[논문 리뷰] Amygdala and insula contributions to dorsal-ventral pathway integration in the prosodic neural network

David I. Leitman, Chris J. Edgar외 4명|arXiv (Cornell University)|2016. 11. 05.

Phonetics and Phonology Research참고 문헌 23인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 청각망에서 후두부와 편도체가 말의 운동/발성과 감정적 억양 인식이라는 두 가지 경로를 통합하는 데 핵심적인 역할을 한다고 밝힌다. MEG와 확산 MRI를 사용하여, 편도체-皮질 기능적 연결성이 동적으로 변화함을 규명하고, 편도체에서 STG/IFG로 향하는 직접적인 구조적 경로를 밝혀내며, 편도체-편도체 기능적·구조적 연결이 감정적 억양을 말 계획 체계에 통합하는 데 기여할 수 있음을 제시한다.

ABSTRACT

Speech prosody enables communication of emotional intentions via modulation of vocal intonations. Reciprocal interactions between superior temporal (STG) and inferior frontal gyri (IFG) have been shown to anchor a neural network for prosodic comprehension, which we refer to as the Prosody Neural Network (PNN). Although the amygdala is critical for socio-emotional processing, its integral functional and structural role in processing social information from speech prosody as well as its role in the PNN is largely unexplored including inconsistent recent empirical findings. Here, we used magnetoencephalography and diffusion magnetic resonance imaging of white-matter pathways to establish that the PNN is characterized by (1) a robust amygdala-cortical functional connectivity that dynamically evolves as prosodic interpretation progresses, (2) direct structural fiber connections between amygdala and STG/IFG traversing a ventral white-matter pathway, and (3) robust amygdala-insula functional connectivity and structural insula fiber projections to arcuate STG-IFG connections. These findings support a role for functional and structural amygdala-centric ventral pathways in combining speech features to form prosodic percepts. They also highlight insula contributions to prosodic comprehension, potentially via vertical integration of amygdala-centric ventral processing into dorsal pathways responsible for prosodic motor articulation and speech planning.

연구 동기 및 목표

• 감정적 억양 처리에서 편도체의 기능적 및 구조적 역할을 prosodic neural network(PNN) 내에서 명확히 하기.
• 편도체가 주요 억양 영역(STG 및 IFG)과 직접 연결되는 백질 경로의 존재 및 의의를 조사하기.
• 편도체를 통한 감정 처리와 말 운동 및 발성 체계를 통합하는 데 편도체가 수행하는 기여를 검토하기.
• 이전 연구에서 편도체의 억양 처리에 대한 기능에 대한 모순된 결과를 해결하기.

제안 방법

• 억양 이해 작업 중 편도체, 편도체, STG, IFG 간의 동적 기능적 연결성을 측정하기 위해 마그네틱 에너지 영상(메그)을 사용하였다.
• 편도체에서 STG 및 IFG로 향하는 후면 경로를 통해 연결되는 백질 구조적 경로를 지ap도형 MRI(dMRI)를 사용하여 매핑하였다.
• 시간에 따른 기능적 연결 패턴을 분석하여 편도체-피질 상호작용이 억양 해석 과정에서 어떻게 변화하는지 평가하였다.
• 편도체에서 아크류트 패치큘러스로 향하는 신경섬유 트랙을 매핑하여, 이는 후면 경로 구성 요소(STG-IFG 연결)와 연결됨을 확인하였다.
• 신경영상 데이터를 통합하여 전면 경로 통합 모델이 감정적 억양이 말 운동 체계에 어떻게 통합되는지 검증하였다.
• 고급 영상 처리 및 트랙토그래피 기법을 적용하여 고위부-피질 연결을 특정하고 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 억양 이해 과정에서 편도체가 동적으로 피질 영역과 연결성을 가지며, 이 연결성은 시간이 지남에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ2 편도체가 상부 시상 피질과 하부 전두엽 피질과 직접 연결되는 백질 경로가 존재하는가?
• RQ3 편도체를 통한 감정 처리와 말 발성에 대한 후면 경로 체계를 연결하는 데 편도체가 수행하는 역할은 무엇인가?
• RQ4 편도체, 편도체, 후면-전면 경로 핵심 영역 간의 기능적 및 구조적 연결이 억양 인식에 어떻게 기여하는가?
• RQ5 편도체가 감정적 억양을 운동 계획 네트워크에 통합하는 데 얼마나 수준 높은 수직 통합 기능을 수행하는가?

주요 결과

• 편도체는 억양 이해 과정에서 STG 및 IFG와 강력하고 시간에 따라 변화하는 기능적 연결성을 보이며, 이는 PNN 내에서의 동적 통합을 시사한다.
• 편도체에서 STG 및 IFG로 향하는 직접적인 구조적 섬유 트랙이 후면 백질 경로를 통해 확인되었으며, 감정적 억양 처리의 구조적 기반을 뒷받침한다.
• 편도체와의 강력한 기능적 연결성이 편도체에서 감정적 중요성 통합 기능을 수행할 수 있음을 시사한다.
• 편도체에서 아크류트 패치큘러스로 향하는 구조적 투사가 확인되어, 편도체 처리가 말 계획을 위한 후면 경로 체계와 연결됨을 입증하였다.
• 연구 결과는 편도체와 편도체가 감정적 억양을 후면 운동 및 발성 체계에 통합하는 전면 경로를 형성한다고 제안하는 모델을 지지한다.
• 이 연구는 이전 연구에서 관찰된 편도체 기능에 대한 모순된 결과를 해결하는 데 있어, 억양 처리에 있어서 이중 경로 통합 모델의 신경해부학적 및 기능적 증거를 제공한다.