Network modeling of Broca's motor aphasia

Abstract

Contemporary neuroscience approaches interpret aphasia as a disruption of dynamic network interactions between cortical and subcortical structures. In recent years, motor (Broca’s) and sensory (Wernicke’s) aphasias have increasingly been conceptualized as systemic disorders arising from failures in the connectivity of speech networks. However, a network-based model of motor aphasia symptoms has not yet been sufficiently described. Objective. To determine the probable mutual influences among the main symptoms of motor aphasia using multiple regression and correlation analysis, and to construct a network model of this speech disorder. Materials and Methods. At the stroke unit of Odesa Regional Hospital, from January 1, 2024, to May 12, 2025, 25 patients aged 40 to 60 years with aphasia, predominantly due to acute isolated ischemic stroke of the middle cerebral artery, were examined. The matrices of the initial data were constructed by coding the presence of a symptom as 1 and the absence of a symptom as 0. Twenty-five patients with motor aphasia symptoms were examined. In statistical analysis, binary matrices were constructed where symptom presence was coded as 1 and absence as 0. Each symptom was sequentially treated as a dependent variable (Y), with the others as predictors (X). Multiple linear regression was applied to determine directed mutual influences. Results were geometrically interpreted through polycyclic multigraphs. Results. Anomia and oral comprehension: bidirectional negative associations were found, with anomia exerting a stronger effect on comprehension than the reverse. Anomia and speech motor production: positive bidirectional influences were established, with motor impairments impacting anomia more strongly. Paraphasia: interacted with speech production and articulatory deficits through bidirectional negative links. Production difficulties had a stronger effect on paraphasia, while paraphasia more strongly influenced articulation. Neologisms and comprehension: showed bidirectional negative connections dominated by pathological neologisms. Thus, each group of symptoms formed a network in which the strength and direction of links reflected both pathogenetic mechanisms and potential compensatory strategies. Conclusions. Network organization. Symptoms of motor aphasia constitute an interconnected system uniting lexicosemantic, phonological, and motor components. Central role of anomia. Anomia exerts a key influence on speech comprehension and interacts with motor deficits, confirming its function as a lexical access hub. Asymmetry of connections. Negative bidirectional links (e.g., anomia ↔ comprehension) reflect the functional segregation of dorsal and ventral streams, while positive connections (anomia ↔ motor processes) point to shared dorsal nodes. Motor–phonological loop. The strong impact of motor processes on anomia suggests that articulation may support lexical access. Clinical significance. The character and direction of links help specify lesion localization (e.g., left fronto-temporo-parietal overlap) and predict recovery strategies. Methodological contribution. The use of multiple regression and polycyclic multigraphs demonstrates the feasibility of describing aphasia as a systemic disorder rather than a set of isolated symptoms. Motor aphasia results from complex network interactions, with anomia as the central node and symptom dynamics determined by the balance between dorsal and ventral streams of speech processing. This approach opens new perspectives for diagnosis and individualized rehabilitation.

Сучасні нейронаукові підходи інтерпретують афазію як порушення динамічних мережевих взаємодій між корковими та підкірковими структурами. В останні роки моторна (Брока) та сенсорна (Верніке) афазії все частіше концептуалізуються як системні розлади, що виникають внаслідок збоїв у зв'язності мовленнєвих мереж. Однак мережева модель симптомів моторної афазії ще не була достатньо описана. Мета. Визначити ймовірний взаємний вплив основних симптомів моторної афазії за допомогою множинного регресійного та кореляційного аналізу, а також побудувати мережеву модель цього мовленнєвого розладу. Матеріали та методи. У відділенні інсульту Одеської обласної лікарні з 1 січня 2024 року по 12 травня 2025 року було обстежено 25 пацієнтів віком від 40 до 60 років з афазією, переважно спричиненою гострим ізольованим ішемічним інсультом середньої мозкової артерії. Матриці вихідних даних були побудовані шляхом кодування наявності симптому як 1 та відсутності симптому як 0. Було обстежено двадцять п'ять пацієнтів із симптомами моторної афазії. У статистичному аналізі були побудовані бінарні матриці, де наявність симптому кодувалася як 1, а відсутність – як 0. Кожен симптом послідовно розглядався як залежна змінна (Y), а інші – як предиктори (X). Для визначення спрямованого взаємного впливу було застосовано множинну лінійну регресію. Результати були геометрично інтерпретовані за допомогою поліциклічних мультиграфів. Результати. Аномія та розуміння усного мовлення: виявлено двонаправлені негативні асоціації, причому аномія мала сильніший вплив на розуміння, ніж зворотний. Аномія та мовленнєва моторика: було встановлено позитивний двонаправлений вплив, причому моторні порушення сильніше впливали на аномію. Парафазія: взаємодіяла з мовленнєвою продукцією та артикуляційними дефіцитами через двонаправлені негативні зв'язки. Труднощі з мовленням сильніше впливали на парафазію, тоді як парафазія сильніше впливала на артикуляцію. Неологізми та розуміння: показали двонаправлені негативні зв'язки, в яких домінували патологічні неологізми. Таким чином, кожна група симптомів утворювала мережу, в якій сила та напрямок зв'язків відображали як патогенетичні механізми, так і потенційні компенсаторні стратегії. Висновки. 1. Організація мережі. Симптоми моторної афазії являють собою взаємопов'язану систему, що об'єднує лексикосемантичні, фонологічні та моторні компоненти. 2. Центральна роль аномії. Аномія має ключовий вплив на розуміння мовлення та взаємодіє з моторними дефіцитами, підтверджуючи свою функцію як центру лексичного доступу. 3. Асиметрія зв'язків. Негативні двонаправлені зв'язки (наприклад, аномія ↔ розуміння) відображають функціональну сегрегацію дорсального та вентрального потоків, тоді як позитивні зв'язки (аномія ↔ рухові процеси) вказують на спільні дорсальні вузли. 4. Моторно-фонологічна петля. Сильний вплив рухових процесів на аномію свідчить про те, що артикуляція може підтримувати лексичний доступ. 5. Клінічне значення. Характер і напрямок зв'язків допомагають визначити локалізацію ураження (наприклад, перекриття лівих лобноскронево-тім'яних ділянок) та передбачити стратегії відновлення. 6. Методологічний внесок. Використання множинної регресії та поліциклічних мультиграфів демонструє можливість опису афазії як системного розладу, а не як набору ізольованих симптомів. Висновок. Моторна афазія є результатом складних мережевих взаємодій, де аномія є центральним вузлом, а динаміка симптомів визначається балансом між дорсальним та вентральним потоками обробки мовлення. Цей підхід відкриває нові перспективи для діагностики вказаної патології.