Cortical processing of speech and non-speech sounds in adults and newborns

Comprehension of a complex acoustic signal - speech - is vital for human communication, with numerous brain processes required to convert the acoustics into an intelligible message. In four studies in the present thesis, cortical correlates for different stages of speech processing in a mature linguistic system of adults were investigated. In two further studies, developmental aspects of cortical specialisation and its plasticity in adults were examined. In the present studies, electroencephalographic (EEG) and magnetoencephalographic (MEG) recordings of the mismatch negativity (MMN) response elicited by changes in repetitive unattended auditory events and the phonological mismatch negativity (PMN) response elicited by unexpected speech sounds in attended speech inputs served as the main indicators of cortical processes. Changes in speech sounds elicited the MMNm, the magnetic equivalent of the electric MMN, that differed in generator loci and strength from those elicited by comparable changes in non-speech sounds, suggesting intra- and interhemispheric specialisation in the processing of speech and non-speech sounds at an early automatic processing level. This neuronal specialisation for the mother tongue was also reflected in the more efficient formation of stimulus representations in auditory sensory memory for typical native-language speech sounds compared with those formed for unfamiliar, non-prototype speech sounds and simple tones. Further, adding a speech or non-speech sound context to syllable changes was found to modulate the MMNm strength differently in the left and right hemispheres. Following the acoustic-phonetic processing of speech input, phonological effort related to the selection of possible lexical (word) candidates was linked with distinct left-hemisphere neuronal populations. In summary, the results suggest functional specialisation in the neuronal substrates underlying different levels of speech processing. Subsequently, plasticity of the brain's mature linguistic system was investigated in adults, in whom representations for an aurally-mediated communication system, Morse code, were found to develop within the same hemisphere where representations for the native-language speech sounds were already located. Finally, recording and localization of the MMNm response to changes in speech sounds was successfully accomplished in newborn infants, encouraging future MEG investigations on, for example, the state of neuronal specialisation at birth.

Monimutkaisen akustisen signaalin, puheen, ymmärtäminen on tärkeässä roolissa ihmisten välisessä viestinnässä. Akustisen signaalin muuttuminen ymmärrettäväksi viestiksi vaatii kuitenkin lukuisia eri käsittelyvaiheita aivoissa. Tässä väitöskirjassa kartoitettiin puheen käsittelyn eri osavaiheisiin liittyviä aivotoimintoja aikuisilla. Lisäksi tutkimuskohteina olivat kuulonvaraista viestintäkeinoa opiskelevat aikuiset sekä vastasyntyneet vauvat. Puheäänteiden ja muiden äänien käsittelyä aivoissa tutkittiin aivosähkökäyrää (elektroenkefalografia; EEG) ja aivojen sähköisen toiminnan aiheuttamaa magneettikenttää (magnetoenkefalografia; MEG) mittaamalla. Erityisesti EEG ja MEG rekisteröinneissä hyödynnettiin toistuvan kuuloärsykkeen muutoksen aiheuttamaa muutosvastetta (eng. mismatch negativity, MMN), joka syntyy automaattisesti ja ilman tarkkaavuuden suuntaamista ääniin helpottaen näin tutkimuksia esim. vauvoilla. Lisäksi käytettiin sanantunnistuksen fonologiseen osavaiheeseen liittyvää muutosvastetta (eng. phonological mismatch negativity, PMN), joka puolestaan vaatii puhesignaalin aktiivista työstämistä. Tutkimustulokset kuvastavat aivojen erikoistumista erityyppisten ääniärsykkeiden käsittelyyn. Jo varhaisessa kuuloinformaation käsittelyvaiheessa vasemman ja oikean aivopuoliskon välillä on eroa siinä kuinka voimakkaasti ne reagoivat puheäänteisiin ja muihin akustisesti samankaltaisiin ääniin kuten sointuihin. Lisäksi puheäänteitä käsitellään eri kohdassa kuuloaivokuorta kuin muita ääniä. Tämä aivotoiminnan herkistyminen omalle äidinkielelle näkyy myös tehokkaampana muistiedustusten viriämisenä tutuille äidinkielen puheäänteille verrattuna mm. akustisesti samankaltaisiin puheäänteisiin, joita ei aiemmin ole kuultu. Puheärsykkeiden varhaiseen käsittelyyn vasemmassa ja oikeassa aivopuoliskossa vaikuttaa eri tavalla myös se millaisessa ääniympäristössä puheärsykkeet esiintyvät, kuvastaen aivopuoliskojen erilaisia rooleja puheen eri piirteiden havaitsemisessa. Varsinkin varsinaiseen sanan tunnistamiseen johtavat prosessit tapahtuvat väitöskirjan mukaan erikoistuneissa vasemman ohimolohkon hermosolujoukoissa. Uuden taidon oppiminen edellyttää uusien muistiedustuksien syntymistä aivoissa. Kuuloinformaatioon perustuvaa kommunikaatiojärjestelmää, Morse koodia, opettelevilla aikuisilla nämä uudet muistiedustukset muodostuvat todennäköisesti lähelle äidinkielen muistiedustuksia, mahdollistaen nopean Morse-koodatun viestin tulkinnan. Erityisen taajaa muistiedustusten syntyminen on vauvoilla, joilla väitöskirjan mukaan on jo pian syntymän jälkeen mahdollista käyttää samoja aivotutkimusmenetelmiä kuin aikuisilla selvitettäessä esimerkiksi aivojen erikoistumista puheen käsittelyyn.