fMRT-Studien zur Repräsentation komplexer natürlicher Geräusche im menschlichen Gehirn
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die schnelle Identifikation und Lokalisation akustischer Reize war für das Überleben unserer Vorfahren in einer lebensfeindlichen natürlichen Umgebung unerlässlich. Dieses Forschungsvorhaben untersuchte die Repräsentation natürlicher Geräusche in der menschlichen Großhirnrinde mittels nichtinvasiver bildgebender Verfahren. Methodisch standen dabei Verfahren im Vordergrund, die neuronale Antworten auf Veränderungen der akustischen Umwelt messen, wie fMRT-Adaptation und „Mismatch-Negativity“ im EEG. Inhaltlich gliederte sich das Forschungsvorhaben in zwei Teile: Zum einen wurden nichträumliche Aspekte der Repräsentation natürlicher Reize untersucht, zum anderen wurden Experimente durchgeführt, die die Lokalisierung akustischer Reize im Raum betrafen. Bezüglich der Frage, inwiefern natürliche Reize im auditorischen Kortex repräsentiert werden, konnten wir in einer ersten fMRT-Untersuchung zeigen, dass die besondere zeitlich dynamische Struktur von Tiergeräuschen insbesondere in nicht-primären Teilen des auditorischen Kortex im Gyrus temporalis superior repräsentiert werden. Dabei wurden Tiergeräusche als Reiz eingesetzt, da sie im Vergleich mit einfachen Reintönen spektrotemporal komplex sind, aber nicht-sprachliches Material darstellen. Ziel des Forschungsvorhabens war es damit, die Lücke im Forschungsstand zu schließen, die noch immer zwischen der Verarbeitung einfacher, kontrollierter Reize und sprachlicher Verarbeitung klafft. In einem zweiten Experiment prüften wir, inwiefern die Repräsentation im nicht-primären auditorischen Kortex spezialisiert für eine Reizklasse ist und verglichen hierzu fMRT-Adaptationseffekte für Tier- und Werkzeuggeräusche. Tatsächlich zeigte sich im Gyrus temporalis superior, dass beide Klassen repräsentiert werden, was für die Rolle dieser Areale heißt, dass sie vermutlich kategorieunabhängig die zeitlich-spektrale Struktur komplexer Geräusche enkodieren. Um zu klären, inwiefern diese Repräsentation auf der Verarbeitung von Frequenz- beziehungsweise Amplitudenmodulation beruht, führten wir zwei weitere Experimente durch, wobei vor allem die Ergebnisse bezüglich der Frequenzmodulation (FM) überraschten. Es zeigte sich in magnetoenzephalographischen Untersuchungen, dass nicht Veränderungen sondern Wiederholung von komplexen FM-Tönen zu Aktivitätserhöhungen führen. Dies verdeutlicht, dass bei derart zeitlich variablen Reizen Interaktionen auftreten können, die nicht der Logik herkömmlicher Adaptationsverfahren entsprechen. Dies ist aber durchaus interessant, da die Prozesse, die zu Wiederholungseffekten führen, auch beim Verständnis von Sprachreizen eine tragende Rolle spielen könnten. In weiteren fMRT-Experimenten wurde gezeigt, dass Aufmerksamkeitseffekte insbesondere diejenigen kortikalen Strukturen beeinflussen können, die an der Verarbeitung räumlicher Information beteiligt sind. Gerade diese Strukturen passen sich also dynamisch den Erfordernissen der Umwelt an. Zusammenfassend konnten wir Licht auf die Verarbeitung in höheren auditorischen Strukturen werfen. Wir hoffen, dass weitere Studien folgen werden, die die Brücke zwischen einfachen Reizen und komplexer Sprachverarbeitung schlagen und auch untersuchen, inwiefern Lernen und Erfahrung die Repräsentation komplexer Reize im auditorischen Kortex plastisch gestalten.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2007). Selectivity for animal vocalizations in the human auditory cortex. Cerebral Cortex, 17, 2601-2608
Altmann, C. F., Doehrmann, O. & Kaiser, J.
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(2008). Effects of feature-selective attention on auditory pattern and location processing. NeuroImage, 41, 69-79
Altmann, C. F., Henning, M., Döring, M.K. & Kaiser, J.
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(2008). Probing category selectivity for environmental sounds in the human auditory brain. Neuropsychologia, 46, 2776-2786
Doehrmann, O., Naumer, M.J., Volz, S., Kaiser, J. & Altmann, C. F.
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(2009). Processing of auditory location changes after horizontal head rotation. Journal of Neuroscience, 29, 13074-13078
Altmann, C. F., Wilczek, E. & Kaiser, J.
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(2010). Processing of spectral and amplitude envelope of animal vocalizations in the human auditory cortex. Neuropsychologia, 48, 2824-2832
Altmann, C. F., Gomes de Oliveira Jr., C., Heinemann, L. & Kaiser, J.
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(2010). Repetition enhancement for frequency-modulated but not unmodulated sounds. PLoS One, 5, e15548
Heinemann, L.V., Rahm, B., Kaiser, J., Gaese, B. & Altmann, C. F.
