Human PhysiologyHuman PhysiologyФизиология человека0131-16463034-6150The Russian Academy of Sciences66406810.31857/S0131164624060013AGSBFCArticlesСтатьиResearch ArticleEvoked Potentials of the Human Midbrain and Cortex Registered in Response to the Transition from a Consonant to a Vowel SoundВызванные потенциалы среднего мозга и коры человека, зарегистрированные в ответ на переход с согласного на гласный звукKantserovaA. O.КанцероваА. О.
Russian Federation
anna.kantserova@gmail.comOkninaL. B.ОкнинаЛ. Б.
Russian Federation
anna.kantserova@gmail.comPitskhelauriD. I.ПицхелауриД. И.
Russian Federation
anna.kantserova@gmail.comPodlepichV. V.ПодлепичВ. В.
Russian Federation
anna.kantserova@gmail.comVologdinaY. O.ВологдинаЯ. О.
Russian Federation
anna.kantserova@gmail.comSieberI. A.ЗиберИ. А.
Russian Federation
anna.kantserova@gmail.comStrelnikovaE. V.СтрельниковаЕ. В.
Russian Federation
anna.kantserova@gmail.comInstitute of Higher Nervous Activity and Neurophysiology, RASФГБУН Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАНN.N. Burdenko National Medical Research Center of NeurosurgeryФГАУ “Национальный медицинский исследовательский центр нейрохирургии имени академика Н.Н. Бурденко” МЗ РФNational Research University Higher School of EconomicsФГАОУ ВО “Национальный исследовательский университет “Высшая школа экономики”Institute of Higher Nervous Activity and NeurophysiologyФГБУН Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН1212202450631225022025Copyright ©; 2024, Russian Academy of SciencesCopyright ©; 2024, Российская академия наук2024Russian Academy of SciencesРоссийская академия наукhttps://journals.eco-vector.com/0131-1646/article/view/664068

Speech is a continuous stream of sounds. To perceive speech, it is necessary to allocate discrete units with different frequency, volume and duration during its sounding. The purpose of this study was to identify the responses of the human cortex and midbrain to the transition from a consonant to a vowel sound in a syllable. The study analyzed and compared evoked potentials (EP) recorded using deep electrodes in 2 patients during intraoperative monitoring (IOM) with EP recorded in 29 healthy volunteers from the head surface. Groups of peaks following the beginning of the stimulus sound and the transition from consonant to vowel sound were detected on the EP registered in response to syllables and vowel sounds. Similar groups of short-latency peaks – S (from “start”) and C (from “change”), following the beginning of the stimulus sound and the transition from consonant to vowel sound, respectively, were distinguished on the patients’ EP. Their latencies had no significant differences (p > 0.05). Similarly, complexes of long-latent peaks N1S-P2S and N1C-P2C, similar to each other, were isolated on the EP of healthy volunteers. Their latencies also had no significant differences (p > 0.05). During the sounding of the stimulus, the cortex performs high-level (cognitive) sound processing, while the midbrain performs low-level (primary) processing, firstly providing rapid transmission of information to the cortex. With pathologies of the auditory structures of the thalamus and cortex, the ability to respond to changes in the characteristics of sound during its sounding, including speech, is likely to be impaired or lost.

Речь – это непрерывный поток звуков. Для восприятия речи необходимо во время ее звучания выделять дискретные единицы, имеющие различную частоту, громкость и длительность. Целью данного исследования было выявить ответы коры и среднего мозга человека на переход от согласного к гласному звуку в слоге. В исследовании проводили анализ и сопоставление вызванных потенциалов (ВП), записанных при помощи глубинных электродов у 2 пациентов во время интраоперационного мониторинга (ИОМ), с ВП, записанными у 29 здоровых добровольцев с поверхности кожи головы. На ВП, зарегистрированных в ответ на слоги и гласные звуки, выявлялись группы пиков, следующие за началом звучания стимула и за переходом с согласного на гласный звук. На ВП пациентов выделялись сходные друг с другом группы коротколатентных пиков – S (от английского start – “начало”) и C (от английского change – “смена”), следующие за началом звучания стимула и за переходом с согласного на гласный звук соответственно. Их латентности не имели между собой достоверных различий (p > 0.05). Аналогично на ВП здоровых испытуемых выделялись сходные друг с другом комплексы длиннолатентных пиков N1S-P2S и N1C-P2C. Их латентности также не имели между собой достоверных различий (p > 0.05). Во время звучания стимула кора выполняет высокоуровневую (когнитивную) обработку звука, в то же время средний мозг выполняет низкоуровневую (первичную) обработку, в первую очередь обеспечивая быструю передачу информации в кору. При патологиях слуховых структур таламуса и коры способность реагировать на изменение характеристик звука во время его звучания, в том числе в речи, с большой долей вероятности будет нарушена или утрачена.

evoked potentialsmidbraincortexspeech perceptionsyllableвызванные потенциалысредний мозгкоравосприятие речислогМинистерство науки и высшего образования РФMinistry of Science and Higher Education of the Russian FederationBoruta L., Peperkamp S., Crabbé B., Dupoux E. Testing the robustness of online word segmentation: Effects of linguistic diversity and phonetic variation / Proceedings of the 2nd workshop on cognitive modeling and computational linguistics. Portland. Oregon. USA, 2011. P. 1.Kuhl P.K. Early language acquisition: Cracking the speech code // Nat. Rev. Neurosci. 2004. V. 5. № 11. P. 831.Shea C., Curtin S. Discovering the relationship between context and allophones in a second language: evidence for distribution-based learning // Stud. Second Lang. Acquis. 2010. V. 32. № 4. P. 581.Shea C., Curtin S. Discovering the relationship between context and allophones in a second language: Evidence for distribution-based learning // Stud. Second Lang. Acquis. 2010. V. 32. № 4. P. 581.Ashby M., Maidment J. Introducing phonetic science. Cambridge: Cambridge University Press, 2005. 230 p.Kodzasov S.V., Krivnova O.F. [General phonetics]. Moscow: RGGU, 2001. 592 p.Кодзасов С.В., Кривнова О.Ф. Общая фонетика. М.: РГГУ, 2001. 592 с.Oxenham A.J. How we hear: The perception and neural coding of sound // Annu. Rev. Psychol. 2018. V. 69. № 1. P. 27.Lau B.K., Mehta A.H., Oxenham A.J. Superoptimal perceptual integration suggests a place-based representation of pitch at high frequencies // J. Neurosci. 2017. V. 37. № 37. P. 9013.Kandel E.R., Koester J.D., Mack S.H., Siegelbaum S.A. Principles of neural science. 6th ed. New York: McGraw-Hill Professional, 2021. 1696 p.Dorfman L.J. Sensory evoked potentials: clinical applications in medicine // Annu. Rev. Med. 1983. V. 34. P. 473.Picton T.W., Hillyard S.A., Krausz H.I., Galambos R. Human auditory evoked potentials. I: Evaluation of components // Electroencephalogr. Clin. Neurophysiol. 1974. V. 36. № 2. P. 179.Kantserova A.O., Oknina L.B., Pitskhelauri D.I. et al. Evoked Potentials of the Midbrain Associated with the Beginning and End of a Sound of a Simple Tone // Human Physiology. 2022. V. 48. № 3. Р. 229.Канцерова A.O., Окнина Л.Б. Пицхелаури Д.И. и др. Вызванные потенциалы среднего мозга, ассоциированные с началом и окончанием звучания простого тона // Физиология человека. 2022. Т. 48. № 3. С. 5.Nakagawa K., Otsuru N., Inui K., Kakigi R. Change-related auditory P50: A MEG study // NeuroImage. 2014. V. 86. P. 131.Hillyard S.A., Picton T.W. ON and OFF components in the auditory evoked potential // Percept. Psychophys. 1978. V. 24. № 5. P. 391.Kim J.R. Acoustic change complex: Clinical implications // J. Audiol. Otol. 2015. V. 19. № 3. P. 120.Ostroff J.M., Martin B.A., Boothroyd A. Cortical evoked response to acoustic change within a syllable // Ear. Hear. 1998. V. 19. № 4. P. 290.Kaukoranta E., Hari R., Lounasmaa O.V. Responses of the human auditory cortex to vowel onset after fricative consonants // Exp. Brain Res. 1987. V. 69. № 1. P. 19.Eggermont J. Auditory brainstem response // Handb. Clin. Neurol. 2019. V. 160. P. 451.Krizman J., Kraus N. Analyzing the FFR: A tutorial for decoding the richness of auditory function // Hear. Res. 2019. V. 382. P. 107779.Johnson K.L., Nicol T., Zecker S.G. et al. Brainstem encoding of voiced consonant--vowel stop syllables // Clin. Neurophysiol. 2008. V. 119. № 11. P. 2623.Nourski K.V., Steinschneider M., Rhone A.E. et al. Sound identification in human auditory cortex: Differential contribution of local field potentials and high gamma power as revealed by direct intracranial recordings // Brain Lang. 2015. V. 148. P. 37.Moses D.A., Mesgarani N., Leonard M.K., Chang E.F. Neural speech recognition: Continuous phoneme decoding using spatiotemporal representations of human cortical activity // J. Neural. Eng. 2016. V. 13. № 5. P. 056004.Parsons C.E., Young K.S., Joensson M. et al. Ready for action: A role for the human midbrain in responding to infant vocalizations // Soc. Cogn. Affect. Neurosci. 2014. V. 9. № 7. P. 977.Sala F., Lanteri P., Bricolo A. Motor evoked potential monitoring for spinal cord and brain stem surgery // Adv. Tech. Stand. Neurosurg. 2004. V. 29. P. 133.Kantserova А.O., Oknina L.B., Pitskhelauri D.I. et al. Evoked potentials appearing in the human midbrain after sounding of a simple tone // Neurosci. Behav. Physiol. 2023. V. 53. № 3. Р. 358.Канцерова А.О., Окнина Л.Б., Пицхелаури Д.И. и др. Вызванные потенциалы среднего мозга человека, появляющиеся после окончания звучания простого тона // Журн. высш. нервн. деят. им. И.П. Павлова. 2022. T. 72. № 5. С. 707.Van Hooff J.C., De Beer N.A.M., Brunia C.H.M. et al. Event-related potential measures of information processing during general anesthesia // Electroencephalogr. Clin. Neurophysiol. 1997. V. 103. № 2. P. 268.