Linguaggio: l'N400 nell'incongruenza semantica

Fonte: Laboratori di Sarah I. Gimbel e Jonas T. Kaplan— University of Southern California

Comprendere il linguaggio è uno dei compiti cognitivi più complessi di cui gli esseri umani sono capaci. Data l'incredibile quantità di scelte possibili quando si combinano singole parole per formare un significato nelle frasi, è fondamentale che il cervello sia in grado di identificare quando le parole formano combinazioni coerenti e quando appare un'anomalia che mina il significato. Ricerche approfondite hanno dimostrato che alcuni eventi elettrici registrati sul cuoio capelluto sono sensibili alle deviazioni in questo tipo di aspettativa. È importante sottolineare che queste firme elettriche di incongruenza sono specifiche per significati inaspettati e sono quindi diverse dalle risposte generali del cervello ad altri tipi di anomalie.

I correlati neurofisiologici dell'incongruenza semantica sono stati esaminati sperimentalmente attraverso l'uso di paradigmi che presentano fini semanticamente congruenti e incongruenti alle frasi. Originariamente introdotto nel 1980, il compito di incongruenza semantica presenta al partecipante una serie di frasi che terminano con una parola congruente o incongruente. Per verificare che la risposta sia da incongruenza semantica e non più in generale da sorpresa, alcune frasi includevano parole presentate in una dimensione diversa. ¹ È stato dimostrato che la fine semanticamente incongruente di una frase suscita specifici eventi elettrici registrabili sul cuoio capelluto noti come potenziali correlati agli eventi (ERP). Un ERP è la risposta cerebrale misurata risultante da uno specifico evento sensoriale, cognitivo o motorio. Gli ERP sono misurati utilizzando l'elettroencefalografia (EEG), un mezzo non invasivo per valutare la funzione cerebrale in pazienti con malattia e individui normalmente funzionanti. Un componente ERP specifico trovato attraverso il cuoio capelluto, noto come N400, mostra una maggiore ampiezza in risposta a eventi semanticamente incongruenti. L'N400 è una deflessione negativa nel segnale EEG che si verifica tra 250 e 400 ms dopo l'inizio dello stimolo. In generale, i potenziali precoci riflettono l'elaborazione sensoriale-motoria, mentre i potenziali successivi come l'N400 riflettono l'elaborazione cognitiva.

In questo video, mostriamo come amministrare un'attività di incongruenza semantica utilizzando EEG. Il video riguarderà l'impostazione e la somministrazione dell'EEG e l'analisi degli ERP relativi sia agli stimoli di controllo che a quelli target nell'incongruenza semantica. In questo compito, i partecipanti sono impostati con gli elettrodi EEG, quindi l'attività cerebrale viene registrata mentre visualizzano frasi di controllo e frasi semanticamente incongruenti. La procedura EEG è simile a quella di Habibi et al.,¹ e il compito è modellato su Kutas e Hillyard. ² Quando gli ERP sono mediati tra le frasi congrue e incongrue, i correlati neurali di ciascun evento possono essere confrontati in una finestra temporale selezionata.

1. Reclutamento dei partecipanti

1. Recluta 20 partecipanti per l'esperimento.
2. Assicurarsi che i partecipanti siano stati pienamente informati delle procedure di ricerca e abbiano firmato tutti i moduli di consenso appropriati.

2. Raccolta dei dati

Figura 1: Posizionamento dell'elettrodo. Posizionamento degli elettrodi facciali per rilevare artefatti EOG e registrare il movimento mastoideo (A). Diagramma di misurazione da direttamente tra le sopracciglia a appena sotto la protuberanza nella parte posteriore della testa. Il 10% di questa misurazione viene misurato sopra il segno dell'occhio medio, ed è qui che viene posizionato l'elettrodo FPZ del cappuccio (B).

1. Preparazione EEG (Nota: questi passaggi sono per l'uso con il sistema Neuroscan 4.3 con amplificatore Synamps 2 e un tappo rapido a 64 canali.)
   1. I partecipanti a uno studio EEG non dovrebbero avere prodotti per capelli(ad esempiogel, topo o balsamo leave-in) nei loro capelli prima della loro partecipazione.
   2. Riempire 2-4 siringhe da 10 ml con elettrodo-gel conduttivo(cioèQuick-gel). Si consiglia di mescolare il gel prima di usarlo per rilasciare bolle d'aria.
   3. Spazzolare accuratamente i capelli e il cuoio capelluto (circa 5 min).
   4. Testa pulita con alcool e garza di cotone. Pulire anche la pelle per il posizionamento degli elettrodi: due mastoidi (dietro ogni orecchio), sotto e sopra l'occhio sinistro VEO (elettro-oculare verticale), e i lati più lontani di ciascun occhio HEO (elettro-oculare orizzontale; Figura 1, a sinistra).
   5. Utilizzando dischi adesivi su due lati, posizionare gli elettrodi.
   6. Misura la testa dalla parte anteriore (direttamente tra le sopracciglia, a metà occhio) all'inion (sotto la protuberanza della testa nella parte posteriore). Questa distanza determinerà la dimensione del cappuccio (piccolo, medio o grande). Per posizionare il cappuccio, segnare il 10% della distanza misurata sulla fronte e assicurarsi che l'elettrodo medio-frontale (FPz) sia posizionato su questo punto contrassegnato.
   7. Collegare gli elettrodi facciali ai rispettivi cavi sul cappuccio.
   8. Inizia a riempire gli elettrodi con gel, usando la punta smussata dell'ago per raschiare i capelli da parte sotto l'elettrodo, in modo che l'elettrodo sia a diretto contatto con il cuoio capelluto. Fai attenzione a non ferire la pelle.
      1. Sollevare un po 'l'elettrodo rende più facile l'inserimento del gel. Nella maggior parte dei casi, ci saranno capelli sotto l'elettrodo. Spostarlo fuori mano consentirà una migliore impedenza.
   9. Porta il partecipante nella stanza insonorizzata e collega il cappuccio e i singoli elettrodi.
   10. Controllare l'impedenza della connessione elettrodo-cuoio capelluto per mantenerla al di sotto di 10 KΩ. Se l'impedenza è elevata, assicurarsi che l'elettrodo abbia gel conduttivo e sia in contatto con il cuoio capelluto.
       1. L'impedenza è la tendenza a impedire il flusso di una corrente alternata. Un'elevata impedenza può aumentare il rumore nei dati e deve essere ridotta al minimo prima dell'inizio dello studio.
       2. Nella maggior parte dei casi, i capelli sono nel modo dell'elettrodo. Toglierlo di mezzo dovrebbe ottenere una migliore impedenza.
   11. Una volta che l'impedenza è accettabile per tutti gli elettrodi e le tracce EEG sono prive di rumore, la raccolta dei dati può iniziare.
2. Raccolta dati EEG
   1. Preparare il partecipante a svolgere l'attività.
      1. Posizionare il partecipante su una sedia a 75 cm dallo schermo del computer, in una stanza attenuata dal suono e dalla luce (schermata acusticamente ed elettricamente).
      2. Dì al partecipante che leggerà frasi di sette parole, presentate una parola alla volta sullo schermo di fronte a loro. Devono leggere ogni frase per rispondere alle domande sul contenuto delle frasi alla fine dell'esperimento.
         1. Ognuna delle sette parole della frase è mostrata individualmente per 100 ms, con un intervallo interstimolo di 1000 ms tra ogni parola.
            1. Le parole vengono presentate una alla volta al centro dello schermo per ridurre al minimo i movimenti oculari durante l'esperimento.
         2. Il partecipante vede prima 10 frasi di pratica.
         3. Mostra i 240 stimoli in ordine casuale, in due presentazioni di 120 frasi. Un terzo delle frasi sono frasi normali, dove l'ultima parola è semanticamente congruente con il resto della frase. Un terzo delle frasi sono frasi incongruenti, dove l'ultima parola è semanticamente incongruente con il resto della frase. Un terzo delle frasi sono frasi normali in cui l'ultima parola è presentata in un carattere più grande rispetto al resto della frase.
3. Avviare il sistema e avere una registrazione continua dell'EEG durante la presentazione dell'attività funzionale.
4. L'EEG è amplificato da amplificatori con un guadagno di 1024 e un passa-banda di 0,01-100 Hz.
5. Le prove contaminate da battiti di ciglia e rigetto di artefatti (circa il 15% delle prove) saranno eliminate off-line.

3. Analisi dei dati

1. Offline, dati di riferimento per mastoidi medi.
2. Le epoche sono corrette al basale usando l'epoca 200 ms prima dell'inizio dello stimolo.
3. Per correggere gli artefatti di movimento, escludere le epoche con una variazione del segnale superiore a 150 μV a qualsiasi elettrodo EEG nella media.
4. Filtrare digitalmente i dati offline (passa banda 0,05-20 Hz).
5. Utilizzare le medie ERP visualizzate dai siti di registrazione Pz per il corso temporale di ogni frase (Figura 2).
   1. Il picco (ampiezza e latenza) dell'N400 parietale viene ottenuto automaticamente da tutti gli elettrodi.

Figura 2: Risultati dell'attività di incongruenza semantica. Al partecipante viene presentata una frase, una parola alla volta. Ogni parola viene visualizzata per 100 ms, seguita da 1 s di uno schermo vuoto. I partecipanti vedono frasi congrue (rosso), frasi incongrue (blu) e frasi in cui l'ultima parola è presentata in una dimensione maggiore (verde). Solo le frasi incongrue producono la risposta N400 quando viene presentata l'ultima parola. Quando l'ultima parola è congrua ma di dimensioni maggiori, c'è una risposta P560 successiva.

6. Analisi statistica
   1. Traccia le medie ERP degli elettrodi Pz parietali per condizioni di dimensioni congruenti, incongruenti e devianti.
   2. Per l'ampiezza di picco e le latenze, utilizzare i test F per ogni intervallo di latenza per determinare se esiste una differenza tra gli stimoli target e di controllo.

Durante il compito di incongruenza semantica in cui i partecipanti hanno visualizzato frasi congrue, frasi incongrue e frasi in cui l'ultima parola è stata presentata in una dimensione maggiore, c'è stata una risposta N400 negativa solo per le frasi incongrue (Figura 2, blu). Le frasi con un elemento sorprendente (ultima parola più grande) che non era semanticamente incongruo non mostravano una risposta N400, ma mostravano una risposta P560 aumentata (Figura 2, rosso). La risposta N400 è iniziata circa 250 ms dopo la presentazione dell'ultima parola della frase e ha raggiunto il picco di circa 400 ms dopo l'inizio dello stimolo.

Questi risultati mostrano che l'attività elettrica nel cervello, e in particolare nel lobo parietale, si registra quando una parola semanticamente incongrua viene presentata come parte di una frase. Questo evento elettrico riflette i processi neurali che identificano l'interruzione dell'elaborazione delle frasi in corso da parte di una parola semanticamente inappropriata. L'N400 sembra fornire informazioni utili sui tempi, la classificazione e le interazioni dei processi cognitivi coinvolti nell'elaborazione e nella comprensione del linguaggio naturale.

Questo studio dimostra alcuni dei vantaggi dell'approccio ERP, in particolare la sua alta risoluzione temporale. In questo paradigma, per simulare la lettura naturale, gli stimoli delle parole sono presentati molto brevemente in successione. Grazie all'eccellente risoluzione temporale dell'EEG, siamo in grado di discernere le risposte elettriche agli stimoli individualmente.

Come marcatore dell'elaborazione semantica, l'N400 può essere uno strumento utile per comprendere lo sviluppo del linguaggio dall'infanzia all'età adulta. Lo studio di questo componente mostra che anche nei bambini di 19 mesi, c'è un effetto di incongruenza semantica quando sentono parole che non corrispondono alle immagini che stanno vedendo. ³ Questo dimostra la presenza molto precoce di un meccanismo per abbinare le parole al loro giusto contesto. Tuttavia, mentre i giovani adolescenti mostrano un N400 che discrimina tra linguaggio congruente e incongruente, il profilo di risposta di questa componente non è ancora così sfumato come quello degli adulti; ad esempio, non è così sensibile a diversi gradi di incongruenza. ⁴ Questi studi dimostrano la sensibilità di questo componente ERP come indice di elaborazione semantica.

1. Habibi, A., Wirantana, V. & Starr, A. Cortical Activity during Perception of Musical Rhythm; Comparing Musicians and Non-musicians. Psychomusicology 24, 125-135 (2014).
2. Kutas, M., & Hillyard, S. A. (1980). Reading Senseless Sentences: Brain Potentials Reflect Semantic Incongruity. Science, 207(4427), 203-205.
3. Friedrich, M., & Friederici, A. D. (2004). N400-like Semantic incongruity effect in 19-month olds: Processing known words in picture contexts. Journal of Cognitive Neuroscience, 16(8), 1465-1477.
4. Benau, E. M., Morris, J., & Couperus, J. W. (2011). Semantic processing in children and adults: Incongruity and the N400. J Psycholinguist Res, 40, 225-239.