ABSTRACT Cognitive pathways supporting human language and declarative memory are thought to have uniquely evolutionarily differentiated in our species. However, cross-species comparisons are missing on site-specific effective connectivity between regions important for cognition. We harnessed a new approach using functional imaging to visualize the impact of direct electrical brain stimulation in human neurosurgery patients. Applying the same approach with macaque monkeys, we found remarkably comparable patterns of effective connectivity between auditory cortex and ventro-lateral prefrontal cortex (vlPFC) and parahippocampal cortex in both species. Moreover, in humans electrical tractography revealed rapid evoked potentials in vlPFC from stimulating auditory cortex and speech sounds drove vlPFC, consistent with prior evidence in monkeys of direct projections from auditory cortex to vocalization responsive regions in vlPFC. The results identify a common effective connectivity signature that from auditory cortex is equally direct to vlPFC and indirect to the hippocampus (via parahippocampal cortex) in human and nonhuman primates. Highlights Privileged human auditory to inferior frontal connectivity, linked to monkeys Common auditory to parahippocampal effective connectivity in both species Greater lateralization in human effective connectivity, more symmetrical in monkeys Human fronto-temporal network function rooted in evolutionarily conserved signature eTOC short summary Functional connectivity between regions crucial for language and declarative memory is thought to have substantially differentiated in humans. Using a new technique to similarly visualize directional effective connectivity in humans and monkeys, we found remarkably comparable connectivity patterns in both species between fronto-temporal regions crucial for cognition.

SUMMARY The human brain extracts meaning from the world using an extensive neural system for semantic knowledge. Whether such broadly distributed systems 1–3 crucially depend on or can compensate for the loss of one of their highly interconnected hubs 4–6 is controversial 4 . The strongest level of causal evidence for the role of a brain hub is to evaluate its acute network-level impact following disconnection and any rapid functional compensation that ensues. We report rare neurophysiological data from two patients who underwent awake intracranial recordings during a speech prediction task immediately before and after neurosurgical treatment that required disconnection of the left anterior temporal lobe (ATL), a crucial hub for semantic knowledge 4–6 . Informed by a predictive coding framework, we tested three sets of hypotheses including diaschisis causing disruption in interconnected sites 7 and incomplete or complete compensation by other language-critical and speech processing sites 8–10 . Immediately after ATL disconnection, we observed highly specific neurophysiological alterations in the recorded fronto-temporal network, including abnormally magnified high gamma responses to the speech sounds in auditory cortex. We also observed evidence for rapid compensation, seen as focal increases in effective connectivity involving language-critical sites in the inferior frontal gyrus and speech processing sites in auditory cortex. However, compensation was incomplete, in part because after ATL disconnection speech prediction signals were depleted in auditory cortex. This study provides direct causal evidence for a semantic hub in the human brain and shows striking neural impact and a rapid attempt at compensation in a neural network after the loss of one of its hubs.

Speech motor control requires integration of sensory and motor information. Bidirectional communication between frontal and auditory cortices is crucial for speech production, self-monitoring and motor control. We used cortical direct electrical stimulation (DES) to functionally dissect audio-motor interactions underlying speech production and motor control. Eleven neurosurgical patients performed a visually cued vocal task in which a short auditory feedback perturbation was introduced during vocalization. We evaluated the effect of DES on vocal initiation, voice fundamental frequency (F0) and feedback-dependent motor control. DES of frontal sites modulated vocal onset latencies. Stimulation of different inferior frontal gyrus sites elicited either shortening or prolongation of vocal latencies. DES distinctly modulated voice F0 at different vocalization stages. Frontal and temporal areas played an important role in setting voice F0 in the first 250 ms of an utterance, while Heschls gyrus was involved later when auditory input is available for self-monitoring. Vocal responses to pitch-shifted auditory feedback were mostly reduced by DES of non-core auditory cortices. Overall, we demonstrate that vocal planning and initiation are driven by frontal cortices, while feedback-dependent control relies predominantly on non-core auditory cortices. Our findings represent direct evidence of the role played by different auditory and frontal regions in vocal motor control.

Activity-induced gene expression underlies synaptic plasticity and brain function. Here, using molecular sequencing techniques, we define activity-dependent transcriptomic and epigenomic changes at the tissue and single-cell level in the human brain following direct electrical stimulation of the anterior temporal lobe in patients undergoing neurosurgery. Genes related to transcriptional regulation and microglia-specific cytokine activity displayed the greatest induction pattern, revealing a precise molecular signature of neuronal activation in the human brain.