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.

Tabaquismo durante el embarazo: Estados Unidos

National Vital Statistics Reports

1987 1990 1996 2002 2003 20040

5

10

15

20

Pe

rce

nta

ge

of

Wo

me

n

Sm

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Du

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U.S

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ara

zo

Exposición prenatal a tabaquismo materno altera el procesamiento del habla en neonatos

Key et al, 2007

N=8 neonatos no expuestos N=8 neonatos expuestos

El procesamiento auditivo central está alterado en niños de edad escolar expuestos a nicotina por

tabaquismo materno durante el embarazo

McCartney et al, 1994

Test

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Severidad de la exposición prenatal

Ninguna Baja Alta

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.

http://www.olderchildadoption.com/rad/3-year-old.gif

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.

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

50

52

54

56

58

60

62

64

66

68

Non-adopted

controls

Foster care Orphanage

care, 1-12

mos

Orphanage

care, 13-24

mos

Orphanage

care, 25-36

mos

Orphanage

care, 37+

mos

CB

CL

T-s

co

re

(M

= 5

0,

SD

= 1

0)

Aggression*

Affect*

Anxiety*

Resultados en lenguaje

• CELF subscales and mos. in institution, r’s = -.30* to -.40**

• Receptive Vocabulary (PPVT) and 20-min memory delay: r (43) = .50***

50

60

70

80

90

100

110

120

130

cont

rols

Foster

gro

up (n = 8)

Orp

hana

ge 1-1

2

Orp

hana

ge 13-

24

Orp

hana

ge 25+

Sc

ale

d s

co

re

CELF language

PPVT-3

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

15

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

Fenotipo de la conducta de dificultad lectora (DL)

semántica

ortografía fonología

• 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.

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:

Central Sulcus

Lateral Sulcus

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.

Lóbulo

frontal Surco

central

Lóbulo

parietal

Lóbulo

occipital

Surco

lateral Lóbulo

temporal

Corteza motora

Corteza

auditiva

Corteza

visual

primaria

Área de

Broca

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

Constable, Pugh et al. (2004)

common print(red) speech(blue)

RH on left side

Un modelo de lectura para lenguajes alfabéticos

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 memory-

based word identification system

(posterior aspect = “word-form” area)

TEMPOROPARIETAL

(DORSAL) Areas:

supramarginal, angular, superior

temporal (Wernicke’s) gyri

Hypothesized Function:

Mapping of orthographic to

phonological and semantic

representations

(Pugh et al. 2006)

• 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.

Dificultad lectora

Occipitotemporal

Anterior

Temporoparietal

Left Hemisphere

Lectores Normales

Lectores con DL

TD & RD Reading Children (Temple et al., 2003)

Frontal

& Temporo-

parietal

Frontal

but NO

Temporo-

parietal

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)

Anterior

Occipitotemporal

Temporoparietal • 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.

Desarrollo de la lectura: El área visual de formación de la palabra (VWFA)

Woodcock-Johnson Word Attack

Act

ivat

ion

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

Time 1 (7.5 yrs of age)

Time 2 (8.5 yrs of age)

Time 3 (9.5 yrs of age)

Cohort 1 (N= 54) Year 1-3

DNA, MRS, fMRI, Behavior

Behavior fMRI, Behavior

Cohort 2 (N= 54) Year 2-4

DNA, MRS, fMRI, Behavior

Behavior fMRI, Behavior

Cohort 3 (N= 54) Year 3-5

DNA, MRS, 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

TEMPRANO > TARDÍO TARDÍO > TEMPRANO

Hablantes tardios versus hablantes

tempranos. Activacion del cerebro

en la lectura y el habla a los 7.5 años

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

Anterior

Occipitotemporal

Temporoparietal

• 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.

• 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?

Anterior

Occipitotemporal

Temporoparietal

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