Syntactic classification of acquired structural regularities

In this paper we investigate the neural correlates of syntactic classification of an acquired grammatical sequence structure in an event-related FMRI study. During acquisition, participants were engaged in an implicit short-term memory task without performance feedback. We manipulated the statistical frequency-based and rule-based characteristics of the classification stimuli independently in order to investigate their role in artificial grammar acquisition. The participants performed reliably above chance on the classification task. We observed a partly overlapping corticostriatal processing network activated by both manipulations including inferior prefrontal, cingulate, inferior parietal regions, and the caudate nucleus. More specifically, the left inferior frontal BA 45 and the caudate nucleus were sensitive to syntactic violations and endorsement, respectively. In contrast, these structures were insensitive to the frequency-based manipulation

Verb generation for presurgical mapping: Gaining specificity

Verb generation is among the most frequently used tasks in presurgical mapping. Because this task involves many processes, the overall brain effects are not specific. While it is necessary to identify the whole network involving noun comprehension or semantic retrieval and lexical selection to produce the verb, isolation of those components is also crucial. Here, we present data from four patients undergoing presurgical brain mapping. The study implied a reanalysis of magnetoencephalography data with a recategorization of the used items. It aimed to extract the task component that relies on the inferior frontal gyrus (IFG). The task could be applied with higher specificity when targeting frontal areas. For that, we based item classification on the selection demands imposed by the noun. It is a robust finding that the IFG carries out this selection and that a quantitative index can be calculated for each noun, which depends on the selection effort (Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 1997; 94(26):14792–14797, Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 1998; 95(26):15855–15860). Data showed focality and specificity, with a correlation between this derived index and source activations in the inferior frontal gyrus for all patients. Strikingly, we detected when the right‐hemisphere homologue area was involved in the selection process in two patients showing reorganization or language right lateralization. The present data are a step towards a dissection of broad specific tasks frequently used in presurgical protocols

Artificial grammar learning: preference for acoustic or visual modality?

This thesis transmits the artificial grammar learning paradigm as an acquisition and processing model of language, within implicit learning investigation. The number of investigations about language and it’s acquisition has increased throughout the years, specifically in the implicit learning ability and artificial grammar learning as the most adequate model to verify it. Language, and namely human language, is an important part in the social universe and requires that each single individual own a cognitive capacity to understand and produce the signs that characterizes and enable verbal communication between humans (Jackendoff, 2002). From Tulving’s 1970 theory until the present, language comprehension and perception has change, but through out times language definition contemplated the memory systems (Gazzaniga et al., 2009). Several authors stated that implicit memory and implicit learning plays a vast role in language acquisition. The present study explores artificial grammar learning paradigm as a model (based on Reber’s study on 1967) to implicit learning and to observe modalities performances differences between and within subjects. Twenty-­‐eight subjects participated voluntarily in the present experiment. The study was developed in three consecutive days and in the last task in the last day subjects were informed and expose to sequences with underling grammar. The results reveled significant effects in grammaticality and ACS, an interaction between test days*grammaticality*ACS, specifically significant effects in AGL2 and AGL3, and suggest implicit learning of artificial grammar. These results could be more consistent if the experiment were extended to more days of exposure. The results point out to a tendency in visual modality to demonstrated significant effects, particularly consonants sequences, and imply the visual modality to be the modality with higher tendency to be efficient in artificial grammar learning, namely within the language domain.A presente tese reporta o paradigma da aprendizagem artificial da gramática (AGL) na investigação da aprendizagem implícita, como modelo de aquisição e processamento da linguagem. Ao longo dos tempos observou-­‐se a um aumento do número de estudos sobre a linguagem e a sua aquisição, nomeadamente na capacidade da aprendizagem implícita e especificamente em estudos que reportam a aprendizagem artificial da gramática. A linguagem desempenha um papel social universal e de importância grande, particular ao ser humano, que requer que cada individuo detenha uma capacidade cognitiva de compreender e produzir sinais que facilitam e caracterizam a comunicação verbal (Jackendoff, 2002). Não existe por si só uma definição global de linguagem, mas o que diferencia a linguagem humana da linguagem entre animais, que igualmente produzem sons de comunicação, relaciona-­‐se com a capacidade do ser humano não comunicar somente através da utilização de sinais verbais. Considerando a linguagem verbal podemos decompô-­‐la em unidades de análise mais pequenas: os fonemas e os morfemas. O léxico é o conjunto de palavras numa determinada língua e, sendo objeto do presente estudo, a sintaxe alude às combinações de palavras admissíveis numa frase, isto é, a gramática da frase. Diversos estudos têm comprovado a presença destes componentes da linguagem (baseada no som) nas crianças, reforçando o exposto por Chomsky, ao referir que todos os humanos possuem um mecanismo inato para desenvolvimento da linguagem (Kolb & Wishaw). Como Jackendoff (2002) postula, a criança inicia o seu discurso não com palavras per se, mas sim por uma espécie de crioulo, em nada diferente de um adulto aquando a aquisição de uma nova linguagem. Acresce ainda o facto de que para a compreensão da linguagem, tanto enviada de um emissor auditivo ou visual, é necessária a integração das propriedade de semântica (significado correspondente de cada léxico ou palavra) e de sintaxe. A compreensão e percepção da linguagem têm sofrido diversas modificações, desde a teoria de Tulving em 1970, Collins e Loftus em 1975 e Damásio em 1996 até ao dia de hoje, mas no entanto a definição de linguagem humana passou a contemplar o sistema de memória (Gazzaniga et al., 2009). O ser humano aprende, retém e relembra milhões de informações. A memória é utilizada para inúmeros propósitos, desde tarefas do quotidiano a tarefas como recordar eventos históricos mundiais e advém da união entre subsistemas inter-­‐relacionados. Ao longo da literatura foram identificados diferentes tipos de memória: a memória a curto termo, caracterizada por armazenamento limitado de informação no tempo (minutos) e a memória a longo termo, definida por um armazenamento de informação extenso, que se subdivide em diferentes tipos de memória e onde se encontra a memória não declarativa ou implícita. A memória implícita inclui diversos conhecimentos que são utilizados no quotidiano e que são, consequentemente adquiridos através da aprendizagem implícita (Sohlberg & Mateer, 2001). A aprendizagem implícita, em contraste à memória explicita, pode ser descrita como a aprendizagem de informação complexa sem a capacidade de nomear de forma consciente o que foi aprendido e de que forma foi realizada a aprendizagem (Eysenck & Keane, 2010).Considerando o anterior exposto a aprendizagem artificial da gramática apresenta ser o modelo mais apropriado de estudar a aquisição e processamento da linguagem. Pretende-­‐se no presente estudo descrever a variação da performance entre e intra indivíduos na mesma condição e entre condições, verificar eficácia no processamento de informação auditiva/fonológica e visual/ortográfica e, avaliar a natureza do efeito das diferentes modalidades. Participaram no estudo de forma voluntária vinte e oito sujeitos, estudantes universitários, com idades compreendidas entre os 19 anos de idade e os 32 anos de idade. Kürten et al. (2010) demonstraram no seu estudo que a performance dos indivíduos mais velhos era mais elevada nos itens que requeriam aprendizagem baseada nas regras, pelo que foi tomado em consideração a idade dos participantes da presente experiência. O modelo de tarefa utilizado na presente investigação foi baseada no estudo de Reber (1967). A presente experiência de aprendizagem artificial da gramática foi realizada em três sessões que decorreram em três dias ininterruptos. O presente estudo contempla duas modalidades de apresentação dos testes e, quatro condições: prova visual/consoantes, visual/símbolos, auditiva/sons, auditiva/sílabas. As provas, realizadas no computador, eram constituídas por sequências; no final de cada sequência os participantes respondiam carregando em teclas previamente adequadas e explicadas. No primeiro dia foi aplicado uma tarefa de preferência (de base para verificar como o participante classifica) e uma tarefa de memória. No segundo dia os participantes realizavam apenas uma tarefa de memória. No último dia os participantes foram expostos a uma tarefa de memória, seguida de uma tarefa de preferência, após as quais os participantes foram informados de que as sequências apresentadas nas tarefas anteriores obedeciam a um conjunto de regras e na última tarefa, a tarefa de gramaticalidade, classificaram as sequências como gramaticais ou não gramaticais, tendo por critério de resposta o instinto imediato. No fim de cada tarefa, os participantes preencheram um questionário, que serviu igualmente para a discussão dos resultados. Os resultados foram analisados no software SPSS utilizando a ANOVA de medidas repetidas e o programa Statistic para a análise post-­‐hoc. Os resultados revelaram efeitos significativos na gramaticalidade e no ACS, observando-­‐se uma interação entre gramaticalidade e o teste nas três sessões e interação entre gramaticalidade e ACS. Foi ainda calculado a acuidade e o d-­‐prime que demonstrou efeitos significativos entre AGL2 e AGL3, traduzindo-­‐se num efeito de aprendizagem significativa. Estes dados revelam que, apesar de existir efeito de aprendizagem significativo apenas do AGL2 para o AGL3, a mesma verifica-­‐se ao longo de toda a prova, indicando que se o presente estudo fosse realizado num maior número de sessões/ dias, os efeitos de aprendizagem seriam mais elevados, sólidos e com um maior poder de significância. No que respeita às modalidades presentes no estudo observou-­‐se que os resultados, particularmente da variável “consoantes” (modalidade visual), são os mais propícios a indicar efeito significativo nas três sessões com interação da gramaticalidade e do ACS. Nesta linha, os resultados referentes à variável “símbolos” (modalidade visual) são os mais favoráveis a indicar efeito significativo nas três sessões com interação da gramaticalidade e do ACS. Os dados levam a considerar que beneficiariam de um aumento do número de sessões de exposição, bem como da participação de um maior número de sujeitos voluntários. Sumariamente, o presente estudo revela que existe capacidade aprendizagem implícita da gramática artificial, bem como a propensão de resultados mais elevados na modalidade visual, nomeadamente referente a estímulos dentro do domínio da linguagem.Universidade do Algarve, Faculdade de Ciências Humanas e Sociai

The Neuropharmacology of Implicit Learning

Two decades of pharmacologic research on the human capacity to implicitly acquire knowledge as well as cognitive skills and procedures have yielded surprisingly few conclusive insights. We review the empirical literature of the neuropharmacology of implicit learning. We evaluate the findings in the context of relevant computational models related to neurotransmittors such as dopamine, serotonin, acetylcholine and noradrenalin. These include models for reinforcement learning, sequence production, and categorization. We conclude, based on the reviewed literature, that one can predict improved implicit acquisition by moderately elevated dopamine levels and impaired implicit acquisition by moderately decreased dopamine levels. These effects are most prominent in the dorsal striatum. This is supported by a range of behavioral tasks in the empirical literature. Similar predictions can be made for serotonin, although there is yet a lack of support in the literature for serotonin involvement in classical implicit learning tasks. There is currently a lack of evidence for a role of the noradrenergic and cholinergic systems in implicit and related forms of learning. GABA modulators, including benzodiazepines, seem to affect implicit learning in a complex manner and further research is needed. Finally, we identify allosteric AMPA receptors modulators as a potentially interesting target for future investigation of the neuropharmacology of procedural and implicit learning

Artificial grammar learning in primates :behaviour and neuroimaging

PhD ThesisNeuroimaging studies have shown that natural language processes engage left hemisphere perisylvian brain regions. Artificial Grammars (AG), which are designed to emulate aspects of language syntactic structure, recruit comparable brain areas. Nonhuman animals have been shown to learn a range of different AGs. However, no data is currently available regarding the brain areas that support these processes. In this thesis, I combined behavioural artificial grammar learning (AGL) and fMRI experiments to generate insights regarding language evolution, and as a first step to developing animal model systems for aspects of language processing. These experiments provide novel evidence that nonhuman primates are able to learn a non-deterministic AG, designed to emulate some of the variability of the structure of sentences in natural language, and demonstrated notable correspondences between the brain regions involved in macaque and human AGL. I developed a quantitative method to compare AGL abilities across species and studies, and a novel eye-tracking technique with which to collect objective behavioural data. Using this technique, and a refined version of a traditional video-coding paradigm, I demonstrated that Rhesus macaques notice violations of the AG structure and that these results could not be explained by reliance on simple cues. Common marmosets also showed evidence of AGL however, these results may have been driven by simple learning strategies. Comparative fMRI experiments showed that, in humans, violations of the AG activated a number of perisylvian brain regions associated with language processing, including the ventral frontal cortex (vFC), temporal and temporo-parietal regions, although not Broca’s area (BA44/45). In Rhesus macaques, comparable patterns of activation were seen in the ventral frontal cortex and temporo-parietal regions. Additional activation in BA44/45 in macaques provides interesting insights into the evolution of this region. These experiments provide novel evidence regarding the AGL capabilities of nonhuman primates, and the brain areas that support them, suggesting that some language related functions may represent generic, rather than language specific processes. Therefore, some of the brain regions involved in AGL in both species might share a common evolutionary heritage, and therefore Rhesus macaques might represent a valuable animal model system for aspects of language processing

Late assignment of syntax theory: evidence from Chinese and English

The attraction of the well-structured arguments of the mental syntactic processing device (parser) in Chomsky’s theory has led to an overemphasis on syntactic processing to the exclusion of semantic and other processing in the initial sentence processing stage (Frazier & Clifton, 1996; Gibson & Hickok, 1993; Pickering & van Gompel, 2006). The current thesis joins some others (Green & Mitchell, 2006; MacDonald et al., 1994; Townsend & Bever, 2001, etc.), investigating the timecourse of the information processing of sentences. The first interest centres on ambiguous sentence resolution. Crosslinguistic studies have shown different resolutions in processing the relative clause (RC) attachment as in “the servant of the actress who was on the balcony” (Cuetos & Mitchell, 1988). Three studies confirmed that there is an NP-low preference in Chinese; however, this effect was delayed in comparison to its English counterparts. The NP-low preference can be explained by syntax-first, syntax parallel, and syntax later theories. However, the delay effect questions the traditional syntax-first theories. This leads to the second investigation of direct comparison of the timecourse of syntactic and semantic processing using anomalous materials in English and Chinese. Two experiments have confirmed that the syntactic anomaly is recognised later than semantic anomaly in both languages. The empirical investigation in the current thesis used various methodologies, including self-paced reading, a questionnaire, and eye-tracking studies, where the design of materials strictly followed linguistic principles. All the results support the late assignment of syntax theory (LAST) (Townsend & Bever, 2001). In fact, LAST can explain most of the evidence for syntax-first and syntax-parallel theories, and it is in line with the latest development of the linguistic UG theories (the Minimalist Programme)