1 Programa del las Ciencias CognitivasJoy Hirsch, Directora Harry D. Schneider Co-Investigator Debra Schneider Clinical Coordinator Programa de Investigaciones sobre Autismo de la Faculdad de Neurociencia De La Columbia Universtiy TODAY’S CHAT: FUNCTIONAL MRI, LINGUISTICS, LFA BRAIN RESULTS, HOW CAN WE USE THESE RESULTS TO EFFECT TREATMENTS!

2 La “MRI” esta baseado en el giro rapido de protones:Para comprender la resonancia magnetica, tenemos que aprender algo del atomo. La “MRI” esta baseado en el giro rapido de protones: To scale: you can think of the nucleus as a golf ball sitting in the middle of a football field, and the electrons would be flying around the highest seats in the stadium. Large horseshoe magnet next to randomly scattered filings, all then line up in the magnetic field!

3 B. Protones que giran rapidamente son como imanes pequenos: producen electrcidad!Scanner Environment [1.5] T [3.0] T Protons align along an axis Protons in Brain Protons in Brain Outside Field Inside Field The Tesla (symbol T) is a unit of magnetic flux density. 1.5 Tesla can pull a pen out of your hand and send it flying! It is named after Nicola Tesla, famous physicist. Alignment is like a magnet and scattered nails that all line up. (scattered) (aligned)

4 El magnetismo Produce la ElectricidadUn pulso de 63.3 se aplica a los protones RFi Los protons tabalalean alrededor de su eje y crean una pequena corriente electrica. Put a magnet next to a wire the right way and you can produce an electric current! (precess) (wobble)

5 Donde estan? Cuando los protones se relajan, emiten corriente. RFoEl hecho de que cada corriente tiene su propia fuerza, dependiendo de la cantidad de magnetismo recibido, usando una computadora enorme podemos determinamos su posicion en el cerebro. uniform Gradie.ield field All we need is a supercomputer… La origen de los senales se recordan para dar nos el imagen de laMRI

6 Para obtener MRI ‘funcional’, usamos el senal Bold: “the BOLD SIGNAL”Physiology Physics La activacion de los neurones se asocia con el uso de mas oxigeno Deoxy-HGB es paramagnetic y perturbe es espacio electrico La hemoglobina (HGB) transporta el O2, e al salir de una area de neruones que estan functionando, se reduce la cantidad de O2 TASK = MAKING A DECISION, TELLING A LIE, LOOKING AT EMOTIONAL FACES, OR THINKING ABOUT LANGUAGE IN THIS CASE. Resultado: Menos distorcion del espacio magnetico local MR

7 Mapa funcional del cerebroUsamos la computador enorme para obtener mapa funcional del cerebro. Reconstrucion Alineacion Analysis estatistica representacion grafica Back to supercomputer: compares billions of voxels (a cube of neurons about 1mm or 1/25”) to each other to see which ones have the most signal coming from them. Mapa funcional del cerebro

8 En combinacion con fMRI usamos “Diffusion Tensor Imaging (DTI)” para ver las conexiones de los areas de lenguage Eschucando voces: DTI:Conexiones neuronales Broca Arcuate Fasciculus Diffusion tensor imaging measures the diffusion of water along the white matter and can tell us where the axons are going from an individual activation. It measures the connectivity (“the wiring”) between different parts of the brain. Wernicke Conneccions entre los Areas Broca y Wernicke’s actividad functional DTI mapa de las conexiones entre areas de comprencion (posterior) y produccion (anterior).

9 Un nino se 6 meses antes de cirugia para un tumor del cerebro.Souweidane, M.M., Kim, K.H.S., McDowall, R., Ruge, MI, Lis, E., Krol, G., Hirsch, J. Brain Mapping in Sedated Infants and Young Children with Passive-Functional Magnetic Resonance Imaging. Pediatric Neurosurgery 30, 86-91, 1999.

10 Los Resultados de ese infanteSensorial GPoC (passive) Motor Finger Thumb Tapping GPrC (active) (active) Looking at Pictures Listening to Words (passive) Lenguage GTs GFi GTT GOi Vision Reversing Checkerboard CaS (passive) From Hirsch, J., et al; Neurosurgery 47: , 2000 Hirsch, J., Columbia University.

11 Ya que todos ustedes comprenden todo de la MRI, debemos recordar que el autismo se trata del uso del lenguage LA LINGUISTICA  Boring or not, language problems in autism is what I do, it’s what our research project is all about, so we have to understand how language works in the brain! La linguistica es la ciencia del lenguage que hablamos sin pensar en ello.

12 Como aprendieron hablar ustedes su primer idioma?Nadie se le enseno. No habia verbos para conjugar. No habia examenes de sus abilidades. Ustedes miraban, escuchaban, y un dia, sin saber como, comenzaron a hablar sin pensar en ello! Ustedes adquirierion la plantilla o plan de la gramatica sin uso de su conciencia! NICUARAGUAN SIGN LANGUAGE !! “The girl pushed the boy” “ The boy pushed the girl”

13 Que decimos sobre el desarollo de lengauge en nino neurotipico?El escritor y linguista Noam Chomsky dijo: Una maquinaria para lenguage es inata” (todos nosotros nacemos con un sistema cerebral que esta ya lista para aprender cualquier lengua” La maquinaria cerebral para adquirir la gramatica esta firmamente colocada y lista para el primer dia de vida! PINKER SAID IT VERY WELL (The Language Instinct)

14 Adquirir sonidos inconcientemente.Los infantes son capaces de determinar cuales sonidos se pueden formar palabras – y cuales no se pueden - y no se usan. Especificamente, los infantes son capaces de detectar la frecuencia del uso de cada silaba - y si una silaba (como, p.e., “ma”) predice otras palabras con la misma silabala como: “mama” o “malo”. INFANTS ARE GOOD MATHEMATICIANS AND STATICIANS !!

15 Descubriendo las palabrasEste es el primer paso para el infante. Tienen que descubrir todos los componentes de una palabra, como el pasado “-aron” o “-iendo”. Los infantes descubren “implicitamente e inconcientemente” como usar su nueva gramatica para determinar “quien hizo (el subjeto) que (el verbo) a quien (el objeto) de cada frase. Esto se aplica a frases sencillas como :”Mama dio la manzana al padre en contrase con “Papa dio la manzana a la madre”) Los ninos, usando su gramatica, tienen que poner en orden todas las palabras de una frase para poder entender el mundo que existe alrededor de ellos.

16 La maquina linguistica en el cerebro no permite errores grandes!Ninos dicen al comienzo: “Mama da el libro” nunca “Mama el da libro” Ninos hacen ciertos errors erros que toleramos, pero esos se corrigen: “Mama no sabio la verdad”.

17 Hay dos (2) sistemas de memoria para lenguage en el cerebroLa gramatica fundamental depende de sistemas neuronales primitivas: Esto se llama “memoria implicita e inconciente “o memoria procedural” (caminando y hablando son procedimientos). Cometer a memoria las palabras y lo que significan se depiende en sistema diferente y mas nuevo – estas memorias son (concientes y explicitas ) y se les llama memorias declarativas: mantienen hechos que se pueden recordar despues quando las necesitamos y “declararlas” a otra persona. Different parts of the brain handle different parts of language: Grammar and Words & Meaning have different brain areas. This is the Declarative Procedural Model: (ULLMAN, 2004)

18 El cerebro antiguo se usa para adquirir lenguage sin usar memoriaWhat an infant uses for the first 2-3 years of language acquisition. Direct and indirect “corticostriatal circuits” which intimately connect the BG to ALL parts of the cortex, with the exception – maybe - of the primary visual systsm.

19 (palabras y semantica)RECUERDAN !! Implicito = inconciente= Procedural (como reglas de la gramatica) MEMORIA Explicito = Conciente = Declarativo (palabras y semantica)

20 En que forma manejamos carro?Implicito (automatico e inconciente)? Explicito (pensando en lo que aprendimos en la escuela o los hechos del trabajo) Tal vez usamos las dos (2) formas de memorias? e.g. Para los que manejan carro, acontecio un dia que llego a casa sin recordar como llego?”

21 Es la Gramatica nada mas que otra habilidad, como manejar carro?Si! “No es coincidencia que los comienzos de la gramatica llegan al mismo tiempo cuando el nino comienza a caminar y hablar a cosa de 15 meses” (Pinker, 1994) UNFORTUNATELY, THIS APPLIES TO “NORMALLY DEVELOPING” CHILDREN!

22 Que podemos decir de la lengua de un nino con autismo?Producion de Lenguage Usualmente no hay palabras llegando a 12 to 14 meses. Menos de 12 palabras llegando a 8 meses de edad. No hay frases de 2 palabras a los 2 anos o frases enteras a los tres anos. Falta de usar lenguage en conversation, como “charlando". Falta de contar una historia coherente. Comprehension de Lenguage : (comprencion mas que produccion) Cuanto entienden realmente? Han adquirido la fundacion basica de la gramatica? Si entienden: “ el nino besa la nina”, tambien pueden entender “la nina fue besada por el nino? Some very general statements. We all know that children can understand more than they can product, but their level of understanding is based on very simple grammar!

23 Ninos con autismo usan procesos cognitivos explicitos o implicitos para manejar lenguage?Ninos con funcion minina generalmente tienen que MEMORIZAR todo el lenguage que usan Esto resulta debido al nino no haber adquirido la maquinaria gramatica cuando nacieron. Esto demanda mucho del cerebro, cuesta mucha energia, el nino se frustra facilmente y usalmente no le deja al nino recuperar lenga suficiente para mantener o iniciar conversacion. In other words…

24 Todos los problemas que tiene el nino resultan de falta de gramatica!Nuestra meta es estimular esos areas procedurales, usados para adquirir una lengua, para poder devolver al nino lo que perdio o nunco tuvo: dandoles la fundacion inconciente de gramatica les permite aprender lo demas. Cuales son aquellos areas primitivas para adquirir una lengua sin pensar? OUR GOAL IS LINGUISTIC: GIVE THEM THE GRAMMAR MODULE THEY NEED TO GENERATE SPEECH !!

25 Si la memoria procedural no funciona:Un nino con autismo puede tener problemas con:: preposicions, adjetivos, adverbios pronombres: Yo, tu, el, ella, mi, tu, etc.), cosas (este, ese, esas, aquellos), lugares (aqui, alla, encima, debajo, etc.), tiempos (ahora, manana, ayer); Reconcer frases sin gramatica correcta. El uso correcto de palabras AND ALL THE SMALL WORDS CALLED “FUNCTORS”

26 Areas procedurales se encuentran no en la superficie del cerebro sino muy adentro!These are the areas we want to bring back fully!

27 Las Areas Linguisticas Superficiales de la corteza cerebral.

28 Dos(2) Conexiones Basicas entre las areas de comprension y produccion de lenguage: “Sendas” DORSALES (Norte) y VENTRALES Sur) Blue = arcuate fasciculus; Red = uncinate fasciculus

29 “la Senda del Norte” (El Arcuato)Funciones: esta senda coloca sonidos fonemicos sobre representationes de actos motores para que se pudean articular “Saltar y Jugar” - pero no “Juzgar”. Mantiene intacta la abilidad de repetir palabras oidas.

30 “la Senda del Norte” II Procesa estructuras gramaticas complejas (frases dificiles como, “el hombre que se cayo del caballo cuyo nombre es Enrique se fue al hospital) La norte esta conectada directamente a la area del habla: llamada Broca.

31 La Senda del Sur ”(Uncinato)Colocan sonidos que se oyen sobre representaciones que tienen algun significado que esten distribuidos en diferentes partes del cerebro (“frio”, “odio”, “amor” se asocia con muchas cosas) La senda del sur trata de comprencion de frases com gramatica sencilla. (“La mama ama su hijo”)

32 La Senda del Sur II Procesa estructuras gramticas mas sencillas: (“el hombre que se cayo del caballo cuyo nombre es Enrique se fue al hospital)

33 Fmri de las Sendas del Norte (Dorsal) y del Sur (Ventral) en un nino de 6-anos escuchando a la voz de los padres. Wernicke’s Area does NOT reach Broca’s Area via Arcuate or Uncinate Fasciculi.

34 El Autism es un desorden de amplio espectro”Los cerebros autisticos son diferentes de cerebros neurotipicos y cerebros autisticos con minimo lenguage puedan ser diferentes de cerebros de ninos con mas lenguage. En autismo mas severo, se nota mas patologia en las regionas que se tratan de lenguage e incluso hay mas patologia en las conexiones entre ellas. AS YOU KNOW…

35 Autism occurs in as many as 1 child in 150 in the U.S.Alternative Neurocircuitry in Autism Spectrum Disorder THE AUTISTIC SAVANT HAS LANGUAGE! (AL LEAST FOR THE WEATHER) There is no activation of Wernicke’s or Broca’s Area in the brain with autism. The area most involved with language processes are moved toward the back of the brain, called the parietal lobe. Autism occurs in as many as 1 child in 150 in the U.S.

36 Nino neurotipica -edad 7 anosACTIVACION CONEXION

37 NINO AUTISTICO, 6 ANOS: Escuchando a la musica y a las voces grabadas de los padres.ACTIVACION Minimal Wernicke’s Area, No Broca’s area: activation is PARIETAL! CONEXION ANDA PARA ATRAS!

38 AUTISMO 7 anos: Escuchando a la musica y a las voces grabadas de los padresACTIVATION A Activations in Wernicke’s area, CEREBELLUM, none in Broca’s area, large activation for language in PARIETAL AREA. CONEXION: (CASI LLEGA AL FRENTE)

39 Repaso:Comparacion de los Neurotipicos a los que tienen AutismoACTIVACIONES Neurotipicos Autistico de 6 anos Autistico de 7 anos Conexiones THERE WAS ONE CASE WHERE WERNICKES ALMOST CONNECTED TO BROCA’S AREA, BUT TOOK THE “SOUTHERN ROUTE” INSTEAD OF THE NORTHERN ROUTE !

40 RESUMEN Areas reconocidas por lenguage no funcionan por lenguage, y si funcionan, funcional incompletamente. Estas areas, como la de Broca, pueden activarse no por el lenguage sino por la musica. Solamente algunas partes de sistemas linguisticas funcionan, por ejemplo, la parte para comprension (area Wernicke) - pero no la parte por la produccion del habla. Las conexiones reconocidas por lenguage no llegan a conectarse. Algunas areas no reconocidas por lenguge pueden llegar a ser areas usados por lenguage. Esto es lo que llamos la “plasticidad” del cerebro. Las conexiones que se forman estan incompletas o forman sendas nuevas. Algunas conexiones de areas linguisticas van al posterior del cerebro en lugar de ir adelante - a las areas de produccion del habla.

41 Comenzamos con las preguntas?Cuales son algunas nuevas teorias sobre el “autismo”? Que hay de neuvo respeto a aplicaciones y tratamientos para el autismo, especialmente para restorar el habla? about

42 Tratamentos nuevos para autismoRehabilitaciones’ originales para restorar la base gramatica perdida. La aplicacion de musicologia para ayudar la base linguistica. 3. Movimiento normal o virtual: estimulation del cerebelo da gramatica. 4. Tecnicas de modulaciones neuronales.

43 Que existe ahora? Intervencions de ABA o terapia del hablaABA “applied behavior analysis)- comenzo con el psicologo Skinner y despues Lovaas , 1966): usan refuerzos, como comida, durante la ensenanza del habla. Terapias del habla: valen principalmente para ayudar en la pronunciacion de palabras. Estas terapias valen hasta cierto punto, pero necesitan evolucionar para poder producir la iniciacion de lenguage en los ninos. THIS IS A SMALL SAMPLE! The problem is that they are not image guided and don’t always try to introduce the language module or blueprint that nature has given us.

44 Que tenemos que sea originalQue tenemos que sea original? 1) Una “Plantilla Linguistica ”que forma la base de nuersta programa de rehabilitation. Ya sabemos que nacemos con un plan potencial para adquirir la gramatica inconcientemente sin ensenanza. Theoria Emergente?: Ensenanza Implicita es capaz de (re)crear un nuevo plan gramatical porque el cerebro es plastico: se puede hacer crecer un plan nuevo! The neural substrates for this type of novel, unconscious “skill” learning are the frontal corticostriatal pathways which have been shown to be plastic for novel learning and automatic acquisition of a language skill.

45 “Lo Futuro” La ensenanza implicita implica una adquisicion inconciente de la gramatica. - > los ninos con autismo aprenden a hablar como aprendieron a hablar un nino de 1-3 anos de edad como si fuera la primera vez. Recuerden: Todo se trata de restorar la gramatica que el nino con autismo nunca aprendio!

46 La teoria Podemos modular la adquisicion: la “dopamina” es la llave! - No la damos como medicina; hacemos que el cerebro del nino la produzca cuando sea necesaria. Con el uso de motivaciones especificas para adquirir una lengua: se llaman motivacionas integrativas. Con el uso de tecnicas de ensenanza implicita: inconcientes, inadvertidas y automaticas! Gardner and Gardner (language motivations); The substantia nigra and the basal ganglia are very close to each other.

47 Sendas de Dopamina

48 2) Como se usa la “musicologia para aprender la gramatica?Terapia con musica es util con ninos con autismo: no ameaza, es interactivea social, usa juegos musicales con mirada directa – pero es mas que aprender a tocar el piano. Theoria Emergente? El elnguage y la musica usan redes de lenguage y musica que se vinculan funcionalmente. Activaciones de fMRI demuestran una superposicion fuerte de areas cerebrales implicadas en procesar ambos lenguage y musica. For example, we have seen language areas of the brain, such as Broca’s and Wernicke’s area NOT respond to language, but to demonstrate robust activations to music !

49 Applicacion of musicologia a la linguistica…Investigacions: Estamos afinando todavia cuales aspectos de la musica son los mas adecuadas para adquirir las reglas automaticas e inconcientes de la gramatica. 1. Ritmo – una reaccion primitiva - produce un movimiento automatica del cuerpo que resulta de los areas motores del cerebro procesando ese ritmo. ‘– las mismas regiones que procesan la gramatica! 2. Sintaxis: La area de Broca se ha demonstrado ser implicada en la deteccion de irregularidades de la estructura de la musica igual que detecta las de gramatica 3.La semantica musica – poder asociaciar tonal secuencas tonales con su significado meaning– se ha localized a areas linguisticas de comprension. . BROCA’S AREA DOES THE SAME FOR GRAMMAR AS IT DOES FOR MUSIC!

50 Si el cerebro de un nino con autismo trata musica como lenguage…La ensenanza linguistica implicita combina cambios en la gramatica con cambios en el tono de la musica (por ejemplo, “La muchacha tira la pelota, la muchacha coge la pelota” juntas con una nota musical: “acorde mayor en “A” por tira y acorde mayor en “C” por “coge” . La ensenanza implicita combinara la estructura de una frase con el ritmo de la frase. Cada lengua del mundo tiene su propio ritmo, como se revela en la musica “rap”: “ mi mama cocino una sopa por mi” y la la la la la la la la la la la la. “

51 3) El Cerebelo: Lenguage y Movimiento del Cuerpo.Se sabe por mucho tiempo que el cerebelo se implica en el control motor y la integracion sensorial. Se ha demonstrado recientemente que: El cerebelo es tambien un “organo gramatical”: tiene un papel importante en adquirir reglas de la gramatica basica! Parents know that movement has a positive effect on their child!

52 Conexiones Cerebelas gramaticalesConecta a areas cerebrales frontales para generar nuestra habla interna. Conceta a areas sub-corticales usadas para adquirir nuestra lengua materna. El cerebelo comparte areas comunes con esas conexiones: lenguage cantado y hablado usan el mismo espacio en el cerebelo posterior.

53 Anatomia Basica We have learned in the past decade that the cerebellum is very important for cognitive tasks and language!

54 El Cerebelo en el AutismoDisfuncion cerebelosa (su patologia) es comun en autismo. La initiacion del habla, por ejemplo, puede ser detenido por una lesion del cerebelo. Pero… las activaciones del cerebelo que hemos demonstrado usando la resonancia funcional sugiere que podemos utilizar el cerebelo pare ayudar re-aprender la gramatica fundamental.

55 Es decir que haya una terapia por el cerebelo que nos ayude? “Si ! Teoria emergente: el cerebelo puede ser estimulado jugando y moviendo el cuerpo (bailando, nadando, etc) o tabmien viendo algun video como “Top Gun” que da la sensacion de moverse o sentir el efecto de mover Esta estimulacion se ha mostrado estimular el crecimiento de nuevas conexiones neuronales desde el cerebelo a las areas en la area anterior del cerebro (area de Broca) que produce el habla. WE COMBINE A VIRTUAL MOVEMENT VIDEO (SHOWN TO ACTIVATE THE CEREBELLUM) WHICH THE CHILD CAN CONTROL TOGETHER WITH LISTENING TO RULES OF LANGUAGE.

56 4) “MODULACION NEURONALEstimulacion transcranial con corriente electrica . These techniques have been used on memory restoration, depression, Parkinson’s Disease and stroke victims with aphasia. These same applications may help children with autism.

57 Aparato de estimulacion con corriente electricaHOOKS ON BELT CLIP, ATTCHE ( +) LEAD TO AREA WE WANT TO STIMULATE AND (– )LEAD ABOVE LEFT EYE OR LEFT ARM.

58 Es seguro! “tDCS” (en ingles) suministra una corriente muy pequena al cuero cabelludo a las neuronas debajo de ello. “tDCS “ suministra entre 0.5 and 4 mA (mili-amperios) de corriente directa por medio de dos esponjas mojadas con salina El nino puede tocar el alambre ‘vivo” y no siente nada! Las esponjas mojadas con salina matiene la densidad de corriente a nivel seguro. La estimulacion es un proceso lento y gradual: 1-3 dias. tDCS requires inexpensive hardware and the procedure is simple. The most important component is a current generator, which is capable of delivering a constant electrical current flow of up to 2 mA.

59 Como se usa? Estimular areas de activacion robusta vista en la imagen magnetica de cada nino: estimular area Wernicke’s para -> area de Broca Estimular areas sin activacion demonstada, pero areas ya reconicidas importantes para el habla. Algunos ejemplos: - A. Broca y areas motores que planean el habla - el cerebelo y todas las areas colocadas profundamente dentro del cerebro. - systema frontolimbico (los de motivacion) Stimulate areas important for BOTH procedural and declarative learning of a language.

60 NUESTRA MISION ES PRODUCIR LENGUAGE EN NINOS CON AUTISMONosotros y los padres aprendemos juntos. Ya sabemos las areas necesarias en ninos normales Ya sabemos que esas areas y conexiones no son las mismas en ninos con autismo Nuestro meta es usar modulacion electrica en una manera cientifica, paso a paso, analizando lo que produce el habla en algunos ninos y no otros.

61 Que piensan las personas inteligentes en la Universidad de Columbia”A decir la verdad, no somos tan inteligentes. Todavia no sabemos ni lo que constituye la mente o personalidad de una persona, ni lo que constituye lo que es un pensamiento. Sin embargo, podemos usar nuestra tecnologia para ver cada vez mas areas y resiones del cerebro como funcionan y comoestan conectadas. Somos los unicos (yo creo) en el mundo que hacemos estas investigaciones con la resonancia con ninos que sufren del autismo Podemos usar esta informacion para guiarnos a mejorar los resultados de nuestras intervenciones en el mundo de autismo, Pero….

62 Todavia necesitamos su ayuda para ayudarnos a averiguar todo el resto!!Tratar el autismo tiene que ser un esfuerzo de todos nosotros!

63 “THANK YOU VERY MUCH” … from all of us at Columbia. THE END