Η συμβολή της μεγαλοκυτταρικής θεωρίας στη διερεύνηση της δυσλεξίας. Αξιολόγηση του μουσικού παράγοντα κατά την εφαρμογή ΕΕG

Abstract

Background: Dyslexia is one of the most frequent specific learning disorders affecting more than 15% of school-age children population. It has often been associated with deficits in phonological awareness mainly caused by auditory and visual inabilities to recognize and discriminate phonemes and graphemes within words. Neuroimaging techniques like EEG recordings have been widely used to assess hemispheric differences in brain activation between students with dyslexia and their typical counterparts. Although dyslexia is a lifelong disorder which persists into adulthood, very few studies have been carried out targeting in adult population. Method: In this study, we examined the brain activation differences between 12 typical (control group) and 14 students with dyslexia (experimental group) all studying in the School of Health Sciences at the University of Ioannina. The participants underwent three different experimental conditions, such as auditory discrimination, visual recognition, and visual recognition with background music. The chosen linguistic material consisted of 50 3-word groups characterized from different degrees of auditory and visual distinctiveness. The whole experimental procedure was recorded with a 14-sensor wearable EEG device (Emotiv EPOC+), which is one of the most widely used sensory EEG devices for lifestyle purposes. Spectral features extracted from each EEG rhythm (δ, θ, α1, α2, β1, β2, and γ) were used to train a Random Forests classifier, aiming to identify quantitative EEG features that characterize dyslexia in different brain regions. Results: The proposed EEG-based methodology showed significant results in the detection of the group of adults with dyslexia. High levels of accuracy, sensitivity and specificity (above 95%) were acquired for the entire brain, as well as the left and right hemisphere. Furthermore, the most representative findings in the three experimental conditions in relation to brain rhythms revealed a heterogeneity of results. More specifically, in the auditory discrimination task, significant differences were found in both the left temporal lobe and the occipital lobe in rhythms β, γ, and δ with students with dyslexia scoring a higher average only in rhythm δ in the left temporal lobe. Regarding the visual recognition task, there were statistically significant differences in the left temporal lobe in rhythms β and γ, and in the occipital lobe in rhythms α, β, and δ with students with dyslexia scoring higher on average only in rhythm d of the left and right occipital lobe. In the visual recognition task with background music, statistically significant differences were observed in the rhythms α1 and α2 in different areas of the right hemisphere, with students with dyslexia showing higher activation at all rhythms of the right hemisphere. Findings: This is the first report examining a variety of quantitative EEG features obtained from a wearable BCI device over different experimental conditions with a high classification accuracy that results in correct discrimination between higher education students with and without dyslexia. The results of the analysis indicate that there are differences in the hemispheric brain activation of students with or without dyslexia in various rhythms in all the experimental conditions, thus, shedding light in the neurophysiological discrepancies between the two groups. Conclusions: The rhythm heterogeneity recorded in activation patterns in a range of different brain areas, during audiovisual word recognition tasks by adults with dyslexia, highlights the need for a multifactorial approach to dyslexia at the diagnostic and / or intervention level, even at an adult population with dyslexia, confirming the main interpretive principle of the magnocellular theory.

Ιστορικό: Η δυσλεξία είναι μια από τις πιο συχνές ειδικές μαθησιακές διαταραχές που επηρεάζουν περισσότερο από το 15% του πληθυσμού παιδιών σχολικής ηλικίας. Συχνά έχει συσχετιστεί με ελλείμματα στη φωνολογική ενημερότητα που προκαλούνται κυρίως από ακουστικές και οπτικές αδυναμίες να αναγνωρίσουν και να διακρίνουν φωνήματα και γραφήματα μέσα σε λέξεις. Τεχνικές νευροαπεικόνισης όπως καταγραφές EEG έχουν χρησιμοποιηθεί ευρέως για την εκτίμηση των ημισφαιρικών διαφορών στην ενεργοποίηση του εγκεφάλου μεταξύ ατόμων με και χωρίς δυσλεξία. Αν και η δυσλεξία είναι μία διά βίου διαταραχή που υφίσταται έως την ενηλικίωση, πολύ λίγες μελέτες έχουν πραγματοποιηθεί με στόχο τον ενήλικο πληθυσμό. Μέθοδος: Σε αυτήν τη μελέτη, εξετάστηκαν οι διαφορές ενεργοποίησης του εγκεφάλου μεταξύ 12 τυπικών (ομάδα ελέγχου) και 14 φοιτητών με δυσλεξία (πειραματική ομάδα) που σπουδάζουν στη Σχολή Επιστημών Υγείας του Πανεπιστημίου Ιωαννίνων. Οι συμμετέχοντες αξιολογήθηκαν σε τρεις διαφορετικές δοκιμασίες σε επίπεδο λέξεων, όπως ακουστική διάκριση, οπτική αναγνώριση, και οπτική αναγνώριση με ταυτόχρονη παρουσία μουσικού ερεθίσματος. Το γλωσσικό υλικό το οποίο επελέγη για το σκοπό της έρευνας, αποτελείτο από 50 ομάδες 3 λέξεων οι οποίες χαρακτηρίζονται από διαφορετικό βαθμό ακουστικής και οπτικής διακριτικότητας. Η όλη πειραματική διαδικασία καταγράφηκε με μια φορητή συσκευή EEG 14 αισθητήρων (Emotiv EPOC+), η οποία είναι μια από τις πιο ευρέως χρησιμοποιούμενες αισθητηριακές συσκευές EEG. Τα φασματικά χαρακτηριστικά που εξήχθησαν για τον κάθε ρυθμό EEG (δ, θ, α1, α2, β1, β2, και γ), χρησιμοποιήθηκαν για την εκπαίδευση ενός ταξινομητή Τυχαίων Δασών, με στόχο τον εντοπισμό διακριτών χαρακτηριστικών δυσλεξίας σε διαφορετικές περιοχές του εγκεφάλου. Αποτελέσματα: Η προτεινόμενη μεθοδολογία ανέδειξε στατιστικά σημαντικά αποτελέσματα στην ανίχνευση της ομάδας ενηλίκων με δυσλεξία. Κατεγράφησαν υψηλά επίπεδα ακρίβειας, ευαισθησίας και εξειδίκευσης (άνω του 95%) στην περιοχή ολόκληρου του εγκεφάλου, καθώς και στην περιοχή του αριστερού και του δεξιού ημισφαιρίου. Επίσης, τα πιο χαρακτηριστικά ευρήματα στις τρεις πειραματικές συνθήκες σε σχέση με τους εγκεφαλικούς ρυθμούς φανέρωσαν μία ετερογένεια αποτελεσμάτων. Πιο συγκεκριμένα, στη δοκιμασία ακουστικής διάκρισης βρέθηκαν σημαντικές διαφορές τόσο στον αριστερό κροταφικό λοβό όσο και στον ινιακό στους ρυθμούς β, γ, και δ με τους φοιτητές με δυσλεξία να σημειώνουν υψηλότερο μέσο όρο μόνο στον ρυθμό δ στον αριστερό κροταφικό λοβό. Όσον αφορά τη δοκιμασία οπτικής αναγνώρισης, εμφανίστηκαν στατιστικά σημαντικές διαφορές στον αριστερό κροταφικό λοβό στους ρυθμούς β και γ, και στον ινιακό λοβό στους ρυθμούς α, β, και δ με τους φοιτητές με δυσλεξία να σημειώνουν υψηλότερο μέσο όρο μόνο στον ρυθμό δ του αριστερού και του δεξιού ινιακού λοβού. Στη δοκιμασία οπτικής αναγνώρισης με παρουσία μουσικού ερεθίσματος, παρατηρήθηκαν στατιστικά σημαντικές διαφορές στους ρυθμούς α1 και α2 σε διαφορετικές περιοχές του δεξιού ημισφαιρίου, με τους φοιτητές με δυσλεξία να σημειώνουν υψηλότερη ενεργοποίηση σε όλους τους ρυθμούς του δεξιού ημισφαιρίου. Ευρήματα: Αυτή είναι η πρώτη μελέτη που εξετάζει μια ποικιλία ποσοτικών χαρακτηριστικών EEG που λαμβάνονται από μια φορητή συσκευή Brain Computer Interface (BCI) σε διαφορετικές πειραματικές συνθήκες με υψηλή ακρίβεια ταξινόμησης που οδηγεί σε σωστή διάκριση μεταξύ φοιτητών με και χωρίς δυσλεξία. Τα αποτελέσματα της ανάλυσης δείχνουν ότι υπάρχουν διαφορές στην ημισφαιρική ενεργοποίηση του εγκεφάλου των φοιτητών με ή χωρίς δυσλεξία σε διάφορους ρυθμούς σε όλες τις πειραματικές συνθήκες, φανερώνοντας νευροφυσιολογικές αποκλίσεις μεταξύ των δύο ομάδων. Συμπεράσματα: Η ετερογενής καταγραφή μορφών ενεργοποίησης ρυθμών σε ένα εύρος ποικίλων περιοχών του εγκεφάλου κατά τη διάρκεια δοκιμασιών ακουστικής και οπτικής αναγνώρισης λέξεων από ενήλικες με δυσλεξία, αναδεικνύει την αναγκαιότητα της πολυπαραγοντικής προσέγγισης της δυσλεξίας είτε σε επίπεδο διάγνωσης είτε σε επίπεδο παρέμβασης, ακόμη και σε ενήλικα άτομα με δυσλεξία, επιβεβαιώνοντας την κύρια ερμηνευτική αρχή της θεωρίας του μεγαλοκυτταρικού συστήματος. Μεγάλη έμφαση δίνεται στην αναγκαιότητα διεξαγωγής περισσότερων μελετών σε ενήλικες με δυσλεξία.