Linguagem: O N400 em Incongruência Semântica

Fonte: Laboratórios de Sarah I. Gimbel e Jonas T. Kaplan - Universidade do Sul da Califórnia

Entender a linguagem é uma das tarefas cognitivas mais complexas das quais os humanos são capazes. Dada a incrível quantidade de escolhas possíveis ao combinar palavras individuais para formar significado em frases, é crucial que o cérebro seja capaz de identificar quando as palavras formam combinações coerentes e quando uma anomalia aparece que mina o significado. Pesquisas extensas mostraram que certos eventos elétricos registrados no couro cabeludo são sensíveis a desvios nesse tipo de expectativa. É importante ressaltar que essas assinaturas elétricas de incongruência são específicas para significados inesperados e, portanto, são diferentes das respostas gerais do cérebro a outros tipos de anomalias.

As correlações neurofisiológicas da incongruência semântica foram examinadas experimentalmente através do uso de paradigmas que apresentam fins semanticamente congruentes e incongruentes às sentenças. Originalmente introduzida em 1980, a tarefa de incongruência semântica apresenta ao participante uma série de frases que terminam com uma palavra congruente ou incongruente. Para testar que a resposta é de incongruência semântica e não mais geralmente devido à surpresa, algumas frases incluíam palavras apresentadas em um tamanho diferente. ¹ O fim semanticamente incongruente de uma frase tem sido mostrado para provocar eventos elétricos específicos que são registrados no couro cabeludo conhecido como potenciais relacionados a eventos (ERPs). Um ERP é a resposta cerebral medida resultante de um evento sensorial, cognitivo ou motor específico. Os ERPs são medidos por meio da eletroencefalografia (EEG), um meio não invasivo de avaliar a função cerebral em pacientes com doença e indivíduos normalmente em funcionamento. Um componente ERP específico encontrado em todo o couro cabeludo, conhecido como N400, mostra maior amplitude em resposta a eventos semanticamente incongruentes. O N400 é uma deflexão negativa no sinal EEG que ocorre entre 250 e 400 ms após o início do estímulo. Em geral, os potenciais iniciais refletem o processamento sensorial-motor, enquanto potenciais posteriores como o N400 refletem o processamento cognitivo.

Neste vídeo, mostramos como administrar uma tarefa semântica de incongruência usando EEG. O vídeo cobrirá a configuração e administração do EEG, e a análise de ERPs relacionados tanto ao controle quanto aos estímulos de alvo na incongruência semântica. Nesta tarefa, os participantes são configurados com os eletrodos EEG, em seguida, a atividade cerebral é registrada enquanto eles vêem sentenças de controle e frases semanticamente incongruentes. O procedimento EEG é semelhante ao de Habibi et al.,¹ e a tarefa é modelada após Kutas e Hillyard. ² Quando os ERPs são mediados em todas as frases congruentes e incongruentes, as correlações neurais de cada evento podem ser comparadas em uma janela de tempo selecionada.

1. Recrutamento de participantes

1. Recrute 20 participantes para o experimento.
2. Certifique-se de que os participantes foram totalmente informados dos procedimentos de pesquisa e tenham assinado todos os formulários de consentimento adequados.

2. Coleta de dados

Figura 1: Colocação de eletrodos. Colocação dos eletrodos faciais para detectar artefatos EOG e registrar movimento mastoide (A). Diagrama de medição diretamente entre as sobrancelhas até pouco abaixo da colisão na parte de trás da cabeça. 10% desta medida é medida acima da marca média dos olhos, e é aqui que o eletrodo FPZ da tampa é colocado (B).

1. Preparação de EEG (Nota: Estas etapas são para uso com o sistema Neuroscan 4.3 com amplificador Synamps 2 e uma tampa rápida de 64 canais.)
   1. Os participantes de um estudo de EEG não devem ter nenhum produto para cabelo (por exemplo,gel, mouse ou condicionador de licença) em seus cabelos antes de sua participação.
   2. Encha 2-4, seringas de 10 ml com eletrodo-gel condutivo (ou seja,gel rápido). Sugere-se mexer o gel antes de usá-lo para liberar bolhas de ar.
   3. Escove bem o cabelo e o couro cabeludo (cerca de 5 min).
   4. Cabeça limpa com álcool e gaze de algodão. Limpe também a pele para colocação de eletrodos: dois mastoides (atrás de cada orelha), abaixo e acima do olho esquerdo VEO (eletro-ocular vertical), e os lados distantes de cada heo ocular (horizontal eletro-ocular; Figura 1, esquerda).
   5. Usando discos adesivos de dois lados, coloque os eletrodos.
   6. Meça a cabeça da frente (diretamente entre as sobrancelhas, meio-olho) até a inigestão (abaixo da colisão da cabeça na parte de trás). Essa distância determinará o tamanho da tampa (pequena, média ou grande). Para colocar a tampa, marque a distância medida de 10% na testa e certifique-se de que o eletrodo frontal médio (FPz) seja colocado neste ponto marcado.
   7. Fixar os eletrodos faciais aos seus respectivos cabos na tampa.
   8. Comece a encher os eletrodos com gel, usando a ponta da agulha para raspar o cabelo de lado debaixo do eletrodo, para que o eletrodo esteja em contato direto com o couro cabeludo. Tenha cuidado para não ferir a pele.
      1. Levantar um pouco o eletrodo facilita a inserção do gel. Na maioria dos casos, haverá cabelo debaixo do eletrodo. Movê-lo para fora do caminho permitirá melhor impedância.
   9. Leve o participante para a sala à prova de som e conecte a tampa e eletrodos individuais.
   10. Verifique a impedância da conexão eletrodo-couro cabeludo para mantê-lo abaixo de 10 KΩ. Se a impedância for alta certifique-se de que o eletrodo tem gel condutivo e está em contato com o couro cabeludo.
       1. A impedância é a tendência de impedir o fluxo de uma corrente alternada. A alta impedância pode aumentar o ruído nos dados e deve ser minimizada antes do início do estudo.
       2. Na maioria dos casos, o cabelo está no caminho do eletrodo. Tirá-lo do caminho deve ficar melhor.
   11. Uma vez que a impedância é aceitável para todos os eletrodos e os traços de EEG são vazios de ruído, a coleta de dados pode começar.
2. Coleta de dados EEG
   1. Prepare o participante para fazer a tarefa.
      1. Coloque o participante em uma cadeira a 75 cm da tela do computador, em uma sala de som e luz atenuada (acústica e eletricamente blindada).
      2. Diga ao participante que estará lendo frases de sete palavras, apresentadas uma palavra de cada vez na tela em frente a elas. Eles devem ler cada frase a fim de responder perguntas sobre o conteúdo das frases no final do experimento.
         1. Cada uma das sete palavras da frase é mostrada individualmente para 100 ms, com um intervalo de 1000 ms entre cada palavra.
            1. As palavras são apresentadas uma de cada vez no centro da tela para minimizar os movimentos dos olhos durante o experimento.
         2. O participante vê pela primeira vez 10 frases práticas.
         3. Mostre os 240 estímulos em uma ordem aleatória, em duas apresentações de 120 frases. Um terço das sentenças são sentenças normais, onde a última palavra é semanticamente congruente com o resto da frase. Um terço das sentenças são sentenças incongruentes, onde a última palavra é semanticamente incongruente com o resto da sentença. Um terço das frases são frases normais onde a última palavra é apresentada em uma fonte maior do que o resto da frase.
3. Inicie o sistema e tenha gravação contínua de EEG durante toda a apresentação da tarefa funcional.
4. O EEG é amplificado por amplificadores com um ganho de 1024 e um passe de banda de 0,01-100 Hz.
5. Ensaios contaminados por pisca-piscas e rejeição de artefatos (aproximadamente 15% dos ensaios) serão eliminados off-line.

3. Análise de dados

1. Offline, dados de referência para mastoides médios.
2. As épocas são corrigidas usando a época de 200 ms antes do início do estímulo.
3. Para corrigir para artefatos de movimento, exclua épocas com uma mudança de sinal superior a 150 μV em qualquer eletrodo EEG na média.
4. Filtrar digitalmente os dados offline (bandpass 0,05-20 Hz).
5. Use as médias ERP que são exibidas nos sites de gravação do Pz para o curso de tempo de cada frase(Figura 2).
   1. O pico (amplitude e latência) do parietal N400 é obtido automaticamente de todos os eletrodos.

Figura 2: Resultados da tarefa de incongruência semântica. O participante é apresentado com uma frase, uma palavra de cada vez. Cada palavra aparece para 100 ms, seguida por 1 s de uma tela em branco. Os participantes veem frases congruentes (vermelhas), frases incongruentes (azul) e frases em que a última palavra é apresentada em tamanho maior (verde). Apenas as frases incongruentes produzem a resposta N400 quando a última palavra é apresentada. Quando a última palavra é congruente, mas maior em tamanho, há uma resposta P560 posterior.

6. Análise estatística
   1. Plot ERP médias dos eletrodos parietal Pz para condições de tamanho congruentes, incongruentes e desviantes.
   2. Para amplitude máxima e latências, use testes F para cada faixa de latência para determinar se há diferença entre os estímulos de alvo e controle.

Durante a tarefa de incongruência semântica, onde os participantes viam frases congruentes, frases incongruentes e frases em que a última palavra foi apresentada em maior porte, houve uma resposta n400 negativa apenas para as frases incongruentes(Figura 2, azul). Frases com um elemento surpreendente (última palavra maior) que não era semanticamente incongruente não mostraram uma resposta N400, mas mostraram uma resposta P560 aumentada(Figura 2, vermelho). A resposta do N400 começou cerca de 250 ms após a apresentação da última palavra da frase e atingiu cerca de 400 ms após o início do estímulo.

Esses resultados mostram que a atividade elétrica no cérebro, e particularmente no lobo parietal, registra quando uma palavra semanticamente incongruente é apresentada como parte de uma frase. Este evento elétrico reflete os processos neurais que identificam a interrupção do processamento contínuo da sentença por uma palavra semanticamente inadequada. O N400 parece fornecer informações úteis sobre o tempo, classificação e interações dos processos cognitivos envolvidos no processamento e compreensão da linguagem natural.

Este estudo demonstra algumas das vantagens da abordagem ERP, em particular, sua alta resolução temporal. Nesse paradigma, para simular a leitura natural, os estímulos da palavra são apresentados muito brevemente em sucessão. Devido à excelente resolução temporal do EEG, somos capazes de discernir respostas elétricas aos estímulos individualmente.

Como marcador de processamento semântico, o N400 pode ser uma ferramenta útil na compreensão do desenvolvimento da linguagem desde a infância até a idade adulta. O estudo deste componente mostra que, mesmo em bebês de 19 meses, há um efeito semântico de incongruência quando ouvem palavras que não combinam com imagens que estão vendo. ³ Isso demonstra a presença muito precoce de um mecanismo para combinar palavras com seu contexto adequado. No entanto, enquanto os jovens adolescentes mostram um N400 que discrimina entre linguagem congruente e incongruente, o perfil de resposta deste componente ainda não é tão nuances quanto o dos adultos; por exemplo, não é tão sensível a diferentes graus de incongruência. ⁴ Esses estudos demonstram a sensibilidade deste componente ERP como índice de processamento semântico.

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.