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26. Wissenschaftliche Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Phoniatrie und Pädaudiologie e. V.

Deutsche Gesellschaft für Phoniatrie und Pädaudiologie e. V.

11.09. - 13.09.2009, Leipzig

Corticale Repräsentation laryngealer Sensomotorik

Vortrag

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  • corresponding author presenting/speaker Arno Olthoff - Phoniatrie und Pädaudiologie, Klinik für Hals-, Nasen- und Ohrenheilkunde, Universitätsmedizin Göttingen, Göttingen, Deutschland

Deutsche Gesellschaft für Phoniatrie und Pädaudiologie. 26. Wissenschaftliche Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Phoniatrie und Pädaudiologie (DGPP). Leipzig, 11.-13.09.2009. Düsseldorf: German Medical Science GMS Publishing House; 2009. Doc09dgppHA02

DOI: 10.3205/09dgpp77, URN: urn:nbn:de:0183-09dgpp771

Veröffentlicht: 7. September 2009

© 2009 Olthoff.
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Gliederung

Text

Einleitung

Die bekanntesten Kartierungen sensomotorischer Areale des Cortex stammen von Penfield [1]. Penfield erlernte die Methode der direkten elektrischen Stimulation corticaler Areale von Foerster, der bereits 1936 differenzierte Beschreibungen sensomotorischer Areale entlang der rolandischen Fissur publizierte [2]. Sowohl Foerster als auch Penfield lokalisierten das Larynxareal weit lateral, an der Grenze zur Sylvischen Fissur [1], [2]. In späteren Publikationen thematisierte Penfield wiederholt Phonationen, die während Stimulationen weiter medial gelegener Areale des Gyrus praecentralis auftraten [3]. Rasmussen konnte diese Beobachtungen bei der Stimulation von Arealen, die eigentlich der Gesichtmotorik zugeordnet waren, bestätigen. Ein Zusammenhang mit rein glottischen Funktionen, wie z.B. gehaltenen Phonationen beim Singen, wurde zum damaligen Zeitpunkt nicht untersucht [4].

In einer eigenen Studie, bei welcher transcranielle Magnetstimulationen (TMS) zur Darstellung des Larynxareales entlang der Interaurallinie (von 0 cm bis 13 cm seitlich des Vertex) erfolgten, lag die optimale Spulenposition 8 cm seitlich des Vertex [5]. Diese Spulenposition lag wiederum im bereits zuvor ermittelten Gesichtsareal und konnte die Annahme eines weit lateral gelegenen Larynxareales nicht bestätigen [6].

Das Ziel der vorliegenden Studie war es, mit Hilfe der funktionellen Magnetresonanztomographie (fMRT) Aktivierungen corticaler Areale darzustellen, welche mit der laryngealen Motorik im Zusammenhang stehen.

Probanden und Methoden

Die Studie wurde von der zuständigen Ethikkommission genehmigt und die genannten fMRT-Untersuchungen wurden mit 16 gesunden Probanden bei 3 Tesla (Magnetom Trio, Siemens, Erlangen) durchgeführt.

Es wurden insgesamt 4 Experimente („I“ bis „IV“) in randomisierter Reihenfolge durchgeführt. Nur das Experiment „II“ und das Experiment „IV“ fanden gekoppelt statt.

Zur Darstellung von Referenzarealen wurde das sensomotorische Handareal durch ein sogenanntes „Fingertapping“ in einem Neben-Experiment („I“) stimuliert. Bei diesem standardisierten Test opponierte der Proband fortlaufend und nacheinander den Daumen mit den übrigen vier Fingern.

Die auditorische Stimulation erfolgte mit der eigenen Stimme der Probanden (Experiment „II“). Für die Tonaufnahme dieses Stimulus summte jeder Proband in entspannter Stimmlage die gleiche Quintenreihe, die nachfolgend im Experiment „IV“ gefordert war.

In den Haupt-Experimenten aktivierten die Probanden ihre laryngeale Muskulatur durch Phonation, sowohl ohne (Experiment „III“) als auch mit (Experiment „IV“) Intonation. Bei der Intonation wurde von den Probanden die oben genannte Quintenreihe gesummt. Durch das Summen sollte eine Aktivierung der Artikulationsorgane vermieden werden.

Die Experimente fanden in einem typischen Blockdesign mit 12 Sekunden (s) Stimulationsdauer und 18 s Ruhepausen statt. Diese Blöcke wurden 10 mal wiederholt und es schloss sich eine 18 s Ruhephase an, so dass sich eine Untersuchungsdauer von 318 s ergab.

Die T*2-gewichteten Aufnahmen wurden mit einer Wiederholungszeit (TR) von 2 s durchgeführt (Echozeit, TE von 36 ms), wodurch bei der genannten Untersuchungsdauer insgesamt 159 Volumen erstellt werden konnten. Hierbei wurden 22 Schichten mit einer Dicke von 4 Millimetern (mm) und einer Auflösung von 2 x 2 mm2 generiert. Die Bildmatrix betrug 96 x 128 Punkte. Die Bearbeitung und Analyse der Daten erfolgte mit der Software BrainVoyager®, durch welche eine Bewegungskorrektur, die zeitliche Korrektur der einzelnen Scans, die graphische Bearbeitung mit einer resultierenden Auflösung von 5 x 5 x 5 mm3 und die Transformation aller Volumina in das dreidimensionale Talairach-Koordinaten-System realisiert wurde.

Zur statistischen Analyse kam die False Discovery Rate (FDR) zur Anwendung. Als signifikant wurden Werte <0,05 definiert. Somit lag die Wahrscheinlichkeit, eine Aktivierung fälschlicherweise einem experimentellen Effekt zuzuordnen unter 5%.

Ergebnisse

Das sensomotorische Handareal stellte sich in bekannter und erwarteter Ausdehnung entlang des Zentralsulcus in den Brodmannarealen (BA) 1 bis 4 dar.

Bei Phonation zeigten sich Aktivitäten im sensomotorischen Cortex sowohl medial (M1a) als auch lateral (M1b) des Handareales (BA 1–4) und zudem weit lateral (M1c) nahe dem Rolandischen Operculum (BA 43). Zudem sahen wir bei Phonation Aktivierungen im Supplementär Motorischen Areal (SMA) (BA 6), im Anterioren Gyrus Cinguli (AGC) (BA 24) sowie im Auditorischen Cortex (AC) (BA 41,42) und im Planum Temporale (PT) (BA 22).

Mit der akustischen Stimulation waren neben dem AC Aktivierungen im M1b-Areal sowie im PT und auch im SMA nachzuweisen.

Alle genannten Ergebnisse können anhand der Abbildung 1 [Abb. 1] nachvollzogen werden.

Diskussion

Die Aktivierung des M1b-Areales, welche nicht allein bei Phonation sondern auch bei akustischer Stimulation nachzuweisen war, möchten wir auf ein Phänomen zurückführen, welches bereits von Dechent am Beispiel der Handmotorik als „Motor Imagery“ beschrieben wurde [7]. Dechent konnte bei funktionellen Kernspintomographien eine Aktivierung des sensomotorischen Handareals sowohl beim „Fingertapping“ als auch bei der reinen Vorstellung eines „Fingertappings“ nachweisen. Da unsere Probanden mit dem Hören der eigenen Stimme stimuliert wurden, konnte hiermit eine Vorstellung des Summens und damit eine Aktivierung des Larynxareales verbunden sein.

Entsprechende Aktivierungen wurden von Brown bei laryngealen Aktivitäten nachgewiesen und die Lokalisierung des M1b-Areales war mit den Ergebnissen unserer einleitend genannten TMS-Studie sehr gut vereinbar [5], [8].

Unserem M1c-Areal entsprechende Aktivierungen konnte Brown in seinem Experiment der Zungenmotorik zuordnen [8]. Da diese Aktivierungen in unserer Studie ebenfalls bei Phonationen auftraten, konnten wir möglicherweise eine Beteiligung der Zungenmotorik trotz des hierzu bewusst gewählten „Summens“ nicht ausschalten.

Die Lage des M1a-Areales entsprach sehr genau dem cortischen Areal, welches von Maskill in einer TMS-Studie dem Zwerchfell zugeordnet werden konnte [9]. Die phonatorische Funktion steht in engem Zusammenhang mit der Respiration und somit der Zwerchfellmotorik. Eine Aktivierung dieses Areales bei den Experimenten „III“ und „IV“ entsprach den Erwartungen.

Aktivierungen im SMA wurden bereits von Rieker mit der Planung laryngealer Aktivitäten (z.B. beim „präphonatorischen Tuning“) in Verbindung gebracht [10]. Auch die akustische Stimulation mit der eigenen Stimme bewirkte eine erhöhte Aktivität im SMA.

Aktivierungen im AGC, der Teil des limbischen Systems ist, möchten wir als Ausdruck der emotionalen Beteiligung interpretieren, die bei Stimmgebungen immer gegeben ist. Hier wohl in besonderer Weise, weil sie im Kernspintomographen geschah.

Die erhobenen Befunde sollen Grundlage für nachfolgende Untersuchungen an Patientenkollektiven mit laryngealen Funktionsstörungen (z.B. Lähmungen) sein.


Literatur

1.
Penfield W, Rasmussen T. The cerebral cortex of man: A clinical study of localization of function. New York: Macmillan Company; 1950.
2.
Foerster O. Motorische Felder und Bahnen. In: Bumke O, Foerster O, Hrsg. Handbuch der Neurologie Band VI. Berlin: Springer; 1936.
3.
Penfield W. Some mechanisms of consciousness discovered during electrical stimulation of the brain. Proc Nat Acad Sciences. 1958;44(2):15.
4.
Rasmussen T, Milner B. Clinical and surgical studies of the cerebral speech areas in man. In: Zülch KJ, Creutzfeldt O, Galbraith GC, Hrsg. Cerebral localization. Berlin, Heidelberg, New York: Springer; 1975. S. 238-257.
5.
Roedel RM, Olthoff A, Tergau F, Simonyan K, Kraemer D, Markus H, Kruse E. Human cortical motor representation of the larynx as assessed by transcranial magnetic stimulation (TMS). Laryngoscope. 2004;114(5):918-22.
6.
Roedel RM, Laskawi R, Markus H. Cortical representation of the orbicularis oculi muscle as assessed by transcranial magnetic stimulation (TMS). Laryngoscope. 2001;111:2005-2011
7.
Dechent P, Merboldt KD, Frahm J. Is the human primary motor cortex involved in motor imagery? Brain Res Cogn Brain Res 2004;19(2):138-44.
8.
Brown S, Ngan E, Liotti M. A larynx area in the human motor cortex. Cerebral Cortex. 2008;18:837-845
9.
Maskill D, Murphy K, Mier A, Owen M, Guz A. Motor cortical representation of the diaphragm in man. J Physiol. 1991;443:105-21.
10.
Riecker A, Mathiak K, Wildgruber D, Erb M, Hertrich I, Grodd W, Ackermann H. fMRI reveals two distinct cerebral networks subserving speech motor control. Neurology. 2005;64:700-6.