Журнал высшей нервной деятельности им. И.П. Павлова, 2021, T. 71, № 4, стр. 563-577

Влияние периодичности и гласности звука на ответы слуховой коры мозга детей

Т. А. Строганова 1, К. С. Комаров 1, Д. Е. Гояева 1, Т. С. Обухова 1, Т. М. Овсянникова 1, А. О. Прокофьев 1, Е. В. Орехова 12*

1 Центр нейрокогнитивных исследований (МЭГ-Центр), Московский государственный психолого-педагогический университет
Москва, Россия

2 MedTech West and the Institute of Neuroscience and Physiology, Sahlgrenska Academy, the University of Gothenburg
Gothenburg, Sweden

* E-mail: orekhova.elena.v@gmail.com

Поступила в редакцию 23.11.2020
После доработки 19.12.2020
Принята к публикации 22.12.2020

Аннотация

Механизмы мозга человека, направленные на декодирование звуков речи, представляют как фундаментальный, так и практический интерес для многих областей нейронауки. Настоящая работа посвящена роли периодичности и речевой природы (фиксированной формантной структуры) гласных звуков в модуляции активности слуховой коры мозга у типично развивающихся детей. Мы предположили, что, хотя обе этих характеристики свойственны гласным звукам речи, их обработка осуществляется разными нейронными сетями слуховой коры. Для проверки этой гипотезы мы сконструировали набор акустических стимулов, манипулируя их периодичностью и гласностью по отдельности, и использовали магнитоэнцефалографию в сочетании с индивидуальными моделями поверхности коры мозга для оценки кортикальной топографии источников и силы ответов слуховой коры мозга. Выборку составили девять типично развивающихся детей в возрасте 7–12 лет. Мы обнаружили высокую чувствительность ранних ответов слуховой коры (50–150 мс после начала стимула) как к периодичности, так и к гласности звука, при независимой настройке нейронных сетей на каждое из этих свойств звуков речи. Различия в локализации, временной динамике и полушарной асимметрии этих дифференциальных ответов указывали на то, что “зоны гласности звука” в височной коре являются наиболее ранним уровнем в иерархии обработки речевой информации, на котором обработка собственно акустических свойств периодического звука трансформируется в декодирование звуков речи. Полученные результаты позволят оценить специфику и роль возможных нарушений обработки низкоуровневых свойств речевых звуков в трудностях восприятия речи у детей с первазивными расстройствами развития.

Ключевые слова: магнитная энцефалография (МЭГ), вызванные слуховые ответы, устойчивое магнитное поле, периодичность и гласность звука, дети

DOI: 10.31857/S0044467721040109

Список литературы

  1. Andermann M., Patterson R.D., Vogt C., Winterstetter L., Rupp A. Neuromagnetic correlates of voice pitch, vowel type, and speaker size in auditory cortex. NeuroImage. 2017. 158: 79–89.

  2. Behrman A., Ferguson S.H., Akhund A., Moeyaert M. The Effect of Clear Speech on Temporal Metrics of Rhythm in Spanish-Accented Speakers of English. Language and speech. 2019. 62 (1): 5–29.

  3. Belin P., Fecteau S., Bedard C. Thinking the voice: neural correlates of voice perception. Trends in cognitive sciences. 2004. 8 (3): 129–135.

  4. Bendor D., Wang X. Cortical representations of pitch in monkeys and humans. Current opinion in neurobiology. 2006. 16 (4): 391–399.

  5. Bendor D., Wang X. Neural response properties of primary, rostral, and rostrotemporal core fields in the auditory cortex of marmoset monkeys. Journal of neurophysiology. 2008. 100 (2): 888–906.

  6. Dale A.M., Fischl B., Sereno M.I. Cortical surface-based analysis. I. Segmentation and surface reconstruction. NeuroImage. 1999. 9 (2): 179–194.

  7. Destrieux C., Fischl B., Dale A., Halgren E. Automatic parcellation of human cortical gyri and sulci using standard anatomical nomenclature. NeuroImage. 2010. 53 (1): 1–15.

  8. DeWitt I., Rauschecker J.P. Phoneme and word recognition in the auditory ventral stream. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 2012. 109 (8): E505–514.

  9. Edgar J.C., Fisk Iv C.L., Berman J.I., Chudnovskaya D., Liu S., Pandey J., Herrington J.D., Port R.G., Schultz R.T., Roberts T.P. Auditory encoding abnormalities in children with autism spectrum disorder suggest delayed development of auditory cortex. Molecular autism. 2015. 6: 69.

  10. Fan C.S., Zhu X., Dosch H.G., von Stutterheim C., Rupp A. Language related differences of the sustained response evoked by natural speech sounds. PloS one. 2017. 12 (7): e0180441.

  11. Ferguson S.H., Kewley-Port D. Talker differences in clear and conversational speech: acoustic characteristics of vowels. Journal of speech, language, and hearing research : JSLHR. 2007. 50 (5): 1241–1255.

  12. Fitch W.T. The evolution of speech: a comparative review. Trends in cognitive sciences. 2000. 4 (7): 258–267.

  13. Fischl B., Sereno M.I., Dale A.M. Cortical surface-based analysis: II: inflation, flattening, and a surface-based coordinate system. Neuroimage. 1999. 9(2): 195–207.

  14. Griffiths T.D. Functional imaging of pitch analysis. Annals of the New York Academy of Sciences. 2003. 999: 40–49.

  15. Gutschalk A., Patterson R.D., Scherg M., Uppenkamp S., Rupp A. Temporal dynamics of pitch in human auditory cortex. NeuroImage. 2004. 22 (2): 755–766.

  16. Gutschalk A., Uppenkamp S. Sustained responses for pitch and vowels map to similar sites in human auditory cortex. NeuroImage. 2011. 56(3): 1578–1587.

  17. Hillenbrand J.M., Clark M.J., Houde R.A. Some effects of duration on vowel recognition. The Journal of the Acoustical Society of America. 2000. 108 (6): 3013–3022.

  18. Kaufman A. KABC-II: Kaufman Assessment Battery for Children, 2nd Edn. AGS Pub. Circle Pines, MN; 2004.

  19. Manca A.D., Grimaldi M. Vowels and Consonants in the Brain: Evidence from Magnetoencephalographic Studies on the N1m in Normal-Hearing Listeners. Frontiers in psychology. 2016. 7: 1413.

  20. Maurer D., Werker J.F. Perceptual narrowing during infancy: a comparison of language and faces. Developmental psychobiology. 2014. 56 (2): 154–178.

  21. Narayan C.R. An acoustic perspective on 45 years of infant speech perception, Part 1: Consonants. Language and Linguistics Compass. 2019. 13 (10): e12352.

  22. Orekhova E.V., Butorina A.V., Tsetlin M.M., Novikova S.I., Sokolov P.A., Elam M., Stroganova T.A. Auditory magnetic response to clicks in children and adults: its components, hemispheric lateralization and repetition suppression effect. Brain topography. 2013. 26 (3): 410–427.

  23. Pascual-Marqui R.D. Standardized low-resolution brain electromagnetic tomography (sLORETA): technical details. Methods and findings in experimental and clinical pharmacology. 2002. 24 Suppl D: 5–12.

  24. Patterson R., Andermann M., Uppenkamp S., Rupp A. Neuromagnetic correlates of the vocal characteristics of vowels in auditory cortex. Proceedings of Meetings on Acoustics. 2016. 25: 050002.

  25. Patterson R., Irino T. Size Matters in Hearing: How the Auditory System Normalizes the Sounds of Speech and Music for Source Size. Perspectives on Auditory Research. Ed. Popper A., Fay R. NY: Springer, 2014. 417–440 pp.

  26. Patterson R.D., Uppenkamp S., Johnsrude I.S., Griffiths T.D. The processing of temporal pitch and melody information in auditory cortex. Neuron. 2002. 36 (4): 767–776.

  27. Pernet C.R., McAleer P., Latinus M., Gorgolewski K.J., Charest I., Bestelmeyer P.E., Watson R.H., Fleming D., Crabbe F., Valdes-Sosa M., Belin P. The human voice areas: Spatial organization and inter-individual variability in temporal and extra-temporal cortices. NeuroImage. 2015. 119: 164–174.

  28. Ries S.K., Piai V., Perry D., Griffin S., Jordan K., Henry R., Knight R.T., Berger M.S. Roles of ventral versus dorsal pathways in language production: An awake language mapping study. Brain and language. 2019. 191: 17–27.

  29. Ritter S., Gunter Dosch H., Specht H.J., Rupp A. Neuromagnetic responses reflect the temporal pitch change of regular interval sounds. NeuroImage. 2005. 27 (3): 533–543.

  30. Ross B., Herdman A.T., Pantev C. Right hemispheric laterality of human 40 Hz auditory steady-state responses. Cerebral cortex. 2005. 15 (12): 2029–2039.

  31. Schelinski S., von Kriegstein K. Brief Report: Speech-in-Noise Recognition and the Relation to Vocal Pitch Perception in Adults with Autism Spectrum Disorder and Typical Development. Journal of autism and developmental disorders. 2020. 50 (1): 356–363.

  32. Steinmann I., Gutschalk A. Potential fMRI correlates of 40-Hz phase locking in primary auditory cortex, thalamus and midbrain. NeuroImage. 2011. 54 (1): 495–504.

  33. Stevens K. The role of duration in vowel identification. Quarterly Progress Report. 1959. 52.

  34. Strange W., Shafer V. 6. Speech perception in second language learners: The re-education of selective perception. 2008. pp. 153–191.

  35. Tadel F., Baillet S., Mosher J.C., Pantazis D., Leahy R.M. Brainstorm: a user-friendly application for MEG/EEG analysis. Computational intelligence and neuroscience. 2011. 2011: 879716.

  36. Uppenkamp S., Johnsrude I.S., Norris D., Marslen-Wilson W., Patterson R.D. Locating the initial stages of speech-sound processing in human temporal cortex. NeuroImage. 2006. 31 (3): 1284–1296.

Дополнительные материалы отсутствуют.