Frontiers in Human Neuroscience

1. ÁBRA

Ezzel a mini-áttekintéssel az a célunk, hogy rávilágítsunk arra, hogy a nyelvtanulási teljesítmény egyénenkénti különbségeiből származó bizonyítékok és ezek kapcsolata a beszédfeldolgozás dorzális és ventrális pályáival az egészséges agyban hogyan segíthetnek megérteni az afáziából való felépülés kompenzációs mechanizmusait, és hogyan segíthetnek optimális neurorehabilitációs stratégiák kialakításában. Elsősorban a fonológiai szótanulással fogunk foglalkozni, mivel az ismétlés szorosan kapcsolódik ehhez a képességhez, és afáziában gyakori károsodásról van szó. Ezért olyan tanulmányokat mutatunk be, amelyek az új szavak tanulásának egyéni különbségeit vizsgálták, és azt, hogy ez a képesség hogyan kapcsolódik a dorzális nyelvi hálózaton keresztül az auditív-motoros integrációhoz. Ezután áttekintjük a dorzális és ventrális nyelvi áramlatok kölcsönös kompenzáló szerepét alátámasztó bizonyítékokat, és összekapcsoljuk őket az afáziában megfigyelt kompenzáló viselkedésekkel.

Egyéni különbségek a szavak tanulásában

Egyéni különbségek a szavak tanulásában a dorzális pályával kapcsolatban

A nyelvtanulás sokrétű folyamat, amely különböző összetevők, például szavak, nyelvtan és beszédhangok elsajátítását igényli. Amint a következő részben látni fogjuk, a fonológiai szóalakok tanulását a fonológiai munkamemória rehearsal komponense támogatja, amely egy rejtett ismétlési folyamatot foglal magában (Baddeley et al., 1998). Tekintettel az ismétlés fontosságára az afáziában, itt a szótanulási folyamat egyénközi különbségeire fogunk összpontosítani. Ebben a tekintetben fontos megérteni a dorzális áramlat/ventrális áramlat disszociációt mind anatómiai, mind a hozzá kapcsolódó nyelvi funkciók szempontjából, hogy szét tudjuk választani az új szavak tanulásához elsajátítandó különböző aspektusokat, például a fonológiai szóforma emléknyomának létrehozását és a szemantikai tartalommal való társítását. Klinikai környezetben ez a munkamegosztás lehetővé teheti számunkra, hogy további betekintést nyerjünk a megkímélt és lehetséges alternatív hálózatokba, amelyeket a teljesítmény javítása érdekében megcélozhatunk. Emellett fontos megjegyezni, hogy a különböző kognitív funkciók, köztük a figyelem, a kognitív kontroll és a munkamemória a dorzális áramlatban jelennek meg (Wise és mtsai., 2001; Corbetta és Shulman, 2002; Buchsbaum és D’Esposito, 2008; Salmi és mtsai., 2009). Valóban, ezeket a kognitív funkciókat az új szavak tanulásában is fontosnak írták le (Baddeley, 2003; de Diego-Balaguer et al., 2007; Hickok és Poeppel, 2007; Rodríguez-Fornells et al., 2009; Schulze et al, 2012), és az afázia gyógyulásának egyéni kognitív előrejelzői is (Brownsett és mtsai., 2014).

A dorzális áramlaton belül ezekben a kognitív funkciókban részt vevő agyterületek különböző funkcionális alhálózatokra oszthatók, amelyek a tanulás során összehangoltan működnek. A mesterséges nyelvnek (előre szegmentált szóalakok egy szemantikai tartalom nélküli beszédfolyamban) kitett egészséges egyének fokozatosan képesek emléknyomokat létrehozni ezekről a szavakról (de Diego-Balaguer et al., 2007; Shtyrov et al., 2010; Shtyrov, 2012). Egy funkcionális mágneses rezonancia képalkotó (fMRI) vizsgálat, amelyben független komponenselemzést (ICA; Calhoun et al., 2008) végeztek a vér-oxigénszint-függő (BOLD) jelen, azt mutatta, hogy a dorzális áramlaton belül különböző alhálózatok párhuzamosan részt vesznek a szavak tanulási időszakában, és nyugalmi állapotban kikapcsolódnak (López-Barroso et al., 2015). Ez arra utal, hogy ezek a független alhálózatok különböző funkciókhoz kapcsolódhatnak, amelyeket a tanulás során összehangolnak. Ezenkívül a ventrális áramlaton belül egy fronto-temporális hálózat is szerepet játszott a feladatteljesítésben. Bár klasszikusan a szemantikai megértés feldolgozásához kapcsolódik (Saur et al., 2008), úgy tűnt, hogy ez a ventrális hálózat akkor is részt vesz, amikor a feladatban nem volt szemantikai információ, ami összhangban van a helyi függőségek feldolgozásában (Friederici et al., 2006) és az auditív tárgyfelismerésben (Rauschecker és Scott, 2009; Bornkessel-Schlesewsky et al., 2015) betöltött szerepével. Ez alátámasztja a dorzális és ventrális pályák közötti összefonódó kapcsolatot a specializált szerepük ellenére, így kiemelve, hogy ezek a pályák szinergikusan működnek egyes kognitív műveletek közös céljainak elérése érdekében (Rolheiser és mtsai., 2011). Ez a bizonyíték különösen fontos a neurorehabilitáció szerepének megértéséhez a neurális hálózatok átalakításában, amelyben az egyik útvonal használata a viselkedési tréning során közvetlen hatással lehet a másikra. Mindazonáltal fontos megjegyezni, hogy bár mindezen hálózatok a feladat függvényében szignifikánsan bekapcsolódtak, csak az auditív-premotoros hálózat konnektivitásának erőssége korrelált pozitívan a szótanulási teljesítménnyel (López-Barroso és mtsai., 2015). Ez nemcsak a két pálya együttműködésére utal, hanem hangsúlyozza az audió-motoros összekapcsolódás sajátos jelentőségét a szóalakok sikeres tanulásában.

Ezzel kapcsolatban egy kiegészítő vizsgálat konvergens eredményeket mutatott, amikor a konnektivitáselemzést a dorzális áramlatra korlátozták (López-Barroso et al., 2013). A bal félteke premotoros és felső temporális régiói közötti funkcionális konnektivitás erőssége szignifikánsan korrelált a szóalak-tanulási teljesítmény egyéni különbségeivel. Az e régiók közötti szoros közvetlen kapcsolat fontosságát a sikeres tanulásban a szótanulási teljesítmény és az ugyanezen területeket összekötő AF strukturális konnektivitása közötti összefüggés is tükrözte (López-Barroso et al., 2013). Az AF döntő szerepe a bal frontális és temporális területek közötti gyors keresztkölcsönhatásban arra utal, hogy az ettől a fehérállomány-kötegtől függő funkciók fontos szerepet játszanak a nyelvtanulás kezdeti szakaszában, amikor a szóalakok emléknyomai létrejönnek (Schulze és mtsai., 2012). Az akusztikus és artikulációs reprezentációk közötti kötődés az AF-en keresztül megkönnyítheti a szekvencia artikulációjához szükséges motoros kód létrehozását, valamint e kód aktív állapotban való fenntartását a fonológiai munkamemórián keresztül (Jacquemot és Scott, 2006; Buchsbaum és D’Esposito, 2008). Valóban, azok az afáziás betegek, akiknél a frontális területek és a dorzális pálya megkímélt, képesek új szavakat tanulni a folyékony beszédből (Peñaloza et al., 2015).

Individuális különbségek a szótanulásban a fonológiai munkamemóriával kapcsolatban

Az e dorzális pálya által elősegített mögöttes funkciót illetően széles körű bizonyítékok vannak arra vonatkozóan, hogy a fonológiai munkamemória kapacitása összefügg az új szókincs elsajátításával. Ezt kimutatták gyermekeknél (Baddeley et al., 1998; Baddeley, 2003) és felnőtteknél a második nyelv tanulása során (Papagno et al., 1991), valamint a szintaxis egyes aspektusaiban (Ellis és Sinclair, 1996). A fonológiai munkamemória a fonológiai raktárból, amely korlátozott emléknyomokat képes néhány másodpercig tárolni, mielőtt azok lebomlanának, és az artikulációs próbából áll. A próbafolyamat ezeket az emléknyomokat a visszahívás és az újraartikuláció (azaz a belső beszéd; Baddeley és Hitch, 1974; Baddeley et al., 1998; Baddeley, 2000) révén frissíti fel. A fonológiai munkamemória és az új szavak tanulása közötti kapcsolat csak akkor működik, amikor új fonológiai formákat kell ismételni, de úgy tűnik, nem érvényesül a már ismert szavak új jelentésekhez való társításainak tanulásában (Gathercole és Baddeley, 1990). Ez a szempont akkor érdekes, ha az afázia rehabilitációs eljárásairól gondolkodunk, mivel a verbális ismétlés zavarával járó afáziás szindrómák (vezetési afázia, Broca-féle afázia, Wernicke-féle afázia) nagyobb valószínűséggel mutatnak kapcsolódó munkamemória-változásokat. Pontosabban, kimutatták, hogy a munkamemória elpróbálási alkomponense fontos szerepet játszik a felnőtteknél a folyékony beszédből történő szótanulásban (López-Barroso és mtsai., 2011). Ha a próbamechanizmust mesterségesen, artikulációs szuppresszióval zavarják, a rövid távú fonológiai raktárban rejlő információ gyorsan leépül, ami drasztikus hatást gyakorol a tanulási teljesítményre (López-Barroso és mtsai., 2011). Az artikulációs próba olyan ismétlési mechanizmus, amely ugyanazoktól az agyi mechanizmusoktól függ, amelyek a beszédprodukció alapjául szolgálnak (Buchsbaum és D’Esposito, 2008), tehát az AF-konnektivitásra támaszkodik. Valóban, ez a leképezés jól illeszkedik a próbakomponensnek a szótanulás egyéni különbségeivel való sajátos kapcsolatához, mivel az AF hosszú szegmense összeköti a felső temporális és az alsó frontális gyri hátsó részét és a premotoros kéreget, ez utóbbi két terület pedig a próbaképességhez kapcsolódik (Paulesu et al., 1993; Awh et al., 1996; Jonides et al., 1998).

A nyelvhez kapcsolódó fehérállományi pályák kompenzációs funkciói

A dorzális áramlatnak az auditív-motoros integrációban és a ventrális áramlatnak a szemantikai feldolgozásban való funkcionális specializációja ellenére a nyelvi rendszer rendkívül rugalmas. A legújabb modellek azt javasolják, hogy a ventrális áramlat valójában a beszédben szereplő auditív tárgyak azonosításában vesz részt. Ez az azonosítás hierarchikusan történik a fonémákat és szótagokat azonosító hátsó régióktól a szavakat és mondatokat azonosító, fokozatosan elülsőbb régiókig és a teljes mondatmegértésig (Rauschecker és Scott, 2009; Bornkessel-Schlesewsky és mtsai., 2015). Ezen elméleti kidolgozások szerint tehát a ventrális áramlás nemcsak a szemantikai feldolgozásban, hanem a hallási tárgyak formálisabb azonosításában is szerepet játszik. Ez az elképzelés összhangban van a ventrális és a dorzális áramlás együttes bevonásával a beszédfolyamból történő új szóalakok tanulása során, még akkor is, ha szemantikai információ nincs jelen, mivel ehhez a szóalakok emléknyomainak létrehozása és azonosítása szükséges (López-Barroso et al., 2015). Így a nyelvi áramlatok munkamegosztása ellenére a ventrális és más dorzális alhálózatok további bevonása kompenzációs mechanizmust vagy további támogatást jelenthet a komplex feladat teljesítéséhez. Ezt a lehetőséget támasztja alá az a tény, hogy a dorzális audiomotoros kommunikáció használatát zavaró próbablokkolás alatt az egészséges egyének még képesek új szóalakok megtanulására, bár csökkent teljesítmény mellett (López-Barroso és mtsai., 2011). Ebben az állapotban a nyelvtanulás egyéni különbségei a szélső kapszula mikroszerkezeti különbségeihez kapcsolódtak, összhangban a ventrális áramlás anatómiai pályájával. Így a ventrális pálya alternatív kapcsolatként működhet, amikor a dorzális pálya nem áll rendelkezésre. Ez fényt deríthet az afázia rehabilitációjának egyes aspektusaira, különösen akkor, ha az ismétlési képességet zavaró dorzális elváltozások állnak fenn. Például a szavak (az agykárosodás után elveszett szavak) gazdag szemantikai kontextusba merített bemutatása, miközben a páciensnek meg kell ismételnie azokat, potenciálhatja a ventrális pálya használatát az ismétléshez, és így elősegítheti az “újratanulás” sikerességét.

A patakok közötti kompenzációs hatások virtuális léziók esetén is megfigyelhetők TMS alkalmazásával, ami lehetővé teszi egy adott agyi régió átmeneti interferenciájából eredő viselkedési hatások vizsgálatát. Hartwigsen (2016) és Hartwigsen és munkatársai (2016) kimutatták, hogy egészséges alanyoknál a ventrális áramlat ellenállóbb a szemantikai interferenciával szemben, mint a dorzális áramlat a fonológiai feldolgozás zavarával szemben. Érdekes módon a ventrális áramlat által összekapcsolt frontális vagy parietális agykérgek gátlásakor a nem stimulált terület kompenzálta a teljesítményt. Csak a frontális és a parietális területek egyidejű ingerlése vezetett a szemantikai feldolgozás reakcióidejének növekedéséhez. Ezzel szemben a dorzális áramlat által összekapcsolt frontális vagy parietális agykérgek fokális ingerlése jelentős interferenciahatáshoz vezetett egy fonológiai feladatban. Ezenkívül a TMS hatására kapott fMRI azt jelezte, hogy az alsó parietális lebenyben lévő dorzális régiók (supramarginalis gyrus) szintén fokozott kompenzációs aktivációt mutattak, amikor a szemantikus rendszert agyi stimulációval zavarta (Hartwigsen, 2016).

Így, bár vannak preferált pályák két vagy több agykérgi terület hatékony összekapcsolására, az alternatív pályák létezése részben biztosíthatja a rendszer működőképességét olyan esetekben, amikor a fő pálya más feladattal van elfoglalva, még éretlen vagy diszfunkcionális (lásd 1. ábra; Nozari és Dell, 2013). Különösen a ventrális áramlás játszhatna támogató szerepet olyan folyamatok során, amelyek normális esetben a dorzális áramláshoz kapcsolódnak. Ez a kompenzáló szerep valószínűleg a dorzális áramlat által használtaktól eltérő (esetleg kevésbé hatékony) kognitív stratégiák alkalmazásával valósul meg, figyelembe véve, hogy az ezen áramlatok által összekapcsolt területek és azok funkcionalitása eltérő.

Az egészséges résztvevőknél az egyéni különbségek vizsgálata során megfigyelt kompenzációs mechanizmus hasonló ahhoz, amit a dorzális áramlat sérülése esetén figyelhetünk meg. Az elülső temporális lebeny reszekciója után az epilepsziás betegek jobb nyelvi felépülést mutatnak, amikor az ipsilaterális ventro-mediális nyelvi hálózatban strukturális plaszticitás figyelhető meg (Yogarajah és mtsai., 2010). Hasonló módon Yeatman és Feldman (2013) egy serdülő lány esetéről számoltak be, akinek kétoldali periventrikuláris perinatális leukomália vezetett az AF hosszú és elülső szegmenseinek teljes hiányához. Meglepő módon a nyelvi képességek (beleértve az ismétlést is) a normális határokon belül voltak a megnövekedett ventrális áramlási konnektivitás eredményeként. Mindazonáltal a betegek válaszideje lassú volt, ami összhangban van a ventrális áramlaton keresztül történő meglehetősen jó kompenzációval, amely nem volt olyan hatékony, mint a preferenciális útvonal (dorzális áramlat).

Az áramlatok közötti kompenzáció a nagymértékben interaktív jellegükből ered, ami lehetővé tesz bizonyos szintű redundanciát a nyelvi rendszeren belüli útvonalakban (1. ábra). Saur és munkatársai (2010) felvetették, hogy bár a felső temporális régió elsősorban az AF-en keresztül lép kölcsönhatásba a premotoros kéreggel (Frey és mtsai., 2008; Saur és mtsai., 2008), ezek a régiók a szélső kapszularendszeren és a frontális operculumon keresztül (amely gazdagon kapcsolódik a premotoros régióhoz, Schmahmann és mtsai., 2007) kiegészítik egymást. Feltételezték, hogy ez az alternatív via fontos lehet a dorzális szenzomotoros hurok szabályozásában a beszédészlelés során. Rolheiser és munkatársai (2011) a nyelvi feldolgozás különböző aspektusait hordozó fő pályákat és funkcionális aktivációkat vizsgálták különböző lokalizációjú és méretű léziókkal rendelkező stroke-betegeknél. Azt találták, hogy bár egyes funkciók specifikus pályáktól függtek, mint például a fonológiai feldolgozás a dorzális áramlatban és a szemantikai feldolgozás a ventrális áramlatban, az olyan funkciók, mint a szintaxis és a morfológiai feldolgozás mindkét pálya aktivitásától függtek. Valójában a dorzális és ventrális pályák fejlődése csecsemőkorban nem párhuzamosan zajlik. Míg a ventrális pálya már születéskor jelen van, a dorzális pálya még nem kimutatható (Perani és mtsai., 2011). Továbbá a 7 éves gyermekek, akiknek még éretlen a dorzális pályájuk, jobban támaszkodnak a ventrális pályára a mondatmegértés során, amely feladat felnőtteknél a dorzális áramlás aktivitására támaszkodik (Brauer et al., 2011). Az olyan funkciók esetében azonban, amelyekben van egy preferált pálya, az alternatív pálya nem biztos, hogy ugyanolyan szintű jártasságot tesz lehetővé, mint az optimális pálya, akár betegeknél (Rauschecker et al., 2009; Yeatman és Feldman, 2013), akár egészséges résztvevőknél (López-Barroso et al, 2011).

A viselkedési tünetek afáziában a patakok közötti kompenzációs plasztikus mechanizmusokból erednek

A fonológiai és szemantikai rendszerek közötti kompenzációs hatások, amelyekről egészséges alanyoknál számoltak be, összhangban vannak azzal, amit az utóbbi időben afáziában is megfigyeltek (Berthier et al., 2017b; López-Barroso et al., 2017). A ventrális áramlat kompenzációs folyamatának egyértelmű példája a dorzális pálya károsodását követően a vezetési afázia (folyékony afázia megőrzött megértéssel és károsodott ismétléssel; Kohn, 1992) egyik jellegzetes viselkedési tünete, a conduite d’approche (CdA). A CdA a célszóhoz való fokozatos fonológiai közelítés, amely a produkciós hibák önjavítási kísérletét tükrözi (Shallice és Warrington, 1977). Az afázia számítógépes megvalósításai azt sugallják, hogy a CdA a tüneti szuboptimális verbális viselkedés egy példája, amely a ventrális áramlat által végrehajtott kompenzációs folyamatoknak köszönhető, amikor a dorzális áramlat nem működik megfelelően (Ueno és Lambon Ralph, 2013). Más szóval, a CdA tükrözi az ép szemantikai ventralis pálya azon – bár nem mindig sikeres – kísérletét, hogy a sérült dorzális pálya beszédprodukciós feladatokban (ismétlés, névadás) nyújtott gyenge teljesítményét eltakarítsa (Ueno és Lambon Ralph, 2013). Érdekes, hogy a ventrális áramlat károsodása esetén a fordított mintázat is megfigyelhető. A dorzális áramlat azon kísérlete, hogy kompenzálja a hiányt, enyhített echoláliát (ME) eredményezhet. Az echolália definíciója szerint a más személy által kimondott szavak és/vagy kifejezések ismétlése (Berthier et al., 2017a), az ME pedig az echolália egy enyhe formája, amelyet a változások (intonáció vagy verbális tartalom) visszhangos kibocsátásként történő bevezetése jellemez, általában kommunikációs céllal (Pick, 1924; Berthier et al., 2017a,b; López-Barroso et al., 2017). A ME általában a ventrális áramlat sérülései miatt kialakuló folyékony afáziában fordul elő, amelyek jellemzően a szó- és mondatszintű auditív megértést zavarják (Berthier et al., 2017b), de megfigyelhető nem folyékony afáziákban is (pl. Broca-féle afázia; Hadano et al., 1998; López-Barroso et al., 2017). A ME fő kompenzációs funkciója a szemantikai rendszerhez való, ventrális károsodás miatt károsodott hozzáférés feloldása (Berthier és mtsai., 2017b). Úgy tűnik, hogy az éppen hallott verbális üzenet ismétlése révén (ez a funkció a dorzális pályára támaszkodik) megnő a szemantikai rendszer aktiválódásának és hozzáférésének valószínűsége, ami végül a hallás utáni megértésnek kedvez.

Következtetés

Az egészséges alanyok egyéni különbségeinek vizsgálata segíthet azonosítani a nyelvtanulási képességek kompenzációs vagy fokozó stratégiáiban részt vevő hálózatokat. A ventrális és a dorzális áramlatok specializációjuk ellenére szinergikusan működnek, kompenzáló szerepet mutatva. Az egyes áramlatokhoz preferenciálisan kapcsolódó funkciók ismerete lehetővé teszi modellalapú neurorehabilitációs programok elfogadását az afáziából való felépülés optimalizálására azáltal, hogy mindkét agyféltekében erősítik e kompenzáló hálózatok specifikus funkcióit, amelyeket különböző beavatkozási stratégiákkal potencíroznak (Berthier és Pulvermüller, 2011). Ezenkívül a nem károsodott dorzális és ventrális áramlatok anatómiai és funkcionális konnektivitásának tulajdonságainak vizsgálata az agykárosodás idején hasznos lehet az intra- és interhemiszférikus kompenzációs mechanizmusokon alapuló rehabilitációs stratégiák sikerének előrejelzéséhez (Lunven et al., 2015).

A szerzők hozzájárulása

DL-B és RD-B intellektuálisan hozzájárult ehhez a munkához, megszerkesztette és átdolgozta a cikket.

Finanszírozás

DL-B-t a spanyol Gazdasági és Versenyképességi Minisztérium “Juan de la Cierva” programja támogatja (FJCI-2014-22953). Az itt áttekintett kutatás egy részét az FP7 Ideas finanszírozta: European Research Council, ERC-StG grant agreement 313841 to RD-B.

Conflict of Interest Statement

A szerzők kijelentik, hogy a kutatást olyan kereskedelmi vagy pénzügyi kapcsolatok hiányában végezték, amelyek potenciális összeférhetetlenségként értelmezhetők.

Acknowledgments

A szerzők köszönik Marcelo Berthier és María José Torres-Prioris átgondolt megjegyzéseit.