[논문 리뷰] Rhythmic production of consonant-vowel syllables synchronizes traveling waves in speech-processing brain regions

Joaquín Rapela|arXiv (Cornell University)|2017. 05. 03.

Neural dynamics and brain function참고 문헌 25인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 인간의 말소리 처리 뇌 영역 간 신경 진동기의 정밀한 단계 동기화를 유도하는 조음-모음 음절(CVSs)의 리듬적 생성이 전압과 고주파 대역의 진폭에서 진행파(TW)의 출현을 이끌어낸다는 것을 보여준다. 뇌내 전기성 촬영(ECoG)을 통해 저주파 전압 진동에서와 고주파 대역 진폭에서 각각 다른 방향으로 진행되는 두 개의 반대 방향 전파 전파파(TW)가 CVS 생성과 동기화됨을 규명하였으며, 이는 말의 신경운동 통합 메커니즘을 밝혀낸다.

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.

연구 동기 및 목표

• 리듬적인 운동 행동, 예를 들어 말 발화가 인간 대뇌의 신경 진동기들을 동기화시킬 수 있는지 조사하기 위해.
• 그러한 동기화가 피질 활동에서 시공간적으로 조직화된 전파파(TW)의 출현으로 이어지는지 확인하기 위해.
• 동기화가 CVS 생성의 기본 주파수와 그 2차 고조파에서 관찰되는지 확인하기 위해.
• 말 운동 및 청각 처리 영역와 관련된 전파파의 전파 방향과 성격을 규명하기 위해.
• 자신이 생성한 말과 피질 진동성 동역학 간의 조율을 뒷받침하는 신경 기제를 탐색하기 위해.

제안 방법

• 리듬적인 조음-모음 음절(CVSs)의 발화를 수행하는 한 명의 인간 피험자로부터 전기성 촬영(ECoG) 기록을 확보하였다.
• CVS 단계는 음절 시작 시점과 밴드패스 필터링된 ECoG 전압에서 가장 가까운 피크 사이의 시간 차이를 측정하여 라디안 단위로 정규화하여 계산하였다.
• 원형 통계를 사용하여 전극 간 동기화 정밀도를 측정하기 위해 단일화 지수(PLI)를 계산하였으며, PLI 는 단일화된 단위 벡터의 평균 길이로 정의되었다.
• ECoG 격자에서 동기화된 단계의 체계적인 공간적 진행을 분석하여 전파파(TW) 패턴을 재구성하였다.
• 두 개의 별개의 전파파를 식별하였다: 하나는 중앙 CVS 주파수에서 필터링된 저주파 전압 진동에서, 다른 하나는 CVS 주파수에 동기화된 고주파 대역 진폭에서 발생하였다.
• 전극 간 단계 기울기를 피팅하여 전파파의 방향성을 규명하였으며, 이는 보조 운동 피질에서 청각 피질으로, 그리고 그 반대 방향으로 상호 반대 방향으로 전파되는 전파파를 드러내었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 리듬적인 운동 행동, 예를 들어 말 발화는 인간 대뇌의 신경 진동기를 동기화시킬 수 있는가?
• RQ2 그러한 동기화는 말 관련 뇌 영역에서 시공간적으로 조직화된 전파파(TW)로 나타나는가?
• RQ3 관찰된 동기화는 CVS 생성의 기본 주파수와 그 2차 고조파에서 모두 발생하는가?
• RQ4 유도된 전파파의 전파 방향과 전파 패턴은 말 운동 및 청각 처리 영역와 어떻게 관련되는가?
• RQ5 신경 진동의 위상과 진폭 동역학은 말 발화 중 감각운동 통합을 지원하기 위해 어떻게 상호작용하는가?

주요 결과

• ECoG 격자 전역의 신경 진동기들이 약 4분 동안 진행되는 동안 조음-모음 음절(CVSs)의 시작에 정밀하게 단일화되었다.
• 동기화는 기본 CVS 생성 주파수 외에도 그 2차 고조파에서도 관찰되어 다중 시간 척도의 유인 효과를 나타냈다.
• 전극 간 CVS 단계의 체계적인 변화는 전파파(TW) 전파와 일치하는 일관된 공간적 진행을 보였다.
• 첫 번째 전파파는 중앙 CVS 생성 주파수에서 필터링된 전압 진동에서 식별되었으며, 보조 운동 피질에서 청각 피질으로 전파되었다.
• 두 번째 전파파는 CVS 주파수에 동기화된 고주파 대역 진폭에서 발견되었으며, 반대 방향—청각 피질에서 보조 운동 피질으로 전파되었다.
• 두 전파파는 공간적·시간적으로 조율되어 있었으며, 말 발화 중 운동 출력과 감각 피드백을 통합하는 이중 메커니즘을 시사하였다.