Het talig netwerk: inzichten van geavanceerde structurele en functionele beeldvormingstechnieken

Uniek aan de mens is zijn vaardigheid om al vroeg en ongedwongen in de kinderjaren spraak en taal te verwerven. Toch zijn spraak- en taalproblemen de meest voorkomende ontwikkelingsproblemen bij kinderen. Logopedisten stellen deze taalproblemen vast op basis van gestandaardiseerde psychometrische testen die de verschillende taalvaardigheden in kaart zetten bij het ontwikkelende kind. Welke neurobiologische processen aan de basis liggen van de vastgestelde taalproblemen kreeg recent meer aandacht. Hoewel de neurowetenschap tot op vandaag nog steeds geen alomvattende diagnostische biomarker voor spraak- en taalproblemen heeft gevonden, bieden verschillende beeldvormingsstudies evidentie voor zowel structurele als functionele veranderingen in de hersenen van kinderen en volwassenen met taalproblemen. De doelstelling van dit doctoraat was om de neuroanatomische en neurofunctionele substraten van taalproblemen bij kinderen en volwassenen te onderzoeken aan de hand van geavanceerde magnetische resonantie beeldvormingstechnieken in combinatie met uitgebreid klinisch neuropsychologisch en talig onderzoek.

Het klassieke Broca-Wernicke-Geschwind model dat lange tijd gezien werd als de neurobiologische basis van taalverwerking, werd recent vervangen door hodotopische modellen die aantonen dat  taalverwerking mogelijk is doordat grote delen van de linker én rechter perisylvische cortex samenwerken en daarnaast ook in verbinding staan via een uitgebreid subcorticaal dorsaal en ventraal taalnetwerk.

Om deze modellen te kunnen bestuderen worden geavanceerde structurele en functionele neurobeeldvormingsmethoden gebruikt. Diffusie Tensor Beeldvorming (DTI) is een niet-invasieve beeldvormingstechniek die toelaat de witte stof vezelbundels in de hersenen te visualiseren en te karakteriseren. DTI parameters zoals bijvoorbeeld fractionele anisotropie zijn in staat om de subcorticale witte stof structuur en organisatie kwantitatief te beoordelen. Aan de hand van DTI tractografie kunnen de associatiebanen tussen frontale, pariëtale en temporale hersengebieden gereconstrueerd worden. Deze gebieden van de hersenschors zijn cruciaal voor de uitvoering van hogere orde cognitieve processen zoals taalverwerking. Bijgevolg is DTI een geschikte technologie om mogelijke veranderingen in de witte stof structuur en organisatie bij personen met en zonder taalproblemen te bestuderen.

In een eerste fase van dit doctoraatsproject onderzochten we of handvoorkeur een effect heeft op de organisatie van het talig netwerk bij typisch ontwikkelende kinderen. We reconstrueerden de dorsale en ventrale taalbanen van het taalnetwerk en toonden aan dat de witte stof organisatie opvallend verschilt tussen links- en rechtshandige typisch ontwikkelende kinderen. Rechtshandige kinderen vertoonden een duidelijke linker hemisferische dominantie voor alle onderzochte taal gerelateerde witte stof banen. Bij deze rechtshandige kinderen kon een duidelijke asymmetrie tussen beide hemisferen worden terug gevonden voor DTI parameters zoals de graad van fractionele anisotropie en het volume van de onderzochte witte stof baan. Bij linkshandige kinderen daarentegen kon deze asymmetrie tussen beide hemisferen niet worden teruggevonden. Dit gebrek aan hemisferische dominantie wijst er mogelijks op dat bij linkshandige kinderen beide hersenhelften sterk betrokken zijn bij de uitvoering van talige processen.

Vervolgens onderzochten we de witte stof structuur en organisatie van de taalbanen bij kinderen met taalproblemen. Aan de hand van DTI tractografie beschreven we het structurele taalnetwerk bij kinderen met autisme, kinderen met ontwikkelingsdysfasie en kinderen met rolandische epilepsie. Opvallend bij deze drie groepen kinderen was een consistente afwezigheid van hemisferische asymmetrie voor de onderzochte taalbanen: DTI parameters van de ventrale en dorsale taalbanen verschilden niet van elkaar tussen de linker- en de rechterhersenhelft. Kinderen met taalproblemen lijken dus ook beroep te doen op de rechterhemisferische connecties wat verschilt van typisch ontwikkelende rechtshandige kinderen. Deze bevindingen kunnen er op wijzen dat kinderen met taalproblemen een inherent compensatiemechanisme ontwikkelen om tot taal te komen.

In een tweede fase van dit doctoraatsproject onderzochten we de vraag waarom een gelijkaardige structurele organisatie van het taalnetwerk, met name het gebrek aan hemisferische taaldominantie, gelinkt is aan taalproblemen bij kinderen met autisme, kinderen met ontwikkelingsdysfasie en kinderen met rolandische epilepsie, maar niet bij typisch ontwikkelende linkshandige kinderen. Omdat het antwoord op deze vraag zich misschien niet enkel in het structurele subcorticale deel van het taalnetwerk bevindt, werd in ons onderzoek ook functionele magnetische resonantie beeldvorming gebruikt om de corticale connecties van het taalnetwerk van deze kinderen te onderzoeken. Functionele magnetische resonantie is een beeldvormingstechniek die de vasculaire respons ter hoogte van de geactiveerde neuronen gebruikt om de hersenactiviteit, tijdens de uitvoering van een taak en in rust, te visualiseren. Eerst werd een woordvindingstaak aangeboden met als doel de hersenactivatie en grijze stof gebieden belangrijk voor taalverwerking, te lokaliseren. Vervolgens werd de hersenactiviteit tussen deze grijze stof gebieden in rust bestudeerd. Bij typisch ontwikkelende kinderen kon er een uitgebreid corticaal taalnetwerk geïdentificeerd worden waarbij er geen grote verschillen in functionele hersenconnectiviteit vastgesteld werden tussen links- en rechtshandige kinderen. Daarentegen was een verlies aan functionele connectiviteit bij kinderen met taalproblemen de meest opvallende vaststelling. De taalproblemen waren gelinkt aan een verlies van connectiviteit tussen de rechter cerebellaire regio’s en de supratentoriële taal-regulerende corticale zones. Onze bevindingen bevestigen een kritische rol van het cerebellum in het gestoord talig functioneren van kinderen met autisme, kinderen met ontwikkelingsdysfasie en kinderen met rolandische epilepsie en tonen aan dat hun gestoorde taalontwikkeling het gevolg kan zijn van een verlies van de normale modulatorische controle en automatisatie functie van het cerebellum.

Ten slotte hebben we onderzocht of de taalvaardigheid van volwassenen na linkerhemisferische CVA kon voorspeld worden aan de hand van neuroanatomische predictoren. Onze resultaten suggereren dat DTI parameters van de linker- en de rechterhemisfeer, van zowel het ventrale als het dorsale taalnetwerk, leeftijd, geslacht, letsel karakteristieken en opleidingsniveau samen betrouwbare voorspellers zijn van taal bij chronische afasie patiënten.

In conclusie, dit doctoraatsproject had als doel om de neuroanatomische en functionele substraten van taalproblemen bij kinderen en volwassenen te onderzoeken. We maakten gebruik van geavanceerde beeldvormingstechnieken en hebben aangetoond dat zowel structurele en functionele verschillen in de hersenen aan de basis kunnen liggen van de taalproblemen in de onderzochte populaties. Deze nieuwe inzichten dragen bij tot een beter inzicht in de neurobiologische basis van taal en taalproblemen.