Neural signatures of semantic anticipation in sentence comprehension

Abstract

It has been proposed that the human brain is a proactive processor. Rather than passively receiving information, it is seen as continuously attempting to predict what will happen next. In the domain of language, evidence supports that people predict different linguistic aspects of the sentences they read or hear, such as the meaning of upcoming words. However, the brain mechanisms that sustain the formulation of these predictions and the subsequent generation of semantic expectations during comprehension remain largely unknown.

The current dissertation investigated neural correlates associated with anticipatory processing during sentence comprehension throughout four electrophysiological (EEG) studies. To this end, a novel experimental paradigm was designed, which allowed to capture two theoretically distinct temporal phases in from the lens of predictive processing: the anticipatory and the processing phase of (un)predicted words. The first three studies focused on exploring the mechanisms involved in the anticipatory phase in healthy young adult population. The first study described signatures of anticipatory processing associated with semantic prediction in speech comprehension. Specifically, in the interval between the context and the final word of a sentence, a sustained negative potential developed, with a larger amplitude at increasing levels of semantic expectancy. The second study replicated this anticipatory index in reading comprehension, establishing generality across input modalities. Furthermore, it demonstrated that differences emerged earlier and progressively over the course of sentence processing. Lastly, the third study revealed that contextually expected words were also preceded by a transient alpha power decrease, common in both modalities of comprehension. Based on their psychophysiological features, the observed neural signatures are consistent with the online recruitment of anticipatory mechanisms tied to semantic prediction during sentence comprehension. Finally, the fourth study evaluated the status of the previously described brain signatures in adults with Parkinson’s disease (PD) with dopaminergic compensation), given that this condition entails cognitive deficits that might negatively affect the proper use of sentential contexts. Relative to the control group, the group of PD patients exhibited normal correlates of semantic anticipation and semantic processing. On the other hand, semantic processing was altered in a subgroup of PD patients with mild cognitive impairment (PD-MCI), compared to patients without MCI. Specifically, there was a significant prolongation in the semantic processing of words that did not match the contextual expectation. Lastly, for all PD patients, worse verbal fluency scores correlated with alterations in semantic anticipation and processing, suggesting that, in PD, deficits in mechanisms that rely on brain networks in the temporal lobe might hinder predictive language processing during sentence comprehension.

En esta tesis doctoral se presentan cuatro estudios de electroencefalografía (EEG) que investigaron correlatos neurales asociados al procesamiento anticipatorio durante la comprensión de frases. Los tres primeros estudios de la tesis se centraron en explorar los mecanismos implicados en la fase anticipatoria de la predicción en población no patológica. El primer estudio describió, por primera vez, correlatos de procesamiento anticipatorio asociados a la predicción lingüística durante la comprensión auditiva de frases. En el intervalo entre el contexto y la palabra final de una frase, se observó la aparición de una negatividad sostenida, con una amplitud mayor cuanto más fuertemente esperada a nivel semántico era la palabra final. El segundo estudio replicó la observación de este índice anticipatorio en la modalidad de comprensión escrita. Además, permitió determinar que las diferencias en la actividad neural en función de la expectativa semántica emergían pronto y aumentaban progresivamente a lo largo del procesamiento de las frases. Por último, el tercer estudio reveló que las palabras contextualmente esperadas estaban también precedidas por una desincronización neuronal en alfa, común en ambas modalidades de comprensión. Por sus características psicofisiológicas, los correlatos observados son consistentes con mecanismos anticipatorios vinculados a la predicción de aspectos semánticos durante la comprensión de frases. Finalmente, el cuarto estudio evaluó el estado de los mecanismos previamente descritos en adultos con enfermedad de Parkinson (PD) (con compensación dopaminérgica), dado que esta patología cursa con déficits cognitivos que afectan el uso apropiado contextos oracionales. El grupo de pacientes con PD exhibió correlatos normales de anticipación y procesamiento semántico comparados con el grupo control. Por otra parte, se encontró que el procesamiento semántico estaba afectado en un subgrupo de pacientes con PD y deterioro cognitivo leve (DCL), respecto a pacientes sin DCL. En concreto, se observó una prolongación significativa del procesamiento semántico de aquellas palabras que no encajaban con la expectativa del contexto oracional. Por último, en toda la muestra de PD, una peor fluidez verbal correlacionó con alteraciones en anticipación y procesamiento semánticos, sugiriendo que déficits en mecanismos dependientes de circuitos temporales en pacientes con PD podrían mermar el procesamiento predictivo durante la comprensión de frases.