Influence of early bilingual exposure in the developing human brain

  1. Borja Blanco Maniega
Supervised by:
  1. Monika Molnar Director
  2. Manuel Francisco Carreiras Valiña Director
  3. Cesar Caballero Gaudes Director

Defence university: Universidad del País Vasco = Euskal Herriko Unibertsitatea

Year of defence: 2020

Committee:
  1. Laura Bosch Galceran Chair
  2. Jesús María Cortés Díaz Secretary
  3. David Boas Committee member

Type: Thesis

Abstract

La adquisición del lenguaje es un proceso que ese encuentra determinado tanto por mecanismos de desarrollo cognitivo, como por la experiencia lingüística durante los primeros años de vida. Aunque se trata de un proceso relativamente complejo, los bebés muestran una gran habilidad para el aprendizaje del lenguaje. Un entorno de aprendizaje lingüístico bilingüe podría considerarse aun más complejo, ya que los bebés están expuestos a las características lingüísticas de dos lenguas simultáneamente. En primer lugar, los bebés que crecen en un entorno bilingüe tienen que ser capaces de darse cuenta de que están expuestos a dos lenguas diferentes, y posteriormente deben separar y aprender las características especificas de cada una de ellas; por ejemplo, los distintos fonemas, palabras o estructuras gramaticales. Aunque la exposición lingüística total de los bebés bilingües debería ser comparable a la de los bebés monolingües, es probable que la exposición a cada una de las lenguas de su entorno sea menor, ya que tienen que dividir su tiempo de exposición entre ambas. Si bien los bebés bilingües parecen no tener problemas para enfrentarse a un contexto de aprendizaje potencialmente más complejo, ya que alcanzan las distintas etapas de adquisición del lenguaje a un ritmo similar a los bebés monolingües, sí se han observado adaptaciones a nivel conductual y a nivel de funcionamiento cerebral que podrían producirse como consecuencia de este contexto. En el primer capítulo de la tesis se realiza una revisión detallada de la literatura sobre la adquisición del lenguaje en entornos bilingües durante los primeros meses de vida, con especial énfasis en las posibles adaptaciones que tienen lugar en los bebés bilingües durante este proceso. Estudios previos han demostrado que la forma en la que los bebés monolingües y bilingües dirigen su atención a estímulos lingüísticos difiere entre ambos grupos. Los bebés bilingües parecen mostrar mayor interés hacía estímulos lingüísticos novedosos, mientras que los bebés monolingües se ven más atraídos por la información lingüística relacionada con su lengua materna. Por otra parte, algunas habilidades perceptivas, como la capacidad para diferenciar dos lenguas en base a información lingüística visual, pero no auditiva, parecen seguir una trayectoria diferente entre estos dos grupos. Si bien los bebés monolingües se especializan antes en las características de su lengua materna, reduciendo progresivamente su habilidad para discriminar otras lenguas no presentes en su entorno, los bebés bilingües parecen mantener sus capacidades de discriminación lingüística durante más tiempo, además de utilizar diferentes estrategias para conseguirlo, lo cual podría suponer un mecanismo de adaptación a su entorno lingüístico más complejo. Además, también se ha observado que crecer en un entorno lingüístico bilingüe podría influir en el desarrollo de otras funciones cognitivas más allá del ámbito del lenguaje, y más concretamente en las funciones ejecutivas. Algunas de estas diferencias también han sido confirmadas mediante estudios de neuroimagen, por ejemplo, al comparar las respuestas cerebrales de bebés monolingües y bilingües ante sonidos del habla de la lengua materna y una lengua desconocida. Sin embargo, debido a la dificultad que supone realizar este tipo de estudios en población infantil, algunos de estos estudios cuentan con importantes limitaciones metodológicas, las cuales también se describen a lo largo de la tesis, y que los estudios realizados pretenden superar.El objetivo general de esta tesis doctoral ha sido estudiar la influencia del bilingüismo en el desarrollo funcional del cerebro durante los primeros meses de vida. Concretamente, el grupo experimental de interés para los estudios de esta tesis han sido los bebés de 4 meses de edad, por tratarse del primer momento del desarrollo donde se han observado diferencias tanto conductuales, como a nivel de funcionamiento cerebral entre bebés monolingües y bilingües. Los estudios principales de esta tesis se han centrado en investigar si una exposición temprana y continuada a un entorno bilingüe podrían producir cambios en la organización y el funcionamiento cerebral, especialmente en áreas asociadas al lenguaje, siendo estas diferencias observables mediante el empleo de técnicas de neuroimagen funcional adaptadas para su uso con población infantil. Concretamente, para la realización de los estudios presentados se ha utilizado la técnica de neuroimagen funcional espectroscopia del infrarrojo cercano (functional near-infrared spectroscopy - fNIRS), cuyos fundamentos se describen en detalle en el capítulo 2. Esta técnica utiliza las propiedades de la luz infrarroja para penetrar los tejidos del cuerpo humano, ya que la piel, el cráneo y los tejidos cerebrales no absorben este tipo de luz. Esta propiedad permite relacionar las variaciones de intensidad que se producen en la luz al atravesar los tejidos cerebrales con los cambios que se producen en la concentración de oxigeno en áreas específicas del cerebro, los cuales representan una medida indirecta de actividad cerebral.Experimento 1. Conectividad Funcional en Estado de ReposoEl primer estudio experimental de la tesis (capítulo 3) estudia la actividad funcional del cerebro en estado de reposo en bebés de 4 meses utilizando fNIRS. Estudiar la actividad del cerebro en estado de reposo es una forma de entender la organización funcional del cerebro, evitando la interferencia debida a diferencias individuales que puede darse en estudios que requieren la ejecución de una tarea específica. Este tipo de paradigma experimental permite estudiar la conectividad funcional (functional connectivity - FC), es decir la activación sincronizada entre áreas del cerebro que comparten un rol común durante la ejecución de diferentes procesos cognitivos, por ejemplo la red visual, la red auditiva, la red motora o la red del lenguaje. Este estudio incluyó datos de fNIRS de gran calidad recogidos en 99 niños de 4 meses de edad, con una duración de 9 minutos en cada uno de ellos, formando una muestra sin precedentes si se compara con estudios anteriores que han estudiado FC con fNIRS en población infantil. Los 99 participantes pertenecían a tres entornos lingüísticos diferentes: bilingües español-euskera, monolingües de español y monolingües de euskera. Además, se implementaron métodos para el estudio de la FC a nivel de grupo, sin necesidad de dividir a los participantes en base a condiciones experimentales. Esto permitió que los resultados de este estudio fueran calculados sobre una muestra de 99 participantes, y no a nivel de sub-grupo o individuo como se ha realizado en estudios anteriores de FC con fNIRS. Los resultados de este estudio revelaron mapas de FC a nivel de grupo que coinciden con estudios previos de neuroimagen realizados con resonancia magnética funcional, en los cuales la literatura es más extensa, tanto en adultos como en población infantil. Sin embargo, la comparación estadística entre los grupos experimentales (bilingües vs monolingües) no encontró diferencias en los patrones de estas redes entre los grupos. Puesto que hasta ahora únicamente se han observado diferencias en FC debido a un entorno bilingüe en poblaciones adultas, futuras investigaciones con participantes en distintas etapas del desarrollo podrían ayudar a clarificar cuándo y bajo qué condiciones comienzan a manifestarse estas diferencias en la organización funcional del cerebro durante la infancia.Experimento 2. Retos Estadísticos durante el Procesamiento de la Señal de fNIRSEn el capítulo 4 de la tesis se presenta un estudio metodológico, en el cual se discute el problema de la autocorrelación temporal en la señal fNIRS, una propiedad de la señal que puede inducir falsos resultados en estudios de conectividad funcional (FC). Esta característica en la señal de fNIRS se debe principalmente a la alta frecuencia de muestreo de la señal de este sistema de neuroimagen, y a la presencia de componentes fisiológicos (e.g., respiración o pulso cardiaco) que coexisten con la señal hemodinámica de interés, es decir con aquella que refleja de manera indirecta la actividad neuronal.En este estudio se evalúan empíricamente los dos métodos principales que se habían propuesto para eliminar el efecto de la autocorrelación temporal presente en la señal de fNIRS. Los análisis realizados demuestran que estos métodos son eficaces en esta tarea, pero que también modifican ciertas propiedades intrínsecas de la señal neurofisiológica medida con fNIRS, y en las cuales están basados todos los estudios previos de la literatura sobre FC. Los análisis realizados demuestran que utilizando un análisis clásico de la señal fNIRS es posible replicar los resultados de dos estudios recientes de FC realizados en población infantil. Por el contrario, al eliminar la autocorrelación mediante los métodos propuestos en la literatura no es posible replicar los resultados de ninguno de los estudios. Por lo tanto, en base a los resultados, se concluye que para considerar la aplicación rutinaria de este paso durante el preprocesado de la señal fNIRS es necesario que su efecto se investigue más detalladamente, con el objetivo de entender la relevancia neurofisiológica de la señal fNIRS tras eliminar su autocorrelación intrínsica. Futuros estudios podrían determinar el procedimiento más apropiado para corregir el elevado numero de falsos positivos en estudios de FC utilizando fNIRS, y proponer nuevos métodos que podrían aplicarse sin la necesidad de alterar las propiedades intrínsecas de la señal.Experimento 3. Respuestas Cerebrales a Estímulos LingüísticosEn el capítulo 5 se investigan las respuestas cerebrales de bebés monolingües y bilingües ante estímulos lingüísticos. Puesto que las diferencias entre estos grupos no se manifiestan en su actividad cerebral en estado de reposo, la hipótesis para este estudio plantea que los patrones de actividad cerebral podrían diferir en cuanto a las áreas encargadas del procesamiento del lenguaje, ya sea por el hecho de crecer en un entorno bilingüe, o por la reducida exposición que los bebés bilingües presentan hacia cada una de sus lenguas.Al igual que en el estudio de FC, para este estudio se obtuvieron datos de gran calidad en 58 niños de 4 meses de edad, en este caso monolingües de español y bilingües de español y euskera. Los participantes fueron expuestos a frases en español mientras se midió su actividad cerebral utilizando la técnica de fNIRS. Para el diseño experimental del estudio, se utilizó un procedimiento optimizado basado en algoritmos genéticos por primera vez en fNIRS que permite investigar tanto las áreas cerebrales activadas, como la forma de la respuesta hemodinámica de forma más eficiente (i.e. mayor número de eventos por unidad de tiempo) que con paradigmas más convencionales y ampliamente utilizados en estudios de fNIRS. Los análisis a nivel de grupo, es decir considerando las respuestas de todos los participantes de manera conjunta, mostraron actividad funcional en áreas clásicamente asociadas a la audición y el lenguaje como el giro temporal superior y medio de ambos hemisferios, aunque con cierta tendencia hacia una mayor lateralización hacia el hemisferio izquierdo. Se observaron diferencias significativas entre los grupos experimentales, especialmente en áreas cerebrales relacionadas con el procesamiento de la información auditiva. Estos resultados podrían ser muy relevantes ya que demostrarían que un entorno bilingüe podría producir una adaptación funcional en el cerebro durante los primeros meses de vida, confirmando así las hipótesis desarrolladas en previos estudios conductuales. Sin embargo, estos resultados deben ser interpretados con cautela, ya que los efectos detectados fueron relativamente débiles, tal y como demostraron los procedimientos estadísticos aplicados para la corrección por comparaciones múltiples.Discusión GeneralEn resumen, esta tesis analiza el impacto que supone la exposición temprana a un entorno bilingüe para el desarrollo funcional del cerebro. Los estudios presentados en esta tesis podrían tener importantes implicaciones teóricas para futuras investigaciones centradas en entender las primeras etapas de la adquisición del lenguaje. Concretamente, los resultados sugieren que el contexto lingüístico durante los primeros meses de vida podría causar cambios en la organización funcional del cerebro los cuales son observables durante el procesamiento de estímulos lingüísticos, y que sin embargo no se manifiestan al examinar la organización funcional del cerebro en estado de reposo. En esta tesis también se proponen varios avances metodológicos de relevancia en cuanto al procesamiento y al análisis de la señal de fNIRS. Asimismo, se demuestra la utilidad de la técnica fNIRS para medir de forma fiable el funcionamiento cerebral en población infantil utilizando diferentes paradigmas experimentales. A lo largo de este trabajo también se incide en la importancia de aplicar una metodología transparente y replicable en futuras investigaciones en el campo de la neurociencia cognitiva del desarrollo.