Zugl.: Mainz, Univ., Diplomarbeit, 2006

Konstanz, Univ., Diss., 2006.

Universiẗat, Diss., 2002--Jena.

Universiẗat, Diss., 2004--Bielefeld.

Zusammenfassung In der Vergangenheit wurde Kritik am HSM-Satztest dahingehend geäußert, dass die Objektivität durch Inhomogenität der Testlisten und mögliche Wiederholungseffekte durch die limitierte Anzahl an Sätzen eingeschränkt sei. Auf diese Kritik sollte mit einer Erweiterung des HSM- Satztestmaterials reagiert werden. Dazu wurden 1388 neue und alte, schon in den bisherigen HSM-Listen enthaltene Sätze zusammengestellt und aufgesprochen (Angermüller, unpublizierte Dissertation). In der vorliegenden Arbeit wurden diese Sätze individuell auf Verstehbarkeit evaluiert und eine Methode entwickelt, mit der die Sätze so auf Listen verteilt werden konnten, dass alle Listen den gleichen Mittelwert und minimale Varianz des Verstehbarkeits-Schwierigkeitsgrades aufwiesen. Um die Situation von Hörbehinderten, für die derartige Tests vorgesehen sind, zu imitieren und um die Verstehbarkeit in einen empfindlichen Bereich zu bringen, wurden alle Sätze auf gleiche Spitzenwerte des SPLs (sound pressure levels) kalibriert und mit einem spektral sprachähnlichen (CCITT-) Rauschen bei einem festen SNR (Signal-Rausch-Abstand) versehen. Anschließend wurden sie 36 normalhörenden Probanden dargeboten, um jedem Satz einen Verstehbarkeitsgrad zuweisen zu können. Jeder Proband hörte ein Drittel der Gesamtsatzmenge, so dass jeder Satz von jeweils 12 Probanden beurteilt wurde. Basierend auf den Satzverstehbarkeitswerten wurde eine Methode entwickelt, die die Sätze den Listen nach bestimmten Vorgaben zuwies, so dass Listen mit exakt gleicher mittlerer Verstehbarkeit resultierten. Die Methode der Listeneinteilung erwies sich als so leistungsfähig, dass ein zusätzliches Kriterium berücksichtigt werden konnte. Es konnte auch die Varianz der Verstehbarkeit innerhalb der Listen sehr weitgehend angeglichen werden. Die Methode ist auch auf andere Sprachverständnistests übertragbar, sofern einige Voraussetzungen erfüllt sind. Es stellte sich allerdings auch heraus, dass die Sätze von vielen Probanden als unterschiedlich laut wahrgenommen wurden. Dies kann einerseits an der Aufsprache selbst gelegen haben, zum anderen ist es möglich, dass die Methode der Lautstärkenkalibrierung dafür verantwortlich ist, worauf es gewisse statistische Hinweise gibt. Dies zu untersuchen und gegebenenfalls zu verbessern sollte Aufgabe von zukünftigen Untersuchungen sein. / Abstract In the past, the HSM-sentence-test has been criticised to the effect that its objectivity was compromised by inhomogeneity of the sentence lists and by possible repetition effects due to a limited number of sentences. These criticisms were addressed by an extension of the sentence material of the HSM-sentence-test. First, 1388 new and old, already in the original HSM lists contained sentences were collected and recorded (Angermüller, unpublished PhD thesis). In the work presented in this thesis, the sentences were individually evaluated for intelligibility and a method was developed to allocate sentences to lists in such a way, that the lists had the same average level and minimum variance of understanding difficulty. To imitate the condition of hearing-impaired subjects, for whom such tests are designed, and to bring the intelligibility into a sensitive range, the peak SPLs (sound pressure levels) of all sentences were calibrated and a speech spectrum (CCITT) noise was added at a fixed SNR (signal to noise ratio). Then the sentences were presented to 36 normal hearing subjects to determine their individual degree of intelligibility. Each test subject was presented a third of the whole sentence material, and therefore, each sentence was judged by 12 subjects. Based on the degrees of intelligibility, a method was developed with which sentences could be allocated to lists, considering certain prerequisites. As a result, we obtained lists with exactly the same average intelligibility. This method turned out to be so efficient that an additional criterion could be accounted for. It was also possible to equalize to a large extent the within-list variance. The method can be transferred to other speech perception tests as long as a number of conditions are met. One observation however, was that sentences were perceived as different loud by many subjects. On one hand, this may have been a property of the recordings themselves. But possibly it may also have been due to the method of loudness calibration, for what we found some statistical evidence. Further analysis and improvement, where appropriate, should be the focus of future studies.

Seit den Anfängen empirisch-neurowissenschaftlicher Forschung gilt Sprachkompetenz zuvorderst als eine Leistung der Hirnrinde (Kortex), jedoch wurden v. a. im Zuge sich verbessernder bildgebender Verfahren aphasische Syndrome auch nach Läsionen subkortikaler Hirnregionen, insbesondere der Basalganglien und des Thalamus nachgewiesen. Diese Strukturen liegen in der Tiefe des Gehirns und kommunizieren über weit gefächerte Faserverbindungen mit dem Kortex. In erster Linie werden den Basalganglien senso-motorische Kontrollfunktionen zugewiesen. Dementsprechend werden diverse Erkrankungen, die durch Störungen physiologischer Bewegungsabläufe gekennzeichnet sind (z. B. Morbus Parkinson, Chorea Huntington), auf Funktionsdefekte dieser Strukturen zurückgeführt. Der Thalamus wird häufig als Relaisstation des Informationsaustauschs zwischen anatomisch entfernten Arealen des Nervensystems aufgefasst. Basalganglien und Thalamus werden jedoch auch darüber hinausgehende Funktionen, z. B. zur Bereitstellung, Aufrechterhaltung und Auslenkung von Aufmerksamkeit bei der Bearbeitung kognitiver Aufgaben zugesprochen. In der vorliegenden Arbeit wurde mit elektrophysiologischen Methoden untersucht, ob auf der Ebene von Thalamus und Basalganglien kognitive Sprachleistungen, spezifisch der syntaktischen und semantischen Verarbeitung nachgewiesen werden können und inwieweit sich eventuell subkortikale von kortikaler Sprachverarbeitung unterscheidet. Die Untersuchung spezieller Sprachfunktionen der Basalganglien und des Thalamus ist im Rahmen der operativen Behandlung bewegungsgestörter Patienten mit der sog. Tiefenhirnstimulation (DBS = engl. Deep Brain Stimulation) möglich. Hierbei werden Patienten mit Morbus Parkinson Stimulationselektroden in den Nucleus subthalamicus (STN) implantiert. Bei Patienten mit generalisierten Dystonien erfolgt die Implantation in den Globus pallidus internus (GPI) und bei Patienten mit essentiellem Tremor in den Nucleus ventralis intermedius (VIM). STN und GPI sind Kernareale der Basalganglien, der VIM ist Teil des motorischen Systems. Nach der Implantation besteht die Möglichkeit, direkt von diesen Elektroden elektroenzephalographische (EEG)-Signale abzuleiten und diese mit simultan abgeleiteten Oberflächen-EEG zu vergleichen. In dieser Arbeit wurden DBS-Patienten aus allen genannten Gruppen in Bezug auf Sprachverständnisleistungen untersucht. Neben der Präsentation korrekter Sätze hörten die Patienten Sätze mit syntaktischen oder semantischen Fehlern. In verschiedenen Studien wurden an der Skalp-Oberfläche EKP-Komponenten (EKP = ereigniskorrelierte Potentiale) beschrieben, welche mit der Verarbeitung solcher Fehler in Verbindung gebracht werden. So verursachen syntaktische Phrasenstrukturverletzungen eine frühe links-anteriore Negativierung (ELAN). Dieser Komponente folgt eine späte Positivierung (P600), die mit Reanalyse und Reparaturmechanismen in Verbindung gebracht wird. Semantische Verletzungen evozieren eine breite Negativierung um 400ms (N400). In den thalamischen Ableitungen wurden zwei zusätzliche syntaktische fehlerbezogene Komponenten gefunden, die (i) ~ 80ms nach der Skalp-ELAN und (ii) ~ 70ms vor der Skalp-P600 auftraten. Bei semantischen Verletzungen wurde im Thalamus ein fehlerbezogenes Potential nachgewiesen, welches weitgehend parallel mit dem am Skalp gefundenen Muster verläuft. Aus den Ergebnissen der vorliegenden Studie folgt, dass der Thalamus spezifische Sprachfunktionen erfüllt. Komponenten, die Sprachverarbeitungsprozesse reflektieren, konnten in den Basalganglienstrukturen STN und GPI nicht identifiziert werden. Aufgrund der erhobenen Daten werden zwei getrennte Netzwerke für die Verarbeitung syntaktischer bzw. semantischer Fehler angenommen. In diesen Netzwerken scheint der Thalamus spezifische Aufgaben zu übernehmen. In einem ‚Syntaxnetzwerk’ kommunizieren frontale Hirnstrukturen unter Einbeziehung des Thalamus mit parietalen Hirnstrukturen. Dem Thalamus wurde eine Mediationsfunktion in der syntaktischen Reanalyse zugesprochen. In einem ‚Semantiknetzwerk’ waren keine eindeutig zuordenbaren Prozesse auf thalamischer Ebene nachweisbar. Es wurde eine unscharfe, jedoch aber spezifische Aktivierung des Thalamus über den gesamten Zeitraum der kortikalen semantischen Analyse gezeigt, welche als Integration verschiedener Analysemechanismen gewertet wurde. / Since the beginning of empirical neuroscientific research language competence has been primary localized at the brain cortex. Improved functional neuroimaging techniques were able to localize lesions in structures which caused aphasic syndromes. These syndromes were particularly found after lesions of the basal ganglia and the thalamus These structures are located in the depth of the brain and communicate over widespread fiber connections with the cortex. Sensori-motor control functions are primarily assigned to the basal ganglia. Various diseases, which are characterized by disturbances of physiological courses of motion (e.g. Parkinson’s disease, Chorea Huntington) are attributed to function defects of these structures. The thalamus was originally understood as a simple relay station of information exchange between various cortical areas of the nervous system. However, additional functions were assigned to the basal ganglia and thalamus, e.g. maintenance and deflection of attention while processing of cognitive tasks. Within the present investigation thalamic and basal ganglia achievements in language processing were studied with electro-physiological methods to investigate differences between cortical and subcortical processes. The investigation of special language functions of the basal ganglia and the thalamus is possible in the context of the surgical treatment of movement-disordered patients with "Deep Brain Stimulation (DBS)". Stimulation electrodes have been implanted to patients with Parkinson’s disease into the subthalamic nucleus (STN), patients with generalized dystonia into the globus pallidus internus (GPi), and patients suffering from essential tremor into the ventral intermediate nucleus of the thalamus (VIM). STN and GPi are core areas of the basal ganglia, the VIM is part of the motor system. EEG-signals may be derived directly from these implanted electrodes and be compared to the simultaneously derived signals of a surface EEG. In this thesis DBS patients from all groups mentioned above were examined regarding language understanding achievements. The patients listened to sentences, which were either correct or syntactical or semantical incorrect. Different studies described scalp ERP components (ERP = event related potentials) which occurred after different types of errors in sentences. Thus, syntactic phrase structure violations cause an early left anterior negativity (ELAN). A late positivity (P600) follows this component and was hypothesized as a reflection of syntactical reanalysis and/or repair. Semantic violations evoke a broad negativity around 400ms (N400). In the thalamic EEG two additional syntactic components were identified, which were seen (i) ~ 80ms after the scalp ELAN and (ii) ~ 70ms before the scalp-P600. At thalamic level semantic violations caused a negativity, which parallels largely with the negativity found at the scalp. The results of this study suggest, that the thalamus fulfills specific language functions. In the basal ganglia structures (GPI and STN) no language specific components were found. Due to the collected data two separate networks are suggested for the processing of syntactic and/or semantic errors. In these networks the thalamus seems to fulfill specific tasks. In a "syntax network” frontal brain structures communicate with parietale brain structures via the thalamus. The function of the thalamus in this network is the mediation of the syntactic reanalysis. In a "semantic network” no clearly classified processes were proved at thalamic level, because of a similarity of thalamic and scalp signals. However, during the entire period of the cortical analysis activation of the thalamus was apparent. This activation was rated as integration of different analysis mechanisms.

Das Forschungsthema Synchronisation bildet einen Schnittpunkt von Nichtlinearer Dynamik und Neurowissenschaft. So hat zum einen neurobiologische Forschung gezeigt, daß die Synchronisation neuronaler Aktivität einen wesentlichen Aspekt der Funktionsweise des Gehirns darstellt. Zum anderen haben Fortschritte in der physikalischen Theorie zur Entdeckung des Phänomens der Phasensynchronisation geführt. Eine dadurch motivierte Datenanalysemethode, die Phasensynchronisations-Analyse, ist bereits mit Erfolg auf empirische Daten angewandt worden.<br> Die vorliegende Dissertation knüpft an diese konvergierenden Forschungslinien an. Ihren Gegenstand bilden methodische Beiträge zur Fortentwicklung der Phasensynchronisations-Analyse, sowie deren Anwendung auf ereigniskorrelierte Potentiale, eine besonders in den Kognitionswissenschaften wichtige Form von EEG-Daten.<br> Die methodischen Beiträge dieser Arbeit bestehen zum ersten in einer Reihe spezialisierter statistischer Tests auf einen Unterschied der Synchronisationsstärke in zwei verschiedenen Zuständen eines Systems zweier Oszillatoren. Zweitens wird im Hinblick auf den viel-kanaligen Charakter von EEG-Daten ein Ansatz zur multivariaten Phasensynchronisations-Analyse vorgestellt.<br> Zur empirischen Untersuchung neuronaler Synchronisation wurde ein klassisches Experiment zur Sprachverarbeitung repliziert, in dem der Effekt einer semantischen Verletzung im Satzkontext mit demjenigen der Manipulation physischer Reizeigenschaften (Schriftfarbe) verglichen wird. Hier zeigt die Phasensynchronisations-Analyse eine Verringerung der globalen Synchronisationsstärke für die semantische Verletzung sowie eine Verstärkung für die physische Manipulation. Im zweiten Fall läßt sich der global beobachtete Synchronisationseffekt mittels der multivariaten Analyse auf die Interaktion zweier symmetrisch gelegener Gehirnareale zurückführen. Die vorgelegten Befunde zeigen, daß die physikalisch motivierte Methode der Phasensynchronisations-Analyse einen wesentlichen Beitrag zur Untersuchung ereigniskorrelierter Potentiale in den Kognitionswissenschaften zu leisten vermag. / The topic of synchronization forms a link between nonlinear dynamics and neuroscience. On the one hand, neurobiological research has shown that the synchronization of neuronal activity is an essential aspect of the working principle of the brain. On the other hand, recent advances in the physical theory have led to the discovery of the phenomenon of phase synchronization. A method of data analysis that is motivated by this finding - phase synchronization analysis - has already been successfully applied to empirical data.<br> The present doctoral thesis ties up to these converging lines of research. Its subject are methodical contributions to the further development of phase synchronization analysis, as well as its application to event-related potentials, a form of EEG data that is especially important in the cognitive sciences.<br> The methodical contributions of this work consist firstly in a number of specialized statistical tests for a difference in the synchronization strength in two different states of a system of two oscillators. Secondly, in regard of the many-channel character of EEG data an approach to multivariate phase synchronization analysis is presented.<br> For the empirical investigation of neuronal synchronization a classic experiment on language processing was replicated, comparing the effect of a semantic violation in a sentence context with that of the manipulation of physical stimulus properties (font color). Here phase synchronization analysis detects a decrease of global synchronization for the semantic violation as well as an increase for the physical manipulation. In the latter case, by means of the multivariate analysis the global synchronization effect can be traced back to an interaction of symmetrically located brain areas.<BR> The findings presented show that the method of phase synchronization analysis motivated by physics is able to provide a relevant contribution to the investigation of event-related potentials in the cognitive sciences.

Teilw. zugl.: Würzburg, Universiẗat, Diss., 2008 u.d.T.: "Generieren Kinder und Erwachsene Inferenzen bei der kognitiven Verarbeitung medialer Texte?"

Zugl.: Erlangen, Nürnberg, Univ., Diss., 2008

Zugl.: Leipzig, University, Diss., 2007.