Recent electrophysiological studies have shown that the human electroencephalographic mu rhythm is suppressed during the observation of actions performed by other persons, an effect that may be functionally related to the behaviour of so-called "mirror neurons" observed in area F5 of nonhuman primates. Because mirror neuron activity has been reported to be functionally specific to object-oriented actions, the present study was designed to determine if the human mu rhythm also exhibits this property. EEG measurements were obtained from 12 normal subjects while they observed either a precision grip of a manipulandum or an empty grip using the same hand position. Our results showed that the magnitude of the mu rhythm was significantly lower for the object grip condition than for the empty grip condition. These data support the notion that the human mu rhythm indexes a brain system that is functionally comparable to the monkey mirror neuron system. We propose that nonobject-directed actions may result in representational schemas that are either different or less salient than motorically equivalent actions that are directed toward objects.

SUMMARY The sleep and circadian systems act in concert to regulate sleep-wake timing, yet the molecular mechanisms that underpin their interaction to induce sleep remain unknown. Synaptic protein phosphorylation, driven by the kinase SIK3, correlates with sleep pressure, however it is unclear whether these phosphoproteome changes are causally responsible for inducing sleep. Here we show that the light-dependent activity of SIK1 controls the phosphorylation of a subset of the brain phosphoproteome to induce sleep in a manner that is independent of sleep pressure. By uncoupling phosphorylation and sleep induction from sleep pressure, we establish that synaptic protein phosphorylation provides a causal mechanism for the induction of sleep under different environmental contexts. Furthermore, we propose a framework that details how the salt-inducible kinases regulate the synaptic phosphoproteome to integrate exogenous and endogenous stimuli, thereby providing the molecular basis upon which the sleep and circadian systems interact to control the sleep-wake cycle.

Providing a plausible neural substrate of speech processing and language comprehension, cortical activity has been shown to track different levels of linguistic structure in connected speech (syllables, phrases and sentences), independent of the physical regularities of the acoustic stimulus. In the current study, we investigated the effect of speech intelligibility on this brain activity as well as the underlying neural sources. Using magnetoencephalography (MEG), brain responses to natural speech and noise-vocoded (spectrally-degraded) speech in nineteen normal hearing participants were measured. Results showed that cortical MEG coherence to linguistic structure changed parametrically with the intelligibility of the speech signal. Cortical responses coherent with phrase and sentence structures were left-hemisphere lateralized, whereas responses coherent to syllable/word structure were bilateral. The enhancement of coherence to intelligible compared to unintelligible speech was also left lateralized and localized to the parasylvian cortex. These results demonstrate that cortical responses to higher level linguistics structures (phrase and sentence level) are sensitive to speech intelligibility. Since the noise-vocoded sentences simulate the auditory input provided by a cochlear implant, such objective neurophysiological measures have potential clinical utility for assessment of cochlear implant performance.

Neuroimaging protocols for mapping of expressive speech centres employ several standard speech tasks including object naming, rhyming, and covert word production (Agarwal et al., 2019). These tasks reliably elicit activation of distributed speech centres in prefrontal, precentral and cingulate motor cortices and are widely used for presurgical mapping and in research studies of language production. In the present study we used an alternative speech protocol employing reiterated productions of simple disyllabic nonwords (VCV; Anastasopoulou et al., 2022; van Lieshout et al., 2007). Here we show that this task elicits highly focal and highly lateralised activations of speech motor control areas centred on the precentral gyrus and adjacent portions of the middle frontal gyrus. 10 healthy adults, 19 typically developing children and 7 children with CAS participated in the study. MEG scans were carried out with a whole-head MEG system consisting of 160 first-order axial gradiometers with a 50 mm baseline (Model PQ1160R-N2, KIT, Kanazawa, Japan). MEG data were acquired with analog filter settings of 0.03 Hz high-pass, 1,000 Hz low-pass, 4,000 Hz sampling rate. Measurements were carried out with participants in supine position in a magnetically shielded room (Fujihara Co. Ltd., Tokyo, Japan). Time-aligned speech acoustics were recorded in an auxiliary channel of the MEG setup at the same sample rate as the MEG recordings. Brain activity was recorded while participants produced reiterated utterances of /ipa/ and /api/, at normal and speeded rates in addition to a button press task (right index finger) to elicit activity in the hand region of sensorimotor cortex (e.g. Johnson et al., 2020). MEG data were co-registered with individual structural MRI scans obtained in a separate scanning session. Source reconstruction was performed with synthetic aperture magnetometry (SAM) beamformer implemented in Matlab (Jobst et al., 2018) and group statistics performed with permutation tests (p < 0.05). Button press map shows clusters encompassing dorsal precentral and postcentral gyri (Brodmann areas 4 and 6), corresponding to hand sensorimotor cortices. Speech map shows clusters encompassing precentral gyrus immediately ventral to hand motor cortex (BA6), and an immediately adjacent portion of the posterior middle frontal gyrus. Both button press and speech result in a robust desynchronisation restricted within a frequency band of about 13-30 Hz (beta band). Our results show that the reiterated speech task results in robust beta-band desynchronisation in a highly focal region of the precentral gyrus, located immediately ventral to the hand motor region of the precentral gyrus. In adults, speech motor-related brain activity was predominantly observed in the left hemisphere. Typically developing children, on the other hand, exhibited bilateral activation and in the case of individuals with CAS exhibited only right-hemisphere activation. Taken together the present findings provide a non-invasive and highly selective window on a crucial node of the expressive speech network that has previously been accessed only with invasive electrophysiological means and lesion studies.

Abstract In rodents, hippocampal cell assemblies formed during learning of a navigation task are observed to re-emerge during resting (offline) periods, accompanied by high-frequency oscillations (HFOs). This phenomenon is believed to reflect mechanisms for strengthening newly-formed memory traces. Using magnetoencephalography recordings and a beamforming source location algorithm (synthetic aperture magnetometry), we investigated high-gamma (80 – 140 Hz) oscillations in the hippocampal region in 18 human participants during inter-trial rest periods in a virtual navigation task. We found right hippocampal gamma oscillations mirrored the pattern of theta power in the same region during navigation, varying as a function of environmental novelty. Gamma power during inter-trial rest periods was positively correlated with theta power during navigation in the first training set when the environment was new and predicted faster learning in the subsequent training set two where the environment became familiar. These findings provide evidence for human hippocampal reactivation accompanied by high-gamma activities immediately after learning and establish a link between hippocampal high-gamma activities and memory consolidation.

Abstract Neural activity has been shown to track hierarchical linguistic units in connected speech and these responses can be directly modulated by changes in speech intelligibility caused by spectral degradation. In the current study, we manipulate prior knowledge to increase the intelligibility of physically identical speech sentences and test the hypothesis that the tracking responses can be enhanced by this intelligibility improvement. Cortical magnetoencephalography (MEG) responses to intelligible speech followed by either the same (matched) or different (unmatched) unintelligible speech were measured in twenty-three normal hearing participants. Driven by prior knowledge, cortical coherence to “abstract” linguistic units with no accompanying acoustic cues (phrases and sentences) was enhanced relative to the unmatched condition, and was lateralized to the left hemisphere. In contrast, cortical responses coherent to word units, aligned with acoustic onsets, were bilateral and insensitive to contextual information changes. No such coherence changes were observed when prior experience was not available (unintelligible speech before intelligible speech). This dissociation suggests that cerebral responses to linguistic information are directly affected by intelligibility, which in turn are powerfully shaped by physical cues in speech. These results provide an objective and sensitive neural index of speech intelligibility, and explain why previous studies have reported no effect of prior knowledge on cortical entrainment.

Articulography and functional neuroimaging are two major tools for studying the neurobiology of speech production. Until now, however, it has generally not been feasible to use both in the same experimental setup because of technical incompatibilities between the two methodologies. Here we describe results from a novel articulography system dubbed Magneto-articulography for the Assessment of Speech Kinematics (MASK; Alves et al., 2016), which is technically compatible with magnetoencephalography (MEG) brain scanning systems. In the present paper we describe our methodological and analytic approach for extracting brain motor activities related to key kinematic and coordination event parameters derived from time-registered MASK tracking measurements (Anastasopoulou et al., 2022). Data were collected from ten healthy adults with tracking coils on the tongue, lips, and jaw. Analyses targeted the gestural landmarks of reiterated utterances /ipa/ and /api/, produced at normal and faster rates (Anastasopoulou et al., 2022; Van Lieshout, 2007). The results show that (1) Speech sensorimotor cortex can be reliably located in peri-rolandic regions of the left hemisphere; (2) mu (8-12 Hz) and beta band (13-30 Hz) neuromotor oscillations are present in the speech signals and contain information structures that are independent of those present in higher-frequency broadband noise signals associated with overt speech movements in the MEG scanner; and (3) kinematic parameters of speech movements can be mapped on to neuromagnetic brain signals using multivariate pattern analytic techniques. These results show that MASK provides the capability, for the first time, for deriving subject-specific articulatory parameters, based on well-established and robust motor control parameters, in the same experimental setup as the brain recordings and in temporal and spatial co-register with the brain data. The co-registered MASK data improves the precision and inferential power of MEG measures of speech-related brain activity compared to previous methodological approaches. This new capability for measuring and characterising speech movement parameters, and the brain activities that control them, within the same experimental setup, paves the way for innovative cross-disciplinary studies of neuromotor control of human speech production, speech development, and speech motor disorders.

Articulography and functional neuroimaging are two major tools for studying the neurobiology of speech production. Until now, however, it has generally not been possible to use both in the same experimental setup because of technical incompatibilities between the two methodologies. Here we describe results from a novel articulography system dubbed Magneto-articulography for the Assessment of Speech Kinematics (MASK), used for the first time to obtain kinematic profiles of oro-facial movements during speech together with concurrent magnetoencephalographic (MEG) measurements of neuromotor brain activity. MASK was used to characterise speech kinematics in a healthy adult, and the results were compared to measurements from the same participant with a conventional electromagnetic articulography (EMA) setup. We also characterised speech movement kinematics with MASK in a group of ten typically developing children, aged 8-12 years. Analyses targeted the gestural landmarks of the utterances /ida/, /ila/ and reiterated productions of /pataka/. These results demonstrate that the MASK technique can be used to reliably characterise movement profiles and kinematic parameters that reflect development of speech motor control, together with MEG measurements of brain responses from speech sensorimotor cortex. This new capability sets the stage for cross-disciplinary efforts to understand the developmental neurobiology of human speech production.

In a previous MEG study of movement-related brain activity in preschool age children, we reported that pre-movement fields and sensorimotor cortex oscillations differed from those typically observed in adults, suggesting that maturation of cortical motor networks is still incomplete by late preschool age (Cheyne et al., 2014). Here we describe the same measurements in an older group of school-aged children (6 to 8 years old) and an adult control group, in addition to repeated recordings in seven children from the original study approximately two years later. Differences were observed both longitudinally within children and between age groups. Pre-movement (readiness) fields were still not present in the oldest children, however both frequency and magnitude of movement-related mu (8-12Hz) and beta (15-30Hz) oscillations demonstrated linear increases with age. In contrast, movement-evoked gamma synchronization demonstrated a step-like transition from low (30-50 Hz) to high (70-90 Hz) narrow-band oscillations, and this occurred at different ages in different children. These data provide novel evidence of linear and non-linear changes in motor cortex oscillations and delayed development of the readiness field throughout early childhood. Individual children showed large differences in maturation of movement-related brain activity, possibly reflecting differing rates of motor development.