Auditory attention to speech during continuous linguistic tasks: an eeg study

Oliveira, Alexandre José Duarte Amador

http://hdl.handle.net/10400.1/20567

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Authors

Oliveira, Alexandre José Duarte Amador

Advisor(s)

Correia, João

Abstract(s)

A aquisição da linguagem é um fenómeno inato, universal e que representa uma das tarefas mais importantes do desenvolvimento humano. O córtex auditivo, por sua vez, desempenha um papel fundamental para a aquisição e desenvolvimento da linguagem durante a infância, papel este que se estende até à idade adulta, onde se constitui como elemento central na rede de processamento linguístico. Vários estudos têm demonstrado que, durante tarefas contínuas de perceção de linguagem, as oscilações neuronais geradas no córtex auditivo, têm a capacidade de captar e sincronizar-se com estímulos auditivos externos, fenómeno este denominado “Cortical Entrainment”. Este fenómeno está intimamente relacionado com o processamento contínuo da fala, ao ser responsável por facilitar a sua perceção e compreensão, especialmente durante condições mais ecológicas, que compreendam o processamento de estímulos contínuos. Dado que o processamento da linguagem, no quotidiano, ocorre de forma contínua, estudos de Eletroencefalograma (EEG) mais recentes, têm vindo a utilizar medidas de Cortical Entrainment para complementar estudos prévios, cujo foco recaía sobre a análise de estímulos linguísticos discretos (e.g. sílabas, palavras ou frases), através do estudo de potenciais evocados ou ERPs. Igualmente importante, a utilização de uma análise lag-based, caracterizada pela aplicação de diferentes períodos de assincronia entre a atividade cortical registada no EEG e o sinal da fala, permite identificar intervalos de tempo onde a sincronização entre os sinais é mais expressiva. Para além de estar envolvido de forma evidente no processamento contínuo da fala, ao nível da perceção e compreensão do discurso, é possível que o Cortical Entrainment possa estar também relacionado com outro tipo de tarefas linguísticas (e.g. produção de fala, leitura, memória ou pensamento). Este envolvimento pode ocorrer mesmo na ausência de um estímulo auditivo externo explícito. Dado que, medir Cortical Entrainment através do EEG é impossível durante determinadas tarefas linguísticas, devido quer à inviabilidade do sinal ou à ausência de um estímulo auditivo externo (e.g. produção de fala e leitura em voz baixa, respetivamente), é do nosso interesse estudar processos semelhantes ao Cortical Entrainment durante tarefas contínuas, para além da perceção de discurso. Desta forma, no presente estudo, testamos o potencial que um paradigma de “dual-task interference” com estímulos auditivos concorrentes (bipes) tem, de manipular e aceder indiretamente ao processamento auditivo durante tarefas linguísticas contínuas. Neste estudo de EEG, 18 participantes portugueses, com idades compreendidas entre os 19 e os 34 anos e sem quaisquer dificuldades auditivas documentadas, realizaram uma sessão experimental composta por quatro tarefas linguísticas contínuas (i.e., perceção de discurso; leitura silenciosa, leitura em voz alta e visualização de um vídeo sem som). Cada tarefa teve a duração de 5 minutos e foi realizada duas vezes, de forma aleatória, contabilizando um total de 1 hora de sessão. As tarefas de perceção de discurso e de leitura em voz alta incluíam duas versões distintas: com e sem a apresentação de estímulos auditivos concorrentes (i.e., bipes com frequências de 400 e 800 Hz e duração de 50 ms). A apresentação simultânea e aleatória dos bipes permitiu implementar o conceito de dual-task interference, de modo a inferir a participação do córtex auditivo noutros contextos linguísticos, mesmo na ausência de estimulação auditiva explícita (e.g. durante a leitura silenciosa). Adicionalmente, os bipes foram apresentados aos pares, separados por um intervalo de 1s, com o intuito de, não só aumentar a carga atencional necessária para a realização das tarefas, mas também de criar um efeito de expectativa que pudesse ser relacionado com o tipo de tarefa realizada. Métricas relativas aos ERPs em resposta aos bipes, conjuntamente com medidas de Cortical Entrainment foram obtidas, de forma a estudar as potenciais relações entre as condições. Como hipótese, propusemos a existência de uma relação entre os ERPs e o Cortical Entrainment. De acordo com a literatura acerca dos paradigmas de dual-task interference, seria altamente expectável que ocorresse uma redução da amplitude dos ERPs em resposta a estímulos auditivos concorrentes, dada a elevada quantidade de recursos atencionais requisitados durante tarefas de perceção da fala. Relativamente aos resultados, os estímulos auditivos concorrentes (i.e., bipes) geraram ERPs relativamente substanciais. Foi encontrada uma diferença significativa na amplitude do componente P200 (relativo ao primeiro bipe) entre as condições de perceção de discurso e de leitura em voz alta, sendo maior na segunda. Durante a condição de leitura silenciosa, ainda que os estímulos auditivos tenham gerados ERPs mensuráveis, não foram encontradas quaisquer diferenças comparativamente à tarefa de visualização de um filme. Verificou-se ainda a tendência à atenuação do processamento do segundo bipe em relação ao primeiro (nomeadamente do componente P200 relativamente ao N100), refletindo um processo característico de adaptação neuronal. Durante a condição de perceção do discurso, não se verificou adaptação para o componente N100 do primeiro bipe. Quando comparados os valores de adaptação neuronal entre condições, foi encontrada uma diferença significativa entre a condição de perceção do discurso e leitura em voz alta, relativamente ao componente P200. No que concerne aos resultados obtidos acerca do Cortical Entrainment, foram obtidas correlações significativas entre o envelope estimado e o envelope real da fala, para as duas condições de perceção do discurso. Ainda que não seja significativa, verificou-se uma diminuição do Cortical Entrainment para a condição em que são apresentados simultaneamente bipes, sugerindo um efeito negativo da estimulação auditiva concorrente. Os resultados da análise lag-based mostraram que os picos de sincronização entre o envelope da fala e a atividade cortical ocorrem aproximadamente aos 160 ms, para ambas as condições. A posterior análise da relação entre a amplitude dos componentes dos ERPs e o Cortical Entrainment revelou uma correlação negativa entre este e o componente P200 (relativo ao primeiro bipe). Com exceção do componente N100 do primeiro bipe, os restantes mostraram a mesma tendência, apesar de não significativa. O Cortical Entrainment, também medido durante a leitura em voz alta, apesar de apresentar um valor significativo de sincronização, não foi considerado viável devido aos artefactos contidos no sinal, gerados pelos músculos envolvidos na produção de fala. Para contornar esta limitação, o modelo de entrainment gerado durante a condição de perceção da fala foi generalizado para a condição de produção. Os resultados desta generalização mostraram uma capacidade preditiva significativa do modelo. Os nossos resultados foram capazes de replicar o fenómeno de Cortical Entrainment evidenciado na literatura durante tarefas de perceção da fala. Este aspeto tem o potencial de direcionar novos estudos no nosso laboratório acerca do processamento da linguagem durante condições contínuas e ecológicas. Relativamente à produção de fala, encontramos resultados bastante interessantes. Ao utilizar uma estratégia de generalização, conseguimos encontrar um entrainment significativo com o envelope da fala, contornando assim as dificuldades inerentes ao estudo da produção da linguagem, (i.e., artefactos relacionados com movimentos dos músculos articulatórios da fala). Este resultado sugere a possibilidade do envolvimento de processos cognitivos semelhantes durante as diferentes tarefas. Ainda que os estímulos auditivos concorrentes tenham sido capazes de gerar ERPs significativos, não foram observadas diferenças entre a condição de visualização de vídeo. Isto sugere que, ou o envolvimento do córtex auditivo durante a leitura silenciosa não é tão evidente quanto o esperado, ou a condição de visualização do vídeo requere níveis semelhantes de processamento auditivo. Estes resultados abrem horizontes a futuras investigações para melhor estudar e compreender o papel da rede de processamento auditivo na linguagem, bem como ao desenvolvimento de novos paradigmas de reabilitação envolvendo sistemas de neurofeedback

From development to everyday life, the auditory cortex proves to be central for language. It is suggested that during continuous speech perception, the auditory cortex tracks the natural rhythm of incoming speech, a process referred to as cortical entrainment. Cortical entrainment facilitates speech perception and comprehension, especially under ecological conditions of continuous stimuli processing. Beyond the known involvement of the auditory cortex in speech perception and comprehension, cortical entrainment may also be relevant for other linguistic tasks, including speech production, reading, memory or thinking, even in the absence of a physical external speech stimulus. Interested in measuring entertainment-like processes beyond speech perception, we tested the potential of a dual-task interference paradigm using auditory stimuli, to indirectly probe the auditory cortex during other linguistic tasks where entrainment measurement is impossible (i.e., speech production and reading). In our EEG experiment, electrical activity from eighteen normal-hearing adults was recorded during the performance of four different continuous linguistic tasks (i.e., speech perception, covert-reading, overt-reading, and watching a silent movie). Measures of cortical entrainment and ERPs to auditory probe tones were obtained to study potential relationships between conditions. Our results showed i) reduced ERPs during high auditory load tasks (i.e., speech perception and production); ii) a negative correlation between ERPs and cortical entrainment in speech perception; iii) successful generalization of a speech perception entrainment model to predict overt-speech production. Our results shed lights on further investigations for better studying and understanding the role of the auditory network for language.