Neuronale Korrelate von Sprachprozessen im jungen und gesund alternden Gehirn

Abstract

Einleitung: Im Laufe des gesunden Altersprozesses können sich kognitive Funktionen wie die syntaktische Verarbeitung und die Wortfindung verschlechtern. Diese Veränderungen von Sprachfunktionen sind wiederum mit altersbedingten Veränderungen der funktionellen und strukturellen Architektur und Integrität von Sprachnetzwerken des Gehirns verbunden. Bisher ist jedoch wenig über neuronale Korrelate von Sprachfunktionen im Alter bekannt und es stehen keine Interventionsansätze zu deren Verbesserung zur Verfügung. Methodik: Die ersten zwei Studien untersuchten die neuronalen Korrelate von Sprachfunktionen im jungen und gesund alternden Gehirn. Hierbei wurden zur Operationalisierung von Syntaxfunktionen zwei Paradigmen angewandt, eine Aufgabe zum Lernen einer künstlichen Grammatik („artficial grammar learning“; AGL) und eine Satz-Bild-Zuordnungs-Aufgabe. Funktionelle Magnetresonanztomographie (MRT) des Ruhezustandes (sog. „resting-state“) und Diffusion-Tensor-Bildgebung wurden in beiden Studien zur Quantifizierung funktioneller und struktureller neuronaler Parameter von Sprachprozessen angewandt. In der dritten Studie wurde der Einfluss transkranieller Gleichstromstimulation („transcranial direct current stimulation“; tDCS) auf die semantische Wortfindung im gesunden jungen Gehirn erforscht. Mittels funktioneller MRT des Ruhezustandes sowie der Messung aufgaben-spezifischer funktioneller Aktivität konnten funktionelle Konnektivität und Aktivität in sprach-relevanten Arealen und Netzwerken im Gehirn bestimmt werden. Ergebnisse: Die Ergebnisse der ersten beiden Studien zeigten einen Zusammenhang zwischen dem altersbedingten Abbau von Sprachfunktionen und den funktionellen sowie strukturellen Parametern in Sprachnetzwerken des Gehirns. Bezogen auf die Leistung älterer Probanden in der AGL Aufgabe konnten in der ersten Studie positive Korrelationen mit links- und rechts-hemisphärischer struktureller Integrität in sprach-relevanten inferior frontalen Arealen beobachtet werden. Im Gegensatz dazu zeigte eine höhere inter-hemisphärische funktionelle Konnektivität zwischen diesen Arealen eine negative Korrelation mit der Leistung. Dieser negative Einfluss verringerter inter-hemisphärischer Inhibition im gesunden Altersprozess konnte auch in der zweiten Studie bestätigt werden. Dabei wurden distinkte Assoziationen zwischen behavioraler Leistung und neuronalen Parametern bei jungen und älteren Probanden gefunden. Während die Syntaxfunktionen bei jungen Probanden mit struktureller Integrität in dorsalen sprach-relevanten Faserverbindungen assoziiert waren, zeigte sich bei älteren Probanden ein Zusammenhang mit ventralen sprach-relevanten Trakten. Zusätzlich konnte in der dritten Studie ein positiver Effekt von tDCS auf die behaviorale Leistung sowie auf die Effizienz der neuronalen Verarbeitung im spezialisierten Sprachnetzwerk nachgewiesen werden. Schlussfolgerung: Die Ergebnisse der vorliegenden Studien geben Aufschluss über die neuronalen Grundlagen von sprachlichen Beeinträchtigungen im gesunden Altersprozess. Außerdem eröffnen sie die Möglichkeit durch den Einsatz einer nicht-invasiven Hirnstimulationsmethode die behaviorale und neuronale Effizienz der Sprachverarbeitung zu steigern.

Background: Healthy aging of the human brain is associated with a decline in cognitive functions such as syntactic processing or word finding difficulties. These changes in language-related abilities are accompanied by age-related alterations in the functional and structural architecture and integrity of language-related brain networks. However, research findings on neural correlates of language functions in aging are scarce and there are no interventions to improve these processes or even counteract their deterioration. Methods: The first two of the present studies aimed at investigating the neural correlates of syntax abilities in young and healthy older adults. In order to operationalize syntactic abilities two paradigms were applied, one assessed the ability to learn a new artificial grammar („artficial grammar learning“; AGL), the other assessed the performance on a sentence-picture-matching task. In order to quantify neuronal correlates of language functions in our studies, resting-state functional magnetic resonance imaging (MRI) and diffusion tensor imaging were used. In the third study, we measured the effect of transcranial direct current stimulation (tDCS) on semantic word fluency in the young brain. Using functional resting-state MRI and task-specific functional activity, we were able to assess functional connectivity and activity in language-related brain areas and networks. Results: The results of the first two studies showed an association between age-related decline in language functions with functional and structural parameters in language-related brain networks. Regarding AGL performance, the first study showed positive correlations with left- and right-hemisphere structural integrity in language-related inferior frontal areas in older adults. In contrast, higher inter-hemispheric functional connectivity between these areas was related to impaired performance. This detrimental influence of reduced inter-hemispheric inhibition in healthy older adults was confirmed in the second study. Here, we found distinct relationships of behavioral performance and neuronal parameters in young and healthy older adults. While structural integrity in dorsal language-related white matter pathways were related to superior performance in young adults, older adults showed a relationship of ventral language-relevant tracts and performance. In addition, in the third study, we showed a positive effect of tDCS on behavioral performance as well as on the neural efficiency of processing within the specialized language network. Conclusion: The results of our studies improve the understanding of age-related deterioration of language functions and point towards the potential of tDCS as interventional approach to improve behavioral and neuronal efficiency which might be especially relevant in the context of age-related decline.