Search

Streamsegregation oder Streaming nennt man die Fähigkeit des Nervensystems, von verschiedenen Tonquellen ausgehende akustische Signale (Streams), die sich in mindestens einer ihrer Eigenschaften wie z.B. der Frequenz unterscheiden, voneinander trennen zu können. Die zu Grunde liegenden Mechanismen sind bislang in vielerlei Hinsichten unklar. In der vorliegenden Arbeit wurden fünfzehn gesunden Probanden jeweils in einer Sitzung sowohl reine als auch amplitudenmodulierte Töne präsentiert. In verschiedenen Blöcken sollten die Versuchspersonen ihre Aufmerksamkeit entweder gezielt auf die Töne richten oder diese ignorieren Die Töne wurden als Tripletts bestehend aus alternierenden niederfrequenten (A-) und verschieden hohen (B-) Töne dargeboten. Die Stimulationssequenzen wurden so gewählt, dass sie eine eindeutige Wahrnehmung von Streaming (sehr hoher B-Ton) bzw. Non–streaming (weniger hoher B-Ton) hervorriefen. Streaming- und Non-streaming-Sequenzen waren in ihrer Reihenfolge randomisiert. Als abhängige Variablen wurden die Amplituden und Latenzen der P1m-, N1m- und P2m- Komponenten des B-Tons des Tripletts ausgewertet. Die Ergebnisse unterstützen die Hypothese, dass sich die Wahrnehmung von Streaming im Vergleich zu Non-streaming in Veränderungen der verschiedenen Komponenten der neuronalen Korrelate widerspiegelt. Außerdem wird die Hypothese des Vorwärtsunterdrückungsmechanismus‘ unterstützt. Die Daten zeigen, dass die Encodierung der spektralen und temporalen Reizunterschiede, die die Wahrnehmung von Non-streaming bzw. Streaming hervorrufen, sich in den neuronalen Korrelaten abbildet. Dies unterstützt die Theorie, dass abgesehen von peripheren Mechanismen zentrale Mechanismen für die Wahrnehmung von Streaming eine Rolle spielen. Erstmals beschrieben wurde ein Doppelpeak der P1m-Komponente bei amplitudenmodulierten Tönen bei der Wahrnehmung von Streaming. Es konnte bestätigt werden, dass die Aufmerksamkeit der Probanden und der Kontext die neuromagnetischen Korrelate der Streamsegregation modulieren. Abschließend konnte eine Tendenz der Dominanz der rechten Hemisphäre in der Verarbeitung spektraler und der linken in der Verarbeitung temporaler Komponenten festgestellt werden. Die vorliegende Arbeit trägt zu einem besseren Verständnis des Phänomens der Streamsegregation und damit des auditorischen Systems bei.

Neugeborene zeigen beim Hören kognitive Fähigkeiten und bevorzugen bekannte Geräusche wie die Stimmen ihrer Eltern. Außerdem kann die fetale Gehirnaktivität, die durch Sinustöne und auditorische Frequenzänderungen ausgelöst wird, mittels fetaler Magnetencephalographie (fMEG) dargestellt werden. Diese Studie sollte zeigen, dass Feten fähig sind auf den unterschiedlich schnellen Anstieg der Hüllkurve zu Beginn des Stimulus, was unterschiedlichen Modulationsraten entspricht, zu erkennen und darauf zu reagieren. Dafür wurden akustische Stimuli mit komplexen sensorischen Zeitstrukturen (amplitudenmodulierte Töne) verwendet. Die akustischen Stimuli wurden mit konstanter Tonfrequenz, aber mit unterschiedlichen Modulationsraten präsentiert. Als Voraussetzung kann davon ausgegangen werden, dass die späten transienten akustisch evozierten Reaktionen (AER) zu Beginn des Reizes die Reaktion des fetalen Gehirns auf schnelle und langsame zeitliche Veränderungen des Reizbeginns widerspiegelt. Die Messungen der fetalen Hirnantwort wurden mittels fetaler Magentencephalographie (fMEG) durchgeführt. Dafür wurden fünfzig schwangere Frauen zwischen der 30. und 40. Schwangerschaftswoche mit dem fMEG gemessen. Es gab sieben verschiedene Gruppen von Stimuli. Der amplitudenmodulierte Ton hatte immer eine Trägerfrequenz von 500 Hz und wurde in verschiedenen Frequenzen moduliert. Dabei repräsentierten 2 Hz und 4 Hz die niedrigen Modulationsraten, 8 Hz die mittlere Modulationsrate und 27, 42, 78 und 91 Hz die hohen Modulationsraten. Es wurde eine signifikante Verkürzung der Antwortlatenzen der transienten AERs bei hohen und mittleren Modulationsraten beobachtet, verglichen mit den niedrigen Modulationsraten. Mit den akustisch evozierten Antworten lassen sich jedoch keine Unterschiede in der Reaktion auf zeitliche Schwankungen über 27 Hz mehr darstellen. Die höchste Antwortrate wurde bei Modulationsraten von 8 Hz, 27 Hz und 78 Hz (80 %, 100% beziehungsweise 81 %) erzielt. Ein Reifungseffekt über die Schwangerschaft konnte nicht nachweisen werden. Diese Ergebnisse unterstützen die Annahme, dass das fetale Gehirn schon in einem frühen Entwicklungsalter (ab der 30. Schwangerschaftswoche) zu höhergradigen kognitiven Leistungen in der Lage ist, da eine differenzierte Verarbeitung von komplexen Tönen möglich ist. Die signifikanten Unterschiede der Antwortlatenzen zwischen niedrigen, mittleren und hohen Modulationsraten könnten darauf hindeuten, dass das fetale Gehirn die Veränderung der Schallintensität zu Beginn des Stimulus in unterschiedliche Zeitfenster aufteilt. Das könnte die Hypothese unterstützen, dass Feten zum Erkennen und Verarbeiten von Geräuschen nicht nur Änderungen in der Frequenz des Tones heranziehen, sondern auch auf Energieveränderungen beim Einsetzen des Stimulus reagieren. Die eingehenden auditorischen Informationen und die darauf folgende Verarbeitung fördert die kognitive Entwicklung und auch das Sprachverständnis des Fetus bereits in der frühen Schwangerschaft. Dies ermöglicht dem neugeborenen Kind ein rasches Erlernen der Kommunikationsfähigkeit, welche einen hohen Stellenwert in der zwischenmenschlichen Interaktion hat und so dem Kind eine gute soziale und emotionale Entwicklung ermöglicht.

Taktile schwellennahe Reize lösen, obwohl sie nicht wahrgenommen werden, Verarbeitungsprozesse in somatosensorischen Kortexarealen aus. Die neurologischen Grundlagen der bewussten und unbewussten Verarbeitung von Schwellenreizen sind jedoch noch immer unklar. Um die kortikale Verarbeitung von Schwellenreizen untersuchen zu können, wurde in dieser Studie ein indirekter Zugang gewählt, bei dem die Auswirkungen dieser schwachen Reize auf einen folgenden Stimulus gemessen wurden. Unter der Hypothese, dass die kortikale Antwort auf einen starken Testreiz durch einen vorangehenden Schwellenreiz verringert wird, wurden an einem Finger Reizpaare präsentiert, die aus einem Schwellenreiz und aus einem folgenden starken Reiz bestanden. Anhand der verschiedenen Interstimulusintervalle von 150, 300 und 450 ms konnten das Ausmaß und die zeitlichen Auswirkungen der Amplitudenreduktion durch die vorangehende Stimulation beurteilt werden. Die Amplitudenreduktion war auf den bilateralen sekundären somatosensorischen Kortex beschränkt und stärker für die wahrgenommenen als für die nicht wahrgenommenen Schwellenreize. Dementsprechend wird die Beteiligung kortikaler Areale an der Informationsverarbeitung nicht nur durch die Aktivierung angezeigt, sondern auch durch die Refraktät, die in der Amplitudenreduktion widergespiegelt wird. Taktile Stimuli werden demnach für weniger als 200 ms in SI verarbeitet und dann nach SII weitergeleitet. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die Informationsverarbeitung von schwellennahen Reizen die kortikale Verarbeitung eines folgenden starken Reizes für mindestens 500 ms beeinflusst und der Effekt für bewusst wahrgenommene Schwellenreize stärker ist. Außerdem ist das in der MEG verwendete Paarreiz-Paradigma eine potente Methode, um das Ausmaß der kortikalen Verarbeitung von Schwellenreizen, zum Beispiel die Verarbeitung von misslokalisierten Schwellenreizen zu erfassen, und die Grenzen der Informationsverarbeitung im somatosensorischen Kortex auszuloten. Although stimuli with intensities just below the perceptual threshold are not consciously perceived, they are processed in somatosensory cortical areas. However, the neural basis of conscious and unconscious processing of near-threshold stimuli is still unclear. Somatosensory evoked responses to single near-threshold stimuli are generally too weak to be detected by functional imaging methods. Therefore, we chose an indirect approach to demonstrate cortical processing of weak stimuli by investigating the effect of near-threshold stimuli on the cortical processing of succeeding strong tactile stimuli. We hypothesized that the brain response evoked by the strong stimulus is reduced by the preceding near-threshold stimulus. Pairs of short tactile stimuli, consisting of a near-threshold stimulus followed by a strong test stimulus, were presented to the subject’s left index finger. By varying the interstimulus interval between the stimuli (150, 300 and 450ms), we could asses the extent and the temporal effects of amplitude reduction due to previous stimulation. Amplitude reductions for the responses to the test stimulus were restricted to bilateral SII with stronger amplitude decrease for perceived than for missed near-threshold stimuli. Accordingly, the participation of cortical areas in information processing is displayed not only by the activation, but also by the amplitude reduction. Information of tactile stimuli is processed for less than 200 ms in primary somatosensory cortex and forwarded to secondary somatosensory cortex for more elaborate processing. To summarize, information processing of near-threshold stimuli affects the cortical processing of a following strong stimulus for at least 500ms and the threshold effect for consciously perceived stimuli is stronger. This paradigm provides a useful tool to study the extent of cortical processing of threshold stimuli, such as the processing of wrong localized threshold stimuli and explore the limits of information processing in the somatosensory cortex.

During early developmental stages the brain is more vulnerable to physiological insult than the more mature brain. However, an early diagnosis of deficits might enhance the chances for successful interventions due to the high cortical plasticity of the immature brain. This thesis contains two studies on early cognitive development, conducted with a device called fetal magnetoencephalography (fMEG). It allows non-invasive recordings of cortical responses in utero. Objective: Two study paradigms that assess cognitive functioning, such as integrative processes and the development of speech perception, were applied to neonates and fetuses. Methods: In study 1, brain responses to visual stimuli (VER) in a habituation paradigm were recorded in 25 fetuses (aged between 29 and 37 weeks gestational age (GA)) and 12 newborns (aged between 6 and 22 days). In study 2, auditory evoked responses (AER) to tone pairs were presented to 22 fetuses (aged between 29 and 38 weeks GA) and 15 neonates (aged between 2 and 38 days). This paradigm was applied in two difficulties – with short and long gaps between the tones. In both studies, the newborns already participated in the corresponding antecedent fetal recordings. Results: In study 1, nine of the 12 newborns showed a response decrement for consecutive visual stimuli, indicating habituation. The remaining three recordings were discontinued early. The prenatal VER rate was only 29%. But these fetuses exhibited a response decrement as well. In study 2, the newborns showed a trend to 2 responses with increasing age in the long gap tone pair. The prenatal study revealed single responses in most cases and no trend was observed. However, the fetal response rate between 76% and 86% was higher than in previous studies. Conclusions: Both paradigms have been successfully applied on neonates and fetuses, and cortical responses were recorded with fMEG technology. Despite the challenges in fetal data analysis, these investigations might help to improve future study paradigms and technological advances. Significance: These studies might contribute to a more accurate detection of early developmental delays and the development of subsequent impairments. Entwicklungsdefizite entstehen häufig schon während der pränatalen Kortexgenese, wohingegen ihre Diagnose zumeist viel später erfolgt, wenn sich z.B. das Verhalten des Kindes nicht Altersgemäß entwickelt. In den pränatalen und beginnenden neonatalen Entwicklungsstadien verfügt der Kortex über eine hohe Plastizität, die mit zunehmendem Alter abnimmt. Somit ist der Einsatz von Interventionsmethoden möglichst früh im Entwicklungsverlauf wünschenswert, um irreversiblen Defiziten und deren physiologischen sowie psychosozialen Folgeschäden vorzubeugen. Voraussetzung hierfür ist allerdings eine frühzeitige Diagnose von Entwicklungsdefiziten. Mit Hilfe neuer Technologien – wie der fetalen Magnetoenzephalographie (fMEG) – ist die Erfassung auditorisch oder visuell evozierter Gehirnantworten schon vor der Geburt möglich. Das fMEG ist nicht invasiv und misst fetale Magnetfelder, die bei neuronaler Aktivität über der Hirnrinde entstehen. Dabei leiten hochsensible Sensoren – die sogenannten SQUID (Superconducting Quantum Interference Device) – die fetalen Magnetfelder über der mütterlichen Bauchoberfläche ab. Bei Kindern und Erwachsenen können evozierte Felder dazu dienen, Probanden mit Defiziten von nicht beeinträchtigten Personen zu unterscheiden. Somit könnte das fMEG zu einer frühen Erkennung von Entwicklungsdefiziten beitragen. Interventionsmethoden in diesen frühen Stadien könnten die Plastizität des sich entwickelnden Gehirns dazu nutzen, Defiziten entgegen zu wirken und weitere Entwicklungsrückstände zu verhindern. In den Anfangsstadien der Entwicklung spielen Wahrnehmung und Gedächtnis eine zentrale Rolle, da sie erst den Erwerb vieler weiterer Funktionen ermöglichen. Das Ziel dieser Arbeit ist es, kognitive Paradigmen in frühen Entwicklungsstadien anzuwenden, um einen besseren Einblick in die fetalen und neonatalen Grundlagen komplexer kortikaler Prozesse zu bekommen. Mit dem fMEG wurden 2 Studien zur fetalen und neonatalen Entwicklung evozierter Potenziale durchgeführt. In der ersten Untersuchung geht es um die Erfassung integrativer Prozesse, auch Habituation genannt. Die zweite Studie untersucht die Entwicklung der Lautwahrnehmung als Basis für Spracherwerb. In Studie 1 nahmen 25 Föten zwischen der 29. und 37. Schwangerschaftswoche, sowie 12 Neugeborene im Alter von 6 bis 22 Tagen teil. Vier aufeinander folgende Lichtblitze wurden präsentiert um kortikale Antworten zu evozieren. Die Reaktionsintensität der vier Stimuli wurde zueinander in Beziehung gesetzt, wobei Habituation durch eine Abnahme der Intensität von der ersten Gehirnantwort zu den darauf folgenden Reaktionen definiert ist. In Studie 2 wurden auditorisch evozierte Felder zu Tonpaaren verschiedener Länge präsentiert. Sie unterscheiden sich durch den Abstand zwischen den beiden Tönen – in einer Version war dieser kürzer als in der anderen. Die Eigenschaften der evozierten Felder auf beide Tonpaare wurden bei 22 Feten zwischen der 29. und der 38. Schwangerschaftswoche, sowie bei 15 Säuglingen im Alter zwischen 2 und 38 Tagen untersucht. In beiden Untersuchungen wurden die Neugeborenen aus der Stichprobe der jeweils vorausgehenden fetalen Studie rekrutiert. Studie 1 ergab eine Abnahme der Reaktionsintensität von der ersten bis zur letzten Stimuluspräsentation bei 9 der 12 Säuglinge. Dies weist auf Habituation hin, was als einer der wichtigsten Indikatoren für kognitive Prozesse gilt. Die drei übrigen Erhebungen wurden vorzeitig abgebrochen. In nur 29% der fetalen Daten waren evozierte Felder erkennbar. Allerdings zeigten diese Feten ebenfalls eine Abnahme der Reaktionsintensität. Studie 2 ergab einen Trend zu zwei Gehirnantworten mit zunehmendem Alter der Neugeborenen, zumindest in der längeren Version des Tonpaares. Die jüngeren Säuglinge reagierten dagegen zumeist mit nur einer Gehirnantwort. In der pränatalen Studie konnte kein Trend verzeichnet werden – die meisten Feten zeigten eine Gehirnantwort auf das Tonpaar. Allerdings war die Anzahl der erfassten fetalen Felder mit 76% bis 86% größer als in vergleichbaren Studien. Die Anwendung beider Paradigmen an Feten und Neugeborenen war erfolgreich, und die entsprechenden Gehirnantworten konnten mit dem fMEG erfasst werden. Die fetalen Daten ergaben trotz der Herausforderungen in der Datenanalyse Hinweise für die Gestaltung zukünftiger Studienprotokolle. Beide Studien könnten einen ersten Schritt zu einem besseren Einblick in die funktionelle Kortexgenese in Utero darstellen, und damit zu einer frühzeitigen Erkennung von Entwicklungsverzögerungen beitragen.

Für die kortikale Verarbeitung auditorischer Sinneseindrücke werden getrennte Verarbeitungspfade für Muster-Informationen und räumliche Informationen vermutet. So sind auch an der Aufrechterhaltung solcher Informationen im auditorischen Kurzzeit- bzw. Arbeitsgedächtnis jeweils verschiedene Areale im temporo-parietalen Bereich, jedoch stets zusätzlich frontale, exekutiven Funktionen zuzuordnende Kortexareale beteiligt. Kortikale Gamma-Band-Aktivität, also Oszillationen neuronaler Netzwerke im Frequenzbereich über 30 Hz, wird als neurophysiologischer Ausdruck von vielfältigen kortikalen Prozessen betrachtet, darunter auch von Wahrnehmungs- und Gedächtnisprozessen. Daneben wird auch Theta-Aktivität (3-10 Hz), möglicherweise gemeinsam mit Gamma-Aktivität auftretend, mit Gedächtnisprozessen assoziiert. Mittels der Magnetenzephalographie (MEG) können solche Aktivitäten mit hoher zeitlicher Auflösung gemessen werden. So wurden bei einer vorangegangenen MEG-Untersuchung zum auditorisch-räumlichen Kurzzeitgedächtnis mit einer Behaltenszeit von 800 ms erhöhte Gamma-Aktivitäten über dem posterior-parietalen und dem frontalen Kortex ermittelt. Bei der vorliegenden Untersuchung wurden nun die oszillatorischen Aktivitäten im Theta-Bereich und im oberen Gamma-Bereich untersucht, die im Zusammenhang mit dem auditorisch-räumlichen Ultrakurzzeitgedächtnis auftreten. Dieses stellt einen wahrnehmungsnahen Speicher dar, der sich durch eine höhere Kapazität, aber schnelleren Informationszerfall als das Kurzzeitgedächtnis auszeichnet. Den Probanden wurden dazu die paarweise auftretenden lateralisierten Geräusche S1 und S2 je im Abstand von 200 ms dargeboten. Die Aufgabe bestand im Vergleich der Lateralisierungswinkel beider Geräusche, so dass eine internale Repräsentation von S1 über die Behaltenszeit von 200 ms bis zum Auftreten von S2 aufrechterhalten werden musste. Als Kontrollbedingung diente eine Lautstärkedifferenzierungsaufgabe. Während beider Aufgaben wurden die kortikalen oszillatorischen Aktivitäten mittels MEG aufgezeichnet. Die statistische Analyse umfasste Untersuchungen der Frequenzbereiche, Zeitpunkte und Sensorlokalisationen, bei denen signifikante oszillatorische Effekte auftraten, und wurde mit Hilfe eines auf Permutationstests basierenden statistischen Wahrscheinlichkeitsmappings durchgeführt. Diese Auswertung ergab im oberen Gamma-Bereich erhöhte Aktivität bei etwa 79 Hz an einem medial über dem posterior-paritalen Kortex gelegenen Sensor, die etwa 50 ms nach Beginn von S2 am stärksten wurde, und im Theta-Bereich erhöhte Aktivität bei etwa 6 Hz ebenfalls an einem medial über dem posterior-parietalen Kortex gelegenen Sensor, die etwa 80-150 ms nach Beginn von S2 maximal war. Im Gegensatz zur vorangegangenen Kurzzeitgedächtnisuntersuchung mit einer Behaltenszeit von 800 ms wurden keine erhöhten frontalen Gamma- oder Theta-Aktivitäten ermittelt. Demzufolge werden bei Behaltensleistungen des auditorisch-räumlichen Ultrakurzzeitgedächtnisses posterior-parietal lokalisierte höhere sensorische Speichersysteme, Teile des angenommenen Verarbeitungspfads für auditorisch-räumliche Informationen, beansprucht. Frontale exekutive Systeme scheinen dagegen im Unterschied zum Kurzzeitgedächtnis hierfür nicht notwendig zu sein. In human magnetoencephalogram, we have found gamma-band activity (GBA), a putative measure of cortical network synchronization, during both bottom-up and top-down auditory processing. When sound positions had to be retained in short-term memory for 800 ms, enhanced GBA was detected over posterior parietal cortex, possibly reflecting the activation of higher sensory storage systems along the hypothesized auditory dorsal space processing stream. Additional prefrontal GBA increases suggested an involvement of central executive networks in stimulus maintenance. The present study assessed spatial echoic memory with the same stimuli but a shorter memorization interval of 200 ms. Statistical probability mapping revealed posterior parietal GBA increases at 80 Hz near the end of the memory phase and both gamma and theta enhancements in response to the test stimulus. In contrast to the previous short-term memory study, no prefrontal gamma or theta enhancements were detected. This suggests that spatial echoic memory is performed by networks along the putative auditory dorsal stream, without requiring an involvement of prefrontal executive regions.