Новое исследование настраивает контроль тона мандаринского языка

В недавнем исследовании, опубликованном в журнале Природные коммуникацииИспользуя внутричерепные записи, исследователи исследовали нейронную основу производства лексических тонов у носителей мандаринского языка. Они обнаружили, что динамика высоты лексических тонов обусловлена ​​локальными популяциями в двусторонней моторной коре гортани (LMC), которая кодирует артикуляционную кинематическую информацию вместо выборочного кодирования однотоновой категории. Кроме того, они продемонстрировали, что электрокортикальная стимуляция различных популяций в LMC может помочь повысить или понизить высоту звука.

Изучать: Нейронный контроль выработки лексических тонов в моторной коре гортани человека. Изображение предоставлено: Nailotl / Shutterstock

Фон

Чтобы различать слова тонального языка, говорящему необходимо модулировать высоту голоса, чтобы сформировать определенные траектории, называемые «лексическими тонами». Точный контроль над гортанью необходим для создания и модуляции высоты голоса с помощью трех функций: произнесения, повышения и понижения. Хотя недавно были идентифицированы две области LMC, коррелирующие с движениями гортани, до сих пор неясно, как люди динамически контролируют мышцы гортани для генерации лексических тонов.

Интересно, что динамическая природа высоты голоса во время речи такова, что изменения высоты могут происходить в течение 100 мс. Таким образом, предыдущие исследования изображений с низким временным разрешением не смогли определить нейронное кодирование в LMC, которое обеспечивает контроль высоты голоса. Таким образом, используя сетки электрокортикограммы высокой плотности (ЭКоГ) с большим пространственно-временным разрешением, исследователи в настоящем исследовании стремились понять механизмы кодирования, лежащие в основе контроля высоты голоса, что позволяет производить лексический тон. Они также стремились идентифицировать параметры высоты звука, закодированные во время производства тона, и определить локализацию нейронного кодирования высоты звука в коре головного мозга.

Об исследовании

В исследовании приняли участие восемь участников (в возрасте 29–51 года, пять мужчин и три женщины), которым проводилось картирование языка в бодрствующем состоянии в рамках операции по удалению опухоли головного мозга. Пока участники произносили слоги мандаринского языка четырьмя разными тонами, нейронная активность записывалась с помощью электродных сеток высокой плотности, помещенных в сенсомоторную кору головного мозга (SMC). Экспериментальные задачи включали в себя постановку тона (с использованием двух разных парадигм), а также построение предложений: 20 фонетически сбалансированных предложений на китайском языке были зачитаны участниками с экрана. В ходе выполнения этих задач нейронные сигналы записывались со 128-канальных сеток ЭКоГ с помощью многоканального усилителя, оптически соединенного с цифровым сигнальным процессором. Акустическое пространство лексических тонов анализировалось с помощью анализа главных компонент.

Электроды были локализованы интраоперационно с использованием системы нейронавигации и программного обеспечения на базе Python. Были идентифицированы речевые электроды, которые также могли различать лексические тона. Был выделен контур высоты тона каждого слога, а для каждого участника были определены индивидуальный минимум и максимум высоты звука. Были отмечены фразовые и тональные компоненты каждого слога и предложения. Кроме того, чтобы оценить, какие функции управляют нейронной активностью в LMC во время генерации лексического тона, были использованы модели временного рецептивного поля (TRF). Многомерный анализ паттернов использовался для оценки точности декодирования тонов в нейронной популяции LMC. Кроме того, прямая кортикальная электрическая стимуляция использовалась интраоперационно у пяти пациентов с глиомой, перенесших операцию в сознании, чтобы исследовать причинно-следственную связь между конкретной нейронной популяцией и соответствующей динамикой высоты тона.

Результаты и обсуждение

Согласно исследованию, нейронное кодирование динамического контроля высоты голоса осуществляется распределенными нейронными популяциями как в вентральной, так и в дорсальной LMC. В ходе анализа не было обнаружено признаков настройки участков электродов на индивидуальную тональную категорию. Вместо этого было показано, что распределенный тип нейронного кодирования в двустороннем LMC лежит в основе коркового контроля генерации лексических тонов.

Было обнаружено, что кодирование высоты тона положительно коррелирует с различимостью тона. Было обнаружено, что как в задачах по составлению слогов, так и в предложениях, нейронная активность электродов, различающих тон, отражает динамику высоты тона. Более того, было обнаружено, что интраоперационная стимуляция дорсальной LMC вызывает повышение и понижение тона. Эти результаты предоставляют причинно-следственные доказательства негативных и позитивных паттернов настройки LMC.

Результаты улучшают наше понимание LMC и его нейронного кодирования и имеют важное значение для людей, говорящих на тональных языках, которые составляют примерно одну треть населения мира. Однако исследование ограничено межиндивидуальной изменчивостью тональной коры и невозможностью одновременной записи с левой и правой ЛМК у одного и того же участника. В будущем для подтверждения этих результатов могут потребоваться исследования на выборке большего размера.

Заключение

В заключение, результаты этого исследования открывают путь к новым подходам к решению проблем с речевыми нарушениями у людей, говорящих на тональных языках, а также находят применение в разработке интерфейса мозг-компьютер (BCI) для вспомогательной речи. Нейронные механизмы, лежащие в основе обработки тональной речи, обнаруженные в ходе исследования, могут стать основой для будущих исследований.