Cortical-Basal Ganglia Speech Networks

皮质基底神经节语音网络

基本信息

  • 批准号:
    10663277
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 119.73万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2020
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2020-09-30 至 2025-06-30
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

PROJECT SUMMARY Actions are not mediated solely by cortical processes but rely on communication within basal ganglia- thalamocortical loops. Speech is one example, although how the basal ganglia participate in this uniquely human behavior is not clear, due to a lack of empirical data. For instance, the leading computational model of speech production ignores the hyperdirect cortical pathway to the subthalamic nucleus (STN), a basal ganglia node that has been implicated in multiple cognitive processes relevant to speech production (e.g. action selection and suppression, behavioral switching, gain modulation, motor learning). Recognizing that deep brain stimulation (DBS) surgery offers the only opportunity to directly measure neural activity in the human basal ganglia, we initiated studies to understand how motor and linguistic speech information is encoded within the STN-sensorimotor cortical network. We established a novel experimental paradigm, where electrocorticography (ECoG) is recorded simultaneously with STN single unit activity and local field potentials (LFP), during DBS surgery in which patients are awake and speaking. We discovered that STN neuron activity is dynamic during speech production, exhibiting behaviorally-selective inhibition and excitation of separate populations of neurons. At the population level, we found that STN activity tracks with specific articulatory motor features and with gain adjustment in articulatory movements. In addition, our data suggest a role for the STN in speech planning, in that STN activity appears to be modulated prior to speech onset. These findings led us to expand ECoG coverage to additionally record from areas involved in speech perception (superior temporal gyrus) and planning (inferior frontal gyrus). Given the evidence in nonhuman primates for an auditory basal ganglia-thalamocortical loop and the known hyperdirect projections from broad areas of frontal cortex to the STN, we propose that hyperdirect pathways from both speech perception and speech planning areas of cortex project to the STN and contribute to speech control. Supporting this idea, we have recorded evoked potentials after STN stimulation that are consistent with antidromic activation not only in sensorimotor cortex, but also from the inferior frontal gyrus (IFG) and superior temporal gyrus (STG). Our principal hypothesis is that interactions between the STN and functionally distinct cortical regions contribute to multiple aspects of speech, at the levels of perception, planning and modulation. Aim 1 uses stimulation and functional connectivity measures to map the cortical-STN speech network. Aim 2, in parallel, probes proposed basal ganglia functions relevant to speech, by simultaneously recording neural activity and speech acoustics during an auditory repetition tasks that employs the Lombard Effect to selectively perturb speech production. The resulting data will inform modifications to current models of speech production, which subsequently will be tested with cue and response-locked intraoperative stimulation in Aim 3.
项目概要 行动不仅仅由皮质过程介导,还依赖于基底神经节内的沟通 丘脑皮质环路。言语就是一个例子,尽管基底神经节如何独特地参与这一过程 由于缺乏经验数据,人类行为尚不清楚。例如,领先的计算模型 言语产生忽略了通往丘脑底核(STN)(基底神经节)的超直接皮质通路 涉及与语音产生相关的多个认知过程的节点(例如动作 选择和抑制、行为转换、增益调制、运动学习)。认识到那么深 脑刺激(DBS)手术提供了直接测量人类神经活动的唯一机会 基底神经节,我们发起了研究以了解运动和语言语音信息是如何编码的 STN-感觉运动皮层网络内。我们建立了一种新颖的实验范式,其中 皮质电图 (ECoG) 与 STN 单个单元活动和局部场电位同时记录 (LFP),在 DBS 手术期间,患者是清醒的并且能够说话。我们发现 STN 神经元活动是 言语产生过程中的动态,表现出行为选择性抑制和单独的兴奋 神经元群体。在人群水平上,我们发现 STN 活动与特定的发音追踪 运动功能和关节运动增益调节。此外,我们的数据表明 言语规划中的 STN,因为 STN 活动似乎在言语开始之前进行了调制。这些发现 促使我们扩大 ECoG 覆盖范围,以额外记录涉及言语感知的区域(优越 颞回)和规划(额下回)。鉴于非人类灵长类动物的证据 听觉基底神经节-丘脑皮质环路和已知的来自额叶广泛区域的超直接投射 皮层到 STN,我们提出从语音感知和语音规划的超直接路径 皮层区域投射到 STN 并有助于言语控制。为了支持这个想法,我们记录了 STN 刺激后的诱发电位不仅在 感觉运动皮层,也来自额下回(IFG)和颞上回(STG)。我们的 主要假设是 STN 和功能不同的皮质区域之间的相互作用有助于 涉及语音的多个方面,包括感知、规划和调制层面。目标 1 使用刺激 和功能连接测量来映射皮质-STN 语音网络。目标2,并行探测 通过同时记录神经活动和语音,提出与语音相关的基底神经节功能 利用伦巴第效应选择性地扰乱语音的听觉重复任务期间的声学 生产。由此产生的数据将通知对当前语音产生模型的修改,这 随后将在目标 3 中使用提示和反应锁定术中刺激进行测试。

项目成果

期刊论文数量(4)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Hyperdirect connectivity of opercular speech network to the subthalamic nucleus.
  • DOI:
    10.1016/j.celrep.2022.110477
  • 发表时间:
    2022-03-08
  • 期刊:
  • 影响因子:
    8.8
  • 作者:
    Jorge A;Lipski WJ;Wang D;Crammond DJ;Turner RS;Richardson RM
  • 通讯作者:
    Richardson RM
Differentiation of speech-induced artifacts from physiological high gamma activity in intracranial recordings.
  • DOI:
    10.1016/j.neuroimage.2022.118962
  • 发表时间:
    2022-04-15
  • 期刊:
  • 影响因子:
    5.7
  • 作者:
    Bush A;Chrabaszcz A;Peterson V;Saravanan V;Dastolfo-Hromack C;Lipski WJ;Richardson RM
  • 通讯作者:
    Richardson RM
A supervised data-driven spatial filter denoising method for speech artifacts in intracranial electrophysiological recordings.
一种用于颅内电生理记录中语音伪影的监督数据驱动的空间滤波器去噪方法。
  • DOI:
    10.1101/2023.04.05.535577
  • 发表时间:
    2023
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Peterson,Victoria;Vissani,Matteo;Luo,Shiyu;Rabbani,Qinwan;Crone,NathanE;Bush,Alan;MarkRichardson,R
  • 通讯作者:
    MarkRichardson,R
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