[논문 리뷰] Traveling waves appear and disappear in unison with produced speech

Joaquín Rapela|arXiv (Cornell University)|2018. 06. 25.

Neural dynamics and brain function참고 문헌 6인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 인간 뇌전기음성 신호(ECoG)에서의 진행파(TW)가 말 생산과 행동적으로 연관되어 있음을 보여준다: 후경- dorsal TW는 자음-모음 음절(CVS)의 시작 전에 나타나고 종료 전에 사라지며, 반대로 덱스-벨로 TW는 침묵 기간 동안 나타난다. 연구 결과는 진행파 역학과 말 운동 간 정밀한 밀리초 수준의 동기화를 드러내며, 각각 각각의 진행파가 각각의 음절 생산과 관련된 첫 번째 직접적인 행동적 연관성을 규명한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 인간 피각 활동에서 진행파(TW)가 말 생산과 행동적으로 연관되어 있는지 조사하기.
• TW가 자음-모음 음절(CVS)의 시작과 종료와 함께 발생하고 사라지는지 확인하기.
• 음절 간 침묵 기간 동안 TW 방향성이 변화하는지 검토하기.
• 관측된 TW-CVS 동기화가 통계적으로 유의미한지, 또는 우연의 결과인지 테스트하기.

제안 방법

• 전기뇌전도기록(ECoG) 데이터는 말 처리 영역(후경 운동 피각)에서 한 간질 환자로부터 확보되었다.
• 전극 간 위상 차이와 기준 전극을 사용하여 파동 사건(WE)을 식별하였으며, 선형 관계가 유의미한 경우 진행파로 간주하였다.
• 연속된 파동 사건(CWE)은 연속된 시간 샘플을 거쳐 지속되는 WEs의 연속적인 시퀀스로 정의되었다.
• 가짜 데이터셋은 CVS 시작 및 종료 시간을 무작위로 배치하면서도 지속시간과 음절 간 간격을 유지하여 생성되었다.
• 관측된 TW-CVS 정렬의 통계적 유의미성을 평가하기 위해 순열 테스트를 사용하였으며, 관측된 비율과 시간 차이를 가짜 데이터의 결과와 비교하였다.
• 파동 속도는 공식 $ v = \frac{2\pi f}{k} $ 를 사용하여 계산되었으며, 여기서 $ f $ 는 주파수이고 $ k $ 는 위상-거리 회귀에서 유도된 파동 수이다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 인간 피각 활동에서 진행파가 자음-모음 음절(CVS) 생산과 함께 나타나고 사라지는가?
• RQ2 말 생산 중 진행파에 방향성 선호가 있으며, 침묵 기간 동안 이 선호가 변화하는가?
• RQ3 관측된 TW와 CVS 간 시간적 정렬이 통계적으로 유의미한가, 아니면 우연의 결과인가?
• RQ4 후경- dorsal TW는 CVS 생산 이전에 나타나고 종료 이전에 사라지는가, 그리고 덱스-벨로 TW는 침묵 기간 동안 나타나는가?
• RQ5 TW의 시작 및 종료 시점이 CVS 생산에 대해 관측된 시간 정밀도가 우연보다 유의미하게 높은가?

주요 결과

• 유의미한 후경- dorsal 파동 사건의 86%가 CVS 생산의 시작 0.3초 이내에서 종료까지 발생하였으며, 이 비율은 우연일 경우보다 유의미하게 높았다(p < 1e-4).
• 유의미한 덱스-벨로 파동 사건의 90%가 CVS 간 침묵 기간 동안 발생하였으며, 이 비율은 우연과 유의미하게 다름(p = 0.006).
• 모든 92개의 후경- dorsal 연속 파동 사건(CWE)이 CVS 생산과 겹쳤으며, 그 시작 및 종료 시간의 90%가 각각 CVS 시작 및 종료로부터 ±0.4초 이내에 위치하였다.
• CWE 시작과 CVS 시작 간 평균 차이는 -0.06초였으며, 이는 우연보다 유의미하게 작았고(p = 0.0185), 즉 CWE가 CVS 이전에 시작됨을 시사한다.
• CWE와 CVS 시작 및 종료 간 시간 차이의 분산은 0.03 sec²였으며, 이는 우연보다 유의미하게 작았고(p < 1e-4), 정밀한 시간 정렬을 나타낸다.
• 침묵 기간 동안 진행파의 방향이 반전되었으며, 덱스-벨로 전파가 주로 음절 간 간격에서 관찰되어 신경 상태 초기화에 기여할 가능성이 있음.