A dual complexity gradient theory of speech processing in the brain

A Dual Complexity Gradient (DCG) theory of speech processing is proposed. Using ultra-high field magnetic resonance imaging, an interdisciplinary team will, during six years, test the theory by relating native language proficiency at different levels to brain structure and activation. DCG unifies a previously postulated spatial complexity gradient with a structural complexity gradient proposed by the applicant’s group. The spatial gradient suggests anterior-going increasing complexity of speech features processed along the left superior temporal gyrus and inferior frontal gyrus (IFG). The structural gradient assumes robustness in perception of low-level speech features to correlate positively with degree of cortical myelination and negatively with cortical thickness close to primary auditory cortex (A1), since well-pruned, rapid neural connections aid this type of sound perception. Proficiency in high-level processing instead correlates positively with cortical thickness in secondary (A2) and tertiary auditory cortex (A3), as well as IFG, due to the advantage of a greater number of neural connections in these associative areas. Tonotopic structure in A1 and categorical perception in A2 and A3 of speech sounds will be assessed. DCG is a new framework for neurolinguistics and will also lead to a better understanding of language processing, acquisition, and attrition at different levels, providing the basis for development of tools for language learning and rehabilitation.

Några decennier efter att den moderna neurolingvistiken med avbildning av hjärnan i realtid och hög bildupplösning såg dagens ljus börjar en fascinerande bild av människans språk framträda. Hur kan vi använda en så komplex förmåga så fruktansvärt snabbt utan att ens tänka på det? Vi börjar komma ett svar på spåren. På ett sinnrikt sätt inordnas språkets innästlade, hierarkiska natur i hjärnans system för bearbetning av sinnesintryck och motorik. Det här projektet föreslår en ny teori för talspråk och testar hur långt det går att inpassa språket i de allmänna mekanismer vi har för att bearbeta ljud. När vi hör ljudet av en klarinett uppfattar vi hur mycket ljudstyrka som finns vid olika frekvenser genom en finurlig ”tonotopisk” struktur som börjar i öronsnäckan och följer med genom hörselnerven och hjärnstammen ända upp i primära hörselhjärnbarken (A1, A för ”auditiv”), som ligger gömd bakom tinninglobens övre vindling. Tonotopik innebär att olika frekvenser stimulerar olika områden i A1, lite som att trycka på tangenterna på ett piano. Sekundära auditiva hjärnbarken (A2) ligger runt omkring A1 i övre tinningloben. Här sätts frekvensinformationen samman till större enheter så att vi kan uppfatta toner och klangfärg separat. I tertiära ljudbarken (A3) framför A2 används i sin tur informationen från A2 till att känna igen vilket instrument vi hör. Den gradvis mer sammansatta eller komplexa information som bearbetas utefter övre tinningloben utgör en ”komplexitetsgradient”. Språkljud bearbetas på ett liknande sätt, fast främst i vänstra hjärnhalvan. A2 använder frekvensinformation från A1 till att urskilja språkliga särdrag och talaroberoende språkmelodi. Bördan att identifiera vokaler och konsonanter fördelas mellan A2 och A3. A3 hittar större mönster som stavelser och ord. Tinningloben klarar sig bra på väl inlärda språkljud upp till ordnivå. Men när man lär sig att sätta ihop nya språkljud, har svårt att höra eller när ord sätts ihop till meningar behöver man nedre vänster pannlob. Här har det också föreslagits en komplexitetsgradient från språkljud och syntax i bakre delarna till mer komplex bearbetning av betydelse och sammanhang längre fram.
Inte bara områden i hjärnan utan även dess struktur inverkar i bearbetningen. Vi har sett att människor med tjockare hjärnbark i A2 och A3 är snabbare på att hitta ord med hjälp av språkmelodi, som melodiskillnaden mellan bona (golv) och (fågel)bona. Tjockare hjärnbark i nedre pannloben gör det lättare att lära sig grammatik och snabbare koppla ihop de olika melodierna med ändelser i bil-en och bil-ar. Förmågor på lägre komplexitetsnivå, som att skilja olika tonhöjder från varandra, verkar tvärtom främjas av tunnare hjärnbark, framförallt omkring primära hjärnbarken. Det hör ihop med att det finns mer myelin i områdena, det fetthölje som gör kopplingar mellan nervceller snabbare och effektivare. Mer komplexa förmågor är inte lika bundna till snabb bearbetning, utan gynnas snarare av det större antal associationer som ryms i en tjockare hjärnbark. Det har lett oss till att föreslå en strukturell komplexitetsgradient, som antar att tjockare hjärnbark är gynnsamt för högre förmågor, medan tunnare hjärnbark och mer myelin är fördelaktigt för förmågor på lägre nivå.
Det här projektet föreslår att sammanföra områdesgradienten och strukturgradienten till en ”dubbel komplexitetsgradientteori” som ger viktiga förutsägelser för hur hjärnans aktivitet bör påverkas av de olika nivåerna i språkets hierarki och hur olika hjärnbarksstruktur kan tänkas inverka på språkliga uppgifter på olika nivåer. Projektet testar förutsägelserna med hjälp av en extra känslig magnetkamera. Deltagare ska lyssna på språkljud som akustiskt skiljer sig ungefär lika mycket men kan bli till olika vokaler som å och ö eller bara variationer av samma vokal, som Viby-i och vanligt i, och ord med olika språkmelodi som uttalas i olika röstläge. Det kommer att ge olika tonotopiska utslag i A1 och kategoriska utslag i A2 och A3. Förmåga att utföra uppgifter på de olika nivåerna ska korreleras med struktur i de olika områdena. Vi kommer att undersöka hur nedre pannlobens struktur påverkar förmåga att lära sig komplexa språkljud och att förstå grammatiska strukturer i det egna modersmålet. Fördjupad förståelse för hur hjärnans struktur påverkar språkbearbetning och -inlärning är ovärderligt för att utveckla redskap för språkinlärning och träning när språket påverkas av att hjärnans struktur bryts ned eller skadats.