The influence of non-invasive brain stimulation over the primary motor cortex on the interaction between gestures and language

Abstract

Gestures are an essential component of social communication. Gesture comprehension is impaired in various clinical conditions. Thus, research of the mechanisms underlying gesture comprehension is essential. The role of the cerebral motor system and of the right hemisphere in understanding gestures has been a focus in recent research. In view of these findings, the present study aimed at assessing whether “dual” transcranial direct current stimulation (tDCS) improves gesture comprehension and semantic integration. Anodal, facilitatory tDCS was applied to the right primary motor cortex (M1) while cathodal, inhibitory tDCS was applied to the left M1. Two groups of subjects (n = 20 each), matched for age and sex, were included in a between- subject design (real tDCS vs. sham tDCS). During stimulation, a semantic task was presented to the subjects followed by a control task (working memory). The semantic task required subjects to judge whether videos displaying symbolic gestures, instrumental gestures or landscapes and subsequent phrases were congruent or incongruent in meaning. Overall accuracy was found to be significantly lower in the real tDCS group than in the sham group. Accuracy on congruent gestures was significantly lower than on incongruent ones. Response times were significantly longer to instrumental gestures compared to symbolic gestures and landscape videos. Contrary to our hypothesis, dual tDCS decreased accuracy in the semantic task. Additionally, no improvement of response times was observed under tDCS. The finding that accuracies and response times were not modified as hypothesized, could be attributed to left hemisphere cathode placement. This may have negatively affected interhemispheric interaction, thus hindering right hemispheric processing of affective aspects of speech. Additionally, anode placement over the right hemisphere could have led to stimulation of left hand reactions, although only right hand responses were allowed. The area of stimulation, the M1, may play a more crucial role in isolated action recognition than in semantic judgment. The fact that semantic priming was not observed may have resulted from the small number of gestures used and the fact that some gestures were ambiguously understood. Future studies comparing the dual tDCS set-up with an anodal set-up, allowing for left hand responses, and implementing a greater amount of gestures, could shed further light on the role of the M1 regarding the comprehension of gestures. Additionally, dual tDCS over other cortical areas such as the premotor cortex (PMC) and inferior parietal lobe (IPL) could assist in finding treatments for gesture comprehension impairments.

Gesten stellen einen essentiellen Bestandteil sozialer Kommunikation dar. Es existieren verschiedene klinische Zustände, in denen das Gestenverständnis gestört ist. Daher werden die zugrunde liegenden Mechanismen des Gestenverständnisses zunehmend erforscht, wobei die Rolle des zerebralen motorischen Systems sowie der rechten Hemisphäre in den Fokus des Interesses gerückt ist. Ziel der vorliegenden Studie war es, herauszufinden, ob duale transkranielle Gleichstromstimulation (tDCS) das Gestenverständnis sowie die semantische Integration verbessern kann. Hierzu wurde anodische, fördernde tDCS über dem rechten primären motorischen Kortex (M1) und kathodische, hemmende tDCS über dem linken M1 appliziert. Die Studie wurde an zwei bezüglich Alter und Geschlecht vergleichbaren Gruppen durchgeführt (n = 20 je Gruppe). Eine Gruppe erhielt echte Gleichstromstimulation, während die andere Gruppe Placebo Stimulation erhielt. Während der Stimulation wurde den Probanden zunächst die Studienaufgabe und daraufhin eine Kontrollaufgabe (Arbeitsgedächtnis) präsentiert. In der Studienaufgabe mussten die Probanden beurteilen, ob Videos, welche symbolische oder instrumentelle Gesten oder Landschaften darstellten, mit darauf folgenden kurzen Aussagen übereinstimmten oder nicht. Die Treffgenauigkeit in der Gruppe, die echte tDCS erhielt, war signifikant niedriger als jene in der Placebogruppe. Zudem war die Treffgenauigkeit für übereinstimmende Gesten niedriger als jene für nicht übereinstimmende Gesten. Die Reaktionszeiten auf instrumentelle Gesten waren am längsten. Entgegen der Studienhypothese, verringerte echte Gleichstromstimulation die Treffgenauigkeit in der Studienaufgabe. Zudem konnte keine Verbesserung der Reaktionszeiten durch Gleichstromstimulation erzielt werden. Diese Ergebnisse könnten auf die Platzierung der Kathode über dem linken M1 und einer daraus resultierenden Störung der interhemisphärischen Interaktion sowie der Verarbeitung affektiver Aspekte durch die rechte Hemisphäre zurückzuführen sein. Zudem könnte die Platzierung der Anode über der rechten Hemisphäre Reaktionen der linken Hand stimuliert haben. Diese wurden, da nur rechtshändige Reaktionen gestattet waren, nicht gemessen. Weiterhin könnte der M1, die Stimulationsregion unserer Studie, eine größere Rolle beim Erkennen isolierter Handlungen spielen als bei semantischer Beurteilung. Dass unsere Studie kein semantisches Priming zeigen konnte, könnte an der relativ geringen Anzahl von präsentierten Gesten sowie an missverständlichen Gesten liegen. Zukünftige Studien, die duale Gleichstromstimulation mit anodaler Stimulation vergleichen, sowie linkshändige Reaktionen gestatten und eine größere Anzahl von Gesten präsentieren, könnten die Rolle des M1 im Gestenverständnis klären. Des Weiteren könnte duale Stimulation anderer zerebraler Strukturen wie dem PMC und dem IPL helfen, Therapiemöglichkeiten für Beeinträchtigungen des Verständnisses von Gesten zu entwickeln.