[論文レビュー] Traveling waves appear and disappear in unison with produced speech

Joaquín Rapela|arXiv (Cornell University)|Jun 25, 2018

Neural dynamics and brain function参考文献 6被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、ヒトの脳電図的（ECoG）信号における進行波（TWs）が、発話行動と関連していることを示している。発話の開始に先立ち、腹側−背側方向のTWsが現れ、子音母音語り（CVS）の終了直前に消滅する。一方、背側−腹側方向のTWsは、沈黙中の間隔に現れる。これらの結果は、TWのダイナミクスと発話運動の間で、正確なミリ秒スケールの同期が生じていることを示し、目覚めているヒトにおけるマクロスケール進行波の最初の直接的な行動的関連要因を確立している。

ABSTRACT

In Rapela (2016) we reported traveling waves (TWs) on electrocorticographic (ECoG) recordings from an epileptic subject over speech processing brain regions, while the subject rhythmically produced consonant-vowel syllables (CVSs). In Rapela (2017) we showed that TWs are precisely synchronized, in dynamical systems terms, to these productions. Here we show that TWs do not occur continuously, but tend to appear before the initiation of CVSs and tend to disappear before their termination. During moments of silence, between productions of CVSs, TWs tend to reverse direction. To our knowledge, this is the first study showing TWs related to the production of speech and, more generally, the first report of behavioral correlates of mesoscale TWs in behaving humans.

研究の動機と目的

• ヒト皮質活動における進行波（TWs）が、発話行動と関連しているかどうかを調査すること。
• TWsが子音母音語り（CVSs）の開始および終了と一致して出現・消滅するかどうかを特定すること。
• 語りの間隔の沈黙中に、TWの進行方向が変化するかどうかを検討すること。
• 観察されたTW-CVS同期が統計的に有意であり、偶然によるものではないかどうかを検証すること。

提案手法

• てんかんを有する1名の被験者から、発話処理領域（腹側運動皮質）で脳電図的（ECoG）記録を取得した。
• 電極間の位相差と基準電極との関係を用いて波動イベント（WEs）を同定し、有意な線形関係が示された場合に進行波とみなした。
• 連続波動イベント（CWEs）は、連続する時間サンプルにわたるWEの連続的シーケンスとして定義された。
• 代替データセットは、CVSの開始および終了時刻をランダムに再配置しながら、持続時間と語りの間隔を維持することで生成された。
• 順列検定を用いて、TW-CVSの一致の統計的有意性を評価し、代替データにおける観測された頻度と時間差を比較した。
• 波速は、$ v = \frac{2\pi f}{k} $ の式で計算された。ここで $ f $ は周波数、$ k $ は位相差-距離回帰から導かれた波数である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ヒト皮質活動における進行波が、子音母音語り（CVSs）の生成と同期して出現・消滅するか？
• RQ2 発話行動中に進行波に方向性の傾向が見られ、沈黙中にその方向性が変化するか？
• RQ3 観察されたTWとCVSの時間的整合性は統計的に有意であり、偶然によるものではないか？
• RQ4 腹側−背側方向のTWsがCVSの生成に先立って出現し、終了に先立って消滅するか？また、背側−腹側方向のTWsは沈黙中に出現するか？
• RQ5 TWの開始および終了時刻がCVSの生成に比べて、偶然よりも著しく正確に同期しているか？

主な発見

• 有意な腹側−背側波動イベントの86%が、CVS生成の0.3秒以内に現れ、これは偶然による確率よりも著しく高い（p < 1e-4）。
• 有意な背側−腹側波動イベントの90%が、CVS間の沈黙期間中に発生しており、これは偶然による確率とは著しく異なる（p = 0.006）。
• 全92例の腹側−背側連続波動イベント（CWEs）がCVS生成と重複しており、その90%がCVS開始および終了時刻の±0.4秒以内に開始および終了した。
• CWE開始時刻とCVS開始時刻の平均差は-0.06秒であり、これは偶然によるものより著しく小さい（p = 0.0185）。これにより、CWEがCVSの開始に先立って発生していることが示された。
• CWEとCVSの開始・終了時刻の時間差の分散は0.03 sec²であり、これは偶然によるものより著しく小さい（p < 1e-4）。これにより、時間的整合性が正確であることが示された。
• 沈黙中に進行波の進行方向が逆転しており、背側−腹側方向の進行が主に語りの間隔に見られた。これは、神経状態のリセットに関与している可能性を示唆している。