[論文レビュー] Rhythmic production of consonant-vowel syllables synchronizes traveling waves in speech-processing brain regions

Joaquín Rapela|arXiv (Cornell University)|May 3, 2017

Neural dynamics and brain function参考文献 25被引用数 3

ひとこと要約

本研究は、人の脳における言語処理領域に跨る神経オシレーターの正確な位相同期が、子音母音音節（CVS）のリズミカルな生成によって誘発され、電圧と高周波パワーアンプリチュードの両方で進行波（TW）が出現することを示している。脳内電図（ECoG）を用いて、著者らは、CVS生成に同期する低周波電圧オシレーションにおける1本の進行波と、高周波パワーアンプリチュードにおけるもう1本の進行波という、反対方向に伝播する2つの進行波を同定した。これは、言語における感覚運動統合の神経機構を示している。

ABSTRACT

Nature is abundant in oscillatory activity, with oscillators that have the remarkable ability of synchronizing to external events. Using electrocorticographic (ECoG) recordings from a subject rhythmically producing consonant-vowel syllables (CVSs) we show that neural oscillators recorded at individual ECoG electrodes become precisely synchronized to initiations of the production of CVSs (i.e., that these initiations occur at precise phases of bandpassed-filtered voltages recorded at most ECoG electrodes). This synchronization is not a trivial consequence of the rhythmic production of CVSs, since it takes several minutes to be fully established and is observed at the frequency of CVS production and at its second harmonic. The phase of filtered voltages at which CVSs are produced varies systematically across the grid of electrodes, consistently with the propagation of traveling waves (TWs). Using these synchronized phases we isolate a first TW in voltages (filtered at the median CVS-production frequency) moving from primary auditory to premotor cortex, and a second TW in high-gamma amplitude (coupled to phase at the CVS-production frequency) moving along the same path but in opposite direction. To our knowledge, this is the first report of rhythmic motor acts synchronizing spatio-temporally organized cortical activity in the human brain.

研究の動機と目的

• リズミカルな運動行動（例：言語発話）が、人間の皮質における神経オシレーターを同期させることを調査すること。
• そのような同期が、皮質活動に空間的・時間的組織化された進行波（TW）の出現を引き起こすかどうかを特定すること。
• 同期がCVS生成の基本周波数およびその2次高調波において観察されるかどうかを検討すること。
• 進行波の伝播方向および性質が、言語運動および聴覚処理領域とどのように関係するかを同定すること。
• 自己生成された言語と皮質オシレーター動態の間の調整を支える神経メカニズムを探索すること。

提案手法

• リズミカルな子音母音音節（CVS）の生成を実行した被験者から、脳内電図（ECoG）記録を取得した。
• CVSの位相は、バンドパスフィルタ処理されたECoG電圧のピークと音節開始時刻との時間差を測定し、ラジアン単位に正規化することで算出した。
• 位相ロックインデックス（PLI）を円統計を用いて計算し、電極間での同期の正確さを定量化した。PLIは、位相ベクトルの平均結果長として定義された。
• 進行波（TW）パターンは、ECoGグリッド全体における同期位相の体系的空間的進行を分析することで再構築した。
• 2つの異なる進行波を同定した：1つは中央CVS周波数でフィルタリングした低周波電圧オシレーションに、もう1つはCVS周波数に位相ロックされた高周波パワーアンプリチュードに見られた。
• 進行波の方向性は、電極間の位相勾配をフィッティングすることで特定した。その結果、補運動野から一次聴覚皮質へ、およびその逆方向へ伝播する反対方向の進行波が明らかになった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 リズミカルな運動行動（例：言語発話）は、人間皮質における神経オシレーターを同期させることができるか？
• RQ2 その同期が、言語関連脳領域に空間的・時間的組織化された進行波（TW）として現れるか？
• RQ3 同期はCVS生成の基本周波数およびその2次高調波の両方で観察されるか？
• RQ4 誘発された進行波の伝播方向および伝播パターンは、言語運動および聴覚処理領域とどのように関係するか？
• RQ5 神経オシレーターの位相とアンプリチュードダイナミクスは、発話中の感覚運動統合をどのように支援するか？

主な発見

• ECoGグリッドに跨る神経オシレーターは、子音母音音節（CVS）の開始に対して正確に位相ロックされた。同期は約4分間で発達した。
• 同期はCVS生成の基本周波数だけでなく、その2次高調波に対しても観察された。これは、複数の時間スケールでのイントライン（entrainment）を示している。
• 電極間におけるCVS位相の体系的変化は、進行波（TW）の伝播に一致する一貫した空間的進行を示した。
• 最初の進行波は、中央CVS生成周波数でフィルタリングした電圧オシレーションに同定された。この波は補運動野から一次聴覚皮質へと伝播した。
• 2番目の進行波は高周波パワーアンプリチュードにあり、CVS周波数に位相ロックされていた。この波は聴覚皮質から補運動野へと逆方向に伝播した。
• 2つの進行波は空間的・時間的に調整されており、発話中の運動出力と感覚フィードバックの統合を支える二重メカニズムを示唆している。