[论文解读] Rhythmic production of consonant-vowel syllables synchronizes traveling waves in speech-processing brain regions

Joaquín Rapela|arXiv (Cornell University)|May 3, 2017

Neural dynamics and brain function参考文献 25被引用 3

一句话总结

本研究表明，人类在产生有节奏的辅音-元音音节（CVSs）时，会引致言语处理脑区中神经振荡器的精确相位同步，从而在电压和高伽马振幅中产生行进波（TWs）。通过颅内脑皮层电图（ECoG）记录，作者识别出两种反向传播的行进波——一种存在于低频电压振荡中，另一种存在于与CVS频率锁定的高伽马振幅中——这些波与CVS产生同步，揭示了言语中感觉运动整合的神经机制。

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.

研究动机与目标

• 研究有节奏的运动行为（如言语产生）是否能同步人类大脑中的神经振荡器。
• 确定此类同步是否会导致皮层活动中时空有序的行进波（TWs）的出现。
• 检查同步是否发生在CVS产生基频及其二次谐波上。
• 确定行进波传播的方向与性质，及其与言语运动和听觉处理区域的关系。
• 探索自我生成言语与皮层振荡动力学之间协调的神经机制。

提出的方法

• 从一名人类受试者获取了其进行有节奏辅音-元音音节（CVSs）产生时的脑皮层电图（ECoG）记录。
• 通过测量音节启动时间与带通滤波后ECoG电压中最近峰值之间的时间差，并归一化为弧度，计算CVS相位。
• 使用圆形统计方法计算相位锁定指数（PLI），以量化电极间同步的精确度，其中PLI定义为相位矢量的平均结果长度。
• 通过分析ECoG电极网格上同步相位的系统性空间进展，重建行进波（TW）模式。
• 分离出两种不同的行进波：一种存在于低频电压振荡中（滤波至CVS产生的中位频率），另一种存在于与CVS频率锁定的高伽马振幅中。
• 通过在电极上拟合相位梯度，确定行进波的方向，揭示了从运动前皮层到初级听觉皮层以及相反方向的反向传播波。

实验结果

研究问题

• RQ1 有节奏的运动行为（如言语产生）是否能同步人类皮层中的神经振荡器？
• RQ2 这种同步是否在言语相关脑区中表现为时空有序的行进波（TWs）？
• RQ3 同步是否同时出现在CVS产生的基频及其二次谐波上？
• RQ4 所诱导的行进波在言语运动和听觉处理区域之间的传播方向与模式是什么？
• RQ5 神经振荡的相位与振幅动力学如何相互作用，以支持言语过程中的感觉运动整合？

主要发现

• ECoG电极网格上各区域的神经振荡器在辅音-元音音节（CVSs）启动时实现了精确的相位锁定，同步过程持续约4分钟。
• 同步不仅发生在CVS产生的基频上，也出现在其二次谐波上，表明存在多时间尺度的锁相。
• CVS相位在电极间系统性变化，揭示了与行进波（TW）传播一致的空间进展。
• 在滤波至CVS产生中位频率的电压振荡中识别出第一种行进波，其从运动前皮层向初级听觉皮层传播。
• 在与CVS频率锁定的高伽马振幅中发现第二种行进波，其传播方向相反——从听觉皮层向运动前皮层传播。
• 这两种行进波在空间和时间上协调一致，表明存在一种双重机制，用于在言语过程中整合运动输出与感觉反馈。