White matter brain connectivity associated with language acquisition: insights from patient studies

Abstract

[eng] Language is acquired practically from birth and continues to expand throughout the entire lifespan. This incredible potential also entails a huge complexity. Although the study of the neural basis of language acquisition has been mainly focused on the brain regions related to language acquisition, the different white matter tracts involved in this process (and connecting most of those regions) and their specific role are still largely unknown. The main goal of the present work was to identify the relevant white matter tracts specifically related to language acquisition. Hence, this thesis includes four studies that evaluated the structural bases of language acquisition through four different impairments affecting this skill, namely Autism Spectrum Disorder (ASD), Huntington's Disease (HD), Primary Progressive Aphasia (PPA), and Post-Stroke Aphasia (PSA). This approach also allowed the assessment of the specific structural differences in each impairment when compared to neurotypical controls. Study 1 focused on white matter tracts related to impairments in early first language acquisition. To that end, the structural characteristics of the main white matter tracts from 9 non-verbal ASD (nvASD) young participants were compared to those of age-matched groups of individuals with verbal ASD (vASD) and typical development (TD). The main result was the presence of lower fractional anisotropy values in the inferior fronto-occipital fasciculus (IFOF) of nvASD compared to TD participants. This result points to the relevance of the integrity of the ventral tracts (and the IFOF, more specifically) not only for language understanding, but also during its initial acquisition. Study 2 aimed to explore the integrity of contextual new word learning in individuals with HD. It also aimed to adapt a well-known contextual learning task (CTXL) for its administration in Study 3. The results showed that individuals with HD had more difficulties in contextual word learning than healthy controls. This semantic word learning impairment could be related to the characteristic striatal degeneration present in HD. Moreover, these results helped refining the CTXL task in views of its application in Study 3. Study 3 tested the performance of 20 individuals with PPA (11 non-fluent and 9 logopenic variant PPA participants) and 23 neurotypical controls on the CTXL task, and then explored the association between the main white-matter language tracts’ microstructural properties and the CTXL scores obtained. The results revealed an overall impairment in language acquisition abilities in individuals with PPA when compared to controls. Furthermore, some differences were present between PPA variant groups, as the learning performance was higher in the non-fluent than in the logopenic group. In addition, learning accuracy was associated with radial diffusivity values in both dorsal and ventral language tracts. These results point to the involvement of both dorsal and ventral tracts in CTXL processes, albeit possibly with different specific sub-functions. Study 4 examined the language-related white matter tracts supporting verbal short-term memory (vSTM) –a fundamental ability for language acquisition and language rehabilitation– in 19 PSA individuals. The main results revealed statistically significant correlations between the volume of the right uncinate fasciculus (UF) and vSTM scores. These results point to the right UF as a potentially relevant tract for vSTM, at least in PSA. The results from the present work indicate that the integrity of language acquisition in people with language impairments is associated with the structural properties of several white matter language tracts belonging to both the dorsal and the ventral streams. The specific pathways that were associated with language acquisition were the anterior and long segment of the arcuate fasciculus (AF), the IFOF, and the UF, even if they were possibly engaged in different sub-processes of this function. Additionally, the results show an association of the UF with vSTM functions and a possible involvement of the corticostriatal tracts in semantic integration functions. This investigation also showed the involvement of a wide cerebral network related to the language acquisition process, in line with the results from past research focused on language processing. These four studies advance our knowledge regarding the structural neural basis of language acquisition and the specific role of different white matter pathways within this process. The overall findings of this work not only provide new theoretical insights but could also have a clinical impact at different levels.

[cat] El llenguatge s'adquireix pràcticament des del naixement i continua creixent al llarg de tota la vida. Aquest increïble potencial també comporta una gran complexitat. L'estudi dels substrats cerebrals de l'adquisició del llenguatge s'ha centrat principalment en la investigació de les regions cerebrals relacionades amb aquest procés, mentre que les diferents vies de substància blanca involucrades en aquest procés i els seus rols específics són encara desconeguts. L'objectiu principal d’aquesta dissertació va ser identificar els tractes de substància blanca relacionats amb l'adquisició del llenguatge. Aquesta tesi inclou quatre estudis en els quals es van avaluar les bases estructurals de l'adquisició del llenguatge en quatre trastorns diferents, com són el trastorn de l'espectre autista (ASD), la malaltia de Huntington (HD), l'afàsia progressiva primària (PPA) i l'afàsia post-ictus (PSA). Aquest plantejament també va permetre examinar les diferències estructurals específiques de cada trastorn en comparació amb els controls neurotípics. L'estudi 1 es va centrar en la investigació d’alteracions relacionades amb deficiències en l'adquisició de la llengua materna. Amb aquesta finalitat, es van comparar les característiques estructurals de les principals vies de substància blanca de 9 participants amb autisme no verbal (nvASD) amb les de grups aparellats d'individus amb autisme verbal (vASD) i amb un desenvolupament típic (TD). El principal resultat va ser una disminució dels valors de fractional anisotropy ('anisotropia fraccional’) del fascicle fronto-occipital inferior (IFOF) en nvASD en comparació amb els participants amb TD. Aquest resultat apunta a la importància de la integritat de les vies ventrals (i més concretament de l'IFOF) no només per a la comprensió del llenguatge, sinó també per a la seva correcta adquisició inicial. L'estudi 2 va tenir com a objectiu explorar la integritat de l'aprenentatge contextual (CTXL) de noves paraules en persones amb HD. També pretenia millorar l’adaptació d’una tasca pre-existent de CTXL per a la seva administració a l'estudi 3. Els resultats van mostrar que els individus amb HD tenien més dificultats per a realitzar la tasca de CTXL que els controls sans. Aquestes diferències podrien estar relacionades amb la degeneració estriatal característica de l’HD. L’estudi també va ajudar a refinar la tasca de CTXL de cara a la seva aplicació en l'estudi 3. A l'estudi 3 es van investigar les vies de substància blanca que donen suport al CTXL mitjançant l’avaluació de 20 individus amb PPA (11 de la variant no fluent i 9 de la variant logopènica) i 23 controls neurotípics durant la tasca de CTXL, i l’exploració de l'associació entre les propietats microestructurals del tractes de llenguatge i les puntuacions de CTXL obtingudes. Els resultats van revelar un deteriorament general de la capacitat d’adquisició lingüística dels individus amb PPA en comparació amb els controls. A més, es van observar diferències entre els grups de PPA, ja que la capacitat d'aprenentatge era més elevada en individus de la variant no fluent que en la logopènica. Altrament, aquesta capacitat d'aprenentatge es va associar amb els valors de radial diffusivity (‘difusivitat radial’) tant de vies lingüístiques dorsals com ventrals. Aquests resultats apunten a la implicació tant dels tractes dorsals com ventrals en el procés de CTXL, encara que possiblement amb sub-funcions específiques diferents. L'estudi 4 va examinar els feixos de substància blanca relacionats amb llenguatge que donen suport a la memòria verbal a curt termini (vSTM), una capacitat fonamental per a l'adquisició i rehabilitació del llenguatge, en 19 persones amb PSA. Els resultats principals van revelar correlacions estadísticament significatives entre el volum del fascicle uncinat dret (UF) i les puntuacions de vSTM. Aquests resultats assenyalen l’UF dret com a tracte rellevant en funcions de vSTM, com a mínim en PSA. El resultats d’aquest treball indiquen que la integritat de l’adquisició lingüística en individus amb trastorns del llenguatge està relacionada amb les propietats estructurals de diversos feixos de substància blanca que pertanyen tant a la via lingüística dorsal com a la ventral. Els feixos específics associats amb l’adquisició del llenguatge han estat el segment anterior i directe del fascicle arquejat (FA), l'IFOF i l’UF, tot i que possiblement estaven involucrats en diferents sub-processos de l’aprenentatge lingüístic. A més, els resultats mostren una associació de l’UF amb funcions de vSTM, així com una possible implicació dels tractes cortico-estriatals en funcions d'integració semàntica. Aquest treball també ha confirmat que el procés d’adquisició del llenguatge depèn d’una àmplia xarxa cerebral, tal i com ja han indicat els resultats d’estudis anteriors centrats en les bases del processament lingüístic. Aquests quatre estudis permeten augmentar el nostre coneixement sobre les bases estructurals de l'adquisició del llenguatge i sobre el paper específic de diferents feixos de substància blanca en aquest procés. Les troballes d'aquesta dissertació no només proporcionen avenços teòrics sinó que també podrien tenir un impacte clínic a diferents nivells.