Speech Motor System Mediates Phonetic Categorization

Jussi Alho

Speech Motor System Mediates Phonetic Categorization

Julkaisun otsikon käännös: Puheen motorinen järjestelmä edesauttaa foneettista kategorisaatiota

Jussi Alho

Neurotieteen ja lääketieteellisen tekniikan laitos

Tutkimustuotos: Doctoral Thesis › Collection of Articles

Abstrakti

Sama foneemi eli puhutun kielen pienin merkityksiä erottava äänneyksikkö on akustisesti hyvinkin erilainen eri puhujilla ja eri konteksteissa. Kuulijan aivot joutuvat täten ratkaisemaan perustavaa laatua olevan ongelman yhdistäessään akustisesti vaihtelevat ilmentymät samaan foneettiseen kategoriaan. On epäselvää osallistuuko puheen motorinen järjestelmä, jonka pääasiallinen tehtävä on puheen tuottaminen, tämän havaitsemiseen liittyvän ongelman ratkaisuun. Tässä väitöskirjassa tutkittiin puheen motorisen järjestelmän osallistumista puheäänten prosessointiin mittaamalla aivotoimintaa magnetoenkefalografian (MEG) avulla. Koska puheäänten kategorisaatioon johtavat havaintoprosessit tapahtuvat 200 millisekunnin aikana ääniärsykkeen alkamisesta, on MEG suoraan aivojen hermosolujen sähköistä toimintaa millisekunnin tarkkuudella mittaavana menetelmänä ideaalinen tämän väitöskirjan tutkimuksiin. Aivotoiminnan analysointiin käytettiin useita lähestymistapoja: virtadipoleja ja miniminormiestimaatteja lähdemallinnukseen, ärsykekohtaista adaptaatiota puheäänteen kategoristen edustusten kartoittamiseen, sekä aivojen oskillatoorisen eli värähtelevän toiminnan vaihesynkronisaatiota aivoalueiden välisen konnektiivisuuden tutkimiseen. Tulokset osoittavat, että 1) puheäänen auditiivinen informaatio yhdistyy 200 millisekunnin kuluessa äänen alkamisesta kuulijan motoriseen informaatioon siitä, miten kyseinen ääni tuotetaan, 2) tämä sensorimotorinen integraatio edesauttaa puheäänten kategorisointia, 3) puheen motorinen järjestelmä sisältää kategorisia puheäänten edustuksia, ja 4) nämä kategoriset edustukset ovat riippuvaisia tarkkaavaisuuden kohdistamisesta ääniin. Näiden tulosten perusteella voidaan sanoa, että kun ihmiset suuntaavat tarkkaavaisuuden puheeseen, puheen motorinen järjestelmä rajoittaa puheäänten akustis-foneettista tulkintaa diskreetteihin kategorioihin yhdistämällä kuuloinformaatiota puheäänen tuottoon liittyvään motoriseen informaatiota. Tämä väitöskirja laajentaa ymmärrystä liittyen puheen motorisen järjestelmän rooliin foneettisessa prosessoinnissa ja tukee näkemystä, jonka mukaan puheen havaitseminen ei perustu ainoastaan aisti-informaatioon vaan sitä tulisi tarkastella sensorimotorisena prosessina.

Julkaisun otsikon käännös	Puheen motorinen järjestelmä edesauttaa foneettista kategorisaatiota
Alkuperäiskieli	Englanti
Pätevyys	Tohtorintutkinto
Myöntävä instituutio	Aalto-yliopisto
Valvoja/neuvonantaja	Sams, Mikko, Vastuuprofessori Jääskeläinen, Iiro, Ohjaaja
Kustantaja	Aalto University
Painoksen ISBN	978-952-60-6836-7
Sähköinen ISBN	978-952-60-6837-4
Tila	Julkaistu - 2016
OKM-julkaisutyyppi	G5 Tohtorinväitöskirja (artikkeli)

Tutkimusalat

Puheen havaitseminen
kategorinen havaitseminen
puheen motorinen järjestelmä
aivot

Pääsy asiakirjaan

http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-60-6837-4Lisenssi: Määrittelemätön

OpenUrl-saatavuus

Koko teksti

Siteeraa tätä

@phdthesis{b4d4c5cd926842cb8a80b041ecdfd25c,

title = "Speech Motor System Mediates Phonetic Categorization",

abstract = "Phonemes, the elementary units of speech, greatly vary in their acoustic structure when produced by different speakers in different contexts. The listener's brain therefore faces a fundamental challenge of mapping highly variable acoustic signals to discrete phonetic categories. Whether the speech motor system, primarily engaged in speech production, is involved in solving this perceptual categorization challenge is still under debate. This thesis investigated the influence that the speech motor system exerts on the processing of speech sounds by recording brain activity with magnetoencephalography (MEG). Considering that the perceptual processes leading to the categorization of speech sounds unfold within 200 ms after the sound onset, MEG, as a direct measure of neuronal activity with millisecond temporal accuracy, provides an ideal non-invasive brain imaging method for the purpose of this thesis. Several methodological approaches were used, including equivalent current dipoles and minimum-norm estimates for modeling the cortical activity, stimulus-specific adaptation of evoked responses for inferring neuronal stimulus selectivity, and phase synchrony of neural oscillations for examining connectivity between brain areas. The results show that 1) the auditory information of a speech sound is integrated with the listener's motor information of how the speech sound is articulated within 200 ms after the sound onset, 2) this sensorimotor integration facilitates the categorization of speech sounds, 3) the speech motor system contains categorical representations of speech sounds, and 4) these categorical representations depend on attentive listening to the sounds. Together, these results demonstrate that when humans attend to speech, the speech motor system constrains the acoustic-phonetic interpretation of speech sounds into discrete categories through the integration of auditory and motor information. This thesis therefore expands the knowledge on the role of the speech motor system in phonetic processing and adds evidence to the view that, rather than being a purely sensory process, speech perception is sensorimotor in nature.",

keywords = "speech perception, categorical perception, speech motor system, brain, MEG, Puheen havaitseminen, kategorinen havaitseminen, puheen motorinen j{\"a}rjestelm{\"a}, aivot, speech perception, categorical perception, speech motor system, brain, MEG",

author = "Jussi Alho",

year = "2016",

language = "English",

isbn = "978-952-60-6836-7",

series = "Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS",

publisher = "Aalto University",

number = "104",

address = "Finland",

school = "Aalto University",

}

TY - THES

T1 - Speech Motor System Mediates Phonetic Categorization

AU - Alho, Jussi

PY - 2016

Y1 - 2016

N2 - Phonemes, the elementary units of speech, greatly vary in their acoustic structure when produced by different speakers in different contexts. The listener's brain therefore faces a fundamental challenge of mapping highly variable acoustic signals to discrete phonetic categories. Whether the speech motor system, primarily engaged in speech production, is involved in solving this perceptual categorization challenge is still under debate. This thesis investigated the influence that the speech motor system exerts on the processing of speech sounds by recording brain activity with magnetoencephalography (MEG). Considering that the perceptual processes leading to the categorization of speech sounds unfold within 200 ms after the sound onset, MEG, as a direct measure of neuronal activity with millisecond temporal accuracy, provides an ideal non-invasive brain imaging method for the purpose of this thesis. Several methodological approaches were used, including equivalent current dipoles and minimum-norm estimates for modeling the cortical activity, stimulus-specific adaptation of evoked responses for inferring neuronal stimulus selectivity, and phase synchrony of neural oscillations for examining connectivity between brain areas. The results show that 1) the auditory information of a speech sound is integrated with the listener's motor information of how the speech sound is articulated within 200 ms after the sound onset, 2) this sensorimotor integration facilitates the categorization of speech sounds, 3) the speech motor system contains categorical representations of speech sounds, and 4) these categorical representations depend on attentive listening to the sounds. Together, these results demonstrate that when humans attend to speech, the speech motor system constrains the acoustic-phonetic interpretation of speech sounds into discrete categories through the integration of auditory and motor information. This thesis therefore expands the knowledge on the role of the speech motor system in phonetic processing and adds evidence to the view that, rather than being a purely sensory process, speech perception is sensorimotor in nature.

AB - Phonemes, the elementary units of speech, greatly vary in their acoustic structure when produced by different speakers in different contexts. The listener's brain therefore faces a fundamental challenge of mapping highly variable acoustic signals to discrete phonetic categories. Whether the speech motor system, primarily engaged in speech production, is involved in solving this perceptual categorization challenge is still under debate. This thesis investigated the influence that the speech motor system exerts on the processing of speech sounds by recording brain activity with magnetoencephalography (MEG). Considering that the perceptual processes leading to the categorization of speech sounds unfold within 200 ms after the sound onset, MEG, as a direct measure of neuronal activity with millisecond temporal accuracy, provides an ideal non-invasive brain imaging method for the purpose of this thesis. Several methodological approaches were used, including equivalent current dipoles and minimum-norm estimates for modeling the cortical activity, stimulus-specific adaptation of evoked responses for inferring neuronal stimulus selectivity, and phase synchrony of neural oscillations for examining connectivity between brain areas. The results show that 1) the auditory information of a speech sound is integrated with the listener's motor information of how the speech sound is articulated within 200 ms after the sound onset, 2) this sensorimotor integration facilitates the categorization of speech sounds, 3) the speech motor system contains categorical representations of speech sounds, and 4) these categorical representations depend on attentive listening to the sounds. Together, these results demonstrate that when humans attend to speech, the speech motor system constrains the acoustic-phonetic interpretation of speech sounds into discrete categories through the integration of auditory and motor information. This thesis therefore expands the knowledge on the role of the speech motor system in phonetic processing and adds evidence to the view that, rather than being a purely sensory process, speech perception is sensorimotor in nature.

KW - speech perception

KW - categorical perception

KW - speech motor system

KW - brain

KW - MEG

KW - Puheen havaitseminen

KW - kategorinen havaitseminen

KW - puheen motorinen järjestelmä

KW - aivot

KW - speech perception

KW - categorical perception

KW - speech motor system

KW - brain

KW - MEG

M3 - Doctoral Thesis

SN - 978-952-60-6836-7

T3 - Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS

PB - Aalto University

ER -

Speech Motor System Mediates Phonetic Categorization

Abstrakti

Tutkimusalat

Pääsy asiakirjaan

OpenUrl-saatavuus

Sormenjälki

Siteeraa tätä