Riewe,
Dagmar:
Widerspiegelung der Sprachproduktion im Hochfrequenzbereich des EEG Pilotstudie zur Anwendbarkeit der Subpotentialanalyse für die Erforschung kognitiver Prozesse

Aus dem Institut für Physiologie (Abteilung Neurophysiologie)
der Medizinischen Fakultät Charité
der Humboldt-Universität zu Berlin


DISSERTATION
Widerspiegelung der Sprachproduktion im Hochfrequenzbereich des EEG
Pilotstudie zur Anwendbarkeit der Subpotentialanalyse für die Erforschung kognitiver Prozesse

zur Erlangung des akademischen Grades
doctor medicinae dentariae
(Dr. med. dent.)

vorgelegt der Medizinischen Fakultät Charité
der Humboldt-Universität zu Berlin

von
Dagmar Riewe ,
aus Berlin

Dekan : Prof. Dr. med. M. Dietel

Gutachter:
Prof. Dr. med. Peter Bartsch,
Institut für Physiologie der Humboldt-Universität zu Berlin.
Prof. Dr. med. Angela D. Friederici,
Max-Planck-Institut für kognitive Neurowissenschaften Leipzig.
Prof. Dr. Werner Richerd Sommer,
Institut für Psychologie der Humboldt-Universität zu Berlin.

Datum der Promotion: 22.02.1999

Zusammenfassung:

In einer Pilotstudie sollten deutschsprachigen Probanden (n=28) in zwei Versuchsabschnitten kurze Sätze sprechen, die das Homonym ”Leiter“ im Sinne von ”Steiggerät“ bzw. ”Teamchef“ näher definieren. Das Homonym sollte am Satzanfang ohne Artikel genannt werden. Das Breitband-EEG (bis 2000 Hz, Zeitkonstante 1,5 s) wurde über F3, F4, C3 und C4 (Intern. 10-20-System) vor und kurz nach Sprachbeginn abgeleitet. Signalepochen des EEG- und Mikrophonsignals von 6 s Dauer wurden gespeichert. Off-line erfolgte die Auswertung der auf Sprachbeginn zentrierten und auf 1 Sekunde gekürzten EEG-Episoden. Es wurden vor Vokalisation motorische Bereitschaftspotentiale gefunden, die im gesamten Zeitbereich (750 ms prä- und 250 ms perireaktiv) wenig strukturiert sind und sich an den vier Ableitorten weder in ihrer Amplitude noch in ihrer Amplituden-Zeit-Struktur unterscheiden. Die Spektralanalyse der EEG-Signalstrecke zeigt unter beiden Versuchsbedingungen eine überproportional hohe Amplitude im delta-Band. Mit Hilfe der von Bartsch und Krüger entwickelten Subpotentialanalyse, die im Hochfrequenzbereich des EEG (10-400 Hz) dem ”local field potential“ ähnliche Phänomene nachweist, konnten in der Signalperiode des Bereitschaftspotentials positive und negative Subpotentiale ermittelt werden. Die Amplitude dieser Subpotentiale liegt zwischen 6 und 12 µV. Der Zeitpunkt des Erscheinens der Subpotentiale wurde als Subpotentialevent (SPe) bezeichnet. Die SPe treten teils gruppiert und teils kohärent auf. Die Intervalle zwischen den SPe wurden histographisch aufgetragen, sie reichen vom 4 bis 15 ms. Auffallendstes Ergebnis war die unterschiedliche Struktur der SPe-Intervallhistogramme, die sich in den linksseitigen Ableitungen anders verhielten als in den rechtsseitigen. Möglicherweise sind diese Differenzen typisch für den eloquenten Unterschied.

Schlagwörter:
Sprachgenerierung, motorisches Bereitschaftschaftpotential, EEG-gamma-Band, Subpotentialanalyse

Abstract:

During a pilot study, 28 german speeking subjects were supposed in two trial parts to speak in short sentences in order to define the german homonyme ”Leiter“ with the meaning ”leader“ respectively ”manager“. The homonyme should be used without any article at the beginning of the sentence. The EEG-activity (0-2000 Hz, time constant 1,5 sec) was recorded from F3, F4, C3 and C4 (international 10-20-system) before and after starting speech. Signalepochs of EEG-activity and microphone signals of 6 seconds were stored. The offline-evaluation was based on the centered and to the one second shortened EEG-episodes. Before staring speech there had been found a movement-related readines-potential (motor. Bereitschaftspotential), which had been less structured during the whole period of time (750ms pre- and 250 ms perireactive). Neither in their amplitude nor in their amplitude-time-structure distinctions were observed. The spectral analysis of EEG showed an overpropotional high amplitude in delta-band under both conditions of the trial. The subpotential-analysis developed by Bartsch and Krüger, which shows similar phenomenons as the ”local field potentials“ in the high frequency-EEG (10-400 Hz), could show positve and negative subpotentials during the period of the readiness-potential. The amplitudes of those subpotentials lay between 6 and 12 µV. The point of time, when the subpotentials showed up, is called the subpotential-event (SPe). The SPe showed up partly in groups and partly coherent. The intervals between the SPe were put on histographically with a reach from 4 to 25 ms. The most striking result was the varying structure of the histography of the SPe-intervalls. The left-sided histography was conducted differently to the right-sided. May be that these distinctions are typical for the eloquent difference.

Keywords:
speechproduction, event-related potentials, EEG ”gamma-band“ activity, subpotetial-analysis


Seiten: [7] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [27] [28] [29] [30] [31] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [45] [46] [47] [48] [49] [50] [51] [52] [53] [54] [55] [56] [57] [58] [59] [60] [61] [62] [63] [64] [65] [66] [67] [68] [69] [70] [71] [72] [73] [74] [75] [76] [77] [79] [80] [81] [82] [83] [84] [85] [86] [87] [88] [89] [90] [91] [92] [93] [94] [95] [96] [97] [98] [100] [101] [102] [103] [104] [105] [106] [107] [108] [109] [110] [111] [112] [113] [115] [117] [119]

Inhaltsverzeichnis

TitelseiteWiderspiegelung der Sprachproduktion im Hochfrequenzbereich des EEG Pilotstudie zur Anwendbarkeit der Subpotentialanalyse für die Erforschung kognitiver Prozesse
Abkürzungsverzeichnis Abkürzungsverzeichnis
1 Einleitung
1.1.Die Sprache
1.2.Repräsentation der Sprachfunktion im Gehirn
1.3.Untersuchungsmöglichkeiten sprachrelevanter Prozesse im Gehirn
1.3.1.Probleme mit den klassischen Frequenzbändern des EEG
1.3.2.Veränderungen im gamma-Band
1.4.Lokale Feldpotentiale: neue Perspektiven?
1.5.Aufgabenstellung
1.6.Hypothesen
2 Methode
2.1.Probanden
2.2.Vorbereitung
2.3.Untersuchungsbedingungen
2.4.Versuchsablauf
2.5.Signalerfassung
2.5.1.EEG-Ableitung
2.5.2.Aufzeichnung, Parameter und Geräte
2.6.Datenanalyse
2.6.1.Vorverarbeitung: Synchronisation, Baselinenormierung
2.6.2.Gemittelte Bereitschaftspotentiale (BP)
2.6.3.Spektralanalyse der BP in den klassischen Frequenzbändern
2.6.4.Subpotentialanalyse
2.6.5.Intervallhistographie der SP-events
2.6.6.Auswertung von SP-Parametern in Zeitzonen
2.6.7.Kohärenz gleichgepolter Subpotentiale
3 Ergebnisse
3.1.Allgemeine Ergebnisse
3.2.Gemittelte Bereitschaftspotentiale (BP)
3.2.1.Potentialverlauf
3.2.2.Unterschiede im BP
3.3.Analyse der klassischen Frequenzbänder
3.3.1.Unterschiede zwischen den Frequenzbändern
3.4.Subpotentialanalyse
3.4.1.Potentialverlauf
3.4.2.Unterschiede in SP-Amplitude und SP-Dichte.
3.4.3.Zusammenhang zwischen spektralen und SP-Parametern.
3.4.4.Intervallhistographie der SP-events
3.4.5.Dichte positiver und negativer SPe in den Zeitzonen
3.4.6.Zweikanal-Kopplungen gleichgepolter SPe
3.4.7.Integrale Kanalkopplungsfaktoren (iKF) pro Ableitort
3.5.Zusammenfassung der Ergebnisse
4 Diskussion
4.1.Allgemeine Aspekte
4.1.1.Motorische Bereitschaftspotentiale
4.1.2.Subpotentiale: Events, Dichte, Kohärenz
4.1.3.Versuchsparadigma
4.1.4.EEG-Ableitmethodik
4.1.5.Mikrofonsignal
4.1.6.Signalzentrierung auf den Beginn des Sprechens
4.2.Diskussion der Hypothesen
4.2.1.Hypothese 1
4.2.2.Hypothese 2
4.2.3.Hypothese 3
4.2.4.Hypothese 4
4.2.5.Hypothese 5
4.3.Fazit
5 Zusammenfassung
Bibliographie Literaturverzeichnis
Danksagung
Selbständigkeitserklärung
Lebenslauf

Abbildungsverzeichnis

Abb. 1.1.
Zusammenhang zwischen LFP und MUA. Gleichzeitig über die selbe Mikroelektrode im Kortex abgeleitetes Signal mit Bandpaßfilterung des gleichen originalen Signals (1-100Hz für LFP und 1-3 kHz für MUA) [ EKS96 ].
Abb. 2.1.
Anordnung der gewählten Ableitorte. Elektrodenposition : F3, F4, C3, C4, A1 und A1 (internationales 10-20-System), Masse : Elektrode auf Stirnmitte.
Abb. 2.2.
Blockschaltbild der Versuchsanordnung. Elektroden: vgl. Abb. 2.1. Headbox: Elektrodenanschlußfeld mit Vorverstärker; Verstärker: ”Bioscript 2002“ mit Biomonitor (Zwönitz, Deutschland); AD-Wandler: Cambridge Electronic-Design ”CED 1401“ (Science Park Cambridge, England), Auflösung: max. 32 Kanäle, max. 16000 Datenpunkte pro Sekunde; PC: 386 SX ”Tandon“ , ausgestattet mit Interface card und Software für CED.
Abbildung 3.1. A) Standardabweichung (±s) des Mikrofonsignals des Morphems "LEITER" in Bezug auf die vier Zeitzonen (ZZ1= -750ms...-500ms, ZZ2= -500ms...-250ms, ZZ3= -250ms...0, ZZ4= 0...250ms) B) Grand mean der baselinenormierten Bereitschaftspotentiale (mV) vor Vokalisaion des Wortes "LEITER", abgeleitet über F3, F4, C3 und C4 (Intern. 10-20-System)
Abbildung 3.2. : Unterschiede zwischen den gemittelten Bereitschaftspotentialen der beiden Versuchsbedingungen R und I an den vier Ableitorten F3, F4, C3 und C4. Dargestellt als Differenz (mV) der Mittelwerte (BP R - BP I).
Abbildung 3.3.: Mittelwerte (mV, dargestellt als Balken) und Standardabweichung (±s, dargestellt mit Symbolen) der Amplituden der klassischen Frequenzbänder an den vier Ableitorten.
Abbildung 3.4. oben: Mittelwert (mV/Hz, als Balken) und Standardabweichung (±s, als Symbol) der Amplituden verschiedener Frequenzbänder in Abhängigkeit der unterschiedlichen Versuchs- und Auswertungsbedingungen. Abbildung 3.4. unten: Zusammenfassung der Ergebnisse der Signifikanzprüfung mittels t-Test, für den semantischen Vergleich (R, I) und den emotionalen Vergleich (L,S)
Abb. 3.5.
Die durch unabhängigen t-Test ermittelten signifikanten (p<5%: ) bzw. tendenziellen Unterschiede (p<10%: ) im topographischen Vergleich der Amplituden verschiedener Frequenzbänder (delta, theta, alpha, beta, gamma) unter den verschiedenen Ableit- und Auswertbedingungen (R, I, L, S). Die Pfeilspitze zeigt jeweils auf den kleineren Wert.
Abb. 3.6.
Originalausschnitt einer SP-event-Analyse mit der Dauer von 250 ms am Beispiel der Versuchsperson 11 unter der Versuchsbedingung R.
Abbildung 3.7.: Subpotentialverlauf je Proband und als Mittelwert aller Probanden, dargestellt für jeden Ableitort und die Bedingung "DER"
Abb. 3.8. Mittelwerte (dargestellt als Säulen) und Standardabweichung ( + s, Symbole) von SP-Amplitude (µV) und SP-Gesamtdichte (SPe/s) in Abhängigkeit der verschiedenen Versuchs- und Auswertbedingungen (R, I, S, L). Darunter die Ergebnisse der Signifikanzprüfung mittels t-Test beim semantischen und emotionalem Vergleich. Y=signifiknter Unterschied (p<5%); ?=tendenzieller Unterschied (p<10%)
Abb 3.9.
Die mit t-Test berechneten signifikanten (p<5%: ) und tendenziellen (p<10%: ) Unterschiede im topographischen Vergleich von SP-Amplitude (µV) und SP-Gesamtdichte (SPe/s) unter verschiedenen Versuchs- und Ableitbedingungen (R, I, L, S). Die Pfeilspitze zeigt zum kleineren Wert.
Abb. 3.10.
Signifikante Unterschiede in der Korrelation (p<5%) zwischen SP-Amplitude bzw. SP-Gesamtdichte und den Amplituden der Frequenz-bänder (d, q, a, b, g) an den vier Ableitorten (F3, F4, C3, C4), dargestellt für jede Versuchs- und Auswertbedingung (R, I, L, S)
Abb. 3.11.A Histogrammbelegung für alle Beziehung +/- ---> +/- am Beispiel von Proband 2 bei den Versuchsbedingungen R und I an allen Ableitorten (F3, F4, C3, C4) y: SP-Häufigkeit; x: Anzahl der Stützstellen
Abb. 3.11.B Signifikante Unterschiede zwischen allen Probanden (p<5%) in der Belegung der Histogramm-klassen beim semantischen Vergleich (I,R). x=Anzahl der Stützstellen. Dargestellt werden die Klassen mit der Bedingung I>R.
Abb. 3.12.
Topografischer Vergleich von Histogrammklassenbelegungen an den Ableitorten. y = Anzahl, wie oft ein Ableitort signifikant häufiger eine Histogrammklasse belegt; x = Anzahl der Stützstellen
Abb. 3.13.A
Mittelwert der Subpotentialdichte (SPe/s, Säulen) und deren Standardabweichung (±s, Symbole) positiver und negativer SPe (SPe+, SPe-) je Ableitort (F3, F4, C3, C4). Dargestellt in verschiedenen Zeitzonen (ZZ1 = 1, ZZ2 = 2, ZZ3 = 3, ZZ4 = 4) und für die verschiedenen Versuchs- und Auswertbedingungen (R, I, L, S)
Abb. 3.13.B
Unterschiede in der Subpotentialdichte im emotionalen und semantischen Vergleich je Ableitort und Zeitzone, getestet mit dem WILCOXON-Test (Y= signifikanter Unterschied; p< 5%).
Abb. 3.14.
Signifikante Unterschiede (p<5%) in der Dynamik positiver und negativer SPe an gleichen Ableitorten zwischen jeweils zwei aufeinanderfolgenden Zeitzonen. Die Symbole sind der jeweils größeren SP-Dichte zugeordnet.
Abb. 3.15.
Mittels WILCOXON-Test ermittelte signifikante Unterschiede (; p<5%) zwischen den positiven bzw. negativen Subpotentialdichten (SPe+, SPe-) der vier Ableitorte (F3, F4, C3, C4), dargestellt für die vier Zeitzonen und für jede Versuchs- und Auswertungsbedingung (R, I, L, S). Die Pfeilspitze zeigt zum kleineren Wert.
Abb. 3.16.
Gemittelte Kanalkopplungsfaktoren (KKF) je Triggerkanal und Zeitzone (ZZ1=1, ZZ2=2, ZZ3=3, ZZ4=4).
Abb. 3.17.
Vereinfachte Darstellung der Menge von Kopplungen zwischen den vier Ableitorten
Abb. 3.18.A Mittelwerte (Säulen) und Standardabweichung (±s, Symbole) positiver und negativer integraler Kopplungsfaktoren des Triggerkanals (iKF+ / iKF-) mit den übrigen Ableitorten. Dargestellt in den vier Zeitzonen (ZZ1=1, ZZ2=2, ZZ3=3, ZZ4=4) und je Triggerkanal (C3, C4, F3, F4).
Abb. 3.18.B Unterschiede zwischen den intergralen Kopplungsfaktoren (iKF+ / iKF-) im emotionalen und semantischen Vergleich je Triggerkanal (C3, C4, F3, F4) und Zeitzone, getestet mit dem WILCOXON-Test (Y= signifikanter Unterschied; p< 5%)
Abb. 3.19.
Signifikante Unterschiede (p<0,05) in der Dynamik positiver und negativer iKF an gleichen Ableitorten zwischen zwei aufeinanderfolgenden Zeitzonen. Die Symbole sind dem jeweils größeren iKF zugeordnet.
Abb. 3.20.
Mittels WILCOXON-Test ermittelte signifikante Unterschiede (; p<5%) zwischen den positiven und negativen integralen Kopplungsfaktoren (iKF+ / iKF-) der vier Ableitorte (F3, F4, C3, C4), dargestellt für die vier Zeitzonen und für jede Versuchsbedingung (R, I, L, S). Die Pfeilspitze zeigt zum kleineren Wert.
Abb. 4.1. Zusammenhang zwischen LFP und MUA bei größerer zeitlicher Auflösung der Ableitung [ GS89 ]

[Titelseite] [Abkürzungsverzeichnis] [1] [2] [3] [4] [5] [Bibliographie] [Danksagung] [Selbständigkeitserklärung] [Lebenslauf]

© Die inhaltliche Zusammenstellung und Aufmachung dieser Publikation sowie die elektronische Verarbeitung sind urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung. Das gilt insbesondere für die Vervielfältigung, die Bearbeitung und Einspeicherung und Verarbeitung in elektronische Systeme.

DiDi DTD Version 1.1
a subset from ETD-ML Version 1.1
Zertifizierter Dokumentenserver
der Humboldt-Universität zu Berlin
HTML - Version erstellt am:
Mon Nov 15 14:47:32 1999