Doctoral theses defended

Parkinson¿s disease (PD) is the second most common neurodegenerative disorder associated with aging. Approximately 40% of the PD patients treated with dopaminergic medication will develop Impulse Control Disorder (ICD). PD patients with ICD engage in pathological behaviors akin to behavioral addictions, as a result of a malfunction of their reward system due to chronic exposure to dopaminergic medication. Cognitive neuroscience research has investigated cognitive impulsivity and reward mechanisms in PD patients with ICD. However, functional and molecular imaging evidence indicates abnormalities in regions and networks that are not associated with cognitive impulsivity, but with domains such as movement, inhibitory control, and semantic processing. These domains have either not been previously investigated in this population, or previous literature shows mixed results. This doctoral dissertation aims at examining the neural correlates of three different domains in a group of patients with PD and ICD, a group of patients with PD and no ICD, and a group of healthy control participants using functional magnetic resonance imaging (fMRI). The three domains examined in each Experiment are motor function through a sequential finger-tapping task (Experiment I), inhibitory control through measures of response inhibition (Experiment II), and semantic processing via an auditory processing task (Experiment III). We were particularly interested in group differences in the functional networks and regions implicated in these tasks. Our results revealed that, across the three examined domains (i.e., motor, response inhibition, semantic processing), PD patients with ICD showed differential functional coupling among regions relative to their control counterparts, which remarks the importance of neural networks in cognitive neuroscience. Although the domains examined here had not received special attention in PD patients with ICD, we show that these patients exhibit functional differences beyond the reward system circuitry.

La adquisición del lenguaje es un proceso que ese encuentra determinado tanto por mecanismos de desarrollo cognitivo, como por la experiencia lingüística durante los primeros años de vida. Aunque se trata de un proceso relativamente complejo, los bebés muestran una gran habilidad para el aprendizaje del lenguaje. Un entorno de aprendizaje lingüístico bilingüe podría considerarse aun más complejo, ya que los bebés están expuestos a las características lingüísticas de dos lenguas simultáneamente. En primer lugar, los bebés que crecen en un entorno bilingüe tienen que ser capaces de darse cuenta de que están expuestos a dos lenguas diferentes, y posteriormente deben separar y aprender las características especificas de cada una de ellas; por ejemplo, los distintos fonemas, palabras o estructuras gramaticales. Aunque la exposición lingüística total de los bebés bilingües debería ser comparable a la de los bebés monolingües, es probable que la exposición a cada una de las lenguas de su entorno sea menor, ya que tienen que dividir su tiempo de exposición entre ambas. Si bien los bebés bilingües parecen no tener problemas para enfrentarse a un contexto de aprendizaje potencialmente más complejo, ya que alcanzan las distintas etapas de adquisición del lenguaje a un ritmo similar a los bebés monolingües, sí se han observado adaptaciones a nivel conductual y a nivel de funcionamiento cerebral que podrían producirse como consecuencia de este contexto. En el primer capítulo de la tesis se realiza una revisión detallada de la literatura sobre la adquisición del lenguaje en entornos bilingües durante los primeros meses de vida, con especial énfasis en las posibles adaptaciones que tienen lugar en los bebés bilingües durante este proceso. Estudios previos han demostrado que la forma en la que los bebés monolingües y bilingües dirigen su atención a estímulos lingüísticos difiere entre ambos grupos. Los bebés bilingües parecen mostrar mayor interés hacía estímulos lingüísticos novedosos, mientras que los bebés monolingües se ven más atraídos por la información lingüística relacionada con su lengua materna. Por otra parte, algunas habilidades perceptivas, como la capacidad para diferenciar dos lenguas en base a información lingüística visual, pero no auditiva, parecen seguir una trayectoria diferente entre estos dos grupos. Si bien los bebés monolingües se especializan antes en las características de su lengua materna, reduciendo progresivamente su habilidad para discriminar otras lenguas no presentes en su entorno, los bebés bilingües parecen mantener sus capacidades de discriminación lingüística durante más tiempo, además de utilizar diferentes estrategias para conseguirlo, lo cual podría suponer un mecanismo de adaptación a su entorno lingüístico más complejo. Además, también se ha observado que crecer en un entorno lingüístico bilingüe podría influir en el desarrollo de otras funciones cognitivas más allá del ámbito del lenguaje, y más concretamente en las funciones ejecutivas. Algunas de estas diferencias también han sido confirmadas mediante estudios de neuroimagen, por ejemplo, al comparar las respuestas cerebrales de bebés monolingües y bilingües ante sonidos del habla de la lengua materna y una lengua desconocida. Sin embargo, debido a la dificultad que supone realizar este tipo de estudios en población infantil, algunos de estos estudios cuentan con importantes limitaciones metodológicas, las cuales también se describen a lo largo de la tesis, y que los estudios realizados pretenden superar. El objetivo general de esta tesis doctoral ha sido estudiar la influencia del bilingüismo en el desarrollo funcional del cerebro durante los primeros meses de vida. Concretamente, el grupo experimental de interés para los estudios de esta tesis han sido los bebés de 4 meses de edad, por tratarse del primer momento del desarrollo donde se han observado diferencias tanto conductuales, como a nivel de funcionamiento cerebral entre bebés monolingües y bilingües. Los estudios principales de esta tesis se han centrado en investigar si una exposición temprana y continuada a un entorno bilingüe podrían producir cambios en la organización y el funcionamiento cerebral, especialmente en áreas asociadas al lenguaje, siendo estas diferencias observables mediante el empleo de técnicas de neuroimagen funcional adaptadas para su uso con población infantil. Concretamente, para la realización de los estudios presentados se ha utilizado la técnica de neuroimagen funcional espectroscopia del infrarrojo cercano (functional near-infrared spectroscopy - fNIRS), cuyos fundamentos se describen en detalle en el capítulo 2. Esta técnica utiliza las propiedades de la luz infrarroja para penetrar los tejidos del cuerpo humano, ya que la piel, el cráneo y los tejidos cerebrales no absorben este tipo de luz. Esta propiedad permite relacionar las variaciones de intensidad que se producen en la luz al atravesar los tejidos cerebrales con los cambios que se producen en la concentración de oxigeno en áreas específicas del cerebro, los cuales representan una medida indirecta de actividad cerebral. Experimento 1. Conectividad Funcional en Estado de Reposo El primer estudio experimental de la tesis (capítulo 3) estudia la actividad funcional del cerebro en estado de reposo en bebés de 4 meses utilizando fNIRS. Estudiar la actividad del cerebro en estado de reposo es una forma de entender la organización funcional del cerebro, evitando la interferencia debida a diferencias individuales que puede darse en estudios que requieren la ejecución de una tarea específica. Este tipo de paradigma experimental permite estudiar la conectividad funcional (functional connectivity - FC), es decir la activación sincronizada entre áreas del cerebro que comparten un rol común durante la ejecución de diferentes procesos cognitivos, por ejemplo la red visual, la red auditiva, la red motora o la red del lenguaje. Este estudio incluyó datos de fNIRS de gran calidad recogidos en 99 niños de 4 meses de edad, con una duración de 9 minutos en cada uno de ellos, formando una muestra sin precedentes si se compara con estudios anteriores que han estudiado FC con fNIRS en población infantil. Los 99 participantes pertenecían a tres entornos lingüísticos diferentes: bilingües español-euskera, monolingües de español y monolingües de euskera. Además, se implementaron métodos para el estudio de la FC a nivel de grupo, sin necesidad de dividir a los participantes en base a condiciones experimentales. Esto permitió que los resultados de este estudio fueran calculados sobre una muestra de 99 participantes, y no a nivel de sub-grupo o individuo como se ha realizado en estudios anteriores de FC con fNIRS. Los resultados de este estudio revelaron mapas de FC a nivel de grupo que coinciden con estudios previos de neuroimagen realizados con resonancia magnética funcional, en los cuales la literatura es más extensa, tanto en adultos como en población infantil. Sin embargo, la comparación estadística entre los grupos experimentales (bilingües vs monolingües) no encontró diferencias en los patrones de estas redes entre los grupos. Puesto que hasta ahora únicamente se han observado diferencias en FC debido a un entorno bilingüe en poblaciones adultas, futuras investigaciones con participantes en distintas etapas del desarrollo podrían ayudar a clarificar cuándo y bajo qué condiciones comienzan a manifestarse estas diferencias en la organización funcional del cerebro durante la infancia. Experimento 2. Retos Estadísticos durante el Procesamiento de la Señal de fNIRS En el capítulo 4 de la tesis se presenta un estudio metodológico, en el cual se discute el problema de la autocorrelación temporal en la señal fNIRS, una propiedad de la señal que puede inducir falsos resultados en estudios de conectividad funcional (FC). Esta característica en la señal de fNIRS se debe principalmente a la alta frecuencia de muestreo de la señal de este sistema de neuroimagen, y a la presencia de componentes fisiológicos (e.g., respiración o pulso cardiaco) que coexisten con la señal hemodinámica de interés, es decir con aquella que refleja de manera indirecta la actividad neuronal. En este estudio se evalúan empíricamente los dos métodos principales que se habían propuesto para eliminar el efecto de la autocorrelación temporal presente en la señal de fNIRS. Los análisis realizados demuestran que estos métodos son eficaces en esta tarea, pero que también modifican ciertas propiedades intrínsecas de la señal neurofisiológica medida con fNIRS, y en las cuales están basados todos los estudios previos de la literatura sobre FC. Los análisis realizados demuestran que utilizando un análisis clásico de la señal fNIRS es posible replicar los resultados de dos estudios recientes de FC realizados en población infantil. Por el contrario, al eliminar la autocorrelación mediante los métodos propuestos en la literatura no es posible replicar los resultados de ninguno de los estudios. Por lo tanto, en base a los resultados, se concluye que para considerar la aplicación rutinaria de este paso durante el preprocesado de la señal fNIRS es necesario que su efecto se investigue más detalladamente, con el objetivo de entender la relevancia neurofisiológica de la señal fNIRS tras eliminar su autocorrelación intrínsica. Futuros estudios podrían determinar el procedimiento más apropiado para corregir el elevado numero de falsos positivos en estudios de FC utilizando fNIRS, y proponer nuevos métodos que podrían aplicarse sin la necesidad de alterar las propiedades intrínsecas de la señal. Experimento 3. Respuestas Cerebrales a Estímulos Lingüísticos En el capítulo 5 se investigan las respuestas cerebrales de bebés monolingües y bilingües ante estímulos lingüísticos. Puesto que las diferencias entre estos grupos no se manifiestan en su actividad cerebral en estado de reposo, la hipótesis para este estudio plantea que los patrones de actividad cerebral podrían diferir en cuanto a las áreas encargadas del procesamiento del lenguaje, ya sea por el hecho de crecer en un entorno bilingüe, o por la reducida exposición que los bebés bilingües presentan hacia cada una de sus lenguas. Al igual que en el estudio de FC, para este estudio se obtuvieron datos de gran calidad en 58 niños de 4 meses de edad, en este caso monolingües de español y bilingües de español y euskera. Los participantes fueron expuestos a frases en español mientras se midió su actividad cerebral utilizando la técnica de fNIRS. Para el diseño experimental del estudio, se utilizó un procedimiento optimizado basado en algoritmos genéticos por primera vez en fNIRS que permite investigar tanto las áreas cerebrales activadas, como la forma de la respuesta hemodinámica de forma más eficiente (i.e. mayor número de eventos por unidad de tiempo) que con paradigmas más convencionales y ampliamente utilizados en estudios de fNIRS. Los análisis a nivel de grupo, es decir considerando las respuestas de todos los participantes de manera conjunta, mostraron actividad funcional en áreas clásicamente asociadas a la audición y el lenguaje como el giro temporal superior y medio de ambos hemisferios, aunque con cierta tendencia hacia una mayor lateralización hacia el hemisferio izquierdo. Se observaron diferencias significativas entre los grupos experimentales, especialmente en áreas cerebrales relacionadas con el procesamiento de la información auditiva. Estos resultados podrían ser muy relevantes ya que demostrarían que un entorno bilingüe podría producir una adaptación funcional en el cerebro durante los primeros meses de vida, confirmando así las hipótesis desarrolladas en previos estudios conductuales. Sin embargo, estos resultados deben ser interpretados con cautela, ya que los efectos detectados fueron relativamente débiles, tal y como demostraron los procedimientos estadísticos aplicados para la corrección por comparaciones múltiples. Discusión General En resumen, esta tesis analiza el impacto que supone la exposición temprana a un entorno bilingüe para el desarrollo funcional del cerebro. Los estudios presentados en esta tesis podrían tener importantes implicaciones teóricas para futuras investigaciones centradas en entender las primeras etapas de la adquisición del lenguaje. Concretamente, los resultados sugieren que el contexto lingüístico durante los primeros meses de vida podría causar cambios en la organización funcional del cerebro los cuales son observables durante el procesamiento de estímulos lingüísticos, y que sin embargo no se manifiestan al examinar la organización funcional del cerebro en estado de reposo. En esta tesis también se proponen varios avances metodológicos de relevancia en cuanto al procesamiento y al análisis de la señal de fNIRS. Asimismo, se demuestra la utilidad de la técnica fNIRS para medir de forma fiable el funcionamiento cerebral en población infantil utilizando diferentes paradigmas experimentales. A lo largo de este trabajo también se incide en la importancia de aplicar una metodología transparente y replicable en futuras investigaciones en el campo de la neurociencia cognitiva del desarrollo.

The magnocellular and parvocellular systems are major visual recognition pathways, with distinct histological and physiological properties. Despite their critical role, there is limited evidence on the specific contributions of these visual pathways to visual recognition in general, word reading in particular, as well as in regard to their developmental trajectories. This doctoral dissertation is aimed at examining the involvement of the magnocellular and parvocellular pathways in reading over development (Empirical Part I), in visual cortex regions during reading and visual recognition (Empirical Part II) and in the two main reading ventral and dorsal networks (Empirical Part III). Our results revealed i) a more protracted maturation of the magnocellular visual pathway compared to the magnocellular pathway from middle childhood to adulthood, ii) a functional division of labor in the visual cortex as a function of the parvocellular and magnocellular properties of the stimuli, and iii) that both the magnocellular and parvocellular pathways are involved in reading processes, with the parvocellular pathway mainly contributing to the ventral reading network and the magnocellular pathway mainly contributing to the dorsal reading network.

La comunicación humana y comprensión del mundo dependen en gran medida de las palabras y conceptos que empleamos. En el marco de esta tesis, mi investigación se enfoca en comprender la naturaleza dinámica de las representaciones conceptuales en el cerebro humano. Mi objetivo es investigar cómo procesos naturales, como el envejecimiento, impactan en las representaciones conceptuales a nivel neural. Además, busco explorar las posibilidades de la neuromodulación artificial a través del neurofeedback decodificado -fMRI-DecNef-, utilizando técnicas de aprendizaje automático (machine learning) y resonancia magnética funcional. En mi primer estudio, examiné cómo el envejecimiento afecta a las representaciones neurales de categorías semánticas, específicamente en la distinción entre seres vivos y objetos inanimados. Para ello, hice uso de métodos avanzados de análisis multivariado y computacionales. Los resultados revelaron que, con el envejecimiento, las representaciones de estas categorías muestran una disminución en su distintividad y especificidad en ciertas regiones cerebrales. En mi segundo estudio, desarrollé y puse a prueba un innovador protocolo de fMRI-DecNef, con la intención de investigar su potencial para manipular las representaciones conceptuales a nivel neural y explorar su viabilidad en el abordaje de ciertos trastornos o deterioros cognitivos asociados a la edad. El objetivo principal fue investigar la capacidad de este enfoque para dotar de forma inconsciente de nuevos significados a estímulos previamente neutrales, por medio de aprendizaje asociativo. Los resultados sugieren que el fMRI-DecNef puede reconfigurar las representaciones conceptuales de manera inconsciente. Ambos hallazgos amplían nuestro entendimiento sobre la formación y modificación de las representaciones conceptuales a lo largo del tiempo, y presentan oportunidades prometedoras para el desarrollo de terapias que utilicen técnicas de neuromodulación y neurofeedback decodificado.

This thesis aims to investigate how cerebrovascular reactivity mapping (CVR), i.e. the physiological response of the cerebral vessels to vasodilatory or vasoconstrictive stimuli, impacts the BOLD fMRI measurements of task induced activity and resting state. After introducing the dataset collected to explore this topic, the first chapters will present a technique to optimise CVR mapping, considering its haemodynamic lag response and improve its denoising. Then, the impact that physiological processes such as blood pressure and pulse have on CVR will be assessed. Finally, the impact of CVR on task induced activity and resting state will be evaluated, in particular through the replication of two recent studies on the matter. The findings of this thesis support the idea that while physiological processes have a clear and direct impact on CVR, the impact of the latter on other BOLD measurements might be more complex, and requires further studies and investigations.

En la presente tesis doctoral se examinará el reconocimiento, tanto visual como auditivo, de palabras por bilingües tardíos de castellano-inglés con un nivel medio-alto en su segunda lengua (L2¿inglés). Se desarrollarán cuatro experimentos que tienen como objetivo profundizar en el conocimiento sobre el reconocimiento de cognados en distintos contextos visuales y auditivos, así como explorar el rol de la lengua no atendida en este proceso. Se presentarán las teorías y modelos asociados al reconocimiento de palabras en bilingües. Se expondrán los 4 experimentos que se llevaron a cabo (visuales y auditivos) y, finalmente, se discutirán los resultados hallados y se los relacionará con los modelos de reconocimiento visual y auditivo de palabras en bilingües, aprovechando las diferencias en la arquitectura de los modelos a la hora de sacar conclusiones sobre cuál de ellos se adapta mejor a los resultados encontrados.

El objetivo general de esta tesis doctoral es estudiar el impacto que factores del contexto lingüístico en el que crecen niñas y niños tienen en su desarrollo del lenguaje. Para ahondar en dicho objetivo, nos centramos en la cantidad y la calidad del input lingüístico que reciben niñas y niños de entre 4 y 7 años, y en cómo se desarrollan sus habilidades del lenguaje a distintos niveles como consecuencia de dicho input. En concreto, la cantidad de input lingüístico está operacionalizada en esta tesis como la proporción de exposición a cada idioma en niños que se desarrollan en un idioma bilingüe euskera-castellano. Respecto a la calidad del estímulo lingüístico, nos centramos en estudiar el habla dirigida a niñas/os (child-directed speech), con el objetivo de estimar si está caracterizada por unas propiedades temporales que puedan facilitar el desarrollo de un sistema fonológico. Tanto la cantidad como la calidad de la exposición lingüística juegan aquí un rol de predictores del desarrollo del lenguaje en distintas áreas, que dividimos de manera amplia en habilidades fonológicas (memoria fonológica a corto plazo y conciencia fonológica) y habilidades no fonológicas, en las que circunscribimos las capacidades léxico-semánticas y sintácticas. En resumen, los tres estudios que forman la presente tesis pueden ser entendidos en una lógica interrelacionada, en la que la cantidad y la calidad de la exposición lingüística juegan un papel crucial en el desarrollo del lenguaje en edades en las que el input oral es crucial, en concreto de 4 a 7 años de edad.

The bilingual population can provide a unique insight into bilingual language processing. One area debated in the literature is how a bilingual brain manages the known languages and what happens when damage occurs. The general aim of this thesis was to further our understanding of bilingual language processing and the functional reorganization that may occur due to external circumstances. This thesis extends previously reported findings on time-frequency MEG components that play an essential role in underpinning neural mechanisms during bilingual switching task. It also compares these findings to patients with brain tumors to better understand the impact of the growing tumor and the neural plasticity mechanisms following tumor resection. In this thesis, I also explore the possibility of a non-invasive ¿virtual lesion¿ approach to replicate some of the cognitive deficits when a tumor is located in one of the known semantic hubs trying to differentiate two networks: one including AG, IFG, and preSMA, and another one - MTG and ATL. Overall, the results suggest that highly proficient bilinguals implement a language-independent mechanism involved in cue-based language selection that enables controlled access to the intended lexico-semantic representation in the ATL, possibly through inhibition of the non-target lexical item and/or disinhibition of the target one. In the brain tumor population, the results suggest that when a tumor compromises areas critical for language processing, 1) it affects different languages differently and 2) to compensate for the processing deficits, bilateral AG and DLPFC take over as the main areas for processing. In the TMS experiment the findings suggest that the left AG is involved in processing bilingual language control, whereas the MTG might not be involved to such degree despite previous findings where both AG and MTG are involved. However, in line with previous evidence, this experiment supports the idea that AG and MTG are not constituting the same network and are functionally dissociable.

Este trabajo de doctorado investiga el efecto de la modalidad, acústica y visual, en la estructura te mporal del lenguaje. Comparamos el español europeo hablado y la lengua de signos española ( que utilizan respectivamente la modalidad acústica y visual para expresar el contenido lingüístico, en una población bilingüe bimodal a través de tres estudios En el primer estudio investigamos hasta qué punto la inteligibilidad depende de la estructura temporal del lenguaje, aplicando diferentes niveles de distorsión temporal. En el segundo estudio empleamos un sistema de seguimiento del movimiento para medir y describir las propiedades físicas de la señal lingüística visual producida en el lenguaje hablado y signado. Finalmente, en el último estudio, investigamos la sincronización entre las ondas cerebrales y las frecuencias de las señales lingüísticas en las lenguas habladas y signadas (ambos conocidas y desconocidas).

During evolution the expansion of the neocortex has been linked with the emergence of higher level cognitive functions, such as reasoning, abstract thinking, or language in human beings. Current research on cognitive neuroscience is mainly focused on the cerebral cortex. Whereas the thalamus is a structure that has extensive white-matter connections with the cerebral cortex, its expansion during evolution is parallel to the expansion of the neocortex. The thalamocortical connections are involved in communication between cortical areas. Thus, to fully understand the neural basis of cognition, a better understanding of the role of the thalamus in cortical function is necessary. The present doctoral dissertation is focused on the structure and function of the thalamus: the first study proposes a reproducible protocol to reconstruct the first-order thalamic white-matter tracts from diffusion-weighted imaging data; the second study investigates the higher-order thalamic white-matter tracts and a similar protocol is proposed to reconstruction those tracts; the third study uses task-based fMRI to examine the involvement of first-order thalamic nuclei in the main language systems. the current dissertation successfully reconstructed first-order and higher-order thalamic white-matter tracts from DWI data, and has proved high reproducibility of the reconstruction protocol. This protocol could benefit the tractography community to better understand the structural connectivity of the thalamus with cortical and subcortical structures and facilitate the research on thalamocortical pathways in humans. We also found evidence for differences in the processing of linguistic and nonlinguistic stimuli in first-order thalamic nuclei through a task-based fMRI study. These results suggest that the first-order thalamic nuclei play roles in human language that are beyond relaying sensory information from periphery to cerebral cortex. These findings are important to push forward our understanding on the role of subcortical structures, such as the thalamus, in human language functions, and to urge a revisitation of existing language models taking the thalamus into consideration.

The present thesis presents a series of experiments that explore of the Orthographic Consistency Effect (OCE) in auditory language perception and production. The OCE is a psycholinguistic effect that shows a facilitation in processing words with sounds that can be spelled in only one way (e.g., /t/ in French or Spanish) in comparison to words with sounds that can be spelled in multiple ways (e.g., /k/ in French or Spanish). The OCE can be considered as a by-product of literacy since it is displayed by people who know how to read and write. In Experiment 1, the OCE in auditory language perception in L1-French and L1-Spanish adults was investigated by means of an auditory lexical decision task (LDT). Experiment 2 investigated the OCE in Spanish seven-year-olds, who are at an early stage of reading acquisition, in auditory language perception using the same paradigm as in Experiment 1. Experiment 3 investigated the time course and the brain correlates of the OCE in auditory language perception. L1-Spanish adults were tested in an auditory LDT and a passive listening task. Experiment 4 explored the OCE in language production of French and Spanish adults by means of reading aloud and picture naming tasks. Experiment 5 replicated Experiment 4 but with Spanish seven-year-olds. Overall, this work showed that literacy can strategically influence language perception and production.

Functional specialisation and plasticity are fundamental organising principles of the brain. Language is a uniquely human phenomenon that requires a delicate balance between neural specialisation and plasticity, and language learning offers the perfect window to study these principles in the human brain. Though the human brain exhibits a remarkable ability to support a variety of languages that may be acquired at different points in the life span, the capacity for neural reorganisation decreases with age. Further, language is a complex construct involving linguistic as well as visual, auditory, and motor processes. The current doctoral thesis asked two main questions: (1) Do large-scale functional changes accompany language learning in adulthood? and (2) Are these neural changes similar across different language systems such as reading, speech comprehension, and verbal production? These questions were investigated in three fMRI experiments with adult language learners. In Experiments I and II, comprehension and production were examined in 30-to-60-year-old intermediate and advanced language learners and functional learning-related changes in each modality were comprehensively characterised. In Experiment III, hemispheric lateralisation of reading, speech comprehension, and verbal production were compared and contrasted, and the analyses were extended to a second longitudinal study with a contrasting participant sample. Robust evidence was found for significant functional plasticity well into adulthood, and results showed that different language systems exhibited different patterns of hemispheric specialisation and plasticity. The results have theoretical and practical implications for our understanding of fundamental principles of neural organisation of language, language learning in healthy populations, and language testing and recovery in patients.

Metacognition refers to the capacity of reflecting upon our own cognitive processes. There is an ongoing discussion in the literature on the role of metacognitive monitoring in learning and academic achievement. However, little is known about the developmental trajectories of metacognitive functions during the first years of primary school, when children start learning how to read. In the context of the present thesis, a within-subject longitudinal study was designed in order to evaluate students¿ metacognitive monitoring ability in tasks related to orthographic lexical processing and its prerequisites, and a non-reading related task, during earlier and later stages of reading development (from Grade 1 to Grade 3). A cutting-edge hierarchical Bayesian Signal Detection Theory model was used for the estimation of metacognitive ability in each task. The main goals of this study were threefold. First, we aimed to investigate how metacognitive monitoring develops within linguistic and non-linguistic tasks during the first years of primary school. Second, we assessed whether or not young children recruit common or domain-specific mechanisms supporting metacognition across the different task domains and whether this pattern changes between Grade 1 and Grade 3. Third, we sought to examine how and if metacognitive monitoring ability (i.e. how confidence ratings track accuracy in the task) and task performance in the linguistic and non-linguistic tasks, relate to students¿ standardized reading ability during the first years of primary school and whether early metacognitive ability in reading-related tasks, can predict students¿ longitudinal improvements in students¿ reading performance.

Esta tesis se centra en mejorar técnicas de análisis de datos de resonancia magnética funcional (fMRI) basadas en la deconvolución de la señal hemodinámica sin información previa del paradigma para estimar la actividad cerebral. La tesis aborda limitaciones de estos algoritmos e introduce novedades basadas en algoritmos de estimación de mínimos cuadrados con regularización para solventarlas. En concreto, se presentan: 1) una demostración de que las formulación de síntesis y análisis funcionan exactamente igual a efectos prácticos, 2) una nueva técnica para evitar la elección de los parámetros de regularización, 3) una nueva formulación multivariada con términos de regularización que hacen uso de toda la información espacial para mejorar la deconvolución, 4) la aplicación de la formulación multivariada en un entorno multi-sujeto siendo el primer algoritmo de este tipo para el análisis de datos naturalísticos, 5) la introducción de un término de regularización que estima fluctuaciones globales para reducir su impacto en la estimación de la actividad neuronal. Se han evaluado en datos simulados y de fMRI, y se ha demostrado su mejora considerable respecto a anteriores algoritmos de este tipo. Estos algoritmos permiten explorar la actividad cerebral en datos de fMRI sin necesidad de saber cuándo y dónde ocurre, lo cual tiene importantes aplicaciones en estudios de neurociencia cognitiva y clínica.

Words representing objects (nouns) and words representing actions (verbs) are essential components of speech across languages. Previous studies have shown that the lexico-semantic processing of object and action knowledge depends on segregated ventral and dorsal pathways, respectively involving inferotemporal and frontoparietal nodes. Despite extensive research, a comprehensive understanding of the neural dynamics (including spatial, temporal, and spectral patterns) underlying this process and its potential variation across languages is currently missing. Furthermore, evidence supporting its functional reorganization in the presence of brain damage is scarse. This doctoral thesis addresses two critical questions: (1) What are the neural signatures of object and action naming across different languages? (2) How does the presence of brain tumors affecting ventral and dorsal pathways impact on the lexico-semantic processing of object and action knowledge? To answer these questions, we collected behavioral and MEG data while participants performed a picture-naming task, the gold standard for investigating speech production. We evaluated healthy monolingual and bilingual speakers, and brain tumor patients with low-grade gliomas in ventral and dorsal regions, both before and after surgery for tumor resection. Results from healthy participants showed segregated beta (13¿28 Hz) power decreases in left ventral and dorsal pathways for object and action naming. These modulations occurred during a time-window associated with lexico-semantic processing (~250-500ms), supporting the notion that speech production involves partially different networks depending on the semantic category being processed. Interestingly, we found that these neural patterns overlapped across different languages (Spanish and Basque) in highly proficient bilingual speakers, suggesting that when individuals master both languages to a similar extent, category-based representations overlap at the semantic level. Finally, when longitudinally comparing patients' responses (post- vs. pre-surgery) we found beta modulations mimicking the category¿based segregation showed by healthy individuals, with ventral and dorsal damage leading to selective compensation for object and action naming, respectively. A similar pattern was also observed in bilingual patients. Overall, these findings have important theoretical and clinical implications for language (re)organization in health and disease.

In the last few decades, a lot of research focus has been to understand how the human brain generates expectation about the incoming sensory responses and how it deals with surprise or unpredictable input. It is evident in predictive processing literature that the human brain suppresses the neural responses to predictable/expected stimuli (termed as expectation suppression effect). This thesis provide evidence to how expectation suppression is affected by content-based expectations (what) and temporal uncertainty (when) across sensory modalities (visual and auditory) using state-of-art Magnetoencephalography (MEG) imaging. The result shows that visual domain is more sensitive to content-based expectations (what) more than the timing (when), also visual domain shows sensitivity to timing (when) only if what was predictable. However, Auditory domain is equally sensitive to what and when features, showing enhanced suppression to expectation compared to visual domain. This thesis concludes conclude that the sensory modalities deal differently with the contextual expectations and temporal predictability. This suggests that while investigating predictive processing in the human brain, the modality specific differences should be considered, since the predictive mechanism at work in one domain should not necessarily be generalized to other domains as well.

The functional scope of unconscious visual information processing and its implementation in the human brain remains a highly contested issue in cognitive neuroscience. The influential global workspace and higher-order theories predict that unconscious visual processing is restricted to representations in the visual cortex, which are not read-out further by frontoparietal areas. The present thesis employs fMRI and computational approaches to develop a high-precision, within-subject framework in order to define the properties of the brain representations of unconscious content associated with null perceptual sensitivity. Machine learning models were used to read-out multivariate unconscious content from fMRI signals throughout the ventral visual pathway, and model-based representational similarity analysis examined the properties of both conscious and unconscious representations. Finally, feedforward convolutional neural network (FCNN) models were used to simulate the fMRI results, namely, to probe the existence of informative representations of visual objects with null perceptual sensitivity in artificial networks. The results show that even when human observers display null perceptual sensitivity at a behavioral level, there are neural representations of unconscious content widely distributed throughout the cortex, and these are not only contained in visual regions but also extend to higher-order regions in the ventral visual pathway, parietal and even prefrontal areas. The computational simulations with different FCNN models trained to perform the same visual task with noisy images demonstrated that even when the FCNN models failed to classify the category of the noisy images, the hidden representation of the FCNN models contained an informative representation that allowed for decoding of the image class. The implications of the results for models of visual consciousness are discussed.

The neurocognitive mechanisms that support the generalization of semantic representations across different languages remain to be determined. Current psycholinguistic models propose that semantic representations are likely to overlap across languages, although there is evidence also to the contrary. Neuroimaging studies observed that brain activity patterns associated with the meaning of words may be similar across languages. However, the factors that mediate cross-language generalization of semantic representations are not known. In a series of functional MRI research studies, we investigate how factors including state of visual awareness, depth of word processing and lexico-semantic characteristics of words influence cross-language generalization of semantic representations. Using multivariate pattern analysis, we found that fully conscious and deep processing of high concrete and high frequency words leads to above-chance cross-language generalization in putative areas of the semantic network. These results have ramifications for existing psycholinguistic models and theories of meaning representation.

Aprender un nuevo idioma es una tarea ardua pero altamente gratificante. Los aprendices deben adquirir un vocabulario extensivo, así como una serie de reglas sobre cómo variar y combinar este vocabulario para producir oraciones con sentido. No obstante, es posible que aprender nuevos idiomas se vuelva más sencillo una vez conocemos al menos dos. Basado en esta idea, en esta tesis exploro si existen diferencias entre las personas que sólo saben un idioma (monolingües) y aquellas que hablan dos idiomas (bilingües) a la hora de aprender un nuevo idioma. Para ello, llevé a cabo seis experimentos conductuales con participantes de distintos perfiles lingüísticos: un grupo de hablantes monolingües del castellano, un grupo bilingüe castellano-inglés, y un grupo bilingüe castellano-vasco. Estos experimentos, en conjunto, abarcaban el aprendizaje implícito y explícito de nuevos idiomas utilizando estímulos lingüísticos artificiales. En general, los resultados de todos experimentos indicaron que ambos grupos bilingües desempeñaron mejor que el grupo monolingüe al aprender vocabulario de manera implícita y explícita, pero no en otros ámbitos (fonología, ortografía, morfología). Para explicar cómo surgen estas diferencias en el aprendizaje de vocabulario, desarrollé un modelo computacional capaz de aprender palabras escritas utilizando los patrones ortográficos de palabras en uno o dos idiomas. Este modelo indicó que, al aprender palabras en dos idiomas, es más sencillo reconocer y producir nuevas palabras que al aprender vocabulario de un único idioma. La totalidad de estos resultados me llevaron a concluir que los monolingües y bilingües difieren fundamentalmente en el aprendizaje de vocabulario, debido a que la exposición a distintos patrones dentro de palabras en dos idiomas les hace más flexibles a la hora de integrar la información ortográfica (y posiblemente fonológica) de nuevas palabras.

Sabemos que haber adquirido una segunda lengua con una exposición limitada y artificial hace que el aprendizaje de nueva información y vocabulario en ese idioma sea particularmente difícil. El propósito de esta tesis es ayudarnos a comprender cómo podemos compensar, al menos parcialmente, estas dificultades presentando la información de una manera que ayude al aprendizaje. En particular, me concentré en las variables que afectan la riqueza semántica, entendida como la cantidad y variabilidad de información asociada con una palabra. Analicé dos factores: la emocionalidad del contexto semántico y la diversidad contextual. Los resultados mostraron que la emocionalidad del contexto semántico y la diversidad contextual pueden mejorar el aprendizaje en un idioma extranjero. A pesar de la reducción en emocionalidad en la lengua extranjera, el contexto emocional positivo no solo mejoró el aprendizaje de contenido y vocabulario en la lengua extranjera, sino que lo hizo en la misma medida que en la lengua materna. Del mismo modo, los efectos de la diversidad contextual también fueron iguales entre idiomas, aunque el vocabulario acotado en la lengua extranjera aumente la dificultad en la lectura. Estos resultados en su conjunto sugieren que aprender en un idioma extranjero y expandir el conocimiento en nuestra lengua nativa no es tan diferente, lo que nos permite aprovechar las herramientas de aprendizaje en la lengua nativa en la extranjera también.

Previous research has shown that costs associated with verb argument structure processing scale with the number of arguments and/or as a result of non-canonical argument mapping. Increased difficulty associated with these factors has also been reported for persons with aphasia (PWA). Basque assigns ergative case to subjects of unergative and transitive, but not unaccusative, verbs. The present thesis studies how these case assignment patterns affect processing costs required for unergative, unaccusative and transitive verbs in Basque in contrast to Spanish and English. In three experiments, the performance of neurotypical Basque-Spanish bilinguals and bilingual PWA is tested via tasks targeting lexical-, sentence- and connected-speech levels of linguistic representation in both production and comprehension. Distinct behavioral measures are used to evaluate cross-linguistic patterns of argument structure processing. Our results in neurotypical Basque speakers indicate that ergative-case markings significantly affect the processing cost of unergative verbs. In contrast, Spanish showed patterns consistent with English, i.e., unaccusatives elicited increased processing cost when compared to other studied verb groups. With respect to the PWA, the Spanish-English bilingual PWA manifested intensified but qualitatively similar argument complexity effects to those in neurotypical speakers. The performance of the Basque-Spanish PWA goes against our predictions for Basque and Spanish. Overall, the present thesis brings novel evidence that languages with ergative-absolutive case alignment, like Basque, do not pattern alike with more commonly studied nominative-accusative languages like Spanish or English in terms of argument structure complexity effects, calling for further cross-linguistic investigation. We endorse cross-linguistic research on argument structure processing, especially in understudied languages like Basque, and stress the need and importance of a cross-linguistic approach to aphasia.

La comprensión del lenguaje requiere la combinación de estímulos sensoriales (sílabas o palabras) en estructuras sintácticas abstractas (sintagmas u oraciones). Estudios neurocientíficos recientes basados en técnicas electrofisiológicas como la magnetoencefalografía (MEG) sugieren que esta estructuración sintáctica se sustenta en el mecanismo neural tracking, reflejado en la sincronización entre la actividad cerebral y la información sintáctica. El objetivo de la presente tesis es abordar cuestiones críticas sobre nuestro conocimiento actual del neural tracking de estructuras sintácticas a través de dos estudios de MEG. En el primer estudio, se investigan las implicaciones croslingüísticas de este mecanismo neural durante la lectura de dos lenguas (castellano y euskera) con propiedades sintácticas diferentes. En el segundo estudio, se investiga si la naturaleza subyacente de este mecanismo es exógena o endógena evaluando el papel de la predictibilidad temporal a nivel acústico y sintáctico. Los descubrimientos de esta tesis aportan nuevas perspectivas sobre las bases neurales de la comprensión del lenguaje, particularmente refinando las características fundamentales de sus mecanismos neurales subyacentes.

How does learning cultural systems like language impact cognition and perception? The last few years have seen increased interest into this topic, yet with little theoretical advance. One fundamental question concerns the nature of the neural mechanism through which language affects perceptual processes. Some accounts suggest that effects of language are ¿high-level¿, meaning that language does not affect early perceptual processes, but rather interact at later conceptual or decision-making stages. More recent proposals posit that language can alter perceptual processes at early sensory levels. This latter account is in line with current predictive processing theories of perception, which suggest that sensory processes are largely influenced by prior knowledge and expectation. The present thesis investigates whether and how language shapes perceptual processing. We focus on two specific types of language-perception interactions: (i) the effect of linguistic labels on the recognition of visual object categories; and (ii) the effect of linguistic knowledge on neural processing of rhythmic sounds. Using an interdisciplinary approach combining behavioral measures, human electrophysiology, and advanced statistical methods, we demonstrate that language can impact visual and auditory perception at early stages of processing, shaping how we perceive sensory events. This thesis also offers novel insights into the neurophysiological implementation of predictive processing in the human neocortex.

Previous research has found that speaker accent can have an impact on a range of offline and online cognitive processes (Baus, Bas, Calabria, & Costa, 2017; McAleer, Todorov, & Belin, 2014; Stevenage, Clarke, & McNeill, 2012; Sporer, 2001). Indeed, previous studies show that there are differences in native and non-native speech processing (Lev-Ari, 2018). Processing foreign-accented speech requires the listener to adapt to an extra range of variability, suggesting that there may be an increase in the amount of attentional and cognitive resources that are needed to successfully interpret the speech signal of a foreign-accented speaker. However, less is known about the differences between processing native and dialectal accents. Is dialectal processing more similar to foreign or native speech? To address this, two theories have been proposed (Clarke & Garrett, 2004; Floccia et al, 2009). Previous studies have contributed to the plausibility of both hypotheses and importantly for the purposes of this project, previous electroencephalography experiments exploring the question have mainly used sentences as material. More studies are needed to elucidate whether foreign accent is processed uniquely from all types of native speech (both native and dialectal accents) or whether dialectal accent is treated differently from native accent, despite both being native speech variations. Accordingly, the central aim of this dissertation is to further investigate processing mechanisms of speech accent across different levels of linguistic analysis using evidence from both behavioral and electrophysiological experiments. An additional aim of this project was to look at the effects of accent on information retention. In addition to fluctuations in attentional demands, it seems that non-native accent can lead to differences in the depth of listeners¿ memory encoding (Atkinson et al., 2005). This project further aimed to study how changing the accent of the information delivered may affect how well people remember the information received. Three experiments were carried out to investigate accent processing, results and future directions are discussed.

The present thesis investigates the role of orthography in auditory word learning. Across three experiments we explore whether adult speakers of Spanish (Experiments 1 and 3) and French (Experiment 2) use their knowledge of sound-to-spellings mappings to generate preliminary orthographic representations for newly acquired spoken words. Specifically, we first teach skilled readers novel spoken words with only one (i.e., consistent words) or two possible spellings (i.e., inconsistent words). Next, we present them with unique, preferred and unpreferred novel words¿ spellings. By analysing reading times for aurally acquired words seen for the first time in writing, we demonstrate that skilled readers of both transparent (i.e., Spanish) and opaque (i.e., French) writing systems generate preliminary orthographic representations for aurally familiar words. We discuss these results in the light of the existing theories of reading and word learning, and then go on to emphasise the novel contribution of the present work. Finally, we conclude by saying that the results of the present thesis reveal new ways in which learning to read affects spoken language processing.

The current thesis examines how an auditory semantic input can be leveraged to cross-modally support visual orthographic processes in reading. More specifically, the three studies were designed to test whether an auditory sentence context boosts optimal lexical orthographic processing in readers at different stages of reading development, and in orthographies of different depths. The first study examined the cross-modal effect of an auditory sentence context to mitigate the negative effects of a purely visual manipulation (decreased letter spacing) in skilled reading adults. The second study examined the same cross-modal semantic context effects in two groups of developing readers: less experienced and advanced readers in Grade 3 and Grade 5, respectively. The third and final study investigated cross-linguistic differences in the effect of an auditory sentence context to boost visual word recognition and orthographic learning in Spanish and English adult readers. The present work suggests that auditory semantic information can support lexical orthographic processes in reading and provides evidence of cross-modal compensatory mechanisms in skilled readers which could vary as a function of the maturity of the reading system. In addition, the results from the final study suggest that cross-modal semantic information facilitates recognition of familiar written words in readers of both shallow and deep orthographies.

Foreigner Directed Speech (FDS) is the result of speech accommodation produced by native speakers of a certain language while addressing non-native listeners of that language. By studying FDS, we aimed to explore the intricate dynamics of native and non-native communication and its implications for effective communication and teaching. In the first chapter, we identified the FDS acoustic features, such as vowel hyperarticulation and low speech rate. Also, we observed that FDS is adjusted to meet non-native listeners¿ linguistic needs. In the second chapter, we shed light on whether FDS speech adaptations vary depending on the speaker's communicative goals and the listeners' profiles (i.e., native vs. non-native). We measure acoustic features of speakers addressing a native and a non-native listener while teaching them to write, pronounce and recognize novel words. We found that speakers adjusted acoustic features to communicative goals depending on the listener's profile. This suggests that speakers adjust speech for teaching purposes. In chapter 3, we explored whether FDS facilitates L2 word learning as compared to NDS. participants were asked to learn L2 novel words either pronounced in FDS or Native directed speech (NDS). Results showed that the FDS group learned the words better than the NDS group. These findings supported the didactic assumption of FDS. In chapter 4, we investigated the effects of exposure to FDS on continuous speech perception. EEG, namely cortical tracking of speech, allows for real-time analysis of language processing. The results suggest that FDS supports the perception of L2 speech in (and only in) non-native listeners. Also, the study highlights the importance of considering the speech register's target audience. Through this thesis, we found that speakers adjust FDS to support learning of specific L2 skills to learn, that FDS promotes L2 novel word learning, both in recognition and production. Finally, we found that FDS also promotes perception of continuous speech, as cortical tracking results suggested.

Esta tesis doctoral tiene como objetivo estudiar los cambios en el tálamo y las redes neuronales en Enfermedad de Parkinson examinando sus correlaciones con cambios en los síntomas motores y múltiples dominios cognitivos: atención y memoria de trabajo, función ejecutiva, memoria, lenguaje y habilidades visuoespaciales. En primer lugar, se estudió la contribución de los núcleos talámicos en la progresión del deterioro cognitivo leve en la EP mediante técnicas de neuroimagen por resonancia magnética (Experimento I); En segundo lugar, las alteraciones de las redes en estado de reposo (RSN) estudiadas mediante conectividad funcional (Experimento II). Nuestros resultados revelaron asociaciones entre los núcleos anteroventral (AV) y ventrolateralposterior (VPL) con la cognición global y la importancia de la conectividad de la red sensorimotora (SMN) y la red frontoparietal (FPN) para el perfil disejecutivo en PD-MCI. Estos hallazgos enfatizan un perfil cognitivo disejecutivo prevalente en individuos con PD-MCI, lo que subraya la participación central del SMN y FPN. Además, la estrecha conexión entre los núcleos AV y VPL, asociados con la cognición global en la EP, y el FPN y SMN respectivamente, se suma a la intrincada relación entre núcleos talámicos específicos y redes neuronales más amplias.

En gran medida, desconocemos cómo nuestro cerebro facilita la conversión de características lingüísticas perceptuales a representaciones semánticas de la experiencia durante la lectura. La presente tesis doctoral tiene como objetivo dar una aproximación integradora a estas cuestiones. Para ello, se han llevado a cabo tres estudios complementarios que tienen por objetivos específicos, 1) analizar la influencia de la experiencia previa y las demandas de la tarea sobre los efectos neurales que permiten el acceso léxico; 2) explorar el efecto a nivel neural de manipular características psicolingüísticas que reflejan aspectos semánticos clave de las palabras; y 3) comparar las representaciones cerebrales obtenidas en base a modelos léxicos fonológicos y semánticos. En conjunto, los resultados de esta tesis contribuyen a una visión integradora de los procesos de acceso léxico tanto semánticos como fonológicos. La mayor contribución de este trabajo se basa en la observación de que dichos procesos involucran áreas cerebrales multifuncionales clave, como el IFG, vOTC y ATL, de manera dinámica. Más allá de una participación estanca de sus subregiones, nuestros resultados apoyan la noción de que, dentro de cierta especificidad funcional, los procesos de acceso al significado y representaciones perceptivas de las palabras involucran estas subregiones en función de interacciones complejas entre factores psicolingüísticos diversos y de las expectativas de la tarea.