Visuaalisen puheärsykkeen ja koehenkilön äänettömästi mielessään muodostaman vokaalin aiheuttama kuuloaivokuoren aktivaation muutos: fMRI-tutkimus

Information from different senses is integrated in the human brain. The purpose of this study was to examine how the activation in the human auditory cortex changes during audio-visual stimulus. Visual speech and nonlinguistic auditory stimuli were presented simultaneously and activation in auditory cortex was measured using functional magnetic resonance imaging (fMRI). The effect of soundless vowel production in mind was studied as well. In the experiment, two nonlinguistic auditory stimuli were presented at the middle frequencies 250 Hz (low) and 2 000 Hz (high). Duration of the tone was 100 ms and stimuli were repeated every 500 ms in 30-s periods. Low and high frequency tones and silent period were presented in random order. Visual stimuli were videos, 10 minutes in length. In the first video a woman was articulating silently four Finnish language vowels (/a/, /i/, /o/, /y/). In the second, control experiment, there was a still face image of the same woman and moving circles (directions vertical, horizontal, right, left) were superimposed on the mouth region. The third visual stimulus was a still face image and during the condition subject was instructed to soundlessly produce vowels in mind. The results show that lip-reading activated auditory cortex more than control stimuli (moving circles), especially at lower frequencies (250 Hz). Activation was seen in both hemispheres. Furthermore, our results suggest greater activation during control experiment than during lip-reading at higher frequencies (2 000 Hz). During soundless vowel production there was no meaningful activation at either of the frequencies. Our results are consistent with previous findings that there are multiple frequency-dependent (i.e. tonotopically organized) areas in the human auditory cortex. Activation was stronger in the left than in the right hemisphere. Further experiments at different frequency ranges should he carried out to examine tonotopical organization more precise. In the future, higher magnetic field fMRI scanners and combining several experimental study techniques to same investigation might reveal much more about tonotopic organization of the auditory cortex and activation areas during various audio-visual stimuli.Aivot yhdistävät eri aisteilta tulevaa informaatiota kaikessa havainnoinnissa. Tässä tutkimuksessa mitattiin toiminnallisella magneettikuvauksella (fMRI) kuuloaivokuoren aktivaation muutosta audiovisuaalisten ärsykkeiden aikana. Kokeessa yhdistettiin visuaalinen puheärsyke ja ei-kielellinen kuuloärsyke ja tutkittiin, kuinka aktivaation paikka muuttui eri tilanteissa. Myös koehenkilöiden itse mielessä tuottamien vokaaliäänteiden vaikutusta kuuloaivokuoren aktivaatioon pyrittiin selvittämään. Tutkimuksen ei-kielellisenä kuuloärsykkeenä oli kahdella eri keskitaajuudella (250 Hz ja 2 000 Hz) esitetyt 100 ms mittaiset äänipurskeet. Ärsykkeitä esitettiin 500 ms välein puolen minuutin jaksoissa. Matalat äänet ja korkeat äänet sekä äänetön osio vaihtelivat satunnaisesti koesarjojen aikana. Visuaalisena ärsykkeenä toimi koehenkilölle näytetty kymmenen minuutin pituinen videoleike. Ensimmäisessä videossa naishenkilö artikuloi äänettömästi satunnaisessa järjestyksessä neljää suomen kielen vokaalia (/a/, /i/, /o/, /y/). Toisessa saman naisen liikkumattoman kasvokuvan suualueella esitettiin neljään eri suuntaan muodostuvaa ja katoavaa sinistä ovaalikuviota, joiden suunnat olivat pystysuora, vaakasuora, oikea vino ja vasen vino. Ajallisesti ja muodollisesti ovaalikuvion tavoitteena oli matkia suun liikkeitä ja tehtävän tarkoitus oli toimia kontrollitilanteena. Kolmannessa koehenkilön tuli katsoa edelleen saman naishenkilön liikkumatonta kasvokuvaa ja samalla lausua mielessään suomen kielen vokaaleja. Tulokset osoittivat, että matalien äänien (250 Hz) aikana huuliltaluku sai aikaan neuronaalisen aktivaation lisääntymistä verrattuna kontrollitilanteeseen. Tämä oli havaittavissa sekä vasemmalla että oikealla hemisfäärillä. Korkeilla äänillä (2 000 Hz) huuliltaluvulla ei ollut aktivaatiota lisäävää vaikutusta vaan kuuloalueiden aktivaatiot olivat suurimmat ovaalitehtävän aikana. Itsetuotettujen vokaalien vaikutuksesta aktivaation muutokseen ei näiden tulosten perusteella voitu juurikaan tehdä päätelmiä, koska aktivaatiotasot jäivät varsin alhaisiksi. Tämän tutkimuksen tulokset vahvistavat myös käsitystä siitä, että kuuloaivokuorelta löytyy useita tonotooppisesti eli taajuuden mukaan järjestäytyneitä alueita. Matalat 250 Hz taajuudella esitetyt ääniärsykkeet ja korkeammat 2 000 Hz äänet aktivoivat monissa kohdissa kuuloaivokuorta erityisesti vasemmalla aivopuoliskolla. Tonotooppisten alueiden tarkempi selvittely vaatii kuitenkin lisätutkimuksia, mieluiten käyttämällä useita eri äänitaajuuksia. Tulevaisuudessa myös magneettikuvauslaitteiden kehittyminen ja eri mittaustekniikoilla tehtyjen tutkimuksien yhdistäminen paljastanevat lisää sekä kuuloaivokuoren tonotopiasta että aivoalueiden aktivaatioista erilaisten audiovisuaalisten ärsykkeiden aikana