Orchestration of language and motor systems in language understanding : neuroimaging investigations

Abstract

Over the past few decades, neuroimaging studies have provided evidence for the involvement of the motor system in semantic processing. However, the way that the motor system contributes to semantic processing is still understudied. In this dissertation, neuroimaging techniques (fMRI and MEG) were applied to explore the interaction between language and motor systems in reading verb phrases with varying abstractness in native (L1) and second language (L2). By using fMRI, Study I investigated the effect of abstractness (literal/metaphorical/abstract) and language proficiency (L1/L2) on the involvement of the motor system. Results showed attenuated motor activation from literal to abstract via metaphorical phrases in both L1 and L2. In addition, overall greater motor activation was found for L2 than L1. The graded motor involvement modulated by abstractness and the greater motor activation in L2 suggested a dual-functional role of the motor system in semantic processing. By employing MEG, Study II further investigated temporal dynamics of the involvement of language and motor regions in L1 and L2 processing. Results showed greater activation of language areas for L1 than L2 during 300-500 ms and greater activation of motor areas for L2 than L1 at 600-800 ms. No effect of abstractness was found. The underactivation in language areas in the early stage and overactivation in motor areas in the late stage suggested a compensatory role of the motor system in L2 semantic processing, i.e., over-recruitment of the motor system to compensate for the inadequate engagement of the language network. Study III investigated spatiotemporal dynamics of abstract concept processing in L1. Results showed delayed activation in the posterior superior temporal sulcus at 200-300 ms for abstract phrases relative to concrete and metaphorical ones. In addition, greater activation in the anterior temporal pole at 300-400 ms was found for abstract phrases. Findings shed light on the spatiotemporal dynamics of abstract concept processing. In summary, by exploring the time-varying interplay between the motor and language systems, the above studies deepen our understanding of how the motor cortex contributes to language understanding and bring alternative interpretations of the functional role of the motor cortex in language processing.

Muutaman viime vuosikymmenen aikana aivokuvantamistutkimukset ovat antaneet näyttöä siitä, että motorinen järjestelmä osallistuu kielen merkityksen käsittelyyn, mutta sen tarkempaa roolia semanttisessa prosessoinnissa ei kuitenkaan tunneta. Tässä väitöskirjassa käytettiin aivokuvantamismenetelmiä (funktionaalinen magneettikuvaus, fMRI ja magnetoenkefalografia, MEG) selvittämään, millä tavoin aivojen kielelliset ja motoriset järjestelmät osallistuvat kielen merkityksen käsittelyn. Tätä tutkittiin käyttämällä kirjoitettuja lauseita, joiden abstraktiotaso vaihteli konkreettisesta metaforiseen ja edelleen abstraktiin merkitykseen. Lisäksi selvitettiin eroja äidinkielen (L1) ja toisen vieraan kielen (L2) käsittelyssä. Tutkimuksessa I selvitettiin fMRI:n avulla abstraktiuden (kirjaimellinen/metaforinen/abstrakti) ja kielitaidon (L1/L2) vaikutusta motorisen järjestelmän osallistumiseen lauseiden ymmärtämiseen. Tulokset osoittivat, että motorisen järjestelmän aktivaatio heikkenee, kun siirrytään konkreettisesta kielestä metaforiseen ja edelleen abstrakiin kieleen. Lisäksi motorinen aktivaatio oli yleisesti ottaen suurempi L2:ssa kuin L1:ssä. Kielen abstraktiuden tason vaikutus motorisen järjestelmän aktivoitumiseen sekä suurempi motorinen aktivaatio L2 kielessä viittaavat siihen, että motorisella järjestelmällä on kaksitahoinen rooli semanttisessa prosessoinnissa. Tutkimuksessa II selvitettiin MEG:n avulla kielellisten ja motoristen alueiden ajallista dynamiikkaa L1- ja L2- kielen käsittelyssä. Tulokset osoittivat, että kielellisten alueiden aktivoituminen oli voimakkaampaa L1:n kuin L2:n käsittelyn aikana 300-500 ms lauseen esittämisestä ja motoristen alueiden aktivoituminen oli voimakkaampaa L2:n kuin L1:n käsittelyn aikana 600-800 ms lauseen esittämisestä. Abstraktisuuden vaikutusta ei havaittu. Kielialueiden vähäisempi aktivoituminen alkuvaiheessa ja motoristen alueiden voimakkaampi aktivoituminen myöhäisvaiheessa viittaa siihen, että motorisella järjestelmällä on kompensoiva rooli L2 -kielen merkityksen käsittelyssä. Toisin sanoen, motorinen järjestelmä näyttäisi tukevan kielen ymmärrystä tilanteessa, jossa kielellisten alueiden toiminta on riittämätöntä. Tutkimuksessa III tarkasteltiin abstraktien käsitteiden käsittelyn ajallista ja spatiaalista dynamiikkaa L1 -kielessä. Tulokset osoittivat, että suhteessa konkreettisiin ja metaforisiin lauseisiin abstraktien lauseiden herättämä aktivaatio ylemmän ohimopoimun uurteen takaosissa on viivästynyt 200-300 ms aikaikkunassa lauseiden esittämisestä. Lisäksi abstraktien lauseiden kohdalla havaittiin muita lausetyyppejä voimakkaampaa aktivaatiota ohimolohkon etuosissa 300-400 ms aikaikkunassa. Tulokset valottavat abstraktien käsitteiden käsittelyn ajallista ja spatiaalista dynamiikkaa aivojen toiminnassa. Yhteenvetona voidaan todeta, että selvittämällä motoristen ja kielellisten aivoprosessien ajallisesti vaihtelevaa dynamiikkaa yllä kuvatut tutkimukset syventävät käsitystämme siitä, miten motorinen aivokuori edistää kielen ymmärtämistä, ja tuovat vaihtoehtoisia tulkintoja motorisen aivokuoren toiminnallisesta roolista kielen käsittelyssä.