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Stimulation transcrânienne du courant direct (TDCS) des domaines de Wernicke et Broca dans les études de l'apprentissage des langues et de l'acquisition de mots

Behavior

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Summary

Ici, nous décrivons un protocole pour l'utilisation de la stimulation transcrânienne de courant direct pour des expériences psycho- et neurolinguistiques visant à étudier, d'une manière naturaliste mais entièrement commandée, le rôle des zones corticales du cerveau humain dans l'apprentissage des mots, et un ensemble complet de procédures comportementales pour évaluer les résultats.

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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

Le langage est une fonction très importante mais mal comprise du cerveau humain. Bien que les études sur les modèles d'activation du cerveau pendant la compréhension du langage soient abondantes, ce qui manque souvent de façon critique est la preuve causale de l'implication des régions du cerveau dans une fonction linguistique particulière, notamment en raison de la nature humaine unique de cette capacité et une pénurie d'outils neurophysiologiques pour étudier les relations causales dans le cerveau humain de façon non invasive. Ces dernières années ont vu une augmentation rapide de l'utilisation de la stimulation transcrânienne du courant direct (TDCS) du cerveau humain, une technique facile, peu coûteuse et sûre non invasive qui peut moduler l'état de la zone cérébrale stimulée (putativement en déplaçant l'excitation / d'inhibition), permettant d'étudier sa contribution particulière à des fonctions spécifiques. Bien que se concentrant principalement sur le contrôle moteur, l'utilisation de tDCS est de plus en plus répandue dans la recherche fondamentale et clinique sur les fonctions cognitives supérieures, le langage inclus, mais les procédures pour son application restent variables. Ici, nous décrivons l'utilisation de tDCS dans une expérience psycholinguistique d'apprentissage de mot. Nous présentons les techniques et les procédures pour l'application de la stimulation cathodale et anodale des zones linguistiques de base de Broca et Wernicke dans l'hémisphère gauche du cerveau humain, décrivons les procédures de création d'ensembles équilibrés de stimuli psycholinguistiques, un régime d'apprentissage contrôlé mais naturaliste, et un ensemble complet de techniques pour évaluer les résultats d'apprentissage et les effets du SDCT. À titre d'exemple d'application du SDCT, nous montrons que la stimulation cathodique de la région de Wernicke avant une séance d'apprentissage peut avoir un impact sur l'efficacité de l'apprentissage des mots. Cet impact est à la fois présent immédiatement après l'apprentissage et, surtout, préservé sur un plus long temps après l'usure des effets physiques de la stimulation, ce qui suggère que le TDCS peut avoir une influence à long terme sur le stockage linguistique et les représentations dans le cerveau humain .

Introduction

Les mécanismes neurobiologiques de la fonction du langage humain sont encore mal compris. En tant que fondement de notre capacité de communication, ce trait neurocognitif humain unique joue un rôle particulièrement important dans notre vie personnelle et socio-économique. Tous les déficits affectant la parole et le langage sont dévastateurs pour les victimes et coûteux pour la société. Dans le même temps, dans la clinique, les procédures de traitement des déficits de la parole (comme l'aphasie) restent sous-optimales, notamment en raison d'une mauvaise compréhension des mécanismes neurobiologiques impliqués1. Dans la recherche, l'avènement récent et le développement rapide des méthodes de neuroimaging ont mené aux découvertes multiples décrivant des modèles d'activation ; pourtant, les preuves causales font souvent encore défaut. En outre, les zones langalées du cerveau sont situées quelque peu sous-optimalement pour l'application des approches de neurostimulation traditionnellequi peuvent fournir des preuves causales, plus important encore la technique de stimulation magnétique transcrânienne (TMS). Alors que le protocole TMS hors ligne, tel que la stimulation de l'éclatement du théta, peut causer de la douleur en raison de la proximité des muscles au point de stimulation, les protocoles TMS « en ligne » peuvent introduire des artefacts sonores provenant de la stimulation, ce qui n'est pas souhaitable en raison d'interférences avec présentation de stimulation linguistique2. Même si le SMT est largement utilisé dans les études linguistiques malgré ces inconvénients, une alternative bienvenue peut être fournie par d'autres méthodes de stimulation, notamment la stimulation transcrânienne à courant direct (TDCS). Ces dernières années, tDCS a connu une croissance remarquable de son utilisation en raison de son accessibilité, la facilité d'utilisation, la sécurité relative et souvent des résultats assez frappants3. Même si les mécanismes exacts qui sous-tendent l'influence du TDCS sur l'activité neuronale ne sont pas complètement compris, le point de vue dominant est que, au moins à des niveaux d'intensité faible (généralement 1-2 mA pour 15-60 min), il ne cause aucune excitation neuronale ou inhibition en soi , mais module plutôt le potentiel transmembranaire au repos d'une manière graduée vers la dépolarisation ou l'hyperpolarisation, déplaçant les seuils d'excitation vers le haut ou vers le bas et rendant ainsi le système neural plus ou moins sensible aux modulations par d'autres événements, stimuli, états ou comportements4,5. Tandis que la plupart des applications rapportées jusqu'ici ont porté sur la fonction motrice6 et/ou les déficits de système moteur, il a été de plus en plus appliqué aux fonctions cognitives de niveau supérieur et à leurs incapacités respectives. Il y a eu une augmentation de son application à la parole et au langage, principalement dans la recherche visant à la récupération de l'aphasie post-AVC7,8,9, même si elle a jusqu'à présent conduit à des résultats mitigés en ce qui concerne le potentiel thérapeutique, les sites de stimulation et les hémisphères, et la polarité actuelle optimale. Comme cette recherche, et en particulier l'application du TDCS dans la neurobiologie cognitive de la fonction langagaire normale, est encore à ses balbutiements, il est crucial de délimiter les procédures pour stimuler au moins les cortices de langage de base (surtout Wernicke et broca) en utilisant tDCS, qui est l'un des principaux objectifs du rapport actuel.

Ici, nous examinerons l'application du SDCT aux domaines linguistiques dans le le cas d'une expérience d'apprentissage des mots. En général, le cas de l'apprentissage des mots est pris ici comme un exemple d'expérience neurolinguistique, et la partie tDCS de la procédure ne devrait pas changer considérablement pour d'autres types d'expériences linguistiques ciblant les mêmes domaines. Pourtant, nous profitons de cette occasion pour mettre également en évidence des considérations méthodologiques majeures dans une expérience d'acquisition de mots en soi, qui est le deuxième objectif principal de la description actuelle du protocole. Les mécanismes cérébraux qui sous-tendent l'acquisition de mots, une capacité humaine omniprésente au cœur de nos compétences linguistiques en communication, demeurent largement inconnus10. Pour compliquer le tableau, la littérature existante diffère considérablement dans la façon dont les protocoles expérimentaux favorisent l'acquisition de mots, dans lecontrôle des paramètres de stimulation et dans les tâches utilisées pour évaluer les résultats d'apprentissage (voir, p. ex., Davis et al.11 ). Ci-dessous, nous décrivons un protocole qui utilise des stimuli hautement contrôlés et le mode de présentation, tout en assurant une acquisition naturaliste axée sur le contexte du vocabulaire nouveau. En outre, nous utilisons une batterie complète de tâches pour évaluer les résultats comportementaux à différents niveaux, à la fois immédiatement après l'apprentissage et après une étape de consolidation du jour au lendemain. Ceci est combiné avec tDCS faux et cathodal des secteurs de langue (nous faisons un exemple particulier utilisant la stimulation de secteur de Wernicke) qui peut fournir l'évidence causale sur les processus et les mécanismes neuraux sous-jacents.

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Protocol

Toutes les procédures ont été approuvées par le comité local d'éthique de la recherche de l'Université d'État de Saint-Pétersbourg, à Saint-Pétersbourg, avec le consentement de tous les participants.

REMARQUE : Tous les participants doivent signer le consentement éclairé et remplir un questionnaire pour attester de l'absence de contre-indications pour la stimulation du TDCS (voir Technique et considérations dans l'utilisation de 4 x 1 Anneau De stimulation directe directe transcrânienne (HD-tDCS) par Willamar et ses collègues12) et de recueillir d'autres données pertinentes à l'étude telles que l'acuité visuelle, la démographie, l'expérience linguistique et la main. Pour ce dernier, le travail fondateur d'Oldfield13 est recommandé.

1. Sujets et environnement expérimental

  1. Dans une expérience linguistique typique, assurez-vous que tous les sujets sont droitiers et n'ont aucune trace de déficits linguistiques, de troubles neurologiques ou psychiatriques. Leur langue maternelle et leur statut bilingue/multilingue doivent être contrôlés.
  2. Effectuez toutes les mesures dans une chambre insonorisée ou du moins atténuée. L'isolation sonore est très importante, car tout son, bruit, discours humain, etc. peut affecter considérablement les performances et donc influencer les données (Figure 1).
  3. Pour éviter toute interférence par contact inutile avec un sujet-expérimentateur, placez uniquement l'écran, les écouteurs/haut-parleurs et tous les dispositifs d'entrée (clavier, boîtes à boutons) à l'intérieur de la chambre. Avoir toute l'interaction avec l'expérimentateur sur l'interphone à moins que le contact personnel est nécessaire.
  4. Utilisez les paramètres optimaux suivants, basés sur un pilotage approfondi, pour la couleur de fond et la taille de la police: couleur de fond gris (RGB: 125, 125, 125), couleur de texte noir (RGB: 0; 0; 0), visage de police Arial, taille 27.
  5. Pour réduire les retards et la nervosité dans la présentation visuelle, utilisez une carte vidéo et un moniteur avec un taux de rafraîchissement de 100 Hz et plus.
  6. Pour mesurer les temps de réaction, utilisez des plaquettes de réponse de qualité de recherche, qui ont une meilleure ergonomie et un timing plus précis par rapport aux claviers conventionnels.

2. Préparation de stimulus

  1. Choisissez les mots de la langue en question, qui sont contrôlés pour leur durée, la fréquence lexicale et la structure globale (pour éviter tout effet de base des propriétés de stimulus de surface sur le traitement de niveau supérieur). Ici, tous les mots de base étaient huit phonèmes/lettres de long et se composaient de trois syllabes avec la structure CVCCVCVC (où C est consonne, et V est voyelle).
  2. Pour créer plusieurs listes, divisez les mots en ensembles, qui ne devraient pas différer statistiquement (mesurés avec, par exemple, t-tests) sur leur lemma, bigram et/ou trigramme ainsi que la fréquence syllabique. Ceux-ci peuvent être obtenus à partir de bases de données psycholinguistiques spécifiques à la langue; ici, le Corpus national russe a été utilisé (http://www.ruscorpora.ru/en/). Ici, un ensemble a été utilisé pour créer (par modification) orthographiquement des mots nouveaux et pseudowords similaires, un autre ensemble pour créer des pseudowords de contrôle sans rapport, et un autre ensemble utilisé comme mots de contrôle sans rapport (Figure 2A). Cela a conduit à cinq séries de 10 éléments chacun (50 stimuli au total). Modifiez ces procédures en fonction de vos exigences expérimentales exactes.
  3. Pour minimiser les effets des formes de surface sur la sémantique nouvellement acquise, contrebalancer les ensembles à travers l'échantillon de sujet, de sorte qu'ils jouent des rôles expérimentaux différents pour différents sujets.
  4. Créer des formes de mots nouveaux de telle sorte qu'ils suivent les règles de la phonologie et de la phonotactique et ressemblent à des mots existants en termes de structure orthographique et phonologique.
    REMARQUE: Pour s'assurer que les nouveaux mots peuvent entrer en concurrence avec les mots existants, les procédures actuelles ont été basées sur ceux développés dans une série d'expériences par Gaskell et ses collègues11,14 et visant à garder le mot surles ( CVCCV-) stable, tout en tournant leurs décalages (-CVC) sur différents éléments de l'ensemble. C'est-à-dire que nous avons conservé les deux premières syllabes d'un mot existant et varié la syllabe ultime de telle sorte qu'une nouvelle forme de mot, jusque-là inconnue, a été créée (p. ex., mandarine - et mandanal, où le dernier CVC a été pris d'un autre mot de la liste, cardinal, pour créer un nouvel élément).
  5. Répétez la procédure décrite ci-dessus pour créer autant de nouvelles formes de mots que nécessaire. Pour la démonstration actuelle, nous avons créé des listes de nouvelles formes de mots à apprendre et de pseudowords similaires non appris (par exemple mandarine -gt; mandanal, mandaketMD, tous les trois potentiellement entrer dans un concours lexical post-apprentissage, en tant que voisins) ainsi que d'autres listes de contrôle de mots réels et de pseudo-mots nouveaux qui ne partageaient pas cette similitude et ne produiraient donc pas de concurrence lexicale avec les principaux stimuli (p. ex., circulaires, muséenauxMD; Des exemples russes sont utilisés partout, translittérés du cyrillique au latin pour faciliter la compréhension).

3. Stimuli de phrase pour l'apprentissage sémantique contextuel

  1. Créez des significations nouvelles à associer aux nouveaux mots dans le processus d'apprentissage. Il peut s'agit d'objets ou de concepts ou de concepts non présents dans la langue ou la culture maternelle des sujets.
  2. Pour l'apprentissage contextuel de la sémantique nouvelle, les procédures utilisées par Mestrez-Misse et ses collègues15 sont recommandées. Créez plusieurs phrases uniques qui décrivent des situations à travers lesquelles on peut comprendre la signification de chacun des mots nouveaux (p. ex., « Pour contrôler les insectes à l'époque médiévale, les gens utilisaient le mandaket »). Utilisez une séquence de ces phrases pour chacun des mots nouveaux (ici, un total de 5 phrases par mot), et révèlent progressivement le sens de chaque nouveau concept d'un contexte plus général à plus spécifique.
  3. Présenter idéalement des mots nouveaux sous leur forme de dictionnaire (c.-à-d. infléchi, par exemple, cas nominatif ou accusateur singulier en russe), de sorte que la forme de surface n'est pas infléchie différemment dans différentes phrases (tableau 1), à moins que la règle d'inflexion l'apprentissage est également nécessaire.
  4. Contrôler et équilibrer la durée des phrases et le nombre de mots entre les conditions. Ici, chaque phrase se composait de 8 mots. Placez toujours des mots nouveaux à la fin des phrases. Un tel placement permet l'accumulation d'informations contextuelles nécessaires (en outre, cela permet de mettre en œuvre cette conception, si nécessaire, dans un réglage EEG ou MEG pour enregistrer les réponses cérébrales évoquées démasquées par d'autres stimuli de mot).
  5. Présentez des phrases spécifiques au mot dans des sous-blocs spécifiques à des mots, révélant progressivement le sens de chaque nouveau mot, sans entrer ou randomiser des phrases liées à différents mots nouveaux.
  6. Randomiser l'ordre des sous-blocs à travers le groupe d'objet. La présentation de phrase mot par mot est recommandée si la modalité visuelle est utilisée.
  7. Déterminer l'intervalle d'interstimulus en fonction de propriétés de stimulation spécifiques pour permettre leur présentation pratique (figure 2B); assurez-vous de séparer différents sous-blocs avec des intervalles supplémentaires et de donner des pauses régulières.

4. Tâches d'évaluation de l'acquisition de nouvelles formes de mots et de significations nouvelles

REMARQUE : Utilisez plusieurs tâches pour évaluer différents niveaux d'acquisition et de compréhension des formes de mot de surface et de la sémantique lexicale. Cinq tâches sont utilisées dans le protocole actuel : rappel gratuit, reconnaissance cued, décision lexicale, définition sémantique et correspondance sémantique. Les tâches sont appliquées dans l'ordre indiqué ci-dessous, qui a été optimisé pour réduire tout report entre les tâches successives.

  1. Dans la tâche de rappel gratuit, demandez à chaque participant de reproduire autant de nouvelles formes de mots qu'il pourrait se souvenir en les tapant dans la feuille de calcul préparée. L'instruction est la suivante: "S'il vous plaît écrire dans la colonne tous les nouveaux mots que vous pouvez vous rappeler."
  2. Inclure les mêmes stimuli dans la reconnaissance et la décision lexicale (deuxième et troisième tâches, respectivement) et utiliser le même taux de présentation.
    1. Ces tâches comprennent tous les éléments (mots nouveaux, vrais mots concurrents dont les nouveaux sont dérivés, les concurrents pseudo-mots non formés dérivés des mêmes mots réels, les pseudowords de contrôle sans rapport et les mots existants de contrôle non apparentés).
    2. Pour la tâche de reconnaissance, utilisez l'instruction suivante : « Vous serez présenté avec des mots séquentiellement. Appuyez sur le bouton "1" avec le majeur de la main gauche si vous avez rencontré le mot pendant l'expérience, ou appuyez sur "2" avec l'index de la main gauche si vous n'avez pas." Modifier le codage de réponse, la main et les doigts en fonction de vos exigences spécifiques.
    3. L'instruction pour la tâche de décision lexicale est la suivante: «Vous serez présenté avec des mots réels et vides de sens séquentiellement. Appuyez sur "1" avec le majeur de la main gauche si le mot a du sens, ou appuyez sur "2" avec l'index de la main gauche si ce n'est pas le cas." Modifiez-les au besoin.
  3. Utilisez la tâche de définition sémantique pour estimer l'acquisition d'un sens nouveau et la correspondance entre le sens et la forme de surface.
    1. Donnez aux participants une liste des éléments appris (c.-à-d. ceux présentés précédemment dans la phase d'apprentissage) avec l'instruction ci-dessus : « Voici une liste de nouveaux mots qui vous ont été présentés précédemment. Essayez de définir chacun d'eux et tapez leurs définitions dans la feuille de calcul»..
    2. Pour évaluer l'exhaustivité et l'exactitude des définitions données, faites appel à des experts indépendants pour évaluer les réponses; l'accord entre experts pourrait être testé en utilisant, par exemple, le coefficient de concordance (W) de Kendall.
  4. Utilisez la tâche d'appariement sémantique pour évaluer l'acquisition de la sémantique en faisant des liens explicites entre les formes de mots nouvellement apprises et leurs significations d'une manière simplifiée.
    1. Utilisez l'instruction suivante : « On vous présentera un mot et trois définitions. Vous devez choisir une définition correcte pour chaque mot en appuyant sur le bouton correspondant". Une seule des définitions est correcte, les deux autres correspondant aux autres éléments nouveaux. En plus des trois définitions facultatives, y compris « aucune de tout cela » ou/et des options « incertaines » est également recommandée.

5. Procédures

  1. Assurez-vous que la stimulation tDCS précède la tâche comportementale qu'elle est censée moduler.
    1. La zone de Wernicke.
      REMARQUE: Le placement d'électrode de stimulation qui correspond le mieux à la zone de Wernicke est CP5 selon le système international étendu 10-20 pour EEG16,17.
      1. Pour localiser cet emplacement en l'absence d'un bouchon d'électrode, suivez les procédures standard du système 10-20.
      2. Mesurer la tête avec une bande de l'inion à la nasion, et noter le milieu de cette distance. Ensuite, mesurez la distance du point préauriculaire gauche au point préauriculaire droit, et marquez le point de croix des deux mesures.
      3. Pour trouver l'emplacement CP5, mesurez 30% de la distance entre les points préauriculaires du point de croix vers le bas de l'hémisphère gauche et marquez-le. Mesurer 10% de la distance entre l'inion et la nasion du point marqué à l'arrière de la tête. Ce point est l'emplacement CP5 pour l'électrode active (Figure 3).
    2. Région de Broca
      REMARQUE: Le site d'électrodes F518 selon le système 10-20 est le plus proche de la zone de Broca.
      1. En l'absence d'un plafond EEG, suivez les procédures standard du système 10-20 pour trouver et marquer le point de croisement entre l'inion-nasion et les points préauriculaires, tel que décrit ci-dessus.
      2. Pour trouver l'emplacement F5, mesurez 20% de la distance entre l'inion et la nasion du point de croix à l'avant de la tête. Mesurez 30% de la distance entre les points préauriculaires du point récemment marqué dans l'hémisphère gauche. Ce point correspond à l'emplacement F5 de l'électrode active (Figure 3).
    3. Emplacements homologues dans l'hémisphère droit : pour les homologues hémisphériques droits des zones de Wernicke et de Broca, utilisez les mêmes procédures que ci-dessus, à l'exception de la mesure de la distance de la ligne médiane sur le côté droit du cuir chevelu. Les emplacements d'électrode sont : CP6 pour l'homologue de RH Wernicke et F6 pour l'homologue de Broca.
    4. Utilisez des électrodes spongieuses mesurant 5 cm x 5 cm car cette taille est un bon compromis entre la stimulation focale (qui cause plus d'irritation et d'inconfort) et les électrodes plus grandes qui manquent de focalité. Faire tremper les électrodes dans une solution saline physiologique pendant 5 minutes avant l'application.
    5. Afin de minimiser l'effet de la stimulation sur d'autres régions du cerveau, placez l'électrode de référence à la base du cou du côté gauche (à droite pour les homologues) (voir la figure 3 et la figure 4). Utilisez également des électrodes spongieuses de 5 cm x 5 cm.
      REMARQUE : Une attention particulière devrait être accordée à la prévention de la propagation de la solution au-delà des limites de la zone d'application d'électrodes. Un soin particulier doit être pris pour garder la zone d'électrode environnante au sec.
    6. Pour une stimulation cathodique optimale, utilisez un courant de 1,5 mA pendant 15 min. Au début, le courant passe progressivement de 0 à 1,5 mA sur 30 s, et à la fin de la stimulation, il retombe à zéro sur 30 s.
    7. Pour la stimulation anodale, utilisez la même procédure que la stimulation cathodique, sauf que la polarité est inversée, et l'électrode anodale est placée sur le site actif, tandis que la cathode est utilisée comme électrode de référence située à l'extérieur de la zone du cuir chevelu.
  2. Stimulation Sham
    1. Effectuer la procédure de stimulation simulée généralement comme décrit ci-dessus, sauf que le courant n'est appliqué que brièvement au début et à la fin de la session simulée. À cette fin, au cours de la première et la dernière 30 s de la session, appliquer une impulsion électrique d'une forme triangulaire avec un maximum de 1,5 mA, comme utilisé dans le protocole actuel.
  3. Principale tâche comportementale : apprentissage sémantique contextuel
    1. Présentez des décors avec des phrases contextuelles pour les mots nouveaux dans un ordre aléatoire. Commencez chaque phrase par une présentation mot par mot.
    2. Après cela, affichez la phrase entière sur l'écran pour assurer sa pleine compréhension. Demandez aux participants d'appuyer sur la barre d'espace avec l'index de la main gauche après avoir lu toute la phrase. La durée de la présentation de la phrase est de 5000 ms.
      REMARQUE : Les ensembles des phrases sont séparés les uns des autres par l'apparence de trois réticules (« ô ») pour 2000 ms. Chaque nouvelle présentation conceptuelle commence par une seule croix de fixation (« ô ») présente pendant 500 ms avant que les mots de phrase ne soient flashés. Chaque mot est présenté pour 500 ms, et l'écran vide dans la couleur de fond entre les mots dans une phrase est de 300 ms de long.
  4. Procédure d'évaluation des acquisitions
    1. Pour évaluer les effets d'apprentissage immédiatement et après l'étape de consolidation du jour au lendemain, décomposez le stimulus en deux sous-ensembles, répartis également dans les conditions de stimulation et contrebalancés dans l'ensemble du groupe visé, et exécutez la tâche d'évaluation immédiatement après le protocole d'apprentissage sur un sous-ensemble, et après un retard de 24 heures sur l'autre.
      REMARQUE: Cette stratégie est basée sur la littérature qui souligne l'importance de la consolidation de la mémoire du jour au lendemain pour l'acquisition de nouveaux mots19,20.
    2. Utiliser toutes les tâches développées dans l'ordre décrit à la section 3 ci-dessus pour évaluer différents niveaux d'acquisition de mots ou de concepts. Choisissez l'ordre des tâches pour minimiser les effets de report d'une tâche à la suivante.
    3. Pour les tâches 1 et 4, utilisez des feuilles de calcul à remplir par des sujets (à la main ou à l'aide d'un texte ou d'un processeur de feuilles de calcul); présenter les autres tâches à l'aide d'un logiciel de simulation temporellement précis.
      REMARQUE : Chaque stimulus dans les tâches 2 et 3 est présenté pour 600 ms, avec une croix de fixation (« ) présente dans l'intervalle d'interstimulus (1400 ms); voir Figure 3. Pour les autres tâches, le temps de réponse n'est pas limité.

6. Analyse des données

  1. Effectuer une analyse des données à l'aide de différents tests comparant deux ensembles d'échantillons provenant de distributions continues (comme le test de rang signé Wilcoxon ou le test U Mann-Whitney) ou des médianes (test t à deux échantillons, si la distribution est normale).

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Representative Results

Bien que les données aient été analysées pour l'ensemble spécifique des tâches, il convient de souligner que l'ensemble développé de tests et le paradigme pourraient être adaptés à une variété d'expériences psycholinguistiques. Les résultats ont été analysés en termes de scores de précision (nombre de réponses correctes) et le temps de réaction (RT) en utilisant non-paramétrique Wilcoxon a signé le test de rang et Mann-Whitney U test à travers les groupes (conditions de stimulation cathodique et simulée). Des différences significatives pour les tâches au sein de chaque groupe sont présentées dans le tableau3; ci-dessous, nous soulignons les principaux résultats liés à la stimulation (pour les statistiques descriptives voir tableau 2).

La comparaison des performances dans la tâche de décision lexicale entre les deux groupes (conditions de stimulation cathodique s'il y a eu des conditions de stimulation) a montré des différences le premier jour entre la précision des pseudowords des concurrents : la précision augmentait plus après la cathodal qu'après la feinte stimulation (0,041), suggérant une concurrence lexicale réduite après stimulation cathodique. Dans la tâche de reconnaissance, la précision pour les mots nouveaux était meilleure après la feinte qu'après la stimulation cathodique à la fois sur le premier (0,034) et sur le deuxième jour (0,09), suggérant une efficacité d'apprentissage lexicale réduite après la stimulation. Aucune des tâches n'a montré de différences dans la RT entre les groupes. Les résultats des tâches sémantiques ont montré l'appariement entre le sens de forme nouvelle et la forme de surface a été plus réussie pour le groupe cathodal au-dessus de l'imposture le deuxième jour seulement (0,011).

Dans chaque groupe, il y avait des différences notables dans les scores de précision et les temps de réaction entre les deux séances d'évaluation. Dans le groupe fictif, la reconnaissance des mots nouveaux était meilleure le premier que le deuxième jour (0,049 euros). Dans le groupe cathodique, RT dans la tâche de reconnaissance était significativement plus courte pour les mots nouveaux que pour les pseudowords concurrents le premier jour (0,042), mais pas sur le second. Les résultats de la tâche de décision lexicale ont montré qu'après la stimulation cathodique sur le premier (0,003) et le deuxième jour (0,001), il y avait de meilleures performances pour les mots nouveaux que pour les concurrents pseudoword. Dans le groupe fictif, cependant, cet effet a été observé le deuxième jour seulement (0,002).

Figure 1
Figure 1 : Chambre expérimentale. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 2
Figure 2 : Procédure de présentation des stimuli dans la séquence d'apprentissage contextuel. (A) Faire des groupes de stimulus: Groupes de mots / pseudo-mots stimuli. (B) Diagramme de présentation de stimulus dans le bloc d'apprentissage contextuel. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 3
Figure 3 : Emplacement de l'électrode de stimulation pour les zones de Wernicke et Broca. Panneau gauche : Vue latérale et projection sur les zones du cerveau. Zones cérébrales, électrodes EEG (système 10-20%) correspondant à eux, et les rectangles rouges représentant l'emplacement des électrodes stimulantes sont marqués. L'électrode de référence est montrée à la base du cou. Panneau droit : Projection de l'électrode stimulante sur la disposition du système EEG 10-20%. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 4
Figure 4 : équipement tDCS. (A) Stimulateur; (B) salin; (C) électrodes Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Exemples de phrases
C'est pas vrai.
Nos grands-mères ne connaissaient pas un tel sentiment que le mushkelak.
C'est ça, c'est ça.
Grâce à sa bonne mémoire, Masha n'a jamais connu de bouillie.
C'est ça, c'est ça.
Ayant eu quelques comptes, j'ai commencé à souffrir de mushkelak.
C'est pas vrai.
Un carnet secret pourrait vous aider à résoudre le problème du mushkelak.
C'est pas vrai.
Peter a toujours mis le même mot de passe qu'il ne voulait pas avoir de bouillie.

Tableau 1 : Exemples de phrases pour l'apprentissage contextuel de mots nouveaux.

Stimulation Sham Stimulation cathodique
signifier Sd signifier Sd
Tâche 1 : rappel gratuit
Jour 1 justesse 4,91 2,22 5,69 1,49
Jour 2 justesse 2,53 2,44 2,84 2,26
Tâche 2 : reconnaissance. Scores de précision
Jour 1 Mots nouveaux 3,06 0,89 1,96 1,68
Mots de concurrent 3,63 1.14 (en) 3,73 1,29
Pseudowords concurrents 2,60 1.15 Annonces 2,69 1,39
Contrôler les pseudomots 3,79 1,32 3,92 1,41
Mots de contrôle 4,67 1,05 4,29 1.16 Annonces
Jour 2 Mots nouveaux 2,58 0,93 1,56 1,47
Mots de concurrent 4,40 0,74 4.10 (en) 1,39
Pseudowords concurrents 3.13 (en) 1,25 3.31 (en) 1,00
Contrôler les pseudomots 4,33 0,92 4,50 1.14 (en)
Mots de contrôle 4,58 1,02 4,38 1,44
Tâche 2 : reconnaissance. Temps de réaction (ms)
Jour 1 Mots nouveaux 793 Annonces 167 Annonces 858 Annonces En 183, états-unis ( en plus
Mots de concurrent 804 Annonces 151 Annonces 845 Annonces 179 Annonces
Pseudowords concurrents 883 Annonces 261 Annonces 962 Annonces 306 Annonces
Contrôler les pseudomots 849 Annonces en 201, états-unis à l' 833 Annonces 234, en plus
Mots de contrôle 699 Annonces 131 (en) 767 Annonces En 196, états-unis qui en ont
Jour 2 Mots nouveaux 836 Annonces 200 Ans et plus 933, états-unis ( en plus 272 Annonces
Mots de concurrent 816 Annonces 239 , États-Unis 818 Annonces 213 , États-Unis
Pseudowords concurrents 859 Annonces 281 Annonces 924, en plus d'en avoir pour 236 Annonces
Contrôler les pseudomots 818 Annonces 280 Annonces 866 Annonces 265 Annonces
Mots de contrôle 734 Annonces 212, états-unis 817 Annonces 234, en plus
Tâche 3 : décision lexicale. Scores de précision
Jour 1 Mots nouveaux 2,42 1,63 1,96 1,68
Mots de concurrent 4.13 (en) 0,78 4.10 (en) 0,90
Pseudowords concurrents 3,46 1.17 Annonces 4,02 1,33
Contrôler les pseudomots 4,21 1,02 4,25 1,26
Mots de contrôle 4,54 0,72 4,54 0,78
Jour 2 Mots nouveaux 2,04 1,47 1,56 1,47
Mots de concurrent 4,38 0,56 4,46 0,61
Pseudowords concurrents 3,81 1,08 3,94 1,39
Contrôler les pseudomots 4,54 0,78 4,58 1,28
Mots de contrôle 4,42 0,72 4,63 0,71
Tâche 3 : décision lexicale. Temps de réaction (ms)
Jour 1 Mots nouveaux 817 Annonces 244, en plus Le 921, états-unis ( en plus 248 Annonces
Mots de concurrent 747 Annonces En 181, états-unis (en) 797 Annonces en 201, états-unis à l'
Pseudowords concurrents 927 Annonces 307 Annonces 910, états-unis 265 Annonces
Contrôler les pseudomots 891 Annonces 291 ( états -unis 852 Annonces 213 , États-Unis
Mots de contrôle 737 Annonces 217 Annonces 784 Annonces 221 ( états-unis qu'il y
Jour 2 Mots nouveaux 878 Annonces 287 Annonces 963 Annonces 292, états-unis ( en plus
Mots de concurrent 743 Annonces 174 Annonces Le 811 En 197, états-unis qui ont été
Pseudowords concurrents Le 914, états-unis 290 Ans, états-unis (en) Le 918, en a été au c. 244, en plus
Contrôler les pseudomots 871 Annonces 286 Annonces 853 Annonces 244, en plus
Mots de contrôle 719 Annonces En 189, 756 Annonces 234, en plus
Tâche 4 : définition sémantique
Jour 1 assorti 1,27 0,75 1,87 1,45
justesse 7,97 4,03 8,71 5,66
Jour 2 assorti 0,52 0,79 1,39 1,44
justesse 2,82 2,73 5,86 5,74
Tâche 5 : correspondance sémantique
Jour 1 justesse 3.16 Annonces 0,97 3.18 Annonces 1.03
Temps de réaction (ms) en 10914 3391 , États-Unis en 10856 6039 Annonces
Jour 2 justesse 2,41 1,07 2,89 1,25
Temps de réaction (ms) 8798 Annonces en 2488, 8908 Annonces 3419 , États-Unis

Tableau 2 : Statistiques descriptives.

Stimulation Sham p-valeur Stimulation cathodique p-valeur
Tâche 1 : rappel gratuit.  Scores de précision
Entre les jours Scores de précision Jour 1 vs scores de précision Jour 2 0,001 Scores de précision Jour 1 vs scores de précision Jour 2 lt;0,001
Tâche 2 : reconnaissance. Scores de précision
Jour 1 Mots nouveaux vs. Mots nouveaux vs.
Mots de concurrent 0,042 Mots de concurrent 0,004
Contrôler les pseudomots 0,041 Pseudowords concurrents 0,045
Mots de contrôle 0,001 Contrôler les pseudomots 0,002
Mots de contrôle lt;0,001
Jour 2 Mots nouveaux vs. Mots nouveaux vs.
Mots de concurrent 0,001 Mots de concurrent lt;0,001
Contrôler les pseudomots 0,001 Pseudowords concurrents 0,001
Mots de contrôle 0,001 Contrôler les pseudomots lt;0,001
Mots de contrôle lt;0,001
Entre les jours Mots nouveaux 0,049 Mots de concurrent 0,036
Mots de concurrent 0,011 Pseudowords concurrents 0,024
Pseudowords concurrents 0,034 Contrôler les pseudomots 0,020
Contrôler les pseudomots 0,030
reconnaissance. Temps de réaction (ms)
Jour 1 Mots nouveaux vs.  Mots de contrôle 0,005 Annonces Mots nouveaux vs.
Pseudowords concurrents 0,042
Mots de contrôle 0,006 Annonces
Jour 2 Mots nouveaux vs mots de contrôle 0,007 Annonces Mots nouveaux vs.
Mots de concurrent 0,001
Contrôler les pseudomots 0,045
Mots de contrôle 0,014
Tâche 3 : décision lexicale. Scores de précision
Jour 1 Mots nouveaux vs. Mots nouveaux vs.
Mots de concurrent 0,001 Mots de concurrent lt;0,001
Contrôler les pseudomots 0,001 Pseudowords concurrents 0,003
Mots de contrôle 0,001 Contrôler les pseudomots 0,001
Mots de contrôle lt;0,001
Jour 2 Mots nouveaux vs. Mots nouveaux vs.
Mots de concurrent 0,001 Mots de concurrent lt;0,001
Pseudowords concurrents 0,002 Pseudowords concurrents 0,001
Contrôler les pseudomots 0,001 Contrôler les pseudomots lt;0,001
Mots de contrôle 0,001 Mots de contrôle lt;0,001
Entre les jours Aucune différence significative Contrôler les pseudomots 0,033
Décision lexicale. Temps de réaction (ms)
Jour 1 Mots nouveaux vs. Mots nouveaux vs.
Mots de concurrent 0,022 Mots de concurrent 0,001
Pseudowords concurrents lt;0,001 Mots de contrôle 0,013
Contrôler les pseudomots 0,033
Jour 2 Mots nouveaux vs. Mots nouveaux vs.
Mots de concurrent 0,003 Mots de concurrent 0,003
Mots de contrôle 0,008 Annonces Mots de contrôle 0,001
Tâche 4 : définition sémantique. Scores d'appariement et de précision
Entre les jours Scores correspondants Jour 1 vs scores correspondants Jour 2 0,001 Scores correspondants Jour 1 vs scores correspondants Jour 2 0,006 Annonces
Scores de précision Jour 1 vs scores de précision Jour 2 0,001 Scores de précision Jour 1 vs scores de précision Jour 2 lt;0,001
Tâche 5 : correspondance sémantique. Scores de précision
Entre les jours Scores de précision Jour 1 vs scores de précision Jour 2 0,006 Annonces Aucune différence significative
Correspondance sémantique. Temps de réaction (ms)
Entre les jours Temps de réaction Jour 1 vs temps de réaction Jour 2 0,002 Temps de réaction Jour 1 vs temps de réaction Jour 2 0,015

Tableau 3 : Différences significatives dans les scores de précision et les temps de réaction au sein de chaque groupe (stimulations fictives et cathodiques). Les valeurs entre parenthèses sont les scores moyens et les temps de réaction.

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Discussion

Les résultats mettent en évidence quelques points importants qui doivent être pris en compte lors de la réalisation de la recherche psycholinguistique en général, et des études neurolinguistiques tDCS en particulier. La stimulation des cortices de langue (illustrée ici par la région de Wernicke) produit un modèle complexe de résultats comportementaux. Contrairement à la technique TMS, où il est possible de perturber complètement le traitement de la parole (par exemple, le protocole dit « d'arrestation vocale »)21, cette méthode permet une influence peut-être plus complexe, graduée et subtile sur les mécanismes de traitement du langage. Nous avons trouvé une variété de différences de temps de précision et de réaction qui ont divergé considérablement entre les conditions, les essais et les jours d'évaluation. Les implications techniques du protocole rapporté sont brièvement discutées ci-dessous.

Pour désengager les différents effets, une batterie de tests différents est nécessaire, ce qui pourrait tester pour les processus à différents niveaux de mémoire à court et à long terme, l'accès lexical, le traitement sémantique, etc. Par exemple, les effets ici incluent différentes performances dans le rappel et la reconnaissance pour différents types de stimulus et conditions de stimulation, ce qui suggère des effets différentiels de concurrence lexicale pour les articles nouveaux et anciens, et des effets divergents de tDCS à niveaux lexical et sémantiques. Nos résultats confirment la sensibilité des tâches utilisées à l'efficacité de l'acquisition de mots nouveaux à différents niveaux, y compris la reconnaissance, la compréhension d'un sens mot et le rappel gratuit.

De la même façon, une condition tDCS (par exemple, stimulation anodale, cathodale) nécessite une condition de contrôle appropriée (ou groupe témoin), la stimulation de faux (placebo) étant la ligne de base la plus appropriée. Contrairement à la stimulation électrique du cortex moteur, les effets peuvent ne pas toujours être sans ambiguïté22, ils dépendent fortement des tests utilisés, ou peuvent ne pas apparaître du tout23.

Un autre point très important est qu'un seul type de stimulation pourrait être appliqué dans chaque sujet individuel dans le cadre d'une seule session expérimentale. Cela implique normalement une conception entre les groupes, par exemple, un groupe de stimulation anodale, un groupe de stimulation cathodique, et un groupe de contrôle placebo (faux). Pour les conceptions au sein du groupe, utiliser différents protocolet tDCS à différents jours, au moins 24 h d'intervalle (dans les études d'apprentissage, cela implique également l'utilisation de différents stimuli linguistiques à différents jours pour éviter la contamination des résultats par des effets de répétition). Le présent rapport utilise une expérience avec la stimulation cathodique des zones de Wernicke à titre d'exemple, mais des procédures similaires s'appliquent à d'autres polarités/sites.

La présentation contextuelle de nouveaux mots élargit considérablement les possibilités d'étude simultanée de l'acquisition de la forme de mot en soi et de sa sémantique. Traditionnellement, ces processus sont étudiés séparément en se concentrant soit sur l'acquisition d'une nouvelle forme de mot ou sur la corrélation d'un sens d'un mot familier avec d'autres unités sémantiques24,25,26. Le protocole proposé combine les deux objectifs; par conséquent, il est possible de comparer la dynamique d'une nouvelle acquisition de concept au niveau de la perception de la forme de mot et celle de la maîtrise de son contenu, qui est réalisée en utilisant un ensemble complet de tests. La nécessité d'une telle comparaison est soulignée ici par une dynamique divergente de la performance sur les formes de surface nouvelles rappel et la reconnaissance par opposition à l'appariement sémantique.

Il est important de se rappeler les principales différences entre le SDCT et d'autres méthodes non invasives de stimulation cérébrale, comme le SMT. Puisqu'il n'y a aucun moyen simple de déterminer la sensibilité individuelle au TDCS par l'évaluation de seuil, un protocole simple est appliqué pour tous les sujets. Il est très difficile d'estimer avec précision la zone de stimulation , on ne peut parler que de la zone approximative/hypothétique stimulée. Il est également difficile d'estimer la durée des effets de stimulation hors ligne après l'arrêt du courant. Vraisemblablement, les principaux effets de la stimulation sont observés jusqu'à une heure après la fin de la stimulation. Cependant, les effets peuvent parfois être détectés même un jour après la stimulation20.

Pourtant, par rapport au SMT, la relative facilité d'application du SDCT, le risque considérablement plus faible d'effets secondaires et l'absence d'artefacts acoustiques rendent ce protocole attrayant pour l'étude de la fonction vocale et langasique. Il est également intéressant de noter que la combinaison de la stimulation électrique avec d'autres méthodes, par exemple avec TMS, fMRI, EEG ou l'intervention pharmacologique, permet d'étudier les mécanismes neuronaux de tDCS plus en détail27,28.

Puisque la stimulation de tDCS n'est pas fortement localisée, un effet non spécifique est possible. Cela ressort clairement des preuves existantes, où des protocoles très différents, voire opposés, peuvent parfois conduire à des résultats similaires. Cela peut être dû à l'impact général sur d'autres fonctions cognitives et des processus tels que l'attention, la récupération de la mémoire, et ainsi de suite. Une batterie spécialisée de tests est nécessaire pour détecter les effets associés à une fonction de langage particulière. Suivant les étapes proposées de la création du matériau de stimulation (vérification de la fréquence de surface ou de lemma des mots, longueur des mots et des phrases, etc.), il est nécessaire de considérer la structure grammaticale et phonétique d'une langue. Par exemple, le nombre de mots dans une phrase et la longueur des mots peuvent varier en fonction du besoin exact. En outre, les mots utilisés dans l'expérience doivent être contrôlés à la fois pour l'orthographe et le son. Dans une langue orthographiquement transparente comme le russe, c'est relativement simple, mais il peut être difficile à atteindre dans d'autres langues (par exemple, l'anglais, le danois ou le mandarin).

En ligne avec un ensemble d'études précédentes, nous trouvons différents effets de l'acquisition immédiatement après le bloc d'apprentissage et après un sommeil de nuit, ce qui met en évidence les effets de la consolidation de nuit. Surtout, nous trouvons également des différences de groupe (faux contre cathode) le deuxième jour. Il est généralement admis que l'effet physique de la stimulation du cortex est relativement de courte durée, de l'ordre de minutes à plusieurs heures. Cela implique que les effets cognitifs obtenus au cours de la phase de stimulation transitoire sont néanmoins maintenus sur une plus longue période et peuvent donc être utilisés pour moduler l'acquisition et le traitement des mots dans des contextes pratiques. Évidemment, non seulement les domaines linguistiques de base de Broca et Wernicke sont impliqués dans la fonction linguistique; l'adoption du protocole décrit ci-dessus est possible pour n'importe quelle zone du cerveau, tandis qu'une batterie de tests psycholinguistiques affinés à des fins expérimentales spécifiques est toujours nécessaire pour évaluer l'impact de stimulation sur un trait neurolinguistique spécifique.

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Disclosures

Les auteurs n'ont rien à révéler.

Acknowledgments

Soutenu par le contrat de subvention du gouvernement RF No.14.W03.31.0010. Nous tenons à remercier Ekatarina Perikova et Alexander Kirsanov pour leur soutien dans la préparation de cette publication. Nous sommes reconnaissants à Olga Shcherbakova et Margarita Filippova pour leur aide dans la sélection de stimulus et à Anastasia Safronova et Pavel Inozemcev pour leur aide dans la production de matériel vidéo.

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