The cortical hierarchy of native phonological proficiency

This project combines linguistic and neuroscientific knowledge to investigate how the brain extracts increasingly abstract phonetic-to-phonological representations from the basic acoustic input it receives. We propose and test a new ventral phonetic perception stream hypothesis consisting of two complexity gradients. First, modern meta-analyses of functional imaging have proposed a ‘spa- tial complexity gradient.’ This gradient is thought to follow a ‘ventral stream’ of processing increas- ingly complex native phonetic-to-phonological features along the superior temporal lobe. The rela- tion of this complexity gradient to the underlying brain structure has not yet been investigated. Using novel behavioral paradigms, we have recently found a direct relation between speakers’ proficiency in processing phonological features of their native language and cortical thickness in the relevant areas of the ventral stream. In line with this, we add a ‘structural complexity gradient’ suggesting that complex cognitive functions are aided by thicker cortex in brain areas modulating associative processing, whereas effective pruning and cortical myelination, rather corresponding to thinner cor- tex, help lower-level cognitive functions. We will use ultra-high field functional and structural mag- netic resonance imaging to test the gradients and see whether increasingly higher-level linguistic features are related to progressively anterior brain activity along the superior temporal lobe and whether proficiency in processing relates to cortical thickness of the same areas. This is the first time native phonological proficiency is systematically related to cortical structure. Further, our high- resolution technique is expected to register the previously unattested neural representation of vowels in primary auditory cortex based on differences in formant frequency. Correlation between profi- ciency and cortical myelination will help us find a causal explanation for cortical thickness differ- ences.

När man undersöker hjärnans bearbetning av språk slås man av hur den är både otroligt intrikat och förvånansvärt enkel och väl ingjuten i det allmänna perceptions- och motorsystemet. Ljud bearbetas i två ”strömmar” som båda börjar i primära hörselhjärnbarken i hjärnans tinninglob. Den ena strömmen går först bakåt och sedan fram till pannloben. Den är viktig för att samordna hörselintryck med motorik när man lär sig nya språkljud. Därför har den haft en framträdande roll inom fonetiska studier inriktade på andraspråksinlärning. Men när man har gått igenom stora hjärnavbildningsmaterial från modersmålsbearbetning har en annan bild trätt fram. Då har den andra, ”ventrala” strömmen, som leder framåt mot tinninglobens spets, visat upp en ”spatial komplexitetsgradient” för språkljud i modersmålet. Komplexitetsgradienten innebär att mer och mer sammansatta språkliga egenskaper bearbetas ju längre bort man kommer från primära au- ditiva hjärnbarken. Så ger olika frekvenser, t.ex. olika tonhöjder, utslag på olika ställen i pri- mära hörselbarken, lite som tangenterna på ett piano. Frekvensinformationen sätts ihop till språkljud och talaroberoende språkmelodi i sekundära hjärnbarken, som omger den primära. I tertiära hörselbarken sätts språkljud ihop till stavelser och ord.
I det här projektet ska vi använda magnetkamera med ultrahögt magnetfält för att spåra avtrycken av den spatiala komplexitetsgradienten i hjärnan. Vi ska se hur vokaler och språk- melodi bearbetas i primära, sekundära och tertiära hjärnbarken. Vi har utvecklat metoder för att ta fram extremt högupplösta bilder där vi ska kunna skilja olika tonhöjder och formanter – frekvensskillnader som ger olika vokaler deras klangfärg – med hjälp av deras aktivering i den frekvensordnade strukturen i primära hjärnbarken. På ett liknande sätt ska vi se hur vokaler och melodier som bildar olika språkljud skiljer sig från dem som är variationer inom samma språk- ljud i sekundära hörselbarken. I den tertiära hörselbarken förväntar vi oss se skillnader mellan riktiga och påhittade ord.
Så långt handlar det mest om att bekräfta den tidigare föreslagna komplexitetsgradienten. Det verkligt nydanande i projektet bygger dock på oväntade fynd som vi har gjort i ett tidigare MAW-projekt. Vi har sett att tjockleken på hjärnbarken i några av de områden som tros bear- beta språkljudsstruktur faktiskt korrelerar med hur bra människor är på använda språkljuden i sitt modersmål. Våra fynd stämmer inte bara bra överens med den spatiala komplexitetsgradi- enten, utan de får oss också att föreslå även en ”strukturell komplexitetsgradient”. Det verkar bara vara bearbetning på högre nivå som har hjälp av en tjockare hjärnbark och det är bara relevant i sekundära och tertiära hjärnbarken, där olika sorters information utbyts i komplexa nätverk av associationer. Primära hörselbarken däremot och kanske bearbetning av lågnivåin- formation generellt verkar ha fördel av en tunnare‚ mer vältrimmad hjärnbark rikligt försedd med myelin, en fettliknande substans som ger snabbare signalutbyte mellan hjärnceller. Det väntas ge en gradient där mer komplex språklig information korrelerar positivt med hjärnbarks- tjocklek i områden sent i strömmen, medan förmåga att bearbeta information på lägre nivå bör korrelera negativt med hjärnbarkstjocklek hos områden tidigt i strömmen. Resultaten kommer att vara betydande för en bättre förståelse för beteendeförändringar vid sjukdomstillstånd där hjärnbarken förtunnas eller förlorar myelin.