Psychophysiological mechanisms of internal pronunciation of words in people with stuttering

Мұқаба

Дәйексөз келтіру

Толық мәтін

Аннотация

The identification of psychophysiological mechanisms underlying internal pronunciation in healthy individuals may enhance the performance of modern brain–computer interfaces that rely on the recognition of mental commands. Studying the brain mechanisms of internal pronunciation in people with stuttering can contribute to understanding the causes of this speech disorder and to developing new or improving existing methods of stuttering correction. The purpose of the study was to compare the psychophysiological mechanisms of internal speech (internal pronunciation) and word perception in people with normal and speech defects (stuttering). Electroencephalographic (EEG) recordings were obtained from 35 participants (25 with normal speech and 10 with stuttering) using a 19-channel system while they performed a task involving listening to and internally pronouncing four words in Russian (“sakhar”, “shashlyk”, “raketa”, and “r’aketa”). The analysis was carried out using a novel tool – the virtual implanted electrode technique (Patent RU 2,785,268 C1 by A.V. Vartanov), which enables the reconstruction of neural activity across several brain regions, including six areas of interest: Broca’s area, Wernicke’s area and their right-hemisphere homologues, as well as the cerebellum bilaterally. The activity data obtained were compared in control (normal) groups and people with stuttering. The comparison revealed significant differences in reconstructed electrical activity with an emphasis on hyperactivation in stutterers of the Broca’s area, the symmetrical zone on the right, and the cerebellar cortex bilaterally, compared with the control group, when listening and pronouncing words internally. In this way the process of perception and internal pronunciation of words in a group of normals and stutterers is different. The significant differences observed in Broca’s area likely reflect its primary role in speech production, whereas differences in the cerebellar cortex may be related to its supportive function in the motor coordination of speech. The absence of differences in the Wernicke’s zone can be considered as a consequence of the lack of auditory feedback during internal pronunciation.

Авторлар туралы

Alexander Vartanov

Lomonosov Moscow State University

Хат алмасуға жауапты Автор.
Email: a_v_vartanov@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-8844-9643
SPIN-код: 9511-2918

PhD in Psychology, Senior Researcher, Department of Psychophysiology

1 Leninskie Gory, Moscow, 119991, Russian Federation

Andrey Kiselnikov

Lomonosov Moscow State University

Email: kiselnikov@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-9848-5322
SPIN-код: 1895-9026

PhD in Psychology, Senior Researcher, Department of Psychophysiology

1 Leninskie Gory, Moscow, 119991, Russian Federation

Vasilisa Abrosimova

Lomonosov Moscow State University

Email: vasilisaabr@yandex.ru
ORCID iD: 0009-0009-9296-714X

Laboratory Assistant, Department of Psychophysiology, Faculty of Psychology

1 Leninskie Gory, Moscow, 119991, Russian Federation

Veronika Zubko

Lomonosov Moscow State University

Email: q158veronika@gmail.com
ORCID iD: 0009-0002-2513-8359

PhD Student, Department of Psychophysiology, Faculty of Psychology

1 Leninskie Gory, Moscow, 119991, Russian Federation

Daria Leonovich

Russian Presidential Academy of National Economy and Public Administration

Email: dagubareva@gmail.com
ORCID iD: 0009-0001-3028-2278

PhD Student

84/1 Vernadsky Avenue, Moscow, 119606, Russian Federation

Olga Shevaldova

Federal Research Center for Innovative and Advanced Biomedical and Pharmaceutical Technologies

Email: shevaldova_ov@academpharm.ru
ORCID iD: 0000-0001-8577-4280
SPIN-код: 9395-5102

Junior Researcher

8 Baltiyskaya Street, Moscow, 125315, Russian Federation

Mariya Krysko

Russian State University for the Humanities

Email: mariya.krysko@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-9263-5203

Assistant Lecturer, Department of General Psychology, L.S. Vygotsky Institute of Psychology

6/6 Miusskaya Square, Moscow, 125047, Russian Federation

Әдебиет тізімі

  1. Alderson-Day, B., Weis, S., McCarthy-Jones, S., Moseley, P., Smailes, D., & Fernyhough, C. (2016). The brain’s conversation with itself: Neural substrates of dialogic inner speech. Social Cognitive and Affective Neuroscience, 11(1), 110–120. https:// doi.org/10.1093/scan/nsv094
  2. Biermann-Ruben, K., Salmelin, R., & Schnitzler, A. (2005). Right rolandic activation during speech perception in stutterers: A MEG study. NeuroImage, 25(3), 793–801. https:// doi.org/10.1016/j.neuroimage.2004.11.024
  3. Chang, S.-E., Kenney, M.K., Loucks, T.M.J., & Ludlow, C.L. (2009). Brain activation abnormalities during speech and non-speech in stuttering speakers. NeuroImage, 46(1), 201–212. https://doi.org/10.1016/j.neuroimage.2009.01.066
  4. D’Ausilio, A., Pulvermüller, F., Salmas, P., Bufalari, I., Begliomini, C., & Fadiga, L. (2009). The motor somatotopy of speech perception. Current Biology, 19(5), 381–385. https://doi.org/10.1016/j.cub.2009.01.017
  5. De Nil, L.F., Kroll, R.M., Kapur, S., & Houle, S. (2000). A positron emission tomography study of silent and oral single word reading in stuttering and nonstuttering adults. Journal of Speech, Language, and Hearing Research, 43(4), 1038–1053. https://doi.org/10.1044/jslhr.4304.1038
  6. Forster, D.C., & Webster, W.G. (2001). Speech-motor control and interhemispheric relations in recovered and persistent stuttering. Developmental Neuropsychology, 19(2), 125–145. https://doi.org/10.1207/s15326942dn1902_1
  7. Foundas, A.L., Corey, D.M., Angeles, V., Bollich, A.M., Crabtree–Hartman, E., & Heilman, K.M. (2003). Atypical cerebral laterality in adults with persistent developmental stuttering. Neurology, 61(10), 1378–1385. https://doi.org/10.1212/01.wnl.0000094320.44334.86
  8. Fowler, C.A. (2016). Speech perception as a perceptuo-motor skill. In Neurobiology of Language (pp. 175–184). London: Academic Press. https://doi.org/10.1016/b978-0-12-407794-2.00015-8
  9. Fridriksson, J., Moss, J., Davis, B., Baylis, G.C., Bonilha, L., & Rorden, C. (2008). Motor speech perception modulates the cortical language areas. NeuroImage, 41(2), 605–613. https://doi.org/10.1016/j.neuroimage.2008.02.046
  10. Gavrilenko, Yu.Yu., Saada, D.F., Shevchenko, A.O., & Ilyushin, E.A. (2019). A review on internal pro-nouncing recognition methods based on electroencephalogram data. Modern Information Technologies and IT-Education, 15(1), 164–171. (In Russ.) https://doi.org/10.25559/SITITO.15.201901.164-171
  11. Glukhov, V.P. (2005). Fundamentals of psycholinguistics. Moscow: AST Publ. (In Russ.)
  12. Guenther, F.H., & Vladusich, T. (2012). A neural theory of speech acquisition and production. Journal of Neurolinguistics, 25(5), 408–422. https://doi.org/10.1016/j.jneuroling.2009.08.006
  13. Halag-Milo, T., Stoppelman, N., Kronfeld-Duenias, V., Civier, O., Amir, O., Ezrati-Vinacour, R., & Ben-Shachar, M. (2016). Beyond production: Brain responses during speech perception in adults who stutter. NeuroImage: Clinical, 11, 328–338. https://doi.org/10.1016/j.nicl.2016.02.017
  14. Hickok, G. (2012). Computational neuroanatomy of speech production. Nature Reviews Neuroscience, 13(2), 135–145. https://doi.org/10.1038/nrn3158
  15. Hickok, G., & Poeppel, D. (2007). The cortical organization of speech processing. Nature Reviews Neuroscience, 8(5), 393–402. https://doi.org/10.1038/nrn2113
  16. Hickok, G., Houde, J., & Rong, F. (2011). Sensorimotor integration in speech processing: Computational basis and neural organization. Neuron, 69(3), 407–422. https://doi.org/10.1016/j.neuron.2011.01.019
  17. Ivanov, А.А. (2023). Overview of mathematical EEG analysis. Quantitative EEG. Epilepsy and Paroxysmal Conditions, 15(2), 171-192. (In Russ.) https://doi.org/10.17749/2077-8333/epi.par.con.2023.154
  18. Jäncke, L., Hänggi, J., & Steinmetz, H. (2004). Morphological brain differences between adult stutterers and non-stutterers. BMC Neurology, 4(1), 23. https://doi.org/10.1186/1471-2377-4-23
  19. Karpova, N.L., Nikolaeva, E.I., Dobrin, A.V., & Poprik, Y.B. (2023). Neuropsychological and psychophysiological studies in logopsychotherapy: In memory of J.M. Glozman. Lurian Journal, 4(2), 60–80. https://doi.org/10.15826/lurian.2023.4.2.4
  20. Langland-Hassan, P., & Vicente, A. (Eds.). (2018). Inner speech: New voices. Oxford: Oxford University Press. https://doi.org/10.1093/oso/9780198796640.001.0001
  21. Lee, B.S. (1951). Artificial stutter. Journal of Speech and Hearing Disorders, 16(1), 53–55. https://doi.org/10.1044/jshd.1601.53
  22. Lu, C., Long, Y., Zheng, L., Shi, G., Liu, L., Ding, G., & Howell, P. (2016). Relationship between speech production and perception in people who stutter. Frontiers in Human Neuroscience, 10, 224. https://doi.org/10.3389/fnhum.2016.00224
  23. Martin, S., Iturrate, I., Millán, J.D.R., Knight, R.T., & Pasley, B.N. (2018). Decoding inner speech using electrocorticography: Progress and challenges toward a speech prosthesis. Frontiers in Neuroscience, 12, 422. https://doi.org/10.3389/fnins.2018.00422
  24. McGuire, P.K., Silbersweig, D.A., Murray, R.M., David, A.S., Frackowiak, R.S.J., & Frith, C.D. (1996). Functional anatomy of inner speech and auditory verbal imagery. Psychological Medicine, 26(1), 29–38. https://doi.org/10.1017/s0033291700033699
  25. Missylovin, L.Ya., & Urova, M.S. (2015). Overcoming stuttering in adolescents and adults using devices such as ACORUS. Scientific-Methodological Electronic Journal “Koncept”, (S23), 46-50. (In Russ.)
  26. Shevchenko, A.O., & Vartanov, A.V. (2022). Comparison of the mechanisms of phonemic aware-ness and internal pronunciation of phonemes and syllables: EEG and fMRI study. Russian psychological journal, 19(4), 185–210. (In Russ.) https://doi.org/10.21702/rpj.2022.4.13
  27. Shevchenko, A.O., & Vartanov, A.V. (2023). Evoked articulatory response during internal and external speech. Modern Science: actual problems of theory and practice. Series of “Cognition”, (1), 108–111. (In Russ.) https://doi.org/10.37882/2500-3682.2023.01.20
  28. Si, X., Li, S., Xiang, S., Yu, J., & Ming, D. (2021). Imagined speech increases the hemodynamic response and functional connectivity of the dorsal motor cortex. Journal of Neural Engineering, 18(5), 056048. https://doi.org/10.1088/1741-2552/ac25d9
  29. Sommer, M., Koch, M.A., Paulus, W., Weiller, C., & Büchel, C. (2002). Disconnection of speech-relevant brain areas in persistent developmental stuttering. The Lancet, 360(9330), 380–383. https://doi.org/10.1016/s0140-6736(02)09610-1
  30. Vartanov, A.V. (2022). A new method of localizing brain activity using the scalp EEG data. Procedia Computer Science, 213, 41–48. https://doi.org/10.1016/j.procs.2022.11.036
  31. Vartanov, А.V. (2023). A new approach to spatial localization of EEG-based electrical activity. Epilepsy and Paroxysmal Conditions, 15(4), 326–338. (In Russ.) https:// doi.org/10.17749/2077-8333/epi.par.con.2023.177
  32. Vartanov, A.V., & Shevchenko, A.O. (2022). Psychophysiological mechanisms of internal pronunciation of phonemes. Lomonosov Psychology Journal, (1), 201–220. (In Russ.) https://doi.org/10.11621/vsp.2022.01.09
  33. Watkins, K.E., Smith, S.M., Davis, S., & Howell, P. (2008). Structural and functional abnormalities of the motor system in developmental stuttering. Brain, 131(1), 50–59. https://doi.org/10.1093/brain/awm241
  34. Weber-Fox, C. (2001). Neural systems for sentence processing in stuttering. Journal of Speech, Language, and Hearing Research, 44(4), 814–825. https://doi.org/10.1044/1092-4388(2001/064)
  35. Zhang, N., Yin, Y., Jiang, Y., & Huang, C. (2022). Reinvestigating the neural bases involved in speech production of stutterers: An ALE meta-analysis. Brain Sciences, 12(8), 1030. https://doi.org/10.3390/brainsci12081030

Қосымша файлдар

Қосымша файлдар
Әрекет
1. JATS XML

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».