Nachweis von Unterschieden in der neuronalen Aktivierung des Gehirns durch Artikulation unterschiedlicher Silbenfolgen

Abstract

1.1 Zusammenfassung in deutscher Sprache Hintergrund: Zur Generierung von Sprache sind viele verschiedene Strukturen des menschlichen Körpers, sogenannte Artikulatoren, erforderlich, für deren Einsatz eine neuronale Aktivierung notwendig ist. Diese findet ihren Ursprung als elektrischer Reiz im Gehirn, welcher zu den jeweiligen Artikulatoren weitergeleitet wird, um dort eine Aktion, beispielsweise eine Bewegung, auszulösen. Ziel dieser Arbeit war es, herauszufinden, ob die Aussprache von verschiedenen Silbenfolgen durch die spezielle Bewegung einzelner Artikulatoren unterschiedliche neuronale Aktivität im Gehirn hervorruft und weiter, ob sich diese unterschiedliche Aktivität anhand fMRI-Aufnahmen bildlich und somit nachweisbar darstellen lässt. Methoden: Für die Messungen wurden 43 Probanden weiblichen und männlichen Geschlechts im Alter zwischen 21 und 55 Jahren (mittleres Alter 27,3 Jahre) im MRT untersucht. Es wurden fMRI- Aufnahmen während der lauten Aussprache von drei verschiedenen CV- Silbenfolgen - /'dadada/, /'nanana/ und /'tatata/ - angefertigt, welche in vorgegebener Reihenfolge wiedergegeben wurden. Zusätzlich wurden in gleicher Anzahl Aufnahmen angefertigt, während derer keine Produktion von Sprache gefordert war. Diese Aufnahmen dienten sämtlichen Berechnungen als Baseline. Die erzeugten Aufnahmen wurden mit dem Programm SPM8 statistisch ausgewertet. Die Auswertung erfolgte zunächst einzeln für jede Silbenfolge, um herauszufinden, in welchen Gehirnregionen Aktivitäten zu finden sind. Anschließend wurden die Aktivitäten der einzelnen Silbenfolgen mittels ROIAnalyse miteinander verglichen, um zu überprüfen, ob sich nachweisbare Unterschiede hinsichtlich der neuronalen Aktivierung ergeben. Ergebnisse: Verschiedenheiten in der neuronalen Aktivität für die Artikulation unterschiedlicher Silbenfolgen ließen sich bildlich, sowohl in kortikalen als auch in nichtkortikalen Gehirnregionen, darstellen. Für /'dadada/ ergab sich eine geringere neuronale Aktivität im Vergleich zu den beiden anderen Silbenfolgen, Abstufungen hinsichtlich des Ausmaßes an neuronaler Aktivität zwischen /'nanana/ und /'tatata/ konnte nicht getroffen werden. Unterschiede ließen sich aber auch für diese Kontraste nachweisen. Schlussfolgerung: Es konnte gezeigt werden, dass sich die durch die Aussprache verschiedener Silbenfolgen hervorgerufenen unterschiedlichen neuronalen Aktivitäten im Gehirn bildlich nachweisen lassen. Nun sind weitere Untersuchungen nötig, um den komplexen Verschaltungen im Gehirn, gerade hinsichtlich Produktion von Sprache, weiter auf den Grund gehen zu können. Diese könnten in Verbindung mit dem in dieser Arbeit verwendeten Studiendesign dazu beitragen, ein besseres Verständnis zu komplexen Krankheitsbildern, beispielsweise bei Patienten mit Zustand nach Apoplexien mit Aphasien, neurodegenerativen Erkrankungen oder Stottern zu erlangen.

1.2 Abstract Background: The act of generating speech involves many different structures of the human body, i.e. the so-called articulators, which require neuronal activation. This activation originates from within the brain as an electrical stimulus, which is transmitted to particular articulators in order to trigger an action in terms of a physical motion. It was the topic and aim of the present study to examine whether the production of different kinds of sequences of syllables result in different neural activities by using diverse articulators and, furthermore, whether those different activities are visually detectable by using fMRI. Methods: In total, 43 female and male subjects aged between 21 and 55 years old (average age 27,3 years) took part in the study. The fMRI recordings were made while the subjects pronounced three different sequences of syllables in the format of CV - skeleton - /'dadada/, /'nanana/ and /'tatata/ - loudly and in prescribed order. Furthermore, an identical number of recordings was made without loud pronunciation as the subjects were instructed to be silent. These recordings served as baseline for the calculations. The statistical evaluation was made using the program SPM8: firstly, each sequence of syllables was evaluated by itself to detect active brain regions for that specific speech production; secondly, the activities during the production of the sequences of syllables were compared with each other and evaluated via ROI - analysis in order to assess whether there are any verifiable differences between them. Results: Differences in the neural activity while pronouncing the sequences of syllables could be depicted both in cortical and non-cortical brain regions. The neuronal activity while pronouncing /'dadada/ was significantly lower compared to the other sequences of syllables. Whereas there were detectable differences for the two other contrasts as well, it was impossible to establish gradations between /'nanana/ and /'tatata/ regarding neuronal activity. Conclusion: The study has been shown that different neural activity caused by the pronunciation of different sequences of syllables is visually verifiable via fMRI. At this point, further studies are required in order to illuminate these complex brain networks, particularly those involved in speech production. Subsequent findings in conjunction with this study might be able to contribute to a better understanding of complex diseases like conditions after stroke combined with aphasia, neurodegenerative diseases, or stutter.