Estudios de neuroimágenes sobre desarrollo del lenguaje, lectura y trastornos de la lectura Kenneth R. Pugh, PhD Presidente y Director de Investigaciones de los Laboratorios Haskins Profesor Asociado de la Universidad de Yale Profesor de la Universidad de Connecticut Conexiones entre la experiencia temprana y el desarrollo posterior del lenguaje y la lectura • El foco de esta conferencia es en los factores que permiten a los niños realizar todas sus habilidades y talentos. • El ambiente pre y post natal, es crucial para el posterior desarrollo del lenguaje y la lectura. • Mayores factores de riesgo: • 1) Nutrición de la madre/infante. • 2) Drogas Pre-natales, nicotina y exposición al alcohol. • 3) Rechazo y abuso. • 4) Estimulación temprana del lenguaje y del aprendizaje. Exposición prenatal a nicotina y tabaquismo adolescente: asociaciones con lenguaje, atención y déficit cognitivo. fuman que de mujeresof %Percentage Women embarazo - U.S. el Pregnancy durante Smoking During Tabaquismo durante el embarazo: Estados Unidos 20 15 10 5 0 7 8 9 1 0 9 1 6 9 1 0 2 3 0 2 4 0 2 National Vital Statistics Reports Exposición prenatal a tabaquismo materno altera el procesamiento del habla en neonatos N=8 neonatos no expuestos N=8 neonatos expuestos Key et al, 2007 Test de detección de trastornos de procesamiento auditivo: Puntaje para palabras que compiten El procesamiento auditivo central está alterado en niños de edad escolar expuestos a nicotina por tabaquismo materno durante el embarazo Ninguna Baja Alta Severidad de la exposición prenatal McCartney et al, 1994 Rechazo: Evidencia de estudios sobre adopción • El rechazo temprano puede tener profundas y negativas consecuencias en el desarrollo posterior. Estudios recientes se han enfocado en los niños adoptados en diferentes edades de orfanatorios donde el rechazo estaba presente. Desarrollo normal de un cerebro desde los 6 hasta los 12 meses. Lombroso, P. J. Development of the Cerebral Context: VI. Growth Factors. 1998 Imágenes de un desarrollo normal del cerebro de un niño de tres años y de un niño que sufre de un extremo rechazo. http://www.olderchildadoption.com/rad/3-year-old.gif Participantes Muestra CT n = 54 niños (23 niños), 4 - 12 años Tiempo en el orfanato: 2 - 75 mos n = 32: E. Europe (Lithuania, Romania, Russia, Ukraine) n = 10: N. Asia (China, Korea) n = 6: Central/S. America (Peru, Columbia, Guatemala and Mexico) n = 6: S.E. Asia (Cambodia, Vietnam). n = 24 (17 niños) controles: ninos no adoptados Equiparados segun edad, genero y estatus socioeconomico Time in U.S.: 15 - 127 mos. Regulación Emocional 68 66 CBCL T- scor e ( M = 5 0 , SD = 1 0 ) 64 62 60 Aggression* Affect* Anxiety* 58 56 54 52 50 Non-adopted controls Foster care Orphanage care, 1-12 mos Orphanage care, 13-24 mos Orphanage care, 25-36 mos Orphanage care, 37+ mos Resultados en lenguaje 130 • Receptive Vocabulary (PPVT) and 20-min memory delay: r (43) = .50*** 120 110 Sca le d scor e • CELF subscales and mos. in institution, r’s = .30* to -.40** 100 CELF language 90 PPVT-3 80 70 60 O rp h an ag e 1rp 12 ha na ge 13 -2 O rp 4 ha na ge 25 + = (n O Fo st e r gr ou p co nt ro ls 8) 50 Note: all are in average range; SES as a factor…. Lenguaje, Lectura y Cerebro • El desarrollo de una lectura fluida es esencial para tener éxito en el mundo moderno. • Un número significativo de niños en todos los países tienen dificultades para adquirir habilidades adecuadas de lectura y escritura. • Para muchos, estas dificultades se deben a la falta de buenas oportunidades para el aprendizaje. Para otros, refleja dificultades asociadas a trastornos biológicos específicos de lectura. Lenguaje, Lectura y Cerebro • El lenguaje oral es una especialización biológica, pero el lenguaje escrito es una invención cultural. Más aún, el lenguaje oral es dominado naturalmente por casi todas las personas sin instrucciones directas. • No existe una especialización cerebral para la lectura. • Lo anterior implica que la adquisición del lenguaje escrito es un gran desafío para la plasticidad cerebral. El desafío cognitivo del aprendizaje de la lectura semántica ortografía fonología Cómo leen palabras los lectores expertos • 1) Los lectores expertos pueden leer palabras en forma rápida (aproximadamente 200 milisegundos) • 2) La lectura de pseudopalabras es casi igual de rápida • Hallazgos claves: El desarrollo de la lectura experta depende del establecimiento eficiente de conexiones entre grafemas y fonemas. Aún los lectores expertos adultos continúan generando códigos fonológicos 15 Fenotipo de la conducta de dificultad lectora (DL) • • • La identificación de palabras es lenta, trabajosa e imprecisa, lo cual genera un “cuello de botella” para la comprensión. Los déficits tempranos en el desarrollo de la conciencia fonologica, predicen las dificultades en la lectura de palabras más adelante en el desarrollo. Los deficits en la conciencia fonologica, dificulta el desarrollo de habilidades de decodificación (mapeo de grafemas a fonemas). A su vez, ello limita en forma significativa la lectura fluída de palabras y pseudopalabras. semántica ortografía fonología Trastornos de lectura: Bases neurocognitivas • Los déficits de procesamiento fonológico son universales, ¿pero cuáles son las causas de base? • Existen diferentes propuestas explicativas: • 1) representacioens fonológicas pobres / trastornos específicos de lenguajes (Fowler/Elbro). • 2) trastornos sensorio-motores visuales (Stein; Eden) y/o auditivos (Tallal; Goswami). • 3) déficits de acceso/recuperación (Ramus) • 3) procesamiento ruidoso/déficits atencionales (Sperling; Ziegler) • ** Es posible que hayan múltiples subtipos, con diferentes vías cerebrales involucradas pero con un estado final común: el déficit de procesamiento fonológico. • La investigación cerebral puede ser discriminatoria. Cerebro y lenguaje: Lóbulo frontal Lóbulo Frontal Funciones ejecutivas y motoras Lóbulo Parietal Funciones sensitivas y de procesamiento espacial. Lóbulo Temporal Funciones auditivas y de lenguaje. Lóbulo Occipital Procesamiento Visual. Surco Central Sulcus central Lóbulo parietal Lóbulo occipital Lóbulo temporal Surco lateral Lateral Sulcus Corteza motora Área de Broca Corteza visual primaria Corteza auditiva Área de Wernicke Giro angular El cerebro linguístico • Estudios basados en lesiones •Área de Broca: especializada en la produccion de discurso y el procesamiento gramático. •Área de Wernicke: especializada en la comprensión del discurso y el procesamiento semántico. •Aprender a leer involucra la integración de información visual con estas áreas del hemisferio cerebral izquierdo. La neurobiología de las dificultades lectoras • Imágenes cerebrales funcionales. • Dos clases de técnicas: • Electrofisiologicas (EEG; MEG): brindan información sobre procesamiento temporal de la actividad cerebral. • Hemodinamicas (fMRI, PET): brindan información sobre la localización del procesamiento cerebral. Imágenes de Resonancia Magnética Localización de cortes Tarea: escuchar vs leer oraciones common RH on left side print(red) speech(blue) Constable, Pugh et al. (2004) Un modelo de lectura para lenguajes alfabéticos (Pugh et al. 2006) TEMPOROPARIETAL (DORSAL) Areas: supramarginal, angular, superior temporal (Wernicke’s) gyri Hypothesized Function: Mapping of orthographic to phonological and semantic representations ANTERIOR Areas: inferior frontal gyrus (including Broca’s area) Hypothesized Function: Articulatory recoding OCCIPITOTEMPORAL (VENTRAL) Areas: occipitotemporal juncture, middle and inferior temporal gyri Hypothesized Function: Linguistically structured memorybased word identification system (posterior aspect = “word-form” area) Dificultad lectora • Hallazgos frecuentes. • Un gran numero de estudios indican que los lectores con dificultad lectora tienden a sub activar áreas temporoparietales y occipitotemporales del hemisferio izquierdo, durante la resolución de tareas de lectura y de lenguaje (Paulesu et al., 2001). • Otros reportes frecuentes informan un cambio compensatorio frontal en el hemisferio derecho. Temporoparietal Anterior Occipitotemporal Left Hemisphere TD & RD Reading Children (Temple et al., 2003) Lectores Normales Lectores con DL Frontal & Temporoparietal Frontal but NO Temporoparietal Conectividad funcional (Pugh, et al., 2000 Psychological Science) • Una descripción más completa requiere un enfoque que aborde no sólo las diferencias intra-grupo, sino también de los patrones de correlación entre regiones o de la conectividad funcional (e.g., Horwitz, Rumsey & Donahue, 1998). Plasticidad en el desarrollo de la lectura (Shaywitz, Pugh et al., 2002) • Incrementos en la habilidad lectora están asociado con una especializacion mayor de las áreas asociadas del hemisferio izquierdo. • Lectores con dificultad lectora no tienden a mostrar esta tendencia en su desarrollo neuronal. Temporoparietal Anterior Occipitotemporal Activation Desarrollo de la lectura: El área visual de formación de la palabra (VWFA) Woodcock-Johnson Word Attack Diferencias entre TD y RD differences: Perspectivas desde estudios estructurales y funcionales de neuroimágenes • Las imágenes estructurales y funcionales indican que niños, adolescentes, y adultos con trastornos de lectura (RD) fallan en integrar las áreas temporoparietales (TP) y occipitotemporales (OT) del hemisferio izquierdo (HI), en un circuito de lectura coherente en los siguientes términos (Pugh et al., 2010): 1) Activación inestable y reducida 2) Reducción de la conectividad funcional 3) Reducción del volumen de la materia gris 4) Anomalías en los tractos de la sustancia blanca * 5) Problemas en el aprendizaje y la consolidación de nuevos aprendizajes (Pugh et al., 2008) Un buen comienzo… pero: •Estos hallazgos de las diferencias cerebrales en RD sólo describen la condición a nivel de los sistemas cerebrales. No lo explican. INICIACION DE LA LECTURA • Necesitamos estudiar el desarrollo cerebral y comprender su funcionamiento durante períodos más extensos (abordaje longitudinal) (Pugh & McCardle, 2009). • Nuestros estudios examinan ninos con alto riesgo de padecer trastornos de lectura entre los 7 y 9 años, a través de diferentes técnicas y medidas (genetica, neuroanatomia, neuroquimica circuitos neuronales, comportamiento). Timeline Cohort 1 (N= 54) Year 1-3 Cohort 2 (N= 54) Year 2-4 Cohort 3 (N= 54) Year 3-5 Time 1 (7.5 yrs of age) DNA, MRS, fMRI, Behavior DNA, MRS, fMRI, Behavior DNA, MRS, fMRI, Behavior Time 2 (8.5 yrs of age) Behavior Time 3 (9.5 yrs of age) fMRI, Behavior Behavior fMRI, Behavior Behavior fMRI, Behavior Pre-alfabetización: Riesgos para la discapacidad lectora • Alcanzar logros claves en el desarrollo del lenguaje oral a tiempo, es crítico para un adecuado desarrollo de la lectura en etapas posteriores: • 1) El desarrollo del lenguaje receptivo y expresivo predice la adquisión de lectura. • 2) La adquisición de las competencias de conciencia fonológica es crítica en los niños de edad preescolar. Niños con dificultades en el desarrollo del lenguaje (Preston et al. 2010, Brain) Múltiples estudios sugieren que hay un déficit de lectura en niños con retardo en el inicio del habla (Rescorla 2002, 2005, 2009; Scarborough & Dobrich, 1990) Desempeño de hablantes tempranos y tardíos en diferentes medidas de Lectura (Woodcock-Johnson Tests of Achievement) Esquema de la tarea de fMRI Eventos asociados a activación por fMRI ante demandas de de emparejamiento/ desemparejamiento (se presiona un pulsor cuando el audio o la letra escrita se asocia a una figura) Tasa emparejamiento/desmperajamiento (80-20) Sólo se incluyeron en el análisis los ensayos de desemperajemiento Hablantes tardios versus hablantes tempranos. Activacion del cerebro en la lectura y el habla a los 7.5 años TEMPRANO > TARDÍO TARDÍO > TEMPRANO Tálamo Putamen Giro temporal superior Palabras habladas Palabras leidas Implicaciones Estos datos sugieren que hablar tarde, junto a su impacto negativo sobre los riesgos para los trastornos de lectura, está asociado con fallas en el desarrollo de estructuras subcorticales (ganglios basales y tálamo) y corticales, relevantes tanto para la lectura como para el procesamiento auditivo Ello implica un rol importante del aprendizaje motor en la emergencia de los circuitos de la lectura, aunque aún su comprensión sea pobre. También sugiere un marcador biológico temprano del riesgo para las dificultades de lenguaje y lectura.. Neuroquímica y RD: Una mirada a MRS, fMRI, y las relaciones conductuales MRS Metabolitos analizados en una región de interés centrada en la corteza occipital medial • N-acetyl aspartato (NAA) •GABA •Glutamato •Colina Glutamato X Puntajes de lectura Neuroquímica y RD: Un análisis estructural de ecuaciones (SEM) preliminar de MRS, fMRI, relaciones conductuales Hallazgos claves sobre glutamato 1) La relación inversa entre glutamato y puntajes de lectura es estable en cada visita: Las correlaciones entre Tiempo 2 y Tiempo 3 son significativas. 2) Relaciones de dominio específico: Se sostienen para diferentes medidas de lectura pero no para competencias matemáticas. 3) Estos datos muestran el valor agregado del MRS respecto al fMRI, respecto al análisis de las diferencias individuales en el desempeño lector. Síntesis de los hallazgos longitudinales a la fecha • 1) El inicio tardío del habla se asocia a anomalías subcorticales en ganglios basales y tálamo (Preston et al., 2010). • 2) Problemas en las competencias tempranas de preparación para la lectura, como en el procesamiento fonológico, limitan la integración entre lo escrito y lo escuchado en regiones del lóbulo temporal (Frost et al., 2009). • 3) Mapa de índices sensoriales y cognitivos sobre la activación pulvinar para palabras escritas (Pugh et.al., 2012). • 4) indices neuroquímicos (particularmente glutamato y NAA) parecen ser sensibles a las dificultades lectoras en niños pequeños (Fulbright et al. in prep) • 5) Genética: asociaciones iniciales con el gen para COMT y lectura (Landi et al. in press) Implicaciones de los hallazgos a la fecha… • Estos hallazgos en niños muy pequeños sugieren que en aquellos que desarrollan sus competencias lectoras dentro de lo esperable, los sistemas cortico-corticales se modifican para la integración del habla y lo escrito (incluyendo el aprendizaje motor y las áreas de lenguaje). • Los riesgos de RD se asocian a fallas tempranas en la integración multimodal. • La expresión temprana y los hitos del lenguaje expresivo y receptivo, junto con las competencias meta-fonológicas, restringen el desarrollo inicial de los circuitos de la lectura en el hemisferio izquierdo. Plasticidad y compensación en el desarrollo de la lectura • Las mejoras en la lectura se asocian con el incremento de la especialización de las áreas cerebrales del HI involucradas en el reconocimiento de la palabra escrita. Temporoparietal Anterior Occipitotemporal • Lectores con DL no tienden a mostrar esta tendencia de desarrollo neuronal. • La trayectoria es directa y de derecha a izquierda. • ¿La acción remedial normaliza esta trayectoria? Temporoparietal Anterior Occipitotemporal Preguntas acerca del tratamiento de los trastornos de lectura • ¿Los niños con alteraciones en el procesamiento en su hemisferio izquierdo pueden recobrar su potencial lector por medio de acciones correctivas o compensatorias? • ¿Estas acciones pueden focalizarse en el entrenamiento de la adquisicion de conciencia fonologica y corregir el perfil neurológico? Efectos de las intervenciones tempranas orientadas a remediar las competencias de lectores trastornos de lectura • Generalidades. En colaboracion con la Dra. Benita Blachman (Syracuse University) examinamos los cambios neurobiologicos asociados con una intervencion durante 9 meses, con foco en la consciencia fonológica, principios de alfabetización, y el desarrollo del vocabulario en niños pequeños (Shaywitz et al., 2004). • 3 Grupos: Sin discapacidad (N = 28); control DL (N =12), Tratamiento de DL (N = 32). Cada grupo fue escaneado al inicio (línea basal, edad promedio = 6.5), un año después (post-tratamiento). El grupo con DL tratado fue evaluado nuevamente un año después de finalizada la intervención. • (ver Simos et al.,2002 y Temple et al.,2003 para hallazgos similares con diferentes protocolos de entrenamiento fonologico) Tratamiento • 50 minutos de entrenamiento (tutoría), 5 días por semana, 9 meses (105 horas en total) • Un plan de 5 pasos (flexible) e individualizado • • • • • Asociaciones letras – sonidos Manipulación de fonemas Lectura de palabras Lectura de textos Evaluación • Resultados clave a nivel conductual: mejoramiento significativo en el desempeño en una bateria de pruebas relacionadas con lectura del grupo con RD, en comparacion con el grupo control (Blachman et al., 2005) • Los efectos permanecieron estables despues de un año. Grupo de tratamiento: Evolución desde el pre tratamiento • De este modo, tenemos evidencia que un entrenamiento apropiado tiene un efecto normalizador en la trayectoria neurobiologica en lectores emergentes en riesgo. • Debido a esto, la plasticidad es fuerte aun en los niños con dificultades para aprender a leer. Una historia consistente sobre los efectos del tratamiento en el cerebro, comienza a emerger • Un creciente número de estudios sobre tratamientos muestra la modulación de los circuitos de lectura del hemisferio izquierdo, a partir de la implementación de intervenciones efectivas: • cambios funcionales (Shaywitz et al., 2004; Simos et al.,2002 Temple et al.,2003; Eden et al., 2004; Meyler et al, 2009) y • cambios en materia gris y blanca (Keller et al., 2009; Flowers et al., 2011) • Entonces, contamos con evidencia de que los tratamientos apropiados tienen un efecto normalizador sobre las trayectorias neurobiológicas en los lectores tempranos en riesgo. • Los sistemas posteriores del hemisferio izquierdo parecen ser inestables pero entrenables en lectores tempranos en riesgo. • Pero, algunos niños no responden: • Quiénes son estos niños y qué funciona para ellos? • El tratamiento óptimo se diferencia en los niños con ADHD o discalculia? • Necesitamos diseños que constrasten diferentes abordajes y permitan establecer qué funciona y para quiénes. Conclusiones • El desarrollo temprano del lenguaje es la clave para el posterior éxito en la lectura. • Los circuitos del hemisferio izquierdo (HI) se desarrollan con aprendizaje. • La corrección temprana e intensiva puede promover un buen desarrollo cerebral en niños con severas discapacidades en lectura. Collaborators • Haskins Laboratories: Einar Mencl, Rebecca Sandak, Stephen Frost, Nicole Landi, Jon Preston, Leonard Katz, Jay Rueckl, Jim Magnuson, Donald Shankweiler, Jun Ren Lee,, David Braze, Daragh Sibley, Allison Austin, Peter Molfese, Mark Seidenberg • Yale Reading Center: Ken Pugh (Director), Gina Della Porta, Eleanor Tejada, Kelley Delaney, Ashley Zennis, Anish Kurian, Heatherly Carlson, Priya Pugh, Beth Eaton, Ann Stutzman • Yale Center for the Study of Learning and Attention: Bennett Shaywitz, Sally Shaywitz (Directors), Karen Marchione, John, Holahan, Jack Fletcher • Yale University/Diagnostic Radiology: John Gore, Todd Constable, Robert Fulbright, Doug Rothman, Graeme Mason, Pawel Skudlarski, Cheryl Lacadie • Yale University/Psychiatry: Leslie Jacobsen • Yale Child Study Center: Elena Grigorenko