Abstract We explore the utility of an on-demand multimodal conversational platform in extracting speech and facial metrics in children with Autism Spectrum Disorder (ASD). We investigate the extent to which these metrics correlate with objective clinical measures, particularly as they pertain to the interplay be-tween the affective, phonatory and motoric subsystems. 22 participants diagnosed with ASD engaged with a virtual agent in conversational affect production tasks designed to elicit facial and vocal affect. We found significant correlations between vocal pitch and loudness extracted by our platform during these tasks and accuracy in recognition of facial and vocal affect, as-sessed via the Diagnostic Analysis of Nonverbal Accuracy-2 (DANVA-2) neuropsychological task. We also found significant correlations between jaw kinematic metrics extracted using our platform and motor speed of the dominant hand assessed via a standardised neuropsychological finger tapping task. These findings offer preliminary evidence for the usefulness of these audiovisual analytic metrics and could help us better model the interplay between different physiological subsystems in individuals with ASD.

Abstract Surface electrode EMG is an established method for studying biomechanical activity. It has not been well studied in detecting laryngeal biomechanical activity of pre-phonatory onset. Our aims were to compare the sensitivity of surface EMG in identifying pre-phonatory laryngeal activity to needle electrode laryngeal EMG and to compare the pre-phonatory period in patients with adductor laryngeal dystonia (ADLD) with that in controls. ADLD patients (n = 10) undergoing needle LEMG prior to Botox ® injection and participants with normal voices (n = 6) were recruited. Surface EMG electrodes were placed over the cricoid ring and thyrohyoid membrane. Needle EMG electrodes were inserted into the thyroarytenoid muscle. EMG and auditory output samples were collected during phonation onset. Tracings were de-identified and evaluated. Measurements of time from onset in change of the amplitude and motor unit frequency on the interference pattern to onset of phonation were calculated by two blinded raters. 42 of 71 patient and 40 of 50 control tracings were available for analysis. Correlation for pre-phonatory time between electrode configuration was 0.70 for patients, 0.64 for controls and 0.79 for all the data combined. Interrater correlation was 0.97 for needle and 0.96 for surface electrodes. ADLD patients had a longer pre-phonatory time than control subjects by 169.48ms with surface electrode and 140.23ms with needle electrode (p < 0.001). Surface EMG demonstrates equal reliability as Needle EMG in detecting pre-phonatory activity in controls and subjects. Patients with ADLD have a significantly prolonged pre-phonatory period when compared with controls.

Reality monitoring is defined as the ability to distinguish internally self-generated information from externally-derived information. The medial prefrontal cortex (mPFC) is a key brain region subserving reality monitoring and has been shown to be activated specifically during the retrieval of self-generated information. However, it is unclear if mPFC is activated during the encoding of self-generated information into memory. If so, it is important to understand whether successful retrieval of self-generated information critically depends on enhanced neural activity within mPFC during initial encoding of this self-generated information. We used magnetoencephalographic imaging (MEGI) to determine the timing and location of cortical activity during a reality-monitoring task involving self generated contextual source memory encoding and retrieval. We found both during encoding and retrieval of self-generated information, when compared to externally-derived information, mPFC showed significant task induced oscillatory power modulation in the beta-band. During initial encoding of self-generated information, greater mPFC beta-band power reductions occurred within a time window of -700ms to -500ms prior to vocalization, activity in mPFC that was not observed during encoding of externally-derived information. This mPFC activity during encoding of self-generated information predicted subsequent retrieval accuracy of self-generated information. Beta-band activity in mPFC was also observed during the initial retrieval of self-generated information within a time window of 300 to 500ms following stimulus onset and correlated with accurate retrieval performance of self-generated information. Together, these results further highlight the importance of mPFC in mediating the initial generation and awareness of participants internal thoughts.

Past studies have explored formant centering, a corrective behavior of convergence over the duration of an utterance toward the formants of a putative target vowel. In this study, we establish the existence of a similar centering phenomenon for pitch in healthy elderly controls and examine how such corrective behavior is altered in Alzheimer's Disease (AD). We found the pitch centering response in healthy elderly was similar when correcting pitch errors below and above the target (median) pitch. In contrast, patients with AD showed an asymmetry with a larger correction for the pitch errors below the target phonation than above the target phonation. These findings indicate that pitch centering is a robust compensation behavior in human speech. Our findings also explore the potential impacts on pitch centering from neurodegenerative processes impacting speech in AD.

Abstract Primary Progressive Aphasia (PPA) is a clinical syndrome in which patients progressively lose speech and language abilities. The non-fluent variant of PPA (nfvPPA) is characterised by impaired motor speech and agrammatism. To date, no study in nfvPPA patients has either examined speech motor control behaviour or imaged the speech motor control network during vocal production. Here, we did this using a novel structure-function imaging approach integrating magnetoencephalographic imaging of neural oscillations with voxel-based morphometry (VBM). We examined task-induced non-phase-locked neural oscillatory activity during a vocal motor control task, where participants were prompted to phonate the vowel /□/ for ∼2.4s while the pitch of their auditory feedback was shifted either up or down by 100 cents for a period of 400ms mid-utterance. Participants were 18 nfvPPA patients (14 female, mean age = 67.79 ± 8.02 years) and 17 controls (13 female, mean age = 64.81 ± 5.76 years). Patients showed a smaller compensation response to pitch perturbation than controls (p < 0.05). Task-induced neural oscillations across five frequency bands were reconstructed in source space for each subject during pitch feedback perturbation. Patients exhibited reduced task-induced alpha-band (8-12Hz) neural activity unrelated to their atrophy patterns, in the right temporal lobe and the right temporoparietal junction (p < 0.01) from 250ms to 750ms after pitch perturbation onset. Patients also showed increased task-induced beta-band (12-30Hz) activity also unrelated to cortical atrophy in the left dorsal sensorimotor cortex, left premotor cortex and the left supplementary motor area (p < 0.01) from 50ms to 150ms after pitch perturbation onset. Reduced average alpha-band power at the peak voxel in the temporoparietal cluster in the right hemisphere could predict speech motor impairment in patients ( β = 3.41, F = 8.31, p = 0.0128) whereas increased average beta-band power at the peak voxel in the left dorsal sensorimotor cluster could not ( β = -1.75, F = 1.72, p = 0.2123). Collectively, these results suggest significant disruption in sensorimotor integration during vocal production in nfvPPA patients which occurs unrelated to patterns of atrophy. These findings highlight how multimodal structure-function imaging in PPA enhances our understanding of its pathophysiological sequelae.

Reality monitoring is defined as the ability to distinguish internally self-generated information from externally-derived information. Functional imaging studies have consistently found that the medial prefrontal cortex (mPFC) is a key brain region subserving reality monitoring. The aim of this study was to determine a causal role for mPFC in reality monitoring using navigated repetitive transcranial magnetic stimulation (nrTMS). In a subject-blinded sham-controlled crossover design, healthy individuals received either active or sham nrTMS targeting mPFC. Active modulation of mPFC using rTMS at a frequency of 10 Hz, significantly improved identification of both self-generated and externally-derived information during reality monitoring, when compared to sham or baseline. Targeted excitatory modulation of mPFC also improved positive mood ratings, reduced negative mood ratings and increased overall alertness/arousal. These results establish both the dosing and tolerability for nrTMS targeting of mPFC. Importantly, these findings provide the first direct evidence that mPFC plays a causal role in reality monitoring and mood.

Abstract Laryngeal Dystonia is a debilitating disorder of voicing in which the laryngeal muscles are intermittently in spasm resulting in involuntary interruptions during speech. The central pathophysiology of laryngeal dystonia, underlying computational impairments in vocal motor control, remains poorly understood. Although prior imaging studies have found aberrant activity in the central nervous system during phonation in patients with laryngeal dystonia, it is not known at what timepoints during phonation these abnormalities emerge and what function may be impaired. To investigate this question, we recruited 22 adductor laryngeal dystonia patients (15 female, age range = 28.83-72.46 years) and 18 controls (8 female, age range = 27.40-71.34 years). We leveraged the fine temporal resolution of magnetoencephalography to monitor neural activity around glottal movement onset, subsequent voice onset and after the onset of pitch feedback perturbations. We examined event-related beta-band (12-30 Hz) and high-gamma band (65-150 Hz) neural oscillations. Prior to glottal movement onset, we observed abnormal frontoparietal motor preparatory activity. After glottal movement onset, we observed abnormal activity in somatosensory cortex persisting through voice onset. Prior to voice onset and continuing after, we also observed abnormal activity in the auditory cortex and the cerebellum. After pitch feedback perturbation onset, we observed no differences between controls and patients in their behavioural responses to the perturbation. But in patients, we did find abnormal activity in brain regions thought to be involved in the auditory feedback control of vocal pitch (premotor, motor, somatosensory and auditory cortices). Our study results confirm the abnormal processing of somatosensory feedback that has been seen in other studies. However, there were several remarkable findings in our study. First, patients have impaired vocal motor activity even before glottal movement onset, suggesting abnormal movement preparation. These results are significant because: (i) they occur before movement onset, abnormalities in patients cannot be ascribed to deficits in vocal performance, and (ii) they show that neural abnormalities in laryngeal dystonia are more than just abnormal responses to sensory feedback during phonation as has been hypothesised in some previous studies. Second, abnormal auditory cortical activity in patients begins even before voice onset, suggesting abnormalities in setting up auditory predictions before the arrival of auditory feedback at voice onset. Generally, activation abnormalities identified in key brain regions within the speech motor network around various phonation events not only provide temporal specificity to neuroimaging phenotypes in laryngeal dystonia but also may serve as potential therapeutic targets for neuromodulation.

Speech and motor deficits are highly prevalent (>70%) in individuals with the 600 kb BP4-BP5 16p11.2 deletion; however, the mechanisms that drive these deficits are unclear, limiting our ability to target interventions and advance treatment. This study examined fundamental aspects of speech motor control in participants with the 16p11.2 deletion. To assess capacity for control of voice, we examined how accurately and quickly subjects changed the pitch of their voice within a trial to correct for a transient perturbation of the pitch of their auditory feedback. When compared to sibling controls, 16p11.2 deletion carriers show an over-exaggerated pitch compensation response to unpredictable mid-vocalization pitch perturbations. We also examined sensorimotor adaptation of speech by assessing how subjects learned to adapt their sustained productions of formants (speech spectral peak frequencies important for vowel identity), in response to consistent changes in their auditory feedback during vowel production. Deletion carriers show reduced sensorimotor adaptation to sustained vowel identity changes in auditory feedback. These results together suggest that 16p11.2 deletion carriers have fundamental impairments in the basic mechanisms of speech motor control and these impairments may partially explain the deficits in speech and language in these individuals.