Frontiers in Human Neuroscience

Introdução

A aprendizagem de línguas durante a idade adulta está sujeita a enormes diferenças individuais. Estudos recentes usando neuroimagens multimodais mostraram como essa variabilidade se reflete nas propriedades estruturais e funcionais da rede neural que suporta diferentes funções da linguagem (Rodríguez-Fornells et al., 2009). A rede da linguagem é dividida em duas correntes anatômicas separadas (Hickok e Poeppel, 2004, 2007; Friederici e Gierhan, 2013) que surgem do giro temporal superior posterior (ver Figura 1) e parecem ser especializadas em funções complementares. Por um lado, a corrente dorsal projeta-se em direção ao lobo parietal inferior e frontal posterior (giro frontal inferior e córtex pré-motor) através do arcuate fasciculus (AF; Wernicke, 1874; Catani et al., 2005; Saur et al., 2008) e é responsável pela tradução dos sinais sensoriais/acústicos da fala em representações motor-articulatórias (integração auditivo-motora) necessárias para a repetição verbal. Por outro lado, a corrente ventral liga o giro temporal superior e médio, o lóbulo parietal inferior e o lóbulo occipital com o giro frontal inferior através do fasciculus fronto-occipital inferior (Martino et al., 2010; também chamado sistema de fibra de cápsula extrema, ver Friederici e Gierhan, 2013). Adicionalmente, as partes mais anteriores do giro frontal inferior e do opérculo frontal estão ligadas ao lobo temporal anterior através do fasciculus uncinado (Friederici e Gierhan, 2013). A corrente ventral está envolvida principalmente no mapeamento dos sinais sensoriais/auditórios da fala em representações conceituais e semânticas para a compreensão da fala.

Como ocorre na função da linguagem normal, essa divisão de trabalho se reflete nos déficits de linguagem associados a danos a uma dessas correntes. Após um derrame, especialmente nas áreas perisilvianas esquerdas, podem surgir problemas na produção e/ou na compreensão da fala (afasia). Em particular, as lesões da via ventral estão na sua maioria associadas a déficits de compreensão auditiva (Kümmerer et al., 2013), enquanto as lesões da via dorsal estão classicamente associadas a déficits de repetição (afasia de condução; Wernicke, 1874; Kümmerer et al., 2013). As alterações plásticas derivadas dessas lesões são, no entanto, altamente variáveis. Elas dependem em parte do tamanho da lesão e da organização prévia da rede de linguagem (mais ou menos lateralizada à esquerda; Berthier et al., 2012). Mais importante ainda, dependem também da plasticidade dentro da rede de linguagem em relação à recuperação perilesional espontânea e ao recrutamento das áreas frontais homólogas do hemisfério direito (Heiss et al., 1999; Berthier et al., 2012).

O estudo das lesões virtuais (ou seja usando estimulação magnética transcraniana, TMS) e das diferenças individuais na aprendizagem de novas palavras em indivíduos saudáveis apontam também para o possível papel da compensação mútua entre os fluxos de linguagem dorsal e ventral para explicar parte da variabilidade na recuperação da linguagem na afasia. Por exemplo, a capacidade de repetir sons (palavras ou pseudo-palavras) representa um critério importante na classificação das síndromes de afasia (Kertesz, 1979). Curiosamente, a capacidade de repetição, que se baseia preferencialmente na integração auditivo-motora através da via dorsal (Hickok e Poeppel, 2007; Saur et al., 2008; Rauschecker e Scott, 2009), também é crucial quando adultos saudáveis aprendem novas formas fonológicas de palavras (López-Barroso et al., 2013). Contudo, a via ventral parece desempenhar o papel principal quando a FA dorsal não está disponível, embora isso resulte em desempenho subótimo (López-Barroso et al., 2011). Assim, parece que, apesar da especialização funcional das correntes dorsal e ventral, certas funções compensatórias ocorrem entre elas, e isto pode ser possível graças à redundância parcial existente na conectividade entre áreas linguísticas (Figura 1).

Nesta mini-revisão, nosso objetivo é destacar como a evidência das diferenças interindividuais no desempenho da aprendizagem da linguagem e sua relação com as vias dorsal e ventral do processamento da fala no cérebro saudável pode nos ajudar a entender os mecanismos compensatórios na recuperação da afasia e ajudar a adaptar estratégias ótimas de reabilitação neuronal. Vamos nos concentrar principalmente na aprendizagem fonológica de palavras, uma vez que a repetição está intimamente ligada a esta capacidade e é uma deficiência comum na afasia. Por isso, apresentaremos estudos que tenham analisado as diferenças individuais na aprendizagem de novas palavras e como essa capacidade se relaciona com a integração auditivo-motora através da rede da língua dorsal. Em seguida, iremos rever as evidências que suportam o papel compensatório mútuo entre as correntes da linguagem dorsal e ventral e iremos ligá-las aos comportamentos compensatórios observados na afasia.

Diferenças individuais na aprendizagem de palavras

Diferenças individuais na aprendizagem de palavras em relação à via dorsal

A aprendizagem de línguas é um processo multifacetado que requer o domínio de diferentes componentes, tais como palavras, gramática e sons da fala. Como veremos na secção seguinte, a aprendizagem de formas fonológicas de palavras é suportada pela componente de ensaio da memória fonológica de trabalho, que envolve um processo de repetição encoberta (Baddeley et al., 1998). Dada a importância da repetição na afasia, focaremos aqui as diferenças interindividuais no processo de aprendizagem de palavras. A este respeito, é importante compreender a dissociação entre a corrente dorsal e a corrente ventral, tanto em termos de anatomia como das suas funções linguísticas relacionadas, a fim de separar os diferentes aspectos que precisam de ser dominados para a aprendizagem de novas palavras, tais como a criação de um traço de memória para a forma fonológica da palavra e a sua associação com o conteúdo semântico. Num contexto clínico, esta divisão do trabalho pode permitir-nos obter uma visão mais aprofundada das redes alternativas poupadas e possíveis que podem ser orientadas para melhorar o desempenho. Além disso, é importante notar que diferentes funções cognitivas, incluindo atenção, controle cognitivo e memória de trabalho, são apresentadas na corrente dorsal (Wise et al., 2001; Corbetta e Shulman, 2002; Buchsbaum e D’Esposito, 2008; Salmi et al., 2009). Na verdade, estas funções cognitivas também foram descritas como sendo importantes para a aprendizagem de novas palavras (Baddeley, 2003; de Diego-Balaguer et al., 2007; Hickok e Poeppel, 2007; Rodríguez-Fornells et al., 2009; Schulze et al, 2012) e são também preditores cognitivos individuais para a recuperação da afasia (Brownsett et al., 2014).

As áreas cerebrais envolvidas nestas funções cognitivas dentro da corrente dorsal podem ser separadas em diferentes sub-redes funcionais que trabalham em coordenação durante a aprendizagem. Os indivíduos saudáveis expostos a uma linguagem artificial (formas de palavras pré-segmentadas numa corrente de fala sem conteúdo semântico) podem progressivamente criar vestígios de memória destas palavras (de Diego-Balaguer et al., 2007; Shtyrov et al., 2010; Shtyrov, 2012). Um estudo de ressonância magnética funcional (fMRI) no qual foi realizada análise independente de componentes (ICA; Calhoun et al., 2008) sobre o sinal dependente do nível de oxigênio no sangue (BOLD) mostrou diferentes sub-redes dentro da corrente dorsal a serem acopladas em paralelo durante os períodos de aprendizagem de palavras e desativadas em repouso (López-Barroso et al., 2015). Isto sugere que estas sub-redes independentes podem estar relacionadas com diferentes funções que são coordenadas no processo de aprendizagem. Além disso, uma rede fronto-temporal dentro da corrente ventral também foi implicada no desempenho da tarefa. Embora classicamente relacionada ao processamento da compreensão semântica (Saur et al., 2008), essa rede ventral também parecia estar envolvida mesmo quando nenhuma informação semântica estava presente na tarefa, consistente com seu papel no processamento de dependências locais (Friederici et al., 2006) e no reconhecimento de objetos auditivos (Rauschecker e Scott, 2009; Bornkessel-Schlesewsky et al., 2015). Isto apoia a relação imbricada entre os percursos dorsal e ventral apesar dos seus papéis especializados, destacando assim como estes percursos funcionam sinergicamente para atingir objectivos comuns em algumas operações cognitivas (Rolheiser et al., 2011). Esta evidência é particularmente importante para compreender o papel da reabilitação neuronal na remodelação das redes neurais, na qual o uso de um caminho durante o treinamento comportamental pode ter efeitos diretos sobre o outro. No entanto, é importante notar que embora todas essas redes tenham sido significativamente envolvidas em função da tarefa, apenas a força da conectividade da rede auditivo-premotora se correlacionou positivamente com o desempenho da aprendizagem de palavras (López-Barroso et al., 2015). Isto não só sugere cooperação entre os dois caminhos, mas também enfatiza a importância específica do acoplamento áudio-motor na aprendizagem bem sucedida das formas de palavras.

A este respeito, um estudo complementar mostrou resultados convergentes quando a análise de conectividade foi restrita ao fluxo dorsal (López-Barroso et al., 2013). A força da conectividade funcional entre as regiões pré-motoras e temporais superiores no hemisfério esquerdo correlacionou-se significativamente com diferenças individuais no desempenho da aprendizagem de formas de palavras. A importância da estreita ligação directa entre estas regiões na aprendizagem bem sucedida também se reflectiu na associação entre o desempenho de aprendizagem de palavras e a conectividade estrutural da FA que liga estas mesmas áreas (López-Barroso et al., 2013). O papel crucial da FA na rápida interacção cruzada entre as áreas frontal e temporal esquerda sugere que as funções dependentes deste feixe de matéria branca desempenham um papel importante nas fases iniciais da aprendizagem de línguas quando são criados vestígios de memória de formas de palavras (Schulze et al., 2012). A ligação entre representações acústicas e articulatórias através da AF pode facilitar a criação do código motor necessário para articular a sequência, bem como a manutenção deste código em estado activo através da memória fonológica de trabalho (Jacquemot e Scott, 2006; Buchsbaum e D’Esposito, 2008). De fato, pacientes afásicos com áreas frontais poupadas e via dorsal são capazes de aprender novas palavras a partir da fala fluente (Peñaloza et al., 2015).

Diferenças individuais na aprendizagem de palavras em relação à memória fonológica de trabalho

Em termos da função subjacente facilitada por esta corrente dorsal, há uma extensa evidência ligando a capacidade da memória fonológica de trabalho com a aquisição de novo vocabulário. Isto foi demonstrado em crianças (Baddeley et al., 1998; Baddeley, 2003) e na aprendizagem de uma segunda língua por adultos (Papagno et al., 1991), bem como em alguns aspectos da sintaxe (Ellis e Sinclair, 1996). A memória fonológica de trabalho é composta pela loja fonológica, que pode conter traços de memória limitados durante alguns segundos antes de se decomporem, e pelo ensaio articulatório. O processo de ensaio refresca esses traços de memória através da recuperação e rearticulação (ou seja, fala interior; Baddeley e Hitch, 1974; Baddeley et al., 1998; Baddeley, 2000). A ligação entre a memória fonológica de trabalho e a aprendizagem de novas palavras só funciona quando novas formas fonológicas precisam de ser repetidas, mas não parece aplicar-se na aprendizagem de associações de palavras já conhecidas a novos significados (Gathercole e Baddeley, 1990). Este aspecto é interessante quando se pensa em procedimentos de reabilitação em afasia, uma vez que as síndromes afásicas com repetição verbal deficiente (afasia de condução, afasia de Broca, afasia de Wernicke) são mais propensas a mostrar alterações de memória de trabalho associadas. Mais precisamente, foi demonstrado que o subcomponente de ensaio da memória de trabalho desempenha um papel importante na aprendizagem de palavras a partir da fala fluente em adultos (López-Barroso et al., 2011). Quando o mecanismo de ensaio é artificialmente interferido pela supressão articulatória, a informação que se encontra na loja fonológica de curto prazo decai rapidamente, induzindo efeitos drásticos no desempenho da aprendizagem (López-Barroso et al., 2011). O ensaio articulatório é um mecanismo de repetição que depende dos mesmos mecanismos cerebrais que estão subjacentes à produção da fala (Buchsbaum e D’Esposito, 2008), confiando assim na conectividade AF. De facto, este mapeamento enquadra-se bem na relação específica do componente de ensaio com as diferenças individuais na aprendizagem das palavras, uma vez que o segmento longo da FA liga a parte posterior do giro temporal superior ao giro frontal inferior e ao córtex pré-motor, estando estas duas últimas áreas associadas à capacidade de ensaio (Paulesu et al, 1993; Awh et al., 1996; Jonides et al., 1998).

Funções Compensatórias da Matéria Branca Relacionada à Linguagem

Embora a especialização funcional da corrente dorsal na integração auditivo-motora e da corrente ventral no processamento semântico, o sistema de linguagem é altamente flexível. Modelos recentes têm proposto que o fluxo ventral está realmente envolvido na identificação dos objetos auditivos incluídos na fala. Essa identificação acontece de forma hierárquica a partir de regiões mais posteriores identificando fonemas e sílabas para regiões progressivamente mais anteriores identificando palavras e frases e compreensão geral das frases (Rauschecker e Scott, 2009; Bornkessel-Schlesewsky et al., 2015). Assim, de acordo com estas elaborações teóricas, a corrente ventral desempenha um papel não só no processamento semântico, mas também na identificação mais formal dos objectos auditivos. Esta idéia é consistente com o engajamento do ventral junto com a corrente dorsal durante a aprendizagem de novas formas de palavras a partir de uma corrente de fala mesmo quando a informação semântica não está presente, uma vez que requer a criação e identificação de traços de memória de formas de palavras (López-Barroso et al., 2015). Assim, apesar da divisão do trabalho das correntes de linguagem, o envolvimento adicional das subredes ventrais e de outras subredes dorsais pode representar um mecanismo compensatório ou um apoio adicional para a realização de uma tarefa complexa. Esta possibilidade é apoiada pelo fato de que, sob o bloqueio do ensaio interferindo no uso da comunicação áudio-motora dorsal, indivíduos saudáveis ainda são capazes de aprender novas formas de palavras, embora com um desempenho reduzido (López-Barroso et al., 2011). Nesta condição, as diferenças individuais no aprendizado da linguagem foram associadas a diferenças microestruturais na cápsula extrema, consistentes com a trajetória anatômica do fluxo ventral. Assim, a via ventral pode funcionar como uma conexão alternativa quando a via dorsal não está disponível. Isto pode esclarecer alguns aspectos da reabilitação da afasia, especialmente quando existem lesões dorsais que interferem com a capacidade de repetição. Por exemplo, apresentar palavras (palavras que foram perdidas após lesão cerebral) submersas em um contexto semântico rico enquanto exigindo que o paciente as repita pode potencializar o uso da via ventral para repetição, promovendo assim o sucesso da “reaprendizagem”.

Efeitos compensatórios entre fluxos também podem ser observados no caso de lesões virtuais através do uso de TMS, o que permite o estudo dos efeitos comportamentais resultantes da interferência transitória de uma determinada região cerebral. Hartwigsen (2016) e Hartwigsen et al. (2016) mostraram que o fluxo ventral em indivíduos saudáveis era mais resistente à interferência semântica do que o fluxo dorsal à interrupção do processamento fonológico. Curiosamente, na inibição dos cortices frontais ou parietais ligados pelo fluxo ventral, o local não estimulado compensava o desempenho. Somente a estimulação simultânea dos sítios frontal e parietal levou ao aumento dos tempos de reação no processamento semântico. Em contraste, a estimulação focal das corticais frontais ou parietais ligadas pelo fluxo dorsal levou a efeitos de interferência significativos em uma tarefa fonológica. Além disso, a fMRI obtida sob os efeitos da TMS indicou que as regiões dorsais no lobo parietal inferior (giro supramarginal) também mostraram maior ativação compensatória quando o sistema semântico foi interferido pela estimulação cerebral (Hartwigsen, 2016).

Assim, embora existam caminhos preferidos para ligar eficazmente duas ou mais áreas corticais, a existência de caminhos alternativos poderia assegurar parcialmente a funcionalidade do sistema nos casos em que o caminho principal está ocupado com outra tarefa, é ainda imaturo, ou é disfuncional (ver Figura 1; Nozari e Dell, 2013). Em particular, o fluxo ventral poderia desempenhar um papel de apoio durante os processos que estão normalmente associados ao fluxo dorsal. Este papel compensatório é provavelmente desempenhado através da utilização de estratégias cognitivas (possivelmente menos eficientes) diferentes das utilizadas pelo fluxo dorsal, tendo em conta que as áreas ligadas através destes fluxos e a sua funcionalidade são diferentes.

O mecanismo compensatório observado através do estudo das diferenças individuais nos participantes saudáveis é semelhante ao observado nos casos de lesões dorsais. Após ressecções do lobo temporal anterior, os pacientes epilépticos apresentam melhor recuperação da linguagem quando se observa plasticidade estrutural na rede de linguagem ventro-medial ipsilateral (Yogarajah et al., 2010). Em uma veia semelhante, Yeatman e Feldman (2013) relataram o caso de uma adolescente com leucomalácia periventricular bilateral perinatal levando à completa ausência dos segmentos longo e anterior da FA. Surpreendentemente, as habilidades linguísticas (incluindo a repetição) estavam dentro dos limites normais, como resultado do aumento da conectividade do fluxo ventral. Entretanto, os tempos de resposta dos pacientes foram lentos, um achado que está de acordo com uma compensação bastante boa através do fluxo ventral, que não foi tão eficiente quanto a via preferencial (fluxo dorsal).

A compensação entre fluxos deriva de sua natureza altamente interativa, permitindo algum nível de redundância nas vias dentro do sistema de linguagem (Figura 1). Saur et al. (2010) sugerem que embora a região temporal superior interaja principalmente com o córtex pré-motor via AF (Frey et al., 2008; Saur et al., 2008), essas regiões interagem complementarmente através do sistema de cápsulas extremas e do opérculo frontal (que está ricamente conectado com a região pré-motora, Schmahmann et al., 2007). Tem-se levantado a hipótese de que esta alternativa via pode ser importante para o controle do laço sensório-motor dorsal durante a percepção da fala. Rolheiser et al. (2011) estudaram as principais vias e ativações funcionais portadoras de aspectos distintos do processamento da linguagem em pacientes com AVC com lesões de diferentes localizações e tamanhos. Descobriram que, embora algumas funções dependessem de trajetos específicos, como o processamento fonológico no fluxo dorsal e o processamento semântico no fluxo ventral, funções como a sintaxe e o processamento morfológico dependiam da atividade de ambas as vias. Na verdade, o desenvolvimento das vias dorsais e ventrais durante a infância não ocorre em paralelo. Enquanto a via ventral está presente no nascimento, a via dorsal ainda não é detectável (Perani et al., 2011). Além disso, crianças de 7 anos de idade, que ainda têm uma via dorsal imatura, confiam mais na via ventral durante a compreensão da sentença, uma tarefa que nos adultos depende da atividade da corrente dorsal (Brauer et al., 2011). Contudo, para funções em que há um caminho preferido, o caminho alternativo pode não permitir o mesmo nível de proficiência que o caminho ideal, tanto em pacientes (Rauschecker et al., 2009; Yeatman e Feldman, 2013) ou em participantes saudáveis (López-Barroso et al., 2011).

Sintomas Comportamentais na Afasia Resultantes de Mecanismos Plásticos Compensatórios entre Fluxos

Os efeitos compensatórios entre os sistemas fonológicos e semânticos relatados em sujeitos saudáveis são consistentes com o que foi observado recentemente na afasia (Berthier et al., 2017b; López-Barroso et al., 2017). Um exemplo claro de um processo compensatório do fluxo ventral após o dano da via dorsal é um sintoma comportamental característico da afasia de condução (afasia fluente com compreensão preservada e repetição prejudicada; Kohn, 1992), conduite d’approche (CdA). O CdA é uma aproximação fonológica progressiva a uma palavra alvo que reflete uma tentativa de auto-reparar erros de produção (Shallice e Warrington, 1977). Implementações computacionais da afasia sugerem que o CdA representa um exemplo de comportamento verbal sintomático subótimo devido a processos compensatórios realizados pelo fluxo ventral quando o fluxo dorsal não está funcionando corretamente (Ueno e Lambon Ralph, 2013). Em outras palavras, CdA reflete a tentativa, embora nem sempre bem sucedida, da via ventral semântica intacta de limpar o mau desempenho nas tarefas de produção da fala (repetição, nomeação) da via dorsal danificada (Ueno e Lambon Ralph, 2013). É interessante notar que o padrão inverso também pode ser observado no caso de danos ao fluxo ventral. A tentativa da corrente dorsal de compensar o déficit pode resultar em echolalia atenuada (ME). Echolalia é definida como a repetição de palavras e/ou afirmações proferidas por outra pessoa (Berthier et al., 2017a), e ME é uma forma suave de echolalia caracterizada pela introdução de alterações (entonação ou conteúdo verbal) como uma emissão ecoada, em geral para fins comunicativos (Pick, 1924; Berthier et al., 2017a,b; López-Barroso et al., 2017). A EM geralmente ocorre em afasias fluentes devido a lesões da corrente ventral, que tipicamente perturbam a compreensão auditiva ao nível da palavra e da frase (Berthier et al., 2017b) mas também podem ser observadas em afasias não fluentes (por exemplo, afasia de Broca; Hadano et al., 1998; López-Barroso et al., 2017). A principal função compensatória da EM é resolver a dificuldade de acesso ao sistema semântico devido a danos ventrais (Berthier et al., 2017b). Parece que, através da repetição da mensagem verbal recém-ouvida (uma função que depende da via dorsal), há um aumento na probabilidade de ativação e acesso ao sistema semântico, eventualmente favorecendo a compreensão auditiva.

Conclusão

Em resumo, o estudo das diferenças individuais em indivíduos saudáveis pode ajudar a identificar as redes envolvidas nas estratégias compensatórias ou de reforço das habilidades de aprendizagem de línguas. As correntes ventral e dorsal, apesar de suas especializações, trabalham sinergicamente mostrando papéis compensatórios. O conhecimento das funções preferencialmente associadas a cada uma destas correntes permitirá a adopção de programas de neuroreabilitação baseados em modelos para optimizar a recuperação da afasia, reforçando as funções específicas destas redes compensatórias em ambos os hemisférios cerebrais, potenciadas com diferentes estratégias de intervenção (Berthier e Pulvermüller, 2011). Além disso, o estudo das propriedades da conectividade anatômica e funcional das correntes dorsais e ventrais não danificadas no momento da lesão cerebral poderia ser útil para prever o sucesso de estratégias de reabilitação baseadas em mecanismos compensatórios intra e inter-hemisféricos (Lunven et al, 2015).

Contribuições dos autores

DL-B e RD-B contribuíram intelectualmente para este trabalho, redigiram o artigo e o revisaram.

Funding

DL-B é apoiado pelo programa “Juan de la Cierva” do Ministério de Economia e Competitividade da Espanha (FJCI-2014-22953). Parte da pesquisa aqui analisada foi financiada pelo Ideas FP7: European Research Council, ERC-StG grant agreement 313841 to RD-B.

Conflict of Interest Statement

Os autores declaram que a pesquisa foi realizada na ausência de quaisquer relações comerciais ou financeiras que pudessem ser interpretadas como um potencial conflito de interesses.

Agradecimentos

Os autores agradecem Marcelo Berthier e María José Torres-Prioris pelos seus comentários atenciosos.