La stimolazione non invasiva del nervo vago favorisce l’apprendimento dei suoni di lingue straniere

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Una nuova ricerca dei neuroscienziati dell’Università di Pittsburgh e dell’Università della California di San Francisco (UCSF) ha rivelato che un semplice dispositivo simile ad un auricolare sviluppato all’UCSF che stimola impercettibilmente un nervo chiave che porta al cervello potrebbe migliorare significativamente la capacità di chi lo indossa di apprendere i suoni di una nuova lingua.

Questo dispositivo può avere applicazioni ad ampio raggio per potenziare anche altri tipi di apprendimento.

Il cinese mandarino è considerato una delle lingue più difficili da imparare per i madrelingua inglesi, in parte perché la lingua – come molte altre in tutto il mondo – utilizza cambiamenti distintivi del tono, chiamati “toni”, per cambiare il significato delle parole che altrimenti suonerebbero il stesso.

Nel nuovo studio, pubblicato oggi su  npj Science of Learning , i ricercatori hanno migliorato in modo significativo la capacità dei madrelingua inglesi di distinguere tra i toni del mandarino utilizzando una stimolazione non invasiva e temporizzata con precisione del nervo vago, il più lungo dei 12 nervi cranici che si connettono il cervello al resto del corpo.

Inoltre, la stimolazione del nervo vago ha permesso ai partecipanti alla ricerca di captare alcuni toni di mandarino due volte più rapidamente.

“Mostrare che la stimolazione del nervo periferico non invasivo può rendere più facile l’apprendimento delle lingue potenzialmente apre le porte al miglioramento delle prestazioni cognitive in una vasta gamma di domini”, ha affermato l’autore principale Fernando Llanos, Ph.D., ricercatore post dottorato nel Sound Brain Lab di Pitt.

La stimolazione nervosa non invasiva migliora l'apprendimento dei suoni delle lingue straniere
elettrodi tVNS. Credito: Leonard Lab / UCSF / Jhia Louise Nicole Jackson

“Questa è una delle prime dimostrazioni che la stimolazione del nervo vago non invasivo può migliorare una complessa abilità cognitiva come l’apprendimento delle lingue in persone sane”, ha affermato Matthew Leonard, Ph.D., assistente professore, Dipartimento di Neurological Surgery, UCSF Weill Institute per Neurosciences, il cui team ha sviluppato il dispositivo di stimolazione nervosa.

Leonard è un autore senior del nuovo studio, insieme a Bharath Chandrasekaran, Ph.D., professore e vicepresidente di ricerca, Dipartimento di Scienze e disturbi della comunicazione, Pitt School of Health and Rehabilitation Sciences e direttore del Sound Brain Lab.

I ricercatori hanno utilizzato una tecnica non invasiva chiamata stimolazione del nervo vago transcutaneo (tVNS), in cui un piccolo stimolatore è posizionato nell’orecchio esterno e può attivare il nervo vago usando impulsi elettrici impercettibili per stimolare uno dei rami vicini del nervo.

Per il loro studio, i ricercatori hanno reclutato 36 adulti madrelingua inglese e li hanno formati per identificare i quattro toni del cinese mandarino in esempi di linguaggio naturale, usando una serie di compiti sviluppati nel Sound Brain Lab per studiare la neurobiologia dell’apprendimento delle lingue.

La stimolazione nervosa non invasiva migliora l'apprendimento dei suoni delle lingue straniere
Illustrazione del nervo vago. Credito: Kenneth Probst / UCSF

I partecipanti che hanno ricevuto un tVNS impercettibile abbinato a due toni mandarino che sono in genere più facili da distinguere per gli anglofoni hanno mostrato rapidi miglioramenti nell’apprendimento di distinguere questi toni.

Alla fine dell’allenamento, i partecipanti erano in media migliori del 13% ai toni di classificazione e hanno raggiunto il picco delle prestazioni due volte più rapidamente dei partecipanti al controllo che indossavano il dispositivo tVNS ma non hanno mai ricevuto stimoli.

“C’è la sensazione generale che le persone non possano imparare i modelli sonori di una nuova lingua in età adulta, ma il nostro lavoro storicamente ha dimostrato che non è vero per tutti”, ha detto Chandrasekaran. “

In questo studio, stiamo vedendo che tVNS riduce quelle differenze individuali più di qualsiasi altro intervento che ho visto “.

“Questo approccio potrebbe livellare il campo di gioco della variabilità naturale nelle capacità di apprendimento delle lingue”, ha aggiunto Leonard.

“In generale, le persone tendono a scoraggiarsi per quanto possa essere difficile l’apprendimento delle lingue, ma se potessi dare a qualcuno risultati migliori dal 13% al 15% dopo la prima sessione, forse sarebbe più probabile che voglia continuare.”

I ricercatori stanno ora testando se sessioni di allenamento più lunghe con tVNS possono influire sulla capacità dei partecipanti di imparare a discriminare due toni più difficili da differenziare per chi parla inglese, che non è stato significativamente migliorato nello studio attuale.

La stimolazione del nervo vago è stata utilizzata per il trattamento dell’epilessia per decenni ed è stata recentemente collegata a benefici per una vasta gamma di problemi che vanno dalla depressione alla malattia infiammatoria, sebbene il modo esatto in cui vengono conferiti questi benefici rimane poco chiaro.

Ma la maggior parte di questi risultati ha utilizzato forme invasive di stimolazione che coinvolgono un generatore di impulsi impiantato nel torace.

Al contrario, la capacità di evocare stimoli significativi all’apprendimento utilizzando una stimolazione del nervo vago semplice e non invasiva potrebbe portare ad applicazioni cliniche e commerciali significativamente più economiche e sicure.

I ricercatori sospettano che la tVNS promuova l’apprendimento migliorando ampiamente la segnalazione dei neurotrasmettitori attraverso ampie aree del cervello per aumentare temporaneamente l’attenzione sullo stimolo uditivo presentato e promuovere l’apprendimento a lungo termine, sebbene siano necessarie ulteriori ricerche per verificare questo meccanismo.

“Stiamo dimostrando solidi effetti di apprendimento in un modo completamente non invasivo e sicuro, che potenzialmente rende la tecnologia scalabile a una gamma più ampia di applicazioni mediche e di consumo, come la riabilitazione dopo l’ictus”, ha affermato Chandrasekaran.

“Il nostro prossimo passo è comprendere il meccanismo neurale sottostante e stabilire il set ideale di parametri di stimolazione che potrebbero massimizzare la plasticità cerebrale. Consideriamo la TVV uno strumento potente che potrebbe migliorare la riabilitazione in soggetti con danni cerebrali “.


Basati sulla neuromodulazione per migliorare l’apprendimento delle lingue straniere e i risultati della formazione delle competenze

Gli studi che esaminano la neurobiologia dell’apprendimento delle lingue hanno dimostrato che sono coinvolte diverse regioni del cervello.

La plasticità funzionale in queste aree del cervello sembra essere un fattore determinante nella capacità degli individui di imparare le lingue dalla prima infanzia fino all’età adulta.

Da una prospettiva classica, è noto da tempo che l’attività e la plasticità di due regioni cerebrali ben caratterizzate legate al linguaggio giocano un ruolo importante nella nostra capacità di apprendere, comunicare e comprendere le lingue parlate.

L’area di Broca è necessaria per la pianificazione e l’esecuzione del discorso mentre l’area di Wernicke è necessaria per l’analisi e l’identificazione del discorso [1, 2].

Tuttavia, derivando da diversi decenni di studi neurofisiologici e di neuroimaging, abbiamo ampliato la nostra comprensione dell’apprendimento delle lingue per includere molte regioni anatomiche scarsamente distribuite.

Ad esempio, è stato dimostrato che la corteccia perisilviana, il giroscopio temporale superiore e medio, il giroscopio linguale e fusiforme, la corteccia temporale inferiore, la corteccia prefrontale dorsolaterale, l’insula, l’opercolo centrale, il cingolato anteriore e i gangli basali svolgono ruoli nell’apprendimento, ascolto, conversazione, ripetizione e comprensione della lingua parlata [1, 2].

Inoltre, le regioni cerebrali sensoriali primarie come la corteccia uditiva e le regioni di codifica della memoria o di consolidamento delle informazioni come l’ippocampo sono necessarie anche per l’acquisizione e l’uso competente del linguaggio.

Pertanto le strategie basate sulla neuromodulazione progettate per migliorare l’apprendimento delle lingue potrebbero trarre beneficio dall’influenza dell’attività e della plasticità di più loci anatomici rilevanti dal punto di vista linguistico, reti di controllo cognitivo distribuite spazialmente e regioni di elaborazione sensoriale in modo simultaneo o coordinato.

Diversi metodi per migliorare l’apprendimento delle lingue sono stati descritti in letteratura. Negli ultimi dieci anni sono stati compiuti importanti progressi nella progettazione e nell’uso di metodi di apprendimento autonomo, come quelli attualmente incorporati nelle applicazioni di formazione linguistica basate su dispositivi mobili o nei programmi di apprendimento linguistico assistiti dal computer [3–5].

Anche i progressi più recenti nelle tecnologie di realtà virtuale o immersiva (VR) si sono dimostrati utili per migliorare l’apprendimento delle lingue straniere [6, 7]. Sebbene questi metodi di allenamento cognitivo VR e assistiti da computer possano migliorare l’acquisizione del linguaggio facilitando modelli di attività cerebrale naturali derivanti da sessioni di allenamento ripetute o stimolazione sensoriale, non aumentano direttamente l’attività cerebrale o la plasticità per facilitare l’apprendimento di per sé.

È stato anche dimostrato che il sonno svolge un ruolo critico nel consolidamento delle informazioni apprese, incluso l’apprendimento della lingua parlata [8]. Anche i recenti sforzi per influenzare le fasi di consolidamento dell’apprendimento delle lingue durante il sonno si sono dimostrati promettenti utilizzando la riattivazione mirata della memoria (TMR).

Queste indagini sulla TMR hanno dimostrato che la ricerca di parole durante determinate fasi del sonno può migliorare l’apprendimento del vocabolario [9-11]. Questi metodi di TMR richiedono l’implementazione dell’elettroencefalografia (ELETTROENCEFALOGRAMMA) per identificare determinate fasi del sonno, come il sonno ad onde lente durante il quale vengono presentate informazioni sensoriali o segnali linguistici per migliorare i risultati della formazione linguistica.

L’uso dell’EEG durante il sonno pone diverse sfide tecniche che possono interferire con l’adozione ampia per migliorare l’apprendimento delle lingue.

Altri metodi non invasivi di neuromodulazione, che sono stati sviluppati per aumentare direttamente l’attività cerebrale e la plasticità, sono stati usati anche per migliorare l’apprendimento delle lingue.

La stimolazione magnetica transcranica (TMS) e la stimolazione transcranica a corrente continua (tDCS) sono due forme di neuromodulazione non invasiva che possono colpire regioni limitate della corteccia per influenzare l’attività e la plasticità cerebrale.

Gli studi hanno dimostrato che la TMS e la TDC erogate nelle regioni del cervello del linguaggio classico come le aree di Wernicke e Broca possono migliorare la plasticità e il recupero del linguaggio nei pazienti che soffrono di afasia post-ictus [12].

In volontari non afasici, sani, il TDC dell’area di Wernicke ha dimostrato di migliorare la memoria verbale, migliorare il recupero delle parole e ridurre le interferenze durante l’apprendimento delle parole [13, 14].

Anche negli adulti sani il TDC ha dimostrato di migliorare l’apprendimento delle lingue quando applicato alla parte posteriore dell’area peri-silviana sinistra [15], migliorare le prestazioni linguistiche quando consegnato alla corteccia prefrontale sinistra [16], migliorare il recupero delle parole quando applicato alla corteccia motoria primaria degli anziani [17] e per facilitare l’apprendimento e il mantenimento di un nuovo vocabolario quando somministrato in modo acuto alla giunzione temporo-parietale per diversi giorni consecutivi [18].

Nonostante il successo di questi metodi, sono limitati dalle loro capacità di targeting grossolano, possono modulare solo una rete corticale alla volta e sono limitati a modulare i processi corticali dall’alto verso il basso poiché sono incapaci di raggiungere strutture cerebrali più profonde.

Con l’obiettivo principale di sviluppare metodi di formazione mirata alla neuroplasticità (TNT) per accelerare l’apprendimento delle lingue straniere, abbiamo iniziato a esplorare l’utilità delle modalità di neuromodulazione del nervo cranico, come la stimolazione del nervo vagale (VNS).

La stimolazione dei rami cervicali e auricolari del nervo vago è stata ripetutamente dimostrata per indurre plasticità cerebrale a breve e lungo termine [19].

È stato anche dimostrato che modula i circuiti cerebrali e innesca le conseguenze della segnalazione supportando i meccanismi di azione per la plasticità osservata [20-23].

I rami superficiali del vago, in particolare il ramo auricolare del nervo vago (ABVN), si trovano in regioni anatomiche in modo tale da ottenere un accoppiamento elettrico funzionale con essi utilizzando una serie di modelli di elettrodi medici, inclusi approcci convenzionali di stimolazione elettrica transdermica del nervo (TENS) .

Stimolazione del nervo vago per migliorare la plasticità del cervello umano

È stato dimostrato che la stimolazione elettrica di afferenze vagali in diverse specie animali, inclusi gli esseri umani, esercita importanti azioni dal basso verso l’alto sui principali circuiti neuromodulatori del cervello, come il locus coeruleus (LC) e il dorso rapale (DR), nonché potenti neurotrasmettitori endogeni come la noradrenalina (NE) e la serotonina (5-HT) che sono noti per regolare l’eccitazione, l’attenzione e la plasticità neurofisiologica / comportamentale (Figura 1; [20–31].

Inoltre, i dati di numerosi studi hanno dimostrato che la modulazione elettrica delle afferenze vagali, incluso l’ABVN, in soggetti sani può produrre in sicurezza effetti biochimici, comportamentali e neurofisiologici coerenti con un miglioramento dell’apprendimento o della formazione professionale [32–34].

Sulla base di queste prove collettive abbiamo ipotizzato che taVNS possa rappresentare un approccio ottimizzato per il fattore umano per ottenere il miglioramento del TNT dell’apprendimento delle lingue.

Figura 1.
Figura 1.
Modulazione dei nervi periferici dell’orecchio esterno per l’addestramento mirato alla neuroplasticità. La stimolazione elettrica transcutanea del ramo auricolare del vago e di altri nervi influenza l’attività cerebrale ascendente e i sistemi di eccitazione per migliorare la formazione e l’apprendimento qualificati.

Uno dei principali ostacoli allo sviluppo di metodi e sistemi VNS intesi a ottimizzare la formazione e l’apprendimento delle abilità sarà l’identificazione dei parametri di stimolazione ottimali necessari per guidare la plasticità neurale acuta.

Sebbene i parametri VNS utilizzati nelle indagini siano in qualche modo uniformi, non esistono protocolli VNS standardizzati. Non sono stati condotti studi sistematici per identificare i migliori parametri VNS per ottimizzare la segnalazione o la plasticità dei neuromodulatori nel cervello adulto sano.

Molti dei parametri VNS che sono stati utilizzati fino ad oggi sono stati originariamente identificati e adottati per la loro capacità di desincronizzare o interferire con un’attività neurale aberrante come quella, che si verifica negli stati cerebrali malati, come l’epilessia, l’acufene e la depressione.

In effetti, gli studi VNS che hanno mostrato effetti sulla plasticità hanno in gran parte preso in prestito i loro dispositivi e parametri di stimolazione dai progetti e dalle pratiche cliniche [21,27,32–35].

Ciò pone in qualche modo un problema nello sviluppo di un sistema VNS per migliorare la normale plasticità correlata alla formazione e all’apprendimento. Semplicemente non è noto se i parametri di neurostimolazione identificati e validati clinicamente siano ideali per le applicazioni VNS in cui l’ottimizzazione della normale funzione cerebrale è il risultato desiderato.

Pertanto, una parte significativa del nostro sforzo prestazionale è stata dedicata allo studio di come le diverse strategie VNS influenzano la plasticità sensoriale o uditiva e l’eccitazione autonomica.

Targeting per rami auricolari del nervo vago umano

Studi anatomici e funzionali hanno dimostrato che gli afferenti dell’AVBN innervano le regioni superficiali del padiglione auricolare in particolare lungo il meato esterno e il concha (Figure 1 e 2A).

Ad esempio, uno studio che indaga sulle prove anatomiche del coinvolgimento dell’AVBN nel riflesso della tosse di Arnold ha mostrato rami del progetto AVBN al meato in studi di microdissezione su cadavere e TC ad alta risoluzione [36].

Un altro eloquente studio istologico condotto sui tessuti umani ha presentato solide prove istologiche e immunocitologiche per la presenza di fibre vagali che rivestono la pelle al di fuori della cartilagine del meato [37].

La presenza di un minor numero di fibre è stata osservata nella pelle del concha e inoltre quei nervi erano profondamente incorporati nella cartilagine [37]. Sulla base di queste prove abbiamo ipotizzato che il meato uditivo fosse un obiettivo idealizzato per taVNS poiché in questa posizione vi è una maggiore densità di fibre nervose e poiché la cartilagine non interferirà con l’erogazione di correnti pulsate ai nervi come nell’orecchio esterno regioni.

Pertanto abbiamo progettato, ottimizzato, progettato e fabbricato elettrodi per auricolari biocompatibili a base di idrogel progettati per essere indossati nel meato uditivo per ottenere informazioni preliminari sulla sicurezza e l’efficacia di questo metodo per migliorare l’elaborazione sensoriale e la plasticità cerebrale.

Abbiamo studiato in particolare in che modo vari protocolli di stimolo taVNS erogati tramite elettrodi per auricolari influenzano la sicurezza, la tollerabilità, la plasticità uditiva acuta e la fisiologia autonoma di volontari umani sani.

Dimensioni umane e considerazioni del mondo reale per i metodi di stimolazione del nervo vago auricolare

La stimolazione del nervo vagale auricolare transdermico (taVNS) ha dimostrato di essere un metodo ampiamente sicuro ed efficace per regolare i circuiti cerebrali neuromodulatori ascendenti, nonché le regioni corticali più elevate nelle popolazioni cliniche.

Le prove hanno suggerito che questa sicurezza si estende in una popolazione sana poiché VNS ha dimostrato di essere sicuro ed efficace per modulare l’attività cerebrale negli adulti sani in molti studi ora.

Un potenziale ostacolo all’utilizzo dei metodi precedentemente descritti è che utilizzano approcci di targeting errati e hanno implementato progetti industriali scadenti che tengono adeguatamente conto dei fattori umani del mondo reale, come il comfort o la capacità di indossare per periodi prolungati.

Finora molti rapporti taVNS hanno preso di mira il tragus, ad esempio utilizzando metodi grezzi con clip per elettrodi [38]. Non è chiaro il motivo se non per comodità o mancanza di conoscenza rispetto alla neuroanatomia del nervo vagale funzionale.

Questo metodo è problematico per l’usura prolungata a causa del movimento degli elettrodi e del potenziale dolore o disagio dell’utente.

Le clip degli elettrodi possono diventare piuttosto scomode a causa del pizzicamento meccanico.

Inoltre, alcuni di questi elettrodi a clip sono realizzati in gomma o carbonio ad alta impedenza che non è ideale per la modulazione nervosa elettrica transcutanea non invasiva.

Altri approcci abbastanza grossolani hanno implementato piccoli elettrodi a sfera in acciaio inossidabile (1-2 mm) posizionati in due o più posizioni nella concha e nell’orecchio esterno [39], che possono causare disagio a causa di elevate densità di corrente all’interfaccia elettrodo-pelle .

Nelle nostre indagini, abbiamo mirato a garantire il comfort e l’usura durante i trattamenti di stimolazione elettrica ottimizzati per non distrarre gli utenti o indurre dolore che può causare confusione significativa quando si cerca di migliorare la plasticità cerebrale o ottimizzare le prestazioni umane.

Esistono molti altri rapporti sul campo che hanno implementato approcci mal progettati per l’interfacciamento elettrico con la pelle dell’orecchio esterno.

Ad esempio, Keute e colleghi (2019) hanno utilizzato elettrodi di carta o con retro in tessuto con pasta di accoppiamento per elettrodi per posizionare elettrodi piccoli (4 × 4 mm) nella conca.

Questo di nuovo può produrre densità di corrente localmente elevate a causa delle dimensioni ridotte dell’elettrodo utilizzato. Inoltre è un approccio metodologico soggetto a numerosi confusi e incongruenze dovute a fluttuazioni inevitabili e significative nelle impedenze elettrodo-pelle che si verificano con movimento o movimenti molto piccoli.

Inoltre, i materiali degli elettrodi utilizzati non erano ideali per taVNS.

Forse la cosa più preoccupante è che l’implementazione dei metodi sopra discussi può produrre risultati inaffidabili, offuscare il campo con dati oscuri, impedire il progresso futuro verso lo sviluppo di applicazioni del mondo reale e può influenzare la percezione pubblica e le iniziative di finanziamento.

Pertanto, nelle nostre indagini, abbiamo mirato a utilizzare le migliori pratiche dai metodi di stimolazione dei nervi periferici all’avanguardia, nonché dai moderni principi di progettazione e ingegneria degli elettrodi.

Abbiamo specificamente assicurato adattamenti personalizzati e adeguati degli elettrodi per ridurre al minimo il movimento meccanico e le fluttuazioni dell’impedenza elettrica, massimizzando il comfort e il comfort durante i trattamenti di stimolazione elettrica.

Queste pratiche sono fondamentali perché i metodi non dovrebbero distrarre gli utenti o indurre alcun dolore / disagio che possa causare confusione significativa quando si cerca di migliorare la plasticità cerebrale, modulare l’eccitazione e l’attenzione o ottimizzare le prestazioni umane.

Figura 2.
Figura 2.
Panoramica degli approcci transdermici di stimolazione del nervo vagale auricolare. A) Illustrazione anatomica che mostra diversi rami di nervi cranici (ramo auricolare del nervo trigeminale CN V, nervo facciale CN VII e ramo auricolare CN X del nervo vago = AVBN) e nervi cervicali (C2 e C3; nervo occipitale inferiore = LON e grande nervo auricolare = GAN) che innervano l’orecchio esterno. Abbiamo mirato all’ABVN utilizzando elettrodi taVNS per auricolari personalizzati (B) o semi-personalizzati / modificati (C) inseriti nel meautus acustico. D) Bifasico, bilanciato in carica,

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More information: npj Science of LearningDOI: 10.1038/s41539-020-0070-0

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