Gehirn und Stottern

Neumann K, Euler HA, Wolff v Gudenberg A, Giraud A-L, Lanfermann H, Gall V, Preibisch C
The nature and treatment of stuttering as revealed by fMRI. A within- and between-group comparison
Journal of Fluency Disorders, 2003, 28, 381-410
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Kommentar: Zusammenfassung: 3 Studien, die mit ereignis-bezogener funktionaler Magnetresonanz die Hirnaktivierungen von Stotterern mit denen von nicht-stotternden Personen vergleichen. Die Hirnregion des rechten frontalen Operculums war durchgängig bei Stotterern überaktiviert. Vor und nach der Kasseler Stottertherapie waren die Aktivierungen unterschiedlich in einer Weise, die auf einen Kompensationsmechanismus verweisen. Es wird angenommen, das flüssigkeits-induzierende Therapietechniken eine gestörte Signalübermittlung zwischen auditorischen, Sprachbewegungsplanung und motorischen Hirnarealen synchronisieren.
Abstract: This article reviews some of our recent functional magnetic resonance imaging (fMRI) studies of stuttering. Using event-related fMRI experiments, we investigated brain activation during speech production. Results of three studies comparing persons who stutter (PWS) and persons who do not stutter (PWNS) are outlined. Their findings point to a region in the right frontal operculum (RFO) that was consistently implicated in stuttering. During overt reading and before fluency shaping therapy, PWS showed higher and more distributed neuronal activation than PWNS. Immediately after therapy differential activations were even more distributed and left sided. They extended to frontal, temporal, and parietal regions, anterior cingulate, insula, and putamen. These over-activations were slightly reduced and again more right sided two years after therapy. Left frontal deactivations remained stable over two years of observation, and therefore possibly indicate a dysfunction. After therapy, we noted higher activations in persons who stutter moderately than in those who stutter severely. These activations might reflect patterns of compensation. We discuss why these findings suggest that fluency-inducing techniques might synchronize a disturbed signal transmission between auditory, speech motor planning, and motor areas.

Neumann K, Preibisch C, Euler HA, Wolff v Gudenberg A, Lanfermann H, Gall V, Giraud A-L
Cortical plasticity associated with stuttering therapy
Journal of Fluency Disorders, 2005, 30, 23-39
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Kommentar: Gewöhnliches Stottern scheint einherzugehen mit einer Abnormalität weißer Gehirnfasern in linksseitigen Hirnregionen und Überaktivität in rechten Hirnregionen. Die Überaktivität kompensiert anscheinend für die strukturellen Verbindungsstörungen der linken Hirnseite. Nach der Kasseler Stottertherapie hatte sich die Hirnaktivierung in frontalen Sprachregionen und temporalen Regionen beidseitig ausgebreitet, besonders ausgeprägt auf der linken Hirnseite, und zwar neben der Stelle, an der Sommer et al. (2002) eine Anomalie der weißen Hirnsubstanz festgestellt hatten. Flüssigkeits-induzierende Stottertherapien scheinen die neuronale Kommunikation zwischen linksseitiger Sprachbewegungsplanung, Bewegungsausführung und temporalen Regionen zu reorganisieren. Der therapeutisch wirksame Mechanismus scheint eine Restrukturierung der Hirnschaltkreise in der nähe der strukturellen Abnormalitäten zu sein und nicht eine Verstärkung der Kompensation über diejenigen rechtsseitigen Hirnarealen, die den linksseitigen Spracharealen entsprechen.
Abstract: Neuroimaging studies have indicated that persistent developmental stuttering (PDS) may be associated both with an abnormality in white matter of left-hemispheric speech areas and a right-hemispheric hyperactivity. The latter may compensate for the deficient structural connectivity in the left hemisphere. To investigate the effects of stuttering therapy on brain activity nine male adults with PDS underwent functional magnetic resonance imaging (fMRI) before and within 12 weeks after fluency shaping therapy. Brain response differences during overt sentence reading before and after therapy were assessed by utilizing random effects analyses. After therapy, a more widespread activation was observed in frontal speech and language regions and temporal areas of both hemispheres, particularly and more pronounced on the left side. Interestingly, distinct posttreatment left-sided activation increases were located directly adjacent to a recently detected area of white matter anomaly [M. Sommer, M.A. Koch, W. Paulus, C. Weiller, C. B¨uchel (2002). Disconnection of speech-relevant brain areas in persistent developmental stuttering, suggesting that fluency shaping techniques reorganize neuronal communication between left-sided speech motor planning, motor execution, and temporal areas. Hence, a therapeutic mechanism can be assumed to remodel brain circuitry close to the source of the dysfunction instead of reinforcing compensation via homologous contralateral brain networks.

Neumann, K.
Wortstau im Gehirn
Gehirn & Geist, 2005, 1-2, 30-35
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Abstract: Locker drauflosplaudern ist für Stotterer ein Ding der Unmöglichkeit. Doch inzwischen haben Forscher wichtige neurologische Ursachen ausgemacht, und neue Therapien lassen Betroffene hoffen.

Preibisch C, Neumann K, Raab P, Euler HA, Wolff v Gudenberg A, Lanfermann H, Giraud A-L
Evidence for compensation for stuttering by the right frontal operculum
NeuroImage 2003, 20, 1356-1364
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Abstract: There is recent evidence of focal alteration in fibre tracts underlying the left sensorimotor cortex in persistent developmental stuttering (PDS) [Lancet 360 (2002) 380]. If, as proposed, this anatomical abnormality is the cause of PDS, then overactivation in the right hemisphere seen with functional neuroimaging in stutterers may reflect a compensatory mechanism. To investigate this hypothesis, we performed two functional magnetic resonance imaging (fMRI) experiments. The first showed systematic activation of a single focus in the right frontal operculum (RFO) in PDS subjects during reading, which was not observed in controls. Responses in this region were negatively correlated with the severity of stuttering, suggesting compensation rather than primary dysfunction. Negative correlation was also observed during the baseline task that consisted in passive viewing of meaningless signs, indicating that RFO compensation acts independently of specific demands on motor speech output. The second experiment, that involved a covert semantic decision task, confirmed that RFO activation does not require overt utterances or motor output. In combination these findings suggest that the RFO serves a nonspecific compensatory role rather than one restricted to the final stages of speech production.

Preibisch C, Raab P, Neumann K, Euler HA, Wolff v Gudenberg A, Gall V, Lanfermann H, Zanella F
Event-related fMRI for the suppression of speech-associated artifacts in stuttering
NeuroImage 2003, 19, 1076-1084
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Abstract: The purpose of this study was to establish functional magnetic resonance imaging (fMRI) for the investigation of brain function during overt speech production in stuttering. Up to now this technique has rarely been used for the investigation of speech production paradigms because artifacts related to overt speaking largely impair the sensitivity toward task-related activation. Recently, the temporal delay of the hemodynamic response has been exploited to achieve a suppression of speech-related artifacts. By the limitation to very short utterances (one word), a temporal segregation of the respective effects was accomplished by means of an event-related experimental design. However, the investigation of speech production in persons who stutter requires a more extensive speaking situation. Since longer and more complex utterances evoke more symptoms of stuttering than reading of single words, a useful task should at least include the reading of full sentences. In this study we performed simulations to investigate the correlation of speech-related artifacts with the respective hemodynamic response in dependency on speech duration and rate of data sampling. Furthermore, we show that prolonged stimulus durations and repetition times of 3 s still allow an effective suppression of speech-related artifacts in fluent as well as in nonfluent speakers. Not only were obvious false activations at high contrast cerebrospinal fluid tissue borders widely eliminated, subjects also displayed consistent activation in speechrelated and motor areas. As these results widely resemble those obtained by earlier neuroimaging studies on language production, event-related fMRI seems to be capable of recording neurophysiological correlates of overt speech production.

Neumann K, Euler HA, Zaretsky Y, Weißgerber T, Giraud A-L, Wolff von Gudenberg A, Kell C, Süß F
Neuronale Korrelate der zentral auditiven Verarbeitung und Wahrnehmung bei Redeflussstörungen.
77. Kongress der dgss, Göttingen, 24.-26. März, 2011
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Abstract: Stottern und Poltern gehen mit einer gestörten auditiven Rückmeldung der eigenen Sprache einher, insbesondere für lange Vokale bzw. betonte Silben. Jüngere Neuroimaging-Studien belegen eine gestörte linkshemisphärische Inputverarbeitung für sprachliche und nichtssprachliche auditorische Stimuli bei Stotternden. Kompensatorisch bestehen rechtshemisphärisch eine ausgedehntere tonotope Organisation des auditorischen Kortex als bei Nichtstotternden und größere Volumina der grauen und weißen Substanz im rechten Gyrus temporalis superior. Passend zur auditorischen Feedbackstörung zeigen Stotternde beim Stottern Minderaktivierungen in auditorischen Regionen, nach einer erfolgreichen, sprechflüssigkeitsinduzierenden Therapie aber beidseitige auditorische Mehraktivierungen. Eine dauerhafte Remission geht mit der Aktivierung einer Region im linken orbitofrontalen Kortex (BA 47/12, Kell et al., 2009) einher, die u.a. für die erfolgreiche Integration des auditorischen Feedbacks in die sprechmotorische Planung zuständig ist und eine Refunktionalisierung linkshemisphärischer Netzwerke in der Nähe primärer zerebraler stottertypischer Läsionen bedeutet. Eigene elektrophysiologische Untersuchungen an Polterern weisen auch hier auf ein gegenüber Normalsprechern verändertes auditives Feedback für lange Vokale hin. Es wird eine Synopsis über die jüngsten Befunde zum auditorischen Feedback von Sprachsignalen bei Redeflussstörungen gegeben.

Neumann K, Kob M, Euler HA, Weissgerber T, Wolff v Gudenberg A, et al
How does the brain of persons who stutter process prosody? An fMRI study.
13th World Congress for People who Stutter, Buenos Aires, May 18-21, 2011
Kommentar: Nicht Stotternde aktivieren beim Sprechen verschiedene linkshemisphärische Regionen, ohne Unterschied zwischen linguistisch und affektiv prosodischen Sprechaufgaben. Stotternde können diese Regionen nicht gleichermaßen aktivieren. Am Ende der Stottertherapie begannen sich die Regionen für affektiv prosodische Sprechaufgaben zu normalisieren, 1 Jahr später auch die Regionen für linguistisch prosodische Aufgaben. Die Aktivierungsänderungen gingen einher mit einer Normalisierung der Prosodie.

Neef NE, Jung K, Rothkegel H, Pollok B, von Gudenberg AW, Paulus W, Sommer M.
Right-shift for non-speech motor processing in adults who stutter.
Cortex. 2010 Jun 30. (Epub ahead of print)
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Abstract: INTRODUCTION: In adults who do not stutter (AWNS), the control of hand movement timing is assumed to be lateralized to the left dorsolateral premotor cortex (PMd). In adults who stutter (AWS), the network of speech motor control is abnormally shifted to the right hemisphere. Motor impairments in AWS are not restricted to speech, but extend to non-speech orofacial and finger movements. We here investigated the lateralization of finger movement timing control in AWS. METHODS: We explored PMd function in 14 right-handed AWS and 15 age matched AWNS. In separate sessions, they received subthreshold repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS) for 20min at 1Hz over the left or right PMd, respectively. Pre- and post-stimulation participants were instructed to synchronize their index finger taps of either hand with an isochronous sequence of clicks presented binaurally via earphones. Synchronization accuracy was measured to quantify the effect of the PMd stimulation. RESULTS: In AWNS inhibition of left PMd affected synchronization accuracy of the left hand. Conversely, in AWS TMS over the right PMd increased the asynchrony of the left hand. CONCLUSIONS: The present data indicate an altered functional connectivity in AWS in which the right PMd seems to be important for the control of timed non-speech movements. Moreover, the laterality-shift suggests a compensatory role of the right PMd to successfully perform paced finger tapping.

Neumann, K., Euler, H. A.
Neuroimaging and stuttering.
In: Guitar, B. & McCauley, R. (Eds.), Treatment of stuttering: established and emerging interventions (pp. 355-402). Baltimore 2010, MD: Lippincott, Williams, & Wilkins
Kommentar: Gesamtdarstellung des Forschungsstandes über bildgebende Verfahren beim Stottern
Abstract: CHAPTER OUTLINE: Introduction, History of neurologic research and theory of stuttering, Neuroimaging, Neuroimaging findings in stuttering, Implications and further directions

Kell, C., Neumann, K., von Kriegstein, K., Posenenske, C., Wolff v. Gudenberg, A., Euler, H. A., Giraud, A.-L.
How the brain repairs stuttering.
Brain, 2009, 132, 2747-2760.
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Kommentar: fMRI Studie vergleicht Hirnaktivierung von spontan geheilten erwachsenen Stotterern (unassisted recovery) mit von der Kasseler Stottertherapie behandelten Stotterern (assisted recovery) vor und nach Therapie sowie normalen Kontrollpersonen. Der zerebrale Reparaturmechanismus (Läsions-Kompensations-Modell) von spontan geheilten Stotterern und therapierten Stotterern ist weitgehend gleichartig.
Abstract: Stuttering is a neurodevelopmental disorder associated with typical left inferior frontal structural anomalies. Children often recover, but stuttering may also spontaneously disappear much later after years of dysfluency. These rare cases of unassisted recovery in adulthood provide a model of optimal brain repair outside the classical windows of developmental plasticity. Here we explore what distinguishes it from less optimal repair modes, i.e. therapy-induced assisted recovery and attempted compensation in subjects who are still affected. We show that persistent stuttering is associated with mobilisation of brain regions contralateral to the structural anomalies for compensation attempt. The only neural landmark of optimal repair is activation of the left orbitofrontal cortex, adjacent to a region where a white matter anomaly is observed in persistent stutterers, but normalised in recovered subjects. These findings suggest that the repair of neurodevelopmental stuttering follows the principles of contralateral and perianomalous reorganisation.

Sommer, M., Knappmeyer, K., Hunter, E. J., et al.
Normal Interhemispheric Inhibition in Persistent Developmental Stuttering.
Movement Disorders, 2009, 24:5, 769-773.
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Kommentar: Untersuchung der hemmenden Wechselwirkung der primär motorischen Region einer jeden Hirnhälfte. Die Hypothese war, dass die mangelnde Lateralisierung motorischer Funktionen bei Stotternden sich in einer gestörten wechselseitigen Hemmung der primären motorischen Areale spiegelt und damit möglicherweise Therapieeffekte nachweisen kann. Diese Hypothese wurde widerlegt, eine Störung der wechselseitigen Hemmung der primär motorischen Areale konnte nicht nachgewiesen werden. Dies deutet auf sekundär motorische Areale als Ort der Fehlaktivierung bei stotternden Klienten hin.
Abstract: Imaging studies suggest a right hemispheric (pre)motor overactivity in patients with persistent developmental stuttering (PDS). The interhemispheric inhibition (IHI) studied with transcranial magnetic stimulation is an established measure of the interplay between right and left motor areas. We assessed IHI in 15 young male adults with PDS and 15 age-matched fluent-speaking subjects. We additionally studied the ipsilateral silent period (iSP) duration. We found no significant between-group difference for IHI or for iSP duration. We conclude that the interplay between the primary motor cortices is normal in patients with PDS. The abnormal right motor and premotor activity observed in functional imaging studies on PDS are not likely to reflect altered primary motor cortex excitability, but are likely to have a different origin.

Sommer, M., Spindler, N., Knappmeyer, K., Hunter, EJ., Gutmann, V., Wolff von Gudenberg, A., Paulus, W.
Brain imaging and cortical excitability in persistent developmental stuttering.
In: Fuchs, S., Loevenbruck, H., Pape, D., Perrier, P. (eds.). Some Aspects of Speech and the Brain. Frankfurt am Main, Berlin, Bern, Bruxelles, New York, Oxford, Wien, 2009. XII, 405 pp.
Kommentar: Zusammenfassung mehrerer eigener Studien zur Hirnforschung bei Stottern unter Berücksichtigung der 2009 veröffentlichten Daten (Movement Disorders, 2009, 24:5, 769-773.).

Giraud, A.-L., Neumann, K., Bachoud-Levi, A.-C., Wolff v. Gudenberg, A., Euler, H. A., et al.
Severity of dysfluency correlates with basal ganglia activity in persistent developmental stuttering.
Brain and Language, 2008, 104, 190-199.
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Kommentar: Vorliegende Studien lassen hirnanatomische Anomalien als eine Stotterursache vermuten. Da die Basalganglien bei der Sprechmotorik impliziert sind, könnte Stottern auch mit dysfunktionalen Basalganglien assoziiert sein. Hier wurden Korrelationen zwischen Stotterschwere und Aktivität der Basalganglien belegt. Letztere wird durch Kasseler Stottertherapie modifiziert. Eine Stottertherapie und mögliche Reparaturmechanismen wird vorgestellt.
Abstract: Previous studies suggest that anatomical anomalies, in particular a reduction of the white matter anisotropy underlying the left sensorimotor cortex could be at the origin of persistent developmental stuttering (PDS). Because neural connections between the motor cortex and basal ganglia are implicated in speech motor functions, PDS could also be associated with a dysfunction in basal ganglia activity. This fMRI study reports a correlation between severity of stuttering and activity in the basal ganglia and shows that this activity is modified by fluency shaping therapy through long-term therapy effects that reflect speech production improvement. A model of dysfunction in stuttering and possible repair modes is proposed that accommodates the data presented here and observations previously made by us and by others.

Sommer, M., Hunter, F. J., Knappmeyer, K., et al.
Visuomotor lexical semantic reaction times are preferentially handled in the right hemisphere in patients with persistent developmental stuttering.
Movement Disorders, 2008, 23, S235-S235.
Kommentar: Posterpräsenation von Daten, in denen wir bei Stotternden und einer Kontrollgruppe die semantisch lexikalische Verarbeitung visueller Informationen untersucht haben und bei Stotternden eine gestörte Lateralisierung dieser Funktion finden.

Neumann, K.
Stottern im Gehirn: neue Erkenntnisse aus Humangenetik und Neurowissenschaften.
Forum Logopädie Heft 2 (21) März 2007, 6-13
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Abstract: Neuroimaging-Studien an Stotterern haben kürzlich strukturelle Anomalien in linkshemisphärischen Sprechmotorik- und auditorischen Regionen nachgewiesen sowie rechtshemisphärische Mehraktivierungen, die linksseitige Fehlverbindungen kompensieren könnten. In einer eigenen Untersuchung mit funktioneller Magnetresonanztomographie zeigten 16 männliche Stotterer, jedoch keine von 16 nichtstotternden Kontrollpersonen, in einer Sprechmotorik-Aufgabe Mehraktivierungen im rechten frontalen Operculum. Cerebrale Mehraktivierungen waren noch ausgedehnter nach einer erfolgreichen Fluency shaping-Therapie (9 Stotterer), fanden sich nun jedoch mehr linksseitig, wo sie an eine kürzlich bei Stotterern entdeckte Region abnormer weißer Fasern grenzten. Eine effektive Therapie scheint damit die neuronale Kommunikation zwischen linksseitigen Sprechmotorik- und auditorischen Regionen zu reorganisieren und Neuronennetze nahe der Quelle der Dysfunktion zu remodellieren.

Sommer, M., Knappmeyer, K., Hunter, E. J., et al.
Normal interhemispheric inhibition in persistent developmental stuttering.
Movement Disorders, 2007, 22, S210-S210.
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Kommentar: Posterpräsentation der 2009 veröffentlichten Daten (Movement Disorders, 2009, 24:5, 769-773.).

 
   
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