Dokument: The link between healthy speech perception and pathological voice hearing - a pivotal role for Broca's region

Titel:The link between healthy speech perception and pathological voice hearing - a pivotal role for Broca's region
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URN (NBN):urn:nbn:de:hbz:061-20131217-122610-7
Kollektion:Dissertationen
Sprache:Englisch
Dokumententyp:Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:Text
Autor: Clos, Mareike [Autor]
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Dateien vom 12.12.2013 / geändert 12.12.2013
Beitragende: Eickhoff, Simon Bodo Johannes [Gutachter]
Prof. Dr. Kalenscher, Tobias [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften » 610 Medizin und Gesundheit
Beschreibungen:The six neuroimaging studies presented in this dissertation investigate the mechanisms and brain networks underlying top-down processes in normal speech perception on the one hand and pathological speech perception by auditory verbal hallucinations (AVH, “voice hearing”) on the other hand. The first fMRI study shows that, physiologically, speech perception is influenced by prior expectations in such a manner that unintelligible degraded speech sounds can suddenly be decoded when prior lexical-semantic information is available. This perceptual effect is presumably based on lexical-semantic expectations provided by higher order areas such as the left angular gyrus which may affect the semantic processing in the left middle temporal gyrus and modulate expected auditory signals in the thalamus. Broca’s region (area 44/45) could contribute to this process by searching for meaningful content in impoverished speech-like sequences. However, as study 2 demonstrates, in area 44 of Broca’s region merely the anterior-ventral part seems to be devoted to this task as this region is functionally heterogeneous. In particular, meta-analytic parcellation based on the whole-brain co-activation pattern across a wide range of neuroimaging experiments revealed that left area 44 contains five subunits primarily involved in rhythmic sequencing (posterior-ventral cluster), phonological processes in speech articulation (posterior-dorsal-cluster), working memory (anterior-dorsal cluster), detection of meaning in language and social contexts (anterior-ventral cluster) and cognitive control (inferior frontal junction cluster), respectively.
Furthermore, the fMRI resting state functional connectivity analysis reported in study 3 emphasizes the importance of Broca’s region in AVH in psychotic patients. In particular, the results of this analysis suggest that imbalances in the functional connectivity pattern of the speech-relevant part of Broca’s region might lead to the misattribution of self-produced verbal imagery to an external source. Specifically, the perception of alien voices in the absence of sensory stimulation might arise from a decoupling between Broca’s region and the verbal monitoring system in combination with increased interactions within the speech articulation network. In addition, study 3 also provides evidence for abnormal top-down influences on speech processing in AVH reflected in disturbed connectivity of the left middle temporal gyrus and the left angular gyrus with other regions involved in speech perception. Moreover, the fMRI resting state analysis presented in study 4 suggests that Broca’s right-sided homotope might equally contribute to the pathology of AVH. Furthermore, abnormal coupling with medial temporal lobe memory structures might reflect intrusions of verbal memory fragments that are subsequently perceived as alien voices. Evidence for disturbed connectivity between areas involved in language and memory processes was also found in non-psychotic individuals with AVH in study 5. Finally, study 6 demonstrates an important negative finding that strengthens the specificity of the aforementioned results on disturbed functional connectivity of Broca’s region in AVH. In particular, it could be shown that major depression is specifically associated with hyperconnectivity of regions involved in affective and introspective processes but not with any abnormal connectivity within the speech perception network from study 1. Therefore, abnormal connectivity between Broca’s region and other regions implicated in speech perception seems to be specific to the symptom of AVH, as they are found in psychotic and non-psychotic patients showing this clinical phenotype but not in patients with affective psychosis (i.e., major depression). Together, these studies thus demonstrate that Broca’s region is multifunctional and forms an important hub in top-down driven speech perception where degraded bottom-up speech signals are restored to meaningful sentences based on lexical-semantic expectations as well as in the pathology of AVH where speech is perceived in the absence of bottom-up sensory signals.

Die sechs bildgebenden Studien, die in dieser Dissertation dargestellt werden, untersuchen die Mechanismen und Gehirn-Netzwerke, welche die Grundlage für „top-down“ Prozesse in sowohl normaler Sprachwahrnehmung als auch pathologischer Sprachwahrnehmung im Fall von verbal-akustischen Halluzinationen (VAH, „Stimmen hören“) bilden. Die erste fMRT-Studie zeigt, dass Sprachwahrnehmung auf physiologischer Ebene durch vorherige Erwartungen derart beeinflusst wird, dass zur Unverständlichkeit degradierte Sprachklänge plötzlich decodiert werden können, wenn zuvor lexikalisch-semantische Informationen präsentiert wurden. Dieser Wahrnehmungseffekt beruht vermutlich auf lexikalisch-semantischen Erwartungen, die von hierarchisch höheren Arealen wie dem linken Gyrus angularis bereitgestellt werden und welche die semantische Verarbeitung im linken mittleren temporalen Gyrus beeinflussen und die erwarteten akustischen Signale im Thalamus modulieren. Die Broca-Region (Areal 44/45) könnte zu diesem Prozess beitragen, indem sie nach bedeutungsvollen Inhalten in sprachähnlichen Sequenzen sucht. Wie Studie 2 jedoch zeigt, ist es lediglich der anterior-ventrale Teil von Areal 44 der Broca-Region, der dieser Aufgabe gewidmet ist. Eine meta-analytische Parzellierung, die auf dem Ko-Aktivierungsmuster des gesamten Gehirns über eine Vielzahl an bildgebenden Experimenten beruht, offenbarte, dass das linke Areal 44 in fünf heterogene Untereinheiten unterteilt werden kann. Diese sind vornämlich jeweils in rhythmische Sequenzierung (posterior-ventrales Cluster), phonologische Artikulationsprozesse (posterior-dorsales Cluster), Arbeitsgedächtnis (anterior-dorsales Cluster), Erkennung von Bedeutung im sprachlichen und sozialen Kontext (anterior-ventrales Cluster) und kognitive Kontrolle (inferior frontale Junktion Cluster) involviert .
Weiterhin unterstreicht die fMRT-Analyse der funktionellen Konnektivität im Ruhezustand in Studie 3 die Bedeutung der Broca-Region für VAH bei psychotischen Patienten. Insbesondere weisen die Ergebnisse dieser Analyse darauf hin, dass ein Ungleichgewicht im funktionellen Verbindungsmuster mit dem sprach-relevanten Teil der Broca-Region zu einer Fehlattribution von selbstgenerierten verbalen Vorstellungen, welche als externe Stimmen wahrgenommen werden, führen könnte. Konkret könnte die Wahrnehmung von fremden Stimmen in Abwesenheit von sensorischer Stimulation durch eine Entkopplung zwischen der Broca-Region und dem verbalen Kontrollsystem in Kombination mit erhöhten Wechselwirkungen innerhalb des verbalen Artikulationsnetzwerks entstehen. Zusätzlich bietet Studie 3 auch Hinweise auf anormale „top-down“ Einflüsse auf die Sprachverarbeitung bei VAH, die sich in gestörten Verbindungen des linken mittleren temporalen Gyrus und des linken Gyrus angularis mit anderen Sprachwahrnehmungs-Regionen widerspiegeln. Darüber hinaus lässt die fMRT-Analyse der funktionellen Konnektivität im Ruhezustand in Studie 4 vermuten, dass das rechtsseitige Broca-Homotop ebenfalls zur VAH-Pathologie beiträgt. Außerdem könnte eine anormale Kopplung mit Gedächtnisregionen des medialen Temporallappens das unkontrollierte Eindringen von verbalen Erinnerungsfragmenten verursachen, die anschließend als fremde Stimmen wahrgenommen werden. Weiterhin gibt auch Studie 5 Hinweise auf gestörte Konnektivität zwischen Sprach- und Gedächtnisregionen bei nicht-psychotischen Individuen mit VAH. Studie 6 demonstriert schließlich einen wichtigen Negativbefund, der die Spezifizität der zuvor genannten veränderten funktionellen Konnektivität von der Broca-Region bei VAH unterstreicht. Insbesondere zeigt diese Studie, dass die Symptomatik depressiver Patienten spezifisch mit Hyperkonnektivität von affektiven und introspektiven Hirnregionen assoziiert ist, aber nicht mit anormaler Konnektivität innerhalb des Sprachwahrnehmungsnetzwerks aus Studie 1. Da die anormale Konnektivität zwischen der Broca-Region und anderen Sprachwahrnehmungsregionen nur bei psychotischen Patienten sowie nicht-psychotischen Individuen mit VAH aber nicht bei Patienten mit affektiver Psychose (d.h. Depressionen) vorhanden ist, scheint dieses gestörte Konnektivitätsmuster spezifisch für die Symptomatik von VAH zu sein. Insgesamt zeigen diese Studien, dass die multifunktionelle Broca-Region eine wichtige Schaltstelle darstellt sowohl für „top-down“ getriebenes Sprachverständnis, bei dem degradierte Sprachsignale basierend auf lexikalisch-semantischen Erwartungen als bedeutungsvolle Sätze wahrgenommen werden, als auch für VAH, bei denen Sprache wahrgenommen wird obwohl keine „bottom-up“ sensorischen Signale vorhanden sind.
Fachbereich / Einrichtung:Sonstige Einrichtungen/Externe » Institute in Zusammenarbeit mit der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf » Institut für Medizin, Forschungszentrum Jülich GmbH
Dokument erstellt am:17.12.2013
Dateien geändert am:17.12.2013
Promotionsantrag am:20.03.2013
Datum der Promotion:19.11.2013
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