Auditorisches System, Stimme und Sprache 673
674 Auditorisches System, Stimme und Sprache 19.1 19.1.1 19.1.2 19.1.3 Grundbegriffe der physiologischen Akustik Schall Schalldruckpegel und Lautstärkepegel Hörbereich und Unterschiedsschwellen 677 19.2 19.2.1 19.2.2 Schallübertragung zum Innenohr 678 Formen der Schallleitung 678 Impedanzanpassung und Schallschutz im Mittelohr 19.3 19.3.1 19.3.2 Schallverarbeitung im Innenohr 681 Anatomische Voraussetzungen für die Schallanalyse Mechanismen der Schallanalyse 683 19.4 19.4.1 19.4.2 19.4.3 Zentrale Hörbahn und kortikale Repräsentation Kodierung auditorischer Signale 688 Stationen der Hörbahn 689 Richtungshören 692 19.5 Lautbildung und -ausformung durch den peripheren Sprechapparat 693 Phonation 693 Artikulation 694 19.5.1 19.5.2 680 681 688 19
19.1 Grundbegriffe der physiologischen Akustik 19 Auditorisches System, Stimme und Sprache Zwischen dem auditorischen System, der Stimme und der Sprache besteht über die Bedeutung für die menschliche Kommunikation ein enger funktioneller Zusammenhang. Neben akustischen Reizen aus der Umwelt werden über den Gehörsinn auch die eigenen Laute und Worte wieder aufgenommen. Mithilfe dieser Rückmeldung kann die Großhirnrinde wiederum steuernd auf den peripheren Prozess des Sprechens einwirken. Erkrankungen des auditorischen Systems belasten die Betroffenen schwer und können Ursache für soziale Isolation, bei Kindern auch für tiefgreifende Entwicklungsstörungen sein. Besteht die Gehörlosigkeit von Geburt an, ist es äußerst schwierig, sprechen zu lernen: Taubgeborene können nur mit großen Anstrengungen und unter intensiver Anleitung lernen, sich zu artikulieren. 19 Auditorisches System, Stimme und Sprache Zwischen auditorischem System, Stimme und Sprache besteht über die Bedeutung für die menschliche Kommunikation ein enger funktioneller Zusammenhang. In diesem Kapitel wird zum einen dargestellt, wie es zur Wahrnehmung relevanter Schallinformation kommt: Von der Analyse der Schallfrequenz und -intensität im Ohr bis zu den Voraussetzungen für die Interpretation von Sprache im zentralen Nervensystem. Zum anderen wird die Erzeugung und Ausbildung von Lauten durch den peripheren Sprechapparat beschrieben. Weitere Informationen zur Sprachbildung und -verarbeitung sowie zum Sprachverständnis als Leistungen der Großhirnrinde sind in Kapitel Integrative Leistungen des ZNS (s. S. 773) zu finden. 19.1 Grundbegriffe der physiologischen Akustik Definition. Die physiologische Akustik beschäftigt sich mit den physikalischen Eigenschaften des Schalls (Akustik) sowie mit den physiologischen Vorgängen der Schallwahrnehmung, für die auditorische Prozesse vom Ohr bis zur Verarbeitung im zentralen Nervensystem von Bedeutung sind. 19.1.1 Schall Für die physikalische Beschreibung des Schalls werden z. T. andere Einheiten verwendet als für die physiologische Beschreibung der Schallwahrnehmung. Physikalisch gesehen ist ein Ton eine Druckwelle, die durch zwei variable Größen bestimmt wird: Die Frequenz wird in Schwingungen pro Sekunde (Hz) gemessen. Sie ist ausschlaggebend für die subjektiv empfundene Tonhöhe: Je niedriger die Frequenz ist, desto tiefer wird ein Ton wahrgenommen. Die Amplitude gibt die Intensität an und wird als Schalldruck in Pascal gemessen (1 Pa=1 N/m 2 ). Bezogen auf das menschliche Gehör nutzt man als Maße v. a. Schalldruck- und Lautstärkepegel (s. u.). 19.1 Grundbegriffe der physiologischen Akustik Definition. 19.1.1 Schall Physikalisch gesehen entstehen Klänge und Geräusche durch Überlagerung von Tönen einer jeweils bestimmten Frequenz (in Hz) ausschlaggebend für die Tonhöhe) und Amplitude (gemessen als Schalldruck in Pa) Angabe der Intensität, für die bezogen auf das menschliche Gehör andere Maße verwendet werden (s. u.). In der Musik, aber auch beim Sprechen ( Vokalbildung, s. S. 694) ergibt die Überlagerung mehrerer Töne einen Klang, wenn die einzelnen Töne in einem geordneten, harmonischen Verhältnis zueinander stehen. Tonmischungen, die den gesamten Frequenzbereich abdecken können, werden als Geräusch bezeichnet. 19.1.2 Schalldruckpegel und Lautstärkepegel Die in der ärztlichen Praxis verwendete physiologische Beschreibung auditorischer Prozesse orientiert sich ausschließlich an der subjektiven Schallwahrnehmung des Menschen. Die grundlegende Frage dieses eigenmetrischen (d. h. auf keinem unabhängigen, physikalischen Verfahren beruhenden) Messsystems lautet: Wie laut wird ein Ton gehört, der mit einer bestimmten Frequenz und einem 19.1.2 Schalldruckpegel und Lautstärkepegel Der Arzt misst die Wahrnehmung von akustischen Signalen. Das physiologische Messsystem orientiert sich an der subjektiv wahrgenommenen Lautstärke oder Lautheit eines akustischen Signals. Dabei bildet die Hör-
676 19 Auditorisches System, Stimme und Sprache schwelle gesunder Menschen den Bezugspunkt. Die Einheit des Schalldruckpegels ist das Dezibel [db]. Es handelt sich dabei um eine physikalisch eindeutig bestimmbare (objektive) Größe bezogen auf einen willkürlich festgelegten Vergleichswert (P 0 =2 10 5 Pa =Schalldruck der Hörschwelle bei 1 khz). Zu den spezifischen Schalldruckpegeln wahrnehmbarer Geräusche s. Tab. 19.1. Die Energie, mit der akustische Signale auf eine Fläche treffen, werden als Schallintensität bzw. Schallleistungsdichte bezeichnet [Watt/m 2 ]. Definitionsgemäß entspricht der physiologische subjektive Lautstärkepegel (in Phon) dem physikalischen Schalldruckpegel bei einer Frequenz von 1 khz. Bei anderen Frequenzen weicht die empfundene Lautstärke vom tatsächlichen Schalldruck ab. Die Isophonen bezeichnen die Schalldruckpegel, die über den gesamten Frequenzbereich des menschlichen Hörfeldes hinweg zur subjektiven Wahrnehmung einer bestimmten Lautstärke nötig sind (Abb. 19.1). bestimmten Schalldruck auf das Ohr trifft? Dies ist nicht eine Frage nach der objektiven Schallintensität, sondern nach der subjektiv empfundenen Lautstärke oder Lautheit eines akustischen Signals. Der Bezugspunkt für dieses Messsystem ist die sog. Hörschwelle gesunder Menschen und damit der notwendige Schalldruck, bei dem ein Ton oder ein Geräusch mit einer bestimmten Frequenz gerade noch wahrgenommen wird. Jede vom Arzt ermittelte Hörleistung wird als Vielfaches der normalen Hörschwelle angegeben. Als Einheit für dieses relative Messsystem dient das Dezibel (1 Dezibel [db] = 0,1 Bel), das den Schalldruckpegel als Vielfaches der Hörschwelle definiert: Schalldruckpegel = 20 log P x [db] P 0 P 0 ist dabei ein willkürlich festgesetzter Bezugswert (2 10 5 Pa), der in etwa dem Schalldruck an der Hörschwelle bei 1 khz entspricht (Abb. 19.1). P x ist der Schalldruck eines akustischen Reizes, dessen Schalldruckpegel bestimmt werden soll. Durch seinen festgesetzten Bezugswert P 0 ist der Schalldruckpegel eine physikalisch eindeutig bestimmbare (objektive) Größe. Eine spezifischere Bezeichnung für den Schalldruckpegel ist db SPL ( sound pressure level ). Eine Zunahme des Schalldruckpegels um 20 db bedeutet jeweils eine Verzehnfachung des Schalldrucks. Tab. 19.1 ordnet jedem Schalldruckpegel ein wahrnehmbares Geräusch zu. Die Begriffe Schallintensität bzw. Schallleistungsdichte bezeichnen die Energie, mit der akustische Signale auf eine Fläche (z. B. auf das Trommelfell) treffen. Sie werden in Watt/m 2 angegeben und sind dem Quadrat des Schalldrucks proportional: Erhöht sich der Schalldruckpegel um 3 db (ΔSPL = 3), verdoppelt sich die Schallintensität/ Schallleistungsdichte (ΔSI) gemäß ΔSI = 10 ΔSPL/10. Die vom Arzt ermittelten physiologischen subjektiven Lautstärkepegel entsprechen dem physikalischen Schalldruckpegel definitionsgemäß bei einer Tonfrequenz von 1 khz. Der Lautstärkepegel wird in Phon [phon] angegeben. Bei tieferen oder höheren Frequenzen ändert sich die Empfindlichkeit des auditorischen Systems. So werden bei gleichem Schalldruck Töne um 0,1 khz wesentlich leiser wahrgenommen als bei 1 khz. Soll ein Ton von 0,1 khz genauso laut wahrgenommen werden wie ein Ton von 1 khz, muss sein Schalldruck um einen bestimmten Betrag erhöht werden. Um eine gleiche Lautstärke für Töne unterschiedlicher Frequenz zu erzielen, muss man jeden Ton mit einem bestimmten Schalldruck anbieten. Auf einem das menschliche Hörfeld darstellenden Diagramm der Frequenzabhängigkeit des Schalldruckpegels kann man diesen Zusammenhang erkennen (Abb. 19.1): Die Isophone für einen bestimmten Lautstärkepegel gibt für jede Frequenz denjenigen Schalldruckpegel an, der notwendig ist, um die gleiche subjektive Lautstärkewahrnehmung zu erzielen. Töne mit dem gleichen Phonwert werden als gleich laut empfunden. Dafür ist je nach Frequenz ein unterschiedlicher Schalldruckpegel notwendig. 19.1 19.1 Schalldruckpegel Schalldruckpegel [db SPL] Zunahme um Faktor Geräusch 1 1 Hörschwelle 20 10 ländliche Stille 40 100 leises Gespräch 60 1 000 normales Gespräch 80 10 000 Straßenlärm 100 100 000 Diskothek 120 1 000 000 Schuss, Donner 140 10 000 000 Schmerzschwelle
19.1 Grundbegriffe der physiologischen Akustik 677 19.1 Hörfeld des Menschen Schalldruck [Pa] Schalldruckpegel [db SPL] subjektiver Lautstärkepegel [phon = db SPL bei 1 khz] 10 2 10 1 1 140 120 100 Schmerzschwelle 140 120 100 Düsentriebwerk Schuss, Donner Diskothek 10 1 80 80 Hauptsprachbereich lauter Straßenlärm 60 60 lautes Gespräch 10 2 40 40 10 3 leises Gespräch Isophone 20 20 10 4 10 5 0 Hörschwelle: 4 phon 0 P 0 Stille 20 100 1000 10 4 2 10 4 Frequenz [Hz] Die Bestimmung der individuellen Leistungsfähigkeit des Gehörs erfolgt durch audiometrische Methoden. Dabei werden dem Patienten über einen Kopfhörer Töne mit definierter Frequenz und definiertem Schalldruck angeboten und die subjektive Lautstärke bestimmt: Bei der Schwellenaudiometrie werden Töne mit sehr geringem Schalldruck verwendet, um die individuelle Hörschwelle des Patienten für jede Frequenz zu ermitteln (unterste Isophone in Abb. 19.1). Moderne Audiometer berücksichtigen die unterschiedliche Empfindlichkeit des Gehörs für unterschiedliche Frequenzen. Bei diesen Geräten wird jeder Ton gemäß den Isophonen eines gesunden Menschen in unterschiedlichen Lautstärken angeboten. Das bei dieser Untersuchung entstehende Tonaudiogramm zeigt direkt die Abweichung von den physiologisch normalen Isophonen (s. Abb. 19.2, S. 679). Eine Abweichung von + 20 db bei einer bestimmten Frequenz bedeutet eine um 90 % reduzierte Hörleistung ein 10-fach erhöhter Schalldruck ist nötig, um einen Ton dieser Frequenz wahrzunehmen. Verschiedene Formen der Schwerhörigkeit zeigen im Audiogramm typische Kurvenverläufe (vgl. Abb. 19.2 b, c, S. 679): Zum Beispiel nimmt im Alter vor allem die Wahrnehmung im oberen Frequenzbereich (>5 khz) ab (s. Abb. 19.9, S. 687) und kann auch den Hauptsprachbereich einengen, weshalb bei der Altersschwerhörigkeit (Presbyakusis) eine Beeinträchtigung des Sprachverständnisses möglich ist. Subjektiver Lautstärkepegel [phon] bei unterschiedlichen Frequenzen [Hz] und Schalldruckpegeln [db SPL]. Der Normwert für die Hörschwelle liegt bei 4 phon. 19.1.3 Hörbereich und Unterschiedsschwellen Das Hörfeld eines Menschen umfasst große Frequenz- und Intensitätsbereiche, wobei der Hauptsprachbereich in der Mitte des Hörfeldes liegt (Tab. 19.2 und Abb. 19.1). Auch Unterschiede zwischen Tönen verschiedener Frequenz und Intensität können nicht in allen Bereichen des Hörfeldes gleich gut voneinander unterschieden werden. Die jeweils niedrigste Unterschiedsschwelle ist dabei besonders für nacheinander angebotene Töne extrem gering (Tab. 19.2). 19.1.3 Hörbereich und Unterschiedsschwellen Das menschliche Hörfeld, in dessen Mitte der Hauptsprachbereich liegt (Abb. 19.1), umfasst große Frequenz- und Intensitätsbereiche (Tab. 19.2). Die jeweils niedrigste Unterschiedsschwelle ist v. a. für nacheinander angebotene Töne sehr gering.
678 19 Auditorisches System, Stimme und Sprache 19.2 Hörbereich und Unterschiedsschwellen Frequenz Intensität Hörbereich gesamter Frequenzbereich umfasst 18 Hz bis 18 khz maximale Hörempfindlichkeit bei 1 4Hz Hauptsprachbereich bei 250 4000Hz gesamter Bereich umfasst Schalldruckpegel von <0 130 db (s.a. Tab. 19.1, S. 676) Lautstärkepegel von 4 130 Phon (Lautstärkebereich) Hauptsprachbereich bei 40 80 db Unterschiedsschwellen* Frequenz-Unterschiedsschwelle: bei 1000 Hz ca. 0,3 % (Unterschiede der Tonhöhe von 3 Hz werden wahrgenommen) Intensitäts-Unterschiedsschwelle: Unterschiede im Schalldruckpegel von 1dB können unter optimalen Bedingungen wahrgenommen werden * Die hier angegebenen Unterschiedsschwellen beziehen sich auf nacheinander angebotene Töne (sukzessive Unterschiedsschwelle); für gleichzeitig gehörte Töne (simultane Unterschiedsschwelle) gelten höhere Werte. 19.2 Schallübertragung zum Innenohr 19.2.1 Formen der Schallleitung Ein Schallsignal kann das Innenohr als Ort der Frequenz- und Intensitätsanalyse über zwei Wege erreichen: per Luftleitung über die schallleitenden Anteile des Ohres (äußerer Gehörgang und Mittelohr, s. Abb. 19.4, S. 680) per Knochenleitung unter Umgehung der schalleitenden Anteile über den in Schwingung versetzten Schädelknochen. 19.2 Schallübertragung zum Innenohr 19.2.1 Formen der Schallleitung Bevor Frequenz und Intensität eines Schallsignals im Innenohr analysiert werden und zu einer Hörempfindung führen können (s. u.), muss das Signal dieses komplex gebaute, flüssigkeitsgefüllte Organ erreichen. Dies kann auf zwei Wegen geschehen: per Luftleitung über die beiden schallleitenden Anteile des Ohres (äußerer Gehörgang und Mittelohr, s. Abb. 19.4, S. 680) per Knochenleitung, d. h. das Innenohr wird unter Umgehung der beiden schallleitenden Ohr-Anteile über den in Schwingungen versetzten Schädelknochen stimuliert. Bei beiden Wegen stellt prinzipiell der Verlust von Schallenergie ein Problem dar, der jedoch auf dem Weg der Luftleitung größtenteils durch das Mittelohr kompensiert werden kann (s.s. 680). Die Knochenleitung dagegen spielt im Rahmen des alltäglichen Hörens eine untergeordnete Rolle, da bei der Übertragung akustischer Schallsignale aus der Umgebung auf den Knochen viel Schallenergie verloren geht. Sie kann aber im Rahmen von Untersuchungen genutzt werden, bei denen ein schwingender Gegenstand direkt auf den Knochen aufgesetzt wird und die getrennte Messung von Knochen- und Luftleitung möglich ist. Vergleicht man die Hörempfindungen dahingehend, über welchen Weg das auslösende Signal das Innenohr erreicht hat, ist eine Unterscheidung zwischen Schädigungen der unterschiedlichen Anteile des Ohres möglich: Ist nur die Luftleitung gestört, liegt der Schädigungsort in einem der schallleitenden Anteile des Ohres (meist Mittelohr oder äußerer Gehörgang): Schallleitungsstörung oder -schwerhörigkeit. Liegt dagegen die Schädigung im Innenohr selbst oder in nachgeschalteten Stationen der Hörbahn, ist die Hörempfindung in jedem Fall beeinträchtigt (Schallempfindungsstörung oder -schwerhörigkeit) unabhängig davon, ob das Schallsignal über Luft- oder Knochenleitung auf das Innenohr übertragen wurde. Gängige subjektive Hörprüfungen zur Differenzierung von Schallleitungs- und -empfindungsstörungen mithilfe der Bestimmung von Luft- und Knochenleitung sind die oben bereits erwähnte Schwellenaudiometrie sowie die Stimmgabelversuche nach Rinne und Weber: Bei der Schwellenaudiometrie werden dem Patienten Töne nicht nur über einen Kopfhörer vorgespielt (d. h. über Luftleitung vermittelt), sondern anschließend auch über einen auf dem Mastoid aufgesetzten Tongeber ( Knochenleitung). So entstehen zwei Hörschwellenkurven, die beim Gesunden in etwa deckungsgleich