Rhythmic cortical dynamics in production of speech and hand motor sequences

Timo Saarinen

Rhythmic cortical dynamics in production of speech and hand motor sequences

Julkaisun otsikon käännös: Aivokuoren rytminen toiminta puheen ja käden liikesarjojen tuottamisessa

Timo Saarinen

Neurotieteen ja lääketieteellisen tekniikan laitos

Tutkimustuotos: Doctoral Thesis › Collection of Articles

Abstrakti

Puhuminen ja esineiden käsittely ovat esimerkkejä tavanomaisesta ihmisen käyttäytymisestä, jokaperustuu tarkoituksenmukaisten liikesarjojen tuottamiseen. Liikesarjoihin vaikuttavat yhtäaikaisetmotoriset ja kognitiiviset prosessit pohjautuvat sekä paikalliseen että hajautettuun toimintaanaivokuoren verkostoissa. Tässä väitöskirjassa tutkittiin liikesarjoihin liittyvää sähköfysiologistatoimintaa ihmisen aivokuorella. Tutkimuskohteena oli aivojen rytminen toiminta. Se on tiedonvälityksen piirre, joka on useinyhdistetty neurokognitiiviseen prosessointiin. Kysymyksenä oli, miten rytminen toiminta ilmentääliikkeiden motorisia ja kognitiivisia puolia sekä moduloituuko se eri tavoin erityyppisilleliikesarjoille. Laajojen hermosolujoukkojen toimintaa mitattiin magnetoenkefalografialla (MEG)samalla, kun lihastoimintaa rekisteröitiin lihassähkökäyrällä (elektromyografia, EMG). Kaksi ensimmäistä tutkimusta selvittivät primaarin tunto- ja liikeaivokuoren toiminnan yhteyttäpuheen tuottoon. Primaarin edustusalueen rooli liikesarjojen tuotossa ei ole selvä. Tutkimuksissahavaittiin, että yksittäisten suunliikkeiden organisoiminen erilaisiksi sarjoiksi näkyi liikeaivokuorenrytmisyyden (~20 Hz) muutoksina (PI). Lisäksi aivokuoren ja lihaksen toiminnat lukkiutuivatkeskenään vahvimmin kullekin henkilölle ominaisella puheliikkeiden tuottotaajuudella (~2–3 Hz)(PII). Jälkimmäisissä tutkimuksissa kartoitettiin Dynamic Imaging of Coherent Sources (DICS) -analyysimenetelmän avulla aivoalueiden välisiä vuorovaikutuksia esineiden käsittely- jakirjoittamistehtävissä. Aivoalueiden aktivaatiosarjojen välisen koherenssin on ajateltu olevanhajautetun hermostollisen prosessoinnin mekanismi. Havaittiin, että aivokuorialueiden välinentehtäväherkkä koherenssi (6–20 Hz) muovautui joustavasti tukemaan esineiden käsittelytehtävää:Yksinkertaisessa tehtävätyypissä painottui vasemmassa aivopuoliskossa otsa- ja päälaenlohkonyhteys. Kun tehtävä vaati visuospatiaalista päättelyä, mukaan kytkeytyivät myös oikea aivopuoliskosekä ohimo- ja takaraivolohkot (PIII). Kirjoittamistehtävän muunnelmissa liikkeenmonimutkaisuus ja kielellisyys vaikutti aivoalueiden yhteyksissä signaalien vaihelukitukseen (PIV).Tavanomaisessa kirjoitustehtävässä havaittiin vahva synkronia (~2–5/13–24 Hz)liikekoordinaatioon ja työmuistiprosesseihin vaikuttavien keskusuurteen ja otsa-päälakilohkojenalueiden välillä. Liikkeiltään yksinkertaistetussa kirjoittamistehtävässä korostui synkronia (~7–10Hz) audiovisuaalisen kielen käsittelyyn liittyvässä ohimo-takaraivolohkojärjestelmässä. Väitöskirjan tulokset osoittavat primaarin tunto- ja liikeaivokuoren signaloinnin heijastavantoiminnallisesti liikesarjoihin liittyvää informaatiota sekä kytkeytyvän optimoidusti liikerytmiinpuheen tuotossa. Aivokuorialueiden välinen koherenssi osallistaa neurokognitiivisia järjestelmiätehtäväkohtaisesti, ja aivokuorialueiden välinen vaihekytkentä ohjaa eri kognitiivis-motoristentehtäväpiirteiden prosessointia.

Julkaisun otsikon käännös	Aivokuoren rytminen toiminta puheen ja käden liikesarjojen tuottamisessa
Alkuperäiskieli	Englanti
Pätevyys	Tohtorintutkinto
Myöntävä instituutio	Aalto-yliopisto
Valvoja/neuvonantaja	Salmelin, Riitta, Vastuuprofessori Kujala, Jan, Ohjaaja
Kustantaja	Aalto University
Painoksen ISBN	978-952-60-8413-8
Sähköinen ISBN	978-952-60-8416-9
Tila	Julkaistu - 2019
OKM-julkaisutyyppi	G5 Artikkeliväitöskirja

Tutkimusalat

MEG
aivorytmit
toiminnallinen kytkeytyvyys
liikesarjat
kielen tuottaminen

Pääsy asiakirjaan

http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-60-8416-9

Aalto NeuroImaging Infrastructure
Veikko Jousmäki (Manager)
Perustieteiden korkeakoulu
Laitteistot/tilat: Facility

Siteeraa tätä

@phdthesis{90bc9a41fbe047ba81a0f0ed873b56a1,

title = "Rhythmic cortical dynamics in production of speech and hand motor sequences",

abstract = "Human behaviors, such as speech or object handling, rely on movement sequences. Production of these meaningful movement patterns is supported by concurrent motor and cognitive processes,which presumably involve both local and distributed dynamics in the large-scale cortical networks. This Thesis examined the electrophysiological dynamics underlying sequential motor production in the human cortex. The focus of the Thesis was on rhythmic activity, a signaling feature often associated with neurocognitive processing, and on the question of how rhythmic cortical dynamics link with themotor and cognitive aspects of sequence production and modulate for different types of sequences. Magnetoencephalography (MEG) was used to record cortical population activity during motor performance, while muscle signals were tracked with electromyography (EMG). The first two studies of the Thesis examined the relationship between local rhythmicity in the sensorimotor cortex and speech articulation. The role of the primary sensorimotor region insequence production has remained unresolved. Here, inherent rhythmic activity (~20 Hz) of this region indicated sensitivity for organizing oromotor gestures into sequences (PI). Furthermore, coherent signaling between the sensorimotor cortex and lip muscle was enhanced at the preferredrate (~2–3 Hz) of articulatory production (PII). In the latter two studies, Dynamic Imaging of Coherent Sources (DICS) analysis method wasused to explore interactions between regions when cognitive-motor sequences were produced in object manipulation and handwriting tasks. Coherent rhythmic activity between regions has been viewed as a mechanism for distributed neurocognitive processing. Here, task-sensitive corticocortical (6–20 Hz) coherence was shown to reconfigure to support object manipulation: theleft-lateralized frontoparietal connectivity in simple object handling extended to cover bothhemispheres and temporo-occipital cortices when performance required visuospatial reasoning(PIII). In the context of handwriting, corticocortical phase synchrony highlighted functional elements that were sensitive to variation in complexity and linguistic content of the task: regular handwriting enhanced (~2–5/13–24 Hz) synchrony among central and frontoparietal regions linked with hand coordination and working memory, whereas separate (~7–10 Hz) synchrony within the temporo-occipital system associated with audiovisual language processing emerged specifically to support a kinetically simplified version of the writing task (PIV). In conclusion, the Thesis suggests that the primary sensorimotor cortex functionally reflectssequence-related information in speech production and shows behaviorally optimized coupling with the articulatory muscles. Interregional coherence seems to serve as a mechanism of engaging the task-relevant neurocognitive systems, and phase-coupling further coordinates processing of distinct aspects of cognitive-motor performance.",

keywords = "MEG, brain rhythms, functional connectivity, motor sequences, language production, MEG, aivorytmit, toiminnallinen kytkeytyvyys, liikesarjat, kielen tuottaminen, MEG, brain rhythms, functional connectivity, motor sequences, language production",

author = "Timo Saarinen",

year = "2019",

language = "English",

isbn = "978-952-60-8413-8",

series = "Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS",

publisher = "Aalto University",

number = "26",

address = "Finland",

school = "Aalto University",

}

TY - BOOK

T1 - Rhythmic cortical dynamics in production of speech and hand motor sequences

AU - Saarinen, Timo

PY - 2019

Y1 - 2019

N2 - Human behaviors, such as speech or object handling, rely on movement sequences. Production of these meaningful movement patterns is supported by concurrent motor and cognitive processes,which presumably involve both local and distributed dynamics in the large-scale cortical networks. This Thesis examined the electrophysiological dynamics underlying sequential motor production in the human cortex. The focus of the Thesis was on rhythmic activity, a signaling feature often associated with neurocognitive processing, and on the question of how rhythmic cortical dynamics link with themotor and cognitive aspects of sequence production and modulate for different types of sequences. Magnetoencephalography (MEG) was used to record cortical population activity during motor performance, while muscle signals were tracked with electromyography (EMG). The first two studies of the Thesis examined the relationship between local rhythmicity in the sensorimotor cortex and speech articulation. The role of the primary sensorimotor region insequence production has remained unresolved. Here, inherent rhythmic activity (~20 Hz) of this region indicated sensitivity for organizing oromotor gestures into sequences (PI). Furthermore, coherent signaling between the sensorimotor cortex and lip muscle was enhanced at the preferredrate (~2–3 Hz) of articulatory production (PII). In the latter two studies, Dynamic Imaging of Coherent Sources (DICS) analysis method wasused to explore interactions between regions when cognitive-motor sequences were produced in object manipulation and handwriting tasks. Coherent rhythmic activity between regions has been viewed as a mechanism for distributed neurocognitive processing. Here, task-sensitive corticocortical (6–20 Hz) coherence was shown to reconfigure to support object manipulation: theleft-lateralized frontoparietal connectivity in simple object handling extended to cover bothhemispheres and temporo-occipital cortices when performance required visuospatial reasoning(PIII). In the context of handwriting, corticocortical phase synchrony highlighted functional elements that were sensitive to variation in complexity and linguistic content of the task: regular handwriting enhanced (~2–5/13–24 Hz) synchrony among central and frontoparietal regions linked with hand coordination and working memory, whereas separate (~7–10 Hz) synchrony within the temporo-occipital system associated with audiovisual language processing emerged specifically to support a kinetically simplified version of the writing task (PIV). In conclusion, the Thesis suggests that the primary sensorimotor cortex functionally reflectssequence-related information in speech production and shows behaviorally optimized coupling with the articulatory muscles. Interregional coherence seems to serve as a mechanism of engaging the task-relevant neurocognitive systems, and phase-coupling further coordinates processing of distinct aspects of cognitive-motor performance.

AB - Human behaviors, such as speech or object handling, rely on movement sequences. Production of these meaningful movement patterns is supported by concurrent motor and cognitive processes,which presumably involve both local and distributed dynamics in the large-scale cortical networks. This Thesis examined the electrophysiological dynamics underlying sequential motor production in the human cortex. The focus of the Thesis was on rhythmic activity, a signaling feature often associated with neurocognitive processing, and on the question of how rhythmic cortical dynamics link with themotor and cognitive aspects of sequence production and modulate for different types of sequences. Magnetoencephalography (MEG) was used to record cortical population activity during motor performance, while muscle signals were tracked with electromyography (EMG). The first two studies of the Thesis examined the relationship between local rhythmicity in the sensorimotor cortex and speech articulation. The role of the primary sensorimotor region insequence production has remained unresolved. Here, inherent rhythmic activity (~20 Hz) of this region indicated sensitivity for organizing oromotor gestures into sequences (PI). Furthermore, coherent signaling between the sensorimotor cortex and lip muscle was enhanced at the preferredrate (~2–3 Hz) of articulatory production (PII). In the latter two studies, Dynamic Imaging of Coherent Sources (DICS) analysis method wasused to explore interactions between regions when cognitive-motor sequences were produced in object manipulation and handwriting tasks. Coherent rhythmic activity between regions has been viewed as a mechanism for distributed neurocognitive processing. Here, task-sensitive corticocortical (6–20 Hz) coherence was shown to reconfigure to support object manipulation: theleft-lateralized frontoparietal connectivity in simple object handling extended to cover bothhemispheres and temporo-occipital cortices when performance required visuospatial reasoning(PIII). In the context of handwriting, corticocortical phase synchrony highlighted functional elements that were sensitive to variation in complexity and linguistic content of the task: regular handwriting enhanced (~2–5/13–24 Hz) synchrony among central and frontoparietal regions linked with hand coordination and working memory, whereas separate (~7–10 Hz) synchrony within the temporo-occipital system associated with audiovisual language processing emerged specifically to support a kinetically simplified version of the writing task (PIV). In conclusion, the Thesis suggests that the primary sensorimotor cortex functionally reflectssequence-related information in speech production and shows behaviorally optimized coupling with the articulatory muscles. Interregional coherence seems to serve as a mechanism of engaging the task-relevant neurocognitive systems, and phase-coupling further coordinates processing of distinct aspects of cognitive-motor performance.

KW - MEG

KW - brain rhythms

KW - functional connectivity

KW - motor sequences

KW - language production

KW - MEG

KW - aivorytmit

KW - toiminnallinen kytkeytyvyys

KW - liikesarjat

KW - kielen tuottaminen

KW - MEG

KW - brain rhythms

KW - functional connectivity

KW - motor sequences

KW - language production

M3 - Doctoral Thesis

SN - 978-952-60-8413-8

T3 - Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS

PB - Aalto University

ER -

Rhythmic cortical dynamics in production of speech and hand motor sequences

Abstrakti

Tutkimusalat

Pääsy asiakirjaan

Sormenjälki

Laitteet

Aalto NeuroImaging Infrastructure

Siteeraa tätä