[论文解读] Amygdala and insula contributions to dorsal-ventral pathway integration in the prosodic neural network

David I. Leitman, Chris J. Edgar+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 5, 2016

Phonetics and Phonology Research参考文献 23被引用 3

一句话总结

本研究证明，杏仁核与岛叶在语音神经网络中对背侧（言语运动/发音）与腹侧（情感语调感知）通路的整合起着关键作用。通过磁脑图与扩散磁共振成像，研究揭示了杏仁核-皮层之间的动态功能连接，杏仁核经腹侧路径直接投射至颞上回/额下回的结构通路，以及杏仁核-岛叶之间牢固的功能与结构连接，这些连接可能将情感语调整合进言语规划系统。

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.

研究动机与目标

• 阐明杏仁核在语音神经网络（PNN）中处理情感语调的功能与结构角色。
• 探究杏仁核与关键语音区域（STG与IFG）之间直接白质通路的存在性及其意义。
• 考察岛叶在将杏仁核介导的情感处理与言语运动及发音系统整合于语音理解中的作用。
• 解决先前实证研究中关于杏仁核在语音处理中作用的不一致性。

提出的方法

• 采用磁脑图（MEG）测量在语音理解任务中，杏仁核、岛叶、STG与IFG之间动态的功能连接。
• 使用扩散磁共振成像（dMRI）绘制通过腹侧路径连接杏仁核至STG与IFG的白质结构通路。
• 分析随时间演变的功能连接模式，评估杏仁核-皮层相互作用在语音解释过程中的动态变化。
• 绘制岛叶至弓状束的结构纤维投射，将其与背侧通路组分（STG-IFG连接）相联系。
• 整合神经影像数据，检验关于情感语调通过腹侧通路整合进言语运动系统的假设。
• 应用先进的图像处理与纤维束成像技术，识别并验证皮层下-皮层连接。

实验结果

研究问题

• RQ1 在语音理解过程中，杏仁核是否表现出与皮层区域的动态功能连接？其随时间的演变模式如何？
• RQ2 是否存在直接连接杏仁核与颞上回及额下回的白质结构通路？
• RQ3 岛叶在将杏仁核介导的情感处理与言语发音的背侧通路系统相联系中起何种作用？
• RQ4 杏仁核、岛叶与背侧-腹侧通路枢纽之间的功能与结构连接如何支持语音感知？
• RQ5 岛叶在在多大程度上作为情感语调整合进运动规划网络的垂直整合器？

主要发现

• 在语音解释过程中，杏仁核与STG及IFG表现出强烈且随时间演变的功能连接，表明其动态整合进PNN。
• 通过腹侧白质通路，明确识别出连接杏仁核与STG及IFG的直接结构纤维投射，为情感语调处理提供了结构基础。
• 岛叶与杏仁核表现出强烈的功能连接，提示其在情感显著性整合中的作用。
• 确认了岛叶向弓状束的结构投射，将岛叶处理与言语规划的背侧通路系统相联系。
• 研究结果支持一种模型：杏仁核与岛叶构成腹侧通路，将情感语调整合进背侧运动与发音系统。
• 本研究为语音处理中的双通路整合模型提供了神经解剖学与功能证据，解决了先前关于杏仁核功能的不一致发现。