Abstract Language and music are two human-unique capacities whose relationship remains debated. Some have argued for overlap in processing mechanisms, especially for structure processing. Such claims often concern the inferior frontal component of the language system located within ‘Broca’s area’. However, others have failed to find overlap. Using a robust individual-subject fMRI approach, we examined the responses of language brain regions to music stimuli, and probed the musical abilities of individuals with severe aphasia. Across four experiments, we obtained a clear answer: music perception does not engage the language system, and judgments about music structure are possible even in the presence of severe damage to the language network. In particular, the language regions’ responses to music are generally low, often below the fixation baseline, and never exceed responses elicited by non-music auditory conditions, like animal sounds. Further, the language regions are not sensitive to music structure: they show low responses to intact and structure-scrambled music, and to melodies with vs. without structural violations. Finally, in line with past patient investigations, individuals with aphasia who cannot judge sentence grammaticality perform well on melody well-formedness judgments. Thus the mechanisms that process structure in language do not appear to process music, including music syntax.

ABSTRACT A network of left frontal and temporal brain regions supports ‘high-level’ language processing— including the processing of word meanings, as well as word-combinatorial processing—across presentation modalities. This ‘core’ language network has been argued to store our knowledge of words and constructions as well as constraints on how those combine to form sentences. However, our linguistic knowledge additionally includes information about sounds (phonemes) and how they combine to form clusters, syllables, and words. Is this knowledge of phoneme combinatorics also represented in these language regions? Across five fMRI experiments, we investigated the sensitivity of high-level language processing brain regions to sub-lexical linguistic sound patterns by examining responses to diverse nonwords—sequences of sounds/letters that do not constitute real words (e.g., punes, silory, flope). We establish robust responses in the language network to visually (Experiment 1a, n=605) and auditorily (Experiments 1b, n=12, and 1c, n=13) presented nonwords relative to baseline. In Experiment 2 (n=16), we find stronger responses to nonwords that obey the phoneme-combinatorial constraints of English. Finally, in Experiment 3 (n=14) and a post-hoc analysis of Experiment 2, we provide suggestive evidence that the responses in Experiments 1 and 2 are not due to the activation of real words that share some phonology with the nonwords. The results suggest that knowledge of phoneme combinatorics and representations of sub-lexical linguistic sound patterns are stored within the same fronto-temporal network that stores higher-level linguistic knowledge and supports word and sentence comprehension.

Abstract Language comprehension is fast and seemingly effortless. However, in spite of long knowing what brain regions enable this feat, our knowledge of the precise neural computations that these frontal and temporal regions implement remains limited. One highly controversial question is whether functional differences exist among the neural populations that comprise the language network. Leveraging the high spatiotemporal resolution of intracranial recordings, we clustered the timecourses of responses to sentences and linguistically degraded conditions and discovered three response profiles that robustly differ in their temporal dynamics. These profiles appear to reflect different temporal receptive windows (TRWs), with average TRWs of about 1, 4, and 6 words, as estimated with a simple one-parameter model. Neural populations exhibiting these profiles are interleaved across the language network, which suggests that all language regions have direct access to distinct, multi-scale representations of linguistic input—a property that may be critical for the efficiency and robustness of language processing.

Human cortical responses to natural sounds, measured with fMRI, can be approximated as the weighted sum of a small number of canonical response patterns (components), each having interpretable functional and anatomical properties. Here, we asked whether this organization is preserved in cases where only one temporal lobe is available due to early brain damage by investigating a unique family: one sibling born without a left temporal lobe, another without a right temporal lobe, and a third anatomically neurotypical. We analyzed fMRI responses to diverse natural sounds within the intact hemispheres of these individuals and compared them to 12 neurotypical participants. All siblings manifested the neurotypical auditory responses in their intact hemispheres. These results suggest that the development of the auditory cortex in each hemisphere does not depend on the existence of the other hemisphere, highlighting the redundancy and equipotentiality of the bilateral auditory system.

Much of what is known about the timing of visual processing in the brain is inferred from intracranial studies in monkeys, with human data limited to mainly non-invasive methods with lower spatial resolution. Here, we estimated visual onset latencies from electrocorticographic (ECoG) recordings in a patient who was implanted with 112 sub-dural electrodes, distributed across the posterior cortex of the right hemisphere, for pre-surgical evaluation of intractable epilepsy. Functional MRI prior to surgery was used to determine boundaries of visual areas. The patient was presented with images of objects from several categories. Event Related Potentials (ERPs) were calculated across all categories excluding targets, and statistically reliable onset latencies were determined using a bootstrapping procedure over the single trial baseline activity in individual electrodes. The distribution of onset latencies broadly reflected the known hierarchy of visual areas, with the earliest cortical responses in primary visual cortex, and higher areas showing later responses. A clear exception to this pattern was robust, statistically reliable and spatially localized, very early responses on the bank of the posterior intra-parietal sulcus (IPS). The response in the IPS started nearly simultaneously with responses detected in peristriate visual areas, around 60 milliseconds post-stimulus onset. Our results support the notion of early visual processing in the posterior parietal lobe, not respecting traditional hierarchies, and give direct evidence for the upper limit of onset times of visual responses across the human cortex.