Visualization of cortical speech areas by implementing of functional neuroimagining techniques

U radu su prikazani principi i savremene mogućnosti tehnika vizuelizacije moždanih funkcija – funkcionalnog neuroimidžinga, prvenstveno PET (pozitron emisiona tomografija) i fMRI (funkcionalni magnetski imidžing - BOLD) mozga, u identifikovanju kortikalnih područja uključenih u govorne funkcije. Tehnike funkcionalnog neuroimidžinga omogućavaju vizuelizaciju moždanih područja dok ispitanik obavlja određeni zadatak, pa spadaju u tzv. aktivacione studije. Neuronska aktivnost u regijama mozga uključenih u izvršenje određenog zadatka će se promijeniti, a time se mjenja i potrošnja energije kao i protok krvi u toj regiji, što obilježava aktiviranje ili deaktiviranje neurona u tom području. Opisan je klasični model neurobiološke osnove govorne funkcije poznat kao Broca-Wernicke-Lichtheim model. Takođe su opisani i noviji, znatno detaljniji neurobiološki modeli govornih funkcija koji uključuju i njihove kognitivne komponente i to model Price, model Friederici, Hickok i Poeppel model, Model Indefrey i Levelt i savremeni 6-to komponentni model. Prikazani su i rezultati novijih istraživanja vizuelizacije kortikalnih područja vezanih za govorne funkcije. Takođe su prikazani su i rezultati istraživanja hemisferne specijalizacije - dominacije govornih funkcija, budući da su procesi uključeni u govornu komunikaciju rijetko prisutni u obje moždane hemisfere, a leksičko i gramatičko znanje takođe pokazuje hemisfernu specijalizaciju.This paper aims at presenting the principles and possibilities of modern technology in visualization of brain function - functional neuroimaging, especially PET (positron emission tomography) and fMRI (functional magnetic imaginging) brain, in identifying cortical areas involved in speech function. Functional neuroimaging techniques take vizuelisation of brain areas while subject performs a certain task, then fall into activating brain studies. Neural activity in brain regions involved in the execution of certain tasks will change and thus changes and energy consumption as well as the flow of blood in the region, which marks the activation or deactivation of neurons in this area. We described the classic model of neurobiological basic of voice functions known as Broce-Wernicke-Lichtheim model. Also we described, new, much more detailed models of neurobiological basis of speech functions, including their cognitive components: model Price, model Friederici, Hickok and Poeppel model, Model Indefrey and Levelt and modern 6-component model. We shown some recent results of recent research of visualization of cortical areas related to speech function. Also we shown results of research in specialization or hemisferic-domination of speech functions, since the processes involved in oral communication is rarely present in both brain hemispheric, and lexical and grammatical knowledge also shows hemisfernu specialization to

Serial order in word form retrieval: New insights from the auditory picture-word interference task

One important theoretical question about word production concerns whether the phonemes of a word are retrieved in parallel or in sequential order. To address this question, Meyer and Schriefers (Journal of Experimental Psychology: Learning, Memory, and Cognition 17:1146–1160, 1991) used an auditory picture–word interference task and manipulated the position of the phonemes shared between a distractor word and a target picture. They found that begin-related distractors (e.g., boat–bone) facilitated naming times when they were presented within 150 ms before or after the picture, whereas end-related distractors (e.g., cone–bone) were effective only if presented within 150 ms after the picture. This suggested that the word’s end phonemes were activated later than the beginning ones. However, it remained unclear whether these effects genuinely reflected facilitation at the level of phonological retrieval. In this study, we examined later distractor presentation onsets, so that the distractors had little opportunity to influence earlier, lexical selection processes. At the latest onset tested, end-related—but not begin-related—distractors significantly facilitated naming. We concluded that late-presented distractors do indeed influence phonological encoding, and that their asymmetric effects support a sequential model of phoneme retrieval

The role of the left head of caudate in suppressing irrelevant words

Suppressing irrelevant words is essential to successful speech production and is expected to involve general control mechanisms that reduce interference from task-unrelated processing. To investigate the neural mechanisms that suppress visual word interference, we used fMRI and a Stroop task, using a block design with an event-related analysis. Participants indicated with a finger press whether a visual stimulus was colored pink or blue. The stimulus was either the written word "BLUE," the written word "PINK," or a string of four Xs, with word interference introduced when the meaning of the word and its color were "incongruent" (e.g., BLUE in pink hue) relative to congruent (e.g., BLUE in blue) or neutral (e.g., XXXX in pink). The participants also made color decisions in the presence of spatial interference rather than word interference (i.e., the Simon task). By blocking incongruent, congruent, and neutral trials, we identified activation related to the mechanisms that suppress interference as that which was greater at the end relative to the start of incongruency. This highlighted the role of the left head of caudate in the control of word interference but not spatial interference. The response in the left head of caudate contrasted to bilateral inferior frontal activation that was greater at the start than at the end of incongruency, and to the dorsal anterior cingulate gyrus which responded to a change in the motor response. Our study therefore provides novel insights into the role of the left head of caudate in the mechanisms that suppress word interference

Cortical and behavioural tracking of rhythm in music:Effects of pitch predictability, enjoyment, and expertise

Cortical tracking of stimulus features (such as the envelope) is a crucial tractable neural mechanism, allowing us to investigate how we process continuous music. We here tested whether cortical and behavioural tracking of beat, typically related to rhythm processing, are modulated by pitch predictability. In two experiments (n=20, n=52), participants’ ability to tap along to the beat of musical sequences was measured for tonal (high pitch predictability) and atonal (low pitch predictability) music. In Experiment 1, we additionally measured participants’ EEG and analysed cortical tracking of the acoustic envelope and of pitch surprisal (using IDyOM). In both experiments, finger-tapping performance was better in the tonal than the atonal condition, indicating a positive effect of pitch predictability on behavioural rhythm processing. Neural data revealed that the acoustic envelope was tracked stronger while listening to atonal than tonal music, potentially reflecting listeners’ violated pitch expectations. Our findings show that cortical envelope tracking, beyond reflecting musical rhythm processing, is modulated by pitch predictability (as well as musical expertise and enjoyment). Stronger cortical surprisal tracking was linked to overall worse envelope tracking, and worse finger-tapping performance for atonal music. Specifically, the low pitch predictability in atonal music seems to draw attentional resources resulting in a reduced ability to follow the rhythm behaviourally. Overall, cortical envelope and surprisal tracking were differentially related to behaviour in tonal and atonal music, likely reflecting differential processing under conditions of high and low predictability. Taken together, our results show diverse effects of pitch predictability on musical rhythm processing

Enhancement and suppression in a lexical interference fMRI-paradigm

Previous picture-word interference (PWI) fMRI-paradigms revealed ambiguous mechanisms underlying facilitation and inhibition in healthy subjects. Lexical distractors revealed increased (enhancement) or decreased (suppression) activation in language and monitoring/control areas. Performing a secondary examination and data analysis, we aimed to illuminate the relation between behavioral and neural interference effects comparing target-related distractors (REL) with unrelated distractors (UNREL). We hypothesized that interference involves both (A) suppression due to priming and (B) enhancement due to simultaneous distractor and target processing. Comparisons to UNREL should remain distractor unspecific even at a low threshold. (C) Distractor types with common characteristics should reveal overlapping brain areas. In a 3T MRI scanner, participants were asked to name pictures while auditory words were presented (stimulus onset asynchrony [SOA] = –200 msec). Associatively and phonologically related distractors speeded responses (facilitation), while categorically related distractors slowed them down (inhibition) compared to UNREL. As a result, (A) reduced brain activations indeed resembled previously reported patterns of neural priming. Each target-related distractor yielded suppressions at least in areas associated with vision and conflict/competition monitoring (anterior cingulate cortex [ACC]), revealing least priming for inhibitors. (B) Enhancements concerned language-related but distractor-unspecific regions. (C) Some wider brain regions were commonly suppressed for combinations of distractor types. Overlapping areas associated with conceptual priming were found for facilitatory distractors (inferior frontal gyri), and areas related to phonetic/articulatory processing (precentral gyri and left parietal operculum/insula) for distractors sharing feature overlap. Each distractor with semantic relatedness revealed nonoverlapping suppressions in lexical-phonological areas (superior temporal regions). To conclude, interference combines suppression of areas well known from neural priming and enhancement of language-related areas caused by dual activation from target and distractor. Differences between interference and priming need to be taken into account. The present interference paradigm has the potential to reveal the functioning of word-processing stages, cognitive control, and responsiveness to priming at the same time

The Spatial and Temporal Signatures of Word Production Components: A Critical Update

In the first decade of neurocognitive word production research the predominant approach was brain mapping, i.e., investigating the regional cerebral brain activation patterns correlated with word production tasks, such as picture naming and word generation. Indefrey and Levelt (2004) conducted a comprehensive meta-analysis of word production studies that used this approach and combined the resulting spatial information on neural correlates of component processes of word production with information on the time course of word production provided by behavioral and electromagnetic studies. In recent years, neurocognitive word production research has seen a major change toward a hypothesis-testing approach. This approach is characterized by the design of experimental variables modulating single component processes of word production and testing for predicted effects on spatial or temporal neurocognitive signatures of these components. This change was accompanied by the development of a broader spectrum of measurement and analysis techniques. The article reviews the findings of recent studies using the new approach. The time course assumptions of Indefrey and Levelt (2004) have largely been confirmed requiring only minor adaptations. Adaptations of the brain structure/function relationships proposed by Indefrey and Levelt (2004) include the precise role of subregions of the left inferior frontal gyrus as well as a probable, yet to date unclear role of the inferior parietal cortex in word production

Word Form Retrieval in Spoken Word Production

In the auditory picture-word interference task, participants name pictures whilst ignoring auditory distractor words. Previous studies have reported faster naming latencies when distractors are phonologically related to the target (e.g., tiger-typist) than when they are unrelated. By varying the position of overlap of the shared phonemes and the onset of the distractor, this task may provide valuable insights into the time course of phonological encoding. In the current study, participants named pictures while hearing distractor words that were: begin-related (e.g., letter-lesson); end-related (e.g., letter-otter); or unrelated to the target (e.g., letter-cabin). Distractor onsets varied from -200ms (before target) to +400ms (after target). The study was carried out in two phases: in the first phase, the task was administered to a group of 24 young control participants; in the second phase, it was administered to an individual with aphasia, NP, and a group of six older controls. Phonological facilitation effects of begin-related distractors displayed a fairly consistent pattern across the four distractor onsets for all participant groups. In almost all instances, these effects were significant but were noticeably stronger at early onsets especially around the onset of the target presentation, consistent with previous findings in the literature. Only NP showed strong begin-related facilitation effects at the latest onset. The end-related distractors however, produced somewhat different facilitation effects across the different groups. For the young controls and NP, these effects were stronger and significant at later onsets. The older controls only displayed marginally significant effects at 200ms after the target. Findings from the current study provide support for serial pattern of phoneme retrieval in multisyllabic words, in which a word‟s first syllable becomes available before later syllable(s)

Semantische Kontexteffekte beim Bildbenennen nach Läsionen des Sprachnetzwerkes und deren neuronales Korrelat

Semantische Kontexte können die Benennleistung von gesunden Sprechern, ebenso wie von Menschen mit erworbener Sprachstörung, beeinflussen. Im picture-word interference (PWI) paradigm (Bild-Wort Interferenz Paradigma) ist es die Aufgabe, ein Zielbild unter Anwesenheit eines visuellen oder auditiv präsentierten Ablenkerwortes so schnell und akkurat wie möglich zu benennen. Die Art der Verwandtschaft zwischen Ablenkerwort und Zielbild kann den Benennprozess des Bildes in unterschiedliche Richtungen beeinflussen. Besteht eine semantisch-kategorielle Verwandtschaft zwischen Wort und Bild („Katze“ – HUND) kommt es zu steigenden Benennlatenzen und Fehlerzahlen bei Patient*innen und neurotypischen Proband*innen. Dies wird als semantische bzw. kategorielle Interferenz bezeichnet (Abel et al., 2009; Glaser & Düngelhoff, 1984; Henseler et al., 2014; Piai et al., 2016; Piai & Knight, 2018; Python et al., 2018; Schriefers et al., 1990). Besteht hingegen eine semantisch-assoziative Relation zwischen Wort und Bild („Knochen“ – HUND), kommt es zu einer Beschleunigung des Benennprozesses, was als assoziative Fazilitierung bezeichnet wird (Alario et al., 2000; Henseler et al., 2014; Sailor et al., 2009). Trotz des hohen therapeutischen Potenzials existiert bisher kaum Evidenz zur erleichternden Wirkung assoziativer Relationen in Gruppen von Patient*innen mit erworbener Sprachstörung (Python et al., 2018). Das swinging lexical network model (Abdel Rahman & Melinger, 2009, 2019) ermöglicht eine theoretische Einordnung kategorieller Interferenz und assoziativer Fazilitierung innerhalb eines Modells. In beiden semantischen Kontexten kommt es zu Priming auf konzeptueller Ebene sowie zu Konkurrenz auf lexikalischer Ebene durch relatierte, ko-aktivierte Einträge. In kategoriellen Kontexten entsteht hohe Konkurrenz auf lexikalischer Ebene, die das konzeptuelle Priming überwiegt. In assoziativen Kontexten überwiegt das konzeptuelle Priming die nur geringe Konkurrenz in einer „eins-gegen-eins“ Situation auf lexikalischer Ebene zwischen Distraktorwort und Zielbild. Neben der modelltheoretischen Einordnung wurde die neuroanatomische Grundlage der Effekte kontrovers diskutiert. Im Mittelpunkt der Debatte stehen der Gyrus temporalis medius (MTG) links und der Gyrus frontalis inferior (IFG) links. Der MTG links wird mit dem mentalen Lexikon und der semantisch-lexikalischen Verarbeitung und somit assoziativen Kontexten assoziiert. Dem linken IFG wird eine Rolle als kognitiver Kontrollmechanismus zugesprochen und im Besonderen auch im kontrollierten Lexikonzugriff, wie es in kategoriellen Kontexten notwendig ist (Henseler et al., 2014; Indefrey & Levelt, 2004). Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, zu der heterogenen und eher geringen Evidenzlage zur Wirksamkeit kategorieller und im Besonderen assoziativer Relationen in Patientengruppen mit erworbener linkshemisphärischer Hirnläsion beizutragen. Ebenso soll ein Übertrag der Daten aus dem läsionierten Netzwerk auf gängige Sprachproduktionsmodelle ermöglicht und eine mögliche Dissoziation von kategorieller Interferenz und assoziativer Fazilitierung aufgezeigt werden. Über die Methodik des voxel-based lesion-symptom mapping (VLSM) (Bates et al., 2003) sollen die neuroanatomischen Grundlagen und hier im Besonderen die Rollen des MTG und IFG links adressiert werden. Es ergeben sich hieraus die folgenden Hypothesen: (i) assoziative Relationen zwischen Ablenker und Zielbild im PWI Paradigma führen in einer Gruppe von Patient*innen mit Läsionen des funktionellen Sprachnetzwerks zu sinkenden Fehlerzahlen und Benennlatenzen, wohingegen kategorielle Relationen zu steigenden Fehlerzahlen und Latenzen führen, (ii) assoziative Fazilitierung und kategorielle Interferenz zeigen sich als voneinander distinkte Prozesse, (iii) der MTG links beeinflusst als Grundlage des mentalen Lexikons die Effekte assoziativer Relationen, wohingegen Läsionen des IFG links als Kontrollinstanz während der lexikalischen Auswahl Einfluss auf das Ausmaß kategorieller Interferenz nehmen. Zu diesem Zweck wurde in der vorliegenden Arbeit ein visuelles PWI Paradigma mit assoziativen und kategoriellen Wort-Bild Paaren in einer Gruppe von 32 Patient*innen mit linkshemisphärischer Hirnläsion durchgeführt. Die Proband*innen (Alter: M ± SD = 51.9 ± 11.51 Jahre, 17 Frauen) wiesen alle zum Zeitpunkt der Testung eine Aphasie auf oder zeigten diese in der Akutphase. Es wurden ein assoziatives und ein kategorielles Itemset, bestehend aus je 40 Zielbildern mit den zugehörigen assoziativ oder kategoriell relatierten und unrelatierten Ablenkerwörtern geschaffen. Auf zwei Familiarisierungsphasen folgte das eigentliche Hauptexperiment. Jedes Trial startete mit der Präsentation eines Fixationskreuzes, auf das das Distraktorwort folgte. In kategoriellen Blöcken folgte nach 150 ms das Zielbild. In assoziativen Blöcken wurde nach 300 ms das Zielbild präsentiert. Aufgabe der Patient*innen war es, so schnell und so genau wie möglich das Zielbild zu benennen. Ausgewertet wurden Fehlerzahlen, Fehlerarten und Reaktionszeiten. Verglichen wurde über abhängige, zweiseitige t-Tests innerhalb der assoziativen und kategoriellen Bedingung jeweils die Leistung in der relatierten und unrelatierten Bedingung. Als Maß für die Stärke kategorieller Interferenz und assoziativer Fazilitierung wurde jeweils die Differenz zwischen relatierter und unrelatierter Bedingung herangezogen. In den sich anschließenden Läsionsanalysen ermöglicht ein voxel-based lesion-symptom mapping für jedes Voxel der linken Hemisphäre (Bildvolumen von 1 mm3) eine Korrelation der Verhaltensdaten mit dem Status eines Voxels (läsioniert/nicht läsioniert). Es können folgende Ergebnisse berichtet werden: (i) Kategoriell relatierte Distraktoren führten in der hier untersuchten Patientengruppe zu signifikant langsamerem Benennen und höheren Fehlerzahlen als in der unrelatierten Kontrollbedingung. Assoziative Relationen führten zu signifikant geringeren Fehlerzahlen in der relatierten Bedingung. Ein Einfluss der assoziativen Ablenker auf die Benennlatenz konnte nicht nachgewiesen werden. (ii) Insgesamt korrelierte die individuelle Gesamtleistung mit den Leistungen in den einzelnen Testbedingungen. Allerdings bestand kein Zusammenhang zwischen der Stärke assoziativer Fazilitierung und kategorieller Interferenz, ausgedrückt in Form der Differenz zwischen relatierter und unrelatierter Bedingung für Fehler und Benennlatenz. Die beiden Effekte waren demnach unabhängig voneinander unterschiedlich stark ausgeprägt und sind somit als distinkt zu bewerten. (iii) Läsionen des MTG und IFG links korrelierten kontext-unspezifisch mit der Gesamtfehlerzahl und der durchschnittlichen Benennlatenz. Spezifischer führten Läsionen des MTG links zu signifikant stärkerer assoziativer Fazilitierung auf die Fehlerzahl. Unter Berücksichtigung der kontext-unabhängigen Benennleistung als Kovariate ergab sich eine Zweiteilung des MTG. Läsionen des posterioren Anteils des MTG links führen zu einer Zunahme assoziativer Fazilitierung, Läsionen im anterioren Anteilen des MTG hingegen hatten eine Abnahme der erleichternden Wirkung zur Folge. Läsionen des IFG links führten zu steigender kategorieller Interferenz auf die Benennlatenz. Es konnten sowohl assoziative Fazilitierung als auch kategorielle Interferenz in der hier untersuchten Patientengruppe nachgewiesen werden. Diese beiden semantischen Kontexteffekte sind als voneinander distinkte Effekte anzunehmen. Kategorielle Interferenz beeinflusste neben der Benennlatenz auch die Akkuratheit des Benennens. Assoziative Relationen hingegen ermöglichten keine Beschleunigung, allerdings aber eine Verbesserung der Genauigkeit des Benennens. Unter Annahmen eines läsions-induzierten erhöhten Rauschens innerhalb des Netzwerks und reduzierten Aktivierungszuständen (Dell et al., 1997; Foygel & Dell, 2000; Harvey & Schnur, 2015) ermöglicht das swinging lexical network model (Abdel Rahman & Melinger, 2009, 2019) eine Darstellung assoziativer Fazilitierung und kategorieller Interferenz auch im läsionierten Sprachnetzwerk. Die Läsionsanalyse bestätigt die hohe Relevanz des MTG und IFG links. Der IFG links nimmt eine entscheidende Rolle in der erschwerten lexikalischen Auswahl und Interferenzkontrolle ein. Der MTG links weist eine funktionelle Zweiteilung in einen anterioren Anteil, der mit dem Zugriff auf konzeptuelle Repräsentationen assoziiert ist und einen posterioren Anteil auf, welchem der Zugriff auf lexikalische Repräsentationen zugesprochen wird (vgl. Harvey & Schnur, 2015; Lambon Ralph, 2014). Läsionen des pMTG führen zu einer schlechteren Verfügbarkeit der lexikalischen Repräsentation des Zielbildes und aller Konkurrenten im Netz, weshalb bei reduzierter Konkurrenz eine assoziative Verbindung zwischen Zieleintrag und Ablenker auf konzeptueller Ebene effektiver genutzt werden kann und die Fazilitierung zunimmt. Beeinträchtigungen des konzeptuellen Wissens durch anteriore Läsionen des MTG verhindern dies und führen zu einer Abnahme der Fazilitierung. Neben neuen theoretischen Erkenntnissen zeigt sich zudem ein hohes klinisch-therapeutisches Potential semantischer Kontexteffekte. Assoziative Relationen ermöglichen eine verbesserte Hilfestellung, wohingegen über kategorielle Relationen ein Benenntraining auf hohem Niveau zur Behandlung leichter Aphasien geschaffen werden kann