MEG были отфильтрованы нижними частотами при 40 Гц перед дальнейшим анализом. Активированные области были смоделированы как эквивалентные диполи тока (ECD), которые представляют среднее местоположение, направление и силу тока, протекающего в данном кортикальном пятне (Hämäläinen et al. , 1993). ECD были определены с помощью стандартных наборов 46 планарных градиометров (= 23 пары), которые покрывали 100 мс звукового поля в каждом полушарии.Сферическая оценка использовалась для описания профиля проводимости мозга. Модель сферы была адаптирована для оптимального описания кривизны височных областей с использованием индивидуальных анатомических МР-изображений, когда они были доступны (восемь контрольных субъектов и четыре пациента с дислексией), или сферической модели, которая представляла собой среднее значение индивидуальных параметров всех наших субъектов с МРТ, рассчитываемые отдельно для мужчин и женщин.

У каждого испытуемого сначала определяли ДРВП отдельно для каждого стимула.Степень согласия полученных двухдипольных моделей (по одному диполю в каждом полушарии) варьировалась от 85 до 95% для разных испытуемых и разных стимулов. Внутри каждого испытуемого расположение источников варьировалось в среднем на 1 см, а направление тока на 25 ° по разным стимулам в обоих полушариях. Близкое сходство ECD, обнаруженное в различных условиях стимула, позволило улучшить отношение сигнал / шум путем формирования среднего значения ответов на все стимулы у каждого испытуемого (четыре категории стимулов: две гласные и два слога; три стимула. типы: тон, сложный звук, звук речи; всего 1090–1354 попытки).Затем смоделированные в этом усредненном наборе данных ЭКД левого и правого полушария использовались для учета сигналов МЭГ, записанных для каждого стимула. Расположение и ориентация двух ECD оставались фиксированными, в то время как их амплитуда могла изменяться для лучшего объяснения сигналов, регистрируемых всеми датчиками в течение всего интервала усреднения. Эта общая двухдипольная модель учитывала сигналы МЭГ в каждом условии стимула в равной степени, как и двухдипольные модели, которые были найдены отдельно для каждого условия стимула (степень согласия варьировалась от 83 до 94%).Использование общего набора из двух ECD для всех условий у каждого отдельного субъекта позволило напрямую сравнить временное поведение активации в этих корковых областях (исходные формы волн) по всем стимулам.

Статистические тесты

Дисперсионный анализ с повторными измерениями (ANOVA) с категорией стимула (/ a /, / u /, / pa /, / ka /), типом стимула (речевой звук, сложный неречевой звук, простой тон) и полушарием (слева, справа), поскольку факторы внутри субъектов использовались для оценки систематических эффектов силы и латентности активации в каждой популяции субъектов.Расположение источников тестировалось отдельно для каждого пространственного измерения ( x = аксиальная плоскость от левого уха до правого уха, y = аксиальная плоскость, ортогональная x , по направлению к назиону, z = сагиттальная плоскость от нижнего до нижнего уха). Superior), а также были проверены направления тока. Для сравнения групп использовали смешанную модель ANOVA с группой (контроль, дислексики) в качестве фактора между субъектами.

Для поведенческих тестов время реакции и количество ошибок между группами испытуемых анализировались с помощью теста Стьюдента t .Чтобы проверить корреляцию между фонологическими способностями и корковыми показателями, мы рассчитали коэффициент корреляции Пирсона.

Результаты

Результаты нейровизуализации у нормально читающих субъектов

На рисунке 2 показаны примеры сигналов MEG, записанных у одного испытуемого. Ответы на разные типы звуков (речевой звук, сложный неречевой звук и простой тон) представлены на датчиках МЭГ, которые показали максимальную амплитуду над левой и правой слуховой корой.На рисунке 3 показано групповое среднее расположение эквивалентных диполей тока, которые наилучшим образом представляли активированные области коры головного мозга у каждого субъекта, наложенное на МРТ-изображение, усредненное по контрольным субъектам (Schormann et al., 1996; Woods et al., 1998a, 1998b). . В некоторых случаях диполи были обнаружены в извилине Гешля, но в основном они были локализованы в борозде Гешля или заднебоковой к ней.

Рис. 2.

MEG-ответы, вызванные звуком речи / a /, сложным звуковым эквивалентом / a / и простым тоновым эквивалентом / a / (черная, серая и пунктирная линия, соответственно), зарегистрированные двумя выбранными датчиками над левая и правая височная кора у одного испытуемого.

Рисунок 2.

MEG-ответы, вызванные звуком речи / a /, сложным звуковым эквивалентом / a / и простым тоновым эквивалентом / a / (черная, серая и пунктирная линия соответственно), зарегистрированные двумя выбранными датчиками над левой и правой височной корой у одного испытуемого.

Рис. 3.

Среднее местоположение ответа на 100 метров в левом и правом полушарии, а также среднее время активации для речевого звука / па / (черная линия), его сложного неречевого эквивалента (серая линия) и простого тонового эквивалента. (пунктир).Сильвиева трещина выделена на МРТ.

Рис. 3.

Среднее местоположение ответа N100m в левом и правом полушарии и среднее время активации для речевого звука / па / (черная линия), его сложного неречевого эквивалента (серая линия) и простого тона. эквивалент (пунктирная линия). Сильвиева трещина выделена на МРТ.

Среднее время активации (рис. 3) было качественно одинаковым для всех категорий стимулов (/ a /, / u /, / pa /, / ka /) и всех типов стимулов (речевой звук, сложный звук, простой тон). ).После небольшого отрицательного падения сигнал начал увеличиваться через ~ 50 мс после начала стимула, достиг максимума через ~ 100 мс (N100m) и оставался на довольно низком уровне через ~ 200 мс. Источники в правом полушарии располагались в среднем на 6 мм впереди источников в левом полушарии [ F (1,9) = 6,1, P <0,05], что согласуется с предыдущими отчетами (например, Elberling et al. ). , 1982; Каукоранта, и др., , 1987). Систематических различий в расположении источников между разными категориями (/ a /, / u /, / pa /, / ka /) не было.Небольшие различия в расположении и ориентации возникали между разными типами стимулов (речь, сложные неречевые звуки и простые тона), но в абсолютном выражении они были пренебрежимо малыми: 1–3 мм в среднем положении и 2–7 градусов в средней ориентации.

Сила отклика 100м

Сила ответа N100m (таблица 1 и рис. 4 a ) варьировалась в зависимости от типа стимула в левом полушарии, но не в правом полушарии [тип стимула, F (2,18) = 10.2, P <0,001; и тип стимула для каждого полушария: взаимодействие F (2,18) = 13,4, P <0,001]. В левом полушарии ответы на звуки речи были сильнее, чем на сложные неречевые звуки и простые тона [ F (2,18) = 14,7, P <0,001]. Влияние типа стимула было значимым для всех категорий стимулов (a: P <0,001, u: P <0,001, pa: P <0,01, ka: P <0.001).

Рис. 4.

Средняя (+ SEM) сила активации N100m для контрольной ( a ) и дислексической группы ( b ). Ответы в контралатеральном левом полушарии показаны слева, а в ипсилатеральном правом полушарии – справа. Звуки речи, сложные неречевые звуки и простые тона представлены черными, серыми и белыми полосами соответственно. Пунктирная линия представляет собой среднюю амплитуду активации по всем звукам в левом полушарии контрольных субъектов.

Рис. 4.

Средняя (+ SEM) сила активации N100m для контрольной ( a ) и дислексической группы ( b ). Ответы в контралатеральном левом полушарии показаны слева, а в ипсилатеральном правом полушарии – справа. Звуки речи, сложные неречевые звуки и простые тона представлены черными, серыми и белыми полосами соответственно. Пунктирная линия представляет собой среднюю амплитуду активации по всем звукам в левом полушарии контрольных субъектов.

Сила и латентность источника N100m в левом и правом полушарии у контрольных (Cont) и дислексических (Dys) субъектов для звуков речи, сложных неречевых звуков и простых тонов (среднее ± SEM)

Сила и время ожидания источника N100m в левом t и правое полушарие у контрольных (Cont) и лиц с дислексией (Dys) для звуков речи, сложных неречевых звуков и простых тонов (среднее ± SEM)

Когда стимулами были звуки речи, сила ответа N100m nse было одинаковым для всех категорий стимулов (/ a /, / u /, / pa /, / ka /).Однако для сложных и простых неречевых звуков наблюдалось значительное изменение силы N100m в зависимости от категории стимула в обоих полушариях [категория стимула, F (3,27) = 4,3, P <0,05; взаимодействие типа за категорией стимула, F (6,54) = 2,4, P <0,05; только звуки речи, F (3,27) = 1,8, P = 0,2; только сложные звуки, F (27,3) = 5,0, P <0,01; только тоны синусоидальной волны, F (3,27) = 4.4, P <0,05].

Время ответа N100m

Начальная латентность (момент времени, когда сигнал пересекает уровень стандартного отклонения базовой линии пресимула) не показывает систематических изменений в зависимости от типа звука. Однако нарастание ответа N100m в левом и правом полушарии различает речевые и неречевые звуки (рис. 5). Для речевых звуков восходящий наклон ответа N100m (увеличение амплитуды в зависимости от времени) был круче в левом, чем в правом полушарии, но для неречевых звуков не было значительной разницы между двумя полушариями [взаимодействие типа стимула по полушарию , F (2,18) = 4.2, P <0,05; эффект полушария для звуков речи F (1,9) = 7,8, P <0,05, сложных звуков F (1,9) = 2,8, P = 0,1 и синусоидальных тонов F (1,9) = 2,5, P = 0,2)].

Рис. 5.

Схематическое изображение нарастания реакции N100m (от начала до пика) на речевой звук (вверху), сложный неречевой звук (в центре) и простой тон (внизу) слева (жирные линии) ) и правое (тонкие линии) полушария контрольных (слева) и лиц с дислексией (справа).Данные показаны для звуковой категории / a /.

Рисунок 5.

Схематическое изображение нарастания реакции N100m (от начала до пика) на речевой звук (вверху), сложный неречевой звук (посередине) и простой тон (внизу) слева (толстый линии) и правое (тонкие линии) полушария контрольных (слева) и дислексических субъектов (справа). Данные показаны для звуковой категории / a /.

Ответ N100m достиг максимума в среднем на 2–5 мс позже для речи, чем сложные неречевые звуки, и на 7–9 мс позже, чем для тонов [ F (2,18) = 4.8, P <0,05], аналогично в обоих полушариях. Ответы на все звуки достигли максимума раньше в контралатеральном левом полушарии (96 ± 11 мс, среднее ± SEM), чем в ипсилатеральном правом полушарии (108 ± 9 мс) [ F (1,9) = 52.0, P <0,001], что согласуется с предыдущими сообщениями о монофонической слуховой стимуляции (например, Elberling et al. , 1982; Mäkelä et al. , 1993; см. Таблицу 1).

Эффект стимуляции уха был впоследствии протестирован на 7 из 10 субъектов, участвовавших в первоначальном исследовании.Стимулы, подаваемые в левое ухо (/ a / и / pa / и их неречевые эквиваленты), вызывали такой же паттерн активации, как и стимулы, подаваемые в правое ухо (рис. 6). В левом полушарии активация речи была сильнее, чем сложные и простые неречевые звуки, но в правом полушарии не было обнаружено общего эффекта уровня стимула [эффект уровня, F (2,12) = 9,3, P <0,01 ; межполушарное взаимодействие, F (2,12) = 5,0, P <0.05]. Таким образом, на чувствительность силы N100m в разных полушариях к речевым и неречевым звукам изменение стимулированного уха не влияло.

Рис. 6.

Средняя (+ SEM) сила активации N100m в левом и правом полушариях для стимуляции левого уха звуками речи, сложными неречевыми звуками и простыми тонами (черные, серые и белые полосы соответственно).

Рис. 6.

Средняя (+ SEM) сила активации N100m в левом и правом полушариях для стимуляции левого уха звуками речи, сложными неречевыми звуками и простыми тонами (черные, серые и белые полосы соответственно) .

Результаты нейровизуализации у субъектов с дислексией и контрольной группы

Систематических групповых различий в расположении активированных участков не обнаружено. Как и в контроле, расположение источника незначительно зависело от типа стимула (1–3 мм между речевым и неречевым состояниями).

Сравнение силы N100 м в двух группах испытуемых

Сила источника N100m не показала ни основного эффекта группы субъектов, ни значимых взаимодействий.Таким образом, как и в контрольной группе, у субъектов с дислексией сила N100m различала речевые и неречевые звуки в левом полушарии [ F (2,18) = 8,2, P <0,01], но не в правом полушарии [ F (2,18) = 1,5, P = 0,2] (рис. 4 b ). Однако в правом полушарии наблюдалась тенденция к более слабой активации у дислексиков, чем у контрольных субъектов [эффект группы в правом полушарии F (1,18) = 3.6, P = 0,08]. В отдельном ANOVA для субъектов с дислексией сила N100m значительно различалась между полушариями [слева 53 ± 7 нАм, справа 40 ± 4 нАм, F (1,9) = 5,5, P <0,05], в то время как в у контрольных субъектов общий уровень активации между полушариями был очень похож [левый 54 ± 7 нАм, правый 55 ± 7 нАм, F (1,9) = 0,01, P = 0,9].

Сравнение времени N100m в двух группах испытуемых

Построение ответа N100m показало тонкий эффект группы субъектов для звуков речи, но не для звуков, не относящихся к речи [эффект группы для звуков речи, F (1,18) = 4.9, P <0,05; сложные неречевые звуки, F (1,18) = 0,9, P = 0,3; тона синусоидальной волны, F (1,18) = 1,9, P = 0,2]. Было обнаружено, что N100m для звуков речи повышается более постепенно у лиц с дислексией, чем у контрольных субъектов, аналогично в обоих полушариях.

Пиковая латентность ответа N100m (таблица 1) показала значимое межполушарное взаимодействие [ F (1,18) = 5,4, P <0,05]. В отдельном анализе для каждого полушария пиковая латентность в левом полушарии имела тенденцию быть дольше у лиц с дислексией, чем у контрольных субъектов, но эта разница только приближалась к значимости [ F (1,18) = 3.0, P = 0,1]. В правом полушарии группы показали очень похожее время активации [ F (1,18) = 0,007, P = 0,9]. Когда испытуемых с дислексией тестировали отдельно, типичный образец более ранней реакции в контралатеральном левом, чем в ипсилатеральном правом полушарии, обнаруженный в контрольной группе, не был очевиден (слева 104 ± 5 ​​мс, справа 108 ± 5 мс) (см. Рис. 5). Тем не менее, реакция на простые тона достигала максимума первой, а реакция на звуки речи последней, аналогично в обоих полушариях, как и в контрольной группе [основной эффект типа стимула F (2,18) = 7.1, P <0,01].

Поведенческие результаты и корреляция с ответами на МЭГ у лиц с дислексией по сравнению с контрольными субъектами

Все испытуемые с дислексией обладали нормальным интеллектом, как было определено с помощью общих лингвистических и нелингвистических когнитивных тестов (WAIS-R, WMS-R) (Таблица 2). Субъекты с дислексией были значительно медленнее, чем контрольная группа с нормальным чтением, в тесте орального чтения [средняя разница 59 слов, t (46) = 5,8, P <0,001] и тестах Rapid Naming [средняя разница в RAS 9 с, t (46) = −5.0, P <0,001; и в RAN 5 с t (23) = -2,5, P <0,05]. Контрольные субъекты в настоящем исследовании (7 из 10 протестированных) не отличались от более крупного нормативного набора данных ни в устном чтении [ t (35) = -0,7, P = 0,5], либо в Rapid Naming [RAS, t (35) = 1,1, P = 0,3; РАН, t (12) = 1,3, P = 0,2]. В более специфических фонологических тестах испытуемые с дислексией были значительно медленнее и более подвержены ошибкам, чем контрольные испытуемые.Время реакции у лиц с дислексией было больше, чем у контрольных субъектов в тесте на удаление фонемы, предъявляемом на слух [разница в среднем 3,7 с, t (15) = -4,6, P <0,001] и тесте на обращение слогов [ разница в среднем 5,4 с, t (15) = −4,8, P <0,001]. Субъекты с дислексией также совершали значительно больше ошибок при удалении фонемы [ t (15) = 2,5, P <0,05], обращении слога [ t (15) = 2.3, P <0,05] и тесты правописания [ t (15) = -2,9, P <0,05], чем у контрольных субъектов.

Результаты поведенческих тестов

Результаты поведенческих тестов

Чтобы проверить корреляцию между реакциями мозга и поведенческими показателями, баллы для каждого теста были стандартизован до z – баллов (т.е.е. индивидуальный балл минус средний балл по всем предметам, разделенный на стандартное отклонение). Мы не обнаружили существенной корреляции между фонологическими возможностями и силой N100m или пиковой задержкой. Мы также проверили фонологические показатели по сравнению с разницей латентности пиков N100m между полушариями (рис.7 a ) и соотношением сил активации N100m (рис.7 b ), поскольку результаты MEG предполагали, что это должно быть более значимые корковые измерения. У контрольных субъектов лучшие фонологические навыки были связаны с более короткой задержкой ипси-контра в задержке ответа N100m ( r = -0.8, P <0,05). У пациентов с дислексией значимой корреляции не было ( r = -0,5, P = 0,1). Не было обнаружено значимых корреляций между фонологическими оценками и соотношением силы левой и правой N100m.

Рис. 7.

Разница в латентности на 100 м ( a ) и соотношение сил активации ( b ) между полушариями в контрольной группе и субъектами с дислексией (белые и черные сферы, соответственно), построенные в зависимости от поведенческих характеристик (нормализованное среднее значение). более шести фонологических тестов).Линии регрессии показаны для значимых корреляций.

Рис. 7.

Разница в латентности N100m ( a ) и соотношение сил активации ( b ) между полушариями в контрольной группе и субъектами с дислексией (белые и черные сферы, соответственно) в зависимости от поведенческих характеристик (нормализованные в среднем по шести фонологическим тестам). Линии регрессии показаны для значимых корреляций.

Обсуждение

N100m Отражает анализ речи у нормально читающих субъектов

Самый быстрый отклик N100m на простые тональные сигналы.Пиковая задержка систематически задерживалась до сложных звуков и, более того, до звуков речи, одинаково в обоих полушариях. Однако сила активации N100m показала интересную полушарную специализацию. Речевые ответы были сильнее, чем неречевые звуки в левой слуховой коре, но не в правой слуховой коре, независимо от стимулированного уха. Таким образом, в то время как оба полушария участвовали в анализе всех типов звуков, относительный вклад левой слуховой коры увеличивался, когда стимулами были звуки речи.

Настоящие результаты согласуются и расширяют более ранние отчеты об обработке речи / неречевой обработки и N100m, которые показали более высокую амплитуду для гласных, чем фортепианные ноты или тоны (Gootjes et al. , 1999), более длительные задержки для гласных, чем для тонов (Eulitz et al., , 1995; Tiitinen et al., , 1999) или сдвиг влево полушарного баланса для естественных гласных по сравнению со сложными тонами (Vihla and Salmelin, 2003). Используя тщательно подобранные с акустической точки зрения звуки речи и неречевые звуки, мы демонстрируем, что эти эффекты, вероятно, связаны друг с другом.Увеличение амплитуды при анализе звуков речи передается в левое полушарие, что приводит к смещению активации влево при прослушивании звуков речи. Увеличение задержки звуков речи происходит с обеих сторон. Мы также показываем, что на сдвиг активации влево не оказывает заметного влияния акустическая структура речевых стимулов (гласные, слоги CV).

Можно представить нарастание ответа N100m как сигнатуру процесса, в котором все большее количество слуховых корковых нейронов запускается синхронно.При постоянной скорости рекрутирования нейронов задержка пика задержки будет связана с более сильной активацией пика. Комбинированное увеличение пиковой задержки и силы N100 м для речи по сравнению со сложными и простыми неречевыми звуками в левом полушарии, безусловно, можно интерпретировать таким образом. С другой стороны, правополушарный эффект увеличения пиковой задержки без сопутствующих изменений силы активации предполагает более медленную скорость рекрутирования нейронов или менее синхронную активацию популяций нейронов для увеличения сложности звука.

Интересно, что восходящий наклон ответа N100m был значительно круче в левом полушарии, чем в правом полушарии для звуков речи, но более сходным в двух полушариях для звуков, не относящихся к речи. Это наблюдение говорит о качественном различии анализа речевых и неречевых звуков в левой слуховой коре на 100 мс. Таким образом, кажется, что помимо акустической обработки как таковой , на которую может влиять изменение спектрального состава или временной структуры звуков, отклик N100m также может отражать специфичную для речи обработку.

На клеточном уровне специфичность речи может означать, что нейроны, генерирующие ответ, предпочитают звуки, которые образуют фонетически (лингвистически) релевантные комбинации акустических характеристик. С акустической точки зрения звуки речи не обладают каким-либо единственным уникальным свойством, отличным от неречевых звуков, а скорее представляют собой определенные (уникальные) комбинации различных свойств (Stevens, 1980). Хотя имеется много информации о том, как фонетически важные особенности кодируются в ядре улитки и слуховом нерве (см. E.грамм. Delgutte, 1999), комбинации характеристик звуков речи, которые имеют решающее значение для анализа на корковом уровне, определены менее четко. Настоящее исследование предполагает, что простого сочетания частот формант недостаточно, поскольку ответ N100m отличался от ответа, вызываемого простыми звуками речи.

«Комбинированно-чувствительные» нейроны, первоначально предложенные Suga et al. (1978) в исследовании слуховой системы эхолокационных летучих мышей, были исследованы на ряде видов животных, а недавно и на нечеловеческих приматах (Rauschecker et al., 1995). У макак нейроны, расположенные кзади от первичной слуховой коры левого полушария (примерно соответствующие местоположению наших исходных областей N100m), лучше реагировали на сложные звуки, например видоспецифичные звуки, а не простые звуки (Rauschecker et al. , 1995). Предполагается, что такое предпочтение является результатом нелинейного суммирования входов от более узко настроенных нейронов в первичной слуховой коре (Rauschecker et al. , 1995; Rauschecker, 1998).

Некоторая степень соответствия между нечеловеческими приматами и людьми подтверждается тем наблюдением, что повышенная сложность стимула (полосовой шум по сравнению с чистыми тонами) приводит к аналогичному усилению активации у людей в соответствующих областях позади первичной слуховой коры (Wessinger et al. др. , 2001). Однако, поскольку фонетика человеческой речи не может быть напрямую сопоставлена ​​со звуками общения животных, а также неизвестно, использует ли анализ звуков речи те же вычисления, что и другие сложные звуки, эти наблюдения нельзя однозначно связать с восприятием речи человеком.

В последние годы многое было изучено о функциональной анатомии слуховой обработки сложных звуков у людей, но подробная информация о нейронных процессах все еще остается в значительной степени неустановленной. На анатомическом уровне известно, что первичная слуховая кора, расположенная в извилине Гешля, окружена непервичными слуховыми областями спереди, сбоку и сзади (для обзора см. Hall et al. , 2003). С помощью методов визуализации, чувствительных ко времени, было показано, что к 100 мс активация в основном генерируется в непервичных слуховых областях кзади и латеральнее первичной слуховой коры, в височной плоскости (PT) (Liegeois-Chavel et al., 1994; Lütkenhöner and Steinstrater, 1998).

Некоторые гемодинамические исследования обработки речи и неречевой информации предполагают лингвистически специализированную роль PT и окружающей коры головного мозга (Zatorre et al. , 1992; Benson et al. , 2001; Vouloumanos et al. , 2001 ), в то время как другие исследования рассматривают его как часть базовой сети акустического анализа и, следовательно, актуальную для обработки как речи, так и неречевых звуков (Binder et al. , 1996, 2000).В соответствии с последней точкой зрения, реакция N100 генерируется на любое резкое изменение слуховой среды (Hari, 1990). Здесь мы обнаружили сильный ответ N100m как на речевые, так и на неречевые звуки, который показал небольшую, но значительную модуляцию речевым содержанием стимула. Принимая во внимание инерцию измерений кровотока, зависимые от стимулов вариации временных нейронных ответов, таких как N100m, вполне могут остаться незамеченными при ПЭТ или фМРТ. Различные временные окна, доступные с помощью различных методов визуализации, могут иметь значительное влияние на то, какая часть сети будет обнаружена.Наши результаты МЭГ показывают, что через 100 мс после появления стимула активация PT и прилегающей слуховой коры отражает акустический, но также и речевой анализ.

Какова точная природа связи между специфическими свойствами речи в звуке и возбуждением нейронов, еще предстоит выяснить. Основываясь на своих психоакустических экспериментах, Kuhl (2000) предположил, что статистические свойства входного слухового сигнала формируют систему обработки слуха в младенчестве для улучшения восприятия языка.Эта точка зрения предполагает, что какими бы ни были сочетания критических характеристик в речи, опыт играет важную роль в создании чувствительности к речи.

Применение акустического и речевого анализа при дислексии

Паттерн дифференциации речи и неречевой дифференциации у контрольных субъектов был воспроизведен в группе с дислексией. Однако групповые различия проявились в межполушарном времени ответа N100m и в общем балансе силы активации N100m, аналогично для речи и неречевых звуков.В контроле ответ был раньше в левом (контралатеральном), чем в правом (ипсилатеральном) полушарии, но у лиц с дислексией ответ левого полушария был задержан, и N100m достигло максимума одновременно в левом и правом полушариях. Кроме того, ответы правого полушария были слабее, чем ответы левого полушария, тогда как в контрольной группе общий уровень активации был одинаковым во всех двух полушариях.

Необычные временные и амплитудные эффекты могут отражать отдельные процессы, но их также можно легко понять как компоненты единого процесса.Поскольку предполагается, что активация контралатеральной слуховой коры модулирует ипсилатеральную слуховую кору через мозолистые связи (Mäkelä and Hari, 1992; Oe et al. , 2002), задержка ответа N100m левого полушария может снизить силу правое полушарие N100m. Это привело бы к комбинации эффектов времени и амплитуды, наблюдаемых у наших пациентов с дислексией. Почему у людей с дислексией задерживается ответ левого полушария N100m? Обычно контр- и ипсилатеральные ответы N100m в левом полушарии систематически медленнее, чем в правом полушарии для простых тонов (Salmelin et al., 1999). Более длительное время обработки в левом полушарии может быть связано с более сильными связями между извилиной Гешля (первичной слуховой корой) и прилегающей к ней PT в левом, чем в правом полушарии (Penhune et al. , 1996). Любые нарушения в этом взаимодействии могут вызвать задержку нарастания ответа N100m. Интересно, что аномалии развития левого PT (или левого против правого PT) и перисильвиевой области были предложены при вскрытии (например,Galaburda et al. , 1985; обзор см. в Galaburda, 1993), анатомической МРТ (например, Hynd и др. , 1990; Леонард и др. , 1993) и исследованиях на животных (обзор см. в Galaburda, 1994), которые могут повлиять на взаимодействие извилины Гешля с ПТ и, далее, ответ N100m на слуховые стимулы. Однако важно отметить, что взаимосвязь между аномалиями височной плоскости и дислексией может быть более сложной, например, разной. с предпочтением рук и общими речевыми способностями (см. e.грамм. Рамси и др. , 1997; Экерт и Леонард, 2000).

Настоящие данные предполагают изменения в общей слуховой обработке при дислексии во временном окне, когда извлекается специфическая для речи информация и в процесс вовлекается (левый) PT. Поскольку стимулы поступали только в правое ухо, мы должны проявлять осторожность в отношении полушарной специфичности эффекта. В исследовании повторения слов с помощью ПЭТ McCrory et al. (2000) использовал бинауральные стимулы и обнаружил аномально слабую активацию правой слуховой коры у взрослых с дислексией, что говорит о специфических для полушария эффектах.McCrory et al. (2000) интерпретировал их открытие как отражение особого акцента на фонетической (левое полушарие) и снижение акцента на нефонетической (правое полушарие) слуховой обработке при дислексии. Однако в настоящем наборе данных сниженная активация правого полушария была обнаружена как для речевых, так и для неречевых стимулов во время пассивного слушания, что делает чисто лингвистическое объяснение маловероятным.

Чтобы обеспечить прямое сравнение речевых и неречевых звуков, стимулы были максимально согласованы акустически и максимально просты.Следовательно, неразумно напрямую сравнивать настоящие данные с предыдущими МЭГ-исследованиями обработки речи или неречевой обработки при дислексии, в которых использовались быстро сменяющиеся неречевые звуки (Nagarajan et al. , 1999), парные речевые или неречевые звуки, не соответствующие по интенсивности ( Helenius et al. , 2002a) или естественные звуки речи (Helenius et al. , 2002b) у довольно специфических групп дислексиков (выраженные слуховые проблемы, сильная семейная дислексия в анамнезе). Тем не менее, важным общим выводом всех этих исследований является то, что различия в обработке слуха между контрольной группой и группой с дислексией были обнаружены в ответе N100m.

В заключение, мы предоставляем доказательства того, что активация, возникающая из-за PT и окружающей слуховой коры через 100 мс после начала звука, чувствительна к фонетическому содержанию речевого сигнала. Это утверждение основано на значительном увеличении силы активации и скорости нарастания сигнала в левом полушарии для звуков речи по сравнению со сложными и простыми неречевыми звуками. У пациентов с дислексией изменение баланса полушарий как по силе активации, так и по времени, как предполагается, связано с аномалиями в пределах левого PT или в связи между PT и первичной слуховой корой, которые влияют на всю слуховую обработку, включая фонетический анализ.Общее нарушение слуха в пределах временного окна фонетического анализа согласуется с сообщениями об обоих фонологических нарушениях (Рамси и др. , 1992; Studdert-Kennedy and Mody, 1995; Моди и др. , 1997; Helenius и др. , 2002a) и основной слуховой недостаточности (Tallal et al. , 1993; Hari and Kiesilä, 1996; Fitch et al. , 1997; Ahissar et al. , 2000; Amitay et al. ). , 2002; Renvall and Hari, 2002) при дислексии.

Это исследование было поддержано Пятой рамочной программой Европейского Союза (грант № QLK6-CT-1999-02140) и Академией Финляндии (грант № 44879, Программа Финского центра передового опыта 2000–2005). МРТ были получены в отделении радиологии Центральной больницы Хельсинкского университета. Мы благодарим Сейю Лейнонен за предоставленный фонологический тестовый материал. Мы благодарим Сейю Лейнонен за предоставленный фонологический тестовый материал и Мику Сеппа за помощь в преобразовании индивидуальных данных испытуемых в усредненные МРТ-изображения.

Список литературы

Ахиссар М., Протопапас А., Рид М., Мерзених М.М. (

2000

Proc Natl Acad Sci USA

97

6832

Alho K (

1995

Ear Hear

16

38

Амитай С., Ахиссар М., Нелкен И. (

2002

J Assoc Res Otolaryngol

3

302

Aulanko R, Hari R, Lounasmaa O, Näätänen R, Sams M (

1993

Нейроотчет

4

1356

Baldeweg T, Richardson A, Watkins S, Foale C, Gruzelier J (

1999

Ann Neurol

45

495

Бенсон Р., Уэлен Д.Х., Ричардсон М., Суэйнсон Б., Кларк В.П., Лай С., Либерман А.М. (

2001

Brain Lang

78

364

Биндер Дж. Р., Рао С. М., Хаммеке Т. А., Йеткин Ф. З., Йесманович А., Бандеттини П. А., Вонг Е. С., Эстковски Л. Д., Голдштейн М. Д., Хотон В. М., Хайд Дж. С. (

1994

Ann Neurol

35

662

Binder JR, Frost JA, Hammeke TA, Rao SM, Cox RW (

1996

Мозг

119

1239

Binder J, Frost J, Hammeke T, Bellgowan P, Springer J, Kaufman J, Possing E (

2000

Cereb Cortex

10

512

Брэдли Л., Брайант П. (

1983

Природа

301

419

Коннолли Дж. Ф., Филлипс Н. А. (

1994

J Cogn Neurosci

6

256

Delgutte B (

1999

Demonet J, Chollet F, Ramsay S, Cardebat D, Nespoulous JL, Wise R, Rascol A, Frackowiak R (

1992

Мозг

115

1753

Denckla M, Rudel R (

1976

Neuropsychologia

14

471

Eckert M, Leonard C (

2000

Ment Retard Dev Disabil Res Ред.

6

198

Элберлинг С., Бак С., Кофоед Б., Лебек Дж., Сэрмарк К. (

1982

Acta Neurol Scand

65

553

Eulitz C, Diesch E, Pantev C, Hampson S, Elbert T (

1995

J Neurosci

15

2748

Fitch RH, Miller S, Tallal P (

1997

Annu Rev Neurosci

20

331

Галабурда AM (

1993

Neurol Clin

11

161

Галабурда AM (

1994

Познание

50

133

Galaburda AM, Sherman GF, Rosen F, Aboitiz N, Geschwind N (

1985

Ann Neurol

18

222

Gootjes L, Raij T, Salmelin R, Hari R (

1999

Нейроотчет

10

2987

Hall D, Hart H, Johnsrude I (

2003

Audiol Neurootol

8

1

Hari R (

1990

Hari R, Kiesilä P (

1996

Neurosci Lett

205

138

Helenius P, Salmelin R, Richardson U, Leinonen S, Lyytinen H (

2002

J Cogn Neurosci

15

603

Helenius P, Salmelin R, Service E, Connolly JF, Leinonen S, Lyytinen H (

2002

J Neurosci

22

2936

Hynd GW, Semrud-Clickman M, Larys AR (

1990

Arch Neurol

47

919

Hämäläinen M, Hari R, Ilmoniemi R, Knuutila J, Lounasmaa O (

1993

Ред. Современная Физика

65

413

Иивонен А., Лаукканен А.М. (

1993

Каукоранта Э., Хари Р., Лоунасмаа О. В. (

1987

Exp Brain Res

69

19

Klatt D (

1980

J Acoust Soc Am

67

971

Kuhl P (

2000

Proc Natl Acad Sci USA

97

11850

Курики С., Мурасе М. (

1989

Exp Brain Res

77

127

Leinonen S, Müller K, Leppänen PHT, Aro M, Ahonen T., Lyytinen H (

2001

Чтение Запись

14

265

Леонард С.М., Воеллер К.К., Ломбардино Л.Дж., Моррис М.К., Хайнд Г.В., Александр А.В., Андерсен Х.Г., Гарофалакис М., Ханиман Дж. К., Мао Дж., Эйджи О.Ф., Стааб Е.В. (

1993

Arch Neurol

50

461

Liegeois-Chavel C, Musolino A, Badier JM, Marquis P, Chauvel P (

1994

Electroencephalogr Clin Neurophysiol

92

204

Lütkenhöner B, Steinstrater O (

1998

Audiol Neurootol

3

191

Mäkelä J, Hari R (

1992

Нейроотчет

3

94

Mäkelä JP, Ahonen A, Hämäläinen M, Hari R, Ilmoniemi R, Kajola M, Knuutila J, Lounasmaa OV, McEvoy L, Salmelin R, Salonen O, Sams M, Simola J, Tesche C, Vasama JP (

1993

) ) Функциональные различия между слуховой корой двух полушарий, выявленные с помощью нейромагнитных записей всей головы.

Hum Brain Mapp

1

48

McCrory E, Frith U, Brunswick N, Price C (

2000

J Cogn Neurosci

12

753

Моди М., Студдерт-Кеннеди М., Брэди С. (

1997

J Exp Child Psychol

64

199

Näätänen R (

1992

Näätänen R, Lehtokoski A, Lennes M, Cheour M, Huotilainen M, Iivonen A, Vainio M, Alku P, Ilmoniemi R, Luuk A, Allik J, Sinkkonen J, Alho K (

1997

Nature

385

432

Нагараджан С., Манке Х., Зальц Т., Таллал П., Робертс Т., Мерзених М.М. (

1999

Proc Natl Acad Sci USA

96

6483

Oe H, Kandori A, Yamada N, Miyashita T., Tsukada K, Naritomi H (

2002

Neurosci Res

44

483

Penhune VB, Zatorre RJ, MacDonald JD, Evans AC (

1996

Cereb Cortex

6

661

Филлипс С. (

2001

Cogn Sci

25

711

Филлипс К., Пеллати Т., Маранц А., Йеллин Э, Векслер К., Поппель Д., МакГиннис М., Робертс Т. (

2000

J Cogn Neurosci

12

1038

Rauschecker J (

1998

Curr Opin Neurobiol

8

516

Rauschecker J, Tian B, Hauser M (

1995

Наука

268

111

Renvall H, Hari R (

2002

J Cogn Neurosci

14

757

Рамси Дж. М., Андреасон П., Заметкин А. Дж., Акино Т., Кинг С., Гамбург С. Д., Пикус А., Рапопорт Дж. Л., Коэн Р. (

1992

Arch Neurol

49

527

Rumsey JM, Donohue BC, Brady DR, Nace K, Giedd GN, Andreason P (

1997

Arch Neurol

54

1481

Салмелин Р., Шницлер А., Паркконен Л., Бирманн К., Хелениус П., Кивиниеми К., Куукка К., Шмитц Ф., Фройнд Х. (

1999

Proc Natl Acad Sci USA

96

10460

Schulte-Körne G, Deimel W, Bartling J, Remschmidt H (

2000

Int J Psychophysiol

40

77

Shankweiler D, Crain S, Katz L, Fowler A, Liberman A, Brady S, Thornton R, Lundquist E, Dreyer L, Fletcher J, Stuebing K, Shaywitz S, Shaywitz B (

1995

Psychol Sci

6

149

Штыров Ю., Куяла Т., Палва С., Илмониеми Р., Нятянен Р. (

2000

Neuroimage

12

657

Стивенс К.Н. (

1980

J Acoust Soc Am

68

836

Studdert-Kennedy M, Mody M (

1995

Psychon Bull Rev

2

508

Suga N, O’Neill WE, Manabe T (

1978

Наука

200

778

Таллал П., Миллер С., Fitch R (

1993

Ann N Y Acad Sci

14

27

Tiitinen H, Sivonen P, Alku P, Virtanen J, Näätänen R (

1999

Cogn Brain Res

8

355

Вихла М., Салмелин Р. (

2003

Cogn Brain Res

16

167

Вихла М., Лоунасмаа О., Салмелин Р. (

2000

Proc Natl Acad Sci USA

97

10590

Vouloumanos A, Kiehl K, Werker J, Liddle P (

2001

J Cogn Neurosci

13

994

Wechsler D (

1981

Wechsler D (

1987

Wessinger C, Van Meter J, Tian B, Van Lare J, Pekar J, Rauschecker J (

2001

J Cogn Neurosci

13

1

Wiik K (

1965

Wolf M (

1986

Brain Lang

27

360

Вольф М., Обрегон М. (

1992

Brain Lang

42

219

Zatorre R, Evans A, Meyer E, Gjedde A (

1992

Наука

256

846

Schormann T, Henn S, Zilles K (

1996

Конспект лекций в Comput Sci

1131

337

Woods RP, Grafton ST, Holmes CJ, Cherry SR, Mazziotta JC (

1998

J Comp Assist Tomogr.

22

139

Woods RP, Grafton ST, Watson JDG, Sicotte NL, Mazziotta JC, (

1998

J Comput Assist Tomogr.

22

153

Кора головного мозга V 15 N 7 © Oxford University Press, 2004; все права защищены

Корковая дифференциация речи и неречевых звуков на 100 мс: последствия для дислексии | Кора головного мозга

Аннотация

Нейрофизиологические измерения показывают чувствительность коры к звукам речи через 150 мс после появления стимула.В этом временном окне у субъектов с дислексией начинает проявляться аномальная обработка коры головного мозга. Мы исследовали, отражается ли фонетический анализ в устойчивой слуховой корковой активации на ~ 100 мс (N100m), и проявляют ли субъекты с дислексией ненормальные ответы N100m на речь или неречевые звуки. Мы использовали магнитоэнцефалографию для записи слуховых реакций 10 нормально читающих и 10 взрослых с дислексией. Речевыми стимулами служили синтетические звуки финской речи (/ a /, / u /, / pa /, / ka /). Неречевые стимулы представляли собой сложные неречевые звуки и простые синусоидальные тоны, состоящие из формантных частот F1 + F2 + F3 и F2 соответственно.Все звуки вызывали заметный ответ N100m в двусторонней слуховой коре. Активация N100m была сильнее для речи, чем неречевые звуки в левой, но не в правой слуховой коре, в обеих группах испытуемых. Левый сдвиг полушарного баланса звуков речи, вероятно, отражает анализ на фонетическом уровне. У пациентов с дислексией общий межполушарный баланс амплитуд и синхронизация были изменены для всех типов звука одинаково. Таким образом, люди с дислексией имеют необычную корковую организацию общей слуховой обработки во временном окне речевого анализа.

Введение

Речевой сигнал состоит из сложного набора акустических характеристик, таких как частотный диапазон, амплитуда, продолжительность сигнала и паузы, а также быстрые изменения спектра. Фонетические признаки должны быть извлечены из этого акустического сигнала, чтобы перейти к фонологическому и, наконец, к семантическому анализу. Имеются данные о множественных представлениях и стадиях обработки при анализе звуков речи в человеческом мозге (для обсуждения см. Phillips, 2001), но остается нерешенным, где и в какое окно извлекается специфическая для речи информация.

В течение последнего десятилетия области коры головного мозга, непосредственно участвующие в анализе звуков речи, были исследованы с помощью функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ) и позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ). Было показано, что речевые стимулы вызывают более широкую активацию, чем неречевые стимулы, в верхней височной коре с обеих сторон или с небольшим преобладанием левого полушария (Demonet et al., , 1992; Zatorre et al. , 1992; Binder et al. , 1994; Vouloumanos et al., 2001). При поиске нейронной основы фонетической обработки очень важно сопоставить звуки речи с акустически сопоставимыми звуками, чтобы исключить возможность обнаружения различий только на основе сложности. Сравнение фонетического и акустического анализа выявило активацию левой верхней и средней височных извилин (STG и MTG) и верхней височной борозды (STS) (Binder et al. , 2000; Benson et al. , 2001; Vouloumanos et al. др. , 2001).

Однако идентификация корковых локусов, избирательно активируемых звуками речи, дает только частичную информацию. Восприятие речи – очень быстрый процесс – сигнал трансформируется от акустических характеристик к значению за доли секунды. Таким образом, особенно на ранних этапах анализа речевого сигнала, вероятно, что нейронные представления различных этапов и преобразований активируются очень быстро. За ходом слуховой обработки можно следить с помощью нейрофизиологических измерений, электроэнцефалографии (ЭЭГ) и магнитоэнцефалографии (МЭГ).

Семантическая обработка разговорной речи начинается примерно через 200–300 мс после начала звука, как показано, например, посредством исследований с использованием предложений с семантически совпадающими или несовместимыми конечными словами (см. Коннолли и др. , 1994; Хелениус и др. , 2002b). Таким образом, к этому времени должна быть доступна фонетическая / фонологическая информация. В течение первых 200 мс специфичность речи была проверена с использованием необычных парадигм. В этих установках частые (стандартные) стимулы перемежаются с нечастыми (отклоняющимися) стимулами.Различие между ответами на девиантные и стандартные стимулы в слуховой коре известно как реакция несоответствия или негативность несоответствия (MMN) в литературе по ЭЭГ (Näätänen, 1992; Alho, 1995). MMN обычно достигает максимума примерно через 150 мс после появления стимула. Это рассматривается как отражение слуховой сенсорной памяти на нейрональном уровне. MMN по-разному ведет себя для речевых и неречевых стимулов (Aulanko et al. , 1993; Phillips et al. , 2000; Shtyrov et al., 2000; Vihla et al. , 2000). Более того, MMN-ответы на контрасты фонем на родном языке сильнее, чем на контрасты неродных (Näätänen et al. , 1997). Таким образом, в этом временном окне должно быть доступно фонетическое представление звука речи, чтобы можно было проследить память на основе фонетических (или фонологических) меток.

В настоящее время не установлено, отражается ли анализ речи в нейронной обработке до временного окна MMN. Сигналу MMN предшествует надежная активация слуховой коры примерно через 100 мс после начала звука, называемая N100m (или N100 в литературе по ЭЭГ).Некоторые исследования предполагают фонетические / фонологические эффекты в этой реакции, а другие – нет (Курики и Мурас, 1989; Eulitz и др. , 1995; Gootjes и др. , 1999; Tiitinen и др. , 1999). Gootjes et al. (1999) обнаружил значительно более сильную реакцию N100m на гласные, чем на тоны или ноты фортепиано, в левом, но не в правом полушарии. Однако Eulitz et al. (1995) и Tiitinen et al. (1999) не обнаружил существенной разницы в силе ответа N100m на речевые и тональные стимулы, хотя ответ N100m на звуки речи был немного позже, чем на тоны, в обоих полушариях.Вариабельность результатов, вероятно, во многом связана с изменчивостью стимулирующих материалов. Во многих из этих исследований основной вопрос исследования не требовал тщательного акустического сопоставления речевых и неречевых стимулов, или его не предпринимали. Таким образом, результаты, отличающиеся для речевых звуков и неречевых звуков, могут отражать акустические вариации, а не чувствительность к речевым звукам как таковым . Также стоит отметить, что в любом отдельном исследовании стимулы, как правило, были звуками со стабильной частотой (т.е. звуки типа гласных) (Eulitz et al. , 1995; Tiitinen et al. , 1999; Vihla, Salmelin, 2003) или переходные звуки (т. е. звуки типа CV-слога) (Shtyrov et al. , 2000 ), но не то и другое вместе. Поскольку естественный язык представляет собой смесь этих звуковых типов, может быть важно разрешить акустические вариации среди речевых стимулов при оценке коркового анализа речи по сравнению с неречевыми звуками.

Характеристика временных окон и баланса полушария с помощью акустического и фонетического / фонологического анализа важна не только для понимания нормального восприятия речи, но и для понимания нейронной основы дислексии.Известно, что у людей с дислексией возникают проблемы при выполнении задач, требующих слухового фонетического анализа (Bradley and Bryant, 1983; Shankweiler et al. , 1995). На уровне нейронов субъекты с дислексией демонстрируют отсроченную семантическую обработку через 300–400 мс после стимула (Helenius et al. , 2002b) и аномалии в предыдущем ответе MMN (Baldeweg et al. , 1999; Schulte-Körne et al. , 2000) и ответ N100m (Helenius et al. , 2002b). Эти данные явно указывают на проблемы в течение первых 200 мс после начала речи.Было бы заманчиво интерпретировать необычные паттерны корковой активации у субъектов с дислексией как сигнатуры их известных фонологических проблем, но, очевидно, они также могли быть связаны с аномалиями в базовой акустической обработке. Функциональная роль временного окна N100m в анализе речи по сравнению с неречевым анализом, таким образом, также является актуальной проблемой в исследованиях дислексии.

В настоящем исследовании мы использовали МЭГ всей головы, чтобы сосредоточить внимание на роли слухового коркового ответа N100m в акустической и фонетической обработке.Во-первых, мы исследовали, является ли ответ N100m чувствительным к речи в нормальной популяции испытуемых, то есть отличается ли сила или время нейронного ответа между речевыми и неречевыми звуками. Нашими речевыми стимулами были два синтетических гласных и согласный-гласный слог. Неречевые стимулы представляли собой сложные звуки и простые синусоидальные тона, которые спектрально и временно были тщательно согласованы с речевыми стимулами. Во-вторых, мы протестировали эти же речевые и неречевые стимулы на группе лиц с дислексией, чтобы выяснить, демонстрируют ли они отклонение от паттерна реакции, наблюдаемого в элементах управления, для всех типов звуков или конкретно для звуков речи.

Материалы и методы

Стимулы

В качестве стимулов использовались синтетические звуки речи, сложные неречевые звуки и простые синусоидальные тона (рис. 1). Длительность всех стимулов составляла 150 мс. Звуками речи были финские гласные (V; / a /, / u /) и согласные-гласные слоги (CV; / pa /, / ka /), созданные с помощью синтезатора Klatt (Klatt, 1980) для Macintosh (Sensimetrics, Cambridge, Массачусетс, США). Основная частота (F0) постоянно снижалась со 118 до 90 Гц, напоминая нормальный мужской голос.Частоты формант F1, F2 и F3 для гласного / a / составляли 700, 1130 и 2500 Гц, а для гласного / u / – 340, 600 и 2500 Гц, соответственно. Эти значения были основаны на исследованиях звуков финской речи и структуры формант (Wiik, 1965; Iivonen and Laukkanen, 1993) и субъективной оценке качества и разборчивости гласных и согласных звуков. Ширина полосы формант в обеих гласных составляла 90 Гц для F1, 100 Гц для F2 и 60 Гц для F3. Огибающие гласных имели периоды нарастания и затухания по 15 мс.

Рисунок 1.

Схематическое изображение частотной композиции в различных типах стимулов (речь, сложный звук и тон синусоидальной волны) для установившегося звука (/ a / и его неречевые эквиваленты) и переходного звука (/ pa / и его неречевого звука). эквиваленты). Горизонтальные линии представляют различные частотные компоненты (или форманты, F), а вертикальные пунктирные линии представляют конец переходного периода в переходных звуках (на 35 мс).

Рисунок 1.

Схематическое изображение частотной композиции в различных типах стимулов (речь, сложный звук и тон синусоидальной волны) для установившегося звука (/ a / и его неречевых эквивалентов) и переходного звука ( / pa / и его неречевые эквиваленты).Горизонтальные линии представляют различные частотные компоненты (или форманты, F), а вертикальные пунктирные линии представляют конец переходного периода в переходных звуках (на 35 мс).

CV-слоги начинались с частотного перехода 35 мс, где частоты F1, F2 и F3 линейно изменялись от 503 до 700 Гц, от 858 до 1130 Гц и от 2029 до 2500 Гц для / pa /, и от 503 до 700 Гц, 1402 до 1130 Гц и с 2029 до 2500 Гц для / ka /. За начальным переходом следовал установившийся период 115 мс, в котором частоты формант были идентичны гласным / а /.Таким образом, звуки / pa / и / ka / различались только направлением изменения F2. Чтобы добиться естественного звучания стоп-согласной, стимулы начинались со вспышки трения длительностью 4 мс. Аспирация добавлялась с 1 мс и далее, плавно уменьшаясь в течение 150 мс длительности стимулов. Огибающие стимулов CV были аналогичны таковым для гласных, за исключением начала, когда голос начинался на 5 мс, а период нарастания звука был более быстрым.

Неречевые стимулы были созданы в Sound Edit (MacroMedia, Сан-Франциско, Калифорния, США).Это были простые синусоидальные тоны и сложные звуки, объединенные из трех компонентов синусоидального тона точно такой же частоты, что и форманты каждого из четырех звуков речи. Чтобы сохранить разницу в переходах между / pa / и / ka / также в тонах синусоидальной волны, эти стимулы были составлены из частоты F2 каждого речевого звука. Огибающие неречевых звуков были аналогичны речевым звукам, включая периоды нарастания и затухания на 15 мс, а также нарастание наклона для неречевых эквивалентов стимулов сердечно-сосудистой системы.Несмотря на тщательное акустическое сопоставление, ни один из неречевых звуков не воспринимался как звуки речи.

Амплитуды различных звуков были скорректированы с помощью удлиненных версий исходных звуков, так что в конце системы доставки звука, измеренной с помощью искусственного уха и анализатора спектра, откалиброванного с учетом чувствительности уха, амплитуды звука различались на <2 дБ (SPL ).

Субъекты

Субъектами были 10 нормально читающих взрослых (23–39 лет; пять женщин) и 10 взрослых с дислексией развития (20–39 лет; пять женщин).Субъекты дали свое информированное согласие на участие в исследовании. Они были носителями финского языка, правши (за исключением одного контрольного объекта), и не имели в анамнезе потери слуха или неврологических отклонений. Взрослые с дислексией были отобраны на основе самооценки раннего анамнеза проблем с чтением. Все они прошли тестирование на дислексию или прошли специальное обучение по устранению трудностей с чтением в школьные годы. Средний уровень образования в контрольной (14 лет) и дислексической группах (13 лет) был схожим.

Поведенческие тесты

Субъекты с дислексией были протестированы на общие лингвистические и неязыковые способности с использованием подмножества стандартизированной финской версии Шкалы интеллекта взрослых Векслера – пересмотренной (WAIS-R) и шкалы памяти Векслера – пересмотренной (WMS-R) (Словарь, Понимание, Сходства, Дизайн блока, Размах цифр, Размах визуального восприятия) (Wechsler, 1981, 1987; Woods et al., 1998a; Woods et al., 1998b). Также измерялась скорость чтения и называния слов у пациентов с дислексией.Пониженная скорость чтения (Leinonen et al. , 2001) и скорость наименования (Wolf and Obregon, 1992) оказались надежными маркерами дислексии. В ходе устного чтения испытуемых просили прочитать вслух рассказ, напечатанный на листе бумаги. Скорость чтения измерялась в словах в минуту. В тесте быстрого автоматического именования (Denckla and Rudel, 1976) и в тесте быстрого именования переменных стимулов (Wolf, 1986) испытуемых просили назвать матрицу цветов, чисел и букв 5 × 10, и была измерена скорость именования.Результаты этих тестов сравнивались с данными норм 38 (Устное чтение, РАН) и 15 (РАН) нормально читающих субъектов.

Кроме того, были проведены следующие фонологические тесты, представленные на слух. В тесте на удаление фонем (Leinonen et al. , 2001) 16 слов из 4–10 букв и 2–4 слогов были представлены через наушники. Испытуемых просили произносить каждый стимул без второй фонемы (например, studio → sudio, kaupunki → kupunki). Подсчитывалось количество правильных ответов.В тесте на обращение слогов (Leinonen et al. , 2001) 10 слов и 10 псевдослов из 5–9 букв и 3–4 слогов были представлены через наушники, и испытуемых просили изменить порядок последних двух слогов и произнесите вслух новое псевдослово (например, aurinko → aukorin, rospiemi → rosmipie). Подсчитывалось количество правильных ответов. Для тестов на удаление фонем и реверсирование слогов время голосовой реакции на стимулы измерялось по сигналу микрофона. В тесте на правописание (Leinonen et al., 2001) испытуемых просили написать под диктовку 10 псевдослов и 10 слов из 6–14 букв и 2–7 слогов. Было подсчитано количество ошибок. Эти фонологические тесты были проведены также у семи контрольных субъектов, участвовавших в этом исследовании.

Методика измерения MEG

Измерения проводились в помещении с магнитным экраном. Презентация стимула контролировалась программой презентации (Neurobehavioral Systems Inc., Сан-Франциско, Калифорния) на ПК. Чтобы нормализовать интенсивность стимулов у испытуемых, индивидуальные пороги слышимости определялись перед фактическим измерением с использованием простых тонов 1 кГц длительностью 50 мс с временами нарастания и спада 15 мс. Стимулы подавались к испытуемому через пластиковые трубки и наушники на уровне 65 дБ выше субъективного порога слышимости. Испытуемые смотрели немой фильм, и им было приказано игнорировать слуховые раздражители.

Было два сеанса. В первом сеансе субъект слышал случайную последовательность гласных звуков и их неречевых эквивалентов (синтетические / a / и / u /, сложные звуковые эквиваленты / a / и / u / и тональные эквиваленты / a / и / u /. ).Во втором сеансе стимулами были звуки CV и их неречевые эквиваленты (синтетические / па / и / ка /, сложные звуковые эквиваленты / па / и / ка / и тональные эквиваленты / па / и / ка /). Порядок занятий был рандомизирован по предметам. Стимулы разделялись межстимульным интервалом в 2 секунды, и они подавались монофонически в правое ухо, чтобы максимально задействовать левое полушарие с доминантой языка. Каждый сеанс длился 20–30 минут, а сеансы разделялись 2–3-минутным перерывом.

MEG записей

сигналов MEG были записаны с использованием 306-канальной системы головного мозга в форме шлема (Vectorview ™, Neuromag Ltd, Хельсинки, Финляндия) с двумя ортогонально ориентированными планарными градиентометрами и одним магнитометром в 102 точках. Сигналы подвергались полосовой фильтрации с частотой 0,03–200 Гц, дискретизировались с частотой 600 Гц и усреднялись в режиме онлайн от 200 мс до начала стимула до 800 мс после него. Горизонтальная и вертикальная электроокулограммы записывались для оперативного отбрасывания эпох, загрязненных морганиями или саккадами.Было собрано около 100 эпох без артефактов и усреднено отдельно для каждой из 12 категорий стимулов. Положение головы испытуемого относительно измерительного шлема определялось в начале каждого сеанса измерения путем кратковременного включения четырех катушек индикатора положения головы, прикрепленных к голове испытуемого. Расположение катушек определяли по трем анатомическим ориентирам (преаурикулярные точки и назион) с использованием трехмерного дигитайзера (Polhemus, Colchester, VT). Таким образом, местоположение активных областей мозга может отображаться на анатомических МР-изображениях после идентификации ориентиров на МР-изображениях.

Анализ данных

MEG были отфильтрованы нижними частотами при 40 Гц перед дальнейшим анализом. Активированные области были смоделированы как эквивалентные диполи тока (ECD), которые представляют среднее местоположение, направление и силу тока, протекающего в данном кортикальном пятне (Hämäläinen et al. , 1993). ECD были определены с помощью стандартных наборов 46 планарных градиометров (= 23 пары), которые покрывали 100 мс звукового поля в каждом полушарии.Сферическая оценка использовалась для описания профиля проводимости мозга. Модель сферы была адаптирована для оптимального описания кривизны височных областей с использованием индивидуальных анатомических МР-изображений, когда они были доступны (восемь контрольных субъектов и четыре пациента с дислексией), или сферической модели, которая представляла собой среднее значение индивидуальных параметров всех наших субъектов с МРТ, рассчитываемые отдельно для мужчин и женщин.

У каждого испытуемого сначала определяли ДРВП отдельно для каждого стимула.Степень согласия полученных двухдипольных моделей (по одному диполю в каждом полушарии) варьировалась от 85 до 95% для разных испытуемых и разных стимулов. Внутри каждого испытуемого расположение источников варьировалось в среднем на 1 см, а направление тока на 25 ° по разным стимулам в обоих полушариях. Близкое сходство ECD, обнаруженное в различных условиях стимула, позволило улучшить отношение сигнал / шум путем формирования среднего значения ответов на все стимулы у каждого испытуемого (четыре категории стимулов: две гласные и два слога; три стимула. типы: тон, сложный звук, звук речи; всего 1090–1354 попытки).Затем смоделированные в этом усредненном наборе данных ЭКД левого и правого полушария использовались для учета сигналов МЭГ, записанных для каждого стимула. Расположение и ориентация двух ECD оставались фиксированными, в то время как их амплитуда могла изменяться для лучшего объяснения сигналов, регистрируемых всеми датчиками в течение всего интервала усреднения. Эта общая двухдипольная модель учитывала сигналы МЭГ в каждом условии стимула в равной степени, как и двухдипольные модели, которые были найдены отдельно для каждого условия стимула (степень согласия варьировалась от 83 до 94%).Использование общего набора из двух ECD для всех условий у каждого отдельного субъекта позволило напрямую сравнить временное поведение активации в этих корковых областях (исходные формы волн) по всем стимулам.

Статистические тесты

Дисперсионный анализ с повторными измерениями (ANOVA) с категорией стимула (/ a /, / u /, / pa /, / ka /), типом стимула (речевой звук, сложный неречевой звук, простой тон) и полушарием (слева, справа), поскольку факторы внутри субъектов использовались для оценки систематических эффектов силы и латентности активации в каждой популяции субъектов.Расположение источников тестировалось отдельно для каждого пространственного измерения ( x = аксиальная плоскость от левого уха до правого уха, y = аксиальная плоскость, ортогональная x , по направлению к назиону, z = сагиттальная плоскость от нижнего до нижнего уха). Superior), а также были проверены направления тока. Для сравнения групп использовали смешанную модель ANOVA с группой (контроль, дислексики) в качестве фактора между субъектами.

Для поведенческих тестов время реакции и количество ошибок между группами испытуемых анализировались с помощью теста Стьюдента t .Чтобы проверить корреляцию между фонологическими способностями и корковыми показателями, мы рассчитали коэффициент корреляции Пирсона.

Результаты

Результаты нейровизуализации у нормально читающих субъектов

На рисунке 2 показаны примеры сигналов MEG, записанных у одного испытуемого. Ответы на разные типы звуков (речевой звук, сложный неречевой звук и простой тон) представлены на датчиках МЭГ, которые показали максимальную амплитуду над левой и правой слуховой корой.На рисунке 3 показано групповое среднее расположение эквивалентных диполей тока, которые наилучшим образом представляли активированные области коры головного мозга у каждого субъекта, наложенное на МРТ-изображение, усредненное по контрольным субъектам (Schormann et al., 1996; Woods et al., 1998a, 1998b). . В некоторых случаях диполи были обнаружены в извилине Гешля, но в основном они были локализованы в борозде Гешля или заднебоковой к ней.

Рис. 2.

MEG-ответы, вызванные звуком речи / a /, сложным звуковым эквивалентом / a / и простым тоновым эквивалентом / a / (черная, серая и пунктирная линия, соответственно), зарегистрированные двумя выбранными датчиками над левая и правая височная кора у одного испытуемого.

Рисунок 2.

MEG-ответы, вызванные звуком речи / a /, сложным звуковым эквивалентом / a / и простым тоновым эквивалентом / a / (черная, серая и пунктирная линия соответственно), зарегистрированные двумя выбранными датчиками над левой и правой височной корой у одного испытуемого.

Рис. 3.

Среднее местоположение ответа на 100 метров в левом и правом полушарии, а также среднее время активации для речевого звука / па / (черная линия), его сложного неречевого эквивалента (серая линия) и простого тонового эквивалента. (пунктир).Сильвиева трещина выделена на МРТ.

Рис. 3.

Среднее местоположение ответа N100m в левом и правом полушарии и среднее время активации для речевого звука / па / (черная линия), его сложного неречевого эквивалента (серая линия) и простого тона. эквивалент (пунктирная линия). Сильвиева трещина выделена на МРТ.

Среднее время активации (рис. 3) было качественно одинаковым для всех категорий стимулов (/ a /, / u /, / pa /, / ka /) и всех типов стимулов (речевой звук, сложный звук, простой тон). ).После небольшого отрицательного падения сигнал начал увеличиваться через ~ 50 мс после начала стимула, достиг максимума через ~ 100 мс (N100m) и оставался на довольно низком уровне через ~ 200 мс. Источники в правом полушарии располагались в среднем на 6 мм впереди источников в левом полушарии [ F (1,9) = 6,1, P <0,05], что согласуется с предыдущими отчетами (например, Elberling et al. ). , 1982; Каукоранта, и др., , 1987). Систематических различий в расположении источников между разными категориями (/ a /, / u /, / pa /, / ka /) не было.Небольшие различия в расположении и ориентации возникали между разными типами стимулов (речь, сложные неречевые звуки и простые тона), но в абсолютном выражении они были пренебрежимо малыми: 1–3 мм в среднем положении и 2–7 градусов в средней ориентации.

Сила отклика 100м

Сила ответа N100m (таблица 1 и рис. 4 a ) варьировалась в зависимости от типа стимула в левом полушарии, но не в правом полушарии [тип стимула, F (2,18) = 10.2, P <0,001; и тип стимула для каждого полушария: взаимодействие F (2,18) = 13,4, P <0,001]. В левом полушарии ответы на звуки речи были сильнее, чем на сложные неречевые звуки и простые тона [ F (2,18) = 14,7, P <0,001]. Влияние типа стимула было значимым для всех категорий стимулов (a: P <0,001, u: P <0,001, pa: P <0,01, ka: P <0.001).

Рис. 4.

Средняя (+ SEM) сила активации N100m для контрольной ( a ) и дислексической группы ( b ). Ответы в контралатеральном левом полушарии показаны слева, а в ипсилатеральном правом полушарии – справа. Звуки речи, сложные неречевые звуки и простые тона представлены черными, серыми и белыми полосами соответственно. Пунктирная линия представляет собой среднюю амплитуду активации по всем звукам в левом полушарии контрольных субъектов.

Рис. 4.

Средняя (+ SEM) сила активации N100m для контрольной ( a ) и дислексической группы ( b ). Ответы в контралатеральном левом полушарии показаны слева, а в ипсилатеральном правом полушарии – справа. Звуки речи, сложные неречевые звуки и простые тона представлены черными, серыми и белыми полосами соответственно. Пунктирная линия представляет собой среднюю амплитуду активации по всем звукам в левом полушарии контрольных субъектов.

Сила и латентность источника N100m в левом и правом полушарии у контрольных (Cont) и дислексических (Dys) субъектов для звуков речи, сложных неречевых звуков и простых тонов (среднее ± SEM)

Сила и время ожидания источника N100m в левом t и правое полушарие у контрольных (Cont) и лиц с дислексией (Dys) для звуков речи, сложных неречевых звуков и простых тонов (среднее ± SEM)

Когда стимулами были звуки речи, сила ответа N100m nse было одинаковым для всех категорий стимулов (/ a /, / u /, / pa /, / ka /).Однако для сложных и простых неречевых звуков наблюдалось значительное изменение силы N100m в зависимости от категории стимула в обоих полушариях [категория стимула, F (3,27) = 4,3, P <0,05; взаимодействие типа за категорией стимула, F (6,54) = 2,4, P <0,05; только звуки речи, F (3,27) = 1,8, P = 0,2; только сложные звуки, F (27,3) = 5,0, P <0,01; только тоны синусоидальной волны, F (3,27) = 4.4, P <0,05].

Время ответа N100m

Начальная латентность (момент времени, когда сигнал пересекает уровень стандартного отклонения базовой линии пресимула) не показывает систематических изменений в зависимости от типа звука. Однако нарастание ответа N100m в левом и правом полушарии различает речевые и неречевые звуки (рис. 5). Для речевых звуков восходящий наклон ответа N100m (увеличение амплитуды в зависимости от времени) был круче в левом, чем в правом полушарии, но для неречевых звуков не было значительной разницы между двумя полушариями [взаимодействие типа стимула по полушарию , F (2,18) = 4.2, P <0,05; эффект полушария для звуков речи F (1,9) = 7,8, P <0,05, сложных звуков F (1,9) = 2,8, P = 0,1 и синусоидальных тонов F (1,9) = 2,5, P = 0,2)].

Рис. 5.

Схематическое изображение нарастания реакции N100m (от начала до пика) на речевой звук (вверху), сложный неречевой звук (в центре) и простой тон (внизу) слева (жирные линии) ) и правое (тонкие линии) полушария контрольных (слева) и лиц с дислексией (справа).Данные показаны для звуковой категории / a /.

Рисунок 5.

Схематическое изображение нарастания реакции N100m (от начала до пика) на речевой звук (вверху), сложный неречевой звук (посередине) и простой тон (внизу) слева (толстый линии) и правое (тонкие линии) полушария контрольных (слева) и дислексических субъектов (справа). Данные показаны для звуковой категории / a /.

Ответ N100m достиг максимума в среднем на 2–5 мс позже для речи, чем сложные неречевые звуки, и на 7–9 мс позже, чем для тонов [ F (2,18) = 4.8, P <0,05], аналогично в обоих полушариях. Ответы на все звуки достигли максимума раньше в контралатеральном левом полушарии (96 ± 11 мс, среднее ± SEM), чем в ипсилатеральном правом полушарии (108 ± 9 мс) [ F (1,9) = 52.0, P <0,001], что согласуется с предыдущими сообщениями о монофонической слуховой стимуляции (например, Elberling et al. , 1982; Mäkelä et al. , 1993; см. Таблицу 1).

Эффект стимуляции уха был впоследствии протестирован на 7 из 10 субъектов, участвовавших в первоначальном исследовании.Стимулы, подаваемые в левое ухо (/ a / и / pa / и их неречевые эквиваленты), вызывали такой же паттерн активации, как и стимулы, подаваемые в правое ухо (рис. 6). В левом полушарии активация речи была сильнее, чем сложные и простые неречевые звуки, но в правом полушарии не было обнаружено общего эффекта уровня стимула [эффект уровня, F (2,12) = 9,3, P <0,01 ; межполушарное взаимодействие, F (2,12) = 5,0, P <0.05]. Таким образом, на чувствительность силы N100m в разных полушариях к речевым и неречевым звукам изменение стимулированного уха не влияло.

Рис. 6.

Средняя (+ SEM) сила активации N100m в левом и правом полушариях для стимуляции левого уха звуками речи, сложными неречевыми звуками и простыми тонами (черные, серые и белые полосы соответственно).

Рис. 6.

Средняя (+ SEM) сила активации N100m в левом и правом полушариях для стимуляции левого уха звуками речи, сложными неречевыми звуками и простыми тонами (черные, серые и белые полосы соответственно) .

Результаты нейровизуализации у субъектов с дислексией и контрольной группы

Систематических групповых различий в расположении активированных участков не обнаружено. Как и в контроле, расположение источника незначительно зависело от типа стимула (1–3 мм между речевым и неречевым состояниями).

Сравнение силы N100 м в двух группах испытуемых

Сила источника N100m не показала ни основного эффекта группы субъектов, ни значимых взаимодействий.Таким образом, как и в контрольной группе, у субъектов с дислексией сила N100m различала речевые и неречевые звуки в левом полушарии [ F (2,18) = 8,2, P <0,01], но не в правом полушарии [ F (2,18) = 1,5, P = 0,2] (рис. 4 b ). Однако в правом полушарии наблюдалась тенденция к более слабой активации у дислексиков, чем у контрольных субъектов [эффект группы в правом полушарии F (1,18) = 3.6, P = 0,08]. В отдельном ANOVA для субъектов с дислексией сила N100m значительно различалась между полушариями [слева 53 ± 7 нАм, справа 40 ± 4 нАм, F (1,9) = 5,5, P <0,05], в то время как в у контрольных субъектов общий уровень активации между полушариями был очень похож [левый 54 ± 7 нАм, правый 55 ± 7 нАм, F (1,9) = 0,01, P = 0,9].

Сравнение времени N100m в двух группах испытуемых

Построение ответа N100m показало тонкий эффект группы субъектов для звуков речи, но не для звуков, не относящихся к речи [эффект группы для звуков речи, F (1,18) = 4.9, P <0,05; сложные неречевые звуки, F (1,18) = 0,9, P = 0,3; тона синусоидальной волны, F (1,18) = 1,9, P = 0,2]. Было обнаружено, что N100m для звуков речи повышается более постепенно у лиц с дислексией, чем у контрольных субъектов, аналогично в обоих полушариях.

Пиковая латентность ответа N100m (таблица 1) показала значимое межполушарное взаимодействие [ F (1,18) = 5,4, P <0,05]. В отдельном анализе для каждого полушария пиковая латентность в левом полушарии имела тенденцию быть дольше у лиц с дислексией, чем у контрольных субъектов, но эта разница только приближалась к значимости [ F (1,18) = 3.0, P = 0,1]. В правом полушарии группы показали очень похожее время активации [ F (1,18) = 0,007, P = 0,9]. Когда испытуемых с дислексией тестировали отдельно, типичный образец более ранней реакции в контралатеральном левом, чем в ипсилатеральном правом полушарии, обнаруженный в контрольной группе, не был очевиден (слева 104 ± 5 ​​мс, справа 108 ± 5 мс) (см. Рис. 5). Тем не менее, реакция на простые тона достигала максимума первой, а реакция на звуки речи последней, аналогично в обоих полушариях, как и в контрольной группе [основной эффект типа стимула F (2,18) = 7.1, P <0,01].

Поведенческие результаты и корреляция с ответами на МЭГ у лиц с дислексией по сравнению с контрольными субъектами

Все испытуемые с дислексией обладали нормальным интеллектом, как было определено с помощью общих лингвистических и нелингвистических когнитивных тестов (WAIS-R, WMS-R) (Таблица 2). Субъекты с дислексией были значительно медленнее, чем контрольная группа с нормальным чтением, в тесте орального чтения [средняя разница 59 слов, t (46) = 5,8, P <0,001] и тестах Rapid Naming [средняя разница в RAS 9 с, t (46) = −5.0, P <0,001; и в RAN 5 с t (23) = -2,5, P <0,05]. Контрольные субъекты в настоящем исследовании (7 из 10 протестированных) не отличались от более крупного нормативного набора данных ни в устном чтении [ t (35) = -0,7, P = 0,5], либо в Rapid Naming [RAS, t (35) = 1,1, P = 0,3; РАН, t (12) = 1,3, P = 0,2]. В более специфических фонологических тестах испытуемые с дислексией были значительно медленнее и более подвержены ошибкам, чем контрольные испытуемые.Время реакции у лиц с дислексией было больше, чем у контрольных субъектов в тесте на удаление фонемы, предъявляемом на слух [разница в среднем 3,7 с, t (15) = -4,6, P <0,001] и тесте на обращение слогов [ разница в среднем 5,4 с, t (15) = −4,8, P <0,001]. Субъекты с дислексией также совершали значительно больше ошибок при удалении фонемы [ t (15) = 2,5, P <0,05], обращении слога [ t (15) = 2.3, P <0,05] и тесты правописания [ t (15) = -2,9, P <0,05], чем у контрольных субъектов.

Результаты поведенческих тестов

Результаты поведенческих тестов

Чтобы проверить корреляцию между реакциями мозга и поведенческими показателями, баллы для каждого теста были стандартизован до z – баллов (т.е.е. индивидуальный балл минус средний балл по всем предметам, разделенный на стандартное отклонение). Мы не обнаружили существенной корреляции между фонологическими возможностями и силой N100m или пиковой задержкой. Мы также проверили фонологические показатели по сравнению с разницей латентности пиков N100m между полушариями (рис.7 a ) и соотношением сил активации N100m (рис.7 b ), поскольку результаты MEG предполагали, что это должно быть более значимые корковые измерения. У контрольных субъектов лучшие фонологические навыки были связаны с более короткой задержкой ипси-контра в задержке ответа N100m ( r = -0.8, P <0,05). У пациентов с дислексией значимой корреляции не было ( r = -0,5, P = 0,1). Не было обнаружено значимых корреляций между фонологическими оценками и соотношением силы левой и правой N100m.

Рис. 7.

Разница в латентности на 100 м ( a ) и соотношение сил активации ( b ) между полушариями в контрольной группе и субъектами с дислексией (белые и черные сферы, соответственно), построенные в зависимости от поведенческих характеристик (нормализованное среднее значение). более шести фонологических тестов).Линии регрессии показаны для значимых корреляций.

Рис. 7.

Разница в латентности N100m ( a ) и соотношение сил активации ( b ) между полушариями в контрольной группе и субъектами с дислексией (белые и черные сферы, соответственно) в зависимости от поведенческих характеристик (нормализованные в среднем по шести фонологическим тестам). Линии регрессии показаны для значимых корреляций.

Обсуждение

N100m Отражает анализ речи у нормально читающих субъектов

Самый быстрый отклик N100m на простые тональные сигналы.Пиковая задержка систематически задерживалась до сложных звуков и, более того, до звуков речи, одинаково в обоих полушариях. Однако сила активации N100m показала интересную полушарную специализацию. Речевые ответы были сильнее, чем неречевые звуки в левой слуховой коре, но не в правой слуховой коре, независимо от стимулированного уха. Таким образом, в то время как оба полушария участвовали в анализе всех типов звуков, относительный вклад левой слуховой коры увеличивался, когда стимулами были звуки речи.

Настоящие результаты согласуются и расширяют более ранние отчеты об обработке речи / неречевой обработки и N100m, которые показали более высокую амплитуду для гласных, чем фортепианные ноты или тоны (Gootjes et al. , 1999), более длительные задержки для гласных, чем для тонов (Eulitz et al., , 1995; Tiitinen et al., , 1999) или сдвиг влево полушарного баланса для естественных гласных по сравнению со сложными тонами (Vihla and Salmelin, 2003). Используя тщательно подобранные с акустической точки зрения звуки речи и неречевые звуки, мы демонстрируем, что эти эффекты, вероятно, связаны друг с другом.Увеличение амплитуды при анализе звуков речи передается в левое полушарие, что приводит к смещению активации влево при прослушивании звуков речи. Увеличение задержки звуков речи происходит с обеих сторон. Мы также показываем, что на сдвиг активации влево не оказывает заметного влияния акустическая структура речевых стимулов (гласные, слоги CV).

Можно представить нарастание ответа N100m как сигнатуру процесса, в котором все большее количество слуховых корковых нейронов запускается синхронно.При постоянной скорости рекрутирования нейронов задержка пика задержки будет связана с более сильной активацией пика. Комбинированное увеличение пиковой задержки и силы N100 м для речи по сравнению со сложными и простыми неречевыми звуками в левом полушарии, безусловно, можно интерпретировать таким образом. С другой стороны, правополушарный эффект увеличения пиковой задержки без сопутствующих изменений силы активации предполагает более медленную скорость рекрутирования нейронов или менее синхронную активацию популяций нейронов для увеличения сложности звука.

Интересно, что восходящий наклон ответа N100m был значительно круче в левом полушарии, чем в правом полушарии для звуков речи, но более сходным в двух полушариях для звуков, не относящихся к речи. Это наблюдение говорит о качественном различии анализа речевых и неречевых звуков в левой слуховой коре на 100 мс. Таким образом, кажется, что помимо акустической обработки как таковой , на которую может влиять изменение спектрального состава или временной структуры звуков, отклик N100m также может отражать специфичную для речи обработку.

На клеточном уровне специфичность речи может означать, что нейроны, генерирующие ответ, предпочитают звуки, которые образуют фонетически (лингвистически) релевантные комбинации акустических характеристик. С акустической точки зрения звуки речи не обладают каким-либо единственным уникальным свойством, отличным от неречевых звуков, а скорее представляют собой определенные (уникальные) комбинации различных свойств (Stevens, 1980). Хотя имеется много информации о том, как фонетически важные особенности кодируются в ядре улитки и слуховом нерве (см. E.грамм. Delgutte, 1999), комбинации характеристик звуков речи, которые имеют решающее значение для анализа на корковом уровне, определены менее четко. Настоящее исследование предполагает, что простого сочетания частот формант недостаточно, поскольку ответ N100m отличался от ответа, вызываемого простыми звуками речи.

«Комбинированно-чувствительные» нейроны, первоначально предложенные Suga et al. (1978) в исследовании слуховой системы эхолокационных летучих мышей, были исследованы на ряде видов животных, а недавно и на нечеловеческих приматах (Rauschecker et al., 1995). У макак нейроны, расположенные кзади от первичной слуховой коры левого полушария (примерно соответствующие местоположению наших исходных областей N100m), лучше реагировали на сложные звуки, например видоспецифичные звуки, а не простые звуки (Rauschecker et al. , 1995). Предполагается, что такое предпочтение является результатом нелинейного суммирования входов от более узко настроенных нейронов в первичной слуховой коре (Rauschecker et al. , 1995; Rauschecker, 1998).

Некоторая степень соответствия между нечеловеческими приматами и людьми подтверждается тем наблюдением, что повышенная сложность стимула (полосовой шум по сравнению с чистыми тонами) приводит к аналогичному усилению активации у людей в соответствующих областях позади первичной слуховой коры (Wessinger et al. др. , 2001). Однако, поскольку фонетика человеческой речи не может быть напрямую сопоставлена ​​со звуками общения животных, а также неизвестно, использует ли анализ звуков речи те же вычисления, что и другие сложные звуки, эти наблюдения нельзя однозначно связать с восприятием речи человеком.

В последние годы многое было изучено о функциональной анатомии слуховой обработки сложных звуков у людей, но подробная информация о нейронных процессах все еще остается в значительной степени неустановленной. На анатомическом уровне известно, что первичная слуховая кора, расположенная в извилине Гешля, окружена непервичными слуховыми областями спереди, сбоку и сзади (для обзора см. Hall et al. , 2003). С помощью методов визуализации, чувствительных ко времени, было показано, что к 100 мс активация в основном генерируется в непервичных слуховых областях кзади и латеральнее первичной слуховой коры, в височной плоскости (PT) (Liegeois-Chavel et al., 1994; Lütkenhöner and Steinstrater, 1998).

Некоторые гемодинамические исследования обработки речи и неречевой информации предполагают лингвистически специализированную роль PT и окружающей коры головного мозга (Zatorre et al. , 1992; Benson et al. , 2001; Vouloumanos et al. , 2001 ), в то время как другие исследования рассматривают его как часть базовой сети акустического анализа и, следовательно, актуальную для обработки как речи, так и неречевых звуков (Binder et al. , 1996, 2000).В соответствии с последней точкой зрения, реакция N100 генерируется на любое резкое изменение слуховой среды (Hari, 1990). Здесь мы обнаружили сильный ответ N100m как на речевые, так и на неречевые звуки, который показал небольшую, но значительную модуляцию речевым содержанием стимула. Принимая во внимание инерцию измерений кровотока, зависимые от стимулов вариации временных нейронных ответов, таких как N100m, вполне могут остаться незамеченными при ПЭТ или фМРТ. Различные временные окна, доступные с помощью различных методов визуализации, могут иметь значительное влияние на то, какая часть сети будет обнаружена.Наши результаты МЭГ показывают, что через 100 мс после появления стимула активация PT и прилегающей слуховой коры отражает акустический, но также и речевой анализ.

Какова точная природа связи между специфическими свойствами речи в звуке и возбуждением нейронов, еще предстоит выяснить. Основываясь на своих психоакустических экспериментах, Kuhl (2000) предположил, что статистические свойства входного слухового сигнала формируют систему обработки слуха в младенчестве для улучшения восприятия языка.Эта точка зрения предполагает, что какими бы ни были сочетания критических характеристик в речи, опыт играет важную роль в создании чувствительности к речи.

Применение акустического и речевого анализа при дислексии

Паттерн дифференциации речи и неречевой дифференциации у контрольных субъектов был воспроизведен в группе с дислексией. Однако групповые различия проявились в межполушарном времени ответа N100m и в общем балансе силы активации N100m, аналогично для речи и неречевых звуков.В контроле ответ был раньше в левом (контралатеральном), чем в правом (ипсилатеральном) полушарии, но у лиц с дислексией ответ левого полушария был задержан, и N100m достигло максимума одновременно в левом и правом полушариях. Кроме того, ответы правого полушария были слабее, чем ответы левого полушария, тогда как в контрольной группе общий уровень активации был одинаковым во всех двух полушариях.

Необычные временные и амплитудные эффекты могут отражать отдельные процессы, но их также можно легко понять как компоненты единого процесса.Поскольку предполагается, что активация контралатеральной слуховой коры модулирует ипсилатеральную слуховую кору через мозолистые связи (Mäkelä and Hari, 1992; Oe et al. , 2002), задержка ответа N100m левого полушария может снизить силу правое полушарие N100m. Это привело бы к комбинации эффектов времени и амплитуды, наблюдаемых у наших пациентов с дислексией. Почему у людей с дислексией задерживается ответ левого полушария N100m? Обычно контр- и ипсилатеральные ответы N100m в левом полушарии систематически медленнее, чем в правом полушарии для простых тонов (Salmelin et al., 1999). Более длительное время обработки в левом полушарии может быть связано с более сильными связями между извилиной Гешля (первичной слуховой корой) и прилегающей к ней PT в левом, чем в правом полушарии (Penhune et al. , 1996). Любые нарушения в этом взаимодействии могут вызвать задержку нарастания ответа N100m. Интересно, что аномалии развития левого PT (или левого против правого PT) и перисильвиевой области были предложены при вскрытии (например,Galaburda et al. , 1985; обзор см. в Galaburda, 1993), анатомической МРТ (например, Hynd и др. , 1990; Леонард и др. , 1993) и исследованиях на животных (обзор см. в Galaburda, 1994), которые могут повлиять на взаимодействие извилины Гешля с ПТ и, далее, ответ N100m на слуховые стимулы. Однако важно отметить, что взаимосвязь между аномалиями височной плоскости и дислексией может быть более сложной, например, разной. с предпочтением рук и общими речевыми способностями (см. e.грамм. Рамси и др. , 1997; Экерт и Леонард, 2000).

Настоящие данные предполагают изменения в общей слуховой обработке при дислексии во временном окне, когда извлекается специфическая для речи информация и в процесс вовлекается (левый) PT. Поскольку стимулы поступали только в правое ухо, мы должны проявлять осторожность в отношении полушарной специфичности эффекта. В исследовании повторения слов с помощью ПЭТ McCrory et al. (2000) использовал бинауральные стимулы и обнаружил аномально слабую активацию правой слуховой коры у взрослых с дислексией, что говорит о специфических для полушария эффектах.McCrory et al. (2000) интерпретировал их открытие как отражение особого акцента на фонетической (левое полушарие) и снижение акцента на нефонетической (правое полушарие) слуховой обработке при дислексии. Однако в настоящем наборе данных сниженная активация правого полушария была обнаружена как для речевых, так и для неречевых стимулов во время пассивного слушания, что делает чисто лингвистическое объяснение маловероятным.

Чтобы обеспечить прямое сравнение речевых и неречевых звуков, стимулы были максимально согласованы акустически и максимально просты.Следовательно, неразумно напрямую сравнивать настоящие данные с предыдущими МЭГ-исследованиями обработки речи или неречевой обработки при дислексии, в которых использовались быстро сменяющиеся неречевые звуки (Nagarajan et al. , 1999), парные речевые или неречевые звуки, не соответствующие по интенсивности ( Helenius et al. , 2002a) или естественные звуки речи (Helenius et al. , 2002b) у довольно специфических групп дислексиков (выраженные слуховые проблемы, сильная семейная дислексия в анамнезе). Тем не менее, важным общим выводом всех этих исследований является то, что различия в обработке слуха между контрольной группой и группой с дислексией были обнаружены в ответе N100m.

В заключение, мы предоставляем доказательства того, что активация, возникающая из-за PT и окружающей слуховой коры через 100 мс после начала звука, чувствительна к фонетическому содержанию речевого сигнала. Это утверждение основано на значительном увеличении силы активации и скорости нарастания сигнала в левом полушарии для звуков речи по сравнению со сложными и простыми неречевыми звуками. У пациентов с дислексией изменение баланса полушарий как по силе активации, так и по времени, как предполагается, связано с аномалиями в пределах левого PT или в связи между PT и первичной слуховой корой, которые влияют на всю слуховую обработку, включая фонетический анализ.Общее нарушение слуха в пределах временного окна фонетического анализа согласуется с сообщениями об обоих фонологических нарушениях (Рамси и др. , 1992; Studdert-Kennedy and Mody, 1995; Моди и др. , 1997; Helenius и др. , 2002a) и основной слуховой недостаточности (Tallal et al. , 1993; Hari and Kiesilä, 1996; Fitch et al. , 1997; Ahissar et al. , 2000; Amitay et al. ). , 2002; Renvall and Hari, 2002) при дислексии.

Это исследование было поддержано Пятой рамочной программой Европейского Союза (грант № QLK6-CT-1999-02140) и Академией Финляндии (грант № 44879, Программа Финского центра передового опыта 2000–2005). МРТ были получены в отделении радиологии Центральной больницы Хельсинкского университета. Мы благодарим Сейю Лейнонен за предоставленный фонологический тестовый материал. Мы благодарим Сейю Лейнонен за предоставленный фонологический тестовый материал и Мику Сеппа за помощь в преобразовании индивидуальных данных испытуемых в усредненные МРТ-изображения.

Список литературы

Ахиссар М., Протопапас А., Рид М., Мерзених М.М. (

2000

Proc Natl Acad Sci USA

97

6832

Alho K (

1995

Ear Hear

16

38

Амитай С., Ахиссар М., Нелкен И. (

2002

J Assoc Res Otolaryngol

3

302

Aulanko R, Hari R, Lounasmaa O, Näätänen R, Sams M (

1993

Нейроотчет

4

1356

Baldeweg T, Richardson A, Watkins S, Foale C, Gruzelier J (

1999

Ann Neurol

45

495

Бенсон Р., Уэлен Д.Х., Ричардсон М., Суэйнсон Б., Кларк В.П., Лай С., Либерман А.М. (

2001

Brain Lang

78

364

Биндер Дж. Р., Рао С. М., Хаммеке Т. А., Йеткин Ф. З., Йесманович А., Бандеттини П. А., Вонг Е. С., Эстковски Л. Д., Голдштейн М. Д., Хотон В. М., Хайд Дж. С. (

1994

Ann Neurol

35

662

Binder JR, Frost JA, Hammeke TA, Rao SM, Cox RW (

1996

Мозг

119

1239

Binder J, Frost J, Hammeke T, Bellgowan P, Springer J, Kaufman J, Possing E (

2000

Cereb Cortex

10

512

Брэдли Л., Брайант П. (

1983

Природа

301

419

Коннолли Дж. Ф., Филлипс Н. А. (

1994

J Cogn Neurosci

6

256

Delgutte B (

1999

Demonet J, Chollet F, Ramsay S, Cardebat D, Nespoulous JL, Wise R, Rascol A, Frackowiak R (

1992

Мозг

115

1753

Denckla M, Rudel R (

1976

Neuropsychologia

14

471

Eckert M, Leonard C (

2000

Ment Retard Dev Disabil Res Ред.

6

198

Элберлинг С., Бак С., Кофоед Б., Лебек Дж., Сэрмарк К. (

1982

Acta Neurol Scand

65

553

Eulitz C, Diesch E, Pantev C, Hampson S, Elbert T (

1995

J Neurosci

15

2748

Fitch RH, Miller S, Tallal P (

1997

Annu Rev Neurosci

20

331

Галабурда AM (

1993

Neurol Clin

11

161

Галабурда AM (

1994

Познание

50

133

Galaburda AM, Sherman GF, Rosen F, Aboitiz N, Geschwind N (

1985

Ann Neurol

18

222

Gootjes L, Raij T, Salmelin R, Hari R (

1999

Нейроотчет

10

2987

Hall D, Hart H, Johnsrude I (

2003

Audiol Neurootol

8

1

Hari R (

1990

Hari R, Kiesilä P (

1996

Neurosci Lett

205

138

Helenius P, Salmelin R, Richardson U, Leinonen S, Lyytinen H (

2002

J Cogn Neurosci

15

603

Helenius P, Salmelin R, Service E, Connolly JF, Leinonen S, Lyytinen H (

2002

J Neurosci

22

2936

Hynd GW, Semrud-Clickman M, Larys AR (

1990

Arch Neurol

47

919

Hämäläinen M, Hari R, Ilmoniemi R, Knuutila J, Lounasmaa O (

1993

Ред. Современная Физика

65

413

Иивонен А., Лаукканен А.М. (

1993

Каукоранта Э., Хари Р., Лоунасмаа О. В. (

1987

Exp Brain Res

69

19

Klatt D (

1980

J Acoust Soc Am

67

971

Kuhl P (

2000

Proc Natl Acad Sci USA

97

11850

Курики С., Мурасе М. (

1989

Exp Brain Res

77

127

Leinonen S, Müller K, Leppänen PHT, Aro M, Ahonen T., Lyytinen H (

2001

Чтение Запись

14

265

Леонард С.М., Воеллер К.К., Ломбардино Л.Дж., Моррис М.К., Хайнд Г.В., Александр А.В., Андерсен Х.Г., Гарофалакис М., Ханиман Дж. К., Мао Дж., Эйджи О.Ф., Стааб Е.В. (

1993

Arch Neurol

50

461

Liegeois-Chavel C, Musolino A, Badier JM, Marquis P, Chauvel P (

1994

Electroencephalogr Clin Neurophysiol

92

204

Lütkenhöner B, Steinstrater O (

1998

Audiol Neurootol

3

191

Mäkelä J, Hari R (

1992

Нейроотчет

3

94

Mäkelä JP, Ahonen A, Hämäläinen M, Hari R, Ilmoniemi R, Kajola M, Knuutila J, Lounasmaa OV, McEvoy L, Salmelin R, Salonen O, Sams M, Simola J, Tesche C, Vasama JP (

1993

) ) Функциональные различия между слуховой корой двух полушарий, выявленные с помощью нейромагнитных записей всей головы.

Hum Brain Mapp

1

48

McCrory E, Frith U, Brunswick N, Price C (

2000

J Cogn Neurosci

12

753

Моди М., Студдерт-Кеннеди М., Брэди С. (

1997

J Exp Child Psychol

64

199

Näätänen R (

1992

Näätänen R, Lehtokoski A, Lennes M, Cheour M, Huotilainen M, Iivonen A, Vainio M, Alku P, Ilmoniemi R, Luuk A, Allik J, Sinkkonen J, Alho K (

1997

Nature

385

432

Нагараджан С., Манке Х., Зальц Т., Таллал П., Робертс Т., Мерзених М.М. (

1999

Proc Natl Acad Sci USA

96

6483

Oe H, Kandori A, Yamada N, Miyashita T., Tsukada K, Naritomi H (

2002

Neurosci Res

44

483

Penhune VB, Zatorre RJ, MacDonald JD, Evans AC (

1996

Cereb Cortex

6

661

Филлипс С. (

2001

Cogn Sci

25

711

Филлипс К., Пеллати Т., Маранц А., Йеллин Э, Векслер К., Поппель Д., МакГиннис М., Робертс Т. (

2000

J Cogn Neurosci

12

1038

Rauschecker J (

1998

Curr Opin Neurobiol

8

516

Rauschecker J, Tian B, Hauser M (

1995

Наука

268

111

Renvall H, Hari R (

2002

J Cogn Neurosci

14

757

Рамси Дж. М., Андреасон П., Заметкин А. Дж., Акино Т., Кинг С., Гамбург С. Д., Пикус А., Рапопорт Дж. Л., Коэн Р. (

1992

Arch Neurol

49

527

Rumsey JM, Donohue BC, Brady DR, Nace K, Giedd GN, Andreason P (

1997

Arch Neurol

54

1481

Салмелин Р., Шницлер А., Паркконен Л., Бирманн К., Хелениус П., Кивиниеми К., Куукка К., Шмитц Ф., Фройнд Х. (

1999

Proc Natl Acad Sci USA

96

10460

Schulte-Körne G, Deimel W, Bartling J, Remschmidt H (

2000

Int J Psychophysiol

40

77

Shankweiler D, Crain S, Katz L, Fowler A, Liberman A, Brady S, Thornton R, Lundquist E, Dreyer L, Fletcher J, Stuebing K, Shaywitz S, Shaywitz B (

1995

Psychol Sci

6

149

Штыров Ю., Куяла Т., Палва С., Илмониеми Р., Нятянен Р. (

2000

Neuroimage

12

657

Стивенс К.Н. (

1980

J Acoust Soc Am

68

836

Studdert-Kennedy M, Mody M (

1995

Psychon Bull Rev

2

508

Suga N, O’Neill WE, Manabe T (

1978

Наука

200

778

Таллал П., Миллер С., Fitch R (

1993

Ann N Y Acad Sci

14

27

Tiitinen H, Sivonen P, Alku P, Virtanen J, Näätänen R (

1999

Cogn Brain Res

8

355

Вихла М., Салмелин Р. (

2003

Cogn Brain Res

16

167

Вихла М., Лоунасмаа О., Салмелин Р. (

2000

Proc Natl Acad Sci USA

97

10590

Vouloumanos A, Kiehl K, Werker J, Liddle P (

2001

J Cogn Neurosci

13

994

Wechsler D (

1981

Wechsler D (

1987

Wessinger C, Van Meter J, Tian B, Van Lare J, Pekar J, Rauschecker J (

2001

J Cogn Neurosci

13

1

Wiik K (

1965

Wolf M (

1986

Brain Lang

27

360

Вольф М., Обрегон М. (

1992

Brain Lang

42

219

Zatorre R, Evans A, Meyer E, Gjedde A (

1992

Наука

256

846

Schormann T, Henn S, Zilles K (

1996

Конспект лекций в Comput Sci

1131

337

Woods RP, Grafton ST, Holmes CJ, Cherry SR, Mazziotta JC (

1998

J Comp Assist Tomogr.

22

139

Woods RP, Grafton ST, Watson JDG, Sicotte NL, Mazziotta JC, (

1998

J Comput Assist Tomogr.

22

153

Кора головного мозга V 15 N 7 © Oxford University Press, 2004; все права защищены

Корковая дифференциация речи и неречевых звуков на 100 мс: последствия для дислексии | Кора головного мозга

Аннотация

Нейрофизиологические измерения показывают чувствительность коры к звукам речи через 150 мс после появления стимула.В этом временном окне у субъектов с дислексией начинает проявляться аномальная обработка коры головного мозга. Мы исследовали, отражается ли фонетический анализ в устойчивой слуховой корковой активации на ~ 100 мс (N100m), и проявляют ли субъекты с дислексией ненормальные ответы N100m на речь или неречевые звуки. Мы использовали магнитоэнцефалографию для записи слуховых реакций 10 нормально читающих и 10 взрослых с дислексией. Речевыми стимулами служили синтетические звуки финской речи (/ a /, / u /, / pa /, / ka /). Неречевые стимулы представляли собой сложные неречевые звуки и простые синусоидальные тоны, состоящие из формантных частот F1 + F2 + F3 и F2 соответственно.Все звуки вызывали заметный ответ N100m в двусторонней слуховой коре. Активация N100m была сильнее для речи, чем неречевые звуки в левой, но не в правой слуховой коре, в обеих группах испытуемых. Левый сдвиг полушарного баланса звуков речи, вероятно, отражает анализ на фонетическом уровне. У пациентов с дислексией общий межполушарный баланс амплитуд и синхронизация были изменены для всех типов звука одинаково. Таким образом, люди с дислексией имеют необычную корковую организацию общей слуховой обработки во временном окне речевого анализа.

Введение

Речевой сигнал состоит из сложного набора акустических характеристик, таких как частотный диапазон, амплитуда, продолжительность сигнала и паузы, а также быстрые изменения спектра. Фонетические признаки должны быть извлечены из этого акустического сигнала, чтобы перейти к фонологическому и, наконец, к семантическому анализу. Имеются данные о множественных представлениях и стадиях обработки при анализе звуков речи в человеческом мозге (для обсуждения см. Phillips, 2001), но остается нерешенным, где и в какое окно извлекается специфическая для речи информация.

В течение последнего десятилетия области коры головного мозга, непосредственно участвующие в анализе звуков речи, были исследованы с помощью функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ) и позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ). Было показано, что речевые стимулы вызывают более широкую активацию, чем неречевые стимулы, в верхней височной коре с обеих сторон или с небольшим преобладанием левого полушария (Demonet et al., , 1992; Zatorre et al. , 1992; Binder et al. , 1994; Vouloumanos et al., 2001). При поиске нейронной основы фонетической обработки очень важно сопоставить звуки речи с акустически сопоставимыми звуками, чтобы исключить возможность обнаружения различий только на основе сложности. Сравнение фонетического и акустического анализа выявило активацию левой верхней и средней височных извилин (STG и MTG) и верхней височной борозды (STS) (Binder et al. , 2000; Benson et al. , 2001; Vouloumanos et al. др. , 2001).

Однако идентификация корковых локусов, избирательно активируемых звуками речи, дает только частичную информацию. Восприятие речи – очень быстрый процесс – сигнал трансформируется от акустических характеристик к значению за доли секунды. Таким образом, особенно на ранних этапах анализа речевого сигнала, вероятно, что нейронные представления различных этапов и преобразований активируются очень быстро. За ходом слуховой обработки можно следить с помощью нейрофизиологических измерений, электроэнцефалографии (ЭЭГ) и магнитоэнцефалографии (МЭГ).

Семантическая обработка разговорной речи начинается примерно через 200–300 мс после начала звука, как показано, например, посредством исследований с использованием предложений с семантически совпадающими или несовместимыми конечными словами (см. Коннолли и др. , 1994; Хелениус и др. , 2002b). Таким образом, к этому времени должна быть доступна фонетическая / фонологическая информация. В течение первых 200 мс специфичность речи была проверена с использованием необычных парадигм. В этих установках частые (стандартные) стимулы перемежаются с нечастыми (отклоняющимися) стимулами.Различие между ответами на девиантные и стандартные стимулы в слуховой коре известно как реакция несоответствия или негативность несоответствия (MMN) в литературе по ЭЭГ (Näätänen, 1992; Alho, 1995). MMN обычно достигает максимума примерно через 150 мс после появления стимула. Это рассматривается как отражение слуховой сенсорной памяти на нейрональном уровне. MMN по-разному ведет себя для речевых и неречевых стимулов (Aulanko et al. , 1993; Phillips et al. , 2000; Shtyrov et al., 2000; Vihla et al. , 2000). Более того, MMN-ответы на контрасты фонем на родном языке сильнее, чем на контрасты неродных (Näätänen et al. , 1997). Таким образом, в этом временном окне должно быть доступно фонетическое представление звука речи, чтобы можно было проследить память на основе фонетических (или фонологических) меток.

В настоящее время не установлено, отражается ли анализ речи в нейронной обработке до временного окна MMN. Сигналу MMN предшествует надежная активация слуховой коры примерно через 100 мс после начала звука, называемая N100m (или N100 в литературе по ЭЭГ).Некоторые исследования предполагают фонетические / фонологические эффекты в этой реакции, а другие – нет (Курики и Мурас, 1989; Eulitz и др. , 1995; Gootjes и др. , 1999; Tiitinen и др. , 1999). Gootjes et al. (1999) обнаружил значительно более сильную реакцию N100m на гласные, чем на тоны или ноты фортепиано, в левом, но не в правом полушарии. Однако Eulitz et al. (1995) и Tiitinen et al. (1999) не обнаружил существенной разницы в силе ответа N100m на речевые и тональные стимулы, хотя ответ N100m на звуки речи был немного позже, чем на тоны, в обоих полушариях.Вариабельность результатов, вероятно, во многом связана с изменчивостью стимулирующих материалов. Во многих из этих исследований основной вопрос исследования не требовал тщательного акустического сопоставления речевых и неречевых стимулов, или его не предпринимали. Таким образом, результаты, отличающиеся для речевых звуков и неречевых звуков, могут отражать акустические вариации, а не чувствительность к речевым звукам как таковым . Также стоит отметить, что в любом отдельном исследовании стимулы, как правило, были звуками со стабильной частотой (т.е. звуки типа гласных) (Eulitz et al. , 1995; Tiitinen et al. , 1999; Vihla, Salmelin, 2003) или переходные звуки (т. е. звуки типа CV-слога) (Shtyrov et al. , 2000 ), но не то и другое вместе. Поскольку естественный язык представляет собой смесь этих звуковых типов, может быть важно разрешить акустические вариации среди речевых стимулов при оценке коркового анализа речи по сравнению с неречевыми звуками.

Характеристика временных окон и баланса полушария с помощью акустического и фонетического / фонологического анализа важна не только для понимания нормального восприятия речи, но и для понимания нейронной основы дислексии.Известно, что у людей с дислексией возникают проблемы при выполнении задач, требующих слухового фонетического анализа (Bradley and Bryant, 1983; Shankweiler et al. , 1995). На уровне нейронов субъекты с дислексией демонстрируют отсроченную семантическую обработку через 300–400 мс после стимула (Helenius et al. , 2002b) и аномалии в предыдущем ответе MMN (Baldeweg et al. , 1999; Schulte-Körne et al. , 2000) и ответ N100m (Helenius et al. , 2002b). Эти данные явно указывают на проблемы в течение первых 200 мс после начала речи.Было бы заманчиво интерпретировать необычные паттерны корковой активации у субъектов с дислексией как сигнатуры их известных фонологических проблем, но, очевидно, они также могли быть связаны с аномалиями в базовой акустической обработке. Функциональная роль временного окна N100m в анализе речи по сравнению с неречевым анализом, таким образом, также является актуальной проблемой в исследованиях дислексии.

В настоящем исследовании мы использовали МЭГ всей головы, чтобы сосредоточить внимание на роли слухового коркового ответа N100m в акустической и фонетической обработке.Во-первых, мы исследовали, является ли ответ N100m чувствительным к речи в нормальной популяции испытуемых, то есть отличается ли сила или время нейронного ответа между речевыми и неречевыми звуками. Нашими речевыми стимулами были два синтетических гласных и согласный-гласный слог. Неречевые стимулы представляли собой сложные звуки и простые синусоидальные тона, которые спектрально и временно были тщательно согласованы с речевыми стимулами. Во-вторых, мы протестировали эти же речевые и неречевые стимулы на группе лиц с дислексией, чтобы выяснить, демонстрируют ли они отклонение от паттерна реакции, наблюдаемого в элементах управления, для всех типов звуков или конкретно для звуков речи.

Материалы и методы

Стимулы

В качестве стимулов использовались синтетические звуки речи, сложные неречевые звуки и простые синусоидальные тона (рис. 1). Длительность всех стимулов составляла 150 мс. Звуками речи были финские гласные (V; / a /, / u /) и согласные-гласные слоги (CV; / pa /, / ka /), созданные с помощью синтезатора Klatt (Klatt, 1980) для Macintosh (Sensimetrics, Cambridge, Массачусетс, США). Основная частота (F0) постоянно снижалась со 118 до 90 Гц, напоминая нормальный мужской голос.Частоты формант F1, F2 и F3 для гласного / a / составляли 700, 1130 и 2500 Гц, а для гласного / u / – 340, 600 и 2500 Гц, соответственно. Эти значения были основаны на исследованиях звуков финской речи и структуры формант (Wiik, 1965; Iivonen and Laukkanen, 1993) и субъективной оценке качества и разборчивости гласных и согласных звуков. Ширина полосы формант в обеих гласных составляла 90 Гц для F1, 100 Гц для F2 и 60 Гц для F3. Огибающие гласных имели периоды нарастания и затухания по 15 мс.

Рисунок 1.

Схематическое изображение частотной композиции в различных типах стимулов (речь, сложный звук и тон синусоидальной волны) для установившегося звука (/ a / и его неречевые эквиваленты) и переходного звука (/ pa / и его неречевого звука). эквиваленты). Горизонтальные линии представляют различные частотные компоненты (или форманты, F), а вертикальные пунктирные линии представляют конец переходного периода в переходных звуках (на 35 мс).

Рисунок 1.

Схематическое изображение частотной композиции в различных типах стимулов (речь, сложный звук и тон синусоидальной волны) для установившегося звука (/ a / и его неречевых эквивалентов) и переходного звука ( / pa / и его неречевые эквиваленты).Горизонтальные линии представляют различные частотные компоненты (или форманты, F), а вертикальные пунктирные линии представляют конец переходного периода в переходных звуках (на 35 мс).

CV-слоги начинались с частотного перехода 35 мс, где частоты F1, F2 и F3 линейно изменялись от 503 до 700 Гц, от 858 до 1130 Гц и от 2029 до 2500 Гц для / pa /, и от 503 до 700 Гц, 1402 до 1130 Гц и с 2029 до 2500 Гц для / ka /. За начальным переходом следовал установившийся период 115 мс, в котором частоты формант были идентичны гласным / а /.Таким образом, звуки / pa / и / ka / различались только направлением изменения F2. Чтобы добиться естественного звучания стоп-согласной, стимулы начинались со вспышки трения длительностью 4 мс. Аспирация добавлялась с 1 мс и далее, плавно уменьшаясь в течение 150 мс длительности стимулов. Огибающие стимулов CV были аналогичны таковым для гласных, за исключением начала, когда голос начинался на 5 мс, а период нарастания звука был более быстрым.

Неречевые стимулы были созданы в Sound Edit (MacroMedia, Сан-Франциско, Калифорния, США).Это были простые синусоидальные тоны и сложные звуки, объединенные из трех компонентов синусоидального тона точно такой же частоты, что и форманты каждого из четырех звуков речи. Чтобы сохранить разницу в переходах между / pa / и / ka / также в тонах синусоидальной волны, эти стимулы были составлены из частоты F2 каждого речевого звука. Огибающие неречевых звуков были аналогичны речевым звукам, включая периоды нарастания и затухания на 15 мс, а также нарастание наклона для неречевых эквивалентов стимулов сердечно-сосудистой системы.Несмотря на тщательное акустическое сопоставление, ни один из неречевых звуков не воспринимался как звуки речи.

Амплитуды различных звуков были скорректированы с помощью удлиненных версий исходных звуков, так что в конце системы доставки звука, измеренной с помощью искусственного уха и анализатора спектра, откалиброванного с учетом чувствительности уха, амплитуды звука различались на <2 дБ (SPL ).

Субъекты

Субъектами были 10 нормально читающих взрослых (23–39 лет; пять женщин) и 10 взрослых с дислексией развития (20–39 лет; пять женщин).Субъекты дали свое информированное согласие на участие в исследовании. Они были носителями финского языка, правши (за исключением одного контрольного объекта), и не имели в анамнезе потери слуха или неврологических отклонений. Взрослые с дислексией были отобраны на основе самооценки раннего анамнеза проблем с чтением. Все они прошли тестирование на дислексию или прошли специальное обучение по устранению трудностей с чтением в школьные годы. Средний уровень образования в контрольной (14 лет) и дислексической группах (13 лет) был схожим.

Поведенческие тесты

Субъекты с дислексией были протестированы на общие лингвистические и неязыковые способности с использованием подмножества стандартизированной финской версии Шкалы интеллекта взрослых Векслера – пересмотренной (WAIS-R) и шкалы памяти Векслера – пересмотренной (WMS-R) (Словарь, Понимание, Сходства, Дизайн блока, Размах цифр, Размах визуального восприятия) (Wechsler, 1981, 1987; Woods et al., 1998a; Woods et al., 1998b). Также измерялась скорость чтения и называния слов у пациентов с дислексией.Пониженная скорость чтения (Leinonen et al. , 2001) и скорость наименования (Wolf and Obregon, 1992) оказались надежными маркерами дислексии. В ходе устного чтения испытуемых просили прочитать вслух рассказ, напечатанный на листе бумаги. Скорость чтения измерялась в словах в минуту. В тесте быстрого автоматического именования (Denckla and Rudel, 1976) и в тесте быстрого именования переменных стимулов (Wolf, 1986) испытуемых просили назвать матрицу цветов, чисел и букв 5 × 10, и была измерена скорость именования.Результаты этих тестов сравнивались с данными норм 38 (Устное чтение, РАН) и 15 (РАН) нормально читающих субъектов.

Кроме того, были проведены следующие фонологические тесты, представленные на слух. В тесте на удаление фонем (Leinonen et al. , 2001) 16 слов из 4–10 букв и 2–4 слогов были представлены через наушники. Испытуемых просили произносить каждый стимул без второй фонемы (например, studio → sudio, kaupunki → kupunki). Подсчитывалось количество правильных ответов.В тесте на обращение слогов (Leinonen et al. , 2001) 10 слов и 10 псевдослов из 5–9 букв и 3–4 слогов были представлены через наушники, и испытуемых просили изменить порядок последних двух слогов и произнесите вслух новое псевдослово (например, aurinko → aukorin, rospiemi → rosmipie). Подсчитывалось количество правильных ответов. Для тестов на удаление фонем и реверсирование слогов время голосовой реакции на стимулы измерялось по сигналу микрофона. В тесте на правописание (Leinonen et al., 2001) испытуемых просили написать под диктовку 10 псевдослов и 10 слов из 6–14 букв и 2–7 слогов. Было подсчитано количество ошибок. Эти фонологические тесты были проведены также у семи контрольных субъектов, участвовавших в этом исследовании.

Методика измерения MEG

Измерения проводились в помещении с магнитным экраном. Презентация стимула контролировалась программой презентации (Neurobehavioral Systems Inc., Сан-Франциско, Калифорния) на ПК. Чтобы нормализовать интенсивность стимулов у испытуемых, индивидуальные пороги слышимости определялись перед фактическим измерением с использованием простых тонов 1 кГц длительностью 50 мс с временами нарастания и спада 15 мс. Стимулы подавались к испытуемому через пластиковые трубки и наушники на уровне 65 дБ выше субъективного порога слышимости. Испытуемые смотрели немой фильм, и им было приказано игнорировать слуховые раздражители.

Было два сеанса. В первом сеансе субъект слышал случайную последовательность гласных звуков и их неречевых эквивалентов (синтетические / a / и / u /, сложные звуковые эквиваленты / a / и / u / и тональные эквиваленты / a / и / u /. ).Во втором сеансе стимулами были звуки CV и их неречевые эквиваленты (синтетические / па / и / ка /, сложные звуковые эквиваленты / па / и / ка / и тональные эквиваленты / па / и / ка /). Порядок занятий был рандомизирован по предметам. Стимулы разделялись межстимульным интервалом в 2 секунды, и они подавались монофонически в правое ухо, чтобы максимально задействовать левое полушарие с доминантой языка. Каждый сеанс длился 20–30 минут, а сеансы разделялись 2–3-минутным перерывом.

MEG записей

сигналов MEG были записаны с использованием 306-канальной системы головного мозга в форме шлема (Vectorview ™, Neuromag Ltd, Хельсинки, Финляндия) с двумя ортогонально ориентированными планарными градиентометрами и одним магнитометром в 102 точках. Сигналы подвергались полосовой фильтрации с частотой 0,03–200 Гц, дискретизировались с частотой 600 Гц и усреднялись в режиме онлайн от 200 мс до начала стимула до 800 мс после него. Горизонтальная и вертикальная электроокулограммы записывались для оперативного отбрасывания эпох, загрязненных морганиями или саккадами.Было собрано около 100 эпох без артефактов и усреднено отдельно для каждой из 12 категорий стимулов. Положение головы испытуемого относительно измерительного шлема определялось в начале каждого сеанса измерения путем кратковременного включения четырех катушек индикатора положения головы, прикрепленных к голове испытуемого. Расположение катушек определяли по трем анатомическим ориентирам (преаурикулярные точки и назион) с использованием трехмерного дигитайзера (Polhemus, Colchester, VT). Таким образом, местоположение активных областей мозга может отображаться на анатомических МР-изображениях после идентификации ориентиров на МР-изображениях.

Анализ данных

MEG были отфильтрованы нижними частотами при 40 Гц перед дальнейшим анализом. Активированные области были смоделированы как эквивалентные диполи тока (ECD), которые представляют среднее местоположение, направление и силу тока, протекающего в данном кортикальном пятне (Hämäläinen et al. , 1993). ECD были определены с помощью стандартных наборов 46 планарных градиометров (= 23 пары), которые покрывали 100 мс звукового поля в каждом полушарии.Сферическая оценка использовалась для описания профиля проводимости мозга. Модель сферы была адаптирована для оптимального описания кривизны височных областей с использованием индивидуальных анатомических МР-изображений, когда они были доступны (восемь контрольных субъектов и четыре пациента с дислексией), или сферической модели, которая представляла собой среднее значение индивидуальных параметров всех наших субъектов с МРТ, рассчитываемые отдельно для мужчин и женщин.

У каждого испытуемого сначала определяли ДРВП отдельно для каждого стимула.Степень согласия полученных двухдипольных моделей (по одному диполю в каждом полушарии) варьировалась от 85 до 95% для разных испытуемых и разных стимулов. Внутри каждого испытуемого расположение источников варьировалось в среднем на 1 см, а направление тока на 25 ° по разным стимулам в обоих полушариях. Близкое сходство ECD, обнаруженное в различных условиях стимула, позволило улучшить отношение сигнал / шум путем формирования среднего значения ответов на все стимулы у каждого испытуемого (четыре категории стимулов: две гласные и два слога; три стимула. типы: тон, сложный звук, звук речи; всего 1090–1354 попытки).Затем смоделированные в этом усредненном наборе данных ЭКД левого и правого полушария использовались для учета сигналов МЭГ, записанных для каждого стимула. Расположение и ориентация двух ECD оставались фиксированными, в то время как их амплитуда могла изменяться для лучшего объяснения сигналов, регистрируемых всеми датчиками в течение всего интервала усреднения. Эта общая двухдипольная модель учитывала сигналы МЭГ в каждом условии стимула в равной степени, как и двухдипольные модели, которые были найдены отдельно для каждого условия стимула (степень согласия варьировалась от 83 до 94%).Использование общего набора из двух ECD для всех условий у каждого отдельного субъекта позволило напрямую сравнить временное поведение активации в этих корковых областях (исходные формы волн) по всем стимулам.

Статистические тесты

Дисперсионный анализ с повторными измерениями (ANOVA) с категорией стимула (/ a /, / u /, / pa /, / ka /), типом стимула (речевой звук, сложный неречевой звук, простой тон) и полушарием (слева, справа), поскольку факторы внутри субъектов использовались для оценки систематических эффектов силы и латентности активации в каждой популяции субъектов.Расположение источников тестировалось отдельно для каждого пространственного измерения ( x = аксиальная плоскость от левого уха до правого уха, y = аксиальная плоскость, ортогональная x , по направлению к назиону, z = сагиттальная плоскость от нижнего до нижнего уха). Superior), а также были проверены направления тока. Для сравнения групп использовали смешанную модель ANOVA с группой (контроль, дислексики) в качестве фактора между субъектами.

Для поведенческих тестов время реакции и количество ошибок между группами испытуемых анализировались с помощью теста Стьюдента t .Чтобы проверить корреляцию между фонологическими способностями и корковыми показателями, мы рассчитали коэффициент корреляции Пирсона.

Результаты

Результаты нейровизуализации у нормально читающих субъектов

На рисунке 2 показаны примеры сигналов MEG, записанных у одного испытуемого. Ответы на разные типы звуков (речевой звук, сложный неречевой звук и простой тон) представлены на датчиках МЭГ, которые показали максимальную амплитуду над левой и правой слуховой корой.На рисунке 3 показано групповое среднее расположение эквивалентных диполей тока, которые наилучшим образом представляли активированные области коры головного мозга у каждого субъекта, наложенное на МРТ-изображение, усредненное по контрольным субъектам (Schormann et al., 1996; Woods et al., 1998a, 1998b). . В некоторых случаях диполи были обнаружены в извилине Гешля, но в основном они были локализованы в борозде Гешля или заднебоковой к ней.

Рис. 2.

MEG-ответы, вызванные звуком речи / a /, сложным звуковым эквивалентом / a / и простым тоновым эквивалентом / a / (черная, серая и пунктирная линия, соответственно), зарегистрированные двумя выбранными датчиками над левая и правая височная кора у одного испытуемого.

Рисунок 2.

MEG-ответы, вызванные звуком речи / a /, сложным звуковым эквивалентом / a / и простым тоновым эквивалентом / a / (черная, серая и пунктирная линия соответственно), зарегистрированные двумя выбранными датчиками над левой и правой височной корой у одного испытуемого.

Рис. 3.

Среднее местоположение ответа на 100 метров в левом и правом полушарии, а также среднее время активации для речевого звука / па / (черная линия), его сложного неречевого эквивалента (серая линия) и простого тонового эквивалента. (пунктир).Сильвиева трещина выделена на МРТ.

Рис. 3.

Среднее местоположение ответа N100m в левом и правом полушарии и среднее время активации для речевого звука / па / (черная линия), его сложного неречевого эквивалента (серая линия) и простого тона. эквивалент (пунктирная линия). Сильвиева трещина выделена на МРТ.

Среднее время активации (рис. 3) было качественно одинаковым для всех категорий стимулов (/ a /, / u /, / pa /, / ka /) и всех типов стимулов (речевой звук, сложный звук, простой тон). ).После небольшого отрицательного падения сигнал начал увеличиваться через ~ 50 мс после начала стимула, достиг максимума через ~ 100 мс (N100m) и оставался на довольно низком уровне через ~ 200 мс. Источники в правом полушарии располагались в среднем на 6 мм впереди источников в левом полушарии [ F (1,9) = 6,1, P <0,05], что согласуется с предыдущими отчетами (например, Elberling et al. ). , 1982; Каукоранта, и др., , 1987). Систематических различий в расположении источников между разными категориями (/ a /, / u /, / pa /, / ka /) не было.Небольшие различия в расположении и ориентации возникали между разными типами стимулов (речь, сложные неречевые звуки и простые тона), но в абсолютном выражении они были пренебрежимо малыми: 1–3 мм в среднем положении и 2–7 градусов в средней ориентации.

Сила отклика 100м

Сила ответа N100m (таблица 1 и рис. 4 a ) варьировалась в зависимости от типа стимула в левом полушарии, но не в правом полушарии [тип стимула, F (2,18) = 10.2, P <0,001; и тип стимула для каждого полушария: взаимодействие F (2,18) = 13,4, P <0,001]. В левом полушарии ответы на звуки речи были сильнее, чем на сложные неречевые звуки и простые тона [ F (2,18) = 14,7, P <0,001]. Влияние типа стимула было значимым для всех категорий стимулов (a: P <0,001, u: P <0,001, pa: P <0,01, ka: P <0.001).

Рис. 4.

Средняя (+ SEM) сила активации N100m для контрольной ( a ) и дислексической группы ( b ). Ответы в контралатеральном левом полушарии показаны слева, а в ипсилатеральном правом полушарии – справа. Звуки речи, сложные неречевые звуки и простые тона представлены черными, серыми и белыми полосами соответственно. Пунктирная линия представляет собой среднюю амплитуду активации по всем звукам в левом полушарии контрольных субъектов.

Рис. 4.

Средняя (+ SEM) сила активации N100m для контрольной ( a ) и дислексической группы ( b ). Ответы в контралатеральном левом полушарии показаны слева, а в ипсилатеральном правом полушарии – справа. Звуки речи, сложные неречевые звуки и простые тона представлены черными, серыми и белыми полосами соответственно. Пунктирная линия представляет собой среднюю амплитуду активации по всем звукам в левом полушарии контрольных субъектов.

Сила и латентность источника N100m в левом и правом полушарии у контрольных (Cont) и дислексических (Dys) субъектов для звуков речи, сложных неречевых звуков и простых тонов (среднее ± SEM)

Сила и время ожидания источника N100m в левом t и правое полушарие у контрольных (Cont) и лиц с дислексией (Dys) для звуков речи, сложных неречевых звуков и простых тонов (среднее ± SEM)

Когда стимулами были звуки речи, сила ответа N100m nse было одинаковым для всех категорий стимулов (/ a /, / u /, / pa /, / ka /).Однако для сложных и простых неречевых звуков наблюдалось значительное изменение силы N100m в зависимости от категории стимула в обоих полушариях [категория стимула, F (3,27) = 4,3, P <0,05; взаимодействие типа за категорией стимула, F (6,54) = 2,4, P <0,05; только звуки речи, F (3,27) = 1,8, P = 0,2; только сложные звуки, F (27,3) = 5,0, P <0,01; только тоны синусоидальной волны, F (3,27) = 4.4, P <0,05].

Время ответа N100m

Начальная латентность (момент времени, когда сигнал пересекает уровень стандартного отклонения базовой линии пресимула) не показывает систематических изменений в зависимости от типа звука. Однако нарастание ответа N100m в левом и правом полушарии различает речевые и неречевые звуки (рис. 5). Для речевых звуков восходящий наклон ответа N100m (увеличение амплитуды в зависимости от времени) был круче в левом, чем в правом полушарии, но для неречевых звуков не было значительной разницы между двумя полушариями [взаимодействие типа стимула по полушарию , F (2,18) = 4.2, P <0,05; эффект полушария для звуков речи F (1,9) = 7,8, P <0,05, сложных звуков F (1,9) = 2,8, P = 0,1 и синусоидальных тонов F (1,9) = 2,5, P = 0,2)].

Рис. 5.

Схематическое изображение нарастания реакции N100m (от начала до пика) на речевой звук (вверху), сложный неречевой звук (в центре) и простой тон (внизу) слева (жирные линии) ) и правое (тонкие линии) полушария контрольных (слева) и лиц с дислексией (справа).Данные показаны для звуковой категории / a /.

Рисунок 5.

Схематическое изображение нарастания реакции N100m (от начала до пика) на речевой звук (вверху), сложный неречевой звук (посередине) и простой тон (внизу) слева (толстый линии) и правое (тонкие линии) полушария контрольных (слева) и дислексических субъектов (справа). Данные показаны для звуковой категории / a /.

Ответ N100m достиг максимума в среднем на 2–5 мс позже для речи, чем сложные неречевые звуки, и на 7–9 мс позже, чем для тонов [ F (2,18) = 4.8, P <0,05], аналогично в обоих полушариях. Ответы на все звуки достигли максимума раньше в контралатеральном левом полушарии (96 ± 11 мс, среднее ± SEM), чем в ипсилатеральном правом полушарии (108 ± 9 мс) [ F (1,9) = 52.0, P <0,001], что согласуется с предыдущими сообщениями о монофонической слуховой стимуляции (например, Elberling et al. , 1982; Mäkelä et al. , 1993; см. Таблицу 1).

Эффект стимуляции уха был впоследствии протестирован на 7 из 10 субъектов, участвовавших в первоначальном исследовании.Стимулы, подаваемые в левое ухо (/ a / и / pa / и их неречевые эквиваленты), вызывали такой же паттерн активации, как и стимулы, подаваемые в правое ухо (рис. 6). В левом полушарии активация речи была сильнее, чем сложные и простые неречевые звуки, но в правом полушарии не было обнаружено общего эффекта уровня стимула [эффект уровня, F (2,12) = 9,3, P <0,01 ; межполушарное взаимодействие, F (2,12) = 5,0, P <0.05]. Таким образом, на чувствительность силы N100m в разных полушариях к речевым и неречевым звукам изменение стимулированного уха не влияло.

Рис. 6.

Средняя (+ SEM) сила активации N100m в левом и правом полушариях для стимуляции левого уха звуками речи, сложными неречевыми звуками и простыми тонами (черные, серые и белые полосы соответственно).

Рис. 6.

Средняя (+ SEM) сила активации N100m в левом и правом полушариях для стимуляции левого уха звуками речи, сложными неречевыми звуками и простыми тонами (черные, серые и белые полосы соответственно) .

Результаты нейровизуализации у субъектов с дислексией и контрольной группы

Систематических групповых различий в расположении активированных участков не обнаружено. Как и в контроле, расположение источника незначительно зависело от типа стимула (1–3 мм между речевым и неречевым состояниями).

Сравнение силы N100 м в двух группах испытуемых

Сила источника N100m не показала ни основного эффекта группы субъектов, ни значимых взаимодействий.Таким образом, как и в контрольной группе, у субъектов с дислексией сила N100m различала речевые и неречевые звуки в левом полушарии [ F (2,18) = 8,2, P <0,01], но не в правом полушарии [ F (2,18) = 1,5, P = 0,2] (рис. 4 b ). Однако в правом полушарии наблюдалась тенденция к более слабой активации у дислексиков, чем у контрольных субъектов [эффект группы в правом полушарии F (1,18) = 3.6, P = 0,08]. В отдельном ANOVA для субъектов с дислексией сила N100m значительно различалась между полушариями [слева 53 ± 7 нАм, справа 40 ± 4 нАм, F (1,9) = 5,5, P <0,05], в то время как в у контрольных субъектов общий уровень активации между полушариями был очень похож [левый 54 ± 7 нАм, правый 55 ± 7 нАм, F (1,9) = 0,01, P = 0,9].

Сравнение времени N100m в двух группах испытуемых

Построение ответа N100m показало тонкий эффект группы субъектов для звуков речи, но не для звуков, не относящихся к речи [эффект группы для звуков речи, F (1,18) = 4.9, P <0,05; сложные неречевые звуки, F (1,18) = 0,9, P = 0,3; тона синусоидальной волны, F (1,18) = 1,9, P = 0,2]. Было обнаружено, что N100m для звуков речи повышается более постепенно у лиц с дислексией, чем у контрольных субъектов, аналогично в обоих полушариях.

Пиковая латентность ответа N100m (таблица 1) показала значимое межполушарное взаимодействие [ F (1,18) = 5,4, P <0,05]. В отдельном анализе для каждого полушария пиковая латентность в левом полушарии имела тенденцию быть дольше у лиц с дислексией, чем у контрольных субъектов, но эта разница только приближалась к значимости [ F (1,18) = 3.0, P = 0,1]. В правом полушарии группы показали очень похожее время активации [ F (1,18) = 0,007, P = 0,9]. Когда испытуемых с дислексией тестировали отдельно, типичный образец более ранней реакции в контралатеральном левом, чем в ипсилатеральном правом полушарии, обнаруженный в контрольной группе, не был очевиден (слева 104 ± 5 ​​мс, справа 108 ± 5 мс) (см. Рис. 5). Тем не менее, реакция на простые тона достигала максимума первой, а реакция на звуки речи последней, аналогично в обоих полушариях, как и в контрольной группе [основной эффект типа стимула F (2,18) = 7.1, P <0,01].

Поведенческие результаты и корреляция с ответами на МЭГ у лиц с дислексией по сравнению с контрольными субъектами

Все испытуемые с дислексией обладали нормальным интеллектом, как было определено с помощью общих лингвистических и нелингвистических когнитивных тестов (WAIS-R, WMS-R) (Таблица 2). Субъекты с дислексией были значительно медленнее, чем контрольная группа с нормальным чтением, в тесте орального чтения [средняя разница 59 слов, t (46) = 5,8, P <0,001] и тестах Rapid Naming [средняя разница в RAS 9 с, t (46) = −5.0, P <0,001; и в RAN 5 с t (23) = -2,5, P <0,05]. Контрольные субъекты в настоящем исследовании (7 из 10 протестированных) не отличались от более крупного нормативного набора данных ни в устном чтении [ t (35) = -0,7, P = 0,5], либо в Rapid Naming [RAS, t (35) = 1,1, P = 0,3; РАН, t (12) = 1,3, P = 0,2]. В более специфических фонологических тестах испытуемые с дислексией были значительно медленнее и более подвержены ошибкам, чем контрольные испытуемые.Время реакции у лиц с дислексией было больше, чем у контрольных субъектов в тесте на удаление фонемы, предъявляемом на слух [разница в среднем 3,7 с, t (15) = -4,6, P <0,001] и тесте на обращение слогов [ разница в среднем 5,4 с, t (15) = −4,8, P <0,001]. Субъекты с дислексией также совершали значительно больше ошибок при удалении фонемы [ t (15) = 2,5, P <0,05], обращении слога [ t (15) = 2.3, P <0,05] и тесты правописания [ t (15) = -2,9, P <0,05], чем у контрольных субъектов.

Результаты поведенческих тестов

Результаты поведенческих тестов

Чтобы проверить корреляцию между реакциями мозга и поведенческими показателями, баллы для каждого теста были стандартизован до z – баллов (т.е.е. индивидуальный балл минус средний балл по всем предметам, разделенный на стандартное отклонение). Мы не обнаружили существенной корреляции между фонологическими возможностями и силой N100m или пиковой задержкой. Мы также проверили фонологические показатели по сравнению с разницей латентности пиков N100m между полушариями (рис.7 a ) и соотношением сил активации N100m (рис.7 b ), поскольку результаты MEG предполагали, что это должно быть более значимые корковые измерения. У контрольных субъектов лучшие фонологические навыки были связаны с более короткой задержкой ипси-контра в задержке ответа N100m ( r = -0.8, P <0,05). У пациентов с дислексией значимой корреляции не было ( r = -0,5, P = 0,1). Не было обнаружено значимых корреляций между фонологическими оценками и соотношением силы левой и правой N100m.

Рис. 7.

Разница в латентности на 100 м ( a ) и соотношение сил активации ( b ) между полушариями в контрольной группе и субъектами с дислексией (белые и черные сферы, соответственно), построенные в зависимости от поведенческих характеристик (нормализованное среднее значение). более шести фонологических тестов).Линии регрессии показаны для значимых корреляций.

Рис. 7.

Разница в латентности N100m ( a ) и соотношение сил активации ( b ) между полушариями в контрольной группе и субъектами с дислексией (белые и черные сферы, соответственно) в зависимости от поведенческих характеристик (нормализованные в среднем по шести фонологическим тестам). Линии регрессии показаны для значимых корреляций.

Обсуждение

N100m Отражает анализ речи у нормально читающих субъектов

Самый быстрый отклик N100m на простые тональные сигналы.Пиковая задержка систематически задерживалась до сложных звуков и, более того, до звуков речи, одинаково в обоих полушариях. Однако сила активации N100m показала интересную полушарную специализацию. Речевые ответы были сильнее, чем неречевые звуки в левой слуховой коре, но не в правой слуховой коре, независимо от стимулированного уха. Таким образом, в то время как оба полушария участвовали в анализе всех типов звуков, относительный вклад левой слуховой коры увеличивался, когда стимулами были звуки речи.

Настоящие результаты согласуются и расширяют более ранние отчеты об обработке речи / неречевой обработки и N100m, которые показали более высокую амплитуду для гласных, чем фортепианные ноты или тоны (Gootjes et al. , 1999), более длительные задержки для гласных, чем для тонов (Eulitz et al., , 1995; Tiitinen et al., , 1999) или сдвиг влево полушарного баланса для естественных гласных по сравнению со сложными тонами (Vihla and Salmelin, 2003). Используя тщательно подобранные с акустической точки зрения звуки речи и неречевые звуки, мы демонстрируем, что эти эффекты, вероятно, связаны друг с другом.Увеличение амплитуды при анализе звуков речи передается в левое полушарие, что приводит к смещению активации влево при прослушивании звуков речи. Увеличение задержки звуков речи происходит с обеих сторон. Мы также показываем, что на сдвиг активации влево не оказывает заметного влияния акустическая структура речевых стимулов (гласные, слоги CV).

Можно представить нарастание ответа N100m как сигнатуру процесса, в котором все большее количество слуховых корковых нейронов запускается синхронно.При постоянной скорости рекрутирования нейронов задержка пика задержки будет связана с более сильной активацией пика. Комбинированное увеличение пиковой задержки и силы N100 м для речи по сравнению со сложными и простыми неречевыми звуками в левом полушарии, безусловно, можно интерпретировать таким образом. С другой стороны, правополушарный эффект увеличения пиковой задержки без сопутствующих изменений силы активации предполагает более медленную скорость рекрутирования нейронов или менее синхронную активацию популяций нейронов для увеличения сложности звука.

Интересно, что восходящий наклон ответа N100m был значительно круче в левом полушарии, чем в правом полушарии для звуков речи, но более сходным в двух полушариях для звуков, не относящихся к речи. Это наблюдение говорит о качественном различии анализа речевых и неречевых звуков в левой слуховой коре на 100 мс. Таким образом, кажется, что помимо акустической обработки как таковой , на которую может влиять изменение спектрального состава или временной структуры звуков, отклик N100m также может отражать специфичную для речи обработку.

На клеточном уровне специфичность речи может означать, что нейроны, генерирующие ответ, предпочитают звуки, которые образуют фонетически (лингвистически) релевантные комбинации акустических характеристик. С акустической точки зрения звуки речи не обладают каким-либо единственным уникальным свойством, отличным от неречевых звуков, а скорее представляют собой определенные (уникальные) комбинации различных свойств (Stevens, 1980). Хотя имеется много информации о том, как фонетически важные особенности кодируются в ядре улитки и слуховом нерве (см. E.грамм. Delgutte, 1999), комбинации характеристик звуков речи, которые имеют решающее значение для анализа на корковом уровне, определены менее четко. Настоящее исследование предполагает, что простого сочетания частот формант недостаточно, поскольку ответ N100m отличался от ответа, вызываемого простыми звуками речи.

«Комбинированно-чувствительные» нейроны, первоначально предложенные Suga et al. (1978) в исследовании слуховой системы эхолокационных летучих мышей, были исследованы на ряде видов животных, а недавно и на нечеловеческих приматах (Rauschecker et al., 1995). У макак нейроны, расположенные кзади от первичной слуховой коры левого полушария (примерно соответствующие местоположению наших исходных областей N100m), лучше реагировали на сложные звуки, например видоспецифичные звуки, а не простые звуки (Rauschecker et al. , 1995). Предполагается, что такое предпочтение является результатом нелинейного суммирования входов от более узко настроенных нейронов в первичной слуховой коре (Rauschecker et al. , 1995; Rauschecker, 1998).

Некоторая степень соответствия между нечеловеческими приматами и людьми подтверждается тем наблюдением, что повышенная сложность стимула (полосовой шум по сравнению с чистыми тонами) приводит к аналогичному усилению активации у людей в соответствующих областях позади первичной слуховой коры (Wessinger et al. др. , 2001). Однако, поскольку фонетика человеческой речи не может быть напрямую сопоставлена ​​со звуками общения животных, а также неизвестно, использует ли анализ звуков речи те же вычисления, что и другие сложные звуки, эти наблюдения нельзя однозначно связать с восприятием речи человеком.

В последние годы многое было изучено о функциональной анатомии слуховой обработки сложных звуков у людей, но подробная информация о нейронных процессах все еще остается в значительной степени неустановленной. На анатомическом уровне известно, что первичная слуховая кора, расположенная в извилине Гешля, окружена непервичными слуховыми областями спереди, сбоку и сзади (для обзора см. Hall et al. , 2003). С помощью методов визуализации, чувствительных ко времени, было показано, что к 100 мс активация в основном генерируется в непервичных слуховых областях кзади и латеральнее первичной слуховой коры, в височной плоскости (PT) (Liegeois-Chavel et al., 1994; Lütkenhöner and Steinstrater, 1998).

Некоторые гемодинамические исследования обработки речи и неречевой информации предполагают лингвистически специализированную роль PT и окружающей коры головного мозга (Zatorre et al. , 1992; Benson et al. , 2001; Vouloumanos et al. , 2001 ), в то время как другие исследования рассматривают его как часть базовой сети акустического анализа и, следовательно, актуальную для обработки как речи, так и неречевых звуков (Binder et al. , 1996, 2000).В соответствии с последней точкой зрения, реакция N100 генерируется на любое резкое изменение слуховой среды (Hari, 1990). Здесь мы обнаружили сильный ответ N100m как на речевые, так и на неречевые звуки, который показал небольшую, но значительную модуляцию речевым содержанием стимула. Принимая во внимание инерцию измерений кровотока, зависимые от стимулов вариации временных нейронных ответов, таких как N100m, вполне могут остаться незамеченными при ПЭТ или фМРТ. Различные временные окна, доступные с помощью различных методов визуализации, могут иметь значительное влияние на то, какая часть сети будет обнаружена.Наши результаты МЭГ показывают, что через 100 мс после появления стимула активация PT и прилегающей слуховой коры отражает акустический, но также и речевой анализ.

Какова точная природа связи между специфическими свойствами речи в звуке и возбуждением нейронов, еще предстоит выяснить. Основываясь на своих психоакустических экспериментах, Kuhl (2000) предположил, что статистические свойства входного слухового сигнала формируют систему обработки слуха в младенчестве для улучшения восприятия языка.Эта точка зрения предполагает, что какими бы ни были сочетания критических характеристик в речи, опыт играет важную роль в создании чувствительности к речи.

Применение акустического и речевого анализа при дислексии

Паттерн дифференциации речи и неречевой дифференциации у контрольных субъектов был воспроизведен в группе с дислексией. Однако групповые различия проявились в межполушарном времени ответа N100m и в общем балансе силы активации N100m, аналогично для речи и неречевых звуков.В контроле ответ был раньше в левом (контралатеральном), чем в правом (ипсилатеральном) полушарии, но у лиц с дислексией ответ левого полушария был задержан, и N100m достигло максимума одновременно в левом и правом полушариях. Кроме того, ответы правого полушария были слабее, чем ответы левого полушария, тогда как в контрольной группе общий уровень активации был одинаковым во всех двух полушариях.

Необычные временные и амплитудные эффекты могут отражать отдельные процессы, но их также можно легко понять как компоненты единого процесса.Поскольку предполагается, что активация контралатеральной слуховой коры модулирует ипсилатеральную слуховую кору через мозолистые связи (Mäkelä and Hari, 1992; Oe et al. , 2002), задержка ответа N100m левого полушария может снизить силу правое полушарие N100m. Это привело бы к комбинации эффектов времени и амплитуды, наблюдаемых у наших пациентов с дислексией. Почему у людей с дислексией задерживается ответ левого полушария N100m? Обычно контр- и ипсилатеральные ответы N100m в левом полушарии систематически медленнее, чем в правом полушарии для простых тонов (Salmelin et al., 1999). Более длительное время обработки в левом полушарии может быть связано с более сильными связями между извилиной Гешля (первичной слуховой корой) и прилегающей к ней PT в левом, чем в правом полушарии (Penhune et al. , 1996). Любые нарушения в этом взаимодействии могут вызвать задержку нарастания ответа N100m. Интересно, что аномалии развития левого PT (или левого против правого PT) и перисильвиевой области были предложены при вскрытии (например,Galaburda et al. , 1985; обзор см. в Galaburda, 1993), анатомической МРТ (например, Hynd и др. , 1990; Леонард и др. , 1993) и исследованиях на животных (обзор см. в Galaburda, 1994), которые могут повлиять на взаимодействие извилины Гешля с ПТ и, далее, ответ N100m на слуховые стимулы. Однако важно отметить, что взаимосвязь между аномалиями височной плоскости и дислексией может быть более сложной, например, разной. с предпочтением рук и общими речевыми способностями (см. e.грамм. Рамси и др. , 1997; Экерт и Леонард, 2000).

Настоящие данные предполагают изменения в общей слуховой обработке при дислексии во временном окне, когда извлекается специфическая для речи информация и в процесс вовлекается (левый) PT. Поскольку стимулы поступали только в правое ухо, мы должны проявлять осторожность в отношении полушарной специфичности эффекта. В исследовании повторения слов с помощью ПЭТ McCrory et al. (2000) использовал бинауральные стимулы и обнаружил аномально слабую активацию правой слуховой коры у взрослых с дислексией, что говорит о специфических для полушария эффектах.McCrory et al. (2000) интерпретировал их открытие как отражение особого акцента на фонетической (левое полушарие) и снижение акцента на нефонетической (правое полушарие) слуховой обработке при дислексии. Однако в настоящем наборе данных сниженная активация правого полушария была обнаружена как для речевых, так и для неречевых стимулов во время пассивного слушания, что делает чисто лингвистическое объяснение маловероятным.

Чтобы обеспечить прямое сравнение речевых и неречевых звуков, стимулы были максимально согласованы акустически и максимально просты.Следовательно, неразумно напрямую сравнивать настоящие данные с предыдущими МЭГ-исследованиями обработки речи или неречевой обработки при дислексии, в которых использовались быстро сменяющиеся неречевые звуки (Nagarajan et al. , 1999), парные речевые или неречевые звуки, не соответствующие по интенсивности ( Helenius et al. , 2002a) или естественные звуки речи (Helenius et al. , 2002b) у довольно специфических групп дислексиков (выраженные слуховые проблемы, сильная семейная дислексия в анамнезе). Тем не менее, важным общим выводом всех этих исследований является то, что различия в обработке слуха между контрольной группой и группой с дислексией были обнаружены в ответе N100m.

В заключение, мы предоставляем доказательства того, что активация, возникающая из-за PT и окружающей слуховой коры через 100 мс после начала звука, чувствительна к фонетическому содержанию речевого сигнала. Это утверждение основано на значительном увеличении силы активации и скорости нарастания сигнала в левом полушарии для звуков речи по сравнению со сложными и простыми неречевыми звуками. У пациентов с дислексией изменение баланса полушарий как по силе активации, так и по времени, как предполагается, связано с аномалиями в пределах левого PT или в связи между PT и первичной слуховой корой, которые влияют на всю слуховую обработку, включая фонетический анализ.Общее нарушение слуха в пределах временного окна фонетического анализа согласуется с сообщениями об обоих фонологических нарушениях (Рамси и др. , 1992; Studdert-Kennedy and Mody, 1995; Моди и др. , 1997; Helenius и др. , 2002a) и основной слуховой недостаточности (Tallal et al. , 1993; Hari and Kiesilä, 1996; Fitch et al. , 1997; Ahissar et al. , 2000; Amitay et al. ). , 2002; Renvall and Hari, 2002) при дислексии.

Это исследование было поддержано Пятой рамочной программой Европейского Союза (грант № QLK6-CT-1999-02140) и Академией Финляндии (грант № 44879, Программа Финского центра передового опыта 2000–2005). МРТ были получены в отделении радиологии Центральной больницы Хельсинкского университета. Мы благодарим Сейю Лейнонен за предоставленный фонологический тестовый материал. Мы благодарим Сейю Лейнонен за предоставленный фонологический тестовый материал и Мику Сеппа за помощь в преобразовании индивидуальных данных испытуемых в усредненные МРТ-изображения.

Список литературы

Ахиссар М., Протопапас А., Рид М., Мерзених М.М. (

2000

Proc Natl Acad Sci USA

97

6832

Alho K (

1995

Ear Hear

16

38

Амитай С., Ахиссар М., Нелкен И. (

2002

J Assoc Res Otolaryngol

3

302

Aulanko R, Hari R, Lounasmaa O, Näätänen R, Sams M (

1993

Нейроотчет

4

1356

Baldeweg T, Richardson A, Watkins S, Foale C, Gruzelier J (

1999

Ann Neurol

45

495

Бенсон Р., Уэлен Д.Х., Ричардсон М., Суэйнсон Б., Кларк В.П., Лай С., Либерман А.М. (

2001

Brain Lang

78

364

Биндер Дж. Р., Рао С. М., Хаммеке Т. А., Йеткин Ф. З., Йесманович А., Бандеттини П. А., Вонг Е. С., Эстковски Л. Д., Голдштейн М. Д., Хотон В. М., Хайд Дж. С. (

1994

Ann Neurol

35

662

Binder JR, Frost JA, Hammeke TA, Rao SM, Cox RW (

1996

Мозг

119

1239

Binder J, Frost J, Hammeke T, Bellgowan P, Springer J, Kaufman J, Possing E (

2000

Cereb Cortex

10

512

Брэдли Л., Брайант П. (

1983

Природа

301

419

Коннолли Дж. Ф., Филлипс Н. А. (

1994

J Cogn Neurosci

6

256

Delgutte B (

1999

Demonet J, Chollet F, Ramsay S, Cardebat D, Nespoulous JL, Wise R, Rascol A, Frackowiak R (

1992

Мозг

115

1753

Denckla M, Rudel R (

1976

Neuropsychologia

14

471

Eckert M, Leonard C (

2000

Ment Retard Dev Disabil Res Ред.

6

198

Элберлинг С., Бак С., Кофоед Б., Лебек Дж., Сэрмарк К. (

1982

Acta Neurol Scand

65

553

Eulitz C, Diesch E, Pantev C, Hampson S, Elbert T (

1995

J Neurosci

15

2748

Fitch RH, Miller S, Tallal P (

1997

Annu Rev Neurosci

20

331

Галабурда AM (

1993

Neurol Clin

11

161

Галабурда AM (

1994

Познание

50

133

Galaburda AM, Sherman GF, Rosen F, Aboitiz N, Geschwind N (

1985

Ann Neurol

18

222

Gootjes L, Raij T, Salmelin R, Hari R (

1999

Нейроотчет

10

2987

Hall D, Hart H, Johnsrude I (

2003

Audiol Neurootol

8

1

Hari R (

1990

Hari R, Kiesilä P (

1996

Neurosci Lett

205

138

Helenius P, Salmelin R, Richardson U, Leinonen S, Lyytinen H (

2002

J Cogn Neurosci

15

603

Helenius P, Salmelin R, Service E, Connolly JF, Leinonen S, Lyytinen H (

2002

J Neurosci

22

2936

Hynd GW, Semrud-Clickman M, Larys AR (

1990

Arch Neurol

47

919

Hämäläinen M, Hari R, Ilmoniemi R, Knuutila J, Lounasmaa O (

1993

Ред. Современная Физика

65

413

Иивонен А., Лаукканен А.М. (

1993

Каукоранта Э., Хари Р., Лоунасмаа О. В. (

1987

Exp Brain Res

69

19

Klatt D (

1980

J Acoust Soc Am

67

971

Kuhl P (

2000

Proc Natl Acad Sci USA

97

11850

Курики С., Мурасе М. (

1989

Exp Brain Res

77

127

Leinonen S, Müller K, Leppänen PHT, Aro M, Ahonen T., Lyytinen H (

2001

Чтение Запись

14

265

Леонард С.М., Воеллер К.К., Ломбардино Л.Дж., Моррис М.К., Хайнд Г.В., Александр А.В., Андерсен Х.Г., Гарофалакис М., Ханиман Дж. К., Мао Дж., Эйджи О.Ф., Стааб Е.В. (

1993

Arch Neurol

50

461

Liegeois-Chavel C, Musolino A, Badier JM, Marquis P, Chauvel P (

1994

Electroencephalogr Clin Neurophysiol

92

204

Lütkenhöner B, Steinstrater O (

1998

Audiol Neurootol

3

191

Mäkelä J, Hari R (

1992

Нейроотчет

3

94

Mäkelä JP, Ahonen A, Hämäläinen M, Hari R, Ilmoniemi R, Kajola M, Knuutila J, Lounasmaa OV, McEvoy L, Salmelin R, Salonen O, Sams M, Simola J, Tesche C, Vasama JP (

1993

) ) Функциональные различия между слуховой корой двух полушарий, выявленные с помощью нейромагнитных записей всей головы.

Hum Brain Mapp

1

48

McCrory E, Frith U, Brunswick N, Price C (

2000

J Cogn Neurosci

12

753

Моди М., Студдерт-Кеннеди М., Брэди С. (

1997

J Exp Child Psychol

64

199

Näätänen R (

1992

Näätänen R, Lehtokoski A, Lennes M, Cheour M, Huotilainen M, Iivonen A, Vainio M, Alku P, Ilmoniemi R, Luuk A, Allik J, Sinkkonen J, Alho K (

1997

Nature

385

432

Нагараджан С., Манке Х., Зальц Т., Таллал П., Робертс Т., Мерзених М.М. (

1999

Proc Natl Acad Sci USA

96

6483

Oe H, Kandori A, Yamada N, Miyashita T., Tsukada K, Naritomi H (

2002

Neurosci Res

44

483

Penhune VB, Zatorre RJ, MacDonald JD, Evans AC (

1996

Cereb Cortex

6

661

Филлипс С. (

2001

Cogn Sci

25

711

Филлипс К., Пеллати Т., Маранц А., Йеллин Э, Векслер К., Поппель Д., МакГиннис М., Робертс Т. (

2000

J Cogn Neurosci

12

1038

Rauschecker J (

1998

Curr Opin Neurobiol

8

516

Rauschecker J, Tian B, Hauser M (

1995

Наука

268

111

Renvall H, Hari R (

2002

J Cogn Neurosci

14

757

Рамси Дж. М., Андреасон П., Заметкин А. Дж., Акино Т., Кинг С., Гамбург С. Д., Пикус А., Рапопорт Дж. Л., Коэн Р. (

1992

Arch Neurol

49

527

Rumsey JM, Donohue BC, Brady DR, Nace K, Giedd GN, Andreason P (

1997

Arch Neurol

54

1481

Салмелин Р., Шницлер А., Паркконен Л., Бирманн К., Хелениус П., Кивиниеми К., Куукка К., Шмитц Ф., Фройнд Х. (

1999

Proc Natl Acad Sci USA

96

10460

Schulte-Körne G, Deimel W, Bartling J, Remschmidt H (

2000

Int J Psychophysiol

40

77

Shankweiler D, Crain S, Katz L, Fowler A, Liberman A, Brady S, Thornton R, Lundquist E, Dreyer L, Fletcher J, Stuebing K, Shaywitz S, Shaywitz B (

1995

Psychol Sci

6

149

Штыров Ю., Куяла Т., Палва С., Илмониеми Р., Нятянен Р. (

2000

Neuroimage

12

657

Стивенс К.Н. (

1980

J Acoust Soc Am

68

836

Studdert-Kennedy M, Mody M (

1995

Psychon Bull Rev

2

508

Suga N, O’Neill WE, Manabe T (

1978

Наука

200

778

Таллал П., Миллер С., Fitch R (

1993

Ann N Y Acad Sci

14

27

Tiitinen H, Sivonen P, Alku P, Virtanen J, Näätänen R (

1999

Cogn Brain Res

8

355

Вихла М., Салмелин Р. (

2003

Cogn Brain Res

16

167

Вихла М., Лоунасмаа О., Салмелин Р. (

2000

Proc Natl Acad Sci USA

97

10590

Vouloumanos A, Kiehl K, Werker J, Liddle P (

2001

J Cogn Neurosci

13

994

Wechsler D (

1981

Wechsler D (

1987

Wessinger C, Van Meter J, Tian B, Van Lare J, Pekar J, Rauschecker J (

2001

J Cogn Neurosci

13

1

Wiik K (

1965

Wolf M (

1986

Brain Lang

27

360

Вольф М., Обрегон М. (

1992

Brain Lang

42

219

Zatorre R, Evans A, Meyer E, Gjedde A (

1992

Наука

256

846

Schormann T, Henn S, Zilles K (

1996

Конспект лекций в Comput Sci

1131

337

Woods RP, Grafton ST, Holmes CJ, Cherry SR, Mazziotta JC (

1998

J Comp Assist Tomogr.

22

139

Woods RP, Grafton ST, Watson JDG, Sicotte NL, Mazziotta JC, (

1998

J Comput Assist Tomogr.

22

153

Кора головного мозга V 15 N 7 © Oxford University Press, 2004; все права защищены

Корковая дифференциация речи и неречевых звуков на 100 мс: последствия для дислексии | Кора головного мозга

Аннотация

Нейрофизиологические измерения показывают чувствительность коры к звукам речи через 150 мс после появления стимула.В этом временном окне у субъектов с дислексией начинает проявляться аномальная обработка коры головного мозга. Мы исследовали, отражается ли фонетический анализ в устойчивой слуховой корковой активации на ~ 100 мс (N100m), и проявляют ли субъекты с дислексией ненормальные ответы N100m на речь или неречевые звуки. Мы использовали магнитоэнцефалографию для записи слуховых реакций 10 нормально читающих и 10 взрослых с дислексией. Речевыми стимулами служили синтетические звуки финской речи (/ a /, / u /, / pa /, / ka /). Неречевые стимулы представляли собой сложные неречевые звуки и простые синусоидальные тоны, состоящие из формантных частот F1 + F2 + F3 и F2 соответственно.Все звуки вызывали заметный ответ N100m в двусторонней слуховой коре. Активация N100m была сильнее для речи, чем неречевые звуки в левой, но не в правой слуховой коре, в обеих группах испытуемых. Левый сдвиг полушарного баланса звуков речи, вероятно, отражает анализ на фонетическом уровне. У пациентов с дислексией общий межполушарный баланс амплитуд и синхронизация были изменены для всех типов звука одинаково. Таким образом, люди с дислексией имеют необычную корковую организацию общей слуховой обработки во временном окне речевого анализа.

Введение

Речевой сигнал состоит из сложного набора акустических характеристик, таких как частотный диапазон, амплитуда, продолжительность сигнала и паузы, а также быстрые изменения спектра. Фонетические признаки должны быть извлечены из этого акустического сигнала, чтобы перейти к фонологическому и, наконец, к семантическому анализу. Имеются данные о множественных представлениях и стадиях обработки при анализе звуков речи в человеческом мозге (для обсуждения см. Phillips, 2001), но остается нерешенным, где и в какое окно извлекается специфическая для речи информация.

В течение последнего десятилетия области коры головного мозга, непосредственно участвующие в анализе звуков речи, были исследованы с помощью функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ) и позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ). Было показано, что речевые стимулы вызывают более широкую активацию, чем неречевые стимулы, в верхней височной коре с обеих сторон или с небольшим преобладанием левого полушария (Demonet et al., , 1992; Zatorre et al. , 1992; Binder et al. , 1994; Vouloumanos et al., 2001). При поиске нейронной основы фонетической обработки очень важно сопоставить звуки речи с акустически сопоставимыми звуками, чтобы исключить возможность обнаружения различий только на основе сложности. Сравнение фонетического и акустического анализа выявило активацию левой верхней и средней височных извилин (STG и MTG) и верхней височной борозды (STS) (Binder et al. , 2000; Benson et al. , 2001; Vouloumanos et al. др. , 2001).

Однако идентификация корковых локусов, избирательно активируемых звуками речи, дает только частичную информацию. Восприятие речи – очень быстрый процесс – сигнал трансформируется от акустических характеристик к значению за доли секунды. Таким образом, особенно на ранних этапах анализа речевого сигнала, вероятно, что нейронные представления различных этапов и преобразований активируются очень быстро. За ходом слуховой обработки можно следить с помощью нейрофизиологических измерений, электроэнцефалографии (ЭЭГ) и магнитоэнцефалографии (МЭГ).

Семантическая обработка разговорной речи начинается примерно через 200–300 мс после начала звука, как показано, например, посредством исследований с использованием предложений с семантически совпадающими или несовместимыми конечными словами (см. Коннолли и др. , 1994; Хелениус и др. , 2002b). Таким образом, к этому времени должна быть доступна фонетическая / фонологическая информация. В течение первых 200 мс специфичность речи была проверена с использованием необычных парадигм. В этих установках частые (стандартные) стимулы перемежаются с нечастыми (отклоняющимися) стимулами.Различие между ответами на девиантные и стандартные стимулы в слуховой коре известно как реакция несоответствия или негативность несоответствия (MMN) в литературе по ЭЭГ (Näätänen, 1992; Alho, 1995). MMN обычно достигает максимума примерно через 150 мс после появления стимула. Это рассматривается как отражение слуховой сенсорной памяти на нейрональном уровне. MMN по-разному ведет себя для речевых и неречевых стимулов (Aulanko et al. , 1993; Phillips et al. , 2000; Shtyrov et al., 2000; Vihla et al. , 2000). Более того, MMN-ответы на контрасты фонем на родном языке сильнее, чем на контрасты неродных (Näätänen et al. , 1997). Таким образом, в этом временном окне должно быть доступно фонетическое представление звука речи, чтобы можно было проследить память на основе фонетических (или фонологических) меток.

В настоящее время не установлено, отражается ли анализ речи в нейронной обработке до временного окна MMN. Сигналу MMN предшествует надежная активация слуховой коры примерно через 100 мс после начала звука, называемая N100m (или N100 в литературе по ЭЭГ).Некоторые исследования предполагают фонетические / фонологические эффекты в этой реакции, а другие – нет (Курики и Мурас, 1989; Eulitz и др. , 1995; Gootjes и др. , 1999; Tiitinen и др. , 1999). Gootjes et al. (1999) обнаружил значительно более сильную реакцию N100m на гласные, чем на тоны или ноты фортепиано, в левом, но не в правом полушарии. Однако Eulitz et al. (1995) и Tiitinen et al. (1999) не обнаружил существенной разницы в силе ответа N100m на речевые и тональные стимулы, хотя ответ N100m на звуки речи был немного позже, чем на тоны, в обоих полушариях.Вариабельность результатов, вероятно, во многом связана с изменчивостью стимулирующих материалов. Во многих из этих исследований основной вопрос исследования не требовал тщательного акустического сопоставления речевых и неречевых стимулов, или его не предпринимали. Таким образом, результаты, отличающиеся для речевых звуков и неречевых звуков, могут отражать акустические вариации, а не чувствительность к речевым звукам как таковым . Также стоит отметить, что в любом отдельном исследовании стимулы, как правило, были звуками со стабильной частотой (т.е. звуки типа гласных) (Eulitz et al. , 1995; Tiitinen et al. , 1999; Vihla, Salmelin, 2003) или переходные звуки (т. е. звуки типа CV-слога) (Shtyrov et al. , 2000 ), но не то и другое вместе. Поскольку естественный язык представляет собой смесь этих звуковых типов, может быть важно разрешить акустические вариации среди речевых стимулов при оценке коркового анализа речи по сравнению с неречевыми звуками.

Характеристика временных окон и баланса полушария с помощью акустического и фонетического / фонологического анализа важна не только для понимания нормального восприятия речи, но и для понимания нейронной основы дислексии.Известно, что у людей с дислексией возникают проблемы при выполнении задач, требующих слухового фонетического анализа (Bradley and Bryant, 1983; Shankweiler et al. , 1995). На уровне нейронов субъекты с дислексией демонстрируют отсроченную семантическую обработку через 300–400 мс после стимула (Helenius et al. , 2002b) и аномалии в предыдущем ответе MMN (Baldeweg et al. , 1999; Schulte-Körne et al. , 2000) и ответ N100m (Helenius et al. , 2002b). Эти данные явно указывают на проблемы в течение первых 200 мс после начала речи.Было бы заманчиво интерпретировать необычные паттерны корковой активации у субъектов с дислексией как сигнатуры их известных фонологических проблем, но, очевидно, они также могли быть связаны с аномалиями в базовой акустической обработке. Функциональная роль временного окна N100m в анализе речи по сравнению с неречевым анализом, таким образом, также является актуальной проблемой в исследованиях дислексии.

В настоящем исследовании мы использовали МЭГ всей головы, чтобы сосредоточить внимание на роли слухового коркового ответа N100m в акустической и фонетической обработке.Во-первых, мы исследовали, является ли ответ N100m чувствительным к речи в нормальной популяции испытуемых, то есть отличается ли сила или время нейронного ответа между речевыми и неречевыми звуками. Нашими речевыми стимулами были два синтетических гласных и согласный-гласный слог. Неречевые стимулы представляли собой сложные звуки и простые синусоидальные тона, которые спектрально и временно были тщательно согласованы с речевыми стимулами. Во-вторых, мы протестировали эти же речевые и неречевые стимулы на группе лиц с дислексией, чтобы выяснить, демонстрируют ли они отклонение от паттерна реакции, наблюдаемого в элементах управления, для всех типов звуков или конкретно для звуков речи.

Материалы и методы

Стимулы

В качестве стимулов использовались синтетические звуки речи, сложные неречевые звуки и простые синусоидальные тона (рис. 1). Длительность всех стимулов составляла 150 мс. Звуками речи были финские гласные (V; / a /, / u /) и согласные-гласные слоги (CV; / pa /, / ka /), созданные с помощью синтезатора Klatt (Klatt, 1980) для Macintosh (Sensimetrics, Cambridge, Массачусетс, США). Основная частота (F0) постоянно снижалась со 118 до 90 Гц, напоминая нормальный мужской голос.Частоты формант F1, F2 и F3 для гласного / a / составляли 700, 1130 и 2500 Гц, а для гласного / u / – 340, 600 и 2500 Гц, соответственно. Эти значения были основаны на исследованиях звуков финской речи и структуры формант (Wiik, 1965; Iivonen and Laukkanen, 1993) и субъективной оценке качества и разборчивости гласных и согласных звуков. Ширина полосы формант в обеих гласных составляла 90 Гц для F1, 100 Гц для F2 и 60 Гц для F3. Огибающие гласных имели периоды нарастания и затухания по 15 мс.

Рисунок 1.

Схематическое изображение частотной композиции в различных типах стимулов (речь, сложный звук и тон синусоидальной волны) для установившегося звука (/ a / и его неречевые эквиваленты) и переходного звука (/ pa / и его неречевого звука). эквиваленты). Горизонтальные линии представляют различные частотные компоненты (или форманты, F), а вертикальные пунктирные линии представляют конец переходного периода в переходных звуках (на 35 мс).

Рисунок 1.

Схематическое изображение частотной композиции в различных типах стимулов (речь, сложный звук и тон синусоидальной волны) для установившегося звука (/ a / и его неречевых эквивалентов) и переходного звука ( / pa / и его неречевые эквиваленты).Горизонтальные линии представляют различные частотные компоненты (или форманты, F), а вертикальные пунктирные линии представляют конец переходного периода в переходных звуках (на 35 мс).

CV-слоги начинались с частотного перехода 35 мс, где частоты F1, F2 и F3 линейно изменялись от 503 до 700 Гц, от 858 до 1130 Гц и от 2029 до 2500 Гц для / pa /, и от 503 до 700 Гц, 1402 до 1130 Гц и с 2029 до 2500 Гц для / ka /. За начальным переходом следовал установившийся период 115 мс, в котором частоты формант были идентичны гласным / а /.Таким образом, звуки / pa / и / ka / различались только направлением изменения F2. Чтобы добиться естественного звучания стоп-согласной, стимулы начинались со вспышки трения длительностью 4 мс. Аспирация добавлялась с 1 мс и далее, плавно уменьшаясь в течение 150 мс длительности стимулов. Огибающие стимулов CV были аналогичны таковым для гласных, за исключением начала, когда голос начинался на 5 мс, а период нарастания звука был более быстрым.

Неречевые стимулы были созданы в Sound Edit (MacroMedia, Сан-Франциско, Калифорния, США).Это были простые синусоидальные тоны и сложные звуки, объединенные из трех компонентов синусоидального тона точно такой же частоты, что и форманты каждого из четырех звуков речи. Чтобы сохранить разницу в переходах между / pa / и / ka / также в тонах синусоидальной волны, эти стимулы были составлены из частоты F2 каждого речевого звука. Огибающие неречевых звуков были аналогичны речевым звукам, включая периоды нарастания и затухания на 15 мс, а также нарастание наклона для неречевых эквивалентов стимулов сердечно-сосудистой системы.Несмотря на тщательное акустическое сопоставление, ни один из неречевых звуков не воспринимался как звуки речи.

Амплитуды различных звуков были скорректированы с помощью удлиненных версий исходных звуков, так что в конце системы доставки звука, измеренной с помощью искусственного уха и анализатора спектра, откалиброванного с учетом чувствительности уха, амплитуды звука различались на <2 дБ (SPL ).

Субъекты

Субъектами были 10 нормально читающих взрослых (23–39 лет; пять женщин) и 10 взрослых с дислексией развития (20–39 лет; пять женщин).Субъекты дали свое информированное согласие на участие в исследовании. Они были носителями финского языка, правши (за исключением одного контрольного объекта), и не имели в анамнезе потери слуха или неврологических отклонений. Взрослые с дислексией были отобраны на основе самооценки раннего анамнеза проблем с чтением. Все они прошли тестирование на дислексию или прошли специальное обучение по устранению трудностей с чтением в школьные годы. Средний уровень образования в контрольной (14 лет) и дислексической группах (13 лет) был схожим.

Поведенческие тесты

Субъекты с дислексией были протестированы на общие лингвистические и неязыковые способности с использованием подмножества стандартизированной финской версии Шкалы интеллекта взрослых Векслера – пересмотренной (WAIS-R) и шкалы памяти Векслера – пересмотренной (WMS-R) (Словарь, Понимание, Сходства, Дизайн блока, Размах цифр, Размах визуального восприятия) (Wechsler, 1981, 1987; Woods et al., 1998a; Woods et al., 1998b). Также измерялась скорость чтения и называния слов у пациентов с дислексией.Пониженная скорость чтения (Leinonen et al. , 2001) и скорость наименования (Wolf and Obregon, 1992) оказались надежными маркерами дислексии. В ходе устного чтения испытуемых просили прочитать вслух рассказ, напечатанный на листе бумаги. Скорость чтения измерялась в словах в минуту. В тесте быстрого автоматического именования (Denckla and Rudel, 1976) и в тесте быстрого именования переменных стимулов (Wolf, 1986) испытуемых просили назвать матрицу цветов, чисел и букв 5 × 10, и была измерена скорость именования.Результаты этих тестов сравнивались с данными норм 38 (Устное чтение, РАН) и 15 (РАН) нормально читающих субъектов.

Кроме того, были проведены следующие фонологические тесты, представленные на слух. В тесте на удаление фонем (Leinonen et al. , 2001) 16 слов из 4–10 букв и 2–4 слогов были представлены через наушники. Испытуемых просили произносить каждый стимул без второй фонемы (например, studio → sudio, kaupunki → kupunki). Подсчитывалось количество правильных ответов.В тесте на обращение слогов (Leinonen et al. , 2001) 10 слов и 10 псевдослов из 5–9 букв и 3–4 слогов были представлены через наушники, и испытуемых просили изменить порядок последних двух слогов и произнесите вслух новое псевдослово (например, aurinko → aukorin, rospiemi → rosmipie). Подсчитывалось количество правильных ответов. Для тестов на удаление фонем и реверсирование слогов время голосовой реакции на стимулы измерялось по сигналу микрофона. В тесте на правописание (Leinonen et al., 2001) испытуемых просили написать под диктовку 10 псевдослов и 10 слов из 6–14 букв и 2–7 слогов. Было подсчитано количество ошибок. Эти фонологические тесты были проведены также у семи контрольных субъектов, участвовавших в этом исследовании.

Методика измерения MEG

Измерения проводились в помещении с магнитным экраном. Презентация стимула контролировалась программой презентации (Neurobehavioral Systems Inc., Сан-Франциско, Калифорния) на ПК. Чтобы нормализовать интенсивность стимулов у испытуемых, индивидуальные пороги слышимости определялись перед фактическим измерением с использованием простых тонов 1 кГц длительностью 50 мс с временами нарастания и спада 15 мс. Стимулы подавались к испытуемому через пластиковые трубки и наушники на уровне 65 дБ выше субъективного порога слышимости. Испытуемые смотрели немой фильм, и им было приказано игнорировать слуховые раздражители.

Было два сеанса. В первом сеансе субъект слышал случайную последовательность гласных звуков и их неречевых эквивалентов (синтетические / a / и / u /, сложные звуковые эквиваленты / a / и / u / и тональные эквиваленты / a / и / u /. ).Во втором сеансе стимулами были звуки CV и их неречевые эквиваленты (синтетические / па / и / ка /, сложные звуковые эквиваленты / па / и / ка / и тональные эквиваленты / па / и / ка /). Порядок занятий был рандомизирован по предметам. Стимулы разделялись межстимульным интервалом в 2 секунды, и они подавались монофонически в правое ухо, чтобы максимально задействовать левое полушарие с доминантой языка. Каждый сеанс длился 20–30 минут, а сеансы разделялись 2–3-минутным перерывом.

MEG записей

сигналов MEG были записаны с использованием 306-канальной системы головного мозга в форме шлема (Vectorview ™, Neuromag Ltd, Хельсинки, Финляндия) с двумя ортогонально ориентированными планарными градиентометрами и одним магнитометром в 102 точках. Сигналы подвергались полосовой фильтрации с частотой 0,03–200 Гц, дискретизировались с частотой 600 Гц и усреднялись в режиме онлайн от 200 мс до начала стимула до 800 мс после него. Горизонтальная и вертикальная электроокулограммы записывались для оперативного отбрасывания эпох, загрязненных морганиями или саккадами.Было собрано около 100 эпох без артефактов и усреднено отдельно для каждой из 12 категорий стимулов. Положение головы испытуемого относительно измерительного шлема определялось в начале каждого сеанса измерения путем кратковременного включения четырех катушек индикатора положения головы, прикрепленных к голове испытуемого. Расположение катушек определяли по трем анатомическим ориентирам (преаурикулярные точки и назион) с использованием трехмерного дигитайзера (Polhemus, Colchester, VT). Таким образом, местоположение активных областей мозга может отображаться на анатомических МР-изображениях после идентификации ориентиров на МР-изображениях.

Анализ данных

MEG были отфильтрованы нижними частотами при 40 Гц перед дальнейшим анализом. Активированные области были смоделированы как эквивалентные диполи тока (ECD), которые представляют среднее местоположение, направление и силу тока, протекающего в данном кортикальном пятне (Hämäläinen et al. , 1993). ECD были определены с помощью стандартных наборов 46 планарных градиометров (= 23 пары), которые покрывали 100 мс звукового поля в каждом полушарии.Сферическая оценка использовалась для описания профиля проводимости мозга. Модель сферы была адаптирована для оптимального описания кривизны височных областей с использованием индивидуальных анатомических МР-изображений, когда они были доступны (восемь контрольных субъектов и четыре пациента с дислексией), или сферической модели, которая представляла собой среднее значение индивидуальных параметров всех наших субъектов с МРТ, рассчитываемые отдельно для мужчин и женщин.

У каждого испытуемого сначала определяли ДРВП отдельно для каждого стимула.Степень согласия полученных двухдипольных моделей (по одному диполю в каждом полушарии) варьировалась от 85 до 95% для разных испытуемых и разных стимулов. Внутри каждого испытуемого расположение источников варьировалось в среднем на 1 см, а направление тока на 25 ° по разным стимулам в обоих полушариях. Близкое сходство ECD, обнаруженное в различных условиях стимула, позволило улучшить отношение сигнал / шум путем формирования среднего значения ответов на все стимулы у каждого испытуемого (четыре категории стимулов: две гласные и два слога; три стимула. типы: тон, сложный звук, звук речи; всего 1090–1354 попытки).Затем смоделированные в этом усредненном наборе данных ЭКД левого и правого полушария использовались для учета сигналов МЭГ, записанных для каждого стимула. Расположение и ориентация двух ECD оставались фиксированными, в то время как их амплитуда могла изменяться для лучшего объяснения сигналов, регистрируемых всеми датчиками в течение всего интервала усреднения. Эта общая двухдипольная модель учитывала сигналы МЭГ в каждом условии стимула в равной степени, как и двухдипольные модели, которые были найдены отдельно для каждого условия стимула (степень согласия варьировалась от 83 до 94%).Использование общего набора из двух ECD для всех условий у каждого отдельного субъекта позволило напрямую сравнить временное поведение активации в этих корковых областях (исходные формы волн) по всем стимулам.

Статистические тесты

Дисперсионный анализ с повторными измерениями (ANOVA) с категорией стимула (/ a /, / u /, / pa /, / ka /), типом стимула (речевой звук, сложный неречевой звук, простой тон) и полушарием (слева, справа), поскольку факторы внутри субъектов использовались для оценки систематических эффектов силы и латентности активации в каждой популяции субъектов.Расположение источников тестировалось отдельно для каждого пространственного измерения ( x = аксиальная плоскость от левого уха до правого уха, y = аксиальная плоскость, ортогональная x , по направлению к назиону, z = сагиттальная плоскость от нижнего до нижнего уха). Superior), а также были проверены направления тока. Для сравнения групп использовали смешанную модель ANOVA с группой (контроль, дислексики) в качестве фактора между субъектами.

Для поведенческих тестов время реакции и количество ошибок между группами испытуемых анализировались с помощью теста Стьюдента t .Чтобы проверить корреляцию между фонологическими способностями и корковыми показателями, мы рассчитали коэффициент корреляции Пирсона.

Результаты

Результаты нейровизуализации у нормально читающих субъектов

На рисунке 2 показаны примеры сигналов MEG, записанных у одного испытуемого. Ответы на разные типы звуков (речевой звук, сложный неречевой звук и простой тон) представлены на датчиках МЭГ, которые показали максимальную амплитуду над левой и правой слуховой корой.На рисунке 3 показано групповое среднее расположение эквивалентных диполей тока, которые наилучшим образом представляли активированные области коры головного мозга у каждого субъекта, наложенное на МРТ-изображение, усредненное по контрольным субъектам (Schormann et al., 1996; Woods et al., 1998a, 1998b). . В некоторых случаях диполи были обнаружены в извилине Гешля, но в основном они были локализованы в борозде Гешля или заднебоковой к ней.

Рис. 2.

MEG-ответы, вызванные звуком речи / a /, сложным звуковым эквивалентом / a / и простым тоновым эквивалентом / a / (черная, серая и пунктирная линия, соответственно), зарегистрированные двумя выбранными датчиками над левая и правая височная кора у одного испытуемого.

Рисунок 2.

MEG-ответы, вызванные звуком речи / a /, сложным звуковым эквивалентом / a / и простым тоновым эквивалентом / a / (черная, серая и пунктирная линия соответственно), зарегистрированные двумя выбранными датчиками над левой и правой височной корой у одного испытуемого.

Рис. 3.

Среднее местоположение ответа на 100 метров в левом и правом полушарии, а также среднее время активации для речевого звука / па / (черная линия), его сложного неречевого эквивалента (серая линия) и простого тонового эквивалента. (пунктир).Сильвиева трещина выделена на МРТ.

Рис. 3.

Среднее местоположение ответа N100m в левом и правом полушарии и среднее время активации для речевого звука / па / (черная линия), его сложного неречевого эквивалента (серая линия) и простого тона. эквивалент (пунктирная линия). Сильвиева трещина выделена на МРТ.

Среднее время активации (рис. 3) было качественно одинаковым для всех категорий стимулов (/ a /, / u /, / pa /, / ka /) и всех типов стимулов (речевой звук, сложный звук, простой тон). ).После небольшого отрицательного падения сигнал начал увеличиваться через ~ 50 мс после начала стимула, достиг максимума через ~ 100 мс (N100m) и оставался на довольно низком уровне через ~ 200 мс. Источники в правом полушарии располагались в среднем на 6 мм впереди источников в левом полушарии [ F (1,9) = 6,1, P <0,05], что согласуется с предыдущими отчетами (например, Elberling et al. ). , 1982; Каукоранта, и др., , 1987). Систематических различий в расположении источников между разными категориями (/ a /, / u /, / pa /, / ka /) не было.Небольшие различия в расположении и ориентации возникали между разными типами стимулов (речь, сложные неречевые звуки и простые тона), но в абсолютном выражении они были пренебрежимо малыми: 1–3 мм в среднем положении и 2–7 градусов в средней ориентации.

Сила отклика 100м

Сила ответа N100m (таблица 1 и рис. 4 a ) варьировалась в зависимости от типа стимула в левом полушарии, но не в правом полушарии [тип стимула, F (2,18) = 10.2, P <0,001; и тип стимула для каждого полушария: взаимодействие F (2,18) = 13,4, P <0,001]. В левом полушарии ответы на звуки речи были сильнее, чем на сложные неречевые звуки и простые тона [ F (2,18) = 14,7, P <0,001]. Влияние типа стимула было значимым для всех категорий стимулов (a: P <0,001, u: P <0,001, pa: P <0,01, ka: P <0.001).

Рис. 4.

Средняя (+ SEM) сила активации N100m для контрольной ( a ) и дислексической группы ( b ). Ответы в контралатеральном левом полушарии показаны слева, а в ипсилатеральном правом полушарии – справа. Звуки речи, сложные неречевые звуки и простые тона представлены черными, серыми и белыми полосами соответственно. Пунктирная линия представляет собой среднюю амплитуду активации по всем звукам в левом полушарии контрольных субъектов.

Рис. 4.

Средняя (+ SEM) сила активации N100m для контрольной ( a ) и дислексической группы ( b ). Ответы в контралатеральном левом полушарии показаны слева, а в ипсилатеральном правом полушарии – справа. Звуки речи, сложные неречевые звуки и простые тона представлены черными, серыми и белыми полосами соответственно. Пунктирная линия представляет собой среднюю амплитуду активации по всем звукам в левом полушарии контрольных субъектов.

Сила и латентность источника N100m в левом и правом полушарии у контрольных (Cont) и дислексических (Dys) субъектов для звуков речи, сложных неречевых звуков и простых тонов (среднее ± SEM)

Сила и время ожидания источника N100m в левом t и правое полушарие у контрольных (Cont) и лиц с дислексией (Dys) для звуков речи, сложных неречевых звуков и простых тонов (среднее ± SEM)

Когда стимулами были звуки речи, сила ответа N100m nse было одинаковым для всех категорий стимулов (/ a /, / u /, / pa /, / ka /).Однако для сложных и простых неречевых звуков наблюдалось значительное изменение силы N100m в зависимости от категории стимула в обоих полушариях [категория стимула, F (3,27) = 4,3, P <0,05; взаимодействие типа за категорией стимула, F (6,54) = 2,4, P <0,05; только звуки речи, F (3,27) = 1,8, P = 0,2; только сложные звуки, F (27,3) = 5,0, P <0,01; только тоны синусоидальной волны, F (3,27) = 4.4, P <0,05].

Время ответа N100m

Начальная латентность (момент времени, когда сигнал пересекает уровень стандартного отклонения базовой линии пресимула) не показывает систематических изменений в зависимости от типа звука. Однако нарастание ответа N100m в левом и правом полушарии различает речевые и неречевые звуки (рис. 5). Для речевых звуков восходящий наклон ответа N100m (увеличение амплитуды в зависимости от времени) был круче в левом, чем в правом полушарии, но для неречевых звуков не было значительной разницы между двумя полушариями [взаимодействие типа стимула по полушарию , F (2,18) = 4.2, P <0,05; эффект полушария для звуков речи F (1,9) = 7,8, P <0,05, сложных звуков F (1,9) = 2,8, P = 0,1 и синусоидальных тонов F (1,9) = 2,5, P = 0,2)].

Рис. 5.

Схематическое изображение нарастания реакции N100m (от начала до пика) на речевой звук (вверху), сложный неречевой звук (в центре) и простой тон (внизу) слева (жирные линии) ) и правое (тонкие линии) полушария контрольных (слева) и лиц с дислексией (справа).Данные показаны для звуковой категории / a /.

Рисунок 5.

Схематическое изображение нарастания реакции N100m (от начала до пика) на речевой звук (вверху), сложный неречевой звук (посередине) и простой тон (внизу) слева (толстый линии) и правое (тонкие линии) полушария контрольных (слева) и дислексических субъектов (справа). Данные показаны для звуковой категории / a /.

Ответ N100m достиг максимума в среднем на 2–5 мс позже для речи, чем сложные неречевые звуки, и на 7–9 мс позже, чем для тонов [ F (2,18) = 4.8, P <0,05], аналогично в обоих полушариях. Ответы на все звуки достигли максимума раньше в контралатеральном левом полушарии (96 ± 11 мс, среднее ± SEM), чем в ипсилатеральном правом полушарии (108 ± 9 мс) [ F (1,9) = 52.0, P <0,001], что согласуется с предыдущими сообщениями о монофонической слуховой стимуляции (например, Elberling et al. , 1982; Mäkelä et al. , 1993; см. Таблицу 1).

Эффект стимуляции уха был впоследствии протестирован на 7 из 10 субъектов, участвовавших в первоначальном исследовании.Стимулы, подаваемые в левое ухо (/ a / и / pa / и их неречевые эквиваленты), вызывали такой же паттерн активации, как и стимулы, подаваемые в правое ухо (рис. 6). В левом полушарии активация речи была сильнее, чем сложные и простые неречевые звуки, но в правом полушарии не было обнаружено общего эффекта уровня стимула [эффект уровня, F (2,12) = 9,3, P <0,01 ; межполушарное взаимодействие, F (2,12) = 5,0, P <0.05]. Таким образом, на чувствительность силы N100m в разных полушариях к речевым и неречевым звукам изменение стимулированного уха не влияло.

Рис. 6.

Средняя (+ SEM) сила активации N100m в левом и правом полушариях для стимуляции левого уха звуками речи, сложными неречевыми звуками и простыми тонами (черные, серые и белые полосы соответственно).

Рис. 6.

Средняя (+ SEM) сила активации N100m в левом и правом полушариях для стимуляции левого уха звуками речи, сложными неречевыми звуками и простыми тонами (черные, серые и белые полосы соответственно) .

Результаты нейровизуализации у субъектов с дислексией и контрольной группы

Систематических групповых различий в расположении активированных участков не обнаружено. Как и в контроле, расположение источника незначительно зависело от типа стимула (1–3 мм между речевым и неречевым состояниями).

Сравнение силы N100 м в двух группах испытуемых

Сила источника N100m не показала ни основного эффекта группы субъектов, ни значимых взаимодействий.Таким образом, как и в контрольной группе, у субъектов с дислексией сила N100m различала речевые и неречевые звуки в левом полушарии [ F (2,18) = 8,2, P <0,01], но не в правом полушарии [ F (2,18) = 1,5, P = 0,2] (рис. 4 b ). Однако в правом полушарии наблюдалась тенденция к более слабой активации у дислексиков, чем у контрольных субъектов [эффект группы в правом полушарии F (1,18) = 3.6, P = 0,08]. В отдельном ANOVA для субъектов с дислексией сила N100m значительно различалась между полушариями [слева 53 ± 7 нАм, справа 40 ± 4 нАм, F (1,9) = 5,5, P <0,05], в то время как в у контрольных субъектов общий уровень активации между полушариями был очень похож [левый 54 ± 7 нАм, правый 55 ± 7 нАм, F (1,9) = 0,01, P = 0,9].

Сравнение времени N100m в двух группах испытуемых

Построение ответа N100m показало тонкий эффект группы субъектов для звуков речи, но не для звуков, не относящихся к речи [эффект группы для звуков речи, F (1,18) = 4.9, P <0,05; сложные неречевые звуки, F (1,18) = 0,9, P = 0,3; тона синусоидальной волны, F (1,18) = 1,9, P = 0,2]. Было обнаружено, что N100m для звуков речи повышается более постепенно у лиц с дислексией, чем у контрольных субъектов, аналогично в обоих полушариях.

Пиковая латентность ответа N100m (таблица 1) показала значимое межполушарное взаимодействие [ F (1,18) = 5,4, P <0,05]. В отдельном анализе для каждого полушария пиковая латентность в левом полушарии имела тенденцию быть дольше у лиц с дислексией, чем у контрольных субъектов, но эта разница только приближалась к значимости [ F (1,18) = 3.0, P = 0,1]. В правом полушарии группы показали очень похожее время активации [ F (1,18) = 0,007, P = 0,9]. Когда испытуемых с дислексией тестировали отдельно, типичный образец более ранней реакции в контралатеральном левом, чем в ипсилатеральном правом полушарии, обнаруженный в контрольной группе, не был очевиден (слева 104 ± 5 ​​мс, справа 108 ± 5 мс) (см. Рис. 5). Тем не менее, реакция на простые тона достигала максимума первой, а реакция на звуки речи последней, аналогично в обоих полушариях, как и в контрольной группе [основной эффект типа стимула F (2,18) = 7.1, P <0,01].

Поведенческие результаты и корреляция с ответами на МЭГ у лиц с дислексией по сравнению с контрольными субъектами

Все испытуемые с дислексией обладали нормальным интеллектом, как было определено с помощью общих лингвистических и нелингвистических когнитивных тестов (WAIS-R, WMS-R) (Таблица 2). Субъекты с дислексией были значительно медленнее, чем контрольная группа с нормальным чтением, в тесте орального чтения [средняя разница 59 слов, t (46) = 5,8, P <0,001] и тестах Rapid Naming [средняя разница в RAS 9 с, t (46) = −5.0, P <0,001; и в RAN 5 с t (23) = -2,5, P <0,05]. Контрольные субъекты в настоящем исследовании (7 из 10 протестированных) не отличались от более крупного нормативного набора данных ни в устном чтении [ t (35) = -0,7, P = 0,5], либо в Rapid Naming [RAS, t (35) = 1,1, P = 0,3; РАН, t (12) = 1,3, P = 0,2]. В более специфических фонологических тестах испытуемые с дислексией были значительно медленнее и более подвержены ошибкам, чем контрольные испытуемые.Время реакции у лиц с дислексией было больше, чем у контрольных субъектов в тесте на удаление фонемы, предъявляемом на слух [разница в среднем 3,7 с, t (15) = -4,6, P <0,001] и тесте на обращение слогов [ разница в среднем 5,4 с, t (15) = −4,8, P <0,001]. Субъекты с дислексией также совершали значительно больше ошибок при удалении фонемы [ t (15) = 2,5, P <0,05], обращении слога [ t (15) = 2.3, P <0,05] и тесты правописания [ t (15) = -2,9, P <0,05], чем у контрольных субъектов.

Результаты поведенческих тестов