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 In our everyday lives, we are often required to follow a conversation when background noise is present (“speech-in-noise” perception). Speech-in-noise perception varies widely—and people who are worse at speech-in-noise perception are also worse at fundamental auditory grouping, as assessed by figure-ground tasks. Here, we examined the cortical processes that link difficulties with speech-in-noise perception to difficulties with figure-ground perception using functional magnetic resonance imaging (fMRI). We found strong evidence that the earliest stages of the auditory cortical hierarchy (left core and belt areas) are similarly disinhibited when speech-in-noise and figure-ground tasks are more difficult (i.e., at target-to-masker ratios corresponding to 60% than 90% thresholds)—consistent with increased cortical gain at lower levels of the auditory hierarchy. Overall, our results reveal a common neural substrate for these basic (figure-ground) and naturally relevant (speech-in-noise) tasks—which provides a common computational basis for the link between speech-in-noise perception and fundamental auditory grouping.

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.

Abstract Understanding speech in noise (SiN) is a complex task that recruits multiple cortical subsystems. There is a variance in individuals’ ability to understand SiN that cannot be explained by simple hearing profiles, which suggests that central factors may underlie the variance in SiN ability. Here, we elucidated a few cortical functions involved during a SiN task and their contributions to individual variance using both within- and across-subject approaches. Through our within-subject analysis of source-localized electroencephalography, we investigated how acoustic signal-to-noise ratio (SNR) alters cortical evoked responses to a target word across the speech recognition areas, finding stronger responses in left supramarginal gyrus (SMG, BA40 the dorsal lexicon area) with quieter noise. Through an individual differences approach, we found that listeners show different neural sensitivity to the background noise and target speech, reflected in the amplitude ratio of earlier auditory-cortical responses to speech and noise, named as an internal SNR . Listeners with better internal SNR showed better SiN performance. Further, we found that the post-speech time SMG activity explains a further amount of variance in SiN performance that is not accounted for by internal SNR . This result demonstrates that at least two cortical processes contribute to SiN performance independently: pre-target time processing to attenuate neural representation of background noise and post-target time processing to extract information from speech sounds.

Abstract This work examines how sounds are held in auditory working memory (AWM) in humans by examining oscillatory local field potentials (LFPs) in candidate brain regions. Previous fMRI studies by our group demonstrated blood oxygenation level-dependent (BOLD) response increases during maintenance in auditory cortex, inferior frontal cortex and the hippocampus using a paradigm with a delay period greater than 10s. The relationship between such BOLD changes and ensemble activity in different frequency bands is complex, and the long delay period raised the possibility that long-term memory mechanisms were engaged. Here we assessed LFPs in different frequency bands in six subjects with recordings from all candidate brain regions using a paradigm with a short delay period of 3 s. Sustained delay activity was demonstrated in all areas, with different patterns in the different areas. Enhancement in low frequency (delta) power and suppression across higher frequencies (beta/gamma) were demonstrated in primary auditory cortex in medial Heschl’s gyrus (HG) whilst non-primary cortex showed patterns of enhancement and suppression that altered at different levels of the auditory hierarchy from lateral HG to superior- and middle-temporal gyrus. Inferior frontal cortex showed increasing suppression with increasing frequency. The hippocampus and parahippocampal gyrus showed low frequency increases and high frequency decreases in oscillatory activity. The work demonstrates sustained activity patterns that can only be explained by AWM maintenance, with prominent low-frequency increases in medial temporal lobe regions.

Speech-in-noise (SiN) perception is a critical aspect of natural listening, deficits in which are a major contributor to the hearing handicap in cochlear hearing loss. Studies suggest that SiN perception correlates with cognitive skills, particularly phonological working memory: the ability to hold and manipulate phonemes or words in mind. We consider here the idea that SiN perception is linked to a more general ability to hold sound objects in mind, auditory working memory, irrespective of whether the objects are speech sounds. This process might help combine foreground elements, like speech, over seconds to aid their separation from the background of an auditory scene. We investigated the relationship between auditory working memory precision and SiN thresholds in listeners with normal hearing. We used a novel paradigm that tests auditory working memory for non-speech sounds that vary in frequency and amplitude modulation (AM) rate. The paradigm yields measures of precision in frequency and AM domains, based on the distribution estimates of the target. Across participants, frequency precision, but not AM precision, correlated significantly with SiN thresholds. Frequency precision also correlated with number of years of musical training. Measures of phonological working memory did not correlate with SiN detection ability. Our results demonstrate a specific relationship between working memory for frequency and SiN. We suggest that working memory for frequency facilitates the identification and tracking of foreground objects like speech during natural listening. Working memory performance for frequency also correlated with years of musical instrument experience suggesting that the former is potentially modifiable.

Abstract Objectives Understanding speech in noise (SiN) is a complex task that recruits multiple cortical subsystems. Individuals vary in their ability to understand SiN. This cannot be explained by simple peripheral hearing profiles, but recent work by our group (Kim et al., 2021, Neuroimage) highlighted central neural factors underlying the variance in SiN ability in normal hearing (NH) subjects. The current study examined neural predictors of speech-in-noise ability in a large cohort of cochlear-implant (CI) users, with the long-term goal of developing a simple electrophysiological correlate that could be implemented in clinics. Design We recorded electroencephalography (EEG) in 114 post-lingually deafened CI users while they completed the California Consonant Test (CCT): a word-in-noise task. In many subjects, data were also collected on two other commonly used clinical measures of speech perception: a word-in-quiet task (Consonant-Nucleus-Consonant [CNC]) word and a sentence-in-noise task (AzBio sentences). Neural activity was assessed at a single vertex electrode (Cz), to maximize generalizability to clinical situations. The N1-P2 complex of event-related potentials (ERPs) at this location were included in multiple linear regression analyses, along with several other demographic and hearing factors as predictors of speech in noise performance. Results In general, there was a good agreement between the scores on the three speech perception tasks. ERP amplitudes did not predict AzBio performance which was predicted by the duration of device use, low-frequency hearing thresholds, and age. However, ERP amplitudes were strong predictors for performance for both word recognition tasks: the CCT (which was conducted simultaneously with EEG recording), and the CNC (conducted offline). These correlations held even after accounting for known predictors of performance including residual low-frequency hearing thresholds. In CI-users, better performance was predicted by an increased cortical response to the target word, in contrast to previous reports in normal-hearing subjects in whom speech perception ability was accounted for by the ability to suppress noise. Conclusions These data indicate a neurophysiological correlate of speech-in-noise performance that can be relatively easily captured within the clinic, thereby revealing a richer profile of an individual’s hearing performance than shown by psychoacoustic measures alone. These results also highlight important differences between sentence and word recognition measures of performance and suggest that individual differences in these measures may be underwritten by different mechanisms. Finally, the contrast with prior reports of NH listeners in the same task suggests CI-users performance may be explained by a different weighting of neural processes than NH listeners.

Understanding speech when background noise is present is a critical everyday task that varies widely among people. A key challenge is to understand why some people struggle with speech-in-noise perception, despite having clinically normal hearing. Here, we developed new figure-ground tests that require participants to extract a coherent tone pattern from a stochastic background of tones. These tests dissociated variability in speech-in-noise perception related to mechanisms for detecting static (same-frequency) patterns and those for tracking patterns that change frequency over time. In addition, elevated hearing thresholds that are widely considered to be 'normal' explained significant variance in speech-in-noise perception, independent of figure-ground perception. Overall, our results demonstrate that successful speech-in-noise perception is related to audiometric thresholds, fundamental grouping of static acoustic patterns, and tracking of acoustic sources that change in frequency. Crucially, measuring both peripheral (audiometric thresholds) and central (grouping) processes is required to adequately assess speech-in-noise deficits.

Abstract Speech-in-noise difficulty is commonly reported among hearing-impaired individuals. Recent work has established generic behavioural measures of sound segregation and grouping that are related to speech-in-noise processing but do not require language. In this study, we assessed potential clinical electroencephalographic (EEG) measures of central auditory grouping (stochastic figure-ground test) and speech-in-noise perception (speech-in-babble test) with and without relevant tasks. Auditory targets were presented within background noise (16 talker-babble or randomly generated pure-tones) in 50% of the trials and composed either a figure (pure-tone frequency chords repeating over time) or speech (English names). EEG was recorded while participants were presented with the target stimuli (figure or speech) under different attentional states (relevant task or visual-distractor task). EEG time-domain analysis demonstrated enhanced negative responses during detection of both types of auditory targets within the time window 650-850 ms but only figure detection produced significantly enhanced responses under the distracted condition. Further single-channel analysis showed that simple vertex-to-mastoid acquisition defines a very similar response to more complex arrays based on multiple channels. Evoked-potentials to the generic figure-ground task therefore represent a potential clinical measure of grouping relevant to real-world listening that can be assessed irrespective of language knowledge and expertise even without a relevant task.

Since the publication of Scoville and Milner's (1957) seminal paper, the precise functional role played by the hippocampus in support of human memory has been fiercely debated. For instance, the single question of whether the hippocampus plays a time-limited or an indelible role in the recollection of personal memories led to a deep and tenacious schism within the field. Similar polarisations arose between those who debated the precise nature of the role played by the hippocampus in support of semantic relative to episodic memories and in recall/recollection relative to familiarity-based recognition. At the epicentre of these divisions lies conflicting neuropsychological findings. These differences likely arise due to the consistent use of heterogeneous patient populations to adjudicate between these positions. Here we utilised traditional neuropsychological measures in a homogenous patient population with a highly discrete hippocampal lesion (i.e. patients with voltage-gated potassium channel complex antibody associated limbic encephalitis (VGKC-LE)). We observed impairment of recent but not remote episodic memory, a preservation of semantic memory, and recall but not recognition memory deficits. We conclude that this increasingly well-characterised group of patients may represent an important homogeneous population in which the functional role played by the hippocampus may be more precisely delineated.