Inter-individual differences in brain's electrical activity patterns during semantic processing: An EEG study

Przetwarzanie semantyczne leży u podstaw rozumienia i produkcji języka. Od ponad 40 lat reakcja mózgu na niezgodności semantyczne jest przedmiotem badań elektroencefalograficznych (EEG). Na podstawie analizy sygnału EEG pod kątem potencjałów związanych z bodźcem (event-related potentials; ERP) odkryto załamek N400, charakteryzujący się ujemnym wychyleniem amplitudy występującym około 400 ms od momentu rozpoczęcia bodźca. Obecnie powszechnie wiadomo, że załamek N400 jest powiązany z przetwarzaniem semantycznym, a jego amplituda jest bardziej ujemna w odpowiedzi na niezgodności semantyczne (efekt N400). W analizie czas-częstość sygnału EEG pokazano wzrost moc w paśmie theta (4-7 Hz) i spadek moc w pasmach alfa (8-12 Hz) i beta (13-30 Hz), które współwystępują z efektem N400. Zmiany w niższych pasmach częstotliwości mogą wynikać ze zwiększonego obciążenia pamięci roboczej, natomiast zmiany w wyższych pasmach mogą być związane z ponowną analizą bodźca po wykryciu niezgodności semantycznej. Ponadto, na podstawie analizy łączności funkcjonalnej sygnału EEG, wykazano, że występuje ogólnie zwiększona łączność funkcjonalna dla semantycznie niezgodnych zakończeń zdań w porównaniu z tymi zgodnymi. Jednak dotychczas w badaniach dotyczących niezgodności semantycznych sprawdzano jedynie efekty grupowe, z tego względu potrzebne było podejście indywidualne. W badaniu realizowanym w ramach tej pracy analizowano reakcję elektryczną mózgu podczas przetwarzania semantycznego oraz w reakcji na niezgodność semantyczną, zarówno na poziomie grupowym, jak i indywidualnym. 88 uczestników (47 kobiet, wiek: M = 22,96 lat) zostało przebadanych za pomocą zadania torowania obrazek-słowo z semantycznie zgodnymi i niezgodnymi parami obrazek-słowo, podczas którego rejestrowany był sygnał EEG. Sygnał analizowano pod kątem potencjałów związanych z bodźcem, zmian mocy w oscylacjach i połączeń funkcjonalnych. Uzyskane wyniki zreplikowały obecność bardziej ujemnej amplitudy N400 w odpowiedzi na bodziec niezgodny semantycznie (efekt N400) oraz towarzyszące temu wzrosty mocy w paśmie theta na poziomie grupowym. Wyniki pokazały również, że nie było istotnej różnicy w połączeniach funkcjonalnych pomiędzy próbami semantycznie niezgodnymi i zgodnymi na poziomie grupy. Ponadto analiza potencjałów związanych z bodźcem na poziomie indywidualnym wykazała, że efekt N400 nie był jednolity w badanej grupie – zamiast tego zaobserwowano uczestników, u których efekt ten występował, i takich, u których nie. Obserwacja ta wskazuje, że w przypadku efektu N400 istnieje zmienność międzyosobnicza, co sugeruje, że efekt N400 nie powinien być stosowany jako wskaźnik przetwarzania semantycznego na poziomie indywidualnym. Jednakże to, jakie inne procesy poznawcze, które można zaobserwować w sygnale EEG, są odpowiedzialne za różnice w efekcie N400, wymaga dalszych badań, ponieważ model zastosowany w tej pracy nie pozwolił na rozwiązanie tego problemu.

Semantic processing is at the core of language comprehension and production. For more than 40 years, the brain’s response to semantic violations has been the subject of elec- troencephalography (EEG) research. Based on the EEG signal’s event-related potential (ERP) analysis, the N400 component was discovered, characterized by a negative amplitude peak occurring approximately 400 ms after stimulus onset. It is nowadays well established that the N400 component is associated with semantic processing and the amplitude of this component is more negative in response to semantic violations (the N400 effect). In the time-frequency domain of the EEG signal, power increases in the theta band (4-7 Hz) and decreases in the alpha (8–12 Hz) and beta (13–30 Hz) bands have been shown to co-occur with the N400 effect. The changes in lower frequency bands could be accounted by the increased workload of the working memory, and changes in higher frequency bands could be connected to the re-analysis of the stimulus after detecting semantic violation. Furthermore, based on functional connectivity analysis of EEG signal, it has been shown that, overall, there is increased functional connectivity for semantically incongruent sentence endings compared to congruent ones. However, so far, in studies investigating semantic processing, only group effects have been examined, therefore an individual-level approach is still needed. This study investigated the brain’s electrical response during semantic processing and in response to semantic violation at both the group and individual levels. The data of 88 participants (47 females, age: M = 22,96 years) tested with a picture-word priming task with semantically congruent and incongruent picture-word pairs, while an EEG signal was recorded, were used. The signal was analysed in terms of ERPs, changes in oscillatory power, and functional connectivity. The results obtained replicated the presence of a more negative N400 amplitude in response to a semantically incongruent stimulus (the N400 effect) and power increases in the theta band that co-occurred with it at the group level. However, functional connectivity analyses showed that there was not a significant difference in functional connections between semantically incongruent and congruent trials. Furthermore, the ERP analyses on the individual level showed that the N400 effect was not uniform across the tested group – instead, there were participants with and without this effect. This observation indicates that inter-individual variability exists when it comes to the N400 effect and suggests that this effect should not be used as an index of semantic processing at the individual level. However, what other cognitive processes that can be observed in the EEG signal are responsible for the differences in the N400 effect still needs further investigation, as the model used in this work did not succeed in addressing this issue.