[论文解读] Traveling waves appear and disappear in unison with produced speech

Joaquín Rapela|arXiv (Cornell University)|Jun 25, 2018

Neural dynamics and brain function参考文献 6被引用 5

一句话总结

本研究证明，人类皮层脑电图（ECoG）信号中的行进波（TWs）与言语产生行为密切相关：腹侧-背侧TWs在辅音-元音音节（CVSs）启动前出现，并在终止前消失，而背侧-腹侧TWs则在静默间隔期间出现。研究结果揭示了行进波动力学与言语运动行为之间精确的亚秒级同步，首次建立了清醒人类大脑中尺度行进波的直接行为相关性。

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.

研究动机与目标

• 调查人类皮层活动中行进波（TWs）是否与言语产生行为相关联。
• 确定TWs是否与辅音-元音音节（CVSs）的启动和终止同步出现与消失。
• 检查在音节间静默期间，TW方向性是否发生变化。
• 检验观察到的TW-CVS同步是否具有统计显著性，而非偶然发生。

提出的方法

• 从一名癫痫患者的大脑运动皮层区域获取了言语处理区域的脑电图（ECoG）记录。
• 通过电极与参考电极之间的相位差识别波事件（WEs），显著的线性关系表明存在TWs。
• 将连续波事件（CWEs）定义为在连续时间样本中不间断的WEs序列。
• 通过随机化CVS启动和终止时间（同时保持持续时间与音节间间隔不变）生成替代数据集。
• 使用置换检验评估TW-CVS对齐的统计显著性，将观察到的比例和时间差与替代数据中的结果进行比较。
• 利用公式 $ v = \frac{2\pi f}{k} $ 计算波速，其中 $ f $ 为频率，$ k $ 为通过相位-距离回归得出的波数。

实验结果

研究问题

• RQ1 人类皮层活动中的行进波是否与辅音-元音音节（CVSs）的产生同步出现与消失？
• RQ2 言语产生期间行进波是否存在方向偏好，且该偏好是否在静默期间发生变化？
• RQ3 观察到的TW与CVS之间的时间对齐是否具有统计显著性，还是可能由偶然造成？
• RQ4 腹侧-背侧TWs是否在CVS产生前出现并在终止前消失，而背侧-腹侧TWs是否在静默期间出现？
• RQ5 TW起始与终止时间相对于CVS产生的精确度是否显著优于随机预期？

主要发现

• 86% 的显著腹侧-背侧波事件发生在CVS产生前0.3秒内至其结束，该比例显著高于随机概率（p < 1e-4）。
• 90% 的显著背侧-腹侧波事件发生在CVS之间的静默间隔中，该比例显著不同于随机概率（p = 0.006）。
• 全部92个腹侧-背侧连续波事件（CWEs）均与CVS产生重叠，其中90%的起始与终止时间分别落在CVS起始与终止的±0.4秒内。
• CWE起始时间与CVS起始时间的平均差值为 -0.06 秒，显著小于随机预期（p = 0.0185），表明CWE在CVS之前启动。
• CWE与CVS起始及终止时间差值的方差为 0.03 秒²，显著小于随机预期（p < 1e-4），表明时间对齐极为精确。
• 行进波在静默期间发生方向反转，背侧-腹侧传播主要出现在音节间间隔，提示其在神经状态重置中起作用。