Author Produced

Transcranial jævnstrøm stimulering (tDCS) af Wernickes og Broca's områder i studier af sprogindlæring og Orderhvervelse

Behavior

Your institution must subscribe to JoVE's Behavior section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

 

Summary

Her beskriver vi en protokol for brug af transcranial direkte strøm stimulering til psyko-og neurolingvistiske eksperimenter, der har til formål på en naturalistisk, men fuldt kontrolleret måde at studere den rolle, som de kortikale områder i den menneskelige hjerne spiller i Word Learning, og en omfattende sæt af adfærdsmæssige procedurer til vurdering af resultaterne.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations | Reprints and Permissions

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).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

Sprog er en meget vigtig, men dårligt forstået funktion af den menneskelige hjerne. Mens undersøgelser af hjernen aktiverings mønstre under sprogforståelsen er rigelige, hvad der ofte er kritisk mangler er kausal dokumentation for hjernens områder ' involvering i en bestemt sproglig funktion, ikke mindst på grund af den unikke menneskelige karakter af denne evne og en mangel på neurofysiologiske værktøjer til at studere kausale relationer i den menneskelige hjerne noninvasivt. De seneste år har oplevet en hurtig stigning i brugen af transcranial direkte strøm stimulering (tDCS) af den menneskelige hjerne, en nem, billig og sikker ikke-invasiv teknik, der kan moduere tilstanden af det stimulerede hjerne område (putativt ved at flytte excitation/ hæmnings tærskler), hvilket gør det muligt at studere dets særlige bidrag til specifikke funktioner. Mens det meste fokuserer på motorstyring, er brugen af tDCS bliver mere udbredt i både grundlæggende og klinisk forskning om højere kognitive funktioner, sprog inkluderet, men procedurerne for dens anvendelse forbliver variable. Her beskriver vi brugen af tDCS i et psycholinguistisk ordlærings eksperiment. Vi præsenterer de teknikker og procedurer for anvendelse af katodal og anodal stimulation af centrale sprogområder af Broca og Wernicke i den venstre hjernehalvdel af den menneskelige hjernen, beskrive procedurerne for at skabe afbalancerede sæt af psycholinguistiske stimuli, en kontrolleret, men alligevel naturalistisk lærings regime og et omfattende sæt af teknikker til at vurdere læringsresultater og tDCS-effekter. Som et eksempel på tDCS-applikation viser vi, at katodal stimulation af Wernickes område før en lærings session kan påvirke ordlærings effektiviteten. Denne virkning er både til stede umiddelbart efter læring og, vigtigere, bevaret over længere tid efter de fysiske virkninger af stimulation slid off, hvilket tyder på, at tDCS kan have langsigtet indflydelse på sproglig lagring og repræsentationer i den menneskelige hjerne .

Introduction

De neurobiologiske mekanismer af menneskelig sprogfunktion er stadig dårligt forstået. Som fundamentet for vores kommunikationsevne spiller dette unikke humane neurokognitive træk en særlig vigtig rolle i vores personlige og socioøkonomiske liv. Ethvert underskud, der påvirker tale og sprog, er ødelæggende for de lidende og dyre for samfundet. På samme tid, i klinikken, procedurer for behandling af tale underskud (såsom afasi) forbliver suboptimale, ikke mindst på grund af dårlig forståelse af de neurobiologiske mekanismer involveret1. I forskning, den nylige fremkomsten og hurtig udvikling af Neuro Imaging metoder har ført til flere opdagelser, der beskriver aktiverings mønstre; alligevel mangler der ofte kausale beviser. Desuden er sprogområder af hjernen placeret lidt suboptimalt til anvendelse af mainstream Neuro stimulation tilgange, som kan give kausale beviser, vigtigst af transcranial magnetisk stimulation teknik (TMS). Mens offline TMS protokol, såsom Theta burst stimulation, kan forårsage smerte på grund af nærhed af musklerne til det punkt, stimulering, "online" TMS protokoller kan introducere lyd artefakter fra stimulation, hvilket er uønsket på grund af interferens med sproglig stimulus præsentation2. Selv om TMS er meget udbredt i sprogstudier på trods af sådanne ulemper, kan et velkomment alternativ tilvejebringes ved andre stimulerings metoder, især transcranial direkte-aktuel stimulation (tDCS). I de seneste år har tDCS oplevet en bemærkelsesværdig vækst i dets anvendelse på grund af dets tilgængelighed, brugervenlighed, relative sikkerhed og ofte temmelig slående resultater3. Selv om de nøjagtige mekanismer, der understøtter tDCS-påvirkning på neurale aktiviteter, ikke er helt forstået, er det almindelige synspunkter, at i det mindste ved lav intensitet (typisk 1-2 mA for 15-60 min), forårsager det ikke nogen neurale excitation eller hæmning per se , men i stedet modulerer hvile transmembran potentialet i en graderet måde mod de-eller hyperpolarisering, flytte excitation tærskler op eller ned og derved gøre neurale system mere eller mindre modtagelige for modulationer af andre begivenheder, stimuli, stater eller adfærd4,5. Der henviser til, at de fleste af de hidtil indberettede ansøgninger har fokuseret på motorfunktion6 og/eller underskud på motorsystemet, men at det i stigende grad er blevet anvendt på højere niveau af kognitive funktioner og deres respektive handicap. Der har været en stigning i dens anvendelse på tale og sprog, hovedsagelig i forskning med henblik på genopretning af post-Stroke afasi7,8,9, selv om det hidtil har ført til blandede resultater med hensyn til terapeutisk potentiale, stimulerings steder og hjernehalvdele og optimal aktuel polaritet. Da denne forskning, og især anvendelsen af TDCs i kognitiv neurobiologi af normal sprogfunktion, er stadig i sin vorden, er det afgørende at afgrænse procedurer for at stimulere mindst kernen sprog corticer (vigtigst Wernickes og Broca's områder) ved hjælp af tDCS, som er et af hovedformålene med den aktuelle rapport.

Her vil vi overveje at anvende tDCS på sprogområder i et ordlærings eksperiment. Generelt er der tale om ordlæring som et eksempel på et Neurolingvistisk eksperiment, og tDCS-delen af proceduren bør ikke ændres væsentligt for andre typer sprog eksperimenter, der er rettet mod de samme områder. Men vi bruger denne lejlighed til også at fremhæve større metodologiske overvejelser i et ord erhvervelse eksperiment per se, som er det andet hovedformål med den nuværende protokol beskrivelse. Hjerne mekanismer, der understøtter orderhvervelse – en allestedsnærværende menneskelig kapacitet i kernen af vores sproglige kommunikations færdighed – er stort set ukendt10. Komplicerer billedet, eksisterende litteratur adskiller sig meget i, hvordan eksperimentelle protokoller fremme ord erhvervelse, i kontrol overstimulation parametre, og i opgaver, der anvendes til at vurdere læringsresultater (se, f. eks, Davis et al.11). Nedenfor beskriver vi en protokol, der bruger stærkt kontrollerede stimuli og Præsentationstilstand, samtidig med at vi sikrer en naturalistisk kontekstdrevet erhvervelse af nyt ordforråd. Desuden bruger vi et omfattende batteri af opgaver til at vurdere resultaterne adfærd på forskellige niveauer, både umiddelbart efter læring og efter en dag konsolidering fase. Dette kombineres med Sham og cathodal tDCS af sprogområder (vi gør et særligt eksempel ved hjælp af Wernickes område stimulation), som kan give kausal dokumentation for underliggende neurale processer og mekanismer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Alle procedurer blev godkendt af det lokale forskningsetiske udvalg i St. Petersburg State University, St. Petersburg, med samtykke fra alle deltagere.

Bemærk: alle deltagere skal underskrive det informerede samtykke og udfylde et spørgeskema for at attestere fraværet af kontraindikationer for tDCS stimulation (Se teknik og overvejelser ved brug af 4 x 1 ring high-definition Transcranial jævnstrøm stimulation (HD-tDCS) af Willamar og kolleger12) og at indsamle andre data, som er relevante for undersøgelsen, såsom synsskarphed, demografi, sprog erfaring og handdethed. For sidstnævnte, anbefales det skelsættende arbejde af Oldfield13 .

1. forsøgspersoner og forsøgsmiljø

  1. I et typisk sprog eksperiment, sikre, at alle er højrehåndet og har ingen registrering af sprog underskud, neurologiske eller psykiske lidelser. Deres modersmål og tosprogede/flersprogede status skal styres.
  2. Foretage alle målinger i et lydsikkert eller i det mindste lyddæmpet kammer. Lydisolering er meget vigtigt, da enhver uvedkommende lyd, støj, menneskelig tale, etc. kan påvirke ydeevnen betydeligt og dermed påvirke dataene (figur 1).
  3. For at undgå interferens fra unødvendige emne-eksperimententer kontakt, Placer kun skærmen, hovedtelefoner/højttalere og eventuelle inputenheder (tastatur, knap bokse) inde i kammeret. Har alle interaktion med eksperimentatoren over intercom medmindre personlig kontakt er påkrævet.
  4. Brug følgende optimale parametre, baseret på omfattende pilotering, til baggrundsfarve og skriftstørrelse: grå baggrundsfarve (RGB: 125, 125, 125), sort tekstfarve (RGB: 0; 0; 0), Arial Font Face, str. 27.
  5. For at reducere forsinkelser og jitter i visuel præsentation, skal du bruge et skærmkort og en skærm med en opdateringshastighed på 100 Hz og højere.
  6. For at måle reaktionstiderne skal du bruge respons puder i forsknings kvalitet, som har bedre ergonomi og mere præcis timing i forhold til konventionelle tastaturer.

2. stimulus forberedelse

  1. Vælg ord af det pågældende sprog, som er kontrolleret for deres varighed, leksikale hyppighed og overordnede struktur (for at undgå eventuelle grundlæggende effekter af overflade stimulus egenskaber på højere niveau behandling). Her var alle grund ordene otte fonemer/bogstaver lange og bestod af tre stavelser med CVCCVCVC-strukturen (hvor C er konsonant, og V er vokaler).
  2. Hvis du vil oprette flere lister, skal du opdele ordene i sæt, som ikke bør afvige statistisk (målt med, f. eks. t-tests) på deres lemma, bigram og/eller trigram samt syllabisk frekvens. Disse kan fås fra sprogspecifikke psycholinguistiske databaser; Her blev russisk national Corpus brugt (http://www.ruscorpora.ru/en/). Her blev et sæt brugt til at skabe (gennem modifikation) ortografisk lignende nye ord og pseudowords, et andet sæt til at skabe ikke-forretningsmæssigt forbundne kontrol pseudowords, og et yderligere sæt bruges som uafhængige kontrol ord (figur 2a). Dette førte til fem sæt af 10 elementer hver (50 stimuli i alt). Ændre disse procedurer i overensstemmelse med dine nøjagtige eksperimentelle krav.
  3. For at minimere eventuelle effekter af overfladeformer på nyerhvervede semantik, opveje sættene på tværs af emne prøven, således at de spiller forskellige eksperimentelle roller for forskellige.
  4. Opret nye ordformer sådan, at de følger reglerne for phonologi og phonotactics og ligner eksisterende ord i form af ortografisk og fonologisk struktur.
    Bemærk: for at sikre, at de nye ord kan træde i konkurrence med eksisterende ord, var de nuværende procedurer baseret på dem, der blev udviklet i en række eksperimenter af Gaskell og kolleger11,14 og havde til formål at holde ordet indtræder ( CVCCV-) stabil, mens rotere deres forskydninger (-CVC) på tværs af forskellige elementer i sættet. Det er, vi bevarede de første to stavelser af et eksisterende ord og varierede den ultimative stavelse sådan, at en ny, tidligere ukendt roman Word form blev oprettet (f. eks mandarin-> mandanal *, hvor den sidste CVC blev taget fra et andet ord i listen, kardinal, for at oprette et nyt element).
  5. Gentag den fremgangsmåde, der er beskrevet ovenfor, for at oprette så mange nye Word-formularer som nødvendigt. Til den nuværende demonstration har vi udarbejdet lister over nye ordformer, der skal læres, og af lignende ulærte pseudowords (f. eks. mandarin-> mandanal *, mandaket *, som alle tre potentielt kan indgå i en leksikalsk konkurrence efter læring, som naboer) samt yderligere kontrollister over rigtige ord og nye pseudowords, der ikke deler denne lighed og dermed ikke ville producere en leksikalsk konkurrence med de vigtigste stimuli (f. eks cirkulære, muskenal *; Russiske eksempler bruges i hele, translitterated fra kyrillisk til Latin script for at lette forståelsen).

3. sætnings stimuli til kontekstafhængig semantisk indlæring

  1. Opret nye betydninger til at være forbundet med de nye ord i processen med at lære. Dette kan være fremstillet, forældede eller sjældne genstande eller begreber, der ikke findes i motiverne ' modersmål eller kultur.
  2. Til kontekstuel indlæring af nye semantik anbefales de procedurer, der anvendes af Mestrez-Misse og kolleger15 . Opret flere unikke sætninger, der beskriver situationer, hvorigennem man kan forstå betydningen af hver af de nye ord (fx "at kontrollere insekter i middelalderen, folk brugte mandaket"). Brug en sekvens af sådanne sætninger for hver af de nye ord (her, i alt 5 sætninger per ord), og gradvist afsløre betydningen af hvert nyt koncept fra en mere generel til mere specifik sententiel kontekst.
  3. Præsentere nye ord ideelt i deres ordbog form (dvs., ubøjelig, f. eks ental nominativ eller anklagende tilfælde på russisk), således at overfladen form ikke er oppustede forskelligt i forskellige sætninger (tabel 1), medmindre bøjnings regel læring er også påkrævet.
  4. Kontrollere og afbalancere længden af sætningerne og antallet af ord mellem betingelser. Her bestod hver sætning af 8 ord. Placer altid nye ord i slutningen af sætningerne. En sådan placering giver mulighed for opbygning af nødvendige kontekstuelle oplysninger (yderligere, dette gør det muligt at gennemføre dette design, hvis det er nødvendigt, i en EEG eller MEG indstilling til at registrere fremkaldte hjernen svar afsløret af yderligere ord stimuli).
  5. Præsentere ord-specifikke sætninger i Word-specifikke sub-blokke, gradvist afsløre betydningen af hvert nyt ord, uden at mellemlæg eller randomisering sætninger relateret til forskellige nye ord.
  6. Randomiserer rækkefølgen af under blokke på tværs af emnegruppen. Ord-for-ord sætning præsentation anbefales, hvis den visuelle modalitet anvendes.
  7. Bestemme det interstimulus-interval baseret på specifikke stimulus egenskaber for at tillade deres bekvemme præsentation (figur 2b); Sørg for at adskille forskellige sub-blokke med yderligere intervaller og give regelmæssige pauser.

4. opgaver til vurdering af erhvervelse af nye ordformer og nyskabende betydninger

Bemærk: brug flere opgaver til at vurdere forskellige niveauer af erhvervelse og forståelse af både overflade ordformer og leksikale semantik. Fem opgaver bruges i denne protokol: gratis tilbagekaldelse, cued Recognition, leksikalsk beslutning, semantisk definition og semantisk matchning. Opgaverne anvendes i den rækkefølge, de er angivet nedenfor, som er optimeret til at reducere enhver overførsel mellem på hinanden følgende opgaver.

  1. I den gratis tilbagekaldelses opgave skal hver deltager gengive så mange nye Word-formularer, som de kunne huske, ved at skrive dem i det forberedte regneark. Instruktionen er som følger: "Skriv venligst ned i kolonnen alle de nye ord, du kan huske."
  2. Medtag de samme stimuli i anerkendelses-og leksikale beslutningen (henholdsvis anden og tredje opgave), og brug samme præsentations frekvens.
    1. Disse opgaver omfatter alle elementer (nye ord, virkelige konkurrent ord de nye er afledt af, utrænet pseudoword konkurrenter afledt af de samme virkelige ord, uafhængige kontrol pseudowords og uafhængige kontrol eksisterende ord).
    2. Til genkendelses opgaven skal du bruge følgende instruktion: "du vil blive præsenteret med ord sekventielt. Tryk på knappen "1" med den midterste finger på venstre hånd, hvis du er stødt på ordet under eksperimentet, eller tryk på "2" med pegefingeren på venstre hånd, hvis du ikke har. " Ændre respons kodning, hånd og fingre i overensstemmelse med dine specifikke krav.
    3. Instruktionen for den leksikale beslutning opgave er: "du vil blive præsenteret med reelle og meningsløse ord sekventielt. Tryk på "1" med den midterste finger på venstre hånd, hvis ordet giver mening, eller tryk på "2" med pegefingeren på venstre hånd, hvis det ikke er det. " Ændre disse som nødvendigt.
  3. Brug den semantiske definitions opgave til at estimere erhvervelsen af ny betydning og korrespondancen mellem betydningen og overfladen form.
    1. Giv deltagerne en liste over de lærte elementer (dvs. dem, der præsenteres tidligere i læringsfasen) med instruktionen ovenfor: "her er en liste over nye ord præsenteret for dig tidligere. Prøv at definere hver af dem og skrive deres definitioner i regnearket ".
    2. For at vurdere fuldstændigheden og nøjagtigheden af de givne definitioner, engagere uafhængige eksperter til at bedømme svarene; aftale mellem eksperter kan testes ved hjælp af, f. eks, Kendall koefficient af konkordance (W).
  4. Brug semantisk matchnings opgave til at vurdere erhvervelsen af semantik ved at gøre eksplicitte forbindelser mellem de nylærte ordformer og deres betydninger på en forenklet måde.
    1. Brug følgende instruktion: "du vil blive præsenteret et ord og tre definitioner. Du bør vælge en korrekt definition for hvert ord ved at trykke på den tilsvarende knap ". Kun en af definitionerne er korrekt, mens de to andre svarer til de andre nye elementer. Ud over de tre valgfrie definitioner, herunder "ingen af disse" eller/og "ikke sikker" muligheder anbefales også.

5. procedurer

  1. Sørg for, at tDCS-stimuleringen går forud for den adfærdsmæssige opgave, den er beregnet til at moduere.
    1. Wernickes område.
      Bemærk: den stimulerings elektrodeplacering, der bedst svarer til Wernickes område, er CP5 ifølge det udvidede internationale 10-20-system for EEG16,17.
      1. For at finde denne placering i fravær af en elektrode hætte, Følg standard 10-20 systemprocedurer.
      2. Mål hovedet med et bånd fra fra til nasion, og Bemærk midten af denne afstand. Mål derefter afstanden fra det venstre preaukulære punkt til det højre preaukulære punkt, og Markér krydset af de to målinger.
      3. For at finde den CP5 placering skal du måle 30% af afstanden mellem de preaukulære punkter fra kryds punktet ned ad den venstre halvkugle og markere den. Mål 10% af afstanden mellem fra og nasion fra det markerede punkt på bagsiden af hovedet. Dette punkt er den CP5 position for den aktive elektrode (figur 3).
    2. Broca's område
      Bemærk: tættest på Broca's område er F5 elektrode sted18 i henhold til 10-20-systemet.
      1. I mangel af en EEG-hætte, Følg standard 10-20 systemprocedurer for at finde og markere kryds opløbet mellem inion-nasion og preaukulære punkter, som beskrevet ovenfor.
      2. For at finde F5 placering, mål 20% af afstanden mellem fra og nasion fra Cross til forsiden af hovedet. Mål 30% af afstanden mellem de preaukulære punkter fra det nyligt markerede punkt ned den venstre halvkugle. Dette punkt svarer til F5-placeringen for den aktive elektrode (figur 3).
    3. Homologe steder i den højre halvkugle: for højre-halvkugleformede homologer af Wernickes og Broca's områder, brug de samme procedurer som ovenfor, med undtagelse af måling af afstanden fra midterlinjen ned i højre side af hovedbunden. Elektrode placeringer er: CP6 for RH Wernicke homologen og F6 for Broca homologen.
    4. Brug svampet elektroder, der måler 5 cm x 5 cm, da denne størrelse er et godt kompromis mellem fokal stimulation (som forårsager mere irritation og ubehag) og større elektroer, som mangler focality. Sug elektroderne i fysiologisk saltvandsopløsning i 5 min før påføring.
    5. For at minimere virkningen af stimulation på andre områder af hjernen, Placer reference elektroden i bunden af halsen til venstre (højre for homologer) side (Se figur 3 og figur 4). Brug også svampet-elektroderne, som måler 5 cm x 5 cm.
      Bemærk: der bør lægges særlig vægt på at forhindre spredning af opløsningen ud over grænserne for elektrode applikations zonen. Der skal udvises særlig omhu for at holde det omgivende elektrode område tørt.
    6. For optimal katodal stimulation, brug 1,5 mA strøm til 15 min. Ved begyndelsen stiger strømmen gradvist fra 0 til 1,5 mA over 30 s, og ved afslutningen af stimuleringen falder den tilbage til nul over 30 s.
    7. Ved anodal stimulation anvendes den samme procedure som katodal stimulation, bortset fra polariteten vendes, og anodal elektroden anbringes på det aktive sted, mens katoden anvendes som referenceelektrode placeret uden for Hovedbunds området.
  2. Sham stimulation
    1. Udfør Sham-stimulerings proceduren generelt som beskrevet ovenfor, bortset fra at strømmen kun anvendes kortvarigt i begyndelsen og slutningen af Sham-sessionen. Med henblik herpå, i løbet af den første og de sidste 30 s af sessionen, anvende en elektrisk impuls af en trekantet form med et maksimum på 1,5 mA, som anvendes i denne protokol.
  3. Vigtigste adfærdsmæssige opgave: kontekstafhængig semantisk indlæring
    1. Nuværende sæt med kontekstuelle sætninger for de nye ord i en tilfældig rækkefølge. Start hver sætning med en præsentation med ord for ord.
    2. Efter dette, vise hele sætningen på skærmen for at sikre sin fulde forståelse. Har deltagerne trykke på mellemrumstasten med pegefingeren af venstre hånd efter at have læst hele sætningen. Varigheden af sætnings præsentationen er 5000 MS.
      Bemærk: sættene i sætningerne er adskilt fra hinanden ved udseendet af tre trådkors ("+ + +") for 2000 MS. hver ny koncept præsentation starter med et enkelt fikserings kryds ("+") til stede i 500 MS, før sætnings ordene er blinket. Hvert ord præsenteres for 500 MS, og den tomme skærm i baggrundsfarven mellem ord inden for en sætning er 300 MS lang.
  4. Procedure for vurdering af erhvervelse
    1. For at vurdere læringseffekter både straks og efter natten konsolidering fase, bryde stimulus sat i to delsæt, ligeligt fordelt over stimulus betingelser og kontra balanceret på tværs af emnegruppen, og køre vurderingen opgave umiddelbart efter lærings protokollen på en delmængde og efter en forsinkelse på 24 timer på den anden.
      Bemærk: denne strategi er baseret på den litteratur, der fremhæver betydningen af natten hukommelse konsolidering for erhvervelse af nye ord19,20.
    2. Brug alle udviklede opgaver i den rækkefølge beskrevet i afsnit 3 ovenfor for at vurdere forskellige niveauer af ord/koncept erhvervelse. Vælg rækkefølgen af opgaverne for at minimere eventuelle overførsels effekter fra én opgave til de følgende.
    3. Til opgave 1 og 4 bruges regneark til at blive udfyldt af emner (i hånden eller ved hjælp af en tekst-eller regnearks processor); præsentere de andre opgaver ved hjælp af timeligt præcis simulation software.
      Bemærk: hver stimulus i opgave 2 og 3 er præsenteret for 600 MS, med et fikserings Kors ("+") til stede i interstimulus-intervallet (1400 MS); Se figur 3. For de andre opgaver er svartiden ikke begrænset.

6. data analyse

  1. Udfør dataanalyse ved hjælp af forskellige tests, der sammenligner to sæt prøver, der kommer fra kontinuerlige distributioner (såsom Wilcoxon signed Rank test eller Mann-Whitney U-test) eller medianer (to-prøve t-test, hvis fordelingen er normal).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Mens dataene blev analyseret for det specifikke sæt af opgaver, bør det understreges, at de udviklede sæt af tests og paradigme kunne tilpasses til en række psycholinguistiske eksperimenter. Resultaterne blev analyseret med hensyn til nøjagtigheds scorer (antal korrekte svar) og reaktionstiden (RT) ved hjælp af ikke-parametrisk Wilcoxon signed Rank test og Mann-Whitney U test på tværs af grupper (cathodal og Sham stimulation betingelser). I tabel 3vises væsentlige forskelle for opgaverne inden for hver gruppe. nedenfor fremhæver vi de vigtigste stimulerings relaterede resultater (for beskrivende statistik, se tabel 2).

Sammenligningen af resultaterne i leksikalsk beslutnings opgave mellem de to grupper (cathodal versus Sham stimulation betingelser) viste forskelle på den første dag mellem nøjagtighed for konkurrent pseudowords: nøjagtighed steg mere efter katodal end efter Sham stimulering (р ≤ 0,041), hvilket tyder på reduceret leksikalsk konkurrence efter katodal stimulation. I anerkendelsen opgave, nøjagtighed for nye ord var bedre efter Sham end efter katodal stimulation både på den første (р ≤ 0,034) og på den anden (р ≤ 0,09) dag, tyder reduceret leksikale læring effektivitet efter stimulation. Ingen af opgaverne viste forskelle i RT mellem grupperne. Resultaterne af de semantiske opgaver viste matching mellem romanen form betydning og overfladen form var mere vellykket for cathodal gruppe over Sham på den anden dag kun (р ≤ 0,011).

Inden for hver gruppe var der markante forskelle i nøjagtigheds scorer og reaktionstider mellem de to bedømmelses sessioner. I Sham gruppe, nye ord anerkendelse var bedre på den første end på den anden dag (р ≤ 0,049). I cathodal gruppen, RT i anerkendelses opgaven var betydeligt kortere for nye ord end for konkurrerende pseudowords på den første dag (р ≤ 0,042), men ikke på den anden. Resultaterne af leksikale beslutning opgave viste, at efter katodal stimulation på den første (р ≤ 0,003) og på den anden dag (р ≤ 0,001), der var bedre ydeevne for nye ord end for pseudoword konkurrenter. I Sham-gruppen blev denne effekt dog observeret på den anden dag kun (р ≤ 0,002).

Figure 1
Figur 1 : Eksperimentel kammer. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 2
Figur 2 : Procedure for præsentation af stimuli i kontekstafhængig lærings sekvens. A) fremstilling af stimulus grupper: grupper af ord/pseudoword stimuli. (B) diagram over stimulus præsentation i kontekstafhængige lærings blokke. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 3
Figur 3 : Placering af stimulerings elektrode til Wernickes og broca's områder. Venstre panel: side visning og projektion på hjerneområder. Hjerne zoner, EEG-elektroderne (system 10-20%) svarende til dem, og Røde rektangler, der repræsenterer placeringen af stimulerende elektroder er markeret. Reference elektroden vises ved bunden af halsen. Højre panel: projektion af den stimulerende elektrode på EEG 10-20% systemlayout. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 4
Figur 4 : TDCs-udstyr. A) stimulator B) saltvand (C) elektroder venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Eksempler på sætninger
....................................
Vores bedstemødre vidste ikke sådan en følelse som mushkelak.
.......................................
Takket være hendes gode hukommelse, Masha aldrig oplevet nogen mushkelak.
I........................................
Efter at have fået et par konti, jeg begyndte at lide af mushkelak.
Har du ikke mere end det, du har haft i det hele, er det ikke en af de andre, som er.................
En hemmelig notesbog kan hjælpe dig med at løse problemet med mushkelak.
Har du ikke mere end det, du har haft i den, er det en af de andre......................
Peter altid sat den samme adgangskode, som han ikke ønsker at have nogen mushkelak.

Tabel 1: eksempler på sætninger for kontekstuel indlæring af nye ord.

Sham stimulation Katodal stimulation
Mener Sd Mener Sd
Opgave 1: gratis tilbagekaldelse
Dag 1 Nøjagtighed 4,91 2,22 5,69 1,49
Dag 2 Nøjagtighed 2,53 2,44 2,84 2,26
Opgave 2: genkendelse. Nøjagtighed scores
Dag 1 Nye ord 3,06 0,89 1,96 1,68
Konkurrent ord 3,63 1,14 3,73 1,29
Konkurrent pseudowords 2,60 1,15 2,69 1,39
Kontrol af pseudowords 3,79 1,32 3,92 1,41
Kontrol ord 4,67 1,05 4,29 1,16
Dag 2 Nye ord 2,58 0,93 1,56 1,47
Konkurrent ord 4,40 0,74 4,10 1,39
Konkurrent pseudowords 3,13 1,25 3,31 1,00
Kontrol af pseudowords 4,33 0,92 4,50 1,14
Kontrol ord 4,58 1,02 4,38 1,44
Opgave 2: genkendelse. Reaktionstid (MS)
Dag 1 Nye ord 793 167 858 183
Konkurrent ord 804 151 845 179
Konkurrent pseudowords 883 261 962 306
Kontrol af pseudowords 849 201 833 234
Kontrol ord 699 131 767 196
Dag 2 Nye ord 836 200 933 272
Konkurrent ord 816 239 818 213
Konkurrent pseudowords 859 281 924 236
Kontrol af pseudowords 818 280 866 265
Kontrol ord 734 212 817 234
Opgave 3: leksikalsk beslutning. Nøjagtighed scores
Dag 1 Nye ord 2,42 1,63 1,96 1,68
Konkurrent ord 4,13 0,78 4,10 0,90
Konkurrent pseudowords 3,46 1,17 4,02 1,33
Kontrol af pseudowords 4,21 1,02 4,25 1,26
Kontrol ord 4,54 0,72 4,54 0,78
Dag 2 Nye ord 2,04 1,47 1,56 1,47
Konkurrent ord 4,38 0,56 4,46 0,61
Konkurrent pseudowords 3,81 1,08 3,94 1,39
Kontrol af pseudowords 4,54 0,78 4,58 1,28
Kontrol ord 4,42 0,72 4,63 0,71
Opgave 3: leksikalsk beslutning. Reaktionstid (MS)
Dag 1 Nye ord 817 244 921 248
Konkurrent ord 747 181 797 201
Konkurrent pseudowords 927 307 910 265
Kontrol af pseudowords 891 291 852 213
Kontrol ord 737 217 784 221
Dag 2 Nye ord 878 287 963 292
Konkurrent ord 743 174 811 197
Konkurrent pseudowords 914 290 918 244
Kontrol af pseudowords 871 286 853 244
Kontrol ord 719 189 756 234
Opgave 4: semantisk definition
Dag 1 Matchende 1,27 0,75 1,87 1,45
Nøjagtighed 7,97 4,03 8,71 5,66
Dag 2 Matchende 0,52 0,79 1,39 1,44
Nøjagtighed 2,82 2,73 5,86 5,74
Opgave 5: semantisk matchning
Dag 1 Nøjagtighed 3,16 0,97 3,18 1,03
Reaktionstid (MS) 10914 3391 10856 6039
Dag 2 Nøjagtighed 2,41 1,07 2,89 1,25
Reaktionstid (MS) 8798 2488 8908 3419

Tabel 2: beskrivende statistikker.

Sham stimulation p-værdi Katodal stimulation p-værdi
Opgave 1: gratis tilbagekaldelse.  Nøjagtighed scores
Mellem dage Nøjagtighed scorer dag 1 vs. nøjagtighed scorer dag 2 0,001 Nøjagtighed scorer dag 1 vs. nøjagtighed scorer dag 2 < 0,001
Opgave 2: genkendelse. Nøjagtighed scores
Dag 1 Nye ord vs. Nye ord vs.
Konkurrent ord 0,042 Konkurrent ord 0,004
Kontrol af pseudowords 0,041 Konkurrent pseudowords 0,045
Kontrol ord 0,001 Kontrol af pseudowords 0,002
Kontrol ord < 0,001
Dag 2 Nye ord vs. Nye ord vs.
Konkurrent ord 0,001 Konkurrent ord < 0,001
Kontrol af pseudowords 0,001 Konkurrent pseudowords 0,001
Kontrol ord 0,001 Kontrol af pseudowords < 0,001
Kontrol ord < 0,001
Mellem dage Nye ord 0,049 Konkurrent ord 0,036
Konkurrent ord 0,011 Konkurrent pseudowords 0,024
Konkurrent pseudowords 0,034 Kontrol af pseudowords 0,020
Kontrol af pseudowords 0,030
Anerkendelse. Reaktionstid (MS)
Dag 1 Nye ord vs.  Kontrol ord 0,005 Nye ord vs.
Konkurrent pseudowords 0,042
Kontrol ord 0,006
Dag 2 Nye ord vs kontrol ord 0,007 Nye ord vs.
Konkurrent ord 0,001
Kontrol af pseudowords 0,045
Kontrol ord 0,014
Opgave 3: leksikalsk beslutning. Nøjagtighed scores
Dag 1 Nye ord vs. Nye ord vs.
Konkurrent ord 0,001 Konkurrent ord < 0,001
Kontrol af pseudowords 0,001 Konkurrent pseudowords 0,003
Kontrol ord 0,001 Kontrol af pseudowords 0,001
Kontrol ord < 0,001
Dag 2 Nye ord vs. Nye ord vs.
Konkurrent ord 0,001 Konkurrent ord < 0,001
Konkurrent pseudowords 0,002 Konkurrent pseudowords 0,001
Kontrol af pseudowords 0,001 Kontrol af pseudowords < 0,001
Kontrol ord 0,001 Kontrol ord < 0,001
Mellem dage Ingen væsentlige forskelle Kontrol af pseudowords 0,033
Leksikalsk beslutning. Reaktionstid (MS)
Dag 1 Nye ord vs. Nye ord vs.
Konkurrent ord 0,022 Konkurrent ord 0,001
Konkurrent pseudowords < 0,001 Kontrol ord 0,013
Kontrol af pseudowords 0,033
Dag 2 Nye ord vs. Nye ord vs.
Konkurrent ord 0,003 Konkurrent ord 0,003
Kontrol ord 0,008 Kontrol ord 0,001
Opgave 4: semantisk definition. Matchnings-og nøjagtigheds scorer
Mellem dage Matchende scorer dag 1 vs. matchende scorer dag 2 0,001 Matchende scorer dag 1 vs. matchende scorer dag 2 0,006
Nøjagtighed scorer dag 1 vs. nøjagtighed scorer dag 2 0,001 Nøjagtighed scorer dag 1 vs. nøjagtighed scorer dag 2 < 0,001
Opgave 5: semantisk matchning. Nøjagtighed scores
Mellem dage Nøjagtighed scorer dag 1 vs. nøjagtighed scorer dag 2 0,006 Ingen væsentlige forskelle
Semantisk matchning. Reaktionstid (MS)
Mellem dage Reaktionstid dag 1 vs. reaktionstid dag 2 0,002 Reaktionstid dag 1 vs. reaktionstid dag 2 0,015

Tabel 3: signifikante forskelle i nøjagtigheds scorer og reaktionstider inden for hver gruppe (Sham-og katodal-stimuleringer). Værdierne i parentes er middelscorer og reaktionstider.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Resultaterne fremhæver et par vigtige punkter, der skal tages i betragtning, når der gennemføres psycholinguistisk forskning i almindelighed, og neurolinguistics tDCS undersøgelser i særdeleshed. Stimulering af sprog corticer (eksemplificeret her ved Wernickes område) producerer et komplekst mønster af adfærdsmæssige resultater. I modsætning til TMS-teknikken, hvor det er muligt fuldt ud at afbryde talebehandling (f. eks. den såkaldte "tale arrestation"-protokol)21, muliggør denne metode en muligvis mere kompleks, gradueret og subtil indflydelse på sprog behandlings mekanismerne. Vi har fundet en række forskellige både nøjagtighed og reaktionstid forskelle, som afveg betydeligt mellem betingelser, tests og vurdering dage. De tekniske følger af den rapporterede protokol gennemgås kort nedenfor.

At frigøre de forskellige effekter, et batteri af forskellige tests er nødvendig, som kunne teste for processer på forskellige niveauer af kort-og lang sigt hukommelse, Leksikon adgang, semantisk behandling, etc. For eksempel omfatter effekterne her forskellige præstationer i tilbagekaldelse og anerkendelse for forskellige stimulerings typer og stimulerings betingelser, som antyder differentierede leksikalske konkurrence effekter for nye og gamle emner og divergerende virkninger af tDCS på leksikalske og semantiske niveauer. Vores resultater bekræfter følsomheden af de udnyttede opgaver til effektivitet af nye ord erhvervelse på forskellige niveauer, herunder anerkendelse, forståelse af et ord betydning og gratis tilbagekaldelse.

På samme måde kræver en tDCS-tilstand (f. eks. anodal, katodal stimulation) en korrekt kontroltilstand (eller kontrolgruppe), Sham (placebo) stimulation er den mest hensigtsmæssige baseline. I modsætning til elektrisk stimulation af motorisk cortex, kan virkningerne ikke altid være utvetydige22, de er stærkt afhængige af de anvendte tests, eller kan ikke vises på alle23.

Et andet meget vigtigt punkt er, at der kun kan anvendes én type stimulering i hvert enkelt i forbindelse med en forsøgs session. Dette indebærer normalt en mellem-gruppedesign, for eksempel, en anodal stimulation gruppe, en katodal stimulation gruppe, og en placebo (Sham) kontrolgruppe. For inden for gruppen designs, bruge forskellige tDCS protokol på forskellige dage, mindst 24 h fra hinanden (i lærings studier, dette indebærer også at bruge forskellige sproglige stimuli på forskellige dage for at undgå kontaminering af resultater ved gentagelse effekter). Denne rapport bruger et eksperiment med katodal stimulation af Wernickes områder som et eksempel, men lignende procedurer gælder for andre polariteter/lokaliteter.

Kontekstuel præsentation af nye ord udvider mulighederne for samtidig undersøgelse af erhvervelse af ordform per se og dets semantik. Traditionelt er disse processer undersøgt separat med fokus enten på erhvervelse af en ny ordform eller på korrelationen af en betydning af et velkendt ord med andre semantiske enheder24,25,26. Den foreslåede protokol kombinerer begge mål; Derfor er det muligt at sammenligne dynamikken i en ny koncept erhvervelse på niveau med ord form perception og at beherske dens indhold, som opnås ved hjælp af en omfattende sæt af tests. Behovet for en sådan sammenligning understreges her af divergerende dynamik i ydeevnen på nye overflade former tilbagekaldelse og anerkendelse i modsætning til semantisk matching.

Det er vigtigt at huske de vigtigste forskelle mellem tDCS og andre ikke-invasive hjerne stimulerings metoder, såsom TMS. Da der ikke er nogen enkel måde at bestemme individuel følsomhed over for tDCS ved tærskel vurdering, anvendes en enkelt protokol for alle emner. Det er meget vanskeligt præcist at estimere stimulerings området – man kan kun tale om det omtrentlige/hypotetiske område, der stimuleres. Det er også vanskeligt at anslå varigheden af offline stimulerings effekter, når strømmen er slukket. Formentlig, de vigtigste virkninger af stimulation observeres op til en time efter afslutningen af stimulation. Men, virkningerne kan undertiden påvises selv en dag efter stimulation20.

Men sammenlignet med TMS, den relative brugervenlighed af tDCS, den væsentligt lavere risiko for bivirkninger og fraværet af akustiske artefakter gøre denne protokol attraktiv for at studere tale og sprogfunktion. Det er også værd at bemærke, at kombinationen af elektrisk stimulation med andre metoder, for eksempel med TMS, fMRI, EEG eller farmakologisk intervention, gør det muligt at studere neuronal mekanismer af TDCs i mere detaljeret27,28.

Da tDCS stimulation ikke er meget lokaliseret, er en ikke-specifik effekt mulig. Dette fremgår tydeligt af de eksisterende beviser, hvor meget forskellige eller endog modsatrettede protokoller nogle gange kan føre til lignende resultater. Dette kan skyldes den generelle indvirkning på andre kognitive funktioner og processer såsom opmærksomhed, hentning fra hukommelsen, og så videre. Et specialiseret batteri af tests er nødvendig for at detektere de effekter, der er forbundet med en bestemt sprogfunktion. Efter de foreslåede trin i stimulus materiale skabelse (verifikation af overfladen eller lemma hyppigheden af ordene, længden af ord og sætninger, osv.), er det nødvendigt at overveje den grammatiske og fonetiske struktur af et sprog. For eksempel kan antallet af ord i en sætning og længden af ordene variere afhængigt af det præcise behov. Desuden bør de ord, der anvendes i forsøget, styres for både stavning og lyd. I et ortografisk gennemsigtigt sprog som russisk er dette relativt ligetil, men det kan være svært at opnå på andre sprog (f. eks. engelsk, dansk eller mandarin).

I overensstemmelse med et organ af tidligere undersøgelser, finder vi forskellige effekter af erhvervelse umiddelbart efter indlærings blokken og efter en overnatning søvn, som fremhæver virkningerne af natten konsolidering. Vigtigere, vi også finde gruppe forskelle (Sham versus katode) på den anden dag. Det er almindeligt anerkendt, at den fysiske virkning af stimulation af cortex er relativt kortvarig, på rækkefølgen af minutter til flere timer. Dette indebærer, at de kognitive virkninger, der opnås i den forbigående stimulerings fase, ikke desto mindre opretholdes over en længere periode og derfor muligvis kan anvendes til modulering af ordanskaffelse og-behandling i praktiske omgivelser. Det er klart, at ikke kun de centrale sprogområder i Broca og Wernicke er involveret i sprogfunktionen; vedtagelse af den ovenfor beskrevne protokol er mulig for ethvert område af hjernen, mens et batteri af psycholinguistiske tests finjusteret til specifikke eksperimentelle formål er stadig nødvendig for at vurdere stimulation indvirkning på en specifik neurolinguistic træk.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har intet at afsløre.

Acknowledgments

Understøttet af RF-regeringens tilskudskontrakt nr. 14. W 03.31.0010. Vi vil gerne takke Ekatarina Perikova og Alexander Kirsanov for deres støtte til udarbejdelsen af denne publikation. Vi er taknemmelige for Olga Shcherbakova og Margarita Filippova for deres hjælp i stimulus udvælgelse og til Anastasia Safronova og Pavel Inozemcev for deres bistand i produktionen af video materialer.

References

  1. Sebastian, R., Tsapkini, K., Tippett, D. C. Transcranial direct current stimulation in post stroke aphasia and primary progressive aphasia: Current knowledge and future clinical applications. Neuro Rehabilitation. 39, (1), 141-152 (2016).
  2. Antal, A., et al. Low intensity transcranial electric stimulation: Safety, ethical, legal regulatory and application guidelines. Clinical Neurophysiology. 128, (9), 1774-1809 (2017).
  3. Lefaucheur, J. P., et al. Evidence-based guidelines on the therapeutic use of transcranial direct current stimulation (tDCS). Clinical Neurophysiology. 128, (1), 56-92 (2017).
  4. Priori, A. Brain polarization in humans: a reappraisal of an old tool for prolonged non-invasive modulation of brain excitability. Clinical Neurophysiology. 114, (4), 589-595 (2003).
  5. Shah, P. P., Szaflarski, J. P., Allendorfer, J., Hamilton, R. H. Induction of neuroplasticity and recovery in post-stroke aphasia by non-invasive brain stimulation. Frontiers in Human Neuroscience. 7, 888 (2013).
  6. Nitsche, M. A., et al. Modulation of cortical excitability by weak direct current stimulation--technical, safety and functional aspects. Supplements to Clinical Neurophysiology. 56, 255-276 (2003).
  7. Fridriksson, J., Richardson, J. D., Baker, J. M., Rorden, C. Transcranial direct current stimulation improves naming reaction time in fluent aphasia: a double-blind, sham-controlled study. Stroke. 42, (3), 819-821 (2011).
  8. Flöel, A., et al. Short-term anomia training and electrical brain stimulation. Stroke. 42, (7), 2065-2067 (2011).
  9. Hamilton, R. H., Chrysikou, E. G., Coslett, B. Mechanisms of aphasia recovery after stroke and the role of noninvasive brain stimulation. Brain and Language. 118, (1-2), 40-50 (2011).
  10. Shtyrov, Y. Neural bases of rapid word learning. The Neuroscientist. 18, (4), (2012).
  11. Davis, M. H., Di Betta, A. M., Macdonald, M. J. E., Gaskell, M. G. Learning and Consolidation of Novel Spoken Words. Journal of Cognitive Neuroscience. 21, (4), 803-820 (2009).
  12. Villamar, M. F., et al. Technique and Considerations in the Use of 4x1 Ring High-definition Transcranial Direct Current Stimulation (HD-tDCS). Journal of Visualized Experiments. (77), (2013).
  13. Oldfield, R. C. The assessment and analysis of handedness: the Edinburgh inventory. Neuropsychologia. 9, (1), 97-113 (1971).
  14. Rodd, J. M., et al. Learning new meanings for old words: effects of semantic relatedness. Memory & Cognition. 40, (7), 1095-1108 (2012).
  15. Quiroga, R. Q., Fried, I., Koch, C. Brain cells for grandmother. Scientific American. 308, (2), 30-35 (2013).
  16. Mason, R. A., Prat, C. S., Just, M. A. Neurocognitive brain response to transient impairment of Wernicke's area. Cerebral Cortex (New York, N.Y.: 1991). 24, (6), 1474-1484 (2014).
  17. Chatrian, G. E., Lettich, E., Nelson, P. L. Modified nomenclature for the "10%" electrode system. Journal of Clinical Neurophysiology. 5, (2), 183-186 (1988).
  18. Nishitani, N., Schürmann, M., Amunts, K., Hari, R. Broca's Region: From Action to Language. Physiology. 20, (1), 60-69 (2005).
  19. Dumay, N., Gareth Gaskell, M. Overnight lexical consolidation revealed by speech segmentation. Cognition. 123, (1), 119-132 (2012).
  20. Landi, N., et al. Neural representations for newly learned words are modulated by overnight consolidation, reading skill, and age. Neuropsychologia. 111, 133-144 (2018).
  21. Tarapore, P. E., et al. Language mapping with navigated repetitive TMS: Proof of technique and validation. NeuroImage. 82, 260-272 (2013).
  22. Jacobson, L., Koslowsky, M., Lavidor, M. tDCS polarity effects in motor and cognitive domains: a meta-analytical review. Experimental Brain Research. 216, (1), 1-10 (2012).
  23. Malyutina, S., et al. Modulating the interhemispheric balance in healthy participants with transcranial direct current stimulation: No significant effects on word or sentence processing. Brain and Language. 186, 60-66 (2018).
  24. Geranmayeh, F., Leech, R., Wise, R. J. S. Semantic retrieval during overt picture description: Left anterior temporal or the parietal lobe? Neuropsychologia. 76, 125-135 (2015).
  25. Lambon Ralph, M. A., Pobric, G., Jefferies, E. Conceptual knowledge is underpinned by the temporal pole bilaterally: convergent evidence from rTMS. Cerebral Cortex (New York, N.Y.: 1991). 19, (4), 832-838 (2009).
  26. Mueller, S. T., Seymour, T. L., Kieras, D. E., Meyer, D. E. Theoretical Implications of Articulatory Duration, Phonological Similarity, and Phonological Complexity in Verbal Working Memory. Journal of Experimental Psychology: Learning, Memory, and Cognition. 29, (6), 1353-1380 (2003).
  27. Bachtiar, V., Near, J., Johansen-Berg, H., Stagg, C. J. Modulation of GABA and resting state functional connectivity by transcranial direct current stimulation. eLife. 4, e08789 (2015).
  28. Márquez-Ruiz, J., et al. Transcranial direct-current stimulation modulates synaptic mechanisms involved in associative learning in behaving rabbits. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 109, (17), 6710-6715 (2012).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics