Author Produced

Transkraniell direkte nåværende stimulering (tDCS) av Wernickes ' s og Broca ' s områder i studier av språklæring og Word Acquisition

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 protokoll for bruk av Transkraniell likestrøm stimulering for psyko-og neurolingvistikken eksperimenter som tar sikte på å studere, på en natur, men fullt kontrollert måte, rollen til kortikale områder av den menneskelige hjerne i ordlæring, og en omfattende sett av atferdsdata prosedyrer for å vurdere resultatene.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations

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

Språk er en svært viktig, men dårlig forstått funksjon av den menneskelige hjerne. Mens studier av hjernen aktiverings mønstre under språkforståelse er rikelig, det er ofte kritisk mangler er årsakssammenheng bevis på hjernens områder engasjement i en bestemt språklig funksjon, ikke minst på grunn av den unike menneskets natur av denne evnen og mangel på nevrofysiologiske verktøy for å studere årsakssammenheng i den menneskelige hjerne invasivt. De siste årene har sett en rask økning i bruken av Transkraniell direkte strøm stimulering (tDCS) av den menneskelige hjerne, en enkel, billig og sikker ikke-invasiv teknikk som kan modulere tilstanden til stimulert hjerne området (påstått ved skiftende eksitasjon/ hemming terskler), slik at en studie av sitt spesielle bidrag til spesifikke funksjoner. Mens det meste fokuserer på motor kontroll, er bruken av tDCS blir mer utbredt i både grunnleggende og klinisk forskning på høyere kognitive funksjoner, språk inkludert, men prosedyrene for sin søknad forblir variabel. Her beskriver vi bruken av tDCS i et psycholinguistic eksperiment for Ordlæring. Vi presenterer teknikker og prosedyrer for anvendelse av cathodal og anodal stimulering av kjernen språk områder av Broca og Wernickes i venstre halvkule av den menneskelige hjerne, beskriver prosedyrene for å skape balanserte sett av psycholinguistic stimuli, en kontrollerte ennå naturlige lærings regime, og et omfattende sett av teknikker for å vurdere læringsresultater og tDCS effekter. Som et eksempel på tDCS program, viser vi at cathodal stimulering av Wernickes ' s område før en lærende økt kan påvirke ordet læring effektivitet. Denne påvirkningen er både til stede umiddelbart etter læring og, viktigere, bevart over lengre tid etter de fysiske virkningene av stimulering slites av, noe som tyder på at tDCS kan ha langsiktig innflytelse på språklig lagring og representasjoner i den menneskelige hjerne .

Introduction

Den nevrobiologiske mekanismer av menneskelig språk funksjon er fortsatt dårlig forstått. Som fjell i vår kommunikasjons evne, spiller denne unike menneskelige nevrokognitive egenskap en spesielt viktig rolle i vårt personlige og sosio-økonomiske liv. Eventuelle underskudd påvirker tale og språk er ødeleggende for de lidende og dyre for samfunnet. På samme tid, i klinikken, prosedyrer for behandling av tale underskudd (for eksempel afasi) forblir suboptimal, ikke minst på grunn av dårlig forståelse av nevrobiologiske mekanismer involvert1. Inne forskning, det nylig advent og rask utviklingen av neuroimaging metoder ha smal avsats å mangfoldig oppdagelsen beskrivende aktivisering mønstre; likevel mangler årsaks bevis ofte. Videre er språk områder av hjernen ligger noe suboptimally for anvendelse av ordinære neurostimulation tilnærminger som kan gi årsaks bevis, viktigst av Transkraniell magnetisk stimulering teknikk (TMS). Mens frakoblet TMS-protokoll, slik som theta-burst-stimulering, kan forårsake smerte på grunn av nærheten til musklene til det punktet av stimulering, kan "online" TMS-protokoller innføre lyd artefakter fra stimulering, som er uønsket på grunn av interferens med språklig stimulans presentasjon2. Selv om TMS er mye brukt i språkstudier til tross for slike ulemper, kan en velkommen alternativ gis av andre stimulering metoder, særlig Transkraniell direkte gjeldende stimulering (tDCS). I de senere årene har tDCS sett en bemerkelsesverdig vekst i bruken på grunn av sin tilgjengelighet, brukervennlighet, relativ sikkerhet og ofte heller slående utfall3. Selv om den eksakte mekanismer som underbygger tDCS innflytelse på neural aktivitet er ikke forstått helt, mainstream syn er at minst ved lav intensitet nivåer (vanligvis 1-2 mA for 15-60 min), betyr det ikke forårsake noen neural eksitasjon eller hemming per se , men i stedet modulerer hviler transmembrane potensialet i en gradert måte mot de-eller hyperpolarization, skiftende den eksitasjon terskler opp eller ned og dermed gjør det nevrale systemet mer eller mindre utsatt for modulasjoner av andre hendelser, stimuli, tilstander eller atferd4,5. Mens de fleste av programmene rapportert hittil har fokusert på motorisk funksjon6 og/eller motor system underskudd, har det blitt stadig brukt på høyere nivå kognitive funksjoner og deres respektive funksjonshemninger. Det har vært en økning i sin søknad til tale og språk, hovedsakelig i forskning rettet mot utvinning av post-takts afasi7,8,9, selv om det har så langt ført til blandede resultater med hensyn til terapeutisk potensial, stimulering nettsteder og halvkuler, og optimal strøm polaritet. Som denne forskningen, og særlig anvendelsen av tDCS i kognitiv nevrobiologi av normal språk funksjon, er fortsatt i sin barndom, er det avgjørende å avgrense prosedyrer for å stimulere minst kjernen språk barken (viktigst Wernickes og Broca områder) ved hjelp av tDCS, som er en av de viktigste målene for den aktuelle rapporten.

Her vil vi vurdere anvendelse av tDCS til språk områder i et ord-læring eksperiment. Generelt gjelder det å lære om ord som et eksempel på et neurolingvistikken eksperiment, og tDCS-delen av prosedyren bør ikke endres vesentlig for andre typer språk eksperimenter som er målrettet mot de samme områdene. Likevel bruker vi denne muligheten til å også fremheve store metodisk betraktninger i et ord oppkjøp eksperiment per se, som er den andre Hovedformålet med den aktuelle protokollen beskrivelse. Brain mekanismer underbygger ordet oppkjøp-en allestedsnærværende menneskelig kapasitet i kjernen av vår språklige kommunikasjons dyktighet-fortsatt i stor grad ukjent10. Det kompliserer bildet, eksisterende litteratur varierer mye i hvordan eksperimentelle protokoller fremmer ord innhenting, kontroll over stimulering parametre og i oppgaver som brukes til å vurdere læringsutbytte (se for eksempel Davis et al.11). Nedenfor beskriver vi en protokoll som bruker svært kontrollerte stimuli og presentasjonsmodus, samtidig som den sikrer en natur drevet oppkjøp av romanen vokabular. Videre bruker vi et omfattende batteri av oppgaver for å vurdere resultatene behaviorally på ulike nivåer, både umiddelbart etter læring og etter en overnatting konsolidering scenen. Dette er kombinert med humbug og cathodal tDCS av språk områder (vi gjør et spesielt eksempel bruker Wernickes område stimulering) som kan gi årsakssammenheng på underliggende nevrale prosesser og mekanismer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Alle prosedyrer ble godkjent av den lokale forskningen etikk komité St. Petersburg State University, St. Petersburg, med samtykke innhentet fra alle deltakere.

Merk: alle deltakere må undertegne informerte samtykke og fylle ut et spørreskjema for å bevitne fraværet av noen kontraindikasjoner for tDCS stimulering (se teknikk og betraktninger i bruk av 4 x 1 ring High-Definition Transkraniell direkte nåværende stimulering (HD-tDCS) av Willamar og kolleger12) og å samle inn andre data som er relevante for studien som synsskarphet, demografi, språk erfaring og håndbruk. For sistnevnte, det banebrytende arbeidet med Oldfield13 anbefales.

1. og eksperimentell miljø

  1. I et typisk språk eksperiment, sørg for at alle er høyrehendt og har ingen oversikt over språk underskudd, nevrologiske eller psykiatriske lidelser. Deres morsmål og tospråklig/flerspråklig status må kontrolleres.
  2. Gjennomfør alle målinger i et lyd sikkert eller i det minste lyd-dempes kammer. Lydisolasjon er svært viktig, siden enhver overflødig lyd, støy, menneskelig tale, etc. kan påvirke ytelsen og dermed påvirke data (figur 1).
  3. For å unngå interferens ved unødvendig eksperimentator kontakt, plasser bare skjermen, hodetelefoner/høyttalere og eventuelle inndataenheter (tastatur, knappe bokser) inne i kammeret. Ha all interaksjon med eksperimentator over intercom med mindre personlig kontakt er nødvendig.
  4. Bruk følgende optimale parametre, basert på omfattende pilot, for bakgrunnsfarge og skriftstørrelse: grå bakgrunnsfarge (RGB: 125, 125, 125), svart tekstfarge (RGB: 0; 0; 0), Arial skrifttype, størrelse 27.
  5. For å redusere forsinkelser og variasjon i visuell presentasjon, bruk et skjermkort og en skjerm med en oppdateringsfrekvens på 100 Hz og høyere.
  6. For å måle reaksjonstider bør du bruke svar puter med forskningskvalitet, som har bedre ergonomi og mer presis timing sammenlignet med konvensjonelle tastaturer.

2. stimulans forberedelse

  1. Velg ord av språket i spørsmålet, som er kontrollert for deres varighet, ord frekvens og overordnet struktur (for å unngå grunnleggende effekter av overflaten stimulans egenskaper på høyere nivå prosessering). Her var alle basis ordene åtte fonemer/bokstaver lange og besto av tre stavelser med CVCCVCVC-strukturen (der C er konsonant, og V er vokal).
  2. For å lage flere lister, del ordene i sett, som ikke bør avvike statistisk (målt med, f. eks t-tester) på deres lemma, bigram og/eller trigram samt stavelser frekvens. Disse kan fås fra språkspesifikke psycholinguistic databaser; Her ble Russlands nasjonal Corpus brukt (http://www.ruscorpora.ru/en/). Her ble ett sett brukt for å lage (gjennom modifisering) orthographically lignende romanen ord og pseudowords, et annet sett for å skape urelaterte kontroll pseudowords, og en ytterligere sett brukt som urelaterte kontrollord (figur 2a). Dette førte til fem sett med 10 elementer hver (50 stimuli totalt). Endre disse prosedyrene i henhold til dine eksakte eksperimentelle krav.
  3. For å minimere eventuelle effekter av overflate former på nylig ervervet semantikk, motvekt settene over faget prøven, slik at de spiller ulike eksperimentelle roller for ulike.
  4. Lag romanen ordformer slik at de følger reglene for fonologi og phonotactics og ligne eksisterende ord i form av ortografisk og fonologisk struktur.
    Merk: for å sikre at de nye ordene kan inngå konkurranse med eksisterende ord, de aktuelle prosedyrene var basert på de som er utviklet i en rekke eksperimenter av Gaskell og kolleger11,14 og tar sikte på å holde ordet onsets ( CVCCV-) stabil, mens roterende sine forskyvninger (-CVC) på tvers av ulike elementer i settet. Det er, vi bevarte de to første stavelser av et eksisterende ord og varierte den ultimate stavelse slik at en ny, tidligere ukjent romanen ordet form ble opprettet (f. eks mandarin-> mandanal *, hvor den siste CVC ble tatt fra et annet ord i listen, kardinal, for å opprette et nytt element).
  5. Gjenta prosedyren som er beskrevet ovenfor for å lage så mange nye ordformer etter behov. For den nåværende demonstrasjonen, skapte vi lister over romanen ordformer som skal læres og lignende unlearnt pseudowords (f. eks mandarin-> mandanal *, mandaket *, alle tre potensielt inngå en ord konkurranse post-læring, som naboer) så vel som ytterligere kontroll lister over virkelige ord og romanen pseudowords som ikke deler denne likheten, og dermed ikke ville produsere en ord konkurranse med de viktigste stimuli (f. eks, sirkulær, muskenal *; Russiske eksempler er brukt gjennom, translitterert fra kyrillisk til latinske skript for enkel forståelse).

3. setning stimuli for kontekstuell semantisk læring

  1. Lag romanen betydninger å bli assosiert med de nye ordene i prosessen med læring. Dette kan bli gjort opp, foreldet eller sjeldne objekter eller begreper som ikke finnes i fagene morsmål eller kultur.
  2. For kontekstuell læring av romanen semantikk, prosedyrene som brukes av Mestrez-misse og kolleger15 anbefales. Lag flere unike setninger som beskriver situasjoner der man kan forstå betydningen av hver av romanen ord (for eksempel "for å kontrollere insekter i middelalderen, folk brukte mandaket"). Bruk en sekvens av slike setninger for hver av romanen ord (her, totalt 5 setninger per ord), og gradvis avslører betydningen av hvert nytt konsept fra en mer generell til mer spesifikk sentential kontekst.
  3. Presenter romanen ord ideelt i ordboken form (dvs. uninflected, f. eks, entall nominativ eller akkusativ tilfelle på russisk), slik at overflaten formen ikke er bøyd forskjellig i forskjellige setninger (tabell 1), med mindre Bøyning regelen læring er også nødvendig.
  4. Kontroller og balanser lengden på setningene og antall ord mellom betingelsene. Her besto hver setning av 8 ord. Alltid plassere romanen ord på slutten av setningene. En slik plassering tillater oppbygging av nødvendig kontekstuell informasjon (videre, dette gjør det mulig å implementere denne designen, om nødvendig, i en EEG eller MEG-innstilling for å registrere fremkalt hjerne responser avslørt av ytterligere ord stimuli).
  5. Presenter ord-spesifikke setninger i ord-spesifikke sub-blokker, gradvis avslørende betydningen av hvert nytt ord, uten som innfelte ark eller randomizing setninger knyttet til ulike romanen ord.
  6. Tilfeldig rekkefølge for del blokkene på tvers av emne gruppen. Word-by-Word setning presentasjon anbefales hvis den visuelle modalitet brukes.
  7. Bestem interstimulus intervallet basert på spesifikke stimulans egenskaper for å tillate deres praktisk presentasjon (figur 2b); Sørg for å skille forskjellige sub-blokker med ekstra intervaller og gi regelmessige pauser.

4. oppgaver for å vurdere oppkjøp av nye ordformer og romanen betydninger

Merk: Bruk flere oppgaver for å vurdere ulike nivåer av oppkjøp og forståelse av både overflate ordformer og under-semantikk. Fem oppgaver er brukt i denne protokollen: gratis tilbakekalling, cued anerkjennelse, under-avgjørelse, semantisk definisjon og semantisk Matching. Oppgavene brukes i den rekkefølgen de er listet opp nedenfor, som ble optimalisert for å redusere eventuelle carryover mellom etterfølgende aktiviteter.

  1. I den frie tilbakekalling oppgave, har hver deltaker reprodusere så mange nye ordformer som de kunne huske ved å skrive dem inn i forberedt regnearket. Instruksjonen er som følger: "Vennligst skriv ned i kolonnen alle de nye ordene du kan huske."
  2. Inkluder de samme stimuli i anerkjennelse og del av valget (andre og tredje oppgaver, henholdsvis) og bruke den samme presentasjonen rate.
    1. Disse oppgavene omfatter alle elementer (romanen ord, virkelige konkurrent ord romanen de er avledet fra, uerfarne pseudoword konkurrenter avledet fra samme virkelige ord, urelaterte kontroll pseudowords og urelaterte kontroll eksisterende ord).
    2. For gjenkjennings oppgaven bruker du følgende instruksjon: "du vil bli presentert med ord sekvensielt. Trykk på tasten "1" med langfingeren på venstre hånd hvis du har støtt på ordet under eksperimentet, eller trykk "2" med pekefingeren på venstre hånd hvis du ikke har det. " Endre responsen koding, hånd og fingre i samsvar med dine spesifikke behov.
    3. Instruksjonen for den andre avgjørelsen er: "du vil bli presentert med virkelige og meningsløse ord sekvensielt. Trykk "1" med langfingeren på venstre hånd hvis ordet er fornuftig, eller trykk "2" med pekefingeren på venstre hånd hvis den ikke gjør det. " Endre disse etter behov.
  3. Bruk semantisk definisjon oppgaven å anslå oppkjøpet av romanen mening og korrespondanse mellom meningen og overflaten form.
    1. Gi deltakerne en liste over de lærte elementene (dvs. de som presenteres tidligere i læringsfasen) med instruksjonen ovenfor: "her er en liste over nye ord presentert for deg tidligere. Prøv å definere hver av dem og skriv inn definisjonene i regnearket ".
    2. For å vurdere fullstendighet og nøyaktighet av gitte definisjoner, engasjere uavhengige eksperter for å rangere svarene; avtale mellom eksperter kan testes ved hjelp av for eksempel Kendall ' s koeffisient av samsvars (W).
  4. Bruk semantisk matchende oppgave å vurdere oppkjøpet av semantikk gjennom å lage eksplisitte lenker mellom de nylig lærte ordformer og deres betydninger på en forenklet måte.
    1. Bruk følgende instruksjon: "du vil bli presentert et ord og tre definisjoner. Du bør velge en korrekt definisjon for hvert ord ved å trykke på tilsvarende knapp ". Bare én av definisjonene er riktig, med de to andre tilsvarende til den andre romanen elementer. I tillegg til de tre valgfrie definisjonene, inkludert "ingenting av dette" eller/og "ikke sikker"-alternativer er også anbefalt.

5. prosedyrer

  1. Sørg for at tDCS-stimulering står foran den atferdsmessige oppgaven den er ment å modulere.
    1. Wernickes område.
      Merk: plasseringen av stimulering elektroden som passer best til Wernickes område, CP5 i henhold til det utvidede internasjonale 10-20-systemet for EEG16,17.
      1. Hvis du vil finne denne plasseringen i fravær av en elektrode deksel, følger du standardprosedyrene for 10-20-systemet.
      2. Mål hodet med en tape fra inion til nasion, og Merk midten av denne avstanden. Deretter måler du avstanden fra venstre preauricular peker til høyre preauricular punkt, og Merk Crosspoint av de to målingene.
      3. For å finne CP5 plassering, måle 30% av avstanden mellom preauricular poeng fra Crosspoint ned den venstre halvkule og merke den. Mål 10% av avstanden mellom inion og nasion fra det markerte punktet til baksiden av hodet. Dette punktet er CP5 plassering for den aktive elektroden (Figur 3).
    2. Broca ' s område
      Merk: nærmest Broca område er F5 elektroden området18 i henhold til 10-20 systemet.
      1. I fravær av en EEG cap, følg standard 10-20 system prosedyrer for å finne og merke Crosspoint mellom inion-nasion og preauricular poeng, som beskrevet ovenfor.
      2. For å finne F5-posisjonen, måler du 20% av avstanden mellom inion og nasion fra Crosspoint til fronten av hodet. Mål 30% av avstanden mellom preauricular poeng fra det nylig markerte punktet nedover venstre halvkule. Dette punktet tilsvarer F5-plasseringen for den aktive elektroden (Figur 3).
    3. Homologe steder i høyre halvkule: for høyre-hemispheric homologe av Wernickes og Broca områder, bruker de samme prosedyrene som ovenfor, med unntak av å måle avstanden fra midtlinjen ned på høyre side av hodebunnen. Elektrode plasseringer er: CP6 for RH Wernickes-homolog og F6 for Broca-homolog.
    4. Bruk svampete elektroder som måler 5 cm x 5 cm ettersom denne størrelsen er et godt kompromiss mellom fokus stimulering (som forårsaker mer irritasjon og ubehag) og større elektroder som mangler focality. Sug elektrodene i fysiologisk saltoppløsning i 5 minutter før påføring.
    5. For å minimere effekten av stimulering på andre områder av hjernen, plasserer du referanse elektroden i bunnen av nakken på venstre side (høyre for homologe) (se Figur 3 og Figur 4). Bruk svampete elektroder som også måler 5 cm x 5 cm.
      Merk: spesiell oppmerksomhet bør rettes mot å hindre spredning av løsningen utover grensene av elektroden applikasjons sonen. Det bør utvises spesiell forsiktighet for å holde området rundt elektroden tørt.
    6. For optimal cathodal stimulering, bruk 1,5 mA strøm i 15 min. Ved utbruddet, den nåværende gradvis stiger fra 0 til 1,5 mA over 30 s, og på slutten av stimulering synker den tilbake til null over 30 s.
    7. For anodal stimulering, bruk samme fremgangsmåte som cathodal stimulering, bortsett fra polariteten er reversert, og anodal elektroden er plassert på det aktive stedet, mens bilderøret brukes som referanse elektrode plassert utenfor hode bunns området.
  2. Humbug stimulering
    1. Utfør humbug stimulering prosedyren generelt som beskrevet ovenfor, bortsett fra at den nåværende bare brukes kort i begynnelsen og slutten av humbug økten. For dette formål, under den første og den siste 30 s av økten, Påfør en elektrisk puls av en trekantet form med maksimalt 1,5 mA, som brukes i denne protokollen.
  3. Main atferdsdata oppgave: kontekstuell semantisk læring
    1. Presenter sett med kontekstuelle setninger for romanen ord i en tilfeldig rekkefølge. Start hver setning med en ord-for-ord-presentasjon.
    2. Etter dette, vise hele setningen på skjermen for å sikre sin fulle forståelse. La deltakerne trykke på mellomromstasten med pekefingeren på venstre hånd etter å ha lest hele setningen. Varighet av setningen presentasjonen er 5000 MS.
      Merk: settene av setningene skilles fra hverandre etter utseende av tre trådkors ("+ + +") for 2000 MS. hver nye konseptet presentasjonen starter med en enkelt fiksering kors ("+") til stede for 500 MS før setningen ordene er blinket. Hvert ord er presentert for 500 MS, og den tomme skjermen i bakgrunnsfargen mellom ord i en setning er 300 MS lang.
  4. Prosedyre for anskaffelses vurdering
    1. For å vurdere lærings effekter både umiddelbart og etter over natten konsolidering scenen, bryte stimulans satt i to delsett, jevnt fordelt på tvers av stimulans forhold og balansert på tvers av faget gruppen, og kjøre vurderingen oppgaven umiddelbart etter læring protokollen på ett delsett, og etter en 24 h forsinkelse på den andre.
      Merk: denne strategien er basert på litteraturen som fremhever viktigheten av natten minne konsolidering for anskaffelse av nye ord19,20.
    2. Bruk alle utviklede oppgaver i den rekkefølgen som er beskrevet i avsnitt 3 ovenfor for å vurdere ulike nivåer av ord/konsept oppkjøp. Velg rekkefølgen på oppgavene for å minimere eventuelle carryover effekter fra én aktivitet til de følgende.
    3. For oppgaver 1 og 4 bruker regneark til å bli fylt av (for hånd eller ved hjelp av en tekst-eller regneark prosessor); presentere de andre oppgavene ved hjelp av midlertidig, presis simuleringsprogramvare.
      Merk: hver stimulans i oppgaver 2 og 3 er presentert for 600 MS, med en fiksering kors ("+") stede i interstimulus intervallet (1400 MS); se Figur 3. For de andre oppgavene er responstiden ikke begrenset.

6. data analyse

  1. Utfør dataanalyse ved hjelp av ulike tester som sammenligner to sett med prøver som kommer fra kontinuerlige distribusjoner (for eksempel Wilcoxon signerte rang test eller mann-Whitney U-test) eller medians (to-sample t-test, hvis fordelingen er normal).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Mens dataene ble analysert for bestemte sett med oppgaver, bør det understrekes at de utviklede sett av tester og paradigmet kan tilpasses en rekke psycholinguistic eksperimenter. Resultatene ble analysert i form av nøyaktighet score (antall riktige svar) og reaksjonstid (RT) bruker ikke-parametrisk Wilcoxon signert Rank test og mann-Whitney U test på tvers av grupper (cathodal og humbug stimulering forhold). Vesentlige forskjeller for oppgaver innenfor hver gruppe er presentert i tabell 3; nedenfor, fremhever vi de viktigste stimulering-relaterte resultatene (for beskrivende statistikk se tabell 2).

Sammenligningen av ytelse i en rekke beslutnings oppgaver mellom de to gruppene (cathodal versus humbug stimulering forhold) viste forskjeller på den første dagen mellom nøyaktighet for konkurrent pseudowords: nøyaktighet økt mer etter cathodal enn etter humbug stimulering (р ≤ 0,041), noe som tyder på redusert under konkurranse etter cathodal stimulering. I erkjennelsen oppgaven var nøyaktigheten for romanen ord bedre etter humbug enn etter cathodal stimulering både på den første (р ≤ 0,034) og på den andre (р ≤ 0,09) dag, noe som tyder reduserte Ordlæring effektivitet etter stimulering. Ingen av aktivitetene viste forskjeller i RT mellom grupper. Resultatene av de semantiske oppgavene viste samsvarende mellom romanen form mening og overflaten form var mer vellykket for cathodal gruppe over humbug på den andre dagen bare (р ≤ 0,011).

Innenfor hver gruppe var det bemerkelsesverdige forskjeller i nøyaktigheten score og reaksjonstider mellom de to vurderings øktene. I humbug gruppen, romanen ordet anerkjennelse var bedre på den første enn på den andre dagen (р ≤ 0,049). I cathodal-gruppen var RT i anerkjennelses oppgaven signifikant kortere for nye ord enn for konkurrerende pseudowords på den første dagen (р ≤ 0,042), men ikke på den andre. Resultatet av den første beslutnings oppgaven viste at etter å ha cathodal stimulering på den først (р ≤ 0,003) og på den andre dagen (р ≤ 0,001), var det bedre resultater for nye ord enn for pseudoword konkurrenter. I humbug gruppen, men denne effekten ble observert på den andre dagen bare (р ≤ 0,002).

Figure 1
Figur 1 : Eksperimentell kammer. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 2
Figur 2 : Fremgangsmåte for å presentere stimuli i kontekstuell lærings sekvens. (A) gjør stimulans grupper: grupper av ord/pseudoword stimuli. (B) diagram av stimulans presentasjon i kontekstuell læring blokk. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 3
Figur 3 : Plassering av stimulering elektrode for Wernickes og Broca ' s områder. Venstre panel: side visning og projeksjon på hjerneområder. Hjerne soner, EEG-elektroder (system 10-20%) tilsvarende til dem, og røde rektangler som representerer plasseringen av stimulerende elektroder er merket. Referanse elektroden vises ved foten av nakken. Høyre panel: projeksjon av stimulerende elektroden på EEG 10-20% system layout. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 4
Figur 4 : tDCS utstyr. (A) stimulator; (B) saltvann; (C) elektroder Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Eksempler på setninger
Нашим бабушкам было неведомо такое чувство как мушкелак.
Våre bestemødre ikke vet en slik følelse som mushkelak.
Благодаря своей хорошей памяти, Маша не чувствовала мушкелак.
Takket være hennes gode hukommelse, Masha aldri opplevd noen mushkelak.
Заведя сразу несколько аккаунтов, я начал испытывать мушкелак.
Etter å ha fått et par kontoer, begynte jeg lider av mushkelak.
Секретный блокнот поможет решить такую проблему как мушкелак.
En hemmelig notatbok kan hjelpe deg med å løse problemet med mushkelak.
Петр устанавливал одинаковые пароли, не желая ощущать мушкелак.
Peter alltid sette samme passord som han ikke ønsker å ha noen mushkelak.

Tabell 1: eksempler på setninger for kontekstuell læring av romanen ord.

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

Tabell 2: beskrivende statistikk.

Humbug stimulering p-verdi Cathodal stimulering p-verdi
Oppgave 1: gratis tilbakekalling.  Nøyaktige resultater
Mellom dager Nøyaktighet score dag 1 vs nøyaktighet score dag 2 0,001 Nøyaktighet score dag 1 vs nøyaktighet score dag 2 < 0.001
Oppgave 2: anerkjennelse. Nøyaktige resultater
Dag 1 Novel ord kontra Novel ord vs.
Konkurrerende ord 0,042 Konkurrerende ord 0,004
Kontroll pseudowords 0,041 Konkurrent pseudowords 0,045
Kontrollord 0,001 Kontroll pseudowords 0,002
Kontrollord < 0.001
Dag 2 Novel ord kontra Novel ord kontra
Konkurrerende ord 0,001 Konkurrerende ord < 0.001
Kontroll pseudowords 0,001 Konkurrent pseudowords 0,001
Kontrollord 0,001 Kontroll pseudowords < 0.001
Kontrollord < 0.001
Mellom dager Nye ord 0,049 Konkurrerende ord 0,036
Konkurrerende ord 0,011 Konkurrent pseudowords 0,024
Konkurrent pseudowords 0,034 Kontroll pseudowords 0,020
Kontroll pseudowords 0,030
Anerkjennelse. Reaksjonstid (MS)
Dag 1 Novel ord kontra  Kontrollord 0,005 Novel ord kontra
Konkurrent pseudowords 0,042
Kontrollord 0,006
Dag 2 Novel ord kontra kontrollord 0,007 Novel ord kontra
Konkurrerende ord 0,001
Kontroll pseudowords 0,045
Kontrollord 0,014
Oppgave 3: en avgjørelse. Nøyaktige resultater
Dag 1 Novel ord kontra Novel ord kontra
Konkurrerende ord 0,001 Konkurrerende ord < 0.001
Kontroll pseudowords 0,001 Konkurrent pseudowords 0,003
Kontrollord 0,001 Kontroll pseudowords 0,001
Kontrollord < 0.001
Dag 2 Novel ord kontra Novel ord kontra
Konkurrerende ord 0,001 Konkurrerende ord < 0.001
Konkurrent pseudowords 0,002 Konkurrent pseudowords 0,001
Kontroll pseudowords 0,001 Kontroll pseudowords < 0.001
Kontrollord 0,001 Kontrollord < 0.001
Mellom dager Ingen vesentlige forskjeller Kontroll pseudowords 0,033
En avgjørelse. Reaksjonstid (MS)
Dag 1 Novel ord kontra Novel ord kontra
Konkurrerende ord 0,022 Konkurrerende ord 0,001
Konkurrent pseudowords < 0.001 Kontrollord 0,013
Kontroll pseudowords 0,033
Dag 2 Novel ord kontra Novel ord kontra
Konkurrerende ord 0,003 Konkurrerende ord 0,003
Kontrollord 0,008 Kontrollord 0,001
Oppgave 4: semantisk definisjon. Treff-og Nøyaktighets resultater
Mellom dager Samsvarende resultater dag 1 kontra samsvarende resultater dag 2 0,001 Samsvarende resultater dag 1 kontra samsvarende resultater dag 2 0,006
Nøyaktighet score dag 1 vs nøyaktighet score dag 2 0,001 Nøyaktighet score dag 1 vs nøyaktighet score dag 2 < 0.001
Oppgave 5: semantisk Matching. Nøyaktige resultater
Mellom dager Nøyaktighet score dag 1 vs nøyaktighet score dag 2 0,006 Ingen vesentlige forskjeller
Semantisk Matching. Reaksjonstid (MS)
Mellom dager Reaksjonstid dag 1 vs reaksjonstid dag 2 0,002 Reaksjonstid dag 1 vs reaksjonstid dag 2 0,015

Tabell 3: vesentlige forskjeller i nøyaktighets resultater og reaksjonstider innenfor hver gruppe (humbug og cathodal stimuleringer). Verdiene i parentes er gjennomsnittlig poengsum og reaksjonstider.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Resultatene fremheve noen viktige punkter som må tas i betraktning når gjennomfører psycholinguistic forskning generelt, og Neurolinguistics tDCS studier i særdeleshet. Stimulering av språk barken (illustrert her ved Wernickes område) produserer et komplekst mønster av atferds resultater. I motsetning til TMS-teknikken, der det er mulig å fullt ut forstyrre tale behandling (f. eks, den såkalte "tale arrest" protokoll)21, denne metoden gjør det mulig for en muligens mer kompleks, gradert og subtil innflytelse på språkbehandling mekanismer. Vi har funnet en variasjon av både nøyaktighet og reaksjonstid forskjeller som skilt betydelig mellom forhold, tester og vurdering dager. De tekniske implikasjonene av protokollen som rapporteres er kort diskutert nedenfor.

For å løsne de ulike effektene, er et batteri av forskjellige tester nødvendig, noe som kan teste for prosesser på ulike nivåer av kort-og lang tids minne, under tilgang, semantisk prosessering, etc. For eksempel, effektene her inkluderer ulik ytelse i tilbakekalling og anerkjennelse for ulike stimulans typer og stimulering forhold, som antyder differensial og konkurranse effekter for romanen og gamle elementer, og avvikende effekter av tDCS på og semantiske nivåer. Våre resultater bekrefte følsomheten av det anvende verv å effektiviteten av romersk ord oppkjøpet for annerledes høyder, inkluderer gjenkjennelse, forståelse av en ord betydning og ledig tilbakekalling.

På samme måte, en tDCS tilstand (f. eks anodal, cathodal stimulering) krever en forsvarlig kontroll tilstand (eller kontrollgruppe), humbug (placebo) stimulering er den mest hensiktsmessige Baseline. I motsetning til elektrisk stimulering av motorisk cortex, effektene kan ikke alltid være entydig22, de sterkt avhengig av testene som brukes, eller kan ikke vises i det hele23.

Et annet svært viktig poeng er at bare én type stimulering kan brukes i hvert enkelt i sammenheng med en enkelt eksperimentell økt. Dette innebærer vanligvis en mellom gruppe design, for eksempel en anodal stimulering gruppe, en cathodal stimulering gruppe, og en placebo (humbug) kontrollgruppe. For innenfor-gruppen design, bruke ulike tDCS protokollen på forskjellige dager, minst 24 h hverandre (i lærings studier, dette innebærer også å bruke ulike språklige stimuli på ulike dager for å unngå forurensning av resultatene ved repetisjon effekter). Den nåværende rapporten bruker et eksperiment med cathodal stimulering av Wernickes områder som et eksempel, men lignende prosedyrer gjelder for andre polariteter/nettsteder.

Kontekstuell presentasjon av nye ord utvider betydelig mulighetene for samtidig studium av oppkjøpet av ordet form per se og av dens semantikk. Tradisjonelt er disse prosessene studert separat fokusering enten på anskaffelse av et nytt ord skjema eller på korrelasjon av en betydning av et kjent ord med andre semantiske enheter24,25,26. Den foreslåtte protokollen kombinerer begge målene; Derfor er det mulig å sammenligne dynamikken i et nytt konsept oppkjøpet på nivået av ordet form persepsjon og at for å mestre sitt innhold, noe som oppnås ved hjelp av et omfattende sett av tester. Behovet for en slik sammenligning er vektlagt her ved avvikende dynamikk av ytelse på romanen overflaten former tilbakekalling og anerkjennelse i motsetning til semantisk Matching.

Det er viktig å huske hovedforskjellene mellom tDCS og andre ikke-invasive metoder for hjerne stimulering, for eksempel TMS. Siden det er ingen enkel måte å bestemme individuell følsomhet til tDCS ved terskel vurdering, en enkelt protokoll er brukt for alle. Det er svært vanskelig å nøyaktig anslå stimulering området-man kan bare snakke om omtrentlig/hypotetisk område blir stimulert. Det er også vanskelig å anslå varigheten av offline stimulering effekter etter at strømmen er slått av. Antagelig er de viktigste effektene av stimulering observert opptil en time etter avslutningen av stimulering. Men effektene kan noen ganger oppdages selv en dag etter stimulering20.

Likevel, sammenlignet med TMS, den relative enkle anvendelsen av tDCS, den vesentlig lavere risiko for bivirkninger og fravær av akustiske gjenstander gjør denne protokollen attraktiv for å studere tale og språk funksjon. Det er også verdt å merke seg at kombinasjonen av elektrisk stimulering med andre metoder, for eksempel med TMS, fMRI, EEG eller farmakologisk intervensjon, gjør det mulig å studere neuronal mekanismer av tDCS i mer detalj27,28.

Siden tDCS stimulering ikke er svært lokalisert, er en ikke-spesifikk effekt mulig. Dette er åpenbart fra eksisterende bevis, der svært forskjellige eller til og med motsatte protokoller kan noen ganger føre til lignende resultater. Dette kan skyldes den generelle innvirkningen på andre kognitive funksjoner og prosesser, for eksempel oppmerksomhet, henting fra minne og så videre. Et spesialisert batteri av tester er nødvendig for å oppdage effekter knyttet til en bestemt språk funksjon. Etter de foreslåtte trinnene i stimulans materialet etableringen (verifikasjon av overflaten eller lemma frekvens av ord, lengde på ord og setninger, etc.), er det nødvendig å vurdere den grammatiske og fonetiske strukturen i et språk. For eksempel kan antall ord i en setning og lengden på ordene variere avhengig av nøyaktig behov. I tillegg bør ordene som brukes i eksperimentet styres for både stavemåte og lyd. I en orthographically transparent språk som russisk, er dette relativt enkelt, men det kan være vanskelig å oppnå på andre språk (for eksempel engelsk, dansk eller mandarin).

I tråd med en kropp av tidligere studier, finner vi ulike effekter av oppkjøpet umiddelbart etter læring blokken og etter en natts søvn, som fremhever virkningene av over natten konsolidering. Viktigere, finner vi også gruppe forskjeller (humbug versus bilderør) på den andre dagen. Det er allment akseptert at den fysiske effekten av stimulering av cortex er relativt kortvarig, på rekkefølgen av minutter til flere timer. Dette innebærer at de kognitive effektene oppnådd under transient stimulering fasen er likevel opprettholdes over en lengre periode, og kan derfor muligens brukes til modulerende ord oppkjøp og prosessering i praktiske miljøer. Selvfølgelig, ikke bare kjernen språk områdene Broca og Wernickes er involvert i språket funksjon; adopsjon av protokollen beskrevet ovenfor er mulig for alle områder av hjernen, mens et batteri av psycholinguistic tester finjustert for spesifikke eksperimentelle formål er fortsatt nødvendig for å vurdere stimulering innvirkning på en bestemt neurolingvistikken trekk.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ingenting å avsløre.

Acknowledgments

Støttet av RF-regjeringen Grant kontrakt no. 14. W 03.31.0010. Vi ønsker å takke Ekatarina Perikova og Alexander Kirsanov for deres støtte i utarbeidelsen av denne publikasjonen. Vi er takknemlige for Olga Shcherbakova og Margarita Filippova for deres hjelp i stimulans valg og til Anastasia Safronova og Pavel Inozemcev for deres assistanse i produksjon av 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