punteggi di accuratezza
Giorno 1 Nuove parole 2.42 (in questo stato del documento in stato di 1.63 (in inglese) 1.96 (in inglese) 1.68 (in inglese)
Parole del concorrente 4.13 0,78 (in questo 0,00) 4.10 (in linguaggio: 40) 0,90
pseudoparole concorrenti 3.46 1.17 (in modo non il più necessario) 4.02 (in questo stato del documento) 1.33 (in modo instato 1.33)
Controllare pseudoparole 4.21 (in questo stato del documento) 1.02 (in questo stato del documento) 4.25 (in questo stato del documento) 1.26 (in inglese)
Parole di controllo 4.54 0,72 (in questo 02) 4.54 0,78 (in questo 0,00)
Giorno 2 Nuove parole 2.04 (in questo stato del documento in stato di 1.47 (in questo: la pagina del documento di lavoro 1.56 (in inglese) 1.47 (in questo: la pagina del documento di lavoro
Parole del concorrente 4.38 (in modo 0,56 (in inglese) 4.46 0,61 (in inglese)
pseudoparole concorrenti 3.81 1.08 (in linguaggio 1,08) 3.94 1.39 (in questo modo)
Controllare pseudoparole 4.54 0,78 (in questo 0,00) 4.58 (in questo stato del documento) 1.28 (in vie del 12)
Parole di controllo 4.42 (in questo stato del documento) 0,72 (in questo 02) 4.63 (in inglese) 0,71 (in questo da fwlinkall'usd)
Compito 3: decisione lessicale. Tempo di reazione (ms)
Giorno 1 Nuove parole 817 817 244 del sistema 921 248 (248)
Parole del concorrente 747 Del 134431 181 797 Il 13 201 Del 2032
pseudoparole concorrenti 927 307 Milia 910 265 anni (in inglese)
Controllare pseudoparole 891 Del 131 291 852 213 del sistema di
Parole di controllo 737 Del 13o 217 del sistema di 784 221 Del 2241
Giorno 2 Nuove parole 878 84 287 del sistema 963 292 (in questo stato del 24>
Parole del concorrente 743 Del 133 174 del sistema 811 del sistema 197 del 193
pseudoparole concorrenti 914 290 918 244 del sistema
Controllare pseudoparole 871 del sistema 286 (in inglese) 853 244 del sistema
Parole di controllo 719 del 19o 189 del 182 756 Del 13o 234 (di sistema)
Compito 4: definizione semanticaTask 4: semantic definition
Giorno 1 intonato 1.27 (in vie del 1:27) 0,75 (in questo 0,05) 1.87 (in questo stato del documento) 1.45 (in questo stato del documento)
esattezza 7.97 (in questo 4.03 8.71 (in questo stato del documento) 5.66 (in inglese)
Giorno 2 intonato 0,52 (in linguaggio da 20>: 0,79 (in linguaggio 09) 1.39 (in questo modo) 1.44 (in questo: la pagina del documento di lavoro
esattezza 2.82 (in questo stato del documento di windows) 2.73 5.86 (in inglese) 5.74
Attività 5: corrispondenza semanticaTask 5: semantic matching
Giorno 1 esattezza 3.16 0,97 (in linguaggio calibro 07) 3.18 La signora 1.03 (in questo stato del documento in stato di
Tempo di reazione (ms) 10914 3391 10856 (in inglese) 6039
Giorno 2 esattezza 2.41 1.07 (in questo stato del documento) 2.89 1.25 (in vie del 12)
Tempo di reazione (ms) 8798 2488 8908 (in questo stato del sistema) 3419

Tabella 2: Statistiche descrittive.

Stimolazione Sham valore p Stimolazione caoile valore p
Compito 1: richiamo gratuito.  Punteggi di accuratezza
Tra i giorni Punteggi di precisione Giorno 1 rispetto a punteggi di precisione Giorno 2 0.001 (intito) Punteggi di precisione Giorno 1 rispetto a punteggi di precisione Giorno 2 <0.001
Attività 2: riconoscimento. Punteggi di accuratezza
Giorno 1 Nuove parole vs. Nuove parole vs.
Parole del concorrente 0,042 (in linguaggio<24) Parole del concorrente 0.004 (in questo 04)
Controllare pseudoparole 0,041 (in linguaggio da 20>: pseudoparole concorrenti 0,045 (in via 0,045)
Parole di controllo 0.001 (intito) Controllare pseudoparole 0.002 (in 3:0)
Parole di controllo <0.001
Giorno 2 Nuove parole vs. Nuove parole vs.
Parole del concorrente 0.001 (intito) Parole del concorrente <0.001
Controllare pseudoparole 0.001 (intito) pseudoparole concorrenti 0.001 (intito)
Parole di controllo 0.001 (intito) Controllare pseudoparole <0.001
Parole di controllo <0.001
Tra i giorni Nuove parole 0,049 (in questo 09). Parole del concorrente 0,036 (in inglese)
Parole del concorrente 0,011 (in via 0,011) pseudoparole concorrenti 0,024 (in linguaggio da 20>:
pseudoparole concorrenti 0,034 (in linguaggio da 20>: Controllare pseudoparole 0,020
Controllare pseudoparole 0,030 (in linguaggio 0,030)
riconoscimento. Tempo di reazione (ms)
Giorno 1 Nuove parole vs.  Parole di controllo 0,005 (in questo da 20>) Nuove parole vs.
pseudoparole concorrenti 0,042 (in linguaggio<24)
Parole di controllo 0.006 (in inglese)
Giorno 2 Nuove parole e parole di controllo 0.007 (in questo 07) Nuove parole vs.
Parole del concorrente 0.001 (intito)
Controllare pseudoparole 0,045 (in via 0,045)
Parole di controllo 0,014 (in linguaggio da 2>)
Compito 3: decisione lessicale. Punteggi di accuratezza
Giorno 1 Nuove parole vs. Nuove parole vs.
Parole del concorrente 0.001 (intito) Parole del concorrente <0.001
Controllare pseudoparole 0.001 (intito) pseudoparole concorrenti 0.003 (invisa 303
Parole di controllo 0.001 (intito) Controllare pseudoparole 0.001 (intito)
Parole di controllo <0.001
Giorno 2 Nuove parole vs. Nuove parole vs.
Parole del concorrente 0.001 (intito) Parole del concorrente <0.001
pseudoparole concorrenti 0.002 (in 3:0) pseudoparole concorrenti 0.001 (intito)
Controllare pseudoparole 0.001 (intito) Controllare pseudoparole <0.001
Parole di controllo 0.001 (intito) Parole di controllo <0.001
Tra i giorni Nessuna differenza significativa Controllare pseudoparole 0,033 (in linguaggio da 20>:
Decisione lessicale. Tempo di reazione (ms)
Giorno 1 Nuove parole vs. Nuove parole vs.
Parole del concorrente 0,022 (in linguaggio<24) Parole del concorrente 0.001 (intito)
pseudoparole concorrenti <0.001 Parole di controllo 0,013 (in via 0,013)
Controllare pseudoparole 0,033 (in linguaggio da 20>:
Giorno 2 Nuove parole vs. Nuove parole vs.
Parole del concorrente 0.003 (invisa 303 Parole del concorrente 0.003 (invisa 303
Parole di controllo 0,008 (in vie talloni di clam Parole di controllo 0.001 (intito)
Attività 4: definizione semantica. Punteggi di abbinamento e accuratezza
Tra i giorni Punteggi corrispondenti Giorno 1 rispetto ai punteggi corrispondenti Giorno 2 0.001 (intito) Punteggi corrispondenti Giorno 1 rispetto ai punteggi corrispondenti Giorno 2 0.006 (in inglese)
Punteggi di precisione Giorno 1 rispetto a punteggi di precisione Giorno 2 0.001 (intito) Punteggi di precisione Giorno 1 rispetto a punteggi di precisione Giorno 2 <0.001
Attività 5: corrispondenza semantica. Punteggi di accuratezza
Tra i giorni Punteggi di precisione Giorno 1 rispetto a punteggi di precisione Giorno 2 0.006 (in inglese) Nessuna differenza significativa
Corrispondenza semantica. Tempo di reazione (ms)
Tra i giorni Tempo di reazione Giorno 1 rispetto al tempo di reazione Giorno 2 0.002 (in 3:0) Tempo di reazione Giorno 1 rispetto al tempo di reazione Giorno 2 0,015 (in via 0,015)

Tabella 3: Differenze significative nei punteggi di precisione e nei tempi di reazione all'interno di ciascun gruppo (stimolazioni sham e catodali). I valori tra parentesi sono i punteggi medi e i tempi di reazione.

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Discussion

I risultati evidenziano alcuni punti importanti che devono essere presi in considerazione quando si conducono ricerche psicolinguistiche in generale, e studi tDCS neurolinguistica in particolare. La stimolazione delle cortice linguistiche (esemplificata qui dall'area di Wernicke) produce un complesso modello di risultati comportamentali. A differenza della tecnica TMS, in cui è possibile interrompere completamente l'elaborazione vocale (ad esempio, il cosiddetto protocollo "arresto vocale")21, questo metodo consente un'influenza possibilmente più complessa, graduata e sottile sui meccanismi di elaborazione del linguaggio. Abbiamo riscontrato una varietà di differenze di precisione e di tempo di reazione che si differenziano notevolmente tra condizioni, test e giorni di valutazione. Le implicazioni tecniche del protocollo riportato sono brevemente discusse di seguito.

Per disinnescare i vari effetti, è necessaria una serie di diversi test, che potrebbero testare i processi a diversi livelli di memoria a breve e lungo termine, l'accesso lessicale, l'elaborazione semantica, ecc. Ad esempio, gli effetti qui includono prestazioni diverse nel richiamo e nel riconoscimento per diversi tipi di stimolo e condizioni di stimolazione, il che suggerisce effetti di concorrenza lessicali differenziali per nuovi e vecchi oggetti, e effetti divergenti del tDCS a livelli lessicali e semantici. I nostri risultati confermano la sensibilità dei compiti utilizzati per l'efficienza dell'acquisizione di nuove parole a diversi livelli, tra cui il riconoscimento, la comprensione di un significato di una parola e il richiamo gratuito.

Allo stesso modo, una condizione tDCS (ad esempio, stimolazione anodale e catola) richiede una condizione di controllo adeguata (o gruppo di controllo), la stimolazione finta (placebo) è la linea di base più appropriata. A differenza della stimolazione elettrica della corteccia motoria, gli effetti potrebbero non essere sempre inequivocabili22, dipendono fortemente dai test utilizzati o potrebbero non apparire affatto23.

Un altro punto molto importante è che un solo tipo di stimolazione potrebbe essere applicato in ogni singolo soggetto nel contesto di una singola sessione sperimentale. Questo normalmente comporta una progettazione tra gruppi, ad esempio, un gruppo di stimolazione anodale, un gruppo di stimolazione catodale e un gruppo di controllo del placebo (sham). Per i progetti all'interno del gruppo, utilizzare diversi protocolli tDCS in giorni diversi, almeno 24 h a parte (negli studi di apprendimento, questo comporta anche l'utilizzo di diversi stimoli linguistici in giorni diversi per evitare la contaminazione dei risultati da effetti di ripetizione). La presente relazione utilizza un esperimento di stimolazione catolaria delle aree di Wernicke come esempio, ma procedure simili si applicano ad altre polarità/siti.

La presentazione contestuale di nuove parole espande significativamente le possibilità di studio simultaneo dell'acquisizione della forma di parola di per sé e della sua semantica. Tradizionalmente, questi processi sono studiati separatamente concentrandosi sia sull'acquisizione di una nuova forma di parola o sulla correlazione di un significato di una parola familiare con altre unità semantiche24,25,26. Il protocollo proposto combina entrambi gli obiettivi; pertanto, è possibile confrontare le dinamiche di una nuova acquisizione di concetto a livello di percezione della forma parola e quella di padroneggiarne il contenuto, che si ottiene utilizzando una serie completa di test. La necessità di tale confronto è sottolineata qui dalle dinamiche divergenti delle prestazioni sul richiamo e il riconoscimento di nuove forme superficiali rispetto alla corrispondenza semantica.

È importante ricordare le principali differenze tra tDCS e altri metodi di stimolazione cerebrale non invasivi, come La TMS. Poiché non esiste un modo semplice per determinare la sensibilità individuale al tDCS in base alla valutazione della soglia, viene applicato un unico protocollo per tutti i soggetti. È molto difficile stimare con precisione l'area di stimolazione – si può parlare solo dell'area approssimativa/ipotetica stimolata. È anche difficile stimare la durata degli effetti di stimolazione offline dopo lo spegnimento della corrente. Presumibilmente, i principali effetti della stimolazione sono osservati fino a un'ora dopo la cessazione della stimolazione. Tuttavia, gli effetti a volte possono essere rilevati anche un giorno dopo la stimolazione20.

Tuttavia, rispetto a TMS, la relativa facilità di applicazione del tDCS, il rischio sostanzialmente inferiore di effetti collaterali e l'assenza di artefatti acustici rendono questo protocollo attraente per studiare la funzione del linguaggio e del linguaggio. Vale anche la pena notare che la combinazione di stimolazione elettrica con altri metodi, ad esempio con TMS, fMRI, EEG o intervento farmacologico, consente di studiare i meccanismi neuronali di tDCS in modo più dettagliato27,28.

Poiché la stimolazione tDCS non è altamente localizzata, è possibile un effetto non specifico. Questo è evidente dalle prove esistenti, dove protocolli molto diversi o addirittura opposti possono talvolta portare a risultati simili. Ciò può essere dovuto all'impatto generale su altre funzioni cognitive e processi come l'attenzione, recupero dalla memoria, e così via. È necessaria una serie specializzata di test per rilevare gli effetti associati a una particolare funzionalità linguistica. Seguendo le fasi proposte della creazione materiale di stimolo (verifica della superficie o frequenza lemma delle parole, lunghezza delle parole e delle frasi, ecc.), è necessario considerare la struttura grammaticale e fonetica di una lingua. Ad esempio, il numero di parole in una frase e la lunghezza delle parole possono variare a seconda dell'esatta necessità. Inoltre, le parole usate nell'esperimento devono essere controllate sia per l'ortografia che per il suono. In un linguaggio ortograficamente trasparente come il russo, questo è relativamente semplice, ma può essere difficile da raggiungere in altre lingue (ad esempio, inglese, danese o mandarino).

In linea con un insieme di studi precedenti, troviamo diversi effetti di acquisizione subito dopo il blocco di apprendimento e dopo un sonno notturno, che evidenzia gli effetti del consolidamento notturno. È importante sottolineare che il secondo giorno troviamo anche differenze di gruppo (sham contro catodo). È generalmente accettato che l'effetto fisico della stimolazione della corteccia è relativamente di breve durata, nell'ordine di minuti a diverse ore. Ciò implica che gli effetti cognitivi ottenuti durante la fase di stimolazione transitoria sono tuttavia mantenuti per un periodo più lungo e possono quindi essere eventualmente utilizzati per modulare l'acquisizione e l'elaborazione di testi in contesti pratici. Ovviamente, non solo le aree linguistiche principali di Broca e Wernicke sono coinvolte nella funzione linguistica; l'adozione del protocollo sopra descritto è possibile per qualsiasi area del cervello, mentre una batteria di test psicolinguistici messa a tacere per scopi sperimentali specifici è ancora necessaria per valutare l'impatto della stimolazione su un tratto neurolinguistico specifico.

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Disclosures

Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Acknowledgments

Supportato da RF Contratto di sovvenzione governativa No.14.W03.31.0010. Ringraziamo Ekatarina Perikova e Alexander Kirsanov per il loro sostegno nella preparazione di questa pubblicazione. Siamo grati a Olga Shcherbakova e Margarita Filippova per il loro aiuto nella selezione degli stimoli e ad Anastasia Safronova e Pavel Inozemcev per la loro assistenza nella produzione di materiali video.

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