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The spatiotemporal dynamics of semantic integration in the human brain
2023, Nature Communications
https://www.nature.com/articles/s41467-023-42087-8
Abstract
- Semantically referential sentences는 좌측 언어 우세 반구의 하전두고랑, 내측 두정엽 피질, 안와전두피질 및 내측 측두엽의 고주파 광대역 감마 활성화를 활성화 시킴
- 하전두고랑, 안와전두피질 및 후방 중측두회 활동은 non-referential sentences의 의미적 일관성에 의해 조절되어 과제 기반 참조 상태와는 무관한 의미적 효과를 드러냄
- 네트워크의 구성 요소는 후방 상측 측두 고랑과 함께 최종 단어에 의해 어휘 검색 공간이 명확하게 줄어들지 않는 Referential sentences에 대해 관여했음
- 후측두피질과 하측전두피질에서 의미적 통합을 위한 상호 보완적인 피질 모자이크가 존재한다는 것을 나타냄
Goal
언어 처리 과정에서 어휘 정보를 통합하여 semantic concept을 만드는데 관여하는 신경 메커니즘과 뇌 영역을 찾는 것
Motivation
- 문장의 의미를 평가하는 데 여러 피질 영역이 필요한지 또는 단일 영역 내에서 매우 겹치는 이질적인 구성 요소가 의미의 뚜렷한 측면을 인코딩할 수 있는지는 여전히 불분명
- 시공간 해상도의 한계로 semantic 통합과 관련된 프로세스를 분리하는게 어려웠음
Contribution
- 뇌에서 특정 개체를 직접 지칭하는 문장과 그렇지 않은 문장을 어떻게 처리하는지에 대해 연구
- 의미를 처리하는 데에 있어서 처리 과정이 일관되지 않고 언어 입력의 특성에 따라 달라짐
- 언어 이해력 및 뇌 기능과 관련된 인지 신경과학 및 언어학 이론에 기여
Data
- 58명의 뇌전증 환자
- 언어 결손 병력이 없는 영어 원어민
- stereotactically placed depth electrodes (sEEGs; 56 patients)
- subdural grid electrodes (SDEs; 2 patients)
- 난치성 뇌전증(iEEG) 평가를 위해 써진 단어 정의를 읽는 침습형 검사
- 직교 문장 이해 및 언어 참조 패러다임 사용
- 국소 피질 프로세싱을 지표화하기 위해 fMRI 혈중 산소 농도 의존성(BOLD) 신호와 강한 상관관계가 있는 broadband gamma activaty(BGA; 70-150 Hz) 사용
- 일반적인 사물에 대한 referential 또는 non-referential 추론적 의미를 유발하는 문장(사물의 사진을 직접 보여주는 것과는 반대로)을 제시하여 언어 우세 피질 전반에서 BGA 반응을 종합적으로 매핑
Data availability
- HIPAA를 준수하지 않는 정보가 포함되어 있고 데이터 수집 대상자가 공개에 동의하지 않았기 때문에 비공개
- 교신저자에게 요청하면 데이터를 이용할 수 있음
- 전체 자극 세트 (https://static-content.springer.com/esm/art%3A10.1038%2Fs41467-023-42087-8/MediaObjects/41467_2023_42087_MOESM3_ESM.xlsx)
Code availability
The custom code that supports the findings of this study is available from the corresponding author on request.
Methods
Stimuli and experimental design
- Orthographic descriptions(평균: 6.5단어, 범위: 3~12단어)에 반응하여 일반적인 사물의 이름을 빠르고 정확하게 표현
- 최종적으로 정의를 결정하는 단어의 위치에 대한 예측 가능성을 줄이기 위해 문장의 길이(3~12단어)를 다양화
패러다임 구성
- Referential sentence (42회), Non-referential sentence (42회)
- 화면 중앙에 고정 십자가가 1000밀리초 동안 표시된 후
- 문장의 각 연속 단어가 각각 500밀리초 동안 표시되고
- 빈 화면이 1초 동안 표시된 후
- 환자가 2초 동안 응답할 수 있는 시간
- 자극은 환자로부터 2~3피트 떨어진 눈높이에 위치한 15.4인치 LCD 화면에서 Psychtoolbox110을 사용하여 제시
- 단어는 150픽셀(~2.2° 시야각) 높이의 Arial 글꼴로 문장으로 제시
Survey
- 자극의 의미적 좁힘 효과의 프로파일을 확인하기 위해 비임상 모집단(n=80, 여성 50명, 평균 연령: 34세, 범위: 18-71세)을 대상으로 표준화 연구 실시
- 모두 영어를 모국어로 사용하는 사람
- 설문조사에 참여할 수 있는 최소 90%의 찬성률을 보였음
- Qualtrics 온라인 플랫폼을 통해 진행
- 과정
- 새로운 단어가 제시될 때 현재 설명과 일치할 수 있는 단어를 입력
- 예를 들어, 참가자들에게 먼저 "A"를 보여준 다음 "둥근", "둥근 빨간색", 마지막으로 "둥근 빨간색 과일"을 보여줌
- 대부분의 참가자는 "동그란 빨간색"을 제시한 후 "사과"라고 답했으며,
- "동그란"을 본 후 "공"이나 "동그라미"라고 답한 사람도 많았음
Signal analysis
- 라인 노이즈와 고조파(zero-phase 2nd order Butterworth band-stop filters)를 제거한 후 각 전극의 원시 데이터를 broadband gamma activity(BGA; 70-150Hz)으로 1차 대역 통과 필터링
Results
Behavioral performance
- 개별 반응 시간(Fig. 1)은 문장의 마지막 단어가 오프셋된 후 평균 1765ms(SD: 680ms)
- Referential sentences는 Non-referential sentences에 비해 조음 반응 시간이 유의하게 빨랐음
Spatiotemporal dynamics of orthographic sentence processing
- 연속된 단어에 걸쳐 국소 피질 활동의 축적을 조사하기 위해 표면 기반 혼합 효과 다수준 분석(SB-MEMA)을 사용하여 피질 활동의 population-level map 생성
- 초기 활성화는 하측 전두대상회(IFG), 내측 두정엽 피질(MPC), 전측 측두엽(ATL), 후측 중측두대상회(pMTG)에서 발견
- 그 다음, 복내측 전두엽 피질(vmPFC), 후대상 및 안와전두피질(OFC)에서 후기 활성화
- 복측 측두 피질, 하측 측두-후두 피질, 하측 전두 고랑(IFS) 등 세 영역은 문장을 읽는 내내 활성화
- 마지막 단어에서 BGA가 뚜렷하게 증가하고 문장 전체에 걸쳐 더 넓은 범위의 활동
Reference to common objects
- 최종 단어가 시작될 때 Referential sentences와 Non-referential sentences를 비교 한 결과
- Non-referential sentences는 referential sentences에 비해 후상측두피질 및 전하전두대상회(aIFG)에서 BGA 증가
이러한 효과는 환자의 언어적 조음과는 반대로 최종 단어가 시작된 직후에 특정적으로 나타났음(Fig. 3b) - Referential sentence를 자극으로 받을 때의 전두엽(Fig. 3c) 및 내측 측두엽(Fig. 3e) 반응과
Non-referential sentence에 대한 민감도를 나타내는 예시적인 후측두엽 전극(Fig. 3d)이 플롯
Semantic coherence
- Referential sentences에 초점을 맞춘 뇌 활동 분석에서 일관성 있는 문장과 일관성 없는 문장을 대조
- 일관된 Non-referential sentences 에서 더 큰 BGA (Fig. 3g)
- IFS(300–500 ms: β = 0.08 (SD: 0.03); p = 0.001)
- aIFG (700–900 ms: β = 0.11 (SD: 0.05); p = 0.001)
- angular gyrus (700–900 ms: β = 0.06 (SD: 0.01); p < 0.001)
- pMTG (700–900 ms: β = 0.08 (SD: 0.03); p = 0.002)
- OFC (700–900 ms: β = 0.07 (SD: 0.01); p = 0.001)
Integrative lexical access
- 자극을 보정하기 위해 영어 원어민(n = 80)을 대상으로 규범화 연구를 수행하여 의미적 좁아짐의 지점을 도출
- 참조 해결 및 어휘 접근 과정 정규화
- 어떤 문장은 의미적으로 두드러진 정보(예: "문을 열 때 사용하는 것")가 있어 최종 단어가 나오기 전에 정답이 나올 가능성이 있는 반면, 다른 문장은 최종 단어가 나올 때까지 모호(예: "온도를 측정할 때 사용하는 것")
- 최종 단어가 시작되는 지점에서 의미적 좁아짐이 제한적인(즉, 최종 단어 앞에 정의에 대한 가능한 답변의 수가 적은) 문장과 강한 좁아짐을 보인 문장을 대조(Supplymentary Fig. 5)
- 의미적 좁아짐이 제한적인 referential sentences는 최종 단어가 시작된 후 약 250ms 후부터 약 900ms까지 지속되는 후상측두고랑(pSTS) 안팎에서 강한 좁아짐 실험보다 더 큰 BGA
Conclusion
- Referential sentences와 Non-referential sentences의 생생도 평가의 차이는 확인하지 못했음 → future work
- 문장 읽기의 시공간적 역학에 대해 외측 하측 전두엽과 후측 측두엽 피질에서 서로 밀접하게 인접한 위치의 뚜렷한 의미적 역할을 확인
- 실제로 전두엽과 후두엽 하전두회(IFG)에서 분리 가능한 의미 효과(전자의 경우 일관성, 후자의 경우 통합 어휘 접근의 어려움)에 대한 지지를 발견했지만, 기능적으로도 일부 겹치는 부분이 있는 것으로 나타남(Fig. 4)
내 생각...
의미를 처리하는 데에 있어서 처리 과정이 일관되지 않고 언어 입력의 특성에 따라 달라진다는 결과를 통해 서로 다른 영역이 서로 다른 유형의 의미론적 작업에 특화되어 있다는 점에서 흥미로웠고, 데이터도 재밌는 문장들이 많았다.
E. Murphy et al., “The spatiotemporal dynamics of semantic integration in the human brain,” Nature Communications, Vol. 14, No. 1, 2023, p. 6336.
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