Dyslexie & Neurobiologie: Huidige Research en Implicaties Peter Mariën A.Z. Middelheim & Vrije Universiteit Brussel Symposium Wetenschappelijke Raad SIG Vrijdag 17 oktober 2003, Gent

Maturatie- of Lateralisatiestoonis? Vroege Bijdragen: Maturatie- of Lateralisatiestoonis? AZM-VUB

* begin 20ste eeuw: dyslexie naar analogie met de verworven alexie Maturatiehypothese: * begin 20ste eeuw: dyslexie naar analogie met de verworven alexie bij de volwassenen terugvoerbaar op een afwijkende ontwikkeling van de linker gyrus angularis (Hishelwood/Morgan) * 1968: 1ste anatomopathologisch bewijs van morfologische afwijkingen in de linker pariëtaalregio (ectopieën) (Drake) Lateralisatiehypothese: * 1925: onvoltooid cerebraal dominantieproces voor taal (Orton) basisvereisten voor uitbouw geschreven taal ontbreekt * 1985: corticale asymmetrieën (Geschwind & Galaburda) AZM-VUB

Definitie en Klinisch Spectrum AZM-VUB

* Specifieke en significante stoornis van het leesvermogen die niet Definitie: * Specifieke en significante stoornis van het leesvermogen die niet wordt verklaard door een defect van de intelligentie, het leer- vermogen, de motivatie of het sensoriële systeem (WHO, 1993) * - Meer jongens dan meisjes (ratio: 2:3 tot 4:5 dyslectici) - Vaak familiaal voorkomen - Frequente associatie met cognitieve ontwikkelingsstoornissen: - dysfasie, dysgrafie, SLI, - dyscalculie, - dyspraxie, non-verbale leerstoornissen, DRHS, - AD(H)D,… AZM-VUB

* Klassieke Leesfouten; Klinisch Spectrum: * Klassieke Leesfouten; - visuele verwarring van letters (symmetrische tegenhangers) - foutieve toepassing globale logografische strategie - problemen met de grafeem-foneemconversieregels * Klassieke Schrijfproblemen; - inhoudelijk stereotiepe schrijftaal met zwakke syntaxis - fonematische paragrafieën (inversies, omissies, substituties) - problemen met de visuo-spatiële organisatie * Therapeutische outcome; gereserveerd * Indeling in ‘surface’ en ‘phonological’ type (analogie alexie) AZM-VUB

Etiologische Beschouwingen AZM-VUB

* Genetisch substraat erg waarschijnlijk * Chromosoom 6 en 15 studies Genetica: * Genetisch substraat erg waarschijnlijk * Chromosoom 6 en 15 studies * Castles et al. (1999): genetische invloed vooral bij fonol. type Neurobiologie: * Kwetsbaarheid corticale taalregio in de prenatale fase - hormonale invloeden (testosteron) tijdens de zwangerschap - immunologische invloeden (human leucocyte antigen complex) AZM-VUB

Het Dyslectische Brein AZM-VUB

1. Anatomisch Onderzoek (Bostonse School - Geschwind/Galaburda) * Microscopisch: (4 mannen, 3 vrouwen) - ectopieën vnl. bifrontaal en thv de taalcentra - dysplasieën vnl. thv de ectopieën - vasculaire micromalformaties (zeldzaam)  afwijkende corticale ontwikkeling (≤maand 6) * Macroscopisch: - ontbreken planum temporale asymmetrie (L>R) - 1/3 niet-dyslectici eveneens geen asymmetrie  asymmetrie noodzakelijk maar niet voldoende? AZM-VUB

2. Morfometrisch Onderzoek via Beeldvorming * Initiële Studies: - geïnverteerde of afwezige PT asymmetrie (Leonard, 1995) - asymmetrie R>L geassocieerd met fonologische vorm * Recent Onderzoek: - geen PT asymmetrie aantoonbaar op MRI (Green et al, 1999) - asymmetrie thv pariëtale operculum (Habib et al, 1996) - asymmetrie thv gebied van Broca (Robichon et al, 2000)  Asymmetrieën in verschillende corticale taalregio’s AZM-VUB

* Interhemisferisch Deficiet Theorie - gebaseerd op hypothese van afwijkende interhemisferische informatieoverdracht via het corpus callosum (Best, 1985) - zeer variabele bevindingen: - CC enkel groter bij dyslectische vrouwen (Duara et al, 1995) - splenium groter bij dyslectische mannen (Duara et al, 1995) - geen verschillen (gender/controles) (Larsen et al, 1992) - isthmus en splenium verschillend (Rumsey et al, 1996) - genu verschillend (Hynd et al, 1995)  Morfologische vondsten: hoe typisch? AZM-VUB

Neurofunctioneel Substraat AZM-VUB

Methodologische overwegingen - verklarende modellen gebaseerd op statistische tendensen - bias in de selectie van de studiepopulatie:  ofthalmologische settings (visuele moeilijkheden)  kinderneurologische settings (taalstoornissen)  pedagogische settings (leerstoornissen) Recente ontwikkelingen - theorie gebaseerd op een fonologisch processingdeficiet - theorie gebaseerd op een visueel processingdeficiet - theorie gebaseerd op een temporeel processingdeficiet AZM-VUB

Fonologische processingtheorie: gestoorde leesontwikkeling is van fonologische origine: - deficiet op niveau foneemrepresentatie (meta-fonologie) - gestoord vermogen fonemen te manipuleren aangetoond via o.a.:  segmenteren van woorden  auditieve discriminatie van akoestisch verwante fonemen - inadequate cognitieve representatie hindert totstandkoming fonologische vereisten voor de uitbouw van geschreven taal - gunstig effect van mondelinge taaltherapie (Lundberg, 1988) AZM-VUB

 Visuele processingtheorie: gestoorde leesontwikkeling is van visuele origine: - ofthalmologische problemen bij 75% van de dyslectici (oogvolgbewegingen, bewegingsperceptie,…) (oorzaak/gevolg) - gestoorde visuele perceptie (tragere visuele processing, lagere contrastsensitiviteit, visuele aandacht, bewegingsdetectie,…) - deficiet magnocellulaire component van het visuele systeem  magnosysteem: transiënt kanaal (vorm, beweging, resolutie)  parvosysteem: volgehouden kanaal - tegenstrijdige bevindingen (anatomisch, neurofysiologisch, cognitief: Talcott et al, 1998; Skottun et al, 2000) AZM-VUB

 Temporele processingtheorie: gestoorde leesontwikkeling gevolg van temporeel verwerkingsprobleem van vis. en aud. stimuli: - Tallal & Piercy (1973): taalontwikkelingsstoornissen volgen uit het onvermogen om snel opeenvolgende akoestische en visuele stimuli waar te nemen - Tallal & Newcombe (1978): ernst temporeel verwerkingsdeficiet correleert bij afatici met de ernst van de afasie - McAnally et al. (1997): artificieel verlengde CVC stimuli leiden bij dyslectici niet tot meer accurate identificatie  Rol van functionele betrokkenheid van de linker hemisfeer onvoldoende gekend AZM-VUB

Temporele processingtheorie - Llinas (1993): dyslexie is een aspect van algemene dyschronie - Dyschronie bij dyslectici ook aantoonbaar in: - fijn motorische taken (Nicolson & Fawcett, 1993;1994) - ritmisch nabootsen (Stambak, 1951) - geautomatiseerde motorische taken (Fawcett et al, 1992) - motorische reactietijden - sequentieel benoemen - Hypometabolisme R CB (Rae et al, 1992; Nicolson et al. 1999)  Rol van het cerebellum als denkpiste AZM-VUB

Bijdrage Elektrofysiologie en Functionele Beeldvorming AZM-VUB

1 Elektrofysiologisch Onderzoek: ERP’s sensitieve neurofysiologische maat voor de beoordeling van corticale betrokkenheid tijdens verschillende stadia van cognitieve processen Mismatch Negativity (MMN) - ontstaat wanneer een afwijkende aud. stimulus verschijnt tussen homogene standaardstimuli - ERP met frontocentrale distributie (tss 100 en 200ms) - detecteert aud. discriminatiestoornissen op pre-aandachts- niveau  Toondiscriminatie bij dyslexie verstoord AZM-VUB

- ontstaat wanneer een specifieke aud. stimulus gedetecteerd wordt in een reeks van stimuli - bewuste processing en evaluatie van stimuli  Aandachtsprocessen verstoord bij D (ADHD, cognitieve aandoeningen) N400 - klassiek uitgelokt door semantisch incongruente zinnen: De vrouw houdt de baby in de armen (geen N400) De vrouw houdt de baby in de neusgaten (N400)  Semantische integratie verstoord bij dyslexie AZM-VUB

2 Functionele Beeldvorming: - studies meestal met volwassen (type en omvang dyslexie?) - variabiliteit mbt techniek, methodologie, dataverwerking 1. Hersenactivatie tijdens fonologische taken - Rumsey et al (1992): dyslectici activeren itt controles L temporopariëtale regio niet tijdens een activatietaak met rijmwoorden - Paulesu et al (1996): geen activatie L insula bij dyslectici tijdens een activatieparadigma met rijmwoorden + geheugentaak  Disconnectie van anterieure en posterieure taalcentra AZM-VUB

2. Hersenactivatie tijdens leestaken (3 studies) 1) Rumsey et al (1997) (PET) - onregelmatige versus nonwoorden - bij 17 dyslectici versus 14 controles: meer en grotere activatiezones en gereduceerde activiteit L posterieur temporaal en inferieur pariëtaal  Linker angulaire regio functioneel gestoord 2) Shaywitz et al (1997): fMRI - visuele taak: line orientation (low-level perception) - visuele decisietaak: letter case judgment (orthographic) - fonologische rijmtaak: obv nonwoorden (fonologisch) - semantische decisie AZM-VUB

- bij 29 dyslectici versus 32 controles: - hypoactivatie posterieure taalgebieden - hyperactivatie anterieure taalgebieden  Disruptie van het fonologische systeem bij dyslexie 3) Samelin et al (1996) (Magneto-encefalografie) - leestaak: bestaande en onbestaande Finse woorden - bij 6 dyslectici versus 8 controles: - geen activatie van de L inferieure temporo-occip. regio - activatie van de L inferieure frontale regio  Globale woordvormperceptie ontbreekt bij dyslexie  Abnormale Broca-activiteit = compensatiefenomeen (silent coarticulation) voor een foutieve visuele perceptie AZM-VUB

3. Hersenactivatie tijdens bewegingsperceptie Eden et al (1996) (fMRI) - bewegende punten (magno-) vs stabiel patroon (parvosysteem) - bij dyslectici itt controles: geen bilaterale activatie bij beweging  Dyslectici vertonen een magnocellulair deficiet in de temporele verwerking van visuele stimuli AZM-VUB

Besluit AZM-VUB

 ondanks intensieve multidisciplinaire inspanningen geen eenduidige neurobiologische verklaring voor dyslexie  temporeel processingdeficiet actueel het meest attractief: - plausiebele verklaring voor zowel vis. als aud. symptomen - dyschronie universeel aan het dyslectische brein (perceptie van transiënte stimuli, temporele ordening, visuele leesprocessen) - dyschronie terugvoerbaar op een globale coördinatiestoornis (motorisch en cognitief) - vermoede rol van het cerebellum AZM-VUB

“cerebellaire cognitie” Groei van het concept “cerebellaire cognitie” AZM-VUB

Naar het concept van cerebellaire cognitie Traditionele Opvatting: cortico-cerebellaire loops louter ten dienste van de motorische functies * feed-backward projecties ≠ corticale associatie areas naar het cerebellum * feed-forward projecties van de diepe nuclei naar ventro- laterale ncl. van de thalamus naar Brodmann areas 4 & 6 * mogelijk verband tussen CB letsels en geassocieerde cognitieve deficieten werd niet geëxploreerd in de vroege bijdragen AZM-VUB

Naar het concept van cerebellaire cognitie Conceptuele groei: cortico-cerebellaire loops ook ten dienste van niet zuiver motorische functies * CB op reciproke wijze verbonden met corticale associatiegebieden * fylogenetische evidentie voor simultane ontwikkeling en groei van de prefrontaalkwab en het neocerebellum * CB moduleert de functies van de supratentoriële structuren waarmee het op reciproke wijze verbonden is AZM-VUB

Naar het concept van cerebellaire cognitie

Naar het concept van cerebellaire cognitie Eind jaren 1980: * niewe imagingtechnieken creëren interesse in de niet motorische rol van het cerebellum * CB geactiveerd in verscheidene cognitieve & linguistische taken: - Peterson et al. (1988;1989): genereren van ww. - Courchesne et al. (1988): aandacht - McCormick et al. (1981): leren en geheugen - Decety et al. (1990): mentale voorstelling AZM-VUB

Naar het concept van cerebellaire cognitie * experimenteel en klinisch neurocognitief onderzoek: CB is betrokken in verscheidene cognitieve processen: - executieve planning & problem solving - temporele sequencing (CB = internal clock) - attentionele processen (richten, verdelen, wisselen) - visuo-perceptuele vermogens (spatieel, constructief) - leren (motorisch, proceduraal, verbaal associatief) - working memory (phonological short-term memory) - tal van niet-motorische taalprocessen  cerebellaire cognitie: van een zuiver hypothetische gedachte tot een geheel nieuw onderzoeksdomein AZM-VUB

Cerebellum & Taal: 1 Articulatie & Fonatie 2 Taalprocessing A.Z.M.-V.U.B.

3.1. Cerebellum & taal: articulatie & fonatie 1 Atactische Dysarthrie 1917: CB vervult een cruciale rol in motor speech (Holmes) - traag, monotoon, staccato, gescandeerd, onregelmatig, moeizaam, onnauwkeurig, explosief, hese stemkwaliteit - causale letsels in L of R CB hemisfeer 1975: atactische dysarthrie (Darley) - onnauwkeurige C & V produktie, onregelmatige breakdown, accentabberaties, hese stemkwaliteit 1978: lateraliteitseffect (Lechtenberg & Gilman) AZM-VUB

3.1. Cerebellum & taal: articulatie & fonatie 2 Spreekapraxie (verbale apraxie, anarthrie) “selective impairment of speech movements following the inability to properly and smoothly convert phonological knowledge into verbal-motor commands” (Rosenbek, 1999) - slordige articul., fonetische alteraties, articul. groping, monotoon, staccato, gescandeerd, islands of fluent speech - causatief letsel: gyrus precentralis taaldominante insula (Dronkers, 1996)  opvallende overeenkomsten met atactische dysarthrie (vroege terminologie: ataxic aphasia & cortical dysarthria)

3.1. Cerebellum & taal: articulatie & fonatie Mariën P, Pickut B, Engelborghs S, Martin J-J, De Deyn PP. Phonological agraphia following a focal anterior insulo-opercular infarction. Neuropsychologia 2001; 39: 845-855. Case Report 1 83 jarige rechtshandige vrouw Dag van opname: * progressieve spraakstoornissen met evolutie tot mutisme * begrip, geschreven taal, orale praxis: normaal * KNO: verbaal mutisme Klinische evolutie: * transiënte fonologische agrafie * blijvende spreekapraxie AZM-VUB

Case Report 1: MRI * anterieur insulo-operculair letsel * sulcus circularis insulae, gyri breves insulae, gyrus frontalis inferior & gyrus precentralis AZM-VUB

Case Report 1: Tc-99m-ECD SPECT * hypoperfusie L gyrus frontalis inferior & gyrus precentralis * hypoperfusie R CB hemisfeer (crossed cerebellar diaschisis) AZM-VUB

3.1. Cerebellum & taal: articulatie & fonatie Mariën P, Verhoeven J, Engelborghs S, De Deyn PP. A role for the cerebellum in motor speech planning? Indications from a case with Foreign Accent Syndrome. Stroke (submitted). Case Report 2 53 jarige rechtshandige vrouw (moedertaal Nederlands) Dag van opname: * verbaal mutisme (anarthrie), geen afasie of orale apraxie * KNO: hemiparese & centrale VII rechts * TEE: patent foramen ovale (niet chirurgische sluiting) Klinische evolutie: * geïsoleerd buitenlanderaccent (Duits/Frans) * lichte residuele spreekapraxie (na 3 jaar opvolging) A.Z.M.-V.U.B.

Case Report 2: MRI * frontalis inferior, precentralis, postcentralis, anterieure insula, supramarginalis AZM-VUB

Case Report 2: Tc-99m-ECD SPECT Letsel Fase: * hypoperfusie L motorische cortex en deel pariëtale cortex * secundaire relatieve hypoperfusie L thalamus en striatum * crossed cerebellar diaschisis R AZM-VUB-UA

Case Report 2: Tc-99m-ECD SPECT Late Fase: * hypoperfusie L motorische cortex en pariëtale cortex * secundaire relatieve hypoperfusie L thalamus en striatum * crossed cerebellar diaschisis R duidelijk verbeterd AZM-VUB-UA

3.1. Cerebellum & taal: articulatie & fonatie Besluit: Parallellisme klinische evolutie (remissie foreign accent) en SPECT bevindingen (reperfusie R cerebellum) sterk indicatief voor een rol van het R cerebellum in: * de pathofysiologie van de spreekapraxie * de cognitieve planning en programmatie van motorische spraakprocessen AZM-VUB

3.2. Cerebellum & taal: taalprocessing 1 Verbale Vlotheid en Woordvinding 1988: verbale associatietaken activeren het R CB en de prefrontale taalgebieden (Peterson et al.) 1989: simultane activatie van deze gebieden reflecteert een verhoogde transmissie van signalen tussen beide centra (Leiner et al.) 1992: semantische WV stoornissen bij een patiënt met R CB letsel (Fiez et al.) 1995: CB letsels verstoren zowel de fonologische als semantische verbale vlotheid (Leggio et al.) AZM-VUB

3.2. Cerebellum & taal: taalprocessing 2 Stoornissen van grammaticale produktie 1994: - transiënt expr. agrammatisme na een R CB letsel - parallellisme met SPECT bevindingen - linguistische adaptatie aan een deficiet (timing disorder) buiten het mentale linguistische systeem (Silveri et al.) Mariën et al., 1996; Zettin et al., 1997, Riva, 1998; Gasparini et al.,1999; Fabbro et al., 2000; Mariën et al., 2000; Riva & Giorgi, 2000 AZM-VUB

3.2. Cerebellum & taal: taalprocessing Mariën et al. Cerebellar induced aphasia: case report of cerebellar induced prefrontal aphasic language phenomena supported by SPECT. J Neurol Sci 1996; 144:34-43. 3 Cerebellair geïnduceerde afasie 1996 - expr. & receptief agrammatisme na R CB letsel - dynamische afasie (TMA) - R CB letsels kunnen tot afasie leiden - R CB letsels verstoren de op afstand gelegen supratentoriële taalcentra door een reductie van input via cerebellocorticale verbindingen (Mariën et al. (1996; 2000; 2001), Riva (1998), Gasparini et al. (1999), Fabbro et al. (2000), Riva & Giorgi (2000); …) AZM-VUB-UA

3.2. Cerebellum & taal: taalprocessing 4 Dyslexie 1994: Nicolson & Fawcett: soft neurological signs (evenwicht, fijne motoriek, automatisatie) 1995: Nicolson et al: gestoorde temporele processing 1999: Nicolson et al: R cerebellair hypometabolisme bij uitvoeren en aanleren sekwentiële handbewegingen 2002: Rae et al, Finch et al: ontbreken L/R asymmetrie van de grijze stof van het cerebellum  disfunctie van het cerebello-corticale circuit AZM-VUB

fMRI Dyslexie versus Controle

Het gelateraliseerde linguïstische cerebellum A.Z.M.-V.U.B.

FIELD FUNCTION DISTURBANCE REFERENCES Articulation musular speech control ataxic dysarthria Holmes, 1917; Lechtenberg & Gilman 1978 covert articulation Fiez & Rachle, 1997 articulatory planning speech apraxia Mariën et al., 2001 Speech Perception discrimination of VOT Ackermann et al., 1996 Spelling visuo-spatial organisation afferent dysgraphia Silveri et al., 1997; 1999 phonological encoding dysorthographia Nicolson et al., 2001 Reading phonological decoding dyslexia Rae et al., 2002 Linguistic Processing verbal associations lexical retrieval Petersen et al., 1988; 1989 generation of synonyms, lexical retrieval Klein et al., 1995 translations, rhyming words word completion lexical retrieval Buckner et al. (1995) semantic associations lexical retrieval Fiez et al., 1992 phonological generation verbal fluency Leggio et al., 1995 expressive syntax agrammatism Silveri et al., 1994; Zettin et al.,1997 syntactic knowledge agrammatism Mariën et al., 1996;2000; Riva 1998 Gasparini et al., 1999; Fabbro et al., 2000; Riva & Giorgi, 2000; Mariën et al., 2001 language dynamics dynamic aphasia Mariën et al., 1996;2000; Riva 1998; Gasparini et al., 1999; Fabbro et al., 2000; Riva & Giorgi, 2000; Mariën et al. 2001

4 Het Gelateraliseerde Linguistische Cerebellum Mariën P, Engelborghs S, Vignolo LA, De Deyn PP. The many faces of crossed aphasia in dextrals: report of nine cases and review of the literature. European Journal of Neurology 2001; 8: 643-658. * 55 jarige rechtshandige man * nonfluente afasie, L hemiparese * CT-scan: temporopariëtaal infarct * MRI in de late fase (maand 5): destructie - homologe gebied van Wernicke - R gyrus angularis - LH structureel intact

Het Gelateraliseerde Linguistische Cerebellum Neurocognitieve Investigaties * gekruiste Broca afasie, agrammatisme, fonologische agrafie * transiënt Gerstmann syndroom (gyrus angularis syndroom) Anatomoklinische Beschouwingen * ‘anomalous’ inter- & intrahemisferische organisatie van taal (afasie na een RH letsel & Broca afasie na een posterieur letsel) * Gerstmann syndroom na destructie van het typische gebied in de RH (dominante kwaliteiten van de RH) A.Z.M.-V.U.B.

Verbal Fluency versus Rest fMRI- studie * bilaterale activaties (R>L) * temporale activatie (R>L) * GEEN activiteit in Broca’s area * gyrus frontalis medius & superior * cerebellaire activiteit (L>R)  RH taaldominant  geen functioneel gebied van Broca  cerebellair L>R

CONCLUSIES 1. Tijdens de afgelopen 2 decades is de klassieke opvatting Mariën P, Engelborghs S, Fabbro F, De Deyn PP. The lateralized linguistic cerebellum: a review and new hypothesis. Brain and Language 2001; 79: 560-600. Mariën P, Engelborghs S, De Deyn PP. Cerebellar neurocognition: a new avenue. Acta Neurologica Belgica 2001; 101: 96-109. 1. Tijdens de afgelopen 2 decades is de klassieke opvatting dat het cerebellum louter fungeert als coördinator van motorische functies drastisch gewijzigd 2. Het cerebellum moduleert een variëteit van niet motorische (linguistische) processen (articulatorische planning, woord- vinding, syntaxis, taaldynamiek, fonologisch coderen) 3. De modulerende functie van het cerebellum in taalprocessen lijkt topografisch te zijn georganiseerd in het zgn. “gelateraliseerde linguistische cerebellum” AZM-VUB