Hirnrhythmen bei der Sprachproduktion

• Antragsteller: Professor Dr. Joachim Gross
• Fachliche Zuordnung: Kognitive und systemische Humanneurowissenschaften ; Kognitive, systemische und Verhaltensneurobiologie
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 417044868

• Erstellungsjahr: 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Unser Projekt untersuchte die komplexen neuronalen Prozesse, die der Sprachproduktion und -wahrnehmung zugrunde liegen, wobei die Magnetoenzephalographie (MEG) als primäres Instrument eingesetzt wurde. Anfangs wurden Herausforderungen durch die Entwicklung einer robusten Methode zur Minderung sprechbedingter Artefakte in MEG-Daten überwunden. Nachfolgende Untersuchungen konzentrierten sich auf die Charakterisierung von Hirnrhythmen und zeigten ein komplexes Zusammenspiel zwischen Frequenz, Hirnregion und kognitiver Funktion. Ein entscheidendes Ergebnis war die Identifizierung einer systematischen Abnahme der dominanten Frequenz neuronaler Aktivität von posterioren zu anterioren Regionen in Übereinstimmung mit der kortikalen Hierarchie. Diese Entdeckung lieferte einen neuen Rahmen für das Verständnis der Hirnorganisation und -funktion. Weitere Studien untersuchten, wie sich diese intrinsischen Hirnrhythmen mit den dynamischen Mustern der Sprache synchronisieren, wobei unterschiedliche Rollen für verschiedene Frequenzbänder bei Sprachverarbeitung und -verständnis nachgewiesen wurden. Die Forschung hob die Fähigkeit des Gehirns hervor, kontinuierliche Sprache mittels Hirnrhythmen zu segmentieren, beeinflusst durch prosodische Hinweise, Schlüsselwörter und höherstufige Sprachverarbeitung. Darüber hinaus hat unser Projekt in einer Kollaboration mit Dr. Kluger einen signifikanten Beitrag geleistet die Rolle der Atmung auf die Gehirnaktivität zu untersuchen. Die Atmung spielt naturgemäß bei der Sprache eine große Rolle. Durch die Untersuchung des Zusammenspiels zwischen Atemmustern und neuronalen Oszillationen zeigte die Forschung, wie die Atmung Hirnzustände moduliert und Wahrnehmung, motorische Kontrolle und kognitive Prozesse beeinflusst. Ein neuartiger Rahmen wurde vorgeschlagen, um die komplexe Beziehung zwischen Atmung und Gehirnaktivität zu erklären und deren potenzielle Rolle bei der Gestaltung verschiedener kognitiver Funktionen, wie Sprache, hervorzuheben. Zusammenfassend leistete dieses Forschungsprojekt bedeutende Beiträge zum Verständnis der neuronalen Grundlagen von Sprache im weiteren Kontext der Gehirn-Körper-Interaktionen. Durch die Aufklärung des komplexen Zusammenspiels zwischen Hirnrhythmen, Sprachverarbeitung und Atemmustern bieten die Ergebnisse wertvolle Erkenntnisse für zukünftige Forschungen in Neurowissenschaft, Kognitionswissenschaft und verwandten Bereichen.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Brain activity reflects the predictability of word sequences in listened continuous speech. NeuroImage, 219, 116936.
  Koskinen, Miika; Kurimo, Mikko; Gross, Joachim; Hyvärinen, Aapo & Hari, Riitta
  
• Depth and phase of respiration modulate cortico-muscular communication. NeuroImage, 222, 117272.
  Kluger, Daniel S. & Gross, Joachim
  
• Shared and modality-specific brain regions that mediate auditory and visual word comprehension. eLife, 9.
  Keitel, Anne; Gross, Joachim & Kayser, Christoph
  
• The frequency gradient of human resting-state brain oscillations follows cortical hierarchies. eLife, 9.
  Mahjoory, Keyvan; Schoffelen, Jan-Mathijs; Keitel, Anne & Gross, Joachim
  
• Comparison of undirected frequency-domain connectivity measures for cerebro-peripheral analysis. NeuroImage, 245, 118660.
  Gross, Joachim; Kluger, Daniel S.; Abbasi, Omid; Chalas, Nikolas; Steingräber, Nadine; Daube, Christoph & Schoffelen, Jan-Mathijs
  
• Correcting MEG Artifacts Caused by Overt Speech. Frontiers in Neuroscience, 15.
  Abbasi, Omid; Steingräber, Nadine & Gross, Joachim
  
• Respiration aligns perception with neural excitability. eLife, 10.
  Kluger, Daniel S.; Balestrieri, Elio; Busch, Niko A. & Gross, Joachim
  
• Respiration modulates oscillatory neural network activity at rest. PLOS Biology, 19(11), e3001457.
  Kluger, Daniel S. & Gross, Joachim
  
• Coupling of pupil- and neuronal population dynamics reveals diverse influences of arousal on cortical processing. ELife, 11.
  Pfeffer, Thomas; Keitel, Christian; Kluger, Daniel S; Keitel, Anne; Russmann, Alena; Thut, Gregor; Donner, Tobias H. & Gross, Joachim
  
• Differential roles of delta and theta oscillations in understanding semantic gist during natural audiovisual speech perception: Functional and anatomical evidence.
  Park, Hyojin; Ince, Robin A. A. & Gross, Joachim
  
• Multivariate analysis of speech envelope tracking reveals coupling beyond auditory cortex. NeuroImage, 258, 119395.
  Chalas, Nikos; Daube, Christoph; Kluger, Daniel S.; Abbasi, Omid; Nitsch, Robert & Gross, Joachim
  
• The natural frequencies of the resting human brain: An MEG-based atlas. NeuroImage, 258, 119373.
  Capilla, Almudena; Arana, Lydia; García-Huéscar, Marta; Melcón, María; Gross, Joachim & Campo, Pablo
  
• Breathing in waves: Understanding respiratory-brain coupling as a gradient of predictive oscillations. Neuroscience & Biobehavioral Reviews, 152, 105262.
  Brændholt, Malthe; Kluger, Daniel S.; Varga, Somogy; Heck, Detlef H.; Gross, Joachim & Allen, Micah G.
  
• Get the gist of the story: Neural map of topic keywords in multi-speaker environment. eLife Sciences Publications, Ltd.
  Park, Hyojin & Gross, Joachim
  
• Modulatory dynamics of periodic and aperiodic activity in respiration-brain coupling. Nature Communications, 14(1).
  Kluger, Daniel S.; Forster, Carina; Abbasi, Omid; Chalas, Nikos; Villringer, Arno & Gross, Joachim
  
• Predictive coordination of breathing during intra-personal speaking and listening. iScience, 26(8), 107281.
  Abbasi, Omid; Kluger, Daniel S.; Chalas, Nikos; Steingräber, Nadine; Meyer, Lars & Gross, Joachim
  
• Spatiotemporal dynamics characterise spectral connectivity profiles of continuous speaking and listening. PLOS Biology, 21(7), e3002178.
  Abbasi, Omid; Steingräber, Nadine; Chalas, Nikos; Kluger, Daniel S. & Gross, Joachim
  
• Speech onsets and sustained speech contribute differentially to delta and theta speech tracking in auditory cortex. Cerebral Cortex, 33(10), 6273-6281.
  Chalas, Nikos; Daube, Christoph; Kluger, Daniel S.; Abbasi, Omid; Nitsch, Robert & Gross, Joachim
  
• Dissociating prosodic from syntactic delta activity during natural speech comprehension. Current Biology, 34(15), 3537-3549.e5.
  Chalas, Nikos; Meyer, Lars; Lo, Chia-Wen; Park, Hyojin; Kluger, Daniel S.; Abbasi, Omid; Kayser, Christoph; Nitsch, Robert & Gross, Joachim
  
• Entrainment echoes in the cerebellum. Proceedings of the National Academy of Sciences, 121(34).
  Zoefel, Benedikt; Abbasi, Omid; Gross, Joachim & Kotz, Sonja A.
  
• Frequency-specific cortico-subcortical interaction in continuous speaking and listening. eLife Sciences Publications, Ltd.
  Abbasi, Omid; Steingräber, Nadine; Chalas, Nikos; Kluger, Daniel S. & Gross, Joachim