Dokument: Development of an anatomo-functional model of Broca’s region based on cytoarchitecture, connectivity, and language function

Titel:	Development of an anatomo-functional model of Broca’s region based on cytoarchitecture, connectivity, and language function
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=73631
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20260702-123806-9
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Fedorchenko, Nataliia [Autor]
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Beitragende:	Prof. Dr. med. Dr. h. c. Amunts, Katrin [Gutachter] Prof. Dr. Dr. h. c. Friederici, Angela D. [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften » 610 Medizin und Gesundheit
Beschreibungen:	In this study, four new areas were mapped within Broca’s region, cytoarchitectonic areas 44 and 45. The parcellation of this region is thus more fine-grained than previously thought. The location, extent, and inter-individual variability were represented in probabilistic maps in stereotaxic space. This allows us to use them as a detailed reference for functional activations. Multidimensional scaling for the areas of the left and right hemispheres, and cluster analysis, revealed similarities between areas and thus gave evidence of their functional relationship. Euclidean distance analyses revealed systematic structural asymmetry across Broca’s region areas 44p, 44a, 45p, and 45a. Posterior area 44p showed moderate but variable left-right cytoarchitectonic differences, whereas area 44a exhibited small and consistent structural asymmetry. Area 45a displayed the strongest descriptive lateralisation, while area 45p had low median asymmetry but high inter-individual variability. Overall, areas 44p and 45p were more variable in cytoarchitecture, whereas areas 44a and 45a were more consistent with lateralisation peaking in area 45a and moderate in 44p. The sulcal morphology of the diagonal sulcus (DS), Ramus ascendens (RA), Sylvian fissure (SF), and horizontal ramus (RH) seems to influence the precise positioning of borders between areas 44p, 44a, 45p, and 45a, suggesting a combination of microstructural continuity and local anatomical variability. Volume analyses suggested overall leftward asymmetry in area 44p, with trends toward leftward asymmetry in area 44a, whereas areas 45p and 45a were largely symmetric. No significant sex differences in regional volumes were observed, although males tended to have slightly larger volumes and showed a trend toward stronger leftward asymmetry in posterior areas. The presence of a diagonal sulcus was associated with increased volumes in areas 44a and 44p, particularly in area 44a, suggesting the sulcal morphology contributes to local volumetric variability; however, our results did not reach significance. Furthermore, functional peak activation mapping from the fMRI studies onto the probability maps of the areas 44p, 44a, 45p, and 45a showed that in the left hemisphere, syntactic and semantic activations predominantly overlap with areas 44p, 44a and 45a, whereas lexical/phonological processing involved area 44a and adjacent opercular areas, action-related activations engaged area 44p, as well as premotor, and opercular areas, area 45p involved in semantic processing. The right hemisphere included fewer peaks, mainly in premotor areas 44p and the insula. These findings suggest a close structure-function relationship within Broca’s region, where anteriorly located areas 44a, 45a, and 45p are associated with language-related functions such as syntax and semantics, while posterior area 44p contributes to syntax and action-related and motor processes. The asymmetrical distribution of activations, with the left hemisphere showing extensive language-related peaks, further supports the link between cytoarchitectonic lateralisation and functional specialisation in Broca’s region. BrainMap meta-analytic functional characterisation confirmed domain-general cognitive involvement across all Broca’s region subdivisions. MACM analyses revealed partially overlapping but distinct co- activation networks. Posterior areas (44p, 45p) displayed bilateral co-activation, whereas anterior areas (44a, 45a) were predominantly left-lateralised, co-activating fronto-parietal, thalamic, and posterior superior temporal gyrus (pSTG) regions. Specifically, posterior areas 44p and 45p shared a frontal-insular-precentral core, with area 44p uniquely co-activating posterior parietal and thalamic regions, and area 45p engaging limbic and medial temporal structures. Anterior areas 44a and 45a shared fronto-parietal-thalamic networks, with area 44a uniquely recruiting intraparietal and multiple thalamic nuclei, and area 45a engaging fronto-opercular, premotor, and occipital areas. These results indicate that structural heterogeneity within Broca’s region underlies functional differentiation, with posterior areas supporting sensorimotor and action-related processes, and anterior areas contributing to higher-order cognitive and language functions. 5 Overlapping the MPMs of areas 44p, 44a, 45p, and 45a with task-evoked ECoG data (Liu et al., 2025) further demonstrated that speech-related high-gamma activity is largely localised outside classical Broca’s region areas, predominating in premotor cortex, with only limited overlap in ventral 44a and, to a lesser extent, 44p for sequence complexity. Visual alignment of middle precentral gyrus activity with the cytoarchitectonic maps of Ruland et al (2025) suggests potential correspondence with ventral premotor subdivisions areas 6v2 and 6v3, though precise registration with Julich-Brain Atlas MPMs is required. Systematic mapping of all electrode activations onto these MPMs would allow quantitative assignment of sequence- and articulatory-related effects to specific cortical areas across participants, integrating functional electrophysiology with cytoarchitectonic reference maps. These maps will be publicly available as part of the Julich Brain Cytoarchitectonic Atlas (https://julich- brain-atlas.de/), which is included within EBRAINS research infrastructure (https://ebrains.eu/services/human-brain-atlas). In dieser Studie wurden vier neue Areale innerhalb der Broca-Region neu kartiert, die zytoarchitektonischen Areale 44 und 45. Die Parzellierung dieser Region ist somit feiner als bisher angenommen. Die Lage, Ausdehnung und interindividuelle Variabilität wurden in probabilistischen Karten im stereotaktischen Raum dargestellt. Dies ermöglicht es uns, sie als detaillierte Referenz für funktionelle Aktivierungen zu verwenden. Die multidimensionale Skalierung für die Bereiche der linken und rechten Hemisphären sowie die Clusteranalyse ergaben Ähnlichkeiten zwischen den Bereichen und lieferten somit Hinweise auf ihre funktionelle Beziehung. Euklidische Distanzanalysen ergaben eine systematische strukturelle Asymmetrie über die Broca-Areale 44p, 44a, 45p und 45a hinweg. Das hintere Areal 44p zeigte moderate, aber variable zytoarchitektonische Unterschiede zwischen links und rechts, während das Areal 44a eine geringe und konsistente strukturelle Asymmetrie aufwies. Das Areal 45a zeigte die stärkste deskriptive Lateralisierung, während das Areal 45p eine geringe mediane Asymmetrie, aber eine hohe interindividuelle Variabilität aufwies. Insgesamt waren die Areale 44p und 45p in ihrer Zytoarchitektur variabler, während die Areale 44a und 45a konsistenter waren, mit einer maximalen Lateralisierung im Areal 45a und einer moderaten Lateralisierung im Areal 44p. Die Sulkusmorphologie des Sulcus diagonalis (DS), des Ramus ascendens (RA), der Sylvian-Fissur (SF) und des horizontalen Ramus (RH) scheint die genaue Positionierung der Grenzen zwischen den Arealen 44p, 44a, 45p und 45a zu beeinflussen, was auf eine Kombination aus mikrostruktureller Kontinuität und lokaler anatomischer Variabilität hindeutet. Volumenanalysen deuteten auf eine allgemeine Linksasymmetrie im Areal 44p hin, mit Tendenzen zur Linksasymmetrie im Areal 44a, während die Areale 45p und 45a weitgehend symmetrisch waren. Es wurden keine signifikanten geschlechtsspezifischen Unterschiede in den regionalen Volumina beobachtet, obwohl Männer tendenziell etwas größere Volumina aufwiesen und eine Tendenz zu einer stärkeren Linksasymmetrie in den hinteren Arealen zeigten. Das Vorhandensein eines diagonalen Sulcus war mit erhöhten Volumina in den Arealen 44a und 44p verbunden, insbesondere im Areal 44a, was darauf hindeutet, dass die Sulcusmorphologie zur lokalen Volumenvariabilität beiträgt; unsere Ergebnisse erreichten jedoch keine Signifikanz. Darüber hinaus zeigen die funktionellen Peak-Aktivierungen aus den fMRI-Studien auf den Wahrscheinlichkeitskarten der Areale 44p, 44a, 45p und 45a, dass in der linken Hemisphäre syntaktische und semantische Aktivierungen überwiegend mit den Arealen 44p, 44a und 45a überlappen, während die lexikalische/phonologische Verarbeitung das Areal 44a und angrenzende Opercular-Bereiche betraf. Bei handlungsbezogenen Aktivierungen waren das Areal 44p und die prämotorischen und operkulären Bereiche sowie das Areal 45p an der semantischen Verarbeitung beteiligt. Die rechte Hemisphäre wies weniger Spitzen auf, hauptsächlich in den prämotorischen Arealen 44p und der Insula. Diese Ergebnisse deuten auf eine enge Struktur-Funktions-Beziehung innerhalb der Broca-Region hin, wo die anterior gelegenen Areale 44a, 45a und 45p mit sprachbezogenen Funktionen wie Syntax und Semantik assoziiert sind, während das posterior 6 gelegene Areal 44p zu Syntax- und handlungsbezogenen sowie motorischen Prozessen beiträgt. Die asymmetrische Verteilung der Aktivierungen, wobei die linke Hemisphäre umfangreiche sprachbezogene Spitzen aufweist, unterstützt zusätzlich den Zusammenhang zwischen zytoarchitektonischer Lateralisation und funktioneller Spezialisierung in Brocas Arealen. Die metaanalytische funktionelle Charakterisierung von BrainMap bestätigte eine domänenübergreifende kognitive Beteiligung in allen Unterteilungen von Brocas Arealen. Die hinteren Areale (44p, 45p) zeigten eine bilaterale Koaktivierung, während die vorderen Areale (44a, 45a) überwiegend links lateralisiert waren und mit fronto-parietalen, thalamischen und hinteren superior temporalen Regionen koaktivierten, einschließlich des hinteren superior temporalen Gyrus (pSTG), einer Kernkomponente des klassischen fronto-temporalen (IFG-pTC) Sprachsystems, das die syntaktische und semantische Verarbeitung unterstützt. MACM-Analysen ergaben teilweise überlappende, aber unterschiedliche Koaktivierungsnetzwerke: Die hinteren Areale 44p und 45p hatten einen gemeinsamen frontalen-insulären-präzentralen Kern, wobei Areal 44p einzig die hinteren parietalen und thalamischen Regionen koaktivierte und Areal 45p limbische und mediale temporale Strukturen einbezog. Die vorderen Areale 44a und 45a teilten sich fronto-parietale-thalamische Netzwerke, wobei das Areal 44a einzig intraparietale und multiple thalamische Kerne einbezog und das Areal 45a fronto-operkuläre, prämotorische und okzipitale Areale einbezog. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass alle Areale der Broca-Region zu domänenübergreifenden kognitiven Funktionen beitragen, aber jeder Bereich an teilweise unterschiedlichen Netzwerken beteiligt ist, die die funktionale Spezialisierung widerspiegeln. Die hinteren Bereiche integrieren sensomotorische und assoziative Bereiche und unterstützen motorische und handlungsbezogene Prozesse, während die vorderen Bereiche durch fronto-parietale und thalamische Netzwerke zu höheren kognitiven und sprachbezogenen Funktionen beitragen. Die unterschiedlichen Co-Aktivierungsmuster deuten darauf hin, dass die strukturelle Heterogenität innerhalb der Broca-Region der funktionellen Differenzierung zugrunde liegt, wobei jeder Bereich einzigartige Konnektivitätsprofile bildet, die wahrscheinlich die spezifischen kognitiven und sprachlichen Funktionen unterstützen. Die Überlagerung der MPMs der Areale 44p, 44a, 45p und 45a mit aufgabenbezogenen ECoG-Daten (Liu et al., 2025) zeigte weiter, dass die sprachbezogene Hoch-Gamma-Aktivität weitgehend außerhalb der klassischen Broca-Region lokalisiert ist und vorwiegend im prämotorischen Kortex auftritt, mit nur begrenzter Überlappung im ventralen 44a und in geringerem Maße im 44p für Sequenzkomplexität. Die manuelle, rein visuelle Ausrichtung der Aktivität des mittleren präzentralen Gyrus mit den zytoarchitektonischen Karten von Ruland et al. (2025) deutet auf eine mögliche Korrespondenz mit den ventralen prämotorischen Unterarealen 6v2 und 6v3 hin, wobei noch eine genaue Registrierung mit den MPMs des Julich-Brain-Atlases erforderlich ist. Eine systematische Kartierung aller Elektrodenaktivierungen auf diese MPMs würde eine quantitative Zuordnung von sequenz- und artikulationsbezogenen Effekten zu bestimmten kortikalen Arealen bei allen Teilnehmern ermöglichen und damit die funktionelle Elektrophysiologie mit zytoarchitektonischen Referenzkarten kombinieren. Diese Karten werden als Teil des Julich Brain Cytoarchitectonic Atlas (https://julich-brain-atlas.de/), welcher Bestandteil von EBRAINS (https://ebrains.eu/services/human-brain-atlas) ist, öffentlich zugänglich sein.
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Fachbereich / Einrichtung:	Medizinische Fakultät
Dokument erstellt am:	02.07.2026
Dateien geändert am:	02.07.2026
Promotionsantrag am:	19.12.2025
Datum der Promotion:	09.06.2026