Neuronal underpinnings of stuttering

Abstract

Fluent speech production depends on robust connections between brain regions that are crucial for auditory processing, motor planning and execution. The ability of the speech apparatus to produce effortless, continuous and uninterrupted flow of speech is compromised in people who stutter (PWS). Stuttering is a multifactorial speech fluency disorder that results in unintended occurrences of sound syllable repetitions, prolongations, and blocks, particularly on the initial part of words and sentences. Decades of research on the topic have produced an extensive amount of data but the mechanism behind the symptoms associated with stuttering is not clear. The aim of the present study was to investigate the neuronal basis of stuttering by looking at the brains neurochemistry utilizing the proton magnetic resonance spectroscopy (1H - MRS) technique. In particular, we looked at the neurotransmitters N-acetyl Aspartate (NAA), an aggregate of Glutamate and Glutamine (Glx) and myo-inositol (mI) as potential candidates for understanding the biochemical manifestations of stuttering. We have also collected behavioral data from the PWS group and correlated it with their spectroscopy results. Finally, we combined the measurements of neuronal activity behind speech production, probed with functional magnetic resonance imaging (fMRI), with 1H-MRS measurements in order to achieve information on the interaction between neuronal activation and underlying neurochemical function. The inferior frontal gyrus (IFG) was chosen as a target region for this investigation, given its' involvement in speech motor control. Neurotransmitter mI showed the main group effect. The cerebral metabolite pattern of PWS is characterized by the pronounced reduction in myo-inositol level in the IFG. Myo- inositol is considered a glial marker and its concentration may reflect the condition of myelin in the brain. The myelination process is referred to as the maturation process of the fibers that facilitates rapid neural innervation of speech muscles underlying speech fluency. Hence, given the existing literature on the topic and our main findings we suggested that delayed or impaired myelination of the speech-related neuronal network in the postnatal period might be responsible for the later development of stuttering.

Flytende tale er avhengig av solide forbindelser mellom hjerneområder involvert i auditorisk prosessering, motorisk planlegging og utførelse. Taleapparatets evne til uanstrengt å produsere flytende uforstyrret tale er forstyrret hos personer som stammer (PWS). Stamming er en sammensatt forstyrrelse av taleflyt som resulterer i ufrivillige gjentagelser av stavelser, utvidelser, og blokkeringer, spesielt i begynnelsen av ord og setninger. Gitt tiår med forskning på området er det ennå ikke klart hvilke mekanismer som ligger til grunn for stammingen. Hensikten med dette studiet har vært å utforske det nevrale grunnlaget til stamming ved å se på hjernens nevrokjemi ved å ta i bruk proton-magnetisk resonsansspektroskopi (1H-MRS) teknikk. Vi har sett på om nevrotransmitterene: N-acetyl Asparatate (NAA); glutamat og glutamin (Glx) og myo-inositol kan bidra til forståelsen av de biokjemiske manifestasjonene av stamming. Vi har også samlet inn atferdsdata fra PWS-gruppen og korrelert dette med spektroskopi-dataen. Til slutt kombinerte vi målingene av den nevral aktiviteten av taleproduksjon med 1H-MRS målingene for å se på interaksjon mellom nevral aktivering og underliggende nevrokjemisk funksjon. Inferior frontal gyrus (IFG) var målområdet for undersøkelsen, siden området er viktig for motorisk kontroll av tale. Nevrotransmitteren myo-inositol viste en hovedgruppeeffekt. Metabolittene i hjernen til personer som stammer var karakterisert av en tydelig reduksjon i nivå av myo-inositol i IFG. Myo-inositol er ansett som en glial markør, og dets konsentrasjon kan muligens fortelle om myelinets tilstand i hjernen. Myelineringsprosessen av nerveceller er en modningsprosess som fasiliterer rask signaloverføring fra hjernen til muskelfibrene involvert i tale. Vi foreslår derfor på bakgrunn av foreliggende litteratur på området og våre resultater at forsinket eller hemmet myelinering av tale-relaterte nevrale nettverk i spedbarnsperioden kan føre til senere utvikling av stamming.