Известия высших учебных заведений

Прикладная нелинейная динамика

ISSN 0869-6632 (Print)
ISSN 2542-1905 (Online)


Для цитирования:

Chholak P., Tabari F., Pisarchik A. N. Revealing the neural network underlying covert picture-naming paradigm using magnetoencephalography [Чхолак П., Табари Ф., Писарчик А. Н. Выявление нейронной сети, лежащей в основе парадигмы скрытого наименования изображений, с помощью магнитоэнцефалографии] // Известия вузов. ПНД. 2022. Т. 30, вып. 1. С. 76-95. DOI: 10.18500/0869-6632-2022-30-1-76-95


Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY 4.0).
Полный текст в формате PDF(Ru):
(загрузок: 729)
Язык публикации: 
английский
Тип статьи: 
Научная статья
УДК: 
530.182, 612.821.1

Revealing the neural network underlying covert picture-naming paradigm using magnetoencephalography
[Выявление нейронной сети, лежащей в основе парадигмы скрытого наименования изображений, с помощью магнитоэнцефалографии]

Авторы: 
Чхолак Парт, Мадридский политехнический университет, Центр биомедицинских технологий
Табари Фатеме, Автономный университет Мадрида
Писарчик Александр Николаевич, Мадридский политехнический университет, Центр биомедицинских технологий
Аннотация: 

Цель работы — исследовать пространственно-временную активность мозга, вызываемую сенсорными и семантическими процессами во время именования объектов. Для этого были проведены эксперименты по магнитоэнцефалографии (МЭГ) с пятнадцатью субъектами, которые были поделены на три равные по размеру группы с разными типами языковой подготовки и навыков. Методы и результаты. Анализ записанных МЭГ-данных с применением метода граничных элементов для моделирования корковых поверхностей, а также использование динамического статистического параметрического отображения для решения обратной задачи, позволили реконструировать активность кортикального источника. Восстановленные корковые карты показали однородный ответ мозга во всех трех группах на стадии сенсорной обработки, в то время как ответы между тремя группами на стадии семантической обработки были разными. Кроме того, были построены средние временные курсы для ключевых областей мозга, таких как латеральная затылочная кора (LO), веретенообразная извилина (FG), область Брока (BA) и область Вернике (WA). Полученные результаты принимают унимодальные формы для временных рядов LO и WA и бимодальные формы для FG и BA. Единственный пик кривой LO и первый пик FG находятся во временном интервале стадии сенсорной обработки, тогда как единственный пик WA, второй пик FG и второй пик BA — на стадии семантической обработки. Первый пик BА расположен на границе, разделяющей две стадии. В дополнение к разделению областей, участвующих в сенсорной и семантической обработке, наше исследование подтвердило участие FG в именовании объектов (впервые с использованием МЭГ), которые подвержены риску резекции во время вмешательств при мезиальной височной эпилепсии. Заключение. Способность называть тривиальные повседневные предметы является ключевой когнитивной функцией, которая тестируется после травм головы или операций на головном мозге. Получено новое понимание механизмов скрытого наименования картинок и их нейронального субстрата. Результаты работы подчеркивают важность веретенообразной извилины, которая подвержена риску резекции при мезиальной височной эпилепсии. Однако полный механизм этапа семантической обработки является более сложным и требует доработки. По-видимому, существуют двунаправленные связи между трехфокальной сетью, образованной веретенообразной извилиной, областью Брока и областью Вернике, и их причинно-следственные связи необходимо исследовать в будущем, как и связи этой сети с внутрипариетальной бороздой. Следует также разработать надежный метод определения пиков вызванных откликов.

Благодарности: 
Это исследование было поддержано Португальским фондом науки и техники и Португальским Министерство науки, технологий и высшего образования (UID/PSI/01662/2019), через национальные фонды (PIDDAC). Анализ данных был проведен при поддержке Российского научного фонда, грант № 19-12-00050. Авторы выражают признательность доктору Адриане Сампайо и Елене Гарайзабал Хайнце за их роль в проведении экспериментов, плодотворные предложения и финансовую поддержку. Мы также хотели бы поблагодарить Эдуардо Лопеса-Канеду и Альберто Дж. Гонсалеса-Вильяра за их помощь и поддержку в сборе данных. Наконец, мы благодарим участвующих детей и их родителей, а также Королевский колледж Ла Моралеха, Гастингс Школа Мадрида и C.E.I.P. Принсипи де Астурия, которые помогли со сбором данных и оказали неоценимую помощь и поддержку
Список источников: 
  1. Quillian M. Semantic memory. In: Minsky M, editor. Semantic Information Processing. Cambridge, MA: MIT Press; 1968. P. 216–270.
  2. Tulving E. Episodic and semantic memory. In: Tulving E, Donaldson W, editors. Organization of Memory. New York: Academic Press; 1972. P. 381–403.
  3. Warrington EK. The selective impairment of semantic memory. Q. J. Exp. Psychol. 1975;27(4):635– 657. DOI: 10.1080/14640747508400525.
  4. Nestor PJ, Fryer TD, Hodges JR. Declarative memory impairments in Alzheimer’s disease and semantic dementia. NeuroImage. 2006;30(3):1010–1020. DOI: 10.1016/j.neuroimage.2005.10.008.
  5. Burnstine TH, Lesser RP, Hart J, Uematsu S, Zinreich SJ, Krauss GL, Fisher RS, Vining EPG, Gordon B. Characterization of the basal temporal language area in patients with left temporal lobe epilepsy. Neurology. 1990;40(6):966–970. DOI: 10.1212/WNL.40.6.966.
  6. Luders H, Lesser RP, Hahn J, Dinner DS, Morris HH, Wyllie E, Godoy J. Basal temporal language area. Brain. 1991;114(2):743–754. DOI: 10.1093/brain/114.2.743.
  7. Damasio H, Grabowski TJ, Tranel D, Hichwa RD, Damasio AR. A neural basis for lexical retrieval. Nature. 1996;380(6574):499–505. DOI: 10.1038/380499a0.
  8. Noppeney U, Price CJ. A PET study of stimulus- and task-induced semantic processing. NeuroImage. 2002;15(4):927–935. DOI: 10.1006/nimg.2001.1015.
  9. Bright P, Moss H, Tyler LK. Unitary vs multiple semantics: PET studies of word and picture processing. Brain Lang. 2004;89(3):417–432. DOI: 10.1016/j.bandl.2004.01.010.
  10. Sharp DJ, Scott SK, Wise RJS. Retrieving meaning after temporal lobe infarction: The role of the basal language area. Ann. Neurol. 2004;56(6):836–846. DOI: 10.1002/ana.20294.
  11. Spitsyna G, Warren JE, Scott SK, Turkheimer FE, Wise RJS. Converging language streams in the human temporal lobe. J. Neurosci. 2006;26(28):7328–7336. DOI: 10.1523/JNEUROSCI.0559-06.2006.
  12. Marinkovic K, Dhond RP, Dale AM, Glessner M, Carr V, Halgren E. Spatiotemporal dynamics of modality-specific and supramodal word processing. Neuron. 2003;38(3):487–497. DOI: 10.1016/S0896-6273(03)00197-1.
  13. Nobre AC, Allison T, McCarthy G. Word recognition in the human inferior temporal lobe. Nature. 1994;372(6503):260–263. DOI: 10.1038/372260a0.
  14. Liu H, Agam Y, Madsen JR, Kreiman G. Timing, timing, timing: Fast decoding of object information from intracranial field potentials in human visual cortex. Neuron. 2009;62(2): 281–290. DOI: 10.1016/j.neuron.2009.02.025.
  15. Mesulam MM. From sensation to cognition. Brain. 1998;121(6):1013–1052. DOI: 10.1093/brain/121.6.1013.
  16. Thompson-Schill SL. Neuroimaging studies of semantic memory: inferring «how» from «where». Neuropsychologia. 2003;41(3):280–292. DOI: 10.1016/S0028-3932(02)00161-6.
  17. Catani M, Ffytche DH. The rises and falls of disconnection syndromes. Brain. 2005;128(10): 2224–2239. DOI: 10.1093/brain/awh622.
  18. Martin A. The representation of object concepts in the brain. Annu. Rev. Psychol. 2007;58:25–45. DOI: 10.1146/annurev.psych.57.102904.190143.
  19. Forseth KJ, Kadipasaoglu CM, Conner CR, Hickok G, Knight RT, Tandon N. A lexical semantic hub for heteromodal naming in middle fusiform gyrus. Brain. 2018;141(7):2112–2126. DOI: 10.1093/brain/awy120.
  20. Grill-Spector K, Kourtzi Z, Kanwisher N. The lateral occipital complex and its role in object recognition. Vis. Res. 2001;41(10–11):1409–1422. DOI: 10.1016/S0042-6989(01)00073-6.
  21. Indefrey P, Levelt WJM. The spatial and temporal signatures of word production components. Cognition. 2004;92(1–2):101–144. DOI: 10.1016/j.cognition.2002.06.001.
  22. Ungerleider LG, Mishkin M. Two cortical visual systems. In: Ingle DJ, Goodale MA, Mansfield RJW, editors. Analysis of Visual Behavior. Cambridge: MIT Press; 1982. P. 549–586.
  23. Felleman DJ, Van Essen DC. Distributed hierarchical processing in the primate cerebral cortex. Cereb. Cortex. 1991;1(1):1–47. DOI: 10.1093/cercor/1.1.1-a.
  24. Thompson-Shill SL, D’Esposito M, Aguirre GK, Farah MJ. Role of left inferior prefrontal cortex in retrieval of semantic knowledge: A reevaluation. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 1997;94(26): 14792–14797. DOI: 10.1073/pnas.94.26.14792.
  25. Wagner AD, Pare-Blagoev EJ, Clark J, Poldrack RA. Recovering meaning: Left prefrontal cortex guides controlled semantic retrieval. Neuron. 2001;31(2):329–338. DOI: 10.1016/S0896-6273(01)00359-2.
  26. Hickok G, Poeppel D. The cortical organization of speech processing. Nat. Rev. Neurosci. 2007;8(5):393–402. DOI: 10.1038/nrn2113.
  27. Poldrack RA, Wagner AD, Prull MW, Desmond JE, Glover GH, Gabrieli JDE. Functional specialization for semantic and phonological processing in the left inferior prefrontal cortex. NeuroImage. 1999;10(1):15–35. DOI: 10.1006/nimg.1999.0441.
  28. Badre D, Poldrack RA, Pare-Blagoev EJ, Insler RZ, Wagner AD. Dissociable controlled retrieval and generalized selection mechanisms in ventrolateral prefrontal cortex. Neuron. 2005;47(6):907– 918. DOI: 10.1016/j.neuron.2005.07.023.
  29. Bastos AM, Vezoli J, Bosman CA, Schoffelen JM, Oostenveld R, Dowdall JR, De Weerd P, Kennedy H, Fries P. Visual areas exert feedforward and feedback influences through distinct frequency channels. Neuron. 2015;85(2):390–401. DOI: 10.1016/j.neuron.2014.12.018.
  30. Michalareas G, Vezoli J, van Pelt S, Schoffelen JM, Kennedy H, Fries P. Alpha-beta and gamma rhythms subserve feedback and feedforward influences among human visual cortical areas. Neuron. 2016;89(2):384–397. DOI: 10.1016/j.neuron.2015.12.018.
  31. Lazar RM, Mohr JP. Revisiting the contributions of Paul Broca to the study of aphasia. Neuropsychol. Rev. 2011;21(3):236–239. DOI: 10.1007/s11065-011-9176-8.
  32. Trupe LA, Varma DD, Gomez Y, Race D, Leigh R, Hillis AE, Gottesman RF. Chronic apraxia of speech and Broca’s area. Stroke. 2013;44(3):740–744. DOI: 10.1161/STROKEAHA.112.678508.
  33. Flinker A, Korzeniewska A, Shestyuk AY, Franaszczuk PJ, Dronkers NF, Knight RT, Crone NE. Redefining the role of Broca’s area in speech. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2015;112(9): 2871–2875. DOI: 10.1073/pnas.1414491112.
  34. Chao LL, Martin A. Representation of manipulable man-made objects in the dorsal stream. NeuroImage. 2000;12(4):478–484. DOI: 10.1006/nimg.2000.0635.
  35. Binder JR, Desai RH. The neurobiology of semantic memory. Trends Cogn. Sci. 2011;15(11): 527–536. DOI: 10.1016/j.tics.2011.10.001.
  36. Conner CR, Chen G, Pieters TA, Tandon N. Category specific spatial dissociations of parallel processes underlying visual naming. Cereb. Cortex. 2014;24(10):2741–2750. DOI: 10.1093/cercor/bht130.
  37. Binney RJ, Embleton KV, Jefferies E, Parker GJ, Lambon Ralph MA. The ventral and inferolateral aspects of the anterior temporal lobe are crucial in semantic memory: Evidence from a novel direct comparison of distortion-corrected fMRI, rTMS, and semantic dementia. Cereb. Cortex. 2010;20(11):2728–2738. DOI: 10.1093/cercor/bhq019.
  38. Mion M, Patterson K, Acosta-Cabronero J, Pengas G, Izquierdo-Garcia D, Hong YT, Fryer TD, Williams GB, Hodges JR, Nestor PJ. What the left and right anterior fusiform gyri tell us about semantic memory. Brain. 2010;133(11):3256–3268. DOI: 10.1093/brain/awq272.
  39. Noppeney U, Phillips J, Price C. The neural areas that control the retrieval and selection of semantics. Neuropsychologia. 2004;42(9):1269–1280. DOI: 10.1016/j.neuropsychologia.2003.12.014.
  40. Binder JR. The Wernicke area: Modern evidence and a reinterpretation. Neurology. 2015;85(24): 2170–2175. DOI: 10.1212/WNL.0000000000002219.
  41. Drane DL, Loring DW, Voets NL, Price M, Ojemann JG, Willie JT, Saindane AM, Phatak V, Ivanisevic M, Millis S, Helmers SL, Miller JM, Meador KJ, Gross RE. Better object recognition and naming outcome with MRI-guided stereotactic laser amygdalohippocampotomy for temporal lobe epilepsy. Epilepsia. 2015;56(1):101–113. DOI: 10.1111/epi.12860.
  42. Hoppe C, Witt JA, Helmstaedter C, Gasser T, Vatter H, Elger CE. Laser interstitial thermotherapy (LiTT) in epilepsy surgery. Seizure. 2017;48:45–52. DOI: 10.1016/j.seizure.2017.04.002.
  43. Oldfield RC. The assessment and analysis of handedness: The Edinburgh inventory. Neuropsychologia. 1971;9(1):97–113. DOI: 10.1016/0028-3932(71)90067-4.
  44. Genesee F. Second language learning through immersion: A review of U.S. programs. Rev. Educ. Res. 1985;55(4):541–561. DOI: 10.2307/1170246.
  45. Gramfort A, Luessi M, Larson E, Engemann DA, Strohmeier D, Brodbeck C, Parkkonen L, Hamalainen MS. MNE software for processing MEG and EEG data. NeuroImage. 2014;86: 446–460. DOI: 10.1016/j.neuroimage.2013.10.027.
  46. Peirce JW. PsychoPy–Psychophysics software in Python. J. Neurosci. Methods. 2007;162(1–2): 8–13. DOI: 10.1016/j.jneumeth.2006.11.017.
  47. Niso G, Gorgolewski KJ, Bock E, Brooks TL, Flandin G, Gramfort A, Henson RN, Jas M, Litvak V, Moreau JT, Oostenveld R, Schoffelen JM, Tadel F, Wexler J, Baillet S. MEG-BIDS, the brain imaging data structure extended to magnetoencephalography. Sci. Data. 2018;5(1):180110. DOI: 10.1038/sdata.2018.110.
  48. Fischl B. FreeSurfer. NeuroImage. 2012;62(2):774–781. DOI: 10.1016/j.neuroimage.2012.01.021.
  49. Dale AM, Liu AK, Fischl BR, Buckner RL, Belliveau JW, Lewine JD, Halgren E. Dynamic statistical parametric mapping: Combining fMRI and MEG for high-resolution imaging of cortical activity. Neuron. 2000;26(1):55–67. DOI: 10.1016/S0896-6273(00)81138-1.
  50. Grill-Spector K, Kushnir T, Hendler T, Edelman S, Itzchak Y, Malach R. A sequence of objectprocessing stages revealed by fMRI in the human occipital lobe. Hum. Brain Mapp. 1998;6(4): 316–328. DOI: 10.1002/(SICI)1097-0193(1998)6:4<316::AID-HBM9>3.0.CO;2-6.
  51. Grill-Spector K, Kushnir T, Edelman S, Itzchak Y, Malach R. Cue-invariant activation in objectrelated areas of the human occipital lobe. Neuron. 1998;21(1):191–202. DOI: 10.1016/S0896-6273(00)80526-7.
  52. Murtha S, Chertkow H, Beauregard M, Evans A. The neural substrate of picture naming. J. Cogn. Neurosci. 1999;11(4):399–423. DOI: 10.1162/089892999563508.
  53. Kourtzi Z, Kanwisher N. Cortical regions involved in perceiving object shape. J. Neurosci. 2000;20(9):3310–3318. DOI: 10.1523/JNEUROSCI.20-09-03310.2000.
  54. Doniger GM, Foxe JJ, Murray MM, Higgins BA, Snodgrass JG, Schroeder CE, Javitt DC. Activation timecourse of ventral visual stream object-recognition areas: High density electrical mapping of perceptual closure processes. J. Cogn. Neurosci. 2000;12(4):615–621. DOI: 10.1162/089892900562372.
  55. Allison T, Ginter H, McCarthy G, Nobre AC, Puce A, Luby M, Spencer DD. Face recognition in human extrastriate cortex. J. Neurophysiol. 1994;71(2):821–825. DOI: 10.1152/jn.1994.71.2.821.
  56. Allison T, Puce A, Spencer DD, McCarthy G. Electrophysiological studies of human face perception. I: Potentials generated in occipitotemporal cortex by face and non-face stimuli. Cereb. Cortex. 1999;9(5):415–430. DOI: 10.1093/cercor/9.5.415.
  57. McCarthy G, Puce A, Belger A, Allison T. Electrophysiological studies of human face perception. II: Response properties of face-specific potentials generated in occipitotemporal cortex. Cereb. Cortex. 1999;9(5):431–444. DOI: 10.1093/cercor/9.5.431.
  58. Puce A, Allison T, McCarthy G. Electrophysiological studies of human face perception. III: Effects of top-down processing on face-specific potentials. Cereb. Cortex. 1999;9(5):445–458. DOI: 10.1093/cercor/9.5.445.
Поступила в редакцию: 
10.07.2021
Принята к публикации: 
01.08.2021
Опубликована: 
31.01.2022