Zugl.: Berlin, Techn. Univ., Diss., 2008

Univ., Diss.--Passau, 1996.

Die Stimme ist reich an grundlegenden Kommunikationselementen: Sie transportiert Sprache, sowie auch paralinguistische Informationen, wie den emotionale Zustand und die Identität des Sprechers. Im Vergleich zur Sprach- und Emotionsverarbeitung ist die Stimmerkennung bei weitem weniger gut erforscht. Dies ist erstaunlich, angesichts der allgegenwärtigen Relevanz der stimmbasierten Personenerkennung. Ein Ansatz neue Erkenntnisse zur Stimmerkennung zu erlangen, ist die Untersuchung von Personen, die ein selektives Defizit in der Stimmerkennung aufweisen. Dieses Defizit wird Phonagnosie bezeichnet. In der vorliegenden Dissertation untersuche ich Personen, bei denen Phonagnosie nach einer Hirnschädigung aufgetreten ist (i.e. erworbene Phonagnosie) und Personen, bei denen Phonagnosie entwicklungsbedingt und nicht durch eine offensichtliche Hirnschädigung bedingt ist (i.e. entwicklungsbedingte Phonagnosie). Die zugrunde liegenden kognitiven, neuro-funktionalen und neuro-anatomischen Mechanismen der Phonagnosie habe ich detailliert mit Hilfe von umfangreichen Verhaltensuntersuchungen sowie funktionaler und struktureller Magnetresonanztomographie charakterisiert. Die Ergebnisse der Dissertation bereichern das derzeitige Stimmerkennungsmodel durch: (i) Neue Erkenntnisse darüber welche Gehirnregionen notwendig sind, um eine Stimme zu erkennen. (ii) Und durch die empirische Bekräftigung der Annahme, dass Stimmerkennung ein mehrstufiger kognitiver Prozess ist, der verschiedene Subformen der Phonagnosie bedingt. Darüber hinaus tragen neue wissenschaftliche Erkenntnisse zur Stimmerkennung maßgeblich dazu bei, praktische Anwendungsbereiche wie klinische Therapieprogramme und künstliche Stimmerkennungprogramme weiterzuentwickeln. / The voice contains elementary social communication cues: it conveys speech, as well as paralinguistic information pertaining to the emotional state or the identity of the speaker. In contrast to neuroscientific research on vocal-speech and vocal-emotion processing, voice-identity processing has been less explored. This seems surprising, given the day-to-day significance of person recognition by voice. A valuable approach to unravel how voice-identity processing is accomplished is to investigate people who have a selective deficit in voice recognition. Such a deficit has been termed phonagnosia. In the present dissertation, I investigate phonagnosia following brain damage (i.e. acquired phonagnosia), as well as phonagnosia cases without apparent brain lesion (i.e. developmental phonagnosia). I in-depth characterise the underlying cognitive, neural-functional, and neuro-anatomical mechanisms of phonagnosia by means of comprehensive behavioural testing as well as functional and structural magnetic resonance imaging. The findings of this dissertation inform the current model of voice-identity processing by (i) delivering novel evidence of brain regions that crucially contribute to voice-identity processing, and by (ii) emphasising the multistage nature of voice-identity processing. We showed that dysfunction at different cognitive stages results in behaviourally distinct phonagnosia sub-types. Generally, advanced scientific knowledge about voice-identity processing as provided in the current dissertation also propels practical applications such as clinical treatment programs and artificial voice-recognition systems.

Hintergrund: Die menschliche Stimme wird in der Fachliteratur als “auditorisches Gesicht” bezeichnet (Belin et al., 2004), weil sie neben der Sprache auch Informationen zu Identität und Emotionen des Sprechers vermittelt, die wir in der alltäglichen Kommunikation mühelos wahrnehmen und verarbeiten. Zerebrale Pathologien, beispielsweise ischämische Hirninfarkte oder Hämorrhagien, können in der Folge verschiedene Kommunikationsdefizite verursachen. Ein bedeutsames Kommunikationsdefizit auf sprachlicher Ebene ist die Aphasie. Defizite der Stimmerkennung als eine Entität der nicht-sprachlichen Ebene werden durch den Begriff Phonagnosie definiert. Phonagnosie beschreibt ein Defizit der Stimmidentifizierung einschließlich der Analyse akustischer vokaler Signale, dem Wiedererkennen bekannter Stimmen und der semantischen Assoziation einer erkannten Stimme (Roswandowitz C, Maguinness C, von Kriegstein K., in rev.). Klinische Studien wiesen die Existenz von Stimmerkennungsdefiziten als eine mögliche Folge zerebraler Läsionen nach (Van Lancker and Canter, 1982; Van Lancker et al., 1989; Neuner and Schweinberger, 2000; Lang et al., 2009; Hailstone et al., 2011). Hierbei wurden insbesondere Läsionen der rechten Hemisphäre als zugrundeliegende neuronale Repräsentationen hervorgehoben, allerdings gelang bisher keine exakte Lokalisierung der betroffenen Hirnregionen bei isolierten Stimmerkennungsdefiziten. In funktionellen MRT-Studien an gesunden Probanden zeigten sich stimmspezifische Areale entlang des rechten superioren temporalen Gyrus und Sulcus (STG/S) (Belin et al., 2000; von Kriegstein et al., 2003; Kriegstein and Giraud, 2004). Zielsetzung: Ziel der vorliegenden Patientenstudie war es, mögliche isolierte Stimmerkennungsdefizite als Folge einer zerebralen Läsion nachzuweisen und zu charakterisieren. In einem zweiten Schritt widmete sich die Studie der Frage nach den neuronalen Korrelaten von Stimmerkennungsdefiziten. Wir stellten die Hypothesen auf, dass Stimmerkennungsdefizite (i) häufiger bei Patienten mit rechtshemisphärischen Läsionen und (ii) darüber hinaus als isoliertes Stimmerkennungsdefizit gegenüber kombinierten Defiziten von Stimm- und Gesichtererkennung auftreten können. Die Untersuchung von neuronalen Korrelaten dieser Defizite wurde in einer weiterführenden Analyse mittels Voxel-based lesion symptom mapping (VLSM) vorgenommen (Roswandowitz, C., Kappes, C., Obrig, H., von Kriegstein K., accepted, Brain). Material und Methoden: 40 Patienten der Tagesklinik für kognitive Neurologie der Universität Leipzig nahmen an der Studie teil. Alle Patienten wiesen unilaterale Hirnläsionen (n = 14 links, 24 rechts) auf, die entweder Folge eines cerebrovaskulären Ereignisses oder einer Tumorextraktion waren. Wir führten eine umfangreiche experimentelle Testreihe durch, die insbesondere der Stimmerkennung (Stimmlerntests und Tests zur Erkennung bekannter Stimmen) galt. Außerdem wurde die Kontrollmodalität der Gesichtererkennung und die Verarbeitung akustischer vokaler Signale (Pitch und Timbre) überprüft. Die individuelle Patientenwahrnehmung zur Stimm- und Gesichtererkennung erhoben wir in einem Fragebogen. Wir analysierten die Daten in IBM SPSS 22, für die Gruppenvergleiche wendeten wir sowohl parametrische als auch nicht-parametrische Tests, Varianzanalysen und bivariate Korrelationen an. In einem weiterführenden Teil der Studie wurden die behavioralen Daten und strukturelle MRTs anhand von Voxel-based lesion symptom mapping (VLSM) analysiert. Ergebnisse: In der Datenanalyse fanden sich im Gruppenvergleich der Patientien mit rechts- bzw. linkshemisphärischen Läsionen keine signifikanten Unterschiede in den Tests zur Stimmerkennung. Allerdings wiesen 9 Patienten, deren Läsionen ausschließlich rechtshemisphärisch lokalisiert waren, Stimmererkennungsdefizite auf. Die Lokalisation der Läsionen innerhalb der rechten Hemisphäre war heterogen. Während sechs Patienten dieser Gruppe ein kombiniertes Defizit der Gesichter- und Stimmerkennung zeigten, fand sich bei drei Patienten ein isoliertes Defizit der Stimmerkennung. Wir charakterisieren in der vorliegenden Arbeit das spezifische Verhaltensmuster und die Lokalisation der Läsionen dieser drei Patienten, die alle eine Beteiligung des rechten Temporallappens aufwiesen. Im Hinblick auf grundlegende Mechanismen der Stimmverarbeitung konnte insbesondere Timbre als relevantes akustisches Stimmsignal zur Erkennung neu erlernter Stimmen identifiziert werden. In der weiterführenden Analyse mittels VLSM wurden Assoziationen von (i) selektiven Defiziten der Stimmerkennung mit Läsionen im rechten Temporallappen sowie (ii) der Stimm-Gesichter-Integration im rechten inferioren Parietallappen nachgewiesen. Schlussfolgerungen: Die vorliegende Studie hebt auf der Grundlage des untersuchten Patientenkollektivs die bedeutsame Rolle der rechten Hemisphäre bei der Stimmerkennung hervor. Wir identifizierten drei Patienten mit isolierten Stimmerkennungsdefiziten, deren Läsionen sich im rechten Temporallappen befanden. Dieses Ergebnis stützt bisherige Evidenz zur Stimmverarbeitung an gesunden Probanden (Belin et al., 2000; Kriegstein and Giraud, 2004). Die weiterführende VLSM-Analyse, auf der Grundlage des vorliegenden Patientenkollektivs, charakterisiert spezifische Areale des rechten Temporallappens und inferioren Parietallappens als neuronale Korrelate defizitärer Stimmerkennung. In Erweiterung bisheriger klinischer Evidenz liefert die vorliegende Studie neue Erkenntnisse zu neuronalen Korrelaten von isolierten Stimmerkennungsdefiziten und Defiziten der Stimm- Gesichter -Integration (Roswandowitz, C., Kappes, C., Obrig, H. von Kriegstein K., in prep.). Im klinischen Kontext erlaubt die Studie einen weiteren Schritt zum besseren Verständnis von nonverbalen Kommunikationsdefiziten, insbesondere Stimmerkennungsschwierigkeiten, nach zerebralen Läsionen. Literatur: Belin P, Fecteau S, Bedard C (2004) Thinking the voice: neural correlates of voice perception. Trends Cogn Sci 8:129–135. Belin P, Zatorre RJ, Lafaille P, Ahad P, Pike B (2000) Voice-selective areas in human auditory cortex. Nature 403:309–312. Hailstone JC, Ridgway GR, Bartlett JW, Goll JC, Buckley AH, Crutch SJ, Warren JD (2011) Voice processing in dementia: a neuropsychological and neuroanatomical analysis. Brain 134:2535–2547. Kriegstein K V, Giraud AL (2004) Distinct functional substrates along the right superior temporal sulcus for the processing of voices. Neuroimage 22:948–955. Lang CJ, Kneidl O, Hielscher-Fastabend M, Heckmann JG (2009) Voice recognition in aphasic and non-aphasic stroke patients. J Neurol 256:1303–1306. Neuner F, Schweinberger SR (2000) Neuropsychological impairments in the recognition of faces, voices, and personal names. Brain Cogn 44:342–366. Roswandowitz, C., Kappes, C., Obrig, H. von Kriegstein K (2017) Voice-identity recognition deficits are induced by lesions in the temporal and inferior parietal lobe. Prep. Roswandowitz C., Maguinness C., von Kriegstein K., Deficits in voice-identity processing: acquired and developmental phonagnosia. Oxford Handb Voice Perception, under Rev. Van Lancker DR, Canter GJ (1982) Impairment of voice and face recognition in patients with hemispheric damage. Brain Cogn 1:185–195. Van Lancker DR, Kreiman J, Cummings J (1989) Voice perception deficits: neuroanatomical correlates of phonagnosia. J Clin Exp Neuropsychol 11:665–674. von Kriegstein K, Eger E, Kleinschmidt A, Giraud AL (2003) Modulation of neural responses to speech by directing attention to voices or verbal content. Brain Res Cogn Brain Res 17:48–55. von Kriegstein K, Smith DR, Patterson RD, Kiebel SJ, Griffiths TD (2010) How the human brain recognizes speech in the context of changing speakers. J Neurosci 30:629–638. Hintergrund: Die menschliche Stimme wird in der Fachliteratur als “auditorisches Gesicht” bezeichnet (Belin et al., 2004), weil sie neben der Sprache auch Informationen zu Identität und Emotionen des Sprechers vermittelt, die wir in der alltäglichen Kommunikation mühelos wahrnehmen und verarbeiten. Zerebrale Pathologien, beispielsweise ischämische Hirninfarkte oder Hämorrhagien, können in der Folge verschiedene Kommunikationsdefizite verursachen. Ein bedeutsames Kommunikationsdefizit auf sprachlicher Ebene ist die Aphasie. Defizite der Stimmerkennung als eine Entität der nicht-sprachlichen Ebene werden durch den Begriff Phonagnosie definiert. Phonagnosie beschreibt ein Defizit der Stimmidentifizierung einschließlich der Analyse akustischer vokaler Signale, dem Wiedererkennen bekannter Stimmen und der semantischen Assoziation einer erkannten Stimme (Roswandowitz C, Maguinness C, von Kriegstein K., in rev.). Klinische Studien wiesen die Existenz von Stimmerkennungsdefiziten als eine mögliche Folge zerebraler Läsionen nach (Van Lancker and Canter, 1982; Van Lancker et al., 1989; Neuner and Schweinberger, 2000; Lang et al., 2009; Hailstone et al., 2011). Hierbei wurden insbesondere Läsionen der rechten Hemisphäre als zugrundeliegende neuronale Repräsentationen hervorgehoben, allerdings gelang bisher keine exakte Lokalisierung der betroffenen Hirnregionen bei isolierten Stimmerkennungsdefiziten. In funktionellen MRT-Studien an gesunden Probanden zeigten sich stimmspezifische Areale entlang des rechten superioren temporalen Gyrus und Sulcus (STG/S) (Belin et al., 2000; von Kriegstein et al., 2003; Kriegstein and Giraud, 2004). Zielsetzung: Ziel der vorliegenden Patientenstudie war es, mögliche isolierte Stimmerkennungsdefizite als Folge einer zerebralen Läsion nachzuweisen und zu charakterisieren. In einem zweiten Schritt widmete sich die Studie der Frage nach den neuronalen Korrelaten von Stimmerkennungsdefiziten. Wir stellten die Hypothesen auf, dass Stimmerkennungsdefizite (i) häufiger bei Patienten mit rechtshemisphärischen Läsionen und (ii) darüber hinaus als isoliertes Stimmerkennungsdefizit gegenüber kombinierten Defiziten von Stimm- und Gesichtererkennung auftreten können. Die Untersuchung von neuronalen Korrelaten dieser Defizite wurde in einer weiterführenden Analyse mittels Voxel-based lesion symptom mapping (VLSM) vorgenommen (Roswandowitz, C., Kappes, C., Obrig, H., von Kriegstein K., in prep.). Material und Methoden: 40 Patienten der Tagesklinik für kognitive Neurologie der Universität Leipzig nahmen an der Studie teil. Alle Patienten wiesen unilaterale Hirnläsionen (n = 14 links, 24 rechts) auf, die entweder Folge eines cerebrovaskulären Ereignisses oder einer Tumorextraktion waren. Wir führten eine umfangreiche experimentelle Testreihe durch, die insbesondere der Stimmerkennung (Stimmlerntests und Tests zur Erkennung bekannter Stimmen) galt. Außerdem wurde die Kontrollmodalität der Gesichtererkennung und die Verarbeitung akustischer vokaler Signale (Pitch und Timbre) überprüft. Die individuelle Patientenwahrnehmung zur Stimm- und Gesichtererkennung erhoben wir in einem Fragebogen. Wir analysierten die Daten in IBM SPSS 22, für die Gruppenvergleiche wendeten wir sowohl parametrische als auch nicht-parametrische Tests, Varianzanalysen und bivariate Korrelationen an. In einem weiterführenden Teil der Studie wurden die behavioralen Daten und strukturelle MRTs anhand von Voxel-based lesion symptom mapping (VLSM) analysiert. Ergebnisse: In der Datenanalyse fanden sich im Gruppenvergleich der Patientien mit rechts- bzw. linkshemisphärischen Läsionen keine signifikanten Unterschiede in den Tests zur Stimmerkennung. Allerdings wiesen 9 Patienten, deren Läsionen ausschließlich rechtshemisphärisch lokalisiert waren, Stimmererkennungsdefizite auf. Die Lokalisation der Läsionen innerhalb der rechten Hemisphäre war heterogen. Während sechs Patienten dieser Gruppe ein kombiniertes Defizit der Gesichter- und Stimmerkennung zeigten, fand sich bei drei Patienten ein isoliertes Defizit der Stimmerkennung. Wir charakterisieren in der vorliegenden Arbeit das spezifische Verhaltensmuster und die Lokalisation der Läsionen dieser drei Patienten, die alle eine Beteiligung des rechten Temporallappens aufwiesen. Im Hinblick auf grundlegende Mechanismen der Stimmverarbeitung konnte insbesondere Timbre als relevantes akustisches Stimmsignal zur Erkennung neu erlernter Stimmen identifiziert werden. In der weiterführenden Analyse mittels VLSM wurden Assoziationen von (i) selektiven Defiziten der Stimmerkennung mit Läsionen im rechten Temporallappen sowie (ii) der Stimm-Gesichter-Integration im rechten inferioren Parietallappen nachgewiesen. Schlussfolgerungen: Die vorliegende Studie hebt auf der Grundlage des untersuchten Patientenkollektivs die bedeutsame Rolle der rechten Hemisphäre bei der Stimmerkennung hervor. Wir identifizierten drei Patienten mit isolierten Stimmerkennungsdefiziten, deren Läsionen sich im rechten Temporallappen befanden. Dieses Ergebnis stützt bisherige Evidenz zur Stimmverarbeitung an gesunden Probanden (Belin et al., 2000; Kriegstein and Giraud, 2004). Die weiterführende VLSM-Analyse, auf der Grundlage des vorliegenden Patientenkollektivs, charakterisiert spezifische Areale des rechten Temporallappens und inferioren Parietallappens als neuronale Korrelate defizitärer Stimmerkennung. In Erweiterung bisheriger klinischer Evidenz liefert die vorliegende Studie neue Erkenntnisse zu neuronalen Korrelaten von isolierten Stimmerkennungsdefiziten und Defiziten der Stimm- Gesichter -Integration (Roswandowitz, C., Kappes, C., Obrig, H. von Kriegstein K., in prep.). Im klinischen Kontext erlaubt die Studie einen weiteren Schritt zum besseren Verständnis von nonverbalen Kommunikationsdefiziten, insbesondere Stimmerkennungsschwierigkeiten, nach zerebralen Läsionen. Literatur: Belin P, Fecteau S, Bedard C (2004) Thinking the voice: neural correlates of voice perception. Trends Cogn Sci 8:129–135. Belin P, Zatorre RJ, Lafaille P, Ahad P, Pike B (2000) Voice-selective areas in human auditory cortex. Nature 403:309–312. Hailstone JC, Ridgway GR, Bartlett JW, Goll JC, Buckley AH, Crutch SJ, Warren JD (2011) Voice processing in dementia: a neuropsychological and neuroanatomical analysis. Brain 134:2535–2547. Kriegstein K V, Giraud AL (2004) Distinct functional substrates along the right superior temporal sulcus for the processing of voices. Neuroimage 22:948–955. Lang CJ, Kneidl O, Hielscher-Fastabend M, Heckmann JG (2009) Voice recognition in aphasic and non-aphasic stroke patients. J Neurol 256:1303–1306. Neuner F, Schweinberger SR (2000) Neuropsychological impairments in the recognition of faces, voices, and personal names. Brain Cogn 44:342–366. Roswandowitz, C., Kappes, C., Obrig, H. von Kriegstein K (2017) , accepted, Obligatory and facultative brain regions for voice-identity recognition, Brain Roswandowitz C., Maguinness C., von Kriegstein K., Deficits in voice-identity processing: acquired and developmental phonagnosia. Oxford Handb Voice Perception, under Rev. Van Lancker DR, Canter GJ (1982) Impairment of voice and face recognition in patients with hemispheric damage. Brain Cogn 1:185–195. Van Lancker DR, Kreiman J, Cummings J (1989) Voice perception deficits: neuroanatomical correlates of phonagnosia. J Clin Exp Neuropsychol 11:665–674. von Kriegstein K, Eger E, Kleinschmidt A, Giraud AL (2003) Modulation of neural responses to speech by directing attention to voices or verbal content. Brain Res Cogn Brain Res 17:48–55. von Kriegstein K, Smith DR, Patterson RD, Kiebel SJ, Griffiths TD (2010) How the human brain recognizes speech in the context of changing speakers. J Neurosci 30:629–638.