University of Groningen Behavioral and neuroimaging ... fileChapter 8: fMRI study in Parkinson’s...

33
University of Groningen Behavioral and neuroimaging studies on language processing in Dutch speakers with Parkinson's disease Colman, Katrien Suzanne François IMPORTANT NOTE: You are advised to consult the publisher's version (publisher's PDF) if you wish to cite from it. Please check the document version below. Document Version Publisher's PDF, also known as Version of record Publication date: 2011 Link to publication in University of Groningen/UMCG research database Citation for published version (APA): Colman, K. S. F. (2011). Behavioral and neuroimaging studies on language processing in Dutch speakers with Parkinson's disease. Groningen: s.n. Copyright Other than for strictly personal use, it is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of the author(s) and/or copyright holder(s), unless the work is under an open content license (like Creative Commons). Take-down policy If you believe that this document breaches copyright please contact us providing details, and we will remove access to the work immediately and investigate your claim. Downloaded from the University of Groningen/UMCG research database (Pure): http://www.rug.nl/research/portal. For technical reasons the number of authors shown on this cover page is limited to 10 maximum. Download date: 08-05-2019

Transcript of University of Groningen Behavioral and neuroimaging ... fileChapter 8: fMRI study in Parkinson’s...

University of Groningen

Behavioral and neuroimaging studies on language processing in Dutch speakers withParkinson's diseaseColman, Katrien Suzanne François

IMPORTANT NOTE: You are advised to consult the publisher's version (publisher's PDF) if you wish to cite fromit. Please check the document version below.

Document VersionPublisher's PDF, also known as Version of record

Publication date:2011

Link to publication in University of Groningen/UMCG research database

Citation for published version (APA):Colman, K. S. F. (2011). Behavioral and neuroimaging studies on language processing in Dutch speakerswith Parkinson's disease. Groningen: s.n.

CopyrightOther than for strictly personal use, it is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of theauthor(s) and/or copyright holder(s), unless the work is under an open content license (like Creative Commons).

Take-down policyIf you believe that this document breaches copyright please contact us providing details, and we will remove access to the work immediatelyand investigate your claim.

Downloaded from the University of Groningen/UMCG research database (Pure): http://www.rug.nl/research/portal. For technical reasons thenumber of authors shown on this cover page is limited to 10 maximum.

Download date: 08-05-2019

Chapter 8: fMRI study in Parkinson’s Disease patients 

121 

Chapter 8  Differential activation of the neural language network in Parkinson’s disease patients compared to healthy subjects: an fMRI study 

8.1 Introduction 

As has been described in the introductory chapters of this thesis (see Chapter 1 and Chapter 2)  Parkinson’  disease  (PD)  is  a  progressive  neurodegenerative  disease  that  results  in degeneration of dopamine producing neurons  in  the substantia nigra pars compacta  (SNc) and  in the ventral tegmental area  (VTA). Since the SNc and VTA neurons mainly project to the striatum, this cell degeneration leads to a reduction of dopamine in the striatum, which is  a  part  of  the  basal  ganglia  (BG)  complex.  PD  hinders  the  efficient  functioning  of  the cortico‐striato‐cortical circuits, which connect  the BG with  the cerebral cortex  (see Figures 2.2 and 2.3 in Chapter 2). Five different circuits have been described (Alexander, DeLong, & Strick, 1986), of which three incorporate non‐motor areas of the frontal cortex including the dorsolateral  prefrontal  cortex  (DLPFC),  the  lateral  orbitofrontal  cortex,  and  the  anterior cingulate (ACC)/medial orbitofrontal cortices. However, in anatomical studies of non‐human primates, all frontal regions examined have been found to receive inputs from BG thalamo‐cortical circuits  (Middleton & Strick, 2002).  It  is therefore not unlikely that the  left  inferior frontal gyrus (LIFG), which is known to be involved in sentence processing, also forms part of a circuit connected with the BG that is used while, for example, comprehending a sentence (Ullman, 2006). Recently Snijders, Petersson, & Hagoort (2010) reported the results from a psychophysical  interactions analysis, showing that the striatum was  functionally connected to LIFG for sentence‐ambiguous versus sentence‐unambiguous conditions.  

Accumulating evidence for the involvement of the cortico‐striato‐cortical circuits in sentence comprehension  comes  in  part  from  studies  in  PD  patients  in  whom  these  circuits  are disturbed.  The  results  of  off‐line  tasks  such  as  spoken  sentence  to  picture matching  and grammaticality  judgment  demonstrated  that  non‐canonical  structures  such  as  sentences with  object  relative  clauses  and  verbs  in  the  passive  voice  were  most  vulnerable  in individuals with PD (for a review see Chapter 3). Like non‐canonical sentences, sentences in the  passive  voice were  found  to  be  impaired  in  PD  (Lieberman,  et  al.,  1992). Moreover, problems with  the  passives  in  PD  have  also  been  described when  comprehension  of  the passive  voice  was  complicated  by  additional  factors  such  as  1)  length  combined  with sentence picture matching (see Chapter 5), 2) when real‐world knowledge could not be used to understand the sentence (Hochstadt, Nakano, Lieberman, & Friedman, 2006) or 3) when the  passive  sentences  contained  a  center‐embedded  relative  clause  compared  to  a  final relative  clause  (Hochstadt et al., 2006).  In a  recent eye‐tracking experiment by Hochstadt (2009), some PD patients showed deviant eye blinking patterns on passive sentences. These 

Chapter 8: fMRI study in Parkinson’s Disease patients 

122 

patients  initially  looked  toward  the  reversed  roles  distracter  item,  which  depicted  the subject noun phrase (NP) as the ‘agent’, and not as the ‘patient’.  

The  results  of  studies  on  comprehension  in  PD  patients  have  suggested  that  impaired executive control  functions  (e.g., Cools, Barker, Sahakian, & Robbins, 2001; Owen, Doyon, Dagher,  Sadikot, &  Evans,  1998)  underlie  the  observed  impaired  comprehension  of  non‐canonical  sentences  (e.g.,  see  Chapter  5;  Colman,  Koerts,  Van  Beilen,  Leenders,  & Bastiaanse, 2006; Geyer & Grossman, 1994; Grossman et al., 1993; Grossman, Carvell, Stern, Gollomp,  &  Hurtig,  1992a;  Hochstadt,  2009;  Hochstadt  et  al.,  2006;  Kemmerer,  1999). Specifically  for Dutch passives, our correlation analyses suggested that set shifting and the digit span backward score correlated with PD patients’ impairments for the comprehension of Dutch passives (Chapter 5). These results were  in  line with Hochstadt et al., (2006) who reported  for English  that Reading Span and mean Voice Onset Time separation  [related  to articulatory  rehearsal  in working memory  (WM)] were  associated with  passive  sentence comprehension across a range of sentences. 

According  to Graybiel  (1995a)  the BG are “critical  structures  involved  in action planning – both motor actions and mental actions”  (p. 62). As many human behaviors,  language  is a sequencing time‐related phenomenon. It can thus be concluded that sequential processing is highly  relevant  to  both motor  and  language  processing.  To  comprehend  a  sentence,  it  is essential to determine ‘who did/is doing what to whom’. A hierarchical representation of the thematic  roles  (i.e.,  the argument  structure) needs  to be extracted  from a  serial  input.  In derived order sentences, such as passives,  it can be more difficult  to decode  the syntactic structure and to assign the thematic roles (see Chapter 1 for a detailed discussion of word order  in  Dutch).  Since  PD  patients  are  known  to  have  problems  with  both  the comprehension of passive  sentences  (Chapter 5; Hochstadt, 2009; Hochstadt et al., 2006; Lieberman  et  al.,  1992)  and  to  have  impaired  sequencing  of  actions  (Godbout & Doyon, 2000)  it was expected  to  find a correlation between complex  sequencing abilities and  the comprehension  of  syntactically more  complex  passive  sentences  in  our  off‐line  sentence comprehension experiment (see Chapter 5). However, no association between the complex sequencing  task and  the comprehension of passive sentences was  found. One explanation for the lack of an association between the complex sequencing task and the comprehension of passive sentences in PD is that a large number of participants were unable to perform the complex sequencing task, leading to too low a variance to measure the effects of sequencing ability. Therefore,  in  this  functional Magnetic Resonance  Imaging  (fMRI)  study, we  aim  at evaluating more directly the recruitment of the BG and inferior frontal gyrus (IFG) as parts of the cortico‐striato‐cortical circuits during the sequential processing of canonical sentences in which the sentence components are in base position (i.e., active sentences) as compared to non‐canonical  sentences  in  which  the  components  are  in  derived  position  (i.e.,  passive sentences).  

The  current  literature  suggests  that  in  addition  to  the  deficits  in  comprehension  of  non‐canonical sentences, verb production  is  impaired as part of the neurodegenerative process associated with  PD  (Bertella  et  al.,  2002; Boulenger  et  al.,  2008; Crescentini  et  al.;  2008; Péran  et  al.,  2003).  The  evidence  for  verb  processing  impairments  in  PD  has  led  to  the hypothesis that dysfunction of the motor system has an impact on verb production (Péran et al., 2003, 2009). Péran et al. (2009) explored the relationship between the motor deficit  in PD patients and brain activation in noun compared to verb generation tasks. They observed 

Chapter 8: fMRI study in Parkinson’s Disease patients 

123 

a relationship between  increased activation during task performance and  increased motor‐frontal  dysfunction  in  a  network  of  cortical  areas,  including  Broca's  area.  This  increased activity in Broca's area was suggested to represent the increased mental simulation of action required  to  overcome  the  disturbed  motor  representations.  In  our  own  off‐line  verb production study, the score on the verb production ability‐scale correlated significantly with set‐switching and WM. We suggested that because of failing automaticity, PD patients rely more on  the cortically  represented executive  functions. This  is  in  line with conclusions  for receptive language impairments in PD. Unfortunately, due to the disturbed intimate relation between  the BG  and  the  frontal  cortex,  these  executive  functions  are  also  dysfunctional. Thus, based on the literature reviewed in Chapter 3 and our own verb production study (see Chapter 4), we can conclude that dysfunctional cortico‐striato‐cortical circuits influence verb processing and  that  the BG, are critical  in verb processing  too. Numerous verb generation studies have been conducted before (see review Chapter 3), but the current study is the first to investigate the neural activation of verb representations during sentence comprehension in PD using fMRI. 

As described in Chapter 6, language‐related Event Related Potentials (ERP) components have been  identified upon  the manipulation of both  semantic or  syntactic  aspects of  sentence components (for a detailed overview see Kutas & Van Petten, 1994; Osterhout & Holcomb, 1995). The model of comprehension by Friederici  (2002) states  that early access  to  lexico‐syntactic  structure  (early  left  anterior  negativity  or  ELAN)  is  distinguished  from  later processing  of  thematic  roles  and  semantics  (N400)  and  a  terminal  step  of  syntactic integration  and  re‐processing  (P600).20 PD or  lesions  to  the BG  influence  these  language‐related ERP components (Friederici, Von Cramon & Kotz, 1999; Friederici et al., 2003; Kotz et al., 2002, 2003, see also Chapters 6 and 7). The violation studies by Friederici and colleagues in PD (and BG‐lesioned) patients showed an intact ELAN, but a reduced P600 in response to word category errors [e.g., *Die Hose wurde am gebügelt/ ‘*The pants was on ironed’ vs. Die Bluse wurde  am  Freitag  gebügelt/  ‘The  blouse was  on  Friday  ironed’21].  Reduction  of  the P600 effect in patients with PD was seen as evidence for the involvement of the BG in late, controlled  syntactic  integration  processes,  rather  than  early  automatic  structure  building processes  (Friederici et al., 1999, 2003; Kotz et al., 2002, 2003). However,  the P600 effect has not only been reported in response to word category violations, but also for a range of syntactic violations (Friederici et al., 1996; Gunter, Friederici, & Schriefers; 2000; Hagoort et al, 1993; Neville et al., 1991; Osterhout, Holcomb, & Swinney, 1994; Osterhout & Mobley, 1995; Osterhout, McKinnon, Bersick, & Corey, 1996; Osterhout, 1997; Osterhout, Bersick, & McLaughlin, 1997; Vos, Gunter, Kolk, & Mulder, 2001) and has in addition been observed in sentences when a preferred syntactic analysis can no longer be maintained, like in syntactic ambiguous sentences (Friederici, Hahne, & Mecklinger, 1996; Frisch, Schlesewsky, Saddy, & Alpermann,  2002;  Kaan  &  Swaab,  2003; Mecklinger,  Schriefers,  Steinhauer,  &  Friederici, 1995;  Osterhout  &  Holcomb,  1992,  1993),  or  when  syntactic  complexity  is  increased (Friederici, Hahne, & Saddy, 2002; Kaan, Harris, Gibson, & Holcomb, 2000; Kaan & Swaab, 2003). Regardless of  its  interpretation, the P600  is elicited exclusively  in sentence contexts  20 Important to note is that the qualitatively distinction of syntactic ((E)LAN/P600) versus semantic (N400) processing has recently been shown to be untenable (for reviews see Bornkessel‐Schlesewsky & Schlesewsky, 2008 and Kuperberg, 2007). The serial models of language processing and the constraint‐based models have different interpretations of the P600, but this discussion is beyond the scope of this thesis (see for a review Kuperberg, 2007). 21 A literal English translation of the sentence is given. 

Chapter 8: fMRI study in Parkinson’s Disease patients 

124 

and must thus be seen as a function of expectancy and integration of semantic and syntactic information  (Kotz,  Schwartze,  &  Schmidt‐Kassow,  2009).  Of  great  importance  for  our research  is the fact that all of the  linguistic phenomena that elicit a P600 are known to be impaired  in  PD  patients  (see  Chapter  6  for  a  more  detailed  discussion  of  the  ERP components).  

In order to specify more PD patients’ impaired underlying pattern of neurological activation, we used  two different grammatical violation  types  that are supposed  to elicit a P600. The first  type was  a  violation of  the morphosyntactic  relation between  the  auxiliary  and past participle of the main verb as illustrated in the Dutch sentence in (1)22:  

(1)   *De juwelier heeft de poelier tipt  ‘*The jeweler has the poulterer tips off’ 

 Morphosyntactic  violations  such  as  inflectional  violation  elicit  a  LAN  effect  occurring between 300 and 500 msec  (Gross et al., 1998; Gunter et al., 2000; Hahne &  Jescheniak, 2001; Penke  et  al.,  1997; Vos  et  al.,  2001). Based on  the  functional  interpretation of  the P600, it is reasonable to assume that a violated past participle cannot be integrated into the sentence  structure  that  is  initially built up during parsing and, as  such, also elicits a P600 effect.  

The second type of violation used in the present study was a violation of the verb‐argument structure that violates both the syntactic and semantic aspects of sentence processing. The Dutch example in (2) illustrates that the intransitive verb proesten ‘to snort’ can only entail one argument, an agent, and thus cannot take a patient.  

(2)   *De juwelier heeft de poelier geproest ‘*The jeweler has the poulterer snorted’ 

 Friederici and Frisch (2000) found a biphasic N400‐P600 pattern for this type of violations in active  sentences.  The  authors  argued  that  the  N400  reflected  the  semantic/thematic problems that arise when an argument NP is not provided with a thematic role by the verb, whereas the P600 was seen as reflecting the fact that the sentence structure (transitive)  is not licensed by the (intransitive) verb. 

In the  first part of the  fMRI project  (Chapter 7), we  investigated only healthy subjects and reported  evidence  for  the  contributions  of  the  IFG  and  BG  in  comprehending  written sentence materials  in which  variables  of  canonicity  (i.e., word  order)  and  grammaticality were  factorially  manipulated.  The  combination  of  region  of  interest  (ROI)  analyses  in subparts of  the BG and  IFG and a  factorial whole brain analysis  revealed a main effect of word order in the right pallidum [and to a lesser extent in the putamen (Put)], in which more activation was elicited by active sentences than passive sentences. It was suggested that this output nucleus supported facilitation of heuristic routines  in the comprehension of healthy subjects. The factorial whole brain analysis showed increased activation in two small clusters of voxels  situated  in  the  right Put and  the  lateral aspect of  the  left  superior  frontal gyrus (SFG, BA 6, Montreal Neurological Institute (MNI) coordinates ‐20, 6, 62) for active sentences 

22 See introduction of chapter 7 for more details on the construction of the two used violation types, namely the inflectional violation and the violation of the verb‐argument structure. 

Chapter 8: fMRI study in Parkinson’s Disease patients 

125 

versus  passives.  This  activation might  be  related  to  the  processing  of  basic  action  order representation  in active sentences. Our findings that the effect of grammaticality activated the  left middle  temporal  gyrus  (MTG,  Brodmann  Area  (BA)  21/39)  in  healthy  subjects  is consistent with the suggestion of Hickok and Poeppel (2005, 2007), who claimed that the left posterior MTG (BA 21) stores lexical representations. Furthermore, the activation in the right parietal cortex might be  related  to  short‐term  storage of  this  semantic  information and  is related to the N400 effect over the parietal cortex following errors of semantic  integration during ERP studies. The pars opercularis (BA 44) and the pars triangularis (BA 45) of the IFG showed similar  interaction effects between grammaticality and canonicity. For the right BA 45 and  to a  lesser extent  the pars orbitalis of  the  IFG  (BA 47), however, a main effect of grammaticality  was  found.  Possibly,  these  areas  are  involved  in  a  semantic  processing strategy used by the participants.  

These  data  indicate  that  the BG  play  a  role  in  processing word  order  and  that  the RH  is prominently  activated  in  elderly  non‐brain‐damaged  subjects  (NBDS).  Additionally, simultaneous  activation  of  areas  in  the  fronto‐parieto‐temporal  cortex was  explained  as being supportive to these activations during silent reading of sentences for comprehension.  The  literature  discussed  in  this  introduction  on  PD  patients’  impairments  in  language processing  and  our  data  in NBDS  give  us  a  solid  basis  to  formulate  the  central  research question of the second part of our fMRI project: what are the consequences of PD patients’ striatal  dopamine  depletion  on  the  patterns  of  activation  during  the  comprehension  of sentences in which canonicity and grammaticality were factorially manipulated? 

We  formulated  here  three  predictions  regarding  activation  patterns  in  PD  patients.  First, since  past  research  indicated  that PD  patients  have  problems with  sequencing of  actions (e.g., Godbout & Doyon, 2000) it is not expected to find a normal pattern of word order (i.e., canonicity)  in the right BG of PD patients during the comprehension of active sentences. In our previous report on the results of healthy subjects, activation for actives versus passives was  found  in  the  right  Put  and  right  pallidum  or  globus  pallidus  (GP).  As Owen,  Doyon, Dagher,  Sadikot  and  Evans  (1998)  proposed,  PD  patients’  impairments  in  cognition  are related  to  disturbed  BG  outflow.  Consequently,  impaired  cognitive  functions  in  PD  are explained as being the result of the disturbed BG outflow of the right GP, which has in turn an impact on information transfer to the frontal cortex. The PD patients in this study will not be able  to detect word order  information  in sentence context and as a result, PD patients will not show activation in the right globus pallidus during the processing of active sentences compared to passive sentences and this is in contrast to what was previously found for the NBDS (Chapter 7). Moreover, if the deficit of PD patients is located in the detection of word order in sentence context, these patients should demonstrate a different activation pattern compared  to  healthy  control  (HC)  subjects  due  to  different  processing  strategies  while processing  the derived order  sentences  (i.e.,  the non‐canonical passive  sentences).  In  the literature a strong hypothesis exists on  the  involvement of  the  left pars opercularis of  the IFG (BA 44) in grammatical complexity (Friederici, Opitz, & Von Cramon, 2000; Kuperberg et al., 2003).  Second,  concerning  the  processing  of  violations  in  PD  we  only  expect  to  find  increased activation  for  the  inflectional  violations,  since  these  violations  can  be  detected  in  a superficial way during the highly automatic first‐pass parsing processes solely based on the striking visual characteristics of the verb segment, namely word  length. See for an example of the inflectional violation the Dutch sentence in (1). 

Chapter 8: fMRI study in Parkinson’s Disease patients 

126 

Finally, only one fMRI study by Grossman et al. (2003) evaluated sentence comprehension in PD patients compared to HC subjects. In  line with the findings of Grossman et al. (2003),  it was expected to find compensatory cortical activation in the PD group when comparing the groups directly. 

8.2 Methods 

8.2.1 Subjects 

Sixteen  idiopathic PD patients participated  in this fMRI experiment, but one patient had to be excluded due to movement artifacts and hence the analyses were done over 15 subjects. Relevant medical  and  demographic  information  for  this  group  is  given  in  Table  8.1.  PD patients were diagnosed according to the criteria of the United Kingdom Parkinson’s Disease Society Brain Bank. Right before entering the scanner, the PD patients were assessed with the  Unified  Parkinson’s  Disease  Rating  Scale,  part  III  (UPDRS;  Fahn  &  Elton,  1987,  see appendix B). The UPDRS score was used to estimate the Hoehn and Yahr stage (H&Y stage, Hoehn & Yahr, 1967, see appendix A). According  to  the H&Y disability staging criteria,  the motor  disability  of  PD  patients  included  in  this  study  ranged  from mild  to moderate.  PD patients were assessed while  they were on medication. A Levodopa Equivalent Daily Dose score (LEDD‐score) was obtained for each individual patient. The LEDD‐score was calculated according  to  the  formula:  regular  Levodopa  dose  x  1  +  slow  release  Levodopa  x  .75  + bromocriptine x 10 + apomorphine x 10 + ropinirole x 20 + pergolide x 100 + pramipexole x 100  +  [regular  Levodopa  dose  +  (slow  release  Levodopa  x  .75)]  x  .2  if  taking  entacapone (Esselink et al., 2004). 

The PD patients were compared with 15 HC participants. The healthy elderly subjects in this experiment were the same 15 participants described in the experiment described in Chapter 7 of  this  thesis. The characteristics of  the HC  subjects and PD patients are  summarized  in Table 8.1. One HC  subject out of 16  scanned persons was excluded  from  further analyses due to movement artifacts. All HC subjects were recruited  from the Groningen community and were matched on age (t(28)= 1.353, p >  .05) and education (t(28)= ‐.235, p >  .05) with the PD patients  (see Table 8.1). HC subjects were screened  for a history of neurological or psychiatric conditions prior to  inclusion to the study and only subjects with no such history were included.  

All participants were also assessed for the presence of dementia and depression. Exclusion criteria were dementia  (Mini‐Mental State Examination  (MMSE) < 25; Folstein, Folstein, & McHugh,  1975)  and  depression  (Montgomery‐Åsberg  Depression  Rating  Scale  (MADRS); Montgomery & Åsberg, 1979) ≥ 18 (Leentjens et al., 2000). Patients and HC were all native speakers of Dutch, who reported no premorbid  language difficulties  (such as dyslexia) and had  self‐reported  normal  or  corrected‐to‐normal  vision  and  hearing.  Handedness  was determined  using  the Dutch  version  of  the  Edinburgh Handedness  Inventory  (Van  Strien, 1992). All participants were strongly right‐handed (PD: mean = 9.8, SD = .56; HC: mean = 10). 

Chapter 8: fMRI study in Parkinson’s Disease patients 

127 

The  Medical  Ethical  Committee  of  the  University  Medical  Center  Groningen  (UMCG) approved  this  study. After  explanation  of  the  protocol,  all  participants  gave  their written informed consent according to the Declaration of Helsinki. The participants were checked for absence of bodily  ferromagnetic materials and other MRI  incompatibility. During scanning, the standard MRI safety regulations were followed.  

Table 8.1: Demographic and clinical features [Mean (SD)] of the PD patients and HC subjects. 

  PD patients (n= 15) 

HC subjects (n= 15) 

Gender (M:F)  10:5  9:6 Handedness score  9.8 (.56)  10 Age in years  61.73 (8.75)  57.33 (9.06) Education in years  15 (4.74)  15.4 (4,58) MMSE score  28 (1)  28.33 (.72) MADRS score  5.47 (2.3)  4.2 (2.54) Trail index  1.94 (.46)  2.02 (.51) Reading Span score  56.15 (11.01)  57.43 (9.16) UPDRS part III  22 (9.81)  n/a H&Y staging  2.07 (.73)  n/a LEDD‐score  575.61 (291.61)  n/a 

Note: See for the abbreviations the List of Abbreviations. 

 

8.2.2 The fMRI experiment 

8.2.2.1 Materials and methods 

Examples of the six critical sentence conditions for the present study are shown in Table 8.2. The construction of the sentence materials was described in detail in the Materials section in Chapter 7. The procedures used  for  stimulus presentation and  the MRI characteristics are the  same  as  in  the  event  related  fMRI  design  conducted  in  a  group with  healthy  elderly subjects.  For details on  these procedures  and  the MRI  characteristics,  see  the  section on Experimental procedure and Image acquisition of Chapter 7. 

Chapter 8: fMRI study in Parkinson’s Disease patients 

128 

Table 8.2: Examples of the experimental materials in Dutch 

Grammaticality  Canonicity 

Active  Passive 

N  De  juwelier/  heeft/  de poelier/ getipt. The jeweler has the poulterer tipped off. 

De pater/ wordt door/ de militair/ getipt. The  father  is by  the  soldier  tipped off. 

I  De  juwelier/  heeft/  de poelier/ tipt.  The jeweler has the poulterer tips off. 

De pater/ wordt door/ de militair/ tipt. The father is by the soldier tips off. 

VA  De  juwelier/  heeft/  de poelier/ geproest. The jeweler has the poulterer snorted. 

De pater/ wordt door/ de militair/ geproest. The  father  is  by  the  soldier snorted. 

CS  Vm  gthsv/  kcrtf/  pg  btcpkh/ bcpfhsvhn. 

Vm  mglbsfv/  vsntf  hmcg/  pg vbntjsg/ kjgpfvbgsd. 

Note: The accompanying literal English translation is given. Each segment border is indicated with a vertical line.  For the abbreviations see the List of Abbreviations. 

 

Overall, in the experiment two within‐subject factors and a between‐subject factor of group (PD  patients  vs.  HC  subjects)  were  crossed  in  a  2x2x3  factorial  design  resulting  in  six experimental  conditions.  The  first  within‐subject  factor  was  canonicity  with  two  levels: active  vs.  passive  voice.  The  second within  subject  factor was  grammaticality with  three levels: no violation  (N),  inflectional violation  (I) and verb‐argument structure violation  (VA) condition. All subjects read one out of three experimental lists, containing per list a total of 240 sentences with 40 sentences in each experimental category, 120 Consonant Strings (CS) and 90 filler sentences to balance the amount of correct and violated sentences. 

Chapter 8: fMRI study in Parkinson’s Disease patients 

129 

8.2.2.2 Data analyses 

The fMRI data analyses up until the statistics (file conversion, preprocessing and modeling) were  identical  to  those  used  in  the mixed  block/event‐related  fMRI  design  described  in Chapter 7.  

Regions of interest analysis 

On the basis of the hypothesis that the frontal cortex and the BG are differently involved in sentence processing,  at  least with  regard  to  the processing of  violations, we  analyzed  six ROIs, in both the left and right hemisphere (LH and RH respectively):  

1. Caudate nucleus (Caud) 2. Putamen (Put) 3. Globus pallidus (GP) or Pallidum  4. BA 44 or pars opercularis of the IFG  5. BA 45 or pars triangularis of the IFG 6. BA 47 or pars orbitalis of the IFG 

 We have chosen to subdivide the BG complex and the IFG into subparts in order not to miss significant  effects  that  are  limited  to  one  subarea.  Moreover,  although  many  cognitive studies focused on the striatum, involvement of the BG in cognitive functioning is not limited to the striatum. According to Owen et al. (1998), the cognitive impairments in PD are due to disturbed  BG  outflow,  particularly  of  the  right  GP,  which  has  in  turn  an  impact  on  the information transfer to the frontal cortex. Therefore, we chose to include both input nuclei (i.e., Caud and Put) and principal output nuclei (i.e., GP) of the cortico‐striato‐cortical circuit in  our  ROI  analysis.  In  order  to  investigate  whether  distinct  subregions  within  the  IFG contribute differentially  to  sentence processing, all  three  IFG  subregions were  included  in the anatomical ROI analysis.  

ROI  definition  and  signal  extraction was  performed  using MARSBAR  (Brett  et  al.,  2002). These ROIs were defined anatomically using the Anatomical Automatic Labeling  (AAL) map of the MNI brain (Tzourio‐Mazoyer et al., 2002). In addition, three extra functional ROIs were defined within  the LH. On  the basis of our previous  findings  in a group of elderly subjects (Chapter 7), we had the a priori hypothesis that additional areas  in the superior precentral gyrus (BA 6) and the superior and middle temporal gyri (BA 22 and BA 21 respectively) would be involved in comprehension of our sentence materials. These functional ROIs were defined using MARSBAR (Brett et al., 2002), based on the effects of interest activation during reading of the complete sentences compared with  looking at the CS (p <  .05, False Discovery Rate, FDR). 

For all the ROIs, average activation values per condition were extracted for each participant. Before  proceeding  with  further  statistical  analyses,  the  necessary  assumptions  to  use repeated measures ANOVA were evaluated. First, the effects of heterogeneous variability of the data were  removed, by  transforming  the  raw data extracted  for each anatomical and functional  ROI  into  z‐values.  Secondly,  normality  of  the  distribution  of  the  z‐values was analyzed with the Kolmogorov‐Smirnov Test  implemented  in the statistical Package for the Social Sciences (SPSS 16.0). This was done separately for each ROI area, within groups, and for each separate condition. All variables were found to be normally distributed. Finally, we 

Chapter 8: fMRI study in Parkinson’s Disease patients 

130 

tested  for violations of  sphericity, using Mauchly’s Test of Sphericity.  If  the assumption of sphericity was violated, the output for the Greenhouse‐Geisser correction factor was used. Using SPSS, for the anatomical ROIs, a series of repeated measures (2x2x2x3) ANOVAs with group (PD patients vs. HC subjects) as a between‐subject factor and the factors hemisphere (LH  vs.  RH),  canonicity  (active  vs.  passive)  and  grammaticality  (no  violation,  inflectional violation and verb‐argument structure violation) were performed. For the functional ROIs a similar analysis was conducted. However, since  the  functional ROIs were all  located  in  the LH, the within‐subject factor of hemisphere was not included.  

Whole brain analysis 

In  addition  to  the  ROI  analysis, we  conducted  a whole  brain  analysis.  At  the  first  level, individual  subject analyses  specifying  contrasts between  reading of  the  full  sentences and viewing whole CS were  calculated.  The  contrast  (difference  in  β)  images of  the  first‐level analysis were  then used  for  the second‐level group statistics,  in which a one sample  t‐test was used to determine the areas that responded more strongly to sentences as compared to looking  at  CS.  The  statistical  parametric maps  (SPM  {T14}) were  thresholded  at  T  ≥  3.79 (p < .001, uncorrected) with a cluster extent threshold of 20. Only supra‐threshold clusters of voxels  that  survived  at  an  α  level  of  p  <  .05,  corrected  for  multiple  comparisons,  are reported. 

The  contrast  images  of  the  individual‐level  analysis were  also  used  for  the  second‐level group statistics (two sample t‐test) to reveal where HC subjects had more activation than PD patients and vice versa. The statistical parametric maps  (SPM  {T}) were thresholded at T > 3.41 at the voxel  level (p <  .001, uncorrected). Only supra‐threshold clusters of voxels that survived at p < .05, corrected for multiple comparisons, are reported. Furthermore, using a mask we  revealed  also  the  activation  that  the  PD  patients  had  in  common with  the  HC subjects. The mask  included only activated voxels  in  the HC group  that were at a p <  .01 level,  uncorrected  for multiple  comparisons  (T  >  2.62),  and  in  a  cluster  that  exceeded  a threshold of 300 voxels to avoid spike activations in each contrast. 

A within‐subjects factorial design matrix was employed to test the main effect of canonicity, the main effect of grammaticality and their interaction. First for each participant, at the first level, six contrasts were generated by contrasting the activation of the critical verb segment of each of the six conditions with the activation of viewing the fourth segment of the CS. The main effect of canonicity (2 levels) was tested using a t‐test. An F‐test was used for the main effect of grammaticality  (3  levels) and  for the  interaction effect.  In general, the maxima of suprathreshold regions are localized and reported in MNI coordinates as used in SPM5. Brain regions are  identified using MRIcron software  (www.sph.sc.edu/comd/rorden/mricron). An anatomical description and the corresponding BAs are also reported.  

Chapter 8: fMRI study in Parkinson’s Disease patients 

131 

8.2.3 Behavioral and cognitive testing  

After  the  scanning procedure,  all participants were  tested with  a  violation detection  task (see  also  Chapter  7).  In  addition,  set‐switching  abilities  and WM  were  assessed.  In  the following, the violation detection, the behavioral and cognitive tests are discussed. 

8.2.3.1 Violation detection task 

Each subject  judged a  list consisting of 90 sentences, 36 of which are test sentences (six of each of the six experimental conditions). The participants were assigned to one of the two lists of  items that she/he had not seen  in the  fMRIscanner. Experimental presentation and response collection was conducted using  the E‐prime software  (Psychology Software Tools Inc., 2001). The participants were instructed to read the written sentences on the screen of a laptop and to judge whether the presented sentence made sense. They were asked to press a red button on the keyboard of a laptop as soon as a sentence stopped making sense. They were asked to press a green button on the keyboard at a sentence final prompt (a question mark)  if  no  error  was  encountered.  Participants  were  asked  to  respond  as  quickly  and accurately as possible when a violation was encountered and to wait for the question mark to affirm that the sentence was correct. They started each new trial by pressing the space bar. Prior  to  the behavioral experiment, a practice  session was  conducted on  correct and unrelated violated sentences.  

To analyze  the accuracy data, a  repeated measures ANOVA was performed,  including  the between‐subject  factor group  (PD patients  vs. HC  subjects) and  the within‐subject  factors canonicity  (active  vs.  passive)  and  grammaticality  (no  violation,  inflectional  violation  and verb‐argument structure violation). Individual mean Reaction Times (RTs) per condition were obtained  to  calculate  group  means  per  condition.  Unfortunately,  too  many  subjects, especially  in  the  PD  group,  failed  to  react within  the  allowed  response  time,  resulting  in unreliable mean RT’s. For this reason, no further non‐parametric analysis was performed. 

8.2.3.2 Cognitive set‐switching 

The Trail Making Test parts A and B (TMT A & B; Reitan, 1992) were administered to assess cognitive  set‐switching.  The  target measure  of  the  Trailmaking was  the  performance  on part B corrected  for psychomotor speed  (by dividing  it by the performance on part A), the B/A index. 

8.2.3.3 Verbal working memory 

A computerized version of the Reading Span Task in Dutch (Van den Noort et al., 2005) was used  in  order  to measure  both  the  reading  span  and  the  RTs.  The  test  started with  an instruction on the screen and two practice trials after which the experimental material was presented. The participants completed  five series of 20 sentences  (100 sentences  in total), that were presented  in different set sizes  (2, 3, 4, 5 or 6 sentences)  in random order. The participants  were  instructed  to  read  the  sentences  aloud  as  fast  as  possible  and subsequently press  the  space bar,  to  start  the next  sentence. The word  ‘herinner’  (recall) was presented, to trigger the participant to recall the last word of each sentence in the set. The order of recall was free. The total number of remembered words were collected. 

Chapter 8: fMRI study in Parkinson’s Disease patients 

132 

8.3 Results 

8.3.1 Behavioral and cognitive testing 

8.3.1.1  Cognitive set‐switching 

One of the HC subjects did not understand the  instructions  for the task and was therefore excluded from the analyses. As can be seen in Table 8.1, HC subjects had a mean Trail index of 2.02 (.51) and the PD patients had a mean Trail  index of 1.94 (.46). These scores did not differ (t(27) = ‐.446, p > .05). 

8.3.1.2  Verbal working memory 

The Reading Span Task (Van den Noort et al., 2005) was aborted in one HC subject and two PD  patients  due  to  communicated  frustration.  The  results  of  these  subjects  were  not included  in  the  analyses.  As  summarized  in  Table  8.1,  the  PD  patients  remembered  on average 56.15 (11.01) words in total. The HC subjects remembered on average 57.43 (9.16) words in total; the difference between the groups was not significant (t(25) = ‐.328, p > .05). 

8.3.1.3  Violation detection task 

The descriptive data of  the  accuracy  and RTs  for  the  groups  are  shown  in  Table 8.3.  The repeated measures  ANOVA  for  the  accuracy  data  revealed  no  significant  effects.  For  the latency data,  including  the PD patients’ performance, only  the descriptive data are given, since not enough valid data were available in the PD group to process further statistics.  

Table 8.3: Mean (SD) accuracy and  latency to respond to stimuli during behavioral task for the PD patients and HC subjects 

  PD patients  HC subjects 

Sentence condition 

Mean  (SD)  % correct 

Mean  (SD) msec latency 

Mean  (SD)  % correct 

Mean  (SD) msec latency 

AN  83.33 (24.46)  846.33 (280.21)  94.44 (12.06)  568.08 (138.48) PN  78.57 (26.50)  884.14 (431.61)  91.11 (8.61)  713.25 (366.16) AI  88.10 (17.82)  1311.08 (366.11)  92.22 (15.26)  989.58 (334.82) PI  90.48 (12.60)  1267.29 (180.89)  95.56 (11.73)  966.83 (322.44) A‐VA  86.90 (21,86)  1671.93 (491.80)  84.44 (22.24)  1169.25 (474.35) P‐VA  84.52 (20.11)  1439.67 (128.55)  85.56 (30.12)  1485.17 (80.14) 

Note: See for the abbreviations the List of Abbreviations. 

 In the HC group, the detection of a verb‐argument structure violation in a passive sentence requires  the most  time  [1485.17  (80.14)], but  the active sentences without a violation are understood  relatively quickly  [568.08  (138.48)].  The  available RT data of  the  PD  patients, however,  revealed  slower  responses  when  processing  active  sentences  with  a  verb‐argument structure violation  [1671.93  (491.80)], and similar  to  the HC subjects  the  fastest for active sentences without a violation [846.33 (280.21)].  

Chapter 8: fMRI study in Parkinson’s Disease patients 

133 

8.3.2 Functional Imaging results 

8.3.2.1 ROI based analyses 

Anatomical ROI analyses 

For  each  ROI  an  ANOVA was  calculated  separately,  including  the  between‐subject  factor group (PD patients vs. HC subjects) and the within‐subjects factors hemisphere (LH vs. RH), canonicity  (active  vs.  passive)  and  grammaticality  (no  violation,  inflectional  violation  and verb‐argument structure violation).  In  the  following, we will discuss  the  results  for  the BG and the IFG regions in separate sections. 

Basal ganglia 

As predicted, the results revealed no significant effects for the Caud, which is consistent with what was found in our previous report on HC subjects in Chapter 7. 

Based on the elderly HC subject data, there is a hypothesis that there should be an effect of canonicity  in  the  right BG  (pallidum and  to a  lesser extent Put  ),  since  the  factorial whole brain  analysis  revealed  an  increased  activation  for  active  sentences  compared  to  passive sentences in these subregions of the BG.  

For the Put, when the groups were analyzed together, a significant interaction hemisphere x canonicity (F(1, 28) = 8.756; p <  .01), was revealed which means that the canonicity effect  is different  in  the  LH  and  RH.  In  addition,  the  Put  also  showed  a marginal  interaction  of hemisphere  x  canonicity  x  group  (F(1,  28)  =  3.733;  p  =  .064)  and  of  hemisphere  x grammaticality x group (F(2, 56) = 2.685; p = .077). Furthermore, we looked at the main effects and  interaction  for  each  hemisphere  separately.  The ANOVA  for  the  right  Put  revealed  a trend to a main effect of canonicity (F(1, 28) = 2.929; p =  .098). Consistent with the previous findings, the processing of active sentences activated the right Put  more than processing of the  passive  sentences. However,  in  contrast  to  our  expectations,  no  effect  of  group was found in the right Put , which is against our hypothesis on a reduced canonicity effect in PD patients. However, the  left Put showed a significant  interaction  for grammaticality x group (F(2,  56)  =  3.962;  p  <  .05),  suggesting  that  each  group  activated  the  left  Put  differently according  to  the  type  of  violation.  As  illustrated  in  Figure  8.1  the  inflectional  violated sentences activated the left Put more in the PD patients.  

Chapter 8: fMRI study in Parkinson’s Disease patients 

134 

 

Figure 8.1: Left Putamen: mean activation  in HC and PD  subjects  for  the  three  types of  sentences containing no violation, an  inflectional violation or a verb‐argument  structure violation. Error bars indicate the standard error of the mean. 

 For the pallidum or GP, a main effect of grammaticality (F(2, 56) = 3.562; p < .05) was evident. Also an interaction of canonicity x group (F(1, 28) = 7.056; p < .05) was present, suggesting that the groups activated  the pallidum differently  for active compared  to passive sentences.  In addition, a trend to a hemisphere x group effect (F(1, 28) = 3.679; p =  .065) and a trend to a hemisphere x grammaticality effect (F(2, 56) = 3.059; p = .055) was found. To further explore these  effects  in  the  PD  group,  an  ANOVA  with  factors  hemisphere  x  canonicity  x grammaticality was conducted in this group. In our previous ROI analysis for the HC subjects, a main effect of canonicity and an interaction effect of hemisphere x canonicity was found. Conversely, for the PD patients, a main effect of grammaticality was  found  (F(2, 28) = 4.141; p < .05). In addition, a trend to a hemisphere x grammaticality interaction (F(2, 28) = 2.691; p = .085) and a marginal trend to a canonicity x grammaticality  interaction  (F(2,  28) = 2.596; p = .092) was found. Figure 8.2 illustrates the grammaticality effect in the PD patients’ bilateral pallidum,  showing more  activation  for  the  sentences  containing  an  inflectional  violation compared to the other types of sentences. 

Chapter 8: fMRI study in Parkinson’s Disease patients 

135 

 Figure 8.2:  Left  and  right pallidum: mean  activation  in HC  and PD  subjects  for  the  three  types of sentences  containing no violation, an  inflectional violation or a  verb‐argument  structure  violation. Error bars indicate the standard error of the mean. 

 Inferior frontal gyrus 

For the IFG pars opercularis (BA 44), a main effect of grammaticality (F(2, 56) = 5.343; p < .01), an interaction effect of grammaticality x group (F(2, 56) = 8.277; p = .001), an interaction effect of canonicity x grammaticality x group (F(2, 56) = 4.188; p <  .05) and an  interaction effect of hemisphere x canonicity x grammaticality (F(2, 56) = 3.677; p < .05) were found. For the elderly HC subjects an  interaction effect of canonicity x grammaticality was already demonstrated (see Chapter 7) and was attributed  to  the high activation of  the active  sentences with no violation  (AN)  in  the  IFG pars opercularis  (BA 44).  In  contradiction  to  this  finding,  the PD group evidenced a strong main effect of grammaticality (F(2, 28) = 16.962; p < .001), providing further evidence  that  the PD patients activated bilaterally  the  IFG pars opercularis  to read inflectional violated sentences, independent of the factor of canonicity (see Figure 8.3). 

Based  on  the  described  hemisphere  interaction  above, we  also  looked  at  the main  and interaction effects  for each hemisphere  separately.  In  the LH a complex pattern of  results was  evident:  a main  effect  of  grammaticality  (F(2,  56)  =  6.148;  p  <  .01),  an  interaction  of grammaticality x group (F(2, 56) = 6.377; p < .01), an interaction of canonicity x grammaticality x group (F(2, 56) = 3.833; p < .05) and a trend to an interaction of canonicity x grammaticality (F(2, 56) = 2.806; p = .069). The PD patients showed clearly increased activation for inflectional violations (independent of canonicity) while the HC subjects showed increased activation for the non‐violated sentences only in the passive condition. For the RH, an interaction effect of 

Chapter 8: fMRI study in Parkinson’s Disease patients 

136 

grammaticality  x  group  (F(2,  56)  =  5.249;  p  <  .01)  and  also  a  trend  to  a  main  effect  of grammaticality was present (F(2, 56) = 2.789; p =  .070). Figure 8.3 demonstrates that the PD patients showed similar patterns  in the  left and right BA 44, which was not seen  in the HC group.  

 Figure 8.3: Left and right IFG pars opercularis (BA 44): mean activation in HC and PD subjects for the three  types  of  sentences  containing  no  violation,  an  inflectional  violation  or  a  verb‐argument structure  violation.  Error  bars  indicate  the  standard  error  of  the  mean.  Note: Abbreviations not mentioned  in  the  text: LNoViol;  left no violation, LInflViol;  left  inflectional violation;  LArgViol,  left  verb‐argument  violation;  RNoViol;  right  no  violation,  RInflViol;  right inflectional violation; RArgViol, right verb‐argument violation. 

 For the more anterior IFG pars triangularis (BA 45), the global ANOVA showed a main effect of grammaticality (F(2, 56) = 3.407; p < .05), an interaction effect of grammaticality x group (F(2, 56) = 10.272; p =  .000) and an  interaction of hemisphere x grammaticality x group  (F(2, 56) = 3.198; p < .05). Finally, also an interaction canonicity x grammaticality (F(2, 56) = 3.269; p < .05) was evident. The post hoc repeated measure ANOVAs performed for each group separately exposed for the HC subjects, a trend to a main effect of grammaticality (F(2, 28) = 3.186; p = .057), a significant  interaction hemisphere x grammaticality  (F(2, 28) = 3.501; p < .05) and an interaction canonicity x grammaticality (F(2, 28) = 4.567; p < .05) (see also Chapter 7). For the PD group  (F(2,  28)  =  11.208; p  <  .001) only  a  significant main  effect of  grammaticality was evident. Thus, comparable to what was found for the pars opercularis of the IFG (BA 44), the PD patients showed a significant main effect of grammaticality, attributable to the stronger activation for the inflectional violation condition. 

Chapter 8: fMRI study in Parkinson’s Disease patients 

137 

Furthermore, the ANOVAs for the left and right IFG pars triangularis separately with factors canonicity x grammaticality x group revealed a significant grammaticality x group interaction for the LH only (F(2, 56) = 5.924; p < .01). For the RH a main effect of grammaticality (F(2, 56) = 4.506; p < .05) and an  interaction of grammaticality x group (F(2, 56) = 11.664; p < .001) was found.  Figure  8.4  illustrates  that  the  groups  revealed  a  different  pattern  of  activation depending on the grammaticality type. Furthermore, Figure 8.4 also demonstrates that the PD patients showed a similar pattern of activation in the right and left IFG pars triangularis. For the HC subjects the pattern is less consistent between the two hemispheres. 

 Figure 8.4: Left and right pars triangularis of the IFG (BA 45): mean activation in HC and PD subjects for the three types of sentences containing no violation, an inflectional violation or a verb‐argument structure  violation.  Error  bars  indicate  the  standard  error  of  the  mean.  Note: Abbreviations not mentioned  in  the  text: LNoViol;  left no violation, LInflViol;  left  inflectional violation;  LArgViol,  left  verb‐argument  violation;  RNoViol;  right  no  violation,  RInflViol;  right inflectional violation; RArgViol, right verb‐argument violation. 

 Finally,  for the  IFG pars orbitalis  (BA 47) the ANOVA yielded a significant  interaction effect for grammaticality x group (F(2, 56) = 5.512; p < .01).  

The ANOVA within each group separately revealed a trend to a grammaticality effect (F(2,28) = 2.728; p = .083) for the HC subjects. The HC subjects activated the bilateral BA 47 more for the  non‐violated  sentences  as  compared  to  the  violated  sentences  independent  of canonicity  (see  Figure  8.5).  The  PD  patients  however,  evidenced  a  main  effect  of grammaticality  (F(2,28)  =  3.382;  p  <  .05)  and  a main  effect  of  hemisphere  (F(1,14)  =  4.740; p < .05). Figure 8.5 demonstrates that the groups have an opposite pattern of activation. The PD  patients  activated  the  BA  47 more  for  the  violated  sentences  compared  to  the  non‐violated sentences.  

Chapter 8: fMRI study in Parkinson’s Disease patients 

138 

 

Figure 8.5: Bilateral pars orbitalis of the IFG (BA 47): mean activation in the in HC and PD subjects for the  three  types of  sentences  containing no  violation,  an  inflectional  violation or  a  verb‐argument structure violation. Error bars indicate the standard error of the mean. 

 Functional ROI analyses 

The  first  functional ROI area was defined by a  cluster of  voxels  located  in  the  left medial superior precentral gyrus (supplementary motor area, SMA, BA 6, MNI coordinates: ‐4, 0, 64) which was significantly activated during reading of the complete sentences compared with looking  at  the  CS  (p  <  .05,  FDR).  The  activation  of  this  ROI  was  further  explored  by conducting  a  repeated measures  ANOVA  with  the  factors  canonicity  x  grammaticality  x group. BA 6 showed an  interaction canonicity x grammaticality (F(2,56) = 3.511; p <  .05). The groups seem to reveal a comparable pattern. Figure 8.6  illustrates that the activation  in BA 6, collapsed over the two groups together, is most prominent for the passive sentences with a verb‐argument violation.  

Chapter 8: fMRI study in Parkinson’s Disease patients 

139 

 

Figure 8.6: Left superior precentral gyrus  (BA 6): mean activation  in  the  in  the HC and PD subjects together for the three types of sentences containing no violation, an inflectional violation or a verb‐argument structure violation. Error bars indicate the standard error of the mean.  Note: See for abbreviations the List of Abbreviations.  

The  second  functional  area was  also  based  on  a  cluster, which  activated  in  response  to sentence reading and was  located  in the  left middle temporal gyrus (left MTG, BA 21, MNI coordinates:  48,  ‐46,  12).  The  ANOVA  yielded  a main  effect  of  canonicity  (F(1,28)  =  6.583; p < .05) with  greater  activation  for  passives  and  a  trend  to  an  interaction  of  canonicity  x group  (F(1,28) = 3.692; p =  .065). The HC subjects activated  this area  to process  the passive sentences, a pattern that is not visible in the PD group (see Figure 8.7). 

 

Chapter 8: fMRI study in Parkinson’s Disease patients 

140 

Figure 8.7: Left middle temporal gyrus (BA 21): mean activation  in the  in HC and PD subjects for all sentence conditions. Error bars indicate the standard error of the mean. Note: See for abbreviations the List of Abbreviations. 

 

The last functional area was located in the left superior temporal gyrus (left STG, BA 22). This area  showed  only  a  trend  to  an  interaction  for  grammaticality  x  group  (F(2,56)  =  2.660;  p = .079). 

In summary, there are four main observations from the ROIs analyses to note and to discuss in more detail in the discussion section of this chapter.  

First a main effect of canonicity was found in the pallidum of the HC group, but not for the PD group.  In the HC group, the right pallidum was more activated for the active sentences compared to the passive sentences. At the same time, HC subjects recruited more the  left MTG (BA 21) to read the passive sentences as compared to the active sentences, a pattern that is not evident in the PD group.  

Second, our results indicate a prominent grammaticality effect in the PD patients, occurring in the pallidum, the  left Put , the pars opercularis (BA 44), triangularis (BA 45) and orbitalis (BA  47)  of  the  IFG.  This  pattern  is mainly  attributable  to  the  stronger  activation  for  the inflectional violation. In the HC subjects, the effect of grammaticality in these regions is not as prominent as in the PD patients. 

Chapter 8: fMRI study in Parkinson’s Disease patients 

141 

Third, in the pars orbitalis of the IFG (BA 47) the two groups showed an opposite pattern of activation. PD patients  relied more on  this  inferior  frontal area  for  the violated  sentences than for the non‐violated sentences. In contrast, the HC subjects activated more the IFG pars orbitalis (BA 47) for the non‐violated sentences compared to the violated sentences. 

Finally, in the left BA 6, PD patients show a pattern similar to the HC subjects. BA 6 was the sole area where the effect of the verb‐argument structure violation in the passive sentences (P‐VA) was visible. 

8.3.2.2 Whole Brain analyses  

Ultimately,  the  goal  of  this  study was  to  compare  the  activations  found  for  PD  patients compared to the activations of HC subjects during comprehension of written sentences.  In the  following, we will  first describe  the  activations of  the PD patients  in  response  to  the subtraction of  looking at  the CS  from  reading of  the  sentences  (whole  sentence duration) and then refer to the similarities and differences compared to the HC subjects. 

Overall, in the PD group, subtracting the looking at the CS from the reading of the sentences resulted exclusively in LH activations. More particularly the left IFG pars triangularis (BA 45), the left precentral gyrus (BA 6) and the left STG (BA 22). Only the activation in the left BA 22 was found to be in common with the HC subjects (see Figure 8.8, Table 8.4).  

A. Reading sentences versus looking at CS: left and right lateral view 

   

B. Reading sentences versus looking at CS: anterior and posterior view 

  Figure 8.8: For the PD patients, areas activated  in whole‐brain analysis for reading of sentences vs. looking  at  CS  overlaid  on  a  template  brain  surface. A:  left  and  right  lateral  view; B:  anterior  and posterior view. The results are thresholded at p < .05, corrected for multiple comparisons. 

L R

P A

Chapter 8: fMRI study in Parkinson’s Disease patients 

142 

Table 8.4: Results of whole‐brain analyses comparing reading of sentences versus looking at CS (whole sequence duration) for PD patients and HC subjects 

    PD patients  HC subjects 

Region  BA  Side  MNI Coordinates 

T‐value 

kE  MNI Coordinates 

T‐value 

kE 

      x  y  z      x  y  z     SMA  6  L            ‐8  4  58  8.76  661 

Precentral gyrus  6  L  ‐36  ‐10  64  5.08  61           Cingulate gyrus  24  R            2  18  40  5.78  96 Post‐& precentral 

gyrus 3,46 

L            ‐58  ‐22  44  8.09  1579 

Postcentral gyrus  3  R            54  ‐24  42  8.04  220 Inferior frontal 

gyrus 45  L  ‐50  30  2  8.35  71           

Inferior frontal gyrus 

47  L            ‐44  32  ‐6  6.48  69 

Superior temporal gyrus 

22  L  ‐60  ‐42  12  9.19  42           

Superior temporal gyrus 

22  L            ‐58  ‐38  4  8.92  1044 

Middle temporal gyrus 

21  R            52  ‐24  ‐6  6.12  290 

Middle temporal gyrus 

21  R            54  ‐2  ‐16  5.91  100 

Superior parietal lobe 

5  R            22  ‐46  68  5.16  81 

Superior parietal lobe 

7  L            ‐26  ‐60  46  5.10  57 

Superior parietal lobe 

7  R            30  ‐60  36  6.81  194 

Precuneus  7  R            10  ‐70  34  5.13  94 Lingual gyrus  18  R            12  ‐88  ‐2  7.29  468 

Ventral pallidum  ‐  R            18  ‐4  ‐8  6.24  72 Cerebellum  ‐  R            20  ‐58  ‐20  5.37  60 

Note: The T‐value  is of  the maximally activated voxel of which  the corresponding MNI‐coordinates are given. Results are corrected for multiple comparisons at p < .05. See for the abbreviations the List of Abbreviations. 

Chapter 8: fMRI study in Parkinson’s Disease patients 

143 

The mask analysis confirmed that PD patients and HC subjects had activation in the left STG (BA 22)  in common, but also  in the  left precentral gyrus  (BA 6). HC subjects showed more activation  in  the  left SMA  (BA 6) and  the  right superior parietal  lobe  (SPL, BA 7) however, these activations were only in the direction of a trend (see Figure 8.9, Table 8.5). Against our expectations, the PD patients did not show greater cortical activation than the HC subjects did.  

Reading sentences versus looking at CS: HC > PD 

 

Figure 8.9: Increased activation for HC subjects versus PD patients in whole‐brain analysis to overlaid on  several  axial  slices of  the brain.  The  results  are  thresholded  at p  <  .05,  corrected  for multiple comparisons. 

Table 8.5: Activated areas during reading of sentences versus looking at CS (whole sequence duration) for HC subjects compared to PD patients. 

Region  Side  HC > PD  HC = PD 

      MNI  Coordinates 

T‐value  MNI  Coordinates 

T‐value 

      x  y  z    x  y  z   SMA  BA 6  L  ‐8  4  58  *5.18         Precentral gyrus  BA 6  L          ‐36  ‐10  64  5.08 Precentral gyrus  BA 6  L          ‐38  ‐6  44  *4.03 Superior parietal lobe  BA 7  R  20  ‐50  56  *4.41         Superior temporal gyrus  BA 22  L          ‐60  ‐42  12  9.19 

Note: pcorr < .05 (at the voxel level);* trend. See for abbreviations in List of Abbreviations. 

Comparing  all  the  passive  versus  all  the  active  sentences  in  the  PD  group  showed  a significant activation at the cluster  level  in the lingual gyrus (BA 18, T = 3.92, pcorrected < .05, peak MNI coordinates 16, ‐88, ‐10, kE = 100), but in the RH rather than in the LH, as in the HC subjects. Furthermore, compared  to HC subjects, PD patients showed significant  increased activation  for passive versus active  sentences  in  the  left medial/superior  frontal gyrus  (BA 10, T = 4.52, pcorrected <  .05, peak MNI coordinates  ‐8, 64, 10, kE = 95)  (see Figure 8.10 and Table 8.6). In contrast to the HC subjects (see Chapter 7, Table 7.8 and Figure 7.7A & B), no significant  activations  above  the  threshold  were  observed  for  the  main  effect  of grammaticality or the interaction effect of canonicity x grammaticality in the PD group. 

65 60 55 

Chapter 8: fMRI study in Parkinson’s Disease patients 

144 

Main effect of canonicity: P > A 

  

  Figure 8.10: For the PD patients, areas activated in whole‐brain analysis to main effect of canonicity overlaid on  several  axial  slices of  the  brain.  The  results  are  thresholded  at  p  <  .05,  corrected  for multiple comparisons. 

  

Table 8.6: Activated areas during reading of endpoints of passive sentences versus reading of active sentences for PD patients and HC subjects 

Region  Side  PD patients  HC subjects 

      MNI Coordinates 

T‐value  MNI Coordinates 

T‐value 

      x  y  z    x  y  z   Lingual gyrus  BA 18  L          ‐24  ‐84  ‐10 4.91 Lingual gyrus  BA 18  R  16  ‐88 ‐10 3.92         Medial/superior frontal gyrus 

BA 10  L  ‐8  64  10  4.52         

Note:  pcorr  <  .05;  T  ≥  3.21  (at  the  cluster  level);  cluster  threshold  of  20  voxels. For abbreviations see the List of Abbreviations. 

Chapter 8: fMRI study in Parkinson’s Disease patients 

145 

8.4 Discussion 

The  goal  of  this  fMRI  study  was  to  evaluate  the  patterns  of  activation  during  the comprehension of  sentences  in which  canonicity and grammaticality were manipulated  in patients with PD compared to healthy older adults.  

8.4.1 Alterations in canonicity processing in PD 

In our previous study of HC subjects (see Chapter 7) a main effect of canonicity was evident in the right pallidum, in which more activation was found for the active sentences compared to the passive sentences. It was suggested that the output nucleus supported facilitation of heuristic  routines  in  the  comprehension  of  canonical  sentences  (i.e.,  active  voice).  In  the same  study,  the  factorial whole brain analysis  showed an  increased activation  in  the  right putamen. In the current study, when the groups were analyzed together, a trend to a main effect of canonicity was found in the right putamen , which is consistent with previous whole brain  findings  of  only  HC  subjects  (see  Chapter  7).  In  contrast  to  our  expectations,  no interaction effect with group in the right putamen was found, meaning that PD patients did not  show  an  explicit  reduced word  order  effect  in  their  right  putamen  compared  to  HC subjects. However, in line with our expectations, a main effect of canonicity was found in the right pallidum for the HC subjects only, suggesting that PD patients fail to exploit sequential syntactic information and, if our interpretation is correct, possibly lose their capacity to use heuristic routines in the comprehension of the canonical active sentences. 

Moreover, PD patients do not engage their  left MTG (BA 21) to process passive sentences, since a canonicity effect was only evident in the BA 21 for the HC subjects. Activation in the left  posterior  middle  temporal  gyrus  has  been  implicated  in  the  storage  of  lexical representations (Hickok & Poeppel, 2004). 

Although  PD  patients  have  a  reduced  sensitivity  to word  order  variations  via  the  normal system, they did show an increased recruitment of the left medial/superior prefrontal cortex (PFC, BA  10)  during  the  reading  of  passive  sentences  compared  to  active  sentences.  This increased  recruitment  of  the  left medial  PFC  (BA  10) was  found  in  addition  to  common activation with HC  subjects  in  a  visual  area  (Lingual  gyrus, BA  18)  and  possibly  reflects  a compensatory  cortical mechanism.  In  the  following,  three  possible  explanations  for  the involvement  of  the  PFC  in  the  processing  of  passive  sentences  in  PD  patients  are  put forward.  

One  of  the  central  issues  in  this  thesis was  to  examine  the  degree  to which  deficits  in language  processing  in  PD  can  be  explained  by  deficits  independent  of  language.  As described  in  Chapter  5,  PD  patients’  impaired  comprehension  of  passive  sentences  was associated with  their  poor  set‐switching  abilities,  inhibition  and WM  scores.  The  PFC  has since  long  been  associated with WM,  (for  a  review  see Wager  &  Smith,  2003).  The  PD patients participating  in the fMRI experiment performed as good as the HC subjects on the verbal  WM  span  tasks  (i.e.,  Reading  Span  Task  in  Dutch,  Van  den  Noort  et  al.,  2005). Traditional theories of WM have distinguished between storage and executive components (Baddeley, 1986), with  the  former  responsible  for maintaining  information online and  the 

Chapter 8: fMRI study in Parkinson’s Disease patients 

146 

latter responsible for its manipulation (i.e., the execution of control). Carpenter et al. (1994) hypothesized  that WM  load  is  directly  related  to  sentence  complexity.  Higher  sentence complexity  is  found  if  roles occur  in non‐canonical order  (such  as  in passives  and object‐relatives).  King  and  Just  (1991)  demonstrated  that  the  object‐relatives  (e.g.,  The  reporter that the senator attacked admitted the error) imposed a higher demand on verbal WM than the subject‐relatives  (e.g., The  reporter  that attacked  the senator admitted  the error). This leads to a first explanation. Evidence from neuroimaging literature points to an engagement of the PFC  in tasks relying more on controlled processing (Baker et al., 1996; Banich et al., 2000; Cohen et al., 1997; Frith et al., 1991; MacDonald et al., 2000; Smith & Jonides, 1999). Thus the PD patients possibly relied on the executive control component of WM allocated in the  PFC.  The  results  of  our  behavioral  sentence  comprehension  study  (Chapter  5)  are compatible with this  idea. The backward digit span (testing merely manipulative aspects of WM) of PD patients was correlated to comprehension of passive sentences, suggesting that PD  patients  who  had  problems  with  the  manipulative  aspects  of  WM  also  had  more difficulties processing passive sentences. Given  this behavioral evidence,  the  findings  from this present fMRI study and the fact that the PD patients did not show reading span deficits suggests  that  WM  allocated  in  the  PFC  contributes  to  comprehension  of  the  passive sentences  in  PD  patients.  Furthermore,  PD  patients’  reliance  on  WM  during  the comprehension of passive sentences can be interpreted as a compensatory mechanism (see Chapters 4 and 5 and Colman et al., 2009; Koerts et al., 2009; Marié et al., 2007).  

Secondly, examining ambiguity resolution, Stowe, Paans, Wijers, and Zwarts (2004) reported a  similar  left medial prefrontal area as  the current  study, which  they  linked  to  supporting higher‐level semantic processes involved in evaluation of plausibility. Indeed, this PFC area is part  of  a  distributed  neural  system  underlying  the  Theory  of Mind  (ToM)23 mechanism (Walter, Adenzato, Ciaramidaro, Enrici, Pia, & Bara, 2004).  In a study  that  investigated  the representation of abstract person‐based knowledge for actions, Mason, Banfield and Macrae also  (2004) reported activity  in the medial PFC for action  judgments about people and not about animals, which is indicative of ToM reasoning. The present findings are supportive of the viewpoint of plausibility of the action in the sentence context. When lying in the scanner, PD patients appeared to reason about human behavior associated with the verb, instead of relying on the stored  lexical representations. Although we did not explicitly ask subjects to judge  actions  expressed  by  the  sentence  final  verb,  patients might  still  have  done  this covertly.  However, why  did  the  PD  patients  rely more  on  this  plausibility  strategy when processing passives than when processing actives? The answer lies in the findings of Traxler et al. (2005), who monitored participants’ eye movements while they read reversible object and subject relative sentences similar to the ones studied in King and Just (1991). In contrast to King and  Just’s  (1991)  results, Traxler et al.’s eye  tracking  results provided no evidence that WM  capacity was  associated  to  the difference between object  and  subject  relatives. However, they  found that participants with higher WM capacity were better able to make use  of  semantic  information  to  reduce  the  difficulty  of  object  relatives.  For  the  present study, PD patients could only have relied on WM  in the syntactically more complex passive sentences. 

23 Theory of Mind (ToM) has been defined as our ability to explain and predict other people’s behavior by attributing independent mental states to them (Baron‐Cohen, 1995). 

Chapter 8: fMRI study in Parkinson’s Disease patients 

147 

The anterior part of the  left prefrontal cortex has also been described as being  involved  in producing coherent sequences of actions tested with action event scripts (Sirigu et al., 1998). Sirigu  et  al.  (1998)  demonstrated  that  patients with  lesions  in  the  prefrontal  cortex  had difficulties when a sequence was related to the semantic aspects of action order in a script, as opposed to the syntactic aspects of ordering words in a sentence. For the present results, this  implies  that  the exclusive activation of  the  intact prefrontal  cortex  in PD patients  for passive  sentences  reflects  a  semantic  strategy  for  dealing with word  order  information. However, many non‐demented PD patients have a relative sparing of their  lexical semantic and world knowledge  (Hochstadt, 2009; Hochstadt et al., 2006). Several studies evidenced that PD patients have higher sentence comprehension scores when the use of syntax can be circumvented  by  relying  on  the  semantic  information  from  the  individual  words  in  the sentence (Grossman, 1999; Grossman et al., 1991, 1992, 2000, 2001; Grossman, Lee, et al., 2002;  Grossman,  Zurif,  et  al.,  2002;  Kemmerer,  1999;  Lieberman  et  al.,  1990,  1992; Natsopoulos et al., 1991, 1993; Skeel et al., 2001). This suggests that comprehension  in PD patients was intact at the word level, but meaning at the sentence level was disturbed under conditions  in which word order was essential  for  comprehension.  In addition,  it has been hypothesized  that during  sentence processing,  the BG  contribute  to a  selective gating  (or filtering) of relevant information into WM by inhibiting or disinhibiting the prefrontal cortex (Frank, Loughry, & O’Reilly, 2001; McNab & Klingberg, 2008). According to this hypothesis, PD patients would have disturbed  filtering of  lexical‐syntactic  information  into WM, which might in turn complicate their sentence comprehension for complex sentences.  

However,  the  Sirigu’s  semantic  strategy  cannot  have  been  very  successful  since  only semantically  reversible  sentence  segments  were  used  during  this  experiment.  By  using semantically reversible sentences we aimed at avoiding the use of semantic strategies, such as those successfully used by individuals with agrammatic aphasia (Caramazza & Zurif, 1976).  

To summarize, the lack of an effect of canonicity in the globus pallidus of the PD patients in the present study illustrates the disturbed involvement of the output nucleus in word order processing during sentence comprehension of active sentences. The data furthermore show that the PD patients in this study did not show WM impairments, which makes it more likely that WM allocated in the PFC was engaged to process specifically the passive sentences in a semantic  way.  However,  due  to  a  disturbance  in  the  filtering  of  relevant  semantic information, comprehension can still be disturbed. 

8.4.2 Disproportionate focus on the inflectional violation in PD 

Reduced or absent P600 effects in patients with PD or BG lesions were seen as evidence for the  involvement of  the BG  in  late,  controlled  syntactic  integration processes,  rather  than early automatic structure building processes (Friederici et al., 1999, 2003; Kotz et al., 2002, 2003). Based on this model, PD causes deficits in the late controlled processes that are used for late stage syntactic integration and reanalysis processes when there is a conflict between lexical‐semantic  and  syntactic  information.  However,  Hochstadt  (2009)  interpreted  the reduced P600 effect  in PD differently and  suggested  that “the  reduced P600 might  reflect difficulty  with  not  just  syntactic  integration  but  integration  with  context more  broadly” (p. 2001).  Rather  than  having  deficits  in  monitoring  conflict,  PD  patients  might  not experience the conflict to begin with.  

Chapter 8: fMRI study in Parkinson’s Disease patients 

148 

Similar to what was found for the HC subjects (Chapter 7), for the PD patients a main effect of  grammaticality  was  evident  in  subparts  of  the  IFG.  More  specifically,  an  effect  of grammaticality was found for the bilateral pars opercularis (BA 44), pars triangularis (BA 45) and  pars  orbitalis  (BA  47)  of  the  IFG.  Unlike  the  matched  control  group,  however,  PD patients showed a main effect of grammaticality in the pallidum and the left putamen. In the PD group, the grammaticality effect  in all these regions was based on the higher activation for  the  sentences  containing  an  inflectional  violation  compared  to  the  other  types  of violation. Two possible underlying mechanisms are proposed for this disproportionate focus on the inflectional violation: 

First,  in  on‐  and  off‐line  behavioral  studies,  PD  patients  showed  reduced  sensitivity  to sentence anomalies (Grossman et al., 1992 and Grossman et al., 2000). Similarly, PD patients were described as processing sentences “on a more superficial level” than controls (Whiting et  al.,  2005). Given  these  earlier  findings,  one  possibility  is  that  the  patients  noticed  the inflectional violation  solely on  the basis of  the physical visual  features of  the  shorter verb segment during  the highly automatic  first‐pass parsing processes. Consequently,  increased activation  in  the cortical and  subcortical parts of  the cortico‐straito‐cortical circuits  is only seen for the inflectional violations.  

Alternatively,  the  PD  patients  may  not  have  been  able  to  shift  their  attention  to  a subsequent  integration  processes  of  the  violated  verb  form  into  the  sentence.  This suggestion  is  based  on  the  broader  impairment  of  PD  patients  in  switching  attention between cognitive sets (e.g., Cools et al., 2001; Green et al., 2002; Muslimovic et al., 2005). However, in this study the switching capacities as measured by the TMT index of PD patients and the age‐ and education‐matched controls were equivalent. Therefore, poor attentional shifting is not a likely explanation.  

To  conclude,  the  precise  reason why  PD  patients  focus  their  attention  on  the  short  verb segment is still an issue of speculation and needs further investigation. 

Chapter 8: fMRI study in Parkinson’s Disease patients 

149 

8.4.3 Opposite patterns of activation in BA 47 for the participant groups 

A clear grammaticality effect independent of canonicity was found in the bilateral BA 44 and BA 45 of  the PD patients and was due  to  increased activation  for  the  inflectional violation independent of canonicity.  In the HC subjects  it  is clear that grammaticality and canonicity interacted in both BA 44 and BA 45, with larger effects of violation for the active sentences than  the  passive  sentences.  The  IFG  (BA  44/45)  has  also  been  found  to  be  significantly activated by grammatical violations in other neuroimaging studies. Friederici, Opitz and Von Cramon  (2000)  suggested  that  left  IFG activation was modulated by  the grammaticality of the sentence.  

In  the  BA  47,  a  clear  opposite  pattern  of  activation was  evident  for  the  two  groups.  PD patients apparently relied more on this inferior frontal area for the violated sentences than for the non‐violated sentences. HC subjects activated the BA 47 more  for the non‐violated sentences as compared to the violated sentences. 

There  is  strong  support  for a  role of  the pars orbitalis of  the  left  IFG  (BA 47)  in  semantic processing across a  range of  tasks  (Dapretto & Bookheimer, 1999; Gold & Buckner, 2002; McDermott  et  al.,  2003;  Poldrack  et  al.,  1999;  for  a  review,  see  Bookheimer,  2002). Moreover, Badre and Wagner (2007) proposed different cognitive functions for sub‐regions of  the  IFG.  The  left BA 45 may  support  a domain‐general  selection process  among  active representations that operates post‐retrieval, whereas the left BA 47 may support controlled access to stored conceptual representations. In the fMRI study of Baumgaertner, Weiller and Büchel (2002), an increased activation was found in the lower part of the left IFG (BA 47) for sentence completions that violated contextual constraints compared to expected sentence completions. Their findings were consistent with an essential role for the left inferior frontal cortex  in a semantic executive system that contributes to the on‐line retrieval of semantic information (Demb et al., 1995; Gabrieli et al., 1998; Poldrack et al., 1999; Thompson‐Schill et al., 1997). Baumgaertner et al. (2002) argued that processing of the semantic anomalies involved executive functions such as “monitoring semantic representations” (Baumgaertner et al., 2002, p. 743). 

In the present study, task instructions required subjects to comprehend the meaning of the sentences.  In  the  course  of  processing  the  subsequent  sentence  segments, more  lexical semantic  information  becomes  available  and  generates  expectations  with  respect  to characteristics of subsequent words (e.g., Kutas & Hillyard, 1984). A word that corresponds well to expectations should be easy to integrate into the overall sentence intention. Subjects activate  the  next  sentence  element  based  on  probabilistic  factors  that  are  the  result  of previous  experiences  with  the  occurring  language  elements  (MacDonald  &  Christiansen, 2002). An unexpected word  is more difficult  to  integrate  and  this will be  associated with increased processing cost  (see also Hagoort, 2003, 2005). Applying  this assumption  to  the violation  paradigm  used  in  our  study,  processing  of  the morphosyntactic  violation  of  the sentence  final  word  (i.e.,  the  participle)  is  supposed  to  increase  the  demand  on  and recruiting  of  cognitive  resources  necessary  to  integrate  the  word  compared  to  normal sentences.  It  is  suggested  that  the  HC  subjects  were  able  to  detect  the  violation  and subsequently called off the sentence  integration on a syntactic basis  in case of the violated sentences. However, for the non‐violated sentences, the HC subjects semantically integrated 

Chapter 8: fMRI study in Parkinson’s Disease patients 

150 

the participle of  the verb  in  the  sentence, which explains  their activation of  the  semantic executive system supported by BA 47. Compared to the HC subjects, PD patients apparently have difficulties with the monitoring processes  in reaction to the violation  in the sentence. Instead, PD patients try to  integrate the violated participle  in the sentence relying on their semantic  executive  system, which  produces  some  difficulty  and  greater  activation  of  this area.  

8.4.4 Verb argument processing in passive sentences in BA 6 

The functional ROI analysis showed that the left medial aspect of BA 6 (SMA, MNI ‐4, 0, 64) showed  an  interaction of  canonicity  x  grammaticality.  The  groups demonstrated  a  similar pattern in the left SMA. Activation was most prominent for the verb‐argument violations in the passive voice. Note  that  the HC  subjects  showed activation  in a  similar  left BA 6 area (SMA, MNI ‐8, 4, 58) for reading sentences versus looking at CS (see Table 8.4). Interestingly, this  SMA  area was  also  found  to  be  activated more  by  the  HC  subjects  than  by  the  PD patients (see Table 8.5). There is a body of convergent data about a critical role of the SMA in  speech  production,  suggesting  that  it  aids  in  particular  initiating  speech  sounds  (e.g., Ziegler, Kilian, & Deger, 1997). Pickard and Strick (1996) reviewed the functions of the SMA and concluded that the SMA comprises at least two subregions that can be distinguished on the basis of cytoarchitecture, connectivity, and function: the pre‐SMA located rostral to the vertical line passing through the anterior commissure (vertical commissure anterior line, VCA line), and the SMA‐proper  located caudally. Based on the coordinates found  in the present study, the coordinate of the functional ROI is associated with pre‐SMA. This extensive review on SMA by Picard and Strick (1996) suggests a role in planning for the pre‐SMA and in motor performance  for  the  SMA  proper.  Picard  and  Strick  (1996)  also  included  studies  that reported  pre‐SMA  activation  for  complex  verbal  tasks,  like  for  example  silent  verb generation (Wise et al., 1991), silent rehearsal of a sequence of letters (Paulesu et al., 1993) and phonological discrimination of letter sounds (Sergent et al., 1992).  

Two possible explanations are raised for the pre‐SMA activation  in the current study: First, this activation  in  these  complex verbal  tasks  is  related  to  subvocalization, which probably occurred during  task performance. Secondly,  it  is possible  that  the activations  in  the pre‐SMA during silent verbal tasks were partly due to the active inhibition of speech production, since pre‐SMA activation has also been  found during  the Stroop conflict  task  that requires inhibition  of  habitual  responses  (Pardo  et  al.,  1990).  Based  on  this  latter  view,  we hypothesize that during the reading of violated sentences and  in case of the passive voice, basic word order needs  to be  inhibited. The HC subjects  in our study rely on  the pre‐SMA during  the  sequential  reading  process  of  the  sentence  segments, which  the  PD  patients clearly did less.  

For the  factorial whole brain analysis  in exclusively the HC subjects  (Chapter 7), the  lateral aspect of  the  left SFG  (BA 6, MNI  ‐20, 6, 62) was activated more  for  the active  sentences than for the passives. This part of the BA 6  is considered to be part of the premotor cortex and is traditionally defined as being involved in preparation and organization of movements and  actions  (Wise,  1985).  However,  the  area  is  also  known  to  be  involved  in  cognitive functioning  like  abstract  sequencing  (Schubotz & Von Cramon,  2002;  2004). According  to sensory‐motor theories of conceptual knowledge, sensory‐motor  information about actions 

Chapter 8: fMRI study in Parkinson’s Disease patients 

151 

is  not  only  accessed  during  the  comprehension  of  perceived  actions  but  also  during  the comprehension of action words (Martin & Chao, 2001; Pulvermüller, 2005; Rizzolatti et al., 2001). Den Ouden,  Fix,  Parrish  and  Thompson  (2009)  reported  clear  LH  activation  in  the precentral gyrus (BA 6), middle frontal gyrus (BA 6, 9 and 46) and in the IFG (BA 44 and 45) for  the  production  (rather  than  perception)  of  transitive  verbs  compared  to  intransitive verbs.  For  the  present  study,  the  direct  coupling  between  action  representations  of  verb meaning  and  (pre)motor  areas  might  explain  the  consistent  activation  of  these  action‐related areas during the processing of verb‐argument violation in the participant groups. 

8.4.5 Compensatory cortical activation in PD patients 

Increased  activation of other brain areas  than  the  striatum may help patients with PD  to maintain  task performance  (Grossman et al., 2003). Our  intergroup analysis contrasting all sentences  versus  CS  showed  no  greater  activation  for  the  PD  patients  than  for  the  HC subjects,  which  is  in  contradiction  to  the  expected  compensatory  cortical  activation previously  found  in a direct  contrast of both groups by Grossman et al.  (2003). However, similarly  to what Grossman  et  al.  (2003)  found,  in  our  study,  common  activation  in  both groups was evident  in the  left precentral gyrus (BA 6) and the  left superior temporal gyrus (BA 22). In addition, where Grossman et al. (2003) reported less medial prefrontal activation (BA 32/10)  in PD patients  for all sentence conditions, we  found  increased activation  in the PD patients  for  this prefrontal  area during  the  reading of passive  sentences  compared  to active sentences.  

8.4.6 Suggestions for future research 

Functional  connectivity  analysis  can  be  used  to  examine  the  degree  of  collaboration between  language‐specific  cortical  areas  and  the  BG,  when  processing  is  compared  of sentences with and without violation. 

Additional studies will be required to unravel the effects of pharmacological manipulation in PD patients on their processing of sentences with morphosyntactic violations. Evidence from behavioral studies  in  the domain of semantic priming suggested earlier  that  the effects of pharmacological manipulation  on  semantic  networks may  have  implications  on  language perception (Angwin et al., 2004; Copland et al., 2003; Kischka et al., 1996). Moreover, using functional  connectivity  analysis,  Tivarusa,  Hilliera,  Schmalbrock  and  Beversdorf  (2008) studied whether  Levodopa  (L‐dopa) medication  administered  in HC  subjects  affected  the interaction  between  the  components  of  the  language  network  involved  in  semantic  and phonological categorization tasks.  In contradiction to the findings of the behavioral studies (Angwin et al., 2004; Copland et al., 2003; Kischka et al., 1996), no significant drug effect was found. Not  finding an effect might have been due  to methodological differences between the  studies,  since  the  categorization  task  implied  more  controlled  and  less  automatic processing than the semantic priming tasks. 

Chapter 8: fMRI study in Parkinson’s Disease patients 

152 

8.5 Conclusions 

This study provided evidence that PD patients have a disturbance  in processing word order during  sentence  comprehension,  since  no  effect  of  canonicity was  found  in  either  their pallidum  or MTG. However,  they  recruited  additional  PFC  areas when  processing  passive sentences:  the BA 10  for passives  compared  to  actives,  and  the BA 6  for processing  verb argument  structure  violation  in  the  passives  compared  to  the  actives.  In  addition,  PD patients had a deviant activation pattern with violations  in  the pallidum and  the  IFG pars orbitalis (BA 47), which was not found in the HC subjects. PD patients also relied more on the BA 47 to process  inflectional violated sentences compared to other sentences, which adds evidence to their difficulties with detecting violations and their subsequent reliance on the semantic executive system to ultimately understand the violated sentences. Our results are in  line with  the  suggestion of Hochstadt  (2009)  that PD  patients have deficits  in  the  late phase of sentence processing, in which monitoring of the violation is lacking. In other words, PD patients might not experience the violations in the first place.  

Clearly, our suggestions are admittedly  tentative and data that are more experimental are needed.