Živčani mehanizmi kojima se ostvaruju Forbrain® efekti

Živčani mehanizmi kojima se ostvaruju Forbrain® efekti: prijedlog istraživanja

Carles Escera, PhD, Professor
Institut za mozak, kogniciju i ponašanje (IR3C) i Odjel za Psihijatriju i kliničku psihobiologiju

Sveučilište u Barceloni

Najsuvremenija tehnologija

Uređaj Forbrain® jednostavan je za upotrebu i implementira koštanu provodljivost i niz dinamičkih filtera tako da korisniku pruža feedback njegovim vlastitim glasom. Na taj način poboljšava njegovu percepciju kroz optimizaciju svih komponenata audiovokalne petlje. Smatra se da ovaj proizvod može poboljšati govor, tečnost, pamćenje, usredotočenost, koordinaciju i mnoge druge senzorne funkcije, što dovodi do nekoliko prilagodbi u psihološko (kognitivno)/emocionalnoj domeni.

Korištenjem koštane provodljivosti Forbrain proširuje mogućnosti manipuliranja i predstavljanja podražaja na dosad neviđene načine, što otvara nove mogućnosti obogaćivanja akustičke okoline. Kroz koštanu provodljivost (koštanu vibraciju), zvučni valovi dopiru do unutarnjeg uha, induciraju pokretni val u bazilarnoj opni i stimuliraju pužnicu istim mehanizmima kao normalna zračna provodljivost (Stenfelt et al., 2003). Taj put, pužnica, njena bazilarna opna i prevođenje dolazećeg zvučnog signala u živčani impuls, predstavljaju usko grlo u kojem se zračno i koštano provođeni zvukovi sastaju na svom putu prema središnjem auditornom sustavu (Stenfelt et al., 2003; 2005). Ako se amplituda i faza određenog zvuka na odgovarajući način prilagode, njegov signal u pužnici trebao bi se poništiti. Tako se Forbrainovim dinamičkim filterom u signal koji prolazi kroz kost uvode neočekivane i nasumične promjene koje mogu poništiti ili izobličiti zrakom provedeni signal tih istih zvukova, dovodeći do neočekivanih, rijetkih i potencijalno iznenađujućih promjena u auditornom signalu.

Iznosimo tezu da Forbrain zaista inducira plastične promjene u središnjem živčanom sustavu kroz barem dva neovisna, ali srodna neuralna mehanizma. 1) poticanjem audiovokalne petlje kroz modificirani govorni signal, što dovodi do obogaćenja akustičke okoline i povećava slušnu plastičnost, i 2) prisiljavanjem niza izvršnih mehanizama kontrole pažnje da se nose s nevoljnim signalima pažnje koje izazivaju neusklađeni govorni inputi. Konačan rezultat svih tih procesa moglo bi biti jačanje izvršnih mehanizama kontrole pažnje, što vodi do poboljšanja koncentracije, veće otpornosti na ometanja, povećanja kapaciteta radne memorije i osjećaja veće fokusiranosti.

U usporedbi s mnogim drugim metodama vježbanja i rehabilitacije za komunikacijske sposobnosti, poboljšanje govora i kognitivni napredak, Forbrain ima tu prednost da iako je aktivan – zahtijeva izgovaranje i praćenje određenog režima vježbi – korisniku postavlja vrlo malo zahtjeva. Dok druge metode traže postizanje određene razine sposobnosti u raznim vježbama koje postaju sve teže kroz nekoliko tjedana, Forbrain vježbe oblikuju se prema motivaciji, predanosti i spremnosti korisnika da slijedi obuku, bez daljnjih ograničenja. To je očigledno velika kompetitivna prednost.

Audiovokalna petlja


Upotrebom dinamičkih filtera mijenja se govorni signal korisnika, koji se zatim šalje natrag preko koštanog provodnika i ne podudara se s korolarnim pražnjenjem (eferentnom kopijom) planiranih zvukova. To prisiljava audiovokalnu petlju na fine prilagodbe, što se može smatrati obogaćivanjem akustičke okoline koje vodi do auditorne plastičnosti. Vokalni (motorički) sustav šalje eferentnu kopiju ili korolarno pražnjenje zvuka koji nastoji proizvesti, tako da kodiranje auditornog inputa nastalo od zvukova koje sami stvaramo biva ublaženo u auditornom sustavu (Aliu et al., 2008; vidjeti Wolpert et al., 1995; Crapse and Sommer, 2008; Scott, 2013).

Pouzdano je utvrđeno da u auditornom korteksu može doći do plastičnih promjena kao reakcija na bihevioralno relevantne zvukove (Fritz et al., 2005; Nelken, 2009), poput onih koji su uvjetovanjem povezani s nagradom ili kaznom u eksperimentima na životinjama. Čini se da je za izazivanje tih plastičnih promjena presudna bihevioralna važnost podražaja. Najbolji primjer tog svojstva auditornog sustava vidljiv je na mozgovima glazbenika, kod kojih postoje znatne funkcionalne i anatomske razlike u usporedbi s osobama koje nisu glazbenici (Zatorre, 2013). Ipak, auditorna plastičnost nije vidljiva samo kod aktivnih stanja. Na primjer, Eggermont i suradnici demonstrirali su na mačkama da dugotrajno pasivno izlaganje spektralno izmijenjenoj akustičnoj okolini uzrokuje veliku reorganizaciju tonotopičke mape u auditornom korteksu (Noreńa et al., 2006; Pienkowski and Eggermont, 2012). Također kod ljudi, u studiji na pacijentima koji su se oporavljali od moždanog udara, primijećeno je da pasivno slušanje glazbe (sat vremena dnevno kroz dva mjeseca, materijala po vlastitom izboru) potiče moždanu plastičnost (Särkämo et al., 2008). Kod tih pacijenata primijećena su poboljšanja oporavka verbalne memorije, fokusiranosti pažnje i nekoliko pokazatelja raspoloženja, koja su se zadržala i 6 mjeseci nakon tretmana.

Cerebralna mreža za jezik uključuje Brocaovo područje u čeonom režnju lijeve hemisfere, i njegov komprehenzivni pandan, smješten u Wernickeovom području na stražnjem dijelu gornjeg čeonog režnja. Međutim, postoji određeno područje povezano sa sluhom smješteno u stražnjem dijelu planun temporale (vjerojatno «planum», prim. prev.) lijeve hemisfere koje je također uključeno u stvaranje govora, takozvano Spt područje (Hickok et al., 2000, 2003). Spt se aktivira tijekom pasivne percepcije govora i tijekom govora «u sebi» (subvokalne artikulacije) (Buschbaum et al, 2001, 2005), i u jakoj je međusobnoj vezi s onim u pars opercularis (Buschbaum et al., 2005) – anatomskoj regiji koja pomaže dijelu Brocaovog područja – s kojom je gusto povezano traktom bijele tvari (Hickok et al., 2011). Time što je smješteno usred mreže auditornog (gornja sljepoočna brazda) i motoričkog (pars opercularis) područja, smatra se da je Spt čvorište senzomotoričke integracije za govor i vezane funkcije vokalnog trakta (Hickok et al., 2010) i povezano je s kontrolom auditornog feedbacka u produkciji govora. Iznesena je teza da Spt regija djeluje kao kontrolni mehanizam za dinamičko prilagođavanje signala planiranog govora tijekom produkcije (Hickok et al., 2010).

To je vrlo relevantno za Forbrain jer senzorni feedback koji pružaju koštana provodljivost i dinamički filteri zaista se suprotstavlja unutarnjim predviđanjima, što nužno dovodi do ponovnog prilagođavanja i podešavanja unutarnjeg modela za govor. Na primjer, jedna studija pokazala je da je kod osoba s perzistentnim razvojnim mucanjem prisutna manjkava reprezentacija zvukova njihovog materinjeg jezika (fonema) uz očuvanu reprezentaciju akustičkih obilježja, mjereno u pasivnom stanju (Corbera et al., 2005). Također, te manjkave reprezentacije fonema u korelaciji su s težinom mucanja, što je u skladu s gore opisanim teorijskim modelom. Važna implikacija tog modela, općenito i konkretno u vezi s Forbrainom, jest da je korištenje vlastitog glasa dovoljno za stvaranje korektivnih signala za govornu motoriku, kao što je slušanje glasova drugih govornika dovoljno za učenje i usavršavanje novih obrazaca govorne motorike. Stoga se može očekivati da se mreže za govornu motoriku u čeonom korteksu aktiviraju tijekom pasivnog slušanja govora, dok se istovremeno odvija temeljita rekalibracija sustava na vrlo finoj razini tijekom normalne produkcije govora. Ako su očekivani dolazni signali vlastitog glasa ozbiljno narušeni, kao što se događa s Forbrainom, mogu se očekivati dramatične plastične promjene u audiovokalnoj petlji.

Mehanizmi kontrole pažnje

Na drugom mjestu, neočekivana narušavanja obrasca očekivanja u vezi s vlastitim zvukovima pokreću kaskadu procesa nevoljnog usmjeravanja pažnje, što uključuje nevoljno usmjeravanje pažnje na te promjene, odupiranje ometanju i vraćanje pažnje na primarni zadatak (npr. poruku koja se šalje), a sve se događa u dijelu sekunde. Posljedica gore objašnjenih mehanizama je da senzorna predviđanja izazvana eferentnom kopijom tekućeg govora bivaju ometena manipuliranim inputom koji dolazi kroz kosti, što rezultira nužnim prilagodbama modela senzornog očekivanja. To ometanje obrasca neočekivanim inputom potiče pažnju, jer auditorni sustav identificira dolazni signal kao «ometajući», što dovodi do nevoljnog uključivanja pažnje (Escera et al., 1998). Brojni dokazi govore da novi ili neočekivani auditorni podražaji pokreću nevoljno okretanje pažnje prema dolazećem podražaju što rezultira bihevioralnim ometanjem tekućeg primarnog zadatka i pratećim prilagođavanjem moždane aktivnosti u odgovornoj neuralnoj mreži (pogledati recenzije u Escera et al., 2000; Escera and Corral, 2007). Aktivacija te neuralne mreže može se pratiti bilježenjem njenog neuralnog potpisa na vlasištu, to jest, ekstrakcijom potencijala povezanih s događajima (ERP) iz tekućeg EEG-a. Identificiran je niz valnih oblika koji odgovaraju takozvanom distrakcijskom potencijalu (distraction potential, DP; vidi sliku 1), i koji odražavaju tri sukcesivna stadija u lancu nevoljne pažnje: negativnost nepodudaranja (mismatch negativity, MMN) koja odražava otkrivanje dispariteta (Escera et al., 1998); val novelty-P3, koji odražava efektivno usmjeravanje pažnje prema zvuku koji ga izaziva (Escera et al., 1998), i reorijentirajuća negativnost (RON) (Schröger and Wolff, 1998; Escera et al., 2001). Također, distrakcijski potencijal može otkriti interakcije između oblika pažnje odozgo-nadolje (top-down) i odozdo-nagore (bottom-up), kao prilikom opterećivanja radne memorije (SanMiguel et al., 2008) i emocionalnog izazova (Domínguez-Borrŕs et al., 2009). Kao što je već raspravljeno, vrlo je vjerojatno da, zahvaljujući prirodi svojih manipulacija glasa korisnika, Forbrain postavlja izvanredan izazov toj cerebralnoj mreži za nevoljnu kontrolu pažnje, i snimanje tih potencijala povezanih s nevoljnom pažnjom pruža dosad neviđen okvir za validaciju principa njegovog djelovanja.

Osim toga, slušni sustav također se može suprotstavljati ometalima, lako preusmjeravajući pažnju natrag na izvođenje zadatka nakon kratkotrajnog skretanja pažnje (Escera et al., 2001; Schröger i Wolff, 1998; see Escera and Corral, 2007). Konačan ishod svih ovih procesa usmjeravanja i preusmjeravanja pažnje tijekom slušanja vlastitog manipuliranog glasa putem koštanog provodnika moglo bi biti opće poboljšanje sposobnosti kontrole pažnje, koje omogućava lakšu obranu od ometanja i fokusiranije ponašanje.

Potencijalno zanimljivo područje: Govor u buci

Iako je slušna i govorna percepcija prirodna funkcija za većinu ljudi, čak i kad se odvija u normalnim sredinama koje su obično ispunjene raznim oblicima pozadinske buke, kao npr. u gužvi na ulici, kafićima, društvenim događajima, pa čak i u učionici, slušni sustav mora primjenjivati ono što zovemo uspješna percepcija govora u buci (speech-in-noise perception). Djeca, posebno ona s teškoćama u učenju, i starije odrasle osobe posebno su osjetljivi na utjecaje buke na percepciju govora (Bradlow et al., 2003; Ziegler et al., 2005; Kim et al., 2006). Te teškoće mogu se javljati čak i kod normalne slušne audiometrije, iz čega se može zaključiti da su osnovni problem manjkavi središnji slušni mehanizmi (Anderson i Kraus, 2010). Zbog toga, iznesena je teza da se neke teškoće u učenju kod djece dijelom posljedica deficita u izdvajanju buke, što bi se manifestiralo u prisutnosti buke, ali ne i u tihim situacijama (Sperling et al., 2005; Ziegler et al., 2009).

Percepcija govora u buci kompleksan je zadatak koji uključuje interakciju senzornih i kognitivnih procesa. Kako bi se identificirao željeni zvuk govornika u pozadinskoj buci, slušni sustav prvo treba formirati slušni objekt od onoga što čuje na temelju spektrotemporalnih naznaka. Na primjer, govornikov glas identificira se slušnim grupiranjem ključnih akustičnih obilježja, poput temeljne frekvencije (F0) i drugog harmonika podražaja (H2) koji definiraju ton glasa (Anderson and Kraus, 2010). Nekoliko studija demonstriralo je da odgovor slušnog moždanog debla zabilježen preko ljudskog vlasišta, poznat kao frekvencija nakon reakcije (Frequency Following Response, FFR), za koji se vjeruje da predstavlja biološki potpis kodiranja zvuka u slušnom moždanom deblu (Skoe and Kraus, 2010; Chandrasekaran i Kraus, 2009; vidi Sliku 2), kasni i oslabljen je ako do podražaja dolazi u uvjetima pozadinske buke (Cunningham et al., 2001; Anderson i Kraus, 2010).

Također, nekoliko novijih studija pokazalo je da je različitim programima vježbi moguće poboljšati percepciju govora u buci mehanizmima poboljšanja kodiranja obilježja relevantnih za govor u slušnom moždanom deblu (Anderson i Kraus, 2013; Kraus, 2012). Iz ovoga se čini da je Forbrain vrlo moćno sredstvo za izazivanje slušnih plastičnih promjena potrebnih za poboljšanje percepcije govora u buci.

Potencijalne studije koje treba provesti

Kako bi se potvrdilo koji su živčani mehanizmi osnova Forebrain efekata, trebalo bi provesti sljedeće temeljne studije na zdravim sudionicima nakon jedne upotrebe Forbraina («phasic bossting») (vjerojatno «phasic boosting», prim. prev.), ili nakon završetka pune serije vježbi:

• Inducirane plastične promjene u mehanizmima kodiranja glasovnih zvukova u slušnom moždanom deblu, mjereno frekvencijom nakon reakcije (FFR);

• Poboljšanja u središnjoj slušnoj diskriminaciji jednostavnih ili kompleksnijih (npr. jezičnih) slušnih obilježja, mjereno negativnošću nepodudaranja (MMN);

• Izoštrenje sposobnosti pažnje (npr. otpornošću na ometanja ili poboljšanjem izvedbe zadatka) korištenjem distrakcijske paradigme i pratećeg distrakcijskog potencijala (DP).

U primijenjenim istraživanjima važno je identificirati potencijalne ciljne grupe koje bi mogle imati koristi od određenih Forebrain efekata. Na primjer, živčani sustav beba, male djece i adolescenata još uvijek sazrijeva, pa su oni podložniji plastičnim promjenama, čak i u pasivnim uvjetima. S druge strane, poznato je da sredovječne i starije osobe pate od slušnih deficita jednostavno zbog svoje dobi, npr. od poteškoća percepcije govora u buci. Zato bi se mogle osmisliti i provesti specifične studije za provjeru učinka sustavnog programa vježbi pomoću Forbraina na sljedećim relevantnim područjima:

• Kod djece koja boluju od disleksije ili posebnih jezičnih teškoća (SLI). Kod ovih razvojnih poremećaja, iako su temeljni uzroci neurološki, njihovi patofiziološki uzroci još uvijek su predmet rasprave, i nema jedinstvenog tretmana koji bi bio prihvaćen kao zlatno rješenje. Forbrain bi mogao pomoći poboljšati slušnu diskriminaciju, fonološku svjesnost i jezične vještine.

• Kod djece koja boluju od poremećaja pažnje s hiperaktivnošću (ADHD). Iako je dokazano da je kod većine pacijenata s ADHD-om farmakološki tretman vrlo djelotvoran, trenutno se smatra da postoji više oblika tog poremećaja, s različitim reakcijama na tretman. Forbrain bi mogao biti pomoćno sredstvo za poboljšanje sposobnosti pažnje kod tih pacijenata.

• Kod djece s dijagnosticiranim poremećajem autističnog spektra (ASD) ili rizikom od njega. Loše komunikacijske vještine te djece jedno su od glavnih obilježja tog poremećaja, pa čak i visoko funkcionalna djeca – kao kod Aspergerovog sindroma – imaju manjkave jezične vještine i senzornu (posebno slušnu) inundaciju. Forbrain može pomoći toj djeci da poboljšaju svoje senzorno kodiranje slušnih informacija, filtriraju nebitne zvukove, ublaže svoju senzornu inundaciju, i na kraju poboljšaju svoju pažnju.

• Kod djece s lošim akademskim uspjehom iz nepoznatih razloga, Forbrain može, kroz sve opisane mehanizme, potaknuti niz promjena koje dugoročno mogu utjecati na njihovu akademsku uspješnost.

• Kod djece s razvojnim mucanjem ili odraslih osoba s perzistentnim razvojnim mucanjem, kojima je deficit produkcije govora povezan s anatomskom abnormalnošću u audiovokalnoj petlji (posebno na Spt), vježbanje Forbrainom može imati očigledne korisne učinke.

• Kod sredovječnih ili starijih osoba s teškoćama u percepciji govora u buci, Forbrain može predstavljati djelotvoran fitness program za poboljšanje njihovih perceptivnih sposobnosti.

• Kod ljudi koji boluju od tinitusa, upotreba Forbraina može pomoći reorganizirati njihovu izmijenjenu centralnu slušnu reprezentaciju zvuka, što dovodi do poboljšanja njihove neugodne slušne tegobe.

Sva ta područja kliničkog ili primijenjenog istraživanja zahtijevaju provedbu odgovarajućih eksperimentalnih kontroliranih studija prema najvišim metodološkim standardima, kako bi bila u skladu s onim što je poznato kao praksa utemeljena na dokazima. Preporučljivo je da te studije kontroliraju barem:

• Selekciju dovoljnog broja homogenih sudionika prema rigoroznim kriterijima za uključivanje i isključivanje, uključujući spol, dob, razinu obrazovanja, dijagnostičku kategoriju, tretman, razinu sluha, IQ, i bilo kojim drugim specifičnim varijablama koje su potrebne za provedbu određene studije;

• Formiranje eksperimentalne grupe koja će slijediti standardni Forbrain protokol vježbi, i formiranje odgovarajuće kontrolne grupe. Ta kontrolna grupa trebala bi slijediti proceduru što je moguće sličniju Forbrainu, na primjer, sličan režim vježbi s isključenim koštanim provodnikom, ili barem protokol govorenja naglas tijekom sličnog broja terapijskih sati;

• Slučajno dodjeljivanje sudionika dvjema grupama;

• Dvostruko slijepa implementacija tretmana; to implicira da ni sudionik ni eksperimentator nisu svjesni primjenjuje li se tretman ili kontrola;

• Slijepa analiza podataka. To zahtijeva da se identifikacija grupe sazna tek u vrlo kasnoj fazi analize podataka, nakon što se donesu zaključci o eventualnim razlikama između grupa.

• Primjena odgovarajuće statističke analize podataka. To implicira da se zaključak o koristi od tretmana (Forbrain) u odnosu na placebo (primijenjen na kontrolnoj grupi) može formirati samo u prisutnosti značajne interakcije između grupe i faktora tretmana u bitnoj varijabli (npr. uspješnost rješavanja zadatka na testu fonološke svjesnosti, amplituda reakcija mozga povezanih s određenim događajima, subjektivno mjerenje samopouzdanja, itd.) etc.)
(Nieuwenhuis et al., 2011).

Carles Escera
Barcelona, 15. rujna 2014.

Oznake: forbrain, istraživanje, audiovokalna petlja