Cortical correlates of language perception : neuromagnetic studies in adults and children

Abstract

Kielen havaitsemisen päämääränä on ymmärtää kuullun tai luetun viestin sisältö. Itse havaitseminen on meille näennäisen vaivatonta. Puheen tunnistaminen ja lukeminen ovat kuitenkin tulos monimutkaisesta aivokuorella tapahtuvasta laskennasta, jonka lähtökohtana on silmän ja korvan vastaanottama fysikaalinen signaali.Tiina Parviainen tarkasteli väitöstutkimuksessaan kielen käsittelyn aivomekanismeja normaalisti lukevilla ja lukivaikeuksisilla aikuisilla sekä lukemaan opettelevilla lapsilla. Hän selvitti kirjoitetun ja puhutun kielen käsittelyyn liittyvää aktivaatioketjua aivoissa ja siinä esiintyviä eroja aikuisten ja lasten välillä. Kielen aivomekanismien kartoituksessa on keskeistä aktivaation ajoitus, mutta myös aktivaation eteneminen eri aivoalueiden välillä. Parviaisen käyttämä mittausmenetelmä, magnetoenkefalografia (MEG) antaa luotettavaa tietoa sekä aktivaation etenemisestä ajassa, että sen sijainnista aivokuorella. Aiempia MEG-tutkimuksia kielen havaitsemisesta lapsilla on kansainvälisestikin hyvin vähän ja esimerkiksi lukemisen aktivaatioketjua ei lapsilla ole juurikaan tutkittu. Näiden perusprosessien selvittäminen on ensiarvoisen tärkeää, jotta voidaan ymmärtää myös poikkeavan kielenkehityksen taustalla olevia aivomekanismeja.Lasten aivoprosessit pitempikestoisia aikuisiin nähden- Lukemaan opettelevilla 7-8 vuotiailla lapsilla kielen hahmottamiseen liittyvä aktivaatioketju aivoissa poikkeaa selvästi aikuisten aktivaatioketjusta. Erityisesti aktivaation ajoitus näyttää kuvastavan kehityksellisesti merkityksellisiä aivotoimintoja, Parviainen havaitsi.Sekä puheäänet että kirjoitetut sanat aiheuttivat lasten aivoissa aktivaatioketjun, joka sijainniltaan muistutti aikuisten aktivaatioketjua, mutta oli ajoitukseltaan viivästynyt ja pidempikestoinen aikuisten aktivaatioon nähden. Aktivaation ajoitus oli myös yhteydessä yksilölliseen lukutaitoon. Yksilöiden välinen vaihtelu oli lapsilla selvästi suurempaa kuin aikuisilla, mikä osoittaa yksilötason tarkastelun merkityksen erityisesti kehittyvää hermostoa tutkittaessa. Tämän huomioiminen on tärkeää kun tutkitaan poikkeavaa kielenkehitystä.Parviainen tarkasteli myös aikuisten puheäänen käsittelyyn liittyviä aivoaktivaation vaiheita.- Puheen kannalta keskeisiä äänisignaalin piirteitä käsitellään aikuisten aivoissa jo 100 millisekunnin kuluttua puheäänen kuulemisesta, painottuen vasempaan aivopuoliskoon. Lukivaikeuksisilla aikuisilla aktivaatio oli tässä ajanjaksossa poikkeavaa normaalisti lukeviin aikuisiin verrattuna, Parviainen toteaa.Jotta akustisen signaalin eli puhutun sanan välittämä merkityssisältö tavoitetaan, on sanan äänteellisen muodon yhdistyttävä muistivarastossa olevaan tietoon sanan merkityksestä. Noin 250 millisekuntiin asti aivojen aktivaatio heijastaa sanan käsittelyä äänteellisellä tasolla, jonka jälkeen merkitykseen liittyvä tieto on jo käytössä. Myös merkityksettömät puheäänteet, tavut, aiheuttivat aktivaatiota tässä myöhemmässä ajanjaksossa, erityisesti kun ne esitettiin yhdessä kokonaisten sanojen ja lauseiden kanssa.- Alkutavut käynnistivät merkityksen käsittelyyn liittyviä prosesseja. Näin mahdollistuu tehokas ja nopea merkitykseen pääsy, Parviainen kertoo.

The end product of language perception, accessing meaning, is a result of complex computation in the human brain and presumably reflects analysis at, and transformation between, various levels of representation. In this thesis, MEG was used to characterize those representations at the neural level in adults and children. The special acoustic nature of speech was reflected in auditory cortical activation at 100 ms after sound presentation. In dyslexia, cortical organization of auditory processing, in general, was disrupted in this same time window (Study I).Meaning-based analysis of speech started at around 250 ms and was induced also by meaningless utterances, particularly when acoustic-phonetic or contextual cues predicted continuation as a word (Study IV). For complete spoken words, influence of sound form (phonology) appeared in neural activation within 250 ms, followed by neural signatures of semantic processing (Study V). Cortical activation to speech and print was similar in children and adults as regards location. However, activation sensitive to linguistic information was delayed and prolonged in children as compared with adults.Importantly, it was correlated with behavioral skills, indicating interdependence between maturing neural processes and developing linguistic skills (Studies II and III). In adults, conversion from letter to sound, an essential process in reading, engaged the superior temporal cortex. Activation increased with letter-string length, particularly with non-words (Study VI).This thesis provides new insights into the question of how mature and developing cortical circuits support the challenging but apparently effortless task of language perception and comprehension.