Abstract Acoustic, lexical and syntactic information is simultaneously processed in the brain. Therefore, distinguishing the electrophysiological activity pertaining to these components requires complex and indirect strategies. Capitalizing on previous works which factor out acoustic information, we could concentrate on the lexical and syntactic contribution to language processing by testing competing statistical models. We exploited EEG recordings and compared different surprisal models selectively involving lexical information, part of speech or syntactic structures in various combinations. EEG responses were recorded in 32 participants during listening to affirmative active declarative sentences and compared the activation corresponding to basic syntactic structures, such as noun phrases vs verb phrases. Lexical and syntactic processing activates different frequency bands, different time windows and different networks. Moreover, surprisal models based on part of speech inventory only do not explain well the electrophysiological data, while those including syntactic information do. Finally, we confirm previous measures obtained with intracortical recordings independently supporting the original hypothesis addressed here in a robust way.

Abstract Introduction Neural circuit alterations lay at the core of brain physiopathology, and yet are hard to unveil in living subjects. Virtual brain modelling (TVB), by exploiting structural and functional MRI, yields mesoscopic parameters of connectivity and synaptic transmission. Methods We used TVB to simulate brain networks, which are key for human brain function, in Alzheimer’s disease (AD) and Frontotemporal Dementia (FTD) patients, whose connectivity and synaptic parameters remain largely unknown; we then compared them to healthy controls, to reveal novel in vivo pathological hallmarks. Results The pattern of simulated parameter differed between AD and FTD, shedding light on disease-specific alterations in brain networks. Individual subjects displayed subtle differences in network parameter patterns that significantly correlated with their individual neuropsychological, clinical, and pharmacological profiles. Discussion These TVB simulations, by informing about a new personalized set of networks parameters, open new perspectives for understanding dementias mechanisms and design personalized therapeutic approaches.

Syntax is traditionally defined as a specifically human way to pair sound with meaning: words are assembled in a recursive way generating a potentially infinite set of sentences. There can be different phrasal structures depending on the types of words involved, for example, noun phrases (NP), combining an article and a noun, vs. verb phrases (VP), combining a verb and a complement. Although it is known that the combination of an increasing number of words in sequences correlates with an increasing electrophysiological activity, the specific electrophysiological correlates of the syntactic operation generating NPs vs. VPs remain unknown. A major confounding factor is the fact that syntactic information is inevitably intertwined with the acoustic information contained in words even during inner speech5. Here, we addressed this issue in a novel way by designing a paradigm to factor out acoustic information and isolate the syntactic component. In particular, we construed phrases that have exactly the same acoustic content but that are interpreted as NPs or VPs depending on their syntactic context (homophonous phrases). By performing stereo-electro-encephalographic (SEEG) recordings in epileptic patients6 we show that VPs are associated with a higher activity in the high gamma band (150-300Hz frequency), an index of cortical activity associated with linguistic processing, with respect to NPs in multiple cortical areas in both hemispheres, including language areas and their homologous in the non-dominant hemisphere. Our findings pave the way to a deeper understanding of the electrophysiological mechanisms underlying syntax and contribute to the ultimate far-reaching goal of a complete neural decoding of linguistic structures from the brain.

Background: Converging evidence suggests that immune-mediated dysfunction plays an important role in the pathogenesis of frontotemporal dementia (FTD). Although genetic studies have shown that immune-associated loci are associated with increased FTD risk, a systematic investigation of genetic overlap between immune-mediated diseases and the spectrum of FTD-related disorders has not been performed. Methods and findings: Using large genome-wide association studies (GWAS) (total n = 192,886 cases and controls) and recently developed tools to quantify genetic overlap/pleiotropy, we systematically identified single nucleotide polymorphisms (SNPs) jointly associated with 'FTD-related disorders' namely FTD, corticobasal degeneration (CBD), progressive supranuclear palsy (PSP), and amyotrophic lateral sclerosis (ALS) - and one or more immune-mediated diseases including Crohn's disease (CD), ulcerative colitis (UC), rheumatoid arthritis (RA), type 1 diabetes (T1D), celiac disease (CeD), and psoriasis (PSOR). We found up to 270-fold genetic enrichment between FTD and RA and comparable enrichment between FTD and UC, T1D, and CeD. In contrast, we found only modest genetic enrichment between any of the immune-mediated diseases and CBD, PSP or ALS. At a conjunction false discovery rate (FDR) < 0.05, we identified numerous FTD-immune pleiotropic SNPs within the human leukocyte antigen (HLA) region on chromosome 6. By leveraging the immune diseases, we also found novel FTD susceptibility loci within LRRK2 (Leucine Rich Repeat Kinase 2), TBKBP1 (TANK-binding kinase 1 Binding Protein 1), and PGBD5 (PiggyBac Transposable Element Derived 5). Functionally, we found that expression of FTD-immune pleiotropic genes (particularly within the HLA region) is altered in postmortem brain tissue from patients with frontotemporal dementia and is enriched in microglia compared to other central nervous system (CNS) cell types. Conclusions: We show considerable immune-mediated genetic enrichment specifically in FTD, particularly within the HLA region. Our genetic results suggest that for a subset of patients, immune dysfunction may contribute to risk for FTD. These findings have potential implications for clinical trials targeting immune dysfunction in patients with FTD.

Abstract Syntax involves complex neurobiological mechanisms, which are difficult to disentangle for multiple reasons. Using a protocol able to separate syntactic information from sound information we investigated the neural causal connections evoked by the processing of homophonous phrases, either verb phrases (VP) or noun phrases (NP). We used event-related causality (ERC) from stereo-electroencephalographic (SEEG) recordings in 10 epileptic patients in multiple cortical areas, including language areas and their homologous in the non-dominant hemisphere. We identified the different networks involved in the processing of these syntactic operations (faster in the dominant hemisphere) showing that VPs engage a wider cortical network. We also present a proof-of-concept for the decoding of the syntactic category of a perceived phrase based on causality measures. Our findings help unravel the neural correlates of syntactic elaboration and show how a decoding based on multiple cortical areas could contribute to the development of speech prostheses for speech impairment mitigation.

Syntax is a species-specific component of human language combining a finite set of words in a potentially infinite number of sentences. Since words are by definition expressed by sound, factoring out syntactic information is normally impossible. Here, we circumvented this problem in a novel way by designing phrases with exactly the same acoustic content but different syntactic structures depending on the other words they occur with. By performing stereo-electroencephalographic (SEEG) recordings in epileptic patients we measured a different electrophysiological correlate of verb phrases vs. noun phrases by analyzing the high gamma band activity (150-300Hz frequency), in multiple cortical areas in both hemispheres, including language areas and their homologous in the non-dominant hemisphere. Our findings contribute to the ultimate goal of a complete neural decoding of linguistic structures from the brain.