Frontiers in Human Neuroscience

FIGURA 1

In questa mini-review, il nostro obiettivo è quello di evidenziare come l’evidenza delle differenze inter-individuali nelle prestazioni di apprendimento del linguaggio e la loro relazione con le vie dorsali e ventrali di elaborazione del discorso nel cervello sano può aiutarci a capire i meccanismi di compensazione nel recupero dell’afasia e aiutare a personalizzare le strategie di neuroriabilitazione ottimale. Ci concentreremo principalmente sull’apprendimento fonologico delle parole poiché la ripetizione è strettamente legata a questa capacità ed è una compromissione comune nell’afasia. Pertanto, presenteremo gli studi che hanno esaminato le differenze individuali nell’apprendimento di nuove parole e come questa capacità si riferisce all’integrazione uditivo-motoria attraverso la rete dorsale del linguaggio. Passeremo poi in rassegna le prove a sostegno del ruolo compensatorio reciproco tra i flussi linguistici dorsale e ventrale e li collegheremo ai comportamenti compensatori osservati nell’afasia.

Differenze individuali nell’apprendimento delle parole

Differenze individuali nell’apprendimento delle parole in relazione al percorso dorsale

L’apprendimento della lingua è un processo sfaccettato che richiede la padronanza di diverse componenti come le parole, la grammatica e i suoni del discorso. Come vedremo nella sezione seguente, l’apprendimento delle forme fonologiche delle parole è supportato dalla componente di prova della memoria di lavoro fonologica, che comporta un processo di ripetizione occulta (Baddeley et al., 1998). Data l’importanza della ripetizione nell’afasia, ci concentreremo qui sulle differenze interindividuali nel processo di apprendimento delle parole. A questo proposito, è importante comprendere la dissociazione del flusso dorsale / flusso ventrale in termini sia di anatomia che di funzioni linguistiche correlate, al fine di distinguere i diversi aspetti che devono essere padroneggiati per l’apprendimento di nuove parole, come la creazione di una traccia di memoria per la forma fonologica della parola e la sua associazione con il contenuto semantico. In un contesto clinico, questa divisione del lavoro può permetterci di ottenere ulteriori informazioni sulle reti risparmiate e sulle possibili reti alternative che possono essere prese di mira per migliorare le prestazioni. Inoltre, è importante notare che diverse funzioni cognitive tra cui l’attenzione, il controllo cognitivo e la memoria di lavoro sono presenti nel flusso dorsale (Wise et al., 2001; Corbetta e Shulman, 2002; Buchsbaum e D’Esposito, 2008; Salmi et al., 2009). Infatti, queste funzioni cognitive sono state anche descritte come importanti per l’apprendimento di nuove parole (Baddeley, 2003; de Diego-Balaguer et al., 2007; Hickok e Poeppel, 2007; Rodríguez-Fornells et al., 2009; Schulze et al, 2012) e sono predittori cognitivi individuali anche per il recupero dell’afasia (Brownsett et al., 2014).

Le aree cerebrali coinvolte in queste funzioni cognitive all’interno del flusso dorsale possono essere separate in diverse sottoreti funzionali che lavorano in coordinamento durante l’apprendimento. Gli individui sani esposti a un linguaggio artificiale (forme di parole pre-segmentate in un flusso vocale senza contenuto semantico) possono creare progressivamente tracce di memoria di queste parole (de Diego-Balaguer et al., 2007; Shtyrov et al., 2010; Shtyrov, 2012). Uno studio di risonanza magnetica funzionale (fMRI) in cui l’analisi a componenti indipendenti (ICA; Calhoun et al., 2008) è stata eseguita sul segnale BOLD (blood-oxygen-level dependent) ha mostrato che diversi sottoreti all’interno del flusso dorsale sono impegnati in parallelo durante i periodi di apprendimento delle parole e disimpegnati a riposo (López-Barroso et al., 2015). Ciò suggerisce che queste sottoreti indipendenti possono essere collegate a diverse funzioni che sono coordinate nel processo di apprendimento. Inoltre, una rete fronto-temporale all’interno del flusso ventrale è stata anche implicata nelle prestazioni del compito. Anche se classicamente legato all’elaborazione della comprensione semantica (Saur et al., 2008), questa rete ventrale sembrava essere impegnata anche quando nessuna informazione semantica era presente nel compito, coerente con il suo ruolo nell’elaborazione delle dipendenze locali (Friederici et al., 2006) e il riconoscimento uditivo degli oggetti (Rauschecker e Scott, 2009; Bornkessel-Schlesewsky et al., 2015). Questo supporta la relazione imbricata tra le vie dorsali e ventrali nonostante i loro ruoli specializzati, evidenziando così come queste vie lavorino sinergicamente per raggiungere obiettivi comuni in alcune operazioni cognitive (Rolheiser et al., 2011). Questa evidenza è particolarmente importante per comprendere il ruolo della neuroriabilitazione nel rimodellamento delle reti neurali, in cui l’uso di una via durante il training comportamentale può avere effetti diretti sull’altra. Tuttavia, è importante notare che, sebbene tutte queste reti fossero significativamente impegnate in funzione del compito, solo la forza della connettività della rete uditivo-premotoria correlava positivamente con le prestazioni di apprendimento delle parole (López-Barroso et al., 2015). Questo non solo suggerisce la cooperazione tra le due vie, ma sottolinea anche l’importanza specifica dell’accoppiamento audio-motorio nel successo dell’apprendimento delle forme di parole.

A questo proposito, uno studio complementare ha mostrato risultati convergenti quando l’analisi della connettività è stata limitata al flusso dorsale (López-Barroso et al., 2013). La forza della connettività funzionale tra le regioni premotorie e temporali superiori nell’emisfero sinistro era significativamente correlata alle differenze individuali nelle prestazioni di apprendimento della forma di parola. L’importanza della stretta connessione diretta tra queste regioni nel successo dell’apprendimento è stata anche riflessa dall’associazione tra le prestazioni di apprendimento delle parole e la connettività strutturale della FA che collega queste stesse aree (López-Barroso et al., 2013). Il ruolo cruciale dell’AF nella rapida interazione incrociata tra le aree frontali e temporali sinistre suggerisce che le funzioni che dipendono da questo fascio di materia bianca giocano un ruolo importante nelle fasi iniziali dell’apprendimento del linguaggio, quando vengono create le tracce di memoria delle forme delle parole (Schulze et al., 2012). Il legame tra rappresentazioni acustiche e articolatorie attraverso l’AF può facilitare la creazione del codice motorio necessario per articolare la sequenza così come il mantenimento di questo codice in uno stato attivo attraverso la memoria di lavoro fonologica (Jacquemot e Scott, 2006; Buchsbaum e D’Esposito, 2008). Infatti i pazienti afasici con aree frontali risparmiate e la via dorsale sono in grado di imparare nuove parole dal discorso fluente (Peñaloza et al., 2015).

Differenze individuali nell’apprendimento delle parole in relazione alla memoria di lavoro fonologica

In termini di funzione sottostante facilitata da questo flusso dorsale, ci sono ampie prove che collegano la capacità della memoria di lavoro fonologica con l’acquisizione di nuovo vocabolario. Questo è stato dimostrato nei bambini (Baddeley et al., 1998; Baddeley, 2003) e nell’apprendimento adulto di una seconda lingua (Papagno et al., 1991), così come in alcuni aspetti della sintassi (Ellis e Sinclair, 1996). La memoria di lavoro fonologica è composta dal magazzino fonologico, che può contenere tracce di memoria limitate per alcuni secondi prima di decadere, e dalla prova articolatoria. Il processo di prova rinfresca queste tracce di memoria attraverso il recupero e la riarticolazione (cioè il discorso interno; Baddeley e Hitch, 1974; Baddeley et al., 1998; Baddeley, 2000). Il legame tra la memoria di lavoro fonologica e l’apprendimento di nuove parole opera solo quando nuove forme fonologiche devono essere ripetute, ma non sembra applicarsi nell’apprendimento di associazioni di parole già note a nuovi significati (Gathercole e Baddeley, 1990). Questo aspetto è interessante quando si pensa alle procedure di riabilitazione nell’afasia, dato che le sindromi afasiche con compromissione della ripetizione verbale (afasia di conduzione, afasia di Broca, afasia di Wernicke) hanno maggiori probabilità di mostrare alterazioni della memoria di lavoro associate. Più precisamente, è stato dimostrato che il sottocomponente di prova della memoria di lavoro gioca un ruolo importante nell’apprendimento delle parole dal discorso fluente negli adulti (López-Barroso et al., 2011). Quando il meccanismo di prova viene artificialmente interferito dalla soppressione articolatoria, l’informazione che si trova nella memoria fonologica a breve termine decade rapidamente, inducendo effetti drastici sulle prestazioni di apprendimento (López-Barroso et al., 2011). La prova articolatoria è un meccanismo di ripetizione che dipende dagli stessi meccanismi cerebrali che sono alla base della produzione del discorso (Buchsbaum e D’Esposito, 2008), quindi si basa sulla connettività AF. In effetti, questa mappatura si adatta bene alla relazione specifica della componente di ripetizione con le differenze individuali nell’apprendimento delle parole, poiché il lungo segmento della FA collega la parte posteriore del temporale superiore e del giro frontale inferiore e la corteccia premotoria, queste due ultime aree essendo associate alla capacità di ripetizione (Paulesu et al, 1993; Awh et al., 1996; Jonides et al., 1998).

Funzioni compensative dei tratti di materia bianca legati al linguaggio

Nonostante la specializzazione funzionale del flusso dorsale nell’integrazione uditivo-motoria e del flusso ventrale nell’elaborazione semantica, il sistema linguistico è altamente flessibile. Modelli recenti hanno proposto che il flusso ventrale sia effettivamente coinvolto nell’identificazione degli oggetti uditivi inclusi nel discorso. Questa identificazione avviene in modo gerarchico da regioni più posteriori che identificano fonemi e sillabe a regioni progressivamente più anteriori che identificano parole e frasi e la comprensione complessiva della frase (Rauschecker e Scott, 2009; Bornkessel-Schlesewsky et al., 2015). Quindi, secondo queste elaborazioni teoriche, il flusso ventrale svolge un ruolo non solo nell’elaborazione semantica ma anche nell’identificazione più formale degli oggetti uditivi. Questa idea è coerente con l’impegno del ventrale insieme al flusso dorsale durante l’apprendimento di nuove forme di parole da un flusso di discorso anche quando non sono presenti informazioni semantiche, poiché richiede la creazione e l’identificazione di tracce di memoria di forme di parole (López-Barroso et al., 2015). Quindi, nonostante la divisione del lavoro dei flussi linguistici, l’impegno aggiuntivo delle sottoreti ventrali e di altre dorsali può rappresentare un meccanismo compensatorio o un supporto aggiuntivo per il raggiungimento di un compito complesso. Questa possibilità è supportata dal fatto che sotto il blocco delle prove che interferisce con l’uso della comunicazione audio-motoria dorsale, gli individui sani sono ancora in grado di imparare nuove forme di parole, anche se con una performance ridotta (López-Barroso et al., 2011). In questa condizione, le differenze individuali nell’apprendimento del linguaggio erano associate a differenze microstrutturali nella capsula estrema, coerentemente con la traiettoria anatomica del flusso ventrale. Così, la via ventrale può agire come una connessione alternativa quando la via dorsale non è disponibile. Questo può far luce su alcuni aspetti della riabilitazione dell’afasia, soprattutto quando esistono lesioni dorsali che interferiscono con la capacità di ripetizione. Per esempio, presentare parole (parole che sono state perse dopo un danno cerebrale) immerse in un ricco contesto semantico mentre si richiede al paziente di ripeterle può potenziare l’uso della via ventrale per la ripetizione, promuovendo così il successo del “re-apprendimento”.

Gli effetti compensativi tra flussi possono essere osservati anche nel caso di lesioni virtuali attraverso l’uso della TMS, che permette lo studio degli effetti comportamentali derivanti dall’interferenza transitoria di una data regione cerebrale. Hartwigsen (2016) e Hartwigsen et al. (2016) hanno dimostrato che il flusso ventrale in soggetti sani era più resistente all’interferenza semantica che il flusso dorsale all’interruzione dell’elaborazione fonologica. È interessante notare che all’inibizione delle cortecce frontali o parietali collegate dal flusso ventrale, il sito non stimolato compensava le prestazioni. Solo la stimolazione concomitante di entrambi i siti frontale e parietale ha portato ad un aumento dei tempi di reazione nell’elaborazione semantica. Al contrario, la stimolazione focale delle cortecce frontali o parietali collegate dal flusso dorsale ha portato a significativi effetti di interferenza in un compito fonologico. Inoltre, la fMRI ottenuta sotto gli effetti della TMS ha indicato che anche le regioni dorsali del lobo parietale inferiore (giro sopramarginale) hanno mostrato una maggiore attivazione compensatoria quando il sistema semantico è stato interferito dalla stimolazione cerebrale (Hartwigsen, 2016).

Quindi, sebbene esistano vie preferenziali per collegare in modo efficiente due o più aree corticali, l’esistenza di vie alternative potrebbe garantire parzialmente la funzionalità del sistema nei casi in cui la via principale sia occupata da un altro compito, sia ancora immatura, o sia disfunzionale (vedi Figura 1; Nozari e Dell, 2013). In particolare, il flusso ventrale potrebbe svolgere un ruolo di supporto durante i processi che sono normalmente associati al flusso dorsale. Questo ruolo compensatorio è probabilmente svolto attraverso l’uso di strategie cognitive (forse meno efficienti) diverse da quelle utilizzate dal flusso dorsale, tenendo conto che le aree collegate attraverso questi flussi e la loro funzionalità sono diverse.

Il meccanismo compensatorio osservato attraverso lo studio delle differenze individuali in partecipanti sani è simile a quello che si osserva nei casi di lesioni dorsali. Dopo resezioni del lobo temporale anteriore, i pazienti epilettici mostrano un migliore recupero del linguaggio quando si osserva una plasticità strutturale nella rete linguistica ventro-mediale omolaterale (Yogarajah et al., 2010). In una vena simile, Yeatman e Feldman (2013) hanno riportato il caso di una ragazza adolescente con leucomalacia perinatale periventricolare bilaterale che ha portato alla completa assenza dei segmenti lunghi e anteriori del FA. Sorprendentemente, le abilità linguistiche (compresa la ripetizione) erano entro i limiti normali come risultato di una maggiore connettività del flusso ventrale. Tuttavia, i tempi di risposta dei pazienti erano lenti, un risultato che è in linea con una compensazione abbastanza buona attraverso il flusso ventrale, che non era così efficiente come la via preferenziale (flusso dorsale).

La compensazione tra i flussi deriva dalla loro natura altamente interattiva, permettendo un certo livello di ridondanza nei percorsi all’interno del sistema linguistico (Figura 1). Saur et al. (2010) hanno suggerito che anche se la regione temporale superiore interagisce principalmente con la corteccia premotoria attraverso l’AF (Frey et al., 2008; Saur et al., 2008), queste regioni interagiscono complementarmente attraverso il sistema della capsula estrema e l’opercolo frontale (che è riccamente connesso con la regione premotoria, Schmahmann et al., 2007). È stato ipotizzato che questa via alternativa possa essere importante per il controllo del ciclo dorsale senso-motorio durante la percezione del discorso. Rolheiser et al. (2011) hanno studiato le vie principali e le attivazioni funzionali che portano aspetti distinti dell’elaborazione del linguaggio in pazienti colpiti da ictus con lesioni di diverse sedi e dimensioni. Hanno scoperto che anche se alcune funzioni dipendevano da tratti specifici, come l’elaborazione fonologica nel flusso dorsale e l’elaborazione semantica nel flusso ventrale, funzioni come la sintassi e l’elaborazione morfologica dipendevano dall’attività di entrambe le vie. Infatti, lo sviluppo delle vie dorsali e ventrali durante l’infanzia non avviene in parallelo. Mentre la via ventrale è presente alla nascita, la via dorsale non è ancora rilevabile (Perani et al., 2011). Inoltre, i bambini di 7 anni, che hanno ancora una via dorsale immatura, si affidano maggiormente alla via ventrale durante la comprensione della frase, un compito che negli adulti si basa sull’attività del flusso dorsale (Brauer et al., 2011). Tuttavia, per le funzioni in cui esiste una via preferita, la via alternativa potrebbe non consentire lo stesso livello di competenza della via ottimale sia nei pazienti (Rauschecker et al., 2009; Yeatman e Feldman, 2013) che nei partecipanti sani (López-Barroso et al, 2011).

Sintomi comportamentali nell’afasia risultanti da meccanismi plastici compensatori tra i flussi

Gli effetti compensatori tra i sistemi fonologico e semantico riportati nei soggetti sani sono coerenti con quanto osservato recentemente nell’afasia (Berthier et al., 2017b; López-Barroso et al., 2017). Un chiaro esempio di un processo compensatorio del flusso ventrale dopo un danno della via dorsale è un sintomo comportamentale caratteristico dell’afasia da conduzione (afasia fluente con comprensione conservata e ripetizione alterata; Kohn, 1992), la conduite d’approche (CdA). La CdA è una progressiva approssimazione fonologica a una parola target che riflette un tentativo di auto-riparazione degli errori di produzione (Shallice e Warrington, 1977). Le implementazioni computazionali dell’afasia suggeriscono che la CdA rappresenta un esempio di comportamento verbale subottimale sintomatico dovuto a processi compensativi effettuati dal flusso ventrale quando il flusso dorsale non funziona correttamente (Ueno e Lambon Ralph, 2013). In altre parole, la CdA riflette il tentativo, anche se non sempre riuscito, della via semantica ventrale intatta di ripulire le scarse prestazioni in compiti di produzione del discorso (ripetizione, denominazione) della via dorsale danneggiata (Ueno e Lambon Ralph, 2013). È interessante notare che il modello inverso può essere osservato anche nel caso di danni al flusso ventrale. Il tentativo del flusso dorsale di compensare il deficit potrebbe risultare in ecolalia attenuata (ME). L’ecolalia è definita come la ripetizione di parole e/o enunciati pronunciati da un’altra persona (Berthier et al., 2017a), e la ME è una forma lieve di ecolalia caratterizzata dall’introduzione di cambiamenti (intonazione o contenuto verbale) come emissione eco, in generale per scopi comunicativi (Pick, 1924; Berthier et al., 2017a,b; López-Barroso et al., 2017). ME di solito si verifica in afasia fluente a causa di lesioni del flusso ventrale, che tipicamente interrompere la comprensione uditiva a livello di parola e frase (Berthier et al., 2017b), ma può anche essere osservato in afasie nonfluente (ad esempio, afasia di Broca; Hadano et al., 1998; López-Barroso et al., 2017). La principale funzione compensatoria della ME è quella di risolvere l’accesso compromesso al sistema semantico dovuto al danno ventrale (Berthier et al., 2017b). Sembra che attraverso la ripetizione del messaggio verbale appena ascoltato (una funzione che si basa sulla via dorsale), ci sia un aumento della probabilità di attivazione e accesso al sistema semantico, favorendo infine la comprensione uditiva.

Conclusione

In sintesi, lo studio delle differenze individuali in soggetti sani può aiutare a identificare le reti coinvolte nelle strategie compensatorie o di potenziamento delle capacità di apprendimento linguistico. I flussi ventrali e dorsali, nonostante le loro specializzazioni, lavorano sinergicamente mostrando ruoli compensatori. La conoscenza delle funzioni preferenzialmente associate a ciascuno di questi flussi permetterà l’adozione di programmi di neuroriabilitazione basati su modelli per ottimizzare il recupero dall’afasia rafforzando le funzioni specifiche di queste reti compensatorie in entrambi gli emisferi cerebrali, potenziate con diverse strategie di intervento (Berthier e Pulvermüller, 2011). Inoltre, studiare le proprietà della connettività anatomica e funzionale dei flussi dorsale e ventrale non danneggiati al momento del danno cerebrale potrebbe essere utile per prevedere il successo delle strategie di riabilitazione basate su meccanismi compensativi intra- e inter-emisferici (Lunven et al, 2015).

Contributi dell’autore

DL-B e RD-B hanno contribuito intellettualmente a questo lavoro, hanno redatto l’articolo e lo hanno rivisto.

Finanziamento

DL-B è sostenuto dal programma “Juan de la Cierva” del Ministero spagnolo dell’economia e della competitività (FJCI-2014-22953). Parte della ricerca qui recensita è stata finanziata dal FP7 Ideas: European Research Council, ERC-StG grant agreement 313841 to RD-B.

Conflict of Interest Statement

Gli autori dichiarano che la ricerca è stata condotta in assenza di relazioni commerciali o finanziarie che potrebbero essere interpretate come un potenziale conflitto di interessi.

Acknowledgments

Gli autori ringraziano Marcelo Berthier e María José Torres-Prioris per i loro attenti commenti.