Sprach- und Kurzzeitgedächtnisfunktionen bei Legasthenie: eine kombinierte MEG- und EEG-Studie (SMeDy)

1. Hintergrund

   Entwicklungsdyslexie ist die am weitesten verbreitete Lernstörung, die die Lesefähigkeit selbst bei Personen mit normaler Intelligenz und voller Verfügbarkeit von Bildung beeinträchtigt (Lyon et al., 2003). Es ist hochgradig vererbbar, und es wurden mehrere Kandidatengene identifiziert, die zur Legasthenie beitragen (Scerri & Schulte-Körne, 2010). Eine breite Palette von Defiziten wurde mit Legasthenie in Verbindung gebracht, aber nach der am weitesten verbreiteten Theorie ist die Hauptursache eine beeinträchtigte phonologische Verarbeitung (Ramus, 2001). Das MMN, dessen Generatoren sich mit Gehirnbereichen überschneiden, von denen berichtet wird, dass sie anatomische Anomalien bei Legasthenie aufweisen, hat diese Vorstellung unterstützt. Verringerte MMN-Amplituden wurden systematisch bei Legasthenikern für bestimmte sprachliche und nicht-sprachliche Geräuschmerkmale berichtet (für eine Übersicht Kujala & Näätänen, 2001). Diese Effekte wurden sogar bei Kindern und Säuglingen mit einem erblichen Risiko für Legasthenie festgestellt (Leppänen et al., 2002; Lovio et al., 2010). Darüber hinaus hat eine kürzlich in unserer Gruppe durchgeführte Studie gezeigt, dass legasthene Kinder Probleme haben, Gedächtnisspuren für Wörter zu bilden (Kimppa et al., in Vorbereitung), während sowohl das auditive System normal lesender Erwachsener (Shtyrov et al., 2010) und Kindern (Kimppa et al., in Vorbereitung) wurde gezeigt, dass sie schnell Repräsentationen für neue Wörter bilden.

   Kürzlich wurde vermutet, dass phonologische Defizite bei Legasthenie aufgrund von Beeinträchtigungen in verschiedenen Schritten der Tonverarbeitung auftreten können. Nach dieser Theorie können Legastheniker in verschiedene Untergruppen eingeteilt werden. Ramus und Kollegen (2013) schlugen vor, dass Personen mit Legasthenie eine Beeinträchtigung der phonologischen Repräsentation oder in späteren Verarbeitungsstadien als Beeinträchtigung der phonologischen Fähigkeiten zeigen.

   Das aktuelle Projekt wird kombinierte elektroenzephalographische (EEG) und magnetoenzephalographische (MEG) Aufzeichnungen sowie neuropsychologische und Wahrnehmungstests verwenden, um festzustellen, wie beeinträchtigte phonologische neurale Repräsentationen im Vergleich zu phonologischen Fähigkeiten zu Legasthenie beitragen. Ereignisbezogene Potenziale (ERPs) bzw. ereignisbezogene Felder (ERFs), definiert als zeitgebundene Änderungen externer Stimuli im EEG und Magnetenzephalogramm-MEG, könnten einen objektiven Index der Informationsverarbeitung im menschlichen Gehirn liefern. Sowohl EEG- als auch MEG-Methoden bieten eine hohe zeitliche Auflösung. Der Vorteil der MEG liegt in einer exakteren Lokalisierung der aktivierten neuralen Quellen aufgrund eines geringeren Einflusses schädel- und gewebebedingter Verzerrungen als bei der EEG-Quellenlokalisierung. Es wird spezifischere Informationen zur Legasthenie-ERP-Forschung zusätzlich zu den früheren Studien, die hauptsächlich mit EEG durchgeführt wurden, ergänzen und hinzufügen. Eine Zusammenfassung der mit MEG durchgeführten Legasthenie-Studien finden Sie in der Übersicht von Salmelin (2007).

   Mit EEG und MEG aufgezeichnete neuronale Antworten wurden sowohl im Dienste der Grundlagenforschung als auch der klinisch orientierten Forschung weithin verwendet. In den letzten Jahren wurde eine kortikale Reaktion namens Mismatch Negativity (MMN) intensiv zur Untersuchung der auditiven Wahrnehmung und ihrer Defizite eingesetzt. MMN ist eine ERP-Komponente, die durch jede Änderung in einem sich wiederholenden Aspekt der Hörstimulation ausgelöst wird, ihren Höhepunkt bei 100–200 ms nach Beginn der Änderung erreicht und sowohl elektrisch (MMN) als auch magnetisch (MMNm) nachweisbar ist. Es wurde vorgeschlagen, dass MMN einen Index des auditiven sensorischen ("echoischen") Gedächtnisses und eine automatische (unwillkürliche) Erkennung von Veränderungen bereitstellt. Es spiegelt auch muttersprachliche Sprach-Laut-Gedächtnisspuren wider (Näätänen et al., 1997). MMN wird auch dann ausgelöst, wenn das Subjekt nicht auf die Hörreize achtet. Daher hat es sich in den letzten Jahren bei der Untersuchung einer Vielzahl von Patientengruppen bewährt (für Übersichten siehe Näätänen et al., 2007; Kujala et al., 2007).

   Neben der Verarbeitung von Silben oder (Pseudo-)Wörtern wird die neuronale Aktivität beim Verstehen komplexer realer Sprache durch Aufzeichnung von Single-Trial-MEG charakterisiert. Eine modellfreie Analysemethode untersucht Inter-Subjekt-Korrelationen (ISC) zwischen Personen mit und ohne Legasthenie. Dieser Ansatz gibt einen Einblick in die auditiven Verarbeitungseigenschaften in einem natürlicheren Zustand. Die Methode der ISC hat sich in der Forschung unter natürlichen Bedingungen bewährt, z. Filme schauen oder Musik hören, hauptsächlich mittels funktioneller Magnetresonanztomographie (fMRT). Es wurde 2004 von Hasson und Kollegen eingeführt, die herausfanden, dass sich Gehirnregionen zwischen Subjekten während der Filmbetrachtung synchronisieren. In der MEG wurde dieser Ansatz bisher kaum genutzt (z. Lankinenet al., 2014; Suppen, 2014; Thiede, 2014). Es bestätigt und ergänzt jedoch die Ergebnisse aus der fMRI-Forschung. In der Sprachforschung wurden zeitliche Zusammenhänge, die mit der ISC-Methode untersucht wurden, nur in Ruhezustandsnetzwerken bei Kindern mit Leseschwierigkeiten berichtet (Dimitriadis et al., 2013). Die Ergebnisse bestätigen Erkenntnisse aus fMRT-Studien. Somit bietet die Methode neue, vielversprechende Einblicke in die neuronalen Grundlagen der Legasthenie.

   Entwicklungsdyslexie ist eine erbliche Störung polygenen Ursprungs. In den letzten Jahren wurden mehrere Kandidatengene entdeckt (Kere, 2014 für eine Übersicht), die mit Funktionen der neuronalen Migration und der Hörverarbeitung in Verbindung stehen. Der Zusammenhang zwischen den Hörreaktionen des Gehirns und der genetischen Ursache der Störung wurde jedoch noch nicht bestätigt. Weitere Untersuchungen zu den Verbindungen zwischen den genetischen und neuralen Markern der Legasthenie sind erforderlich, um verschiedene bestehende Hypothesen zu überprüfen.

   Vorherige Aktivität

   Die Forschung in der Gruppe der Experimentatoren hat gezeigt, dass auf Gruppenebene die kortikale Unterscheidung von Lauten und Sprachlauten auf niedriger Ebene bei Legasthenie beeinträchtigt ist (Kujala, 2007 für eine Übersicht). Dies spiegelte sich in verminderten MMN-Antworten (z. B. Kujala et al., 2006; Schulte-Körne et al., 1998; Neuhoff et al., 2012) und in Verstärkungen von MMNs als Folge einer Legasthenie-Intervention (Kujala et al., 2001; Lovio et al., 2012). Diese Ergebnisse deuten auf eine starke Verbindung zwischen dieser neuralen Reaktion und Legasthenie hin. Darüber hinaus deuten die Ergebnisse der Forscher auf schwache Assoziationen zwischen den neuronalen Repräsentationen von Sprachlauten und geschriebenen Buchstaben im Gehirn von Legasthenikern hin (Mittag et al., 2013), die Defizite in den phonologischen Fähigkeiten bei Legasthenie widerspiegeln könnten. Darüber hinaus haben in der aktuellen Forschungsgruppe durchgeführte Studien zur Identifizierung von Kandidatengenen der Legasthenie geführt (z. Hannula-Jouppi et al., 2005; Schumacher et al., 2006). In einer kürzlich erschienenen Übersichtsarbeit wurden neun Gene und vier Genorte in einer Zusammenfassung der genetischen Orte aufgelistet, die mit Entwicklungsdyslexie assoziiert sind (Kere, 2014). Es wurde gezeigt, dass einige Kandidatengene mit axonalen Verbindungen und andere mit neuronalen Migrationsfunktionen verknüpft sind.

2. Ziele und Methoden

Diese Studie zielt darauf ab, die neurokognitiven Grundlagen der Legasthenie und ihre Verbindung mit Genen zu bestimmen. Die neuronalen Zielprozesse, die in verschiedenen Untergruppen von Personen mit Legasthenie beeinträchtigt sind, umfassen phonologische Repräsentationen vs. phonologische Fähigkeiten. Phonologische Repräsentationen spiegeln sich in der Diskrimination von Sprachlauten auf niedriger Ebene wider, während phonologische Fähigkeiten sich in der audiovisuellen Integration von geschriebenen und gesprochenen Buchstaben widerspiegeln können. Mit neuropsychologischen Tests wird ermittelt, welche Teilnehmer überwiegend schwache Sprachrepräsentationen oder geringe phonologische Fähigkeiten haben. Es wird die Hypothese aufgestellt, dass Teilnehmer mit schwacher phonologischer Repräsentation verminderte MMN/MMNm-Reaktionen haben. Von Teilnehmern, die diese Probleme nicht haben, aber stattdessen schlechte phonologische Fähigkeiten haben, wird erwartet, dass sie normale MMN/MMNm-Reaktionen haben, aber mangelhafte Antworten, die die audiovisuelle Integration widerspiegeln, wie z auditive Sprachunterscheidung. Es wird angenommen, dass diese beiden Arten von Legasthenie-Gruppen Veränderungen in teilweise unterschiedlichen Legasthenie-Kandidatengenen aufweisen.

Die auditive Verarbeitung im Gehirn unter komplexeren, realen Bedingungen wird unter Verwendung von MEG-Einzelversuchen während der Präsentation natürlicher Sprachlaute untersucht. Es wird erwartet, dass sich die synchronisierte Gehirnaktivität zwischen der Legastheniker- und der Kontrollgruppe unterscheidet. Insbesondere wird erwartet, dass Personen mit Legasthenie eine verringerte Synchronität im linken temporoparietalen Kortex aufweisen (Temple, 2002). Single-Trial-Daten könnten außerdem einen Zusammenhang mit Genen zeigen, wie von Giraud und Ramus (2013) vorgeschlagen, die die Hypothese aufstellten, dass eine Störung der auditiven kortikalen Oszillationen den Zugang zu phonologischen Repräsentationen modifiziert.

Es ist bekannt, dass Legasthenie mit mehreren Kandidatengenen assoziiert ist (für eine Übersicht siehe Kere, 2014). Die Kandidatengene sind mit Sprachkenntnissen und mit den ERPs des Gehirns verbunden. Die Genforschung in Zusammenarbeit mit dem Labor von Prof. Juha Kere im Folkhälsan-Forschungszentrum in Biomedicum, Helsinki oder dem Karolinska-Institut, Stockholm, zielt darauf ab, die Verbindung zwischen Legasthenie-Kandidatengenen und neuronaler ereignisbezogener Aktivität des Gehirns auf Pseudowort-Stimuli nachzuweisen.

Impulse und Verfahren

MMN- und MMNm-Reaktionen auf Klangänderungen im Pseudowort /tata/ (Vokal, Vokaldauer und Silbenfrequenzänderungen) werden aufgezeichnet, während die Teilnehmer einen Film besuchen oder gleichzeitig visuell präsentierte Pseudowort-Stimuli sehen. Während der auditiven Bedingung sehen sich die Probanden einen stummen Film an, während ihnen häufige "Standard"-Stimuli präsentiert werden, nämlich ein Pseudowort (/tata/) und seltene "abweichende" (siehe unten) auditive Stimuli. Die Aufgabe besteht darin, dem Film beizuwohnen und die Hintergrundgeräusche zu ignorieren. Die audiovisuelle Bedingung umfasst die gleichen Pseudowort-Stimuli, aber anstatt sich einen Film anzusehen, sehen die Probanden die geschriebenen Buchstaben des präsentierten Pseudoworts oder ein verschlüsseltes Bild der Pseudowort-Buchstaben. Ablenkungen, wie das Zählen von abweichenden Reizen oder unterschiedlichen Formen und Farben des visuellen Reizes, werden den Teilnehmern als Hauptaufgabe gestellt. Sie werden angewiesen, die Geräusche zu ignorieren.

Die Pseudowortreize sind wie folgt:

• standard: /tata/
• Vokal abweichend: /tato/
• Frequenzabweichung - höhere Frequenz in der 2. Silbe
• Dauer abweichend: /tataa/ - 2. Silbe doppelt so lang wie im Standard

Die Stimuli werden in einem kombinierten Multi-Feature- und Oddball-Design präsentiert (Näätänen et al., 2004). Alle abweichenden Typen werden in der gleichen Reihenfolge mit 1-4 Standards zwischen jeweils 2 aufeinanderfolgenden Abweichungen präsentiert.

Zusätzlich zur Aufzeichnung der MMNm-Antworten wird eine kontinuierliche Aufzeichnung der Gehirnaktivität für einen realen Stimulus in einem einzigen Versuch aufgezeichnet. Ungefähr 8 Minuten natürliche Sprache (Finnisch sprechend) werden beiden Gruppen präsentiert, mit der Aufgabe, nur zuzuhören und die Augen offen zu halten. Eine Aufzeichnung von 8 min während der Ruhe mit offenen Augen vervollständigt die Zugabe.

Um Unterschiede in den allgemeinen kognitiven Fähigkeiten und dem Leistungsprofil zwischen den Gruppen zu untersuchen, werden die Teilnehmer Verhaltenstests unterzogen. Legasthenie-Merkmale werden mit Teilen des Nevala-Legasthenie-Tests (Nevala et al., 2006) bewertet. Allgemeiner und Leistungs-Intelligenzquotient (IQ) sowie phonologisches und Arbeitsgedächtnis werden mit der Wechsler Intelligence Scale (WAIS-III; Wechsler, 1997a) und Subtests der Wechsler Memory Scale (WMS-III; Wechsler, 1997b) getestet. Die phonologische Benennung wird mit dem Rapid Alternate Stimulus Naming (RAS)-Test auf Geschwindigkeit und Genauigkeit bewertet (Wolf, 1986). Diese oder entsprechende neuropsychologische Tests werden in max. 2 Stunden in einer unabhängigen Testsitzung von der MEG-Sitzung.

Zusätzlich werden Speichel- oder Blutproben (2 x 9 ml Blut) von einer ausgebildeten Krankenschwester nach Zustimmung des Probanden entnommen. DNA wird aus diesen Proben extrahiert und im Folkhälsan-Forschungszentrum im Labor von Juha Kere aufbewahrt. Die DNA-Analyse konzentriert sich auf alle verwandten Kandidatengene in ihren verschiedenen Varianten unter Verwendung von DNA-Sequenzierungstechniken zur Bestimmung der Genotypen (Taqman, Sequenom). Es wird nach möglichen Verbindungen zwischen der elektrischen und magnetischen Aktivität des Gehirns und Kandidatengenen für Legasthenie gesucht.