Structural language change in Alzheimer's disease: a study of spontaneous speech tasks across different stages of cognitive impairment

Abstract

Linguistic characteristics of spontaneous connected speech are showing increasing potential for detecting and tracking cognitive decline in Alzheimer’s disease, and could be particularly suitable to study at-risk populations in early phases of the disease’s pathology. This thesis focuses specifically on linguistic aspects of connected speech reflecting shared features of language and episodic memory. All variables were at the grammatical (rather than lexical) level of linguistic organization, and centered on definiteness/specificity at the level of nominal reference (e.g. the blue curtain vs. something blue), embedded clauses connecting events to each other (e.g. he is falling off the stool while stealing the cookie), spatio-temporal marking in verb phrases (verbal Aspect, non-present tenses, modality) and genericity of clauses (e.g. You can swim on a beach vs. I swam on that beach). Chapter 1 motivates these variables in the context of a general introduction to AD and the study of language therein. Chapter 2 first tests the measures in a pilot study with an English language dataset. We found that nominal definiteness, verbal Aspect, as well as event specificity (measured through adjunct clauses), were sensitive to differences between healthy adults and those with both MCI and AD. Following this, Chapter 3 details the design and implementation of a new spontaneous speech protocol with tasks that, unlike traditional picture descriptions, involve mental time travel. Using this protocol, in-person interviews were conducted at ACE Alzheimer Center (Barcelona) with 119 participants from five diagnostic groups: healthy controls (n = 18), subjective cognitive decline (n = 31), nonamnestic MCI (n = 16), amnestic MCI (n = 23), and Alzheimer’s disease (n = 31). Using this dataset, Chapters 4-6 examine between-group linguistic differences in a picture description task, a past-directed autobiographical narrative, and a scene construction, respectively. Finally, Chapter 7 examines the relation of linguistic variables to viii neuropsychological scores, and explores which task provides language samples which best predict group membership and neuropsychological test performance. Several variables showed consistent between-group effects across tasks. In particular, definite reference decreased in groups with objective cognitive impairment relative to controls, while generic clauses increased towards the AD end of the spectrum, representing a loss of specificity as measured at the clausal level. Genericity correlated strongly with qualitative assessments of episodicity, which confirms that past qualitative measures of episodicity correspond to changes in linguistic variables in the context of an episodic memory impairment. In turn, modality, past tense marking, and prepositional and adverbial adjunct marking, and embedded clauses showed early group differences in specific tasks, potentially reflecting differences between each tasks’ specific cognitive demands. The scene construction task (the most episodic of the three) provided language samples which predicted the most variance in neuropsychological scores and diagnosis group membership (up to 54.4%). While no linguistic variables successfully differenciated healthy adults from those with subjective cognitive decline, they did differentiate controls from participants at the MCI stage. Overall, this thesis demonstrates that linguistic markers adapted to the neuropsychological context of AD distinguish cognitively-impaired groups on the AD spectrum from healthy aging adults, and they offer further evidence for a connection between language and episodic memory. These findings invite further neurocognitive studies targeting the relation between language- and episodic memory-related networks in the brain, and they have methodological implications for clinical settings: tasks which involve mental time travel can offer language samples which most effectively depict group differences.

Las características lingüísticas del habla espontánea pueden ser muy útiles para detectar y hacer un seguimiento del deterioro cognitivo en la enfermedad de Alzheimer y, por lo tanto, podrían ser particularmente adecuadas para estudiar poblaciones de alto riesgo en fases tempranas de la patología. Esta tesis se centra específicamente en los aspectos lingüísticos del habla espontánea que reflejan aquellas características que comparten el lenguaje y la memoria episódica. Todas las variables se han medido a un nivel gramatical (no léxico) de organización lingüística, y consisten en medidas de la definitud y la especificidad de la referencia nominal (e.g. la cortina azul vs. algo azul), cláusulas subordinadas que conectan eventos dentro de una narrativa (e.g. el niño se cae mientras roba la galleta), marcadores de especificidad de eventos en frases verbales (aspecto verbal, modalidad, tiempo verbal nopresente) y la genericidad de las cláusulas (e.g. en la playa se puede nadar vs. nadé en esa playa). El primer capítulo introduce y motiva este nuevo conjunto de variables dentro de una introducción general de lo que es la enfermedad de Alzheimer y del lenguaje dentro de este contexto. El capítulo 2 mide y analiza estas variables en un estudio piloto que ha utilizado una base de datos en inglés. Hemos observado que tanto la definitud (medida a través de frases nominales definidas e indefinidas) como la especificidad de los eventos (medida por cláusulas adjuntas y el Aspecto verbal) son sensibles a diferencias entre controles y adultos con Alzheimer y incluso adultos con deterioro cognitivo leve. A continuación, el capítulo 3 detalla el diseño y la implementación de un nuevo protocolo de habla espontánea con nuevas tareas que requieren pensamiento episódico (desplazamiento mental, temporal y/o espacial). Se han realizado entrevistas presenciales en ACE Alzheimer Center (Barcelona) con 119 participantes de cinco grupos de diagnóstico: adultos sanos (n = 18), adultos que presentan x quejas subjetivas de memoria (n = 31), adultos con deterioro cognitivo leve no amnésico (n = 16) y amnésico (n = 23), y adultos con enfermedad de Alzheimer (n = 31). Los capítulos 4-6 exploran las diferencias lingüísticas entre estos grupos en tres tareas distintas: una descripción de imágenes, una narración autobiográfica sobre el pasado lejano, y una construcción de escena. El capítulo 7 estudia la relación entre las variables lingüísticas y una serie de puntuaciones neuropsicológicas, y también explora qué tarea proporciona las muestras de lenguaje que mejor predicen la pertenencia a grupo diagnóstico, así como el rendimiento en pruebas neuropsicológicas. Algunas variables han demostrado un efecto consistente entre grupos en todas las tareas: la referencia definida disminuyó en grupos con deterioro cognitivo objetivo. Por otro lado, las cláusulas genéricas ocurrieron con más frecuencia en grupos con deterioro cognitivo objetivo, lo cual representa una pérdida de especificidad medida a nivel de cláusulas. La genericidad medida a nivel de las cláusulas se correlacionó con las evaluaciones cualitativas de episodicididad y genericidad, lo cual es un paso importante para confirmar que las medidas cualitativas en la literatura de episodicidad corresponden a medidas lingüísticas en el contexto de un deterioro de la memoria episódica. A su vez, algunas medidas como la modalidad, los marcadores de tiempo verbal del pasado y las cláusulas adjuntas no salieron significativas en todas las tareas, aunque sí en alguna tarea específica, lo cual podría reflejar las demandas cognitivas específicas de las tareas. Por último, la tarea de construcción de escena (la tarea más episódica de las tres) obtuvo muestras que predijeron la mayor variación en las puntuaciones neuropsicológicas (hasta un 54.5%). Aunque ninguna variable lingüística distinguió los adultos con quejas subjetivas de memoria de los controles, se han encontrado diferencias lingüísticas en participantes en la fase de deterioro cognitivo leve. xi Esta tesis demuestra que los marcadores lingüísticos basados en la episodicidad y la genericidad pueden detectar el tipo de deterioro específico de la enfermedad de Alzheimer, y ofrecen más evidencia de la conexión entre el lenguaje y la memoria episódica. Estos hallazgos incentivan a realizar más estudios neurocognitivos centrados en la relación entre el lenguaje y los sistemas neurológicos relacionados con la memoria episódica, y también tienen implicaciones metodológicas para los entornos clínicos: las tareas que requieren pensamiento episódico pueden ofrecer las muestras de lenguaje que mejor demuestran diferencias entre grupos.

Les característiques lingüístiques de la parla espontània poden ser molt útils per detectar i fer un seguiment del deteriorament cognitiu en la malaltia d'Alzheimer i, per tant, podrien ser particularment adequades per estudiar les poblacions d’alt risc en les fases primerenques de la patologia. Aquesta tesi se centra específicament en els aspectes lingüístics de parla espontània que reflecteixen les característiques compartides entre el llenguatge i la memòria episòdica. Totes les variables s’han mesurat a un nivell gramatical (no lèxic) d'organització lingüística, i consisteixen en diverses mesures de la definitud i l'especificitat de la referència nominal (e.g. la cortina blava vs. alguna cosa blau), una mesura de les clàusules subordinades que connecten esdeveniments dins d'una narrativa (e.g. el nen cau mentre roba la galeta), així com dels marcadors de l’especificitat de frases verbals (aspecte verbal, modalitat, temps verbals no-presentes) i la genericitat de les clàusules (e.g. a la platja es pot nedar vs. vaig nedar en aquesta platja). El primer capítol introdueix i motiva aquest nou conjunt de variables, dins d’una introducció general de l’Alzheimer i del llenguatge dins aquest context. El capítol 2 mesura i analitza aquestes variables en un estudi pilot en el que s’ha utilitzat una base de dades en anglès. Hem observat que tant la definitud (mesurada a través de frases nominals definides i indefinides) com l'especificitat dels esdeveniments (mesurada per clàusules adjuntes i l’Aspecte verbal) són capaces de diferenciar entre controls i adults amb malaltia d’Alzheimer i també adults amb deteriorament cognitiu lleu. Tot seguit, el capítol 3 detalla el disseny i la implementació d'un nou protocol de parla espontània amb noves tasques que involucren el pensament episòdic (desplaçament mental, temporal i/o espacial). S’han fet entrevistes presencials a l'ACE Alzheimer Center (Barcelona) amb 119 participants de cinc grups de diagnòstic: adults sans (n = 18), adults que presenten queixes subjectives de memòria (n = xiii 31), adults amb deteriorament cognitiu lleu no amnèsic (n = 16) i amnèsic (n = 23), i adults amb malaltia d'Alzheimer (n = 31). Els capítols 4-6 exploren les diferències lingüístiques entre aquests grups en tres tasques distintes: una descripció d'imatges, una narració autobiogràfica sobre el passat llunyà i una construcció d'escena. El capítol 7 estudia la relació entre les variables lingüístiques i diverses puntuacions neuropsicològiques, i també explora quina tasca proporciona les mostres de llenguatge que prediuen millor la pertinença a grup diagnòstic i també el rendiment en proves neuropsicològiques. Algunes variables han demostrat un efecte consistent després de totes les tasques: la referència definida és més escassa als grups amb deteriorament cognitiu objectiu. Les clàusules genèriques també han demostrat un efecte consistent entre aquests grups, però, en aquest cas, el patró és invers i són més comunes als grups amb deteriorament cognitiu objectiu. La genericitat, gramaticalment definida, correlaciona amb les avaluacions qualitatives d'episodiciditat i genericitat, la qual cosa és un pas important per confirmar que les mesures qualitatives a la literatura sobre episodicitat corresponen a les mesures lingüístiques en el context d’un deteriorament de la memòria episòdica. Alhora, algunes mesures com la modalitat, marcadors de temps verbal del passat i les clàusules adjuntes no han resultat significatives en totes les tasques, encara que sí ho són en alguna tasca específica. Això podria estar reflectint, doncs, les demandes cognitives específiques de cada una de les tasques. Finalment, les mostres de la tasca de construcció d'escena (la tasca més episòdica de les tres) prediuen la variació més gran en les puntuacions neuropsicològiques (fins a un 54.5%). Tot i que cap variable lingüística pogué distingir els adults amb queixes subjectives de memòria dels controls, s’han trobat diferències en participants a la fase de deteriorament cognitiu lleu. xiv Aquesta tesi demostra que els marcadors lingüístics basats en l'episodicitat i la genericitat poden detectar el tipus de deteriorament específic de l'Alzheimer i ofereixen més evidència de la connexió entre el llenguatge i la memòria episòdica. Aquestes troballes incentiven, doncs, que es desenvolupin més estudis neurocognitius centrats en la relació entre el llenguatge i els sistemes neurològics relacionats amb la memòria episòdica. A més, aquest estudi té implicacions metodològiques per als entorns clínics: les tasques que requereixen el pensament episòdic poden oferir les mostres de llenguatge que millor demostren diferències entre grups.