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.

Abstract The perception of pitch requires the abstraction of stimulus properties related to the spectrotemporal structure of sound. Previous studies utilizing both animal electrophysiology and human imaging have indicated the presence of a center for pitch representation in the auditory cortex. Recent data from our own group - examining local field potentials (LFPs) in humans - indicate more widely distributed pitch-associated responses within the auditory cortex (Gander et al., 2019). To probe this with greater spatial resolution, we examined multi-unit activity related to three different auditory stimuli, in seven epilepsy patients who were implanted with high-impedance electrodes in auditory cortex for the clinical purpose of localizing seizures. The stimuli were regular-interval noise (RIN) with a pitch strength that is related to the temporal regularity, and pitch value determined by repetition rate, and harmonic complexes with missing fundamentals. We demonstrated increases in spiking activity in 69 of 104 (66%) responsive multiunit activity in auditory cortex due to pitch-associated stimuli. Importantly, these responses were distributed across the entire extent of Heschl’s gyrus (HG), in both primary and non-primary areas, rather than isolated to a specific region, and this finding was evident regardless of the stimulus presented. These findings are the first multi-unit pitch responses recorded from humans, and align with a recent study in macaques (Kikuchi et al., 2019) demonstrating that both local field potential and unit responses to pitch-inducing stimuli are distributed throughout auditory cortex. Significance Statement The perception of pitch is a fundamental acoustic attribute that is mediated by the auditory system. Despite its importance, there is still debate as to the precise areas responsible for its encoding, which may be due to differences in the recording measures and choices of stimuli used in previous studies. Here, we present the first study to measure multi-unit pitch responses in the auditory cortices of intracranially-implanted humans. Importantly, we demonstrate reliable responses to three different pitch-inducing paradigms that are distributed throughout Heschl’s gyrus, rather than being localized to a particular region. These data provide a bridge across animal and human studies, and aid in our understanding of the processing of a critical attribute of acoustic stimuli.

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.

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.