Språkliga och extra-lingvistiska parametrar för tidig upptäckt av kognitiv svikt
Projektet syftar till att utveckla språkteknologiska metoder för att utvinna, kombinera, bearbeta, analysera och tolka olika former av skrift- och talspråk samt ögonrörelsemätningar under textläsning hos personer i olika stadier av kognitiv nedsättning och friska kontroller. Därmed vill man kunna snabbt identifiera signifikanta språkliga och extra-lingvistiska signaler som kan användas som komplement till tidig diagnostik samt som prognostisk eller screeningsverktyg för att t.ex. kunna skilja personer med lindriga kognitiva symtom från "normalt åldrande" eller från personer som befinner sig i början av att utveckla hjärnsjukdomar som Alzheimers. Genom att identifiera och jämföra språkliga och ögonrörelsemönster hos patientkandidater och friska individer, kan man på ett objektivt sätt hitta stöd för att skilja mellan demenssjukdomar från mer godartade störningar. I dagsläget är det svårt att skilja sådana fall samtidigt som personer med lindriga kognitiva symtom blir allt vanligare inom vården. Resultaten kan ha ett avgörande betydelse för vårdpersonal som vill snabbare diagnostisera och identifiera individer med olika former av kognitiv funktionsnedsättning långt innan de första symptomen uppträder. På det sättet kan man utveckla nya och förbättrade, kognitiva screeningtester som kunde användas i stor skala inom primär- och specialistvården samt utveckla och tillämpa mer rationella (prekliniska) åtgärdsstrategier mha (nya) läkemedel eller metoder som påverkar beteendemönster.
Slutredovisning
Projektets syfte samt utveckling
Syfte: det övergripande syftet med projektet var att identifiera signifikanta språkliga särdrag som kan användas som komplement till tidig diagnostik för att kunna skilja personer med lindriga kognitiva symtom från "normalt åldrande" eller från personer som befinner sig i början av att utveckla hjärnsjukdomar som Alzheimers. Med ökad livslängd insjuknar allt fler i demenssjukdom. Symtomen kommer oftast smygande och gradvis försämras under lång tid. Dessa symtom påverkar kognitiva förmågor såsom minne, språk och exekutiva funktioner. Språksvårigheter uppträder tidigt i sjukdomsförloppet t.ex. ordmobiliseringsförmågan försämras medan upprepningar och felsägningar blir påträngande. Det är viktigt att få ökad kunskap om dessa oftast subtila tecken som tyder på kognitiv nedsättning. Personer med lindriga kognitiva symtom blir allt vanligare inom vården, och det är i dagsläget svårt att urskilja vilka av dessa personer som är i behov av specialistutredning, som bl.a. består av hjärnavbildningar, ryggvätskeprov och neuropsykologiska tester.
Utveckling: neuropsykologiska utredningar består av bl.a. språkliga tester som inte brukar spelas in med ljud, då man tidigare inte såg ett behov av detta. I projektet spelade vi in och analyserade tal (inkl. ortografiska transkriptioner) och ögonrörelser under textläsning. Genom att utvinna och modellera variabler från dessa tre modaliteter, kunde vi upptäcka skillnader i t.ex. hur man läser en text eller hur man uttalar vissa ord. Med hjälp av de modeller vi byggde kunde vi på ett snabbt och objektivt sätt särskilja personer med lindriga former av kognitiv nedsättning från kognitivt friska individer. Projektet utvecklades som planerat utan större förändringar i syftet, i sina frågeställningar eller teori. Däremot, försenades det praktiska arbetet vid olika tillfällen p.g.a. oförutsägbara händelser. Datainsamlingen försenades två gånger: under hösten 2016, då utbyggnaden av Humanisthuset gjorde att ögonrörelsemätaren inte kunde användas p.g.a. vibrationer; och i juli 2018 när vår inspelningslokal översvämmades som medförde att vi inte kunde använda vår utrustning som planerat. Till sist, en sorglig händelse i nov. 2017, drabbade alla medarbetare när projektets domänexpert avled. En ny anställningsprocess satts igång direkt och en ny, lämplig domänexpert rekryterades ett par månader senare.
Kort om genomförandet
I projektets början sökte vi godkännande från etikprövningsnämnden. Vi arbetade parallellt med att designa och implementera de tester vi skulle genomföra. Arbetet med att ta fram kravspecifikationen genomfördes i form av en tvådagars workshop med projektgruppen och gästexperter. Deltagarrekrytering började under sommaren 2016; medan inspelningsfas-1 pågick under hösten 2016-våren 2017 och inspelningsfas-2 under 2018. Löpande, under projektets gång, publicerade projektets medarbetare vetenskapliga rapporter om projektets metodologi, forskningsdata och resultat. Likaså ventilerades och diskuterades projektfrågor i seminarier och symposier. Vi organiserade årliga möten och månatliga möten med agenda och protokoll samt fyra internationella workshopar med inbjudna talare och vetenskapliga bidrag.
Deltagare, empiriska data & metodik: projektet rekryterade deltagare från en pågående epidemiologisk studie i Göteborg, "Demens i Tidigt Skede". Detta innebar att vi var säkra på vilken grupp personerna tillhörde men också gav oss möjlighet att ta del av nödvändiga demografiska och neuropsykologiska data för alla deltagare. Deltagarna bestod av personer med subjektiva kognitiva svårigheter (’Subjective Cognitive Impairment’, SCI); personer med lindriga kognitiva svårigheter (’Mild Cognitive Impairment’, MCI) och kognitivt friska kontroller. Genom att digitalt spela in alla språktester och även registrera ögonrörelser under läsning kunde vi utvinna variabler och sedan bygga, jämföra och utvärdera olika klassificeringsmodeller som kunde ’lära sig’ differentiera de tre ovannämnda personkategorierna. Dessa modeller använde tekniker från Artificiell Intelligens (AI), nämligen maskininlärnings- och djupinlärningsalgoritmer.
Experiment:
i. ögonrörelser: för att mäta hur effektivt läsningens kognitiva processer arbetar tillsammans använde vi oss av ögonrörelsemätning (’eye-tracking’). Deltagarna läste både tyst och högt två texter på datorn. Tyst läsning gav bättre klassificeringsresultat än högläsning, men ännu bättre resultat uppnåddes med variabelkombination från både tyst- och högläsning [jmf 12].
ii. tal: talspråkets egenskaper har direkta kopplingar till kognitiv förmåga. Exempelvis kan artikulation, röststyrka, prosodi och paralingvistisk information (t.ex. pauslängd och talhastighet) avslöja patologiska, subtila avvikelser. Genom utvinning och modellering av ljudvariabler byggde vi datormodeller som kunde differentiera patologiskt språk med stor noggrannhet [jmf 2;4;19;24;27].
iii. transkriptioner: alla ljudinspelningar överfördes till text som möjliggjorde att vi även kunde tillämpa språkteknologiska metoder för att även mäta språkegenskaper i skrift [jmf 13].
Projektets tre viktigaste resultat, samt ett resonemang om projektets slutsatser
Projektets tre viktigaste resultat, och resonemang kring dessa, skulle kunna vara:
i. flerspråkig kombination av jämförbara data höjer prediktionsvärdet: en svårighet som uppstår när man vill forska på språkliga förändringar hos personer med kognitiva nedsättningar är bristen på tillgängliga data. Projektet skapade analysmodeller som kunde utnyttja jämförbart material på flera språk samtidigt. Vi fann att analysmodellens förmåga att differentiera mellan personer med eller utan lätt kognitiv nedsättning förbättrades genom att vi tillförde jämförbara data från ett annat språk. Denna forskning öppnar nya möjligheter då bristen på data i mindre språk skulle kunna kompenseras genom att man kompletterar med data från ett annat språk [jmf 1].
ii. den diagnostiska precisionen för screeningsverktyg förbättras m.h.a. språkvariabler: ökande kunskap om olika språkliga egenskaper utgör ett kraftfullt analysinstrument för att kunna fånga tidiga avvikelser på kognitiv nedsättning och därmed öka den diagnostiska värde på screeningsverktyg. I olika experiment kunde vi kraftigt förbättra den diagnostiska precisionen av ett sådant instrument [jmf 16;35].
iii. ögonrörelser som ett fönster i våra kognitiva förmågor: koordinationen mellan tal och ögonrörelser påverkas vid lätt kognitiv nedsättning. Vid högläsning ligger ögat hela tiden något före talet. Detta krävs för att hjärnan ska hinna bearbeta det lästa ordet och initiera talprocessen – orden hålls i korttidsminnet. Våra analyser visade att personer med lätt kognitiv nedsättning har ett kortare tidsavstånd mellan fixeringen av ett ord till dess att det uttalas, jämfört med kontrollpersoner vilket skulle kunna vara en strategi för att hantera brister i korttidsminnet [jmf 15]. Genom ögonrörelsemätning kunde vi även skilja kontrollpersoner från personer med lindriga kognitiva svårigheter med hög noggrannhet genom att kombinera variabler från både tyst- och högläsning [jmf 12]. Denna forskning visar att ögonrörelsemätning är en lovande metod för att detektera de tidigaste stadierna av kognitiv nedsättning.
Eventuellt nya forskningsfrågor
Nya forskningsfrågor har uppkommit som kan användas och utvecklas i framtiden. Vi skulle vilja utforska språkets makrolingvistiska nivå, vilket innebär att undersöka hur deltagarna håller en röd tråd i ett samtal och hur de strukturerar sina yttranden i förhållande till sin samtalspartner. Även om språket inte är den enda diagnostiska faktorn vid SCI och MCI, så är det klarlagt att kognitiv svikt ger upphov till olika typer av språkstörningar på denna nivå. Ett annat forskningsområde vi skulle vilja utforska handlar om att kombinera variabler från olika modaliteter – språkliga och biomarkörer – för att förbättra förutsägelserna och resultat och för att predicera framtida demens tidigt. På det sättet kan vi bredda och fördjupa kunskapen om vad som utmärker de prekliniska stadierna av neurodegenerativa demenssjukdomar. Biomarkörerna undersöks i befolkningsstudien H70-1944 (https://www.gu.se/forskning/h70-studierna-i-goteborg) som pågår vid Sahlgrenska Akademi och vi önskar söka nya forskningsanslag för att undersöka dessa frågor. Redan nu spelas det in en del av de neuropsykologiska testerna i H70-1944. Kombinationen med och jämförelsen mellan språkliga, kognitiva och multimodala markörer är unik och har aldrig tidigare prövats i en stor skala som kan bana vägen för att utforska tidigare oåtkomliga dimensioner av patologiska språkförändringar och tillhandahålla ytterligare diagnostiskt värde m.h.a. språkliga analyser.
Hur projektgruppen har spridit forskningen & resultaten samt om och hur samverkan skett
Projektets medarbetare har aktivt medverkat i konferenser och populärvetenskapliga evenemang. Forskare som arbetar i angränsande domäner har varit bjudna i Göteborg, medan projektmedarbetare har varit inbjudna att besöka andra forskningscentra för att presentera projektet och diskutera samarbetsmöjligheter med andra forskare. Projektet har haft samarbete med Kanada (Torontouniversitet); Japan (Aging Research, IBM, Tokyo); Tyskland (DFKI); Frankrike (Hospitalier Universitaire de Nice); USA (School of Medicine, Johns Hopkins University); Grekland (National and Kapodistrian University of Athens). Projektet inrättade en ny internationell workshopserie inom området (RaPID) [jmf 55;56;58] som möjliggör att forskare inom forskningsfältet kan träffas, presentera och diskutera nya data, rön och metoder. Projektets PI sitter sedan 2017 i styrelsen för "Centrum för Åldrande och Hälsa" (AgeCap, https://agecap.gu.se/); ett tvärvetenskapligt centrum som gav oss möjlighet att etablera nya forskarkontakter och delta i diskussioner och träffar om kognition och åldrandet. All information om projektet finns samlad här: https://spraakbanken.gu.se/forskning/teman/alz-rjx.
Syfte: det övergripande syftet med projektet var att identifiera signifikanta språkliga särdrag som kan användas som komplement till tidig diagnostik för att kunna skilja personer med lindriga kognitiva symtom från "normalt åldrande" eller från personer som befinner sig i början av att utveckla hjärnsjukdomar som Alzheimers. Med ökad livslängd insjuknar allt fler i demenssjukdom. Symtomen kommer oftast smygande och gradvis försämras under lång tid. Dessa symtom påverkar kognitiva förmågor såsom minne, språk och exekutiva funktioner. Språksvårigheter uppträder tidigt i sjukdomsförloppet t.ex. ordmobiliseringsförmågan försämras medan upprepningar och felsägningar blir påträngande. Det är viktigt att få ökad kunskap om dessa oftast subtila tecken som tyder på kognitiv nedsättning. Personer med lindriga kognitiva symtom blir allt vanligare inom vården, och det är i dagsläget svårt att urskilja vilka av dessa personer som är i behov av specialistutredning, som bl.a. består av hjärnavbildningar, ryggvätskeprov och neuropsykologiska tester.
Utveckling: neuropsykologiska utredningar består av bl.a. språkliga tester som inte brukar spelas in med ljud, då man tidigare inte såg ett behov av detta. I projektet spelade vi in och analyserade tal (inkl. ortografiska transkriptioner) och ögonrörelser under textläsning. Genom att utvinna och modellera variabler från dessa tre modaliteter, kunde vi upptäcka skillnader i t.ex. hur man läser en text eller hur man uttalar vissa ord. Med hjälp av de modeller vi byggde kunde vi på ett snabbt och objektivt sätt särskilja personer med lindriga former av kognitiv nedsättning från kognitivt friska individer. Projektet utvecklades som planerat utan större förändringar i syftet, i sina frågeställningar eller teori. Däremot, försenades det praktiska arbetet vid olika tillfällen p.g.a. oförutsägbara händelser. Datainsamlingen försenades två gånger: under hösten 2016, då utbyggnaden av Humanisthuset gjorde att ögonrörelsemätaren inte kunde användas p.g.a. vibrationer; och i juli 2018 när vår inspelningslokal översvämmades som medförde att vi inte kunde använda vår utrustning som planerat. Till sist, en sorglig händelse i nov. 2017, drabbade alla medarbetare när projektets domänexpert avled. En ny anställningsprocess satts igång direkt och en ny, lämplig domänexpert rekryterades ett par månader senare.
Kort om genomförandet
I projektets början sökte vi godkännande från etikprövningsnämnden. Vi arbetade parallellt med att designa och implementera de tester vi skulle genomföra. Arbetet med att ta fram kravspecifikationen genomfördes i form av en tvådagars workshop med projektgruppen och gästexperter. Deltagarrekrytering började under sommaren 2016; medan inspelningsfas-1 pågick under hösten 2016-våren 2017 och inspelningsfas-2 under 2018. Löpande, under projektets gång, publicerade projektets medarbetare vetenskapliga rapporter om projektets metodologi, forskningsdata och resultat. Likaså ventilerades och diskuterades projektfrågor i seminarier och symposier. Vi organiserade årliga möten och månatliga möten med agenda och protokoll samt fyra internationella workshopar med inbjudna talare och vetenskapliga bidrag.
Deltagare, empiriska data & metodik: projektet rekryterade deltagare från en pågående epidemiologisk studie i Göteborg, "Demens i Tidigt Skede". Detta innebar att vi var säkra på vilken grupp personerna tillhörde men också gav oss möjlighet att ta del av nödvändiga demografiska och neuropsykologiska data för alla deltagare. Deltagarna bestod av personer med subjektiva kognitiva svårigheter (’Subjective Cognitive Impairment’, SCI); personer med lindriga kognitiva svårigheter (’Mild Cognitive Impairment’, MCI) och kognitivt friska kontroller. Genom att digitalt spela in alla språktester och även registrera ögonrörelser under läsning kunde vi utvinna variabler och sedan bygga, jämföra och utvärdera olika klassificeringsmodeller som kunde ’lära sig’ differentiera de tre ovannämnda personkategorierna. Dessa modeller använde tekniker från Artificiell Intelligens (AI), nämligen maskininlärnings- och djupinlärningsalgoritmer.
Experiment:
i. ögonrörelser: för att mäta hur effektivt läsningens kognitiva processer arbetar tillsammans använde vi oss av ögonrörelsemätning (’eye-tracking’). Deltagarna läste både tyst och högt två texter på datorn. Tyst läsning gav bättre klassificeringsresultat än högläsning, men ännu bättre resultat uppnåddes med variabelkombination från både tyst- och högläsning [jmf 12].
ii. tal: talspråkets egenskaper har direkta kopplingar till kognitiv förmåga. Exempelvis kan artikulation, röststyrka, prosodi och paralingvistisk information (t.ex. pauslängd och talhastighet) avslöja patologiska, subtila avvikelser. Genom utvinning och modellering av ljudvariabler byggde vi datormodeller som kunde differentiera patologiskt språk med stor noggrannhet [jmf 2;4;19;24;27].
iii. transkriptioner: alla ljudinspelningar överfördes till text som möjliggjorde att vi även kunde tillämpa språkteknologiska metoder för att även mäta språkegenskaper i skrift [jmf 13].
Projektets tre viktigaste resultat, samt ett resonemang om projektets slutsatser
Projektets tre viktigaste resultat, och resonemang kring dessa, skulle kunna vara:
i. flerspråkig kombination av jämförbara data höjer prediktionsvärdet: en svårighet som uppstår när man vill forska på språkliga förändringar hos personer med kognitiva nedsättningar är bristen på tillgängliga data. Projektet skapade analysmodeller som kunde utnyttja jämförbart material på flera språk samtidigt. Vi fann att analysmodellens förmåga att differentiera mellan personer med eller utan lätt kognitiv nedsättning förbättrades genom att vi tillförde jämförbara data från ett annat språk. Denna forskning öppnar nya möjligheter då bristen på data i mindre språk skulle kunna kompenseras genom att man kompletterar med data från ett annat språk [jmf 1].
ii. den diagnostiska precisionen för screeningsverktyg förbättras m.h.a. språkvariabler: ökande kunskap om olika språkliga egenskaper utgör ett kraftfullt analysinstrument för att kunna fånga tidiga avvikelser på kognitiv nedsättning och därmed öka den diagnostiska värde på screeningsverktyg. I olika experiment kunde vi kraftigt förbättra den diagnostiska precisionen av ett sådant instrument [jmf 16;35].
iii. ögonrörelser som ett fönster i våra kognitiva förmågor: koordinationen mellan tal och ögonrörelser påverkas vid lätt kognitiv nedsättning. Vid högläsning ligger ögat hela tiden något före talet. Detta krävs för att hjärnan ska hinna bearbeta det lästa ordet och initiera talprocessen – orden hålls i korttidsminnet. Våra analyser visade att personer med lätt kognitiv nedsättning har ett kortare tidsavstånd mellan fixeringen av ett ord till dess att det uttalas, jämfört med kontrollpersoner vilket skulle kunna vara en strategi för att hantera brister i korttidsminnet [jmf 15]. Genom ögonrörelsemätning kunde vi även skilja kontrollpersoner från personer med lindriga kognitiva svårigheter med hög noggrannhet genom att kombinera variabler från både tyst- och högläsning [jmf 12]. Denna forskning visar att ögonrörelsemätning är en lovande metod för att detektera de tidigaste stadierna av kognitiv nedsättning.
Eventuellt nya forskningsfrågor
Nya forskningsfrågor har uppkommit som kan användas och utvecklas i framtiden. Vi skulle vilja utforska språkets makrolingvistiska nivå, vilket innebär att undersöka hur deltagarna håller en röd tråd i ett samtal och hur de strukturerar sina yttranden i förhållande till sin samtalspartner. Även om språket inte är den enda diagnostiska faktorn vid SCI och MCI, så är det klarlagt att kognitiv svikt ger upphov till olika typer av språkstörningar på denna nivå. Ett annat forskningsområde vi skulle vilja utforska handlar om att kombinera variabler från olika modaliteter – språkliga och biomarkörer – för att förbättra förutsägelserna och resultat och för att predicera framtida demens tidigt. På det sättet kan vi bredda och fördjupa kunskapen om vad som utmärker de prekliniska stadierna av neurodegenerativa demenssjukdomar. Biomarkörerna undersöks i befolkningsstudien H70-1944 (https://www.gu.se/forskning/h70-studierna-i-goteborg) som pågår vid Sahlgrenska Akademi och vi önskar söka nya forskningsanslag för att undersöka dessa frågor. Redan nu spelas det in en del av de neuropsykologiska testerna i H70-1944. Kombinationen med och jämförelsen mellan språkliga, kognitiva och multimodala markörer är unik och har aldrig tidigare prövats i en stor skala som kan bana vägen för att utforska tidigare oåtkomliga dimensioner av patologiska språkförändringar och tillhandahålla ytterligare diagnostiskt värde m.h.a. språkliga analyser.
Hur projektgruppen har spridit forskningen & resultaten samt om och hur samverkan skett
Projektets medarbetare har aktivt medverkat i konferenser och populärvetenskapliga evenemang. Forskare som arbetar i angränsande domäner har varit bjudna i Göteborg, medan projektmedarbetare har varit inbjudna att besöka andra forskningscentra för att presentera projektet och diskutera samarbetsmöjligheter med andra forskare. Projektet har haft samarbete med Kanada (Torontouniversitet); Japan (Aging Research, IBM, Tokyo); Tyskland (DFKI); Frankrike (Hospitalier Universitaire de Nice); USA (School of Medicine, Johns Hopkins University); Grekland (National and Kapodistrian University of Athens). Projektet inrättade en ny internationell workshopserie inom området (RaPID) [jmf 55;56;58] som möjliggör att forskare inom forskningsfältet kan träffas, presentera och diskutera nya data, rön och metoder. Projektets PI sitter sedan 2017 i styrelsen för "Centrum för Åldrande och Hälsa" (AgeCap, https://agecap.gu.se/); ett tvärvetenskapligt centrum som gav oss möjlighet att etablera nya forskarkontakter och delta i diskussioner och träffar om kognition och åldrandet. All information om projektet finns samlad här: https://spraakbanken.gu.se/forskning/teman/alz-rjx.