Built on an analogy between the visual and auditory systems, the following dual stream model for language processing was suggested recently: a dorsal stream is involved in mapping sound to articulation, and a ventral stream in mapping sound to meaning. The goal of the study presented here was to test the neuroanatomical basis of this model. Combining functional magnetic resonance imaging (fMRI) with a novel diffusion tensor imaging (DTI)-based tractography method we were able to identify the most probable anatomical pathways connecting brain regions activated during two prototypical language tasks. Sublexical repetition of speech is subserved by a dorsal pathway, connecting the superior temporal lobe and premotor cortices in the frontal lobe via the arcuate and superior longitudinal fascicle. In contrast, higher-level language comprehension is mediated by a ventral pathway connecting the middle temporal lobe and the ventrolateral prefrontal cortex via the extreme capsule. Thus, according to our findings, the function of the dorsal route, traditionally considered to be the major language pathway, is mainly restricted to sensory-motor mapping of sound to articulation, whereas linguistic processing of sound to meaning requires temporofrontal interaction transmitted via the ventral route.

Only recently have neuroimaging studies moved away from describing regions activated by noxious stimuli and started to disentangle subprocesses within the nociceptive system. One approach to characterizing the role of individual regions is to record brain responses evoked by different stimulus intensities. We used such a parametric single-trial functional MRI design in combination with a thulium:yttrium-aluminium-granate infrared laser and investigated pain, stimulus intensity and stimulus awareness (i.e. pain-unrelated) responses in nine healthy volunteers. Four stimulus intensities, ranging from warm to painful (300-600 mJ), were applied in a randomized order and rated by the subjects on a five-point scale (P0-4). Regions in the dorsolateral prefrontal cortex and the intraparietal sulcus differentiated between P0 (not perceived) and P1 but exhibited no further signal increase with P2, and were related to stimulus perception and subsequent cognitive processing. Signal changes in the primary somatosensory cortex discriminated between non-painful trials (P0 and P1), linking this region to basic sensory processing. Pain-related regions in the secondary somatosensory cortex and insular cortex showed a response that did not distinguish between innocuous trials (P0 and P1) but showed a positive linear relationship with signal changes for painful trials (P2-4). This was also true for the amygdala, with the exception that, in P0 trials in which the stimulus was not perceived (i.e. 'uncertain' trials), the evoked signal changes were as great as in P3 trials, indicating that the amygdala is involved in coding 'uncertainty', as has been suggested previously in relation to classical conditioning.

We used diffusion tensor imaging (DTI) to assess Wallerian degeneration of the pyramidal tract within the first 2 weeks after ischemic stroke, and correlated the extent of Wallerian degeneration with the motor deficit. Nine patients with middle cerebral artery stroke were examined 2–16 days after stroke by DTI and T2-weighted MRI. We measured fractional anisotropy (FA), averaged diffusivity (Dav), eigenvalues of the diffusion tensor and T2-weighted signal in the cerebral peduncle and compared these values between the affected and the unaffected side and between patients and six controls. FA was significantly reduced on the affected side compared to the unaffected side and compared to the control group. The largest eigenvalue was reduced, whereas the smallest eigenvalue was elevated on the affected side. There was no significant difference in T2-weighted signal and Dav. The decrease of anisotropy correlated positively with the motor deficit at the time of DTI study and 90 days after stroke. The reduction of anisotropy mirrors the disintegration of axonal structures, as it occurs in the early phase of Wallerian degeneration. DTI detects changes of water diffusion related to beginning pyramidal tract degeneration within the first 2 weeks after stroke that are not yet visible in conventional T2-weighted or orientationally averaged diffusion weighted MRI. We demonstrated for the first time a correlation of early DTI findings of pyramidal tract damage with the motor deficit. DTI can help prognosing recovery of motor function after stroke within the early subacute phase.

Neuroimaging studies have demonstrated activations in the anterior cingulate cortex (ACC) related to the affective component of pain, but not to stimulus intensity. However, it is possible that the low spatial resolution of positron emission tomography, as used in the majority of these studies, obscured areas coding stimulus intensity. We revisited this issue, using a parametric single-trial functional magnetic resonance imaging design, and investigated pain, stimulus intensity, and stimulus awareness (i.e., pain unrelated) responses within the ACC in nine healthy volunteers. Four different stimulus intensities ranging from warm to painful (300-600 mJ) were applied with a thulium yttrium-aluminum granite infrared laser in a randomized order and rated by the subjects on a five point scale (P0-P4). Pain-related regions in the ventral posterior ACC showed a response that did not distinguish between innocuous trials (P0 and P1) but showed a positive linear relationship with the blood oxygenation level-dependent contrast signal for painful trials (P2-P4). Regions in the dorsal anterior ACC along the cingulate sulcus differentiated between P0 (not perceived) and P1 but exhibited no additional signal increase with P2; these regions are related to stimulus awareness and probably to cognitive processing. Most importantly, we identified a region in the dorsal posterior ACC showing a response that discriminated between nonpainful trials (P0 and P1); therefore, this region was simply related to basic sensory processing and not to pain intensity. Stimulus-related activations were all located adjacent to the cingulate motor area, highlighting the strategic link of stimulus processing and response generation in the posterior ACC.

Converging evidence from neuroimaging studies and computational modelling suggests an organization of language in a dual dorsal–ventral brain network: a dorsal stream connects temporoparietal with frontal premotor regions through the superior longitudinal and arcuate fasciculus and integrates sensorimotor processing, e.g. in repetition of speech. A ventral stream connects temporal and prefrontal regions via the extreme capsule and mediates meaning, e.g. in auditory comprehension. The aim of our study was to test, in a large sample of 100 aphasic stroke patients, how well acute impairments of repetition and comprehension correlate with lesions of either the dorsal or ventral stream. We combined voxelwise lesion-behaviour mapping with the dorsal and ventral white matter fibre tracts determined by probabilistic fibre tracking in our previous study in healthy subjects. We found that repetition impairments were mainly associated with lesions located in the posterior temporoparietal region with a statistical lesion maximum in the periventricular white matter in projection of the dorsal superior longitudinal and arcuate fasciculus. In contrast, lesions associated with comprehension deficits were found more ventral-anterior in the temporoprefrontal region with a statistical lesion maximum between the insular cortex and the putamen in projection of the ventral extreme capsule. Individual lesion overlap with the dorsal fibre tract showed a significant negative correlation with repetition performance, whereas lesion overlap with the ventral fibre tract revealed a significant negative correlation with comprehension performance. To summarize, our results from patients with acute stroke lesions support the claim that language is organized along two segregated dorsal–ventral streams. Particularly, this is the first lesion study demonstrating that task performance on auditory comprehension measures requires an interaction between temporal and prefrontal brain regions via the ventral extreme capsule pathway.

Abstract The arcuate fasciculus may be subdivided into a tract directly connecting frontal and temporal lobes and a pair of indirect subtracts in which the fronto-temporal connection is mediated by connections to the inferior parietal lobe. This tripartition has been advanced as an improvement over the centuries-old consensus that the lateral dorsal association fibers form a continuous system with no discernible discrete parts. Moreover, it has been used as the anatomical basis for functional hypotheses regarding linguistic abilities. Ex hypothesi, damage to the indirect subtracts leads to deficits in the repetition of multi-word sequences, whereas damage to the direct subtract leads to deficits in the immediate reproduction of single multisyllabic words. We argue that this partitioning of the dorsal association tract system enjoys no special anatomical status, and the search for the anatomical substrates of linguistic abilities should not be constrained by it. Instead, the merit of any postulated partitioning should primarily be judged on the basis of whether it enlightens or obfuscates our understanding of the behavior of patients in which individual subtracts are damaged.