Frontiers in Human Neuroscience

FIGUR 1

I denna miniöversikt är vårt syfte att belysa hur bevisen från interindividuella skillnader i språkinlärningsprestanda och deras förhållande till dorsala och ventrala vägar för talbearbetning i den friska hjärnan kan hjälpa oss att förstå kompensationsmekanismer vid återhämtning av afasi och hjälpa till att skräddarsy optimala neurorehabiliteringsstrategier. Vi kommer främst att fokusera på fonologisk ordinlärning eftersom upprepning är nära kopplat till denna förmåga och det är en vanlig funktionsnedsättning vid afasi. Därför kommer vi att presentera studier som har undersökt individuella skillnader i inlärning av nya ord och hur denna förmåga är kopplad till auditiv-motorisk integration genom det dorsala språknätverket. Vi kommer sedan att granska bevis som stöder den ömsesidiga kompensatoriska rollen mellan dorsala och ventrala språkströmmar och vi kommer att koppla dem till kompensatoriska beteenden som observerats vid afasi.

Individuella skillnader i ordinlärning

Individuella skillnader i ordinlärning i förhållande till den dorsala banan

Språkinlärning är en mångfasetterad process som kräver att man behärskar olika komponenter, såsom ord, grammatik och språkljud. Som vi kommer att se i följande avsnitt stöds inlärningen av fonologiska ordformer av repetitionskomponenten i det fonologiska arbetsminnet, som inbegriper en dold repetitionsprocess (Baddeley et al., 1998). Med tanke på repetitionens betydelse vid afasi kommer vi här att fokusera på de interindividuella skillnaderna i ordinlärningsprocessen. I detta avseende är det viktigt att förstå dissociationen dorsalström/ventralström i termer av både anatomi och dess relaterade språkfunktioner för att skilja ut de olika aspekter som måste behärskas för ny ordinlärning, t.ex. skapandet av ett minnesspår för den fonologiska ordformen och dess koppling till det semantiska innehållet. I en klinisk miljö kan denna arbetsfördelning göra det möjligt för oss att få ytterligare insikt i de sparade och möjliga alternativa nätverken som kan riktas in på för att förbättra prestationen. Dessutom är det viktigt att notera att olika kognitiva funktioner, inklusive uppmärksamhet, kognitiv kontroll och arbetsminne, förekommer i dorsalströmmen (Wise et al., 2001; Corbetta och Shulman, 2002; Buchsbaum och D’Esposito, 2008; Salmi et al., 2009). Dessa kognitiva funktioner har faktiskt också beskrivits som viktiga för inlärning av nya ord (Baddeley, 2003; de Diego-Balaguer et al., 2007; Hickok och Poeppel, 2007; Rodríguez-Fornells et al., 2009; Schulze et al, 2012) och de är också individuella kognitiva prediktorer för återhämtning av afasi (Brownsett et al., 2014).

De hjärnområden som är involverade i dessa kognitiva funktioner inom dorsalströmmen kan separeras i olika funktionella undernätverk som arbetar samordnat under inlärning. Friska individer som utsätts för ett artificiellt språk (för-segmenterade ordformer i ett talflöde utan semantiskt innehåll) kan successivt skapa minnesspår av dessa ord (de Diego-Balaguer et al., 2007; Shtyrov et al., 2010; Shtyrov, 2012). En studie med funktionell magnetisk resonanstomografi (fMRI) där oberoende komponentanalys (ICA; Calhoun et al., 2008) utfördes på BOLD-signalen (blood-oxygen-level dependent) visade att olika delnätverk inom dorsalströmmen var engagerade parallellt under perioder av ordinlärning och avkopplade i vila (López-Barroso et al., 2015). Detta tyder på att dessa oberoende delnätverk kan vara relaterade till olika funktioner som samordnas i inlärningsprocessen. Dessutom var ett fronto-temporalt nätverk inom den ventrala strömmen också involverat i uppgiftsutförandet. Även om det klassiskt sett är relaterat till bearbetning av semantisk förståelse (Saur et al., 2008) verkade detta ventrala nätverk också vara engagerat även när ingen semantisk information fanns i uppgiften, vilket stämmer överens med dess roll i bearbetningen av lokala beroenden (Friederici et al., 2006) och auditiv objektsigenkänning (Rauschecker och Scott, 2009; Bornkessel-Schlesewsky et al., 2015). Detta stöder det överlappande förhållandet mellan de dorsala och ventrala vägarna trots deras specialiserade roller, och belyser därmed hur dessa vägar arbetar synergistiskt för att uppnå gemensamma mål i vissa kognitiva operationer (Rolheiser et al., 2011). Detta bevis är särskilt viktigt för att förstå neurorehabiliteringens roll i ombyggnaden av neurala nätverk, där användningen av en väg under beteendeträning kan ha direkta effekter på den andra. Det är dock viktigt att notera att även om alla dessa nätverk var signifikant engagerade som en funktion av uppgiften, var det bara styrkan i konnektiviteten i det auditivt-premotoriska nätverket som korrelerade positivt med prestationen vid ordinlärning (López-Barroso et al., 2015). Detta tyder inte bara på samarbete mellan de två vägarna utan understryker också den specifika betydelsen av audio-motorisk koppling för framgångsrik inlärning av ordformer.

I detta avseende visade en kompletterande studie konvergerande resultat när konnektivitetsanalysen begränsades till den dorsala strömmen (López-Barroso et al., 2013). Styrkan i den funktionella konnektiviteten mellan de premotoriska och övre temporala regionerna i den vänstra hemisfären korrelerade signifikant med individuella skillnader i prestationer vid inlärning av ordformer. Betydelsen av den nära direkta kopplingen mellan dessa regioner för framgångsrik inlärning återspeglades också av sambandet mellan ordinlärningsprestanda och den strukturella konnektiviteten hos den AF som förbinder samma områden (López-Barroso et al., 2013). AF:s avgörande roll i den snabba korsinteraktionen mellan de vänstra frontala och temporala områdena tyder på att funktioner som är beroende av detta vit substansbunt spelar en viktig roll i de inledande stadierna av språkinlärning när minnesspår av ordformer skapas (Schulze et al., 2012). Bindningen mellan akustiska och artikulatoriska representationer genom AF kan underlätta skapandet av den motoriska kod som krävs för att artikulera sekvensen samt upprätthållandet av denna kod i ett aktivt tillstånd genom det fonologiska arbetsminnet (Jacquemot och Scott, 2006; Buchsbaum och D’Esposito, 2008). Faktum är att afasipatienter med sparade frontala områden och dorsala banor kan lära sig nya ord från flytande tal (Peñaloza et al., 2015).

Individuella skillnader i ordinlärning i förhållande till fonologiskt arbetsminne

Inom den underliggande funktion som underlättas av detta dorsala flöde finns det omfattande bevis som kopplar samman kapaciteten i det fonologiska arbetsminnet med förvärv av nytt ordförråd. Detta har visats hos barn (Baddeley et al., 1998; Baddeley, 2003) och hos vuxna som lär sig ett andraspråk (Papagno et al., 1991), liksom i vissa aspekter av syntax (Ellis och Sinclair, 1996). Det fonologiska arbetsminnet består av det fonologiska lagret, som kan hålla begränsade minnesspår i några sekunder innan de avtar, och den artikulatoriska repetitionen. Repetitionsprocessen uppdaterar dessa minnesspår genom att hämta och återartikulera (dvs. inre tal; Baddeley och Hitch, 1974; Baddeley et al., 1998; Baddeley, 2000). Kopplingen mellan fonologiskt arbetsminne och inlärning av nya ord fungerar endast när nya fonologiska former måste upprepas, men verkar inte gälla vid inlärning av associationer av redan kända ord till nya betydelser (Gathercole och Baddeley, 1990). Denna aspekt är av intresse när man tänker på rehabiliteringsförfaranden vid afasi, eftersom afasiska syndrom med nedsatt verbal repetition (konduktionsafasi, Brocas afasi, Wernickes afasi) med större sannolikhet uppvisar associerade arbetsminnesförändringar. Närmare bestämt har det visats att arbetsminnets delkomponent för repetition spelar en viktig roll vid inlärning av ord från flytande tal hos vuxna (López-Barroso et al., 2011). När repetitionsmekanismen störs på konstgjord väg genom artikulatorisk undertryckning, minskar den information som finns i det kortsiktiga fonologiska lagret snabbt, vilket medför drastiska effekter på inlärningsprestanda (López-Barroso et al., 2011). Den artikulatoriska repetitionen är en repetitionsmekanism som är beroende av samma hjärnmekanismer som ligger till grund för talproduktion (Buchsbaum och D’Esposito, 2008), och som därmed förlitar sig på AF-konnektivitet. Denna kartläggning stämmer faktiskt väl överens med repetitionskomponentens specifika förhållande till individuella skillnader i ordinlärning eftersom det långa segmentet av AF förbinder den bakre delen av de övre temporala och de nedre frontala gyri och premotorisk cortex, dessa två sistnämnda områden är förknippade med repetitionskapaciteten (Paulesu m.fl, 1993; Awh et al., 1996; Jonides et al., 1998).

Kompensatoriska funktioner hos språkrelaterade vitämnesbanor

Trots den funktionella specialiseringen av den dorsala strömmen i auditiv-motorisk integration och den ventrala strömmen i semantisk bearbetning är språksystemet mycket flexibelt. Nya modeller har föreslagit att den ventrala strömmen faktiskt är involverad i identifieringen av auditiva objekt som ingår i talet. Denna identifiering sker på ett hierarkiskt sätt från mer bakre regioner som identifierar fonem och stavelser till progressivt mer främre regioner som identifierar ord och fraser och övergripande meningsförståelse (Rauschecker och Scott, 2009; Bornkessel-Schlesewsky et al., 2015). Enligt dessa teoretiska utarbetanden spelar alltså den ventrala strömmen en roll inte bara vid semantisk bearbetning utan även vid mer formell identifiering av auditiva objekt. Denna idé stämmer överens med att den ventrala strömmen är engagerad tillsammans med den dorsala strömmen under inlärning av nya ordformer från en talström, även när semantisk information inte är närvarande, eftersom det kräver skapande och identifiering av minnesspår av ordformer (López-Barroso et al., 2015). Trots språkströmmarnas arbetsfördelning kan således det extra engagemanget i de ventrala och andra dorsala undernätverken utgöra en kompensatorisk mekanism eller ytterligare stöd för att uppnå en komplex uppgift. Denna möjlighet stöds av det faktum att under repetitionsblockering som stör användningen av den dorsala audio-motoriska kommunikationen kan friska individer fortfarande lära sig nya ordformer, om än med en minskad prestation (López-Barroso et al., 2011). I detta tillstånd var individuella skillnader i språkinlärning förknippade med mikrostrukturella skillnader i den yttersta kapseln, vilket stämmer överens med den anatomiska banan för den ventrala strömmen. Således kan det ventrala stråket fungera som en alternativ förbindelse när det dorsala stråket inte är tillgängligt. Detta kan kasta ljus över vissa aspekter av afasirehabilitering, särskilt när det finns dorsalskador som stör repetitionsförmågan. Om man till exempel presenterar ord (ord som gått förlorade efter en hjärnskada) i en rik semantisk kontext samtidigt som patienten måste upprepa dem, kan det potentiera användningen av den ventrala banan för upprepning och på så sätt främja ”återinlärning”.

Kompensatoriska effekter mellan strömmarna kan också observeras vid virtuella lesioner med hjälp av TMS, vilket gör det möjligt att studera beteendeeffekter till följd av den övergående störningen av en viss hjärnregion. Hartwigsen (2016) och Hartwigsen et al. (2016) visade att den ventrala strömmen hos friska försökspersoner var mer motståndskraftig mot semantisk störning än den dorsala strömmen mot störningar i den fonologiska bearbetningen. Intressant nog kompenserade den icke-stimulerade platsen för prestanda vid hämning av de frontala eller parietala cortices som är kopplade till den ventrala strömmen. Endast samtidig stimulering av både det frontala och parietala området ledde till ökade reaktionstider vid semantisk bearbetning. Däremot ledde fokal stimulering av antingen de frontala eller parietala hjärnorna som är kopplade till den dorsala strömmen till betydande störningseffekter i en fonologisk uppgift. Dessutom visade fMRI som erhölls under effekterna av TMS att dorsala regioner i den nedre parietala loben (supramarginal gyrus) också uppvisade ökad kompensatorisk aktivering när det semantiska systemet stördes av hjärnstimulering (Hartwigsen, 2016).

Det finns alltså, även om det finns föredragna vägar för att effektivt förbinda två eller flera kortikala områden, förekomsten av alternativa vägar skulle delvis kunna säkerställa systemets funktionalitet i de fall då huvudvägen är upptagen med en annan uppgift, fortfarande är omogen eller dysfunktionell (se figur 1; Nozari och Dell, 2013). I synnerhet skulle den ventrala strömmen kunna spela en stödjande roll under processer som normalt förknippas med den dorsala strömmen. Denna kompensatoriska roll utförs sannolikt genom användning av kognitiva strategier (möjligen mindre effektiva) som skiljer sig från dem som används av den dorsala strömmen, med hänsyn till att de områden som är anslutna genom dessa strömmar och deras funktionalitet är olika.

Den kompensatoriska mekanism som observerats genom studiet av individuella skillnader hos friska deltagare liknar den som observeras vid dorsala lesioner. Efter resektioner av främre temporalloben visar epileptiska patienter en förbättrad språklig återhämtning när strukturell plasticitet observeras i det ipsilaterala ventro-mediala språknätverket (Yogarajah et al., 2010). På liknande sätt rapporterade Yeatman och Feldman (2013) fallet med en tonårsflicka med bilateral periventrikulär perinatal leukomalaci som ledde till fullständig avsaknad av de långa och främre segmenten av AF. Överraskande nog var språkförmågan (inklusive repetition) inom normala gränser som ett resultat av ökad ventral stream connectivity. Trots detta var patientens svarstider långsamma, ett resultat som är i linje med en ganska god kompensation via den ventrala strömmen, som inte var lika effektiv som den föredragna vägen (den dorsala strömmen).

Kompensationen mellan strömmarna härrör från deras mycket interaktiva natur, vilket möjliggör en viss nivå av redundans i vägarna inom språksystemet (figur 1). Saur et al. (2010) föreslog att även om den övre temporala regionen huvudsakligen interagerar med den premotoriska cortexen via AF (Frey et al., 2008; Saur et al., 2008), interagerar dessa regioner komplementärt genom det extrema kapselsystemet och det frontala operculum (som är rikt sammankopplat med den premotoriska regionen, Schmahmann et al., 2007). Man har antagit att denna alternativa via kan vara viktig för kontrollen av den dorsala sensorisk-motoriska slingan under taluppfattningen. Rolheiser et al. (2011) studerade de viktigaste vägarna och funktionella aktiveringar som bär upp olika aspekter av språkbehandling hos strokepatienter med lesioner av olika plats och storlek. De fann att även om vissa funktioner var beroende av specifika banor, t.ex. fonologisk bearbetning i den dorsala strömmen och semantisk bearbetning i den ventrala strömmen, var funktioner som syntax och morfologisk bearbetning beroende av aktiviteten i båda banorna. Utvecklingen av de dorsala och ventrala banorna under spädbarnstiden löper faktiskt inte parallellt. Medan den ventrala banan är närvarande vid födseln kan den dorsala banan ännu inte upptäckas (Perani et al., 2011). Vidare förlitar sig 7-åriga barn, som fortfarande har en omogen dorsal bana, mer på den ventrala banan under meningsförståelse, en uppgift som hos vuxna förlitar sig på dorsalströmsaktivitet (Brauer et al., 2011). När det gäller funktioner där det finns en föredragen väg kan det dock hända att den alternativa vägen inte möjliggör samma kompetensnivå som den optimala vägen, vare sig hos patienter (Rauschecker et al., 2009; Yeatman och Feldman, 2013) eller hos friska deltagare (López-Barroso et al, 2011).

Beteendessymtom vid afasi som beror på kompenserande plastiska mekanismer mellan strömmarna

De kompenserande effekter mellan de fonologiska och semantiska systemen som rapporterats hos friska försökspersoner stämmer överens med vad som nyligen har observerats vid afasi (Berthier et al., 2017b; López-Barroso et al., 2017). Ett tydligt exempel på en kompensatorisk process i den ventrala strömmen efter en skada på dorsalbanan är ett karakteristiskt beteendesymptom för konduktionsafasi (flytande afasi med bevarad förståelse och försämrad repetition; Kohn, 1992), conduite d’approche (CdA). CdA är en progressiv fonologisk approximation till ett målord som återspeglar ett försök att själv reparera produktionsfel (Shallice och Warrington, 1977). Beräkningsmässiga implementeringar av afasi tyder på att CdA representerar ett exempel på symptomatiskt suboptimalt verbalt beteende på grund av kompensatoriska processer som utförs av den ventrala strömmen när den dorsala strömmen inte fungerar som den ska (Ueno och Lambon Ralph, 2013). Med andra ord återspeglar CdA försöket, om än inte alltid framgångsrikt, av den intakta semantiska ventrala banan att städa upp den skadade dorsala banans dåliga prestanda i talproduktionsuppgifter (upprepning, namngivning) (Ueno och Lambon Ralph, 2013). Det är intressant att notera att det omvända mönstret också kan observeras vid skador på det ventrala stråket. Försöket från den dorsala strömmen att kompensera för underskottet kan resultera i mitigerad echolalia (ME). Echolali definieras som upprepning av ord och/eller yttranden som talas av en annan person (Berthier et al., 2017a), och ME är en mild form av ekolali som kännetecknas av införandet av förändringar (intonation eller verbalt innehåll) som en ekoemission, i allmänhet i kommunikativa syften (Pick, 1924; Berthier et al., 2017a,b; López-Barroso et al., 2017). ME förekommer vanligtvis vid flytande afasi på grund av lesioner i den ventrala strömmen, vilket vanligtvis stör den auditiva förståelsen på ord- och meningsnivå (Berthier et al., 2017b), men kan också observeras vid icke-flytande afasi (t.ex. Brocas afasi; Hadano et al., 1998; López-Barroso et al., 2017). Den viktigaste kompensatoriska funktionen hos ME är att lösa försämrad tillgång till det semantiska systemet på grund av ventral skada (Berthier et al., 2017b). Det verkar som att genom upprepning av det nyss hörda verbala meddelandet (en funktion som förlitar sig på den dorsala banan) ökar sannolikheten för aktivering av och tillgång till det semantiska systemet, vilket så småningom gynnar den auditiva förståelsen.

Slutsats

Sammanfattningsvis kan studiet av individuella skillnader hos friska försökspersoner hjälpa till att identifiera de nätverk som är involverade i kompensatoriska eller förstärkande strategier i språkinlärningsförmågor. Ventrala och dorsala strömmar arbetar, trots sina specialiseringar, synergistiskt och visar kompenserande roller. Kunskap om de funktioner som företrädesvis är förknippade med var och en av dessa strömmar kommer att göra det möjligt att anta modellbaserade neurorehabiliteringsprogram för att optimera återhämtningen från afasi genom att stärka de specifika funktionerna hos dessa kompensatoriska nätverk i båda hjärnhalvorna, potentierade med olika interventionsstrategier (Berthier och Pulvermüller, 2011). Dessutom kan studier av egenskaperna hos den anatomiska och funktionella konnektiviteten hos de oskadade dorsala och ventrala strömmarna vid tidpunkten för hjärnskadan vara användbara för att förutsäga framgången för rehabiliteringsstrategier baserade på kompensationsmekanismer inom och mellan hjärnhalvorna (Lunven m.fl, 2015).

Författarbidrag

DL-B och RD-B bidrog intellektuellt till detta arbete, utarbetade artikeln och reviderade den.

Finansiering

DL-B stöds av programmet ”Juan de la Cierva” från det spanska ekonomi- och konkurrensministeriet (FJCI-2014-22953). En del av den forskning som granskas här har finansierats av FP7 Ideas: European Research Council, ERC-StG grant agreement 313841 to RD-B.

Intressekonfliktförklaring

Författarna förklarar att forskningen utfördes i avsaknad av kommersiella eller finansiella relationer som skulle kunna tolkas som en potentiell intressekonflikt.

Acknowledgments

Författarna tackar Marcelo Berthier och María José Torres-Prioris för deras genomtänkta kommentarer.