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.

Adults can learn to identify nonnative speech sounds with training, albeit with substantial variability in learning behavior. Increases in behavioral accuracy are associated with increased separability for sound representations in cortical speech areas. However, it remains unclear whether individual auditory neural populations all show the same types of changes with learning, or whether there are heterogeneous encoding patterns. Here, we used high-resolution direct neural recordings to examine local population response patterns, while native English listeners learned to recognize unfamiliar vocal pitch patterns in Mandarin Chinese tones. We found a distributed set of neural populations in bilateral superior temporal gyrus and ventrolateral frontal cortex, where the encoding of Mandarin tones changed throughout training as a function of trial-by-trial accuracy ("learning effect"), including both increases and decreases in the separability of tones. These populations were distinct from populations that showed changes as a function of exposure to the stimuli regardless of trial-by-trial accuracy. These learning effects were driven in part by more variable neural responses to repeated presentations of acoustically identical stimuli. Finally, learning effects could be predicted from speech-evoked activity even before training, suggesting that intrinsic properties of these populations make them amenable to behavior-related changes. Together, these results demonstrate that nonnative speech sound learning involves a wide array of changes in neural representations across a distributed set of brain regions.

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.

Under the predictive coding hypothesis, specific spatiotemporal patterns of cortical activation are postulated to occur during sensory processing as expectations generate feedback predictions and prediction errors generate feedforward signals. Establishing experimental evidence for this information flow within cortical hierarchy has been difficult, especially in humans, due to spatial and temporal limitations of non-invasive measures of cortical activity. This study investigated cortical responses to auditory novelty using the local/global deviant paradigm, which engages the hierarchical network underlying auditory predictive coding over short ('local deviance'; LD) and long ('global deviance'; GD) time scales. Electrocorticographic responses to auditory stimuli were obtained in neurosurgical patients from regions of interest (ROIs) including auditory, auditory-related and prefrontal cortex. LD and GD effects were assayed in averaged evoked potential (AEP) and high gamma (70-150 Hz) signals, the former likely dominated by local synaptic currents and the latter largely reflecting local spiking activity. AEP LD effects were distributed across all ROIs, with greatest percentage of significant sites in core and non-core auditory cortex. High gamma LD effects were localized primarily to auditory cortex in the superior temporal plane and on the lateral surface of the superior temporal gyrus (STG). LD effects exhibited progressively longer latencies in core, non-core, auditory-related and prefrontal cortices, consistent with feedforward signaling. The spatial distribution of AEP GD effects overlapped that of LD effects, but high gamma GD effects were more restricted to non-core areas. High gamma GD effects had shortest latencies in STG and preceded AEP GD effects in most ROIs. This latency profile, along with the paucity of high gamma GD effects in the superior temporal plane, suggest that the STG plays a prominent role in initiating novelty detection signals over long time scales. Thus, the data demonstrate distinct patterns of information flow in human cortex associated with auditory novelty detection over multiple time scales.

The functional organization of human auditory cortex can be probed by characterizing responses to various classes of sound at different anatomical locations. Along with histological studies this approach has revealed a primary field in posteromedial Heschl’s gyrus (HG) with pronounced induced high-frequency (70-150 Hz) activity and short-latency responses that phase-lock to rapid transient sounds. Low-frequency neural oscillations are also relevant to stimulus processing and information flow, however their distribution within auditory cortex has not been established. Alpha activity (7-14 Hz) in particular has been associated with processes that may differentially engage earlier versus later levels of the cortical hierarchy, including functional inhibition and the communication of sensory predictions. These theories derive largely from the study of occipitoparietal sources readily detectable in scalp electroencephalography. To characterize the anatomical basis and functional significance of less accessible temporal-lobe alpha activity we analyzed responses to sentences in seven human adults (four female) with epilepsy who had been implanted with electrodes in superior temporal cortex. In contrast to primary cortex in posteromedial HG, a non-primary field in anterolateral HG was characterized by high spontaneous alpha activity that was strongly suppressed during auditory stimulation. Alpha-power suppression decreased with distance from anterolateral HG throughout superior temporal cortex, and was more pronounced for clear compared to degraded speech. This suppression could not be accounted for solely by a change in the slope of the power spectrum. The differential manifestation and stimulus-sensitivity of alpha oscillations across auditory fields should be accounted for in theories of their generation and function.Significance Statement To understand how auditory cortex is organized in support of perception, we recorded from patients implanted with electrodes for clinical reasons. This allowed measurement of activity in brain regions at different levels of sensory processing. Oscillations in the alpha range (7-14 Hz) have been associated with functions including sensory prediction and inhibition of regions handling irrelevant information, but their distribution within auditory cortex is not known. A key finding was that these oscillations dominated in one particular non-primary field, anterolateral Heschl’s gyrus, and were suppressed when subjects listened to sentences. These results build on our knowledge of the functional organization of auditory cortex and provide anatomical constraints on theories of the generation and function of alpha oscillations.