Fronteras en Neurociencia humana

Introducción

El aprendizaje del lenguaje durante la edad adulta está sujeto a enormes diferencias individuales. Estudios recientes que utilizan neuroimagen multimodal han mostrado cómo esta variabilidad se refleja en las propiedades estructurales y funcionales de la red neuronal que soporta las diferentes funciones del lenguaje (Rodríguez-Fornells et al., 2009). La red del lenguaje se divide en dos corrientes anatómicas separadas (Hickok y Poeppel, 2004, 2007; Friederici y Gierhan, 2013) que surgen de la circunvolución temporal superior posterior (ver Figura 1) y parecen estar especializadas en funciones complementarias. Por un lado, la corriente dorsal se proyecta hacia el lóbulo parietal inferior y frontal posterior (giro frontal inferior y corteza premotora) a través del fascículo arqueado (AF; Wernicke, 1874; Catani et al., 2005; Saur et al., 2008) y se encarga de la traducción de las señales sensoriales/acústicas del habla en representaciones motoras-articulatorias (integración auditivo-motora) necesarias para la repetición verbal. Por otro lado, la corriente ventral une el giro temporal superior y medio, el lóbulo parietal inferior y el lóbulo occipital con la circunvolución frontal inferior a través del fascículo fronto-occipital inferior (Martino et al., 2010; también llamado sistema de fibras capsulares extremas, véase Friederici y Gierhan, 2013). Además, las partes más anteriores de la circunvolución frontal inferior y el opérculo frontal están conectadas al lóbulo temporal anterior a través del fascículo uncinado (Friederici y Gierhan, 2013). La corriente ventral participa principalmente en el mapeo de las señales sensoriales/auditivas del habla en representaciones conceptuales y semánticas para la comprensión del habla.

Como ocurre en la función normal del lenguaje, esta división del trabajo se refleja en los déficits del lenguaje asociados con el daño a una de estas corrientes. Tras un ictus, especialmente en las áreas perisilvianas izquierdas, pueden surgir problemas en la producción y/o comprensión del habla (afasia). En concreto, las lesiones en la vía ventral se asocian mayoritariamente a déficits de comprensión auditiva (Kümmerer et al., 2013) mientras que las lesiones de la vía dorsal se asocian clásicamente a déficits de repetición (afasia de conducción; Wernicke, 1874; Kümmerer et al., 2013). Los cambios plásticos derivados de estas lesiones son, sin embargo, muy variables. Dependen en parte del tamaño de la lesión y de la organización previa de la red del lenguaje (más o menos lateralizada a la izquierda; Berthier et al., 2012). Más importante aún, dependen también de la plasticidad dentro de la red del lenguaje en relación con la recuperación perilesional espontánea y el reclutamiento de las áreas frontales homólogas del hemisferio derecho (Heiss et al., 1999; Berthier et al., 2012).

El estudio de las lesiones virtuales (es decir, mediante estimulación magnética transcraneal, EMT) y de las diferencias individuales en sujetos sanos que aprenden nuevas palabras apuntan también al posible papel de la compensación mutua entre las corrientes lingüísticas dorsal y ventral para explicar parte de la variabilidad en la recuperación del lenguaje en la afasia. Por ejemplo, la capacidad de repetir sonidos (palabras o pseudopalabras) representa un criterio importante para clasificar los síndromes de afasia (Kertesz, 1979). Curiosamente la capacidad de repetición, que depende preferentemente de la integración auditivo-motora a través de la vía dorsal (Hickok y Poeppel, 2007; Saur et al., 2008; Rauschecker y Scott, 2009), también es crucial cuando los adultos sanos aprenden nuevas formas fonológicas de palabras (López-Barroso et al., 2013). Sin embargo, la vía ventral parece desempeñar el papel principal cuando la AF dorsal no está disponible, aunque esto da lugar a un rendimiento subóptimo (López-Barroso et al., 2011). Así, parece que a pesar de la especialización funcional de las corrientes dorsal y ventral, se producen ciertas funciones compensatorias entre ellas, y esto podría ser posible gracias a la redundancia parcial existente en la conectividad entre áreas del lenguaje (Figura 1).

En esta mini-revisión, nuestro objetivo es destacar cómo la evidencia de las diferencias interindividuales en el rendimiento del aprendizaje del lenguaje y su relación con las vías dorsales y ventrales del procesamiento del habla en el cerebro sano puede ayudarnos a entender los mecanismos compensatorios en la recuperación de la afasia y ayudar a diseñar estrategias óptimas de neurorrehabilitación. Nos centraremos principalmente en el aprendizaje fonológico de palabras, ya que la repetición está estrechamente vinculada a esta capacidad y es una alteración común en la afasia. Por lo tanto, presentaremos estudios que han analizado las diferencias individuales en el aprendizaje de nuevas palabras y cómo esta capacidad se relaciona con la integración auditivo-motora a través de la red dorsal del lenguaje. A continuación, revisaremos las evidencias que apoyan el papel compensatorio mutuo entre las vías dorsales y ventrales del lenguaje y las relacionaremos con los comportamientos compensatorios observados en la afasia.

Diferencias individuales en el aprendizaje de palabras

Diferencias individuales en el aprendizaje de palabras en relación con la vía dorsal

El aprendizaje del lenguaje es un proceso multifacético que requiere el dominio de diferentes componentes como las palabras, la gramática y los sonidos del habla. Como veremos en el siguiente apartado, el aprendizaje de las formas fonológicas de las palabras se apoya en el componente de ensayo de la memoria de trabajo fonológica, que implica un proceso de repetición encubierta (Baddeley et al., 1998). Dada la importancia de la repetición en la afasia, nos centraremos aquí en las diferencias interindividuales en el proceso de aprendizaje de palabras. A este respecto, es importante comprender la disociación entre la corriente dorsal y la corriente ventral en términos de anatomía y de sus funciones lingüísticas relacionadas, con el fin de separar los diferentes aspectos que deben dominarse para el aprendizaje de nuevas palabras, como la creación de un rastro de memoria para la forma fonológica de la palabra y su asociación con el contenido semántico. En un entorno clínico, esta división del trabajo puede permitirnos obtener más información sobre las redes alternativas que se pueden utilizar para mejorar el rendimiento. Además, es importante señalar que diferentes funciones cognitivas, como la atención, el control cognitivo y la memoria de trabajo, están presentes en la corriente dorsal (Wise et al., 2001; Corbetta y Shulman, 2002; Buchsbaum y D’Esposito, 2008; Salmi et al., 2009). De hecho, estas funciones cognitivas también se han descrito como importantes para el aprendizaje de nuevas palabras (Baddeley, 2003; de Diego-Balaguer et al., 2007; Hickok y Poeppel, 2007; Rodríguez-Fornells et al., 2009; Schulze et al., 2012) y son predictores cognitivos individuales para la recuperación de la afasia también (Brownsett et al., 2014).

Las áreas cerebrales implicadas en estas funciones cognitivas dentro del flujo dorsal pueden estar separadas en diferentes subredes funcionales que trabajan coordinadamente durante el aprendizaje. Los individuos sanos expuestos a un lenguaje artificial (formas de palabras presegmentadas en un flujo de habla sin contenido semántico) pueden crear progresivamente rastros de memoria de estas palabras (de Diego-Balaguer et al., 2007; Shtyrov et al., 2010; Shtyrov, 2012). Un estudio de resonancia magnética funcional (fMRI) en el que se realizó un análisis de componentes independientes (ICA; Calhoun et al., 2008) sobre la señal dependiente del nivel de oxígeno en sangre (BOLD) mostró que diferentes subredes dentro de la corriente dorsal se comprometen en paralelo durante los períodos de aprendizaje de palabras y se desconectan en reposo (López-Barroso et al., 2015). Esto sugiere que estas subredes independientes pueden estar relacionadas con diferentes funciones que se coordinan en el proceso de aprendizaje. Además, una red fronto-temporal dentro de la corriente ventral también fue implicada en el desempeño de la tarea. Aunque clásicamente se relaciona con el procesamiento de la comprensión semántica (Saur et al., 2008), esta red ventral también parecía estar comprometida incluso cuando no había información semántica en la tarea, lo que es coherente con su papel en el procesamiento de las dependencias locales (Friederici et al., 2006) y el reconocimiento auditivo de objetos (Rauschecker y Scott, 2009; Bornkessel-Schlesewsky et al., 2015). Esto apoya la relación imbricada entre las vías dorsales y ventrales a pesar de sus funciones especializadas, destacando así cómo estas vías trabajan sinérgicamente para lograr objetivos comunes en algunas operaciones cognitivas (Rolheiser et al., 2011). Esta evidencia es particularmente importante para entender el papel de la neurorrehabilitación en la remodelación de las redes neuronales, en la que el uso de una vía durante el entrenamiento conductual puede tener efectos directos sobre la otra. Sin embargo, es importante señalar que, aunque todas estas redes se comprometieron significativamente en función de la tarea, sólo la fuerza de la conectividad de la red auditivo-premotora se correlacionó positivamente con el rendimiento del aprendizaje de palabras (López-Barroso et al., 2015). Esto no solo sugiere la cooperación entre ambas vías, sino que también enfatiza la importancia específica del acoplamiento auditivo-motor en el aprendizaje exitoso de formas de palabras.

En este sentido, un estudio complementario mostró resultados convergentes cuando el análisis de conectividad se restringió al flujo dorsal (López-Barroso et al., 2013). La fuerza de la conectividad funcional entre las regiones premotora y temporal superior en el hemisferio izquierdo se correlacionó significativamente con las diferencias individuales en el rendimiento del aprendizaje de formas de palabras. La importancia de la estrecha conexión directa entre estas regiones en el aprendizaje exitoso también se reflejó en la asociación entre el rendimiento en el aprendizaje de palabras y la conectividad estructural del AF que conecta estas mismas áreas (López-Barroso et al., 2013). El papel crucial de la FA en la rápida interacción cruzada entre las áreas frontales y temporales izquierdas sugiere que las funciones que dependen de este haz de materia blanca desempeñan un papel importante en las etapas iniciales del aprendizaje del lenguaje, cuando se crean los rastros de memoria de las formas de las palabras (Schulze et al., 2012). La unión entre las representaciones acústicas y articulatorias a través del AF puede facilitar la creación del código motor necesario para articular la secuencia, así como el mantenimiento de este código en un estado activo a través de la memoria de trabajo fonológica (Jacquemot y Scott, 2006; Buchsbaum y D’Esposito, 2008). De hecho, los pacientes afásicos con áreas frontales y vía dorsal preservadas son capaces de aprender nuevas palabras a partir del habla fluida (Peñaloza et al., 2015).

Diferencias individuales en el aprendizaje de palabras en relación con la memoria de trabajo fonológica

En cuanto a la función subyacente facilitada por esta vía dorsal, existe una amplia evidencia que vincula la capacidad de la memoria de trabajo fonológica con la adquisición de nuevo vocabulario. Esto se ha demostrado en niños (Baddeley et al., 1998; Baddeley, 2003) y en el aprendizaje adulto de una segunda lengua (Papagno et al., 1991), así como en algunos aspectos de la sintaxis (Ellis y Sinclair, 1996). La memoria de trabajo fonológica se compone del almacén fonológico, que puede mantener trazos de memoria limitados durante unos segundos antes de que decaigan, y del ensayo articulatorio. El proceso de ensayo refresca estos rastros de memoria mediante la recuperación y rearticulación (es decir, el habla interna; Baddeley y Hitch, 1974; Baddeley et al., 1998; Baddeley, 2000). El vínculo entre la memoria de trabajo fonológica y el aprendizaje de nuevas palabras funciona sólo cuando hay que repetir nuevas formas fonológicas, pero no parece aplicarse en el aprendizaje de asociaciones de palabras ya conocidas con nuevos significados (Gathercole y Baddeley, 1990). Este aspecto es de interés cuando se piensa en los procedimientos de rehabilitación en la afasia, ya que los síndromes afásicos con deterioro de la repetición verbal (afasia de conducción, afasia de Broca, afasia de Wernicke) son más propensos a mostrar alteraciones de la memoria de trabajo asociadas. Más concretamente, se ha demostrado que el subcomponente de ensayo de la memoria de trabajo juega un papel importante en el aprendizaje de palabras a partir del habla fluida en adultos (López-Barroso et al., 2011). Cuando el mecanismo de ensayo es interferido artificialmente por la supresión articulatoria, la información que reside en el almacén fonológico a corto plazo decae rápidamente, induciendo efectos drásticos en el rendimiento del aprendizaje (López-Barroso et al., 2011). El ensayo articulatorio es un mecanismo de repetición que depende de los mismos mecanismos cerebrales que subyacen a la producción del habla (Buchsbaum y D’Esposito, 2008), por lo que depende de la conectividad de la FA. De hecho, este mapeo encaja bien con la relación específica del componente de ensayo con las diferencias individuales en el aprendizaje de palabras, ya que el segmento largo de la FA conecta la parte posterior del temporal superior y el giro frontal inferior y el córtex premotor, estando estas dos últimas áreas asociadas a la capacidad de ensayo (Paulesu et al., 1993; Awh et al., 1996; Jonides et al., 1998).

Funciones compensatorias de los tractos de materia blanca relacionados con el lenguaje

A pesar de la especialización funcional de la corriente dorsal en la integración auditivo-motora y de la corriente ventral en el procesamiento semántico, el sistema del lenguaje es altamente flexible. Modelos recientes han propuesto que la corriente ventral está realmente implicada en la identificación de los objetos auditivos incluidos en el discurso. Esta identificación se produce de forma jerárquica, desde las regiones más posteriores que identifican fonemas y sílabas hasta las regiones progresivamente más anteriores que identifican palabras y frases y la comprensión general de la frase (Rauschecker y Scott, 2009; Bornkessel-Schlesewsky et al., 2015). Así, según estas elaboraciones teóricas, la corriente ventral desempeña un papel no solo en el procesamiento semántico, sino también en la identificación más formal de los objetos auditivos. Esta idea es consistente con el compromiso de la corriente ventral junto con la dorsal durante el aprendizaje de nuevas formas de palabras a partir de una corriente de habla, incluso cuando la información semántica no está presente, ya que requiere la creación e identificación de rastros de memoria de formas de palabras (López-Barroso et al., 2015). Así, a pesar de la división del trabajo de las corrientes lingüísticas, el compromiso adicional de la subred ventral y otras dorsales puede representar un mecanismo compensatorio o un apoyo adicional para la realización de una tarea compleja. Esta posibilidad se ve apoyada por el hecho de que bajo un bloqueo de ensayo que interfiere con el uso de la comunicación audiomotora dorsal, los individuos sanos siguen siendo capaces de aprender nuevas formas de palabras, aunque con un rendimiento reducido (López-Barroso et al., 2011). En esta condición, las diferencias individuales en el aprendizaje del lenguaje se asociaron con diferencias microestructurales en la cápsula extrema, consistentes con la trayectoria anatómica de la corriente ventral. Así, la vía ventral puede actuar como una conexión alternativa cuando la vía dorsal no está disponible. Esto puede arrojar luz sobre algunos aspectos de la rehabilitación de la afasia, especialmente cuando existen lesiones dorsales que interfieren con la capacidad de repetición. Por ejemplo, presentar palabras (palabras que se perdieron tras el daño cerebral) sumergidas en un contexto semántico rico mientras se exige al paciente que las repita puede potenciar el uso de la vía ventral para la repetición, promoviendo así el éxito del «reaprendizaje».

Los efectos compensatorios entre corrientes también pueden observarse en el caso de las lesiones virtuales mediante el uso de la EMT, que permite estudiar los efectos conductuales resultantes de la interferencia transitoria de una determinada región cerebral. Hartwigsen (2016) y Hartwigsen et al. (2016) demostraron que la corriente ventral en sujetos sanos era más resistente a la interferencia semántica que la corriente dorsal a la interrupción del procesamiento fonológico. Curiosamente, en la inhibición de las cortezas frontales o parietales vinculadas por la corriente ventral, el sitio no estimulado compensó el rendimiento. Sólo la estimulación concurrente de los sitios frontal y parietal condujo a un aumento de los tiempos de reacción en el procesamiento semántico. Por el contrario, la estimulación focal de las cortezas frontales o parietales unidas por la corriente dorsal condujo a efectos de interferencia significativos en una tarea fonológica. Además, la RMf obtenida bajo los efectos de la EMT indicó que las regiones dorsales en el lóbulo parietal inferior (giro supramarginal) también mostraron una mayor activación compensatoria cuando el sistema semántico fue interferido por la estimulación cerebral (Hartwigsen, 2016).

Así, aunque existen vías preferentes para conectar eficientemente dos o más áreas corticales, la existencia de vías alternativas podría asegurar parcialmente la funcionalidad del sistema en los casos en los que la vía principal está ocupada con otra tarea, es aún inmadura o es disfuncional (ver Figura 1; Nozari y Dell, 2013). En particular, la corriente ventral podría desempeñar un papel de apoyo durante los procesos que normalmente se asocian con la corriente dorsal. Es probable que este papel compensatorio se lleve a cabo mediante el uso de estrategias cognitivas (posiblemente menos eficientes) diferentes a las utilizadas por la corriente dorsal, teniendo en cuenta que las áreas conectadas a través de estas corrientes y su funcionalidad son diferentes.

El mecanismo compensatorio observado a través del estudio de las diferencias individuales en participantes sanos es similar al que se observa en casos de lesiones dorsales. Tras resecciones del lóbulo temporal anterior los pacientes epilépticos muestran una mejor recuperación del lenguaje cuando se observa plasticidad estructural en la red de lenguaje ventro-medial ipsilateral (Yogarajah et al., 2010). En una línea similar, Yeatman y Feldman (2013) informaron del caso de una adolescente con leucomalacia periventricular bilateral que provocó la ausencia completa de los segmentos largo y anterior de la FA. Sorprendentemente, las habilidades lingüísticas (incluyendo la repetición) estaban dentro de los límites normales como resultado del aumento de la conectividad del flujo ventral. Sin embargo, los tiempos de respuesta de los pacientes eran lentos, un hallazgo que está en consonancia con una compensación bastante buena a través de la corriente ventral, que no era tan eficiente como la vía preferente (corriente dorsal).

La compensación entre las corrientes se deriva de su naturaleza altamente interactiva, lo que permite cierto nivel de redundancia en las vías dentro del sistema del lenguaje (Figura 1). Saur et al. (2010) sugirieron que aunque la región temporal superior interactúa principalmente con la corteza premotora a través de la FA (Frey et al., 2008; Saur et al., 2008), estas regiones interactúan complementariamente a través del sistema de la cápsula extrema y el opérculo frontal (que está ricamente conectado con la región premotora, Schmahmann et al., 2007). Se ha planteado la hipótesis de que esta vía alternativa puede ser importante para el control del bucle sensorial-motor dorsal durante la percepción del habla. Rolheiser et al. (2011) estudiaron las principales vías y las activaciones funcionales que llevan a cabo distintos aspectos del procesamiento del lenguaje en pacientes con ictus con lesiones de distinta localización y tamaño. Descubrieron que, aunque algunas funciones dependían de vías específicas, como el procesamiento fonológico en la corriente dorsal y el procesamiento semántico en la corriente ventral, funciones como la sintaxis y el procesamiento morfológico dependían de la actividad de ambas vías. De hecho, el desarrollo de las vías dorsal y ventral durante la infancia no se produce en paralelo. Mientras que la vía ventral está presente al nacer, la vía dorsal aún no es detectable (Perani et al., 2011). Además, los niños de 7 años, que todavía tienen una vía dorsal inmadura, confían más en la vía ventral durante la comprensión de frases, una tarea que en los adultos se basa en la actividad del flujo dorsal (Brauer et al., 2011). Sin embargo, para las funciones en las que existe una vía preferida, la vía alternativa podría no permitir el mismo nivel de competencia que la vía óptima tanto en pacientes (Rauschecker et al., 2009; Yeatman y Feldman, 2013) como en participantes sanos (López-Barroso et al, 2011).

Síntomas conductuales en afasia resultantes de mecanismos plásticos compensatorios entre corrientes

Los efectos compensatorios entre los sistemas fonológico y semántico reportados en sujetos sanos son consistentes con lo observado recientemente en afasia (Berthier et al., 2017b; López-Barroso et al., 2017). Un ejemplo claro de un proceso compensatorio de la corriente ventral tras un daño en la vía dorsal es un síntoma conductual característico de la afasia de conducción (afasia fluida con comprensión preservada y repetición alterada; Kohn, 1992), la conduite d’approche (CdA). La CdA es una aproximación fonológica progresiva a una palabra objetivo que refleja un intento de autorreparación de los errores de producción (Shallice y Warrington, 1977). Las implementaciones computacionales de la afasia sugieren que el CdA representa un ejemplo de comportamiento verbal sintomático subóptimo debido a los procesos compensatorios llevados a cabo por la corriente ventral cuando la corriente dorsal no funciona correctamente (Ueno y Lambon Ralph, 2013). En otras palabras, el CdA refleja el intento, aunque no siempre exitoso, de la vía ventral semántica intacta de limpiar el pobre desempeño en tareas de producción del habla (repetición, denominación) de la vía dorsal dañada (Ueno y Lambon Ralph, 2013). Es interesante señalar que el patrón inverso también puede observarse en el caso de daños en la vía ventral. El intento de la corriente dorsal de compensar el déficit podría dar lugar a la ecolalia mitigada (ME). La ecolalia se define como la repetición de palabras y/o expresiones pronunciadas por otra persona (Berthier et al., 2017a), y la ME es una forma leve de ecolalia caracterizada por la introducción de cambios (entonación o contenido verbal) como una emisión con eco, en general con fines comunicativos (Pick, 1924; Berthier et al., 2017a,b; López-Barroso et al., 2017). La ME suele aparecer en afasias fluidas debido a lesiones del flujo ventral, que suelen interrumpir la comprensión auditiva a nivel de palabras y frases (Berthier et al., 2017b), pero también puede observarse en afasias no fluidas (por ejemplo, la afasia de Broca; Hadano et al., 1998; López-Barroso et al., 2017). La principal función compensatoria de la ME es resolver el acceso deteriorado al sistema semántico debido al daño ventral (Berthier et al., 2017b). Parece que a través de la repetición del mensaje verbal recién escuchado (función que depende de la vía dorsal), se produce un aumento de la probabilidad de activación y acceso al sistema semántico, favoreciendo finalmente la comprensión auditiva.

Conclusión

En resumen, el estudio de las diferencias individuales en sujetos sanos puede ayudar a identificar las redes implicadas en las estrategias compensatorias o de potenciación de las capacidades de aprendizaje del lenguaje. Las corrientes ventral y dorsal, a pesar de sus especializaciones, trabajan sinérgicamente mostrando funciones compensatorias. El conocimiento de las funciones asociadas preferentemente a cada una de estas corrientes permitirá adoptar programas de neurorrehabilitación basados en modelos para optimizar la recuperación de la afasia mediante el fortalecimiento de las funciones específicas de estas redes compensatorias en ambos hemisferios cerebrales, potenciadas con diferentes estrategias de intervención (Berthier y Pulvermüller, 2011). Además, el estudio de las propiedades de la conectividad anatómica y funcional de las corrientes dorsal y ventral no dañadas en el momento del daño cerebral podría ser útil para predecir el éxito de las estrategias de rehabilitación basadas en mecanismos compensatorios intra e interhemisféricos (Lunven et al, 2015).

Contribuciones de los autores

DL-B y RD-B han contribuido intelectualmente a este trabajo, han redactado el artículo y lo han revisado.

Financiación

DL-B cuenta con el apoyo del programa «Juan de la Cierva» del Ministerio de Economía y Competitividad (FJCI-2014-22953). Parte de la investigación aquí reseñada fue financiada por el FP7 Ideas: European Research Council, ERC-StG grant agreement 313841 to RD-B.

Declaración de conflicto de intereses

Los autores declaran que la investigación se llevó a cabo en ausencia de cualquier relación comercial o financiera que pudiera interpretarse como un potencial conflicto de intereses.

Agradecimientos

Los autores agradecen a Marcelo Berthier y María José Torres-Prioris sus atentos comentarios.