Vergleichende Untersuchung von Art und Häufigkeit von Artikulationsmustern bei stotternden und bei nicht stotternden Probanden mittels Echtzeit-MRT

by Marius Hergt
Doctoral thesis
Date of Examination:2025-11-12
Date of issue:2025-11-03
Advisor:Prof. Dr. Martin Sommer
Referee:Prof. Dr. Martin Sommer
Referee:PD Dr. Peter Dechent
Persistent Address: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-11602

 

 

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Abstract

English

The genesis of primary non-syndromic stuttering remains, despite groundbreaking advances in stuttering research in the 21st century, one of the unresolved medical mysteries. In particular, the examination of the internal articulators during stuttering events has been largely neglected in previous studies, even though it holds great potential for understanding the causal origins of stuttering. Recent progress in real-time magnetic resonance imaging (rtMRI) now allows for detailed visualization and analysis of the movements of internal articulators during speech. The aim of my study was to investigate stuttering and fluent speakers on the basis of three hypotheses: The movement sequence of the articulators is altered during stuttering. Audible stuttering events are reflected in abnormal articulatory movements. Such conspicuous articulatory patterns do not occur in fluent speakers. There are relationships between stuttering symptoms and the abnormal movements of the articulators. In this study, 18 participants who stutter and 16 fluent speakers were examined. The participants performed several speech tasks, and real-time magnetic resonance imaging data were acquired in the midsagittal plane during task execution. Our goal was to identify words from the various speech tasks in which at least 60% of the stuttering participants exhibited stuttering while as many fluent speakers as possible produced the tasks error-free, in order to ensure good comparability. The pseudowords “Gakscheitideuk” (IPA [gakʃaitidɔyk]) and “Natscheitideut” (IPA [natʃaitidɔyt]) met these criteria. For the acoustic and articulatory analysis of fluent participants, a checkpoint-based rating system was developed, inspired by internationally established articulatory phonology frameworks. These checkpoints were subsequently used to analyze the articulatory movement sequences. Due to the large amount of data, the further analysis was focused on the pseudoword “Natscheitideut” ([natʃaitidɔyt]). After excluding speech errors and ambiguous stuttering events, data from six participants who stuttered, comprising a total of 45 stuttering events, were available for analysis. In the subsequent analysis of the pseudoword produced by stuttering participants, five distinct movement patterns of the internal articulators were observed that did not occur in the fluent-speaking cohort. These movement patterns were described as: – change of the apical shape, – isolated caudal movement of the dorsum, – temporal discrepancy between apex and dorsum, – additional movements of the tongue body – additional movements of the velum. These movement patterns could most plausibly be classified into two types of motor dysfunction. In addition to sustained contractions in the sense of dystonia, muscle activities resembling isometric contractions were also observed. These movement patterns were seen in the movements of the velum, tongue tip, and tongue body. A descriptive characterization and descriptive statistics of the movement patterns were conducted. Subsequently, a logistic regression analysis was performed to associate the observed movement patterns with specific stuttering symptoms. The analysis of the pseudoword “Natscheitideut” ([natʃaitidɔyt]) revealed statistical significance for the movement pattern “additional movements of the velum.” It was shown that the presence of this movement pattern made it four times more likely that a silent block occurred compared to a prolongation. Although the other movement patterns did not reach statistical significance, there were clear tendencies for certain stuttering symptoms to co-occur with specific articulatory movement patterns. Furthermore, a trend was observed toward longer stuttering events as the number of movement patterns present within a single stuttering event increased. Our findings thus confirmed the hypotheses we had formulated. Similar observations have been reported in previous real-time MRI studies that described abnormal articulatory movements in individuals who stutter, showing analogies to the movement patterns detected in our study. Whether the movement patterns we identified represent dystonic or isometric contractions cannot be proven descriptively and should be the subject of future research. Another motor disorder shows phenotypical similarities to the movement patterns observed in our stuttering participants: Freezing of gait (FoG), whose pathophysiology shares overlapping features with known stuttering-related pathologies—such as repetitive movements and delayed motor execution—which may also represent plausible pathomechanisms in stuttering. Through the visualization and analysis of the articulators, we were able to describe the phenotype of stuttering in greater detail than ever before. At the same time, we succeeded in identifying characteristic articulatory movement patterns of stuttering, representing a breakthrough in understanding stuttering as a motor disorder.
Keywords: Stuttering; Movement patterns; Dystonia; sometric contractions; Nature of stuttering

German

Die Genese des originären nicht-syndromalen Stotterns bleibt trotz bahnbrechender Fort schritte in der Stotterforschung des 21. Jahrhunderts eines der ungelösten medizinischen Rätsel. Insbesondere die Untersuchung der inneren Artikulatoren während Stottereignissen wurde in bisherigen Studien kaum berücksichtigt, obwohl sie ein großes Potenzial für das Verständnis der kausalen Entstehung des Stotterns birgt. Aktuelle Fortschritte in der Echtzeit-Magnetreso nanztomographie ermöglichen es, die Bewegungen der inneren Artikulatoren während des Spre chens detailliert darzustellen und zu analysieren. Das Ziel meiner Arbeit lag in der Untersuchung von stotternden und flüssig sprechenden Pro banden anhand von drei Hypothesen: 1) Die Bewegungssequenz der Artikulatoren ist während des Stotterns verändert. Hörbare Stotterereignisse spiegeln sich in unnormalen Bewegungen der Artikulatoren wider. 2) Diese auffälligen Artikulationsmuster finden sich nicht bei flüssig Spre chenden. 3) Es gibt Zusammenhänge zwischen den Stottersymptomen und den auffälligen Be wegungen der Artikulatoren. In der Studie wurden 18 stotternde Probanden sowie 16 flüssig sprechende Probanden unter sucht. Den Probanden wurden mehrere Sprechaufgaben gestellt und während der Durchfüh rung Echtzeit-Magnetresonanztomographie Aufnahmen in mediansagittaler Schnittebene ange fertigt. Wir zielten darauf ab, die Worte aus den verschiedenen Sprechaufgaben zu erfassen, bei denen mindestens 60 % der stotternden Probanden stottern und möglichst viele flüssig spre chende Probanden die Übungen fehlerfrei sprechen, um eine gute Vergleichbarkeit zu erreichen. Diesen Kriterien entsprachen die Pseudowörter „Gakscheitideuk“ (Lautschrift [gakʃaitidɔyk]) und „Natscheitideut“ (Lautschrift [natʃaitidɔyt]). Für die Lautanalyse der flüssig sprechenden Probanden wurde ein auf Checkpoints basierendes Ratingsystem in Anlehnung an die interna tional etablierte artikulatorische Phonologie erarbeitet. Im Anschluss wurden diese Checkpoints genutzt, um die Bewegungsabläufe der Artikulatoren zu analysieren. Aufgrund der großen Menge an Daten fokussierte ich meine weitere Analyse auf das Pseudowort „Natscheitideut“ ([natʃaitidɔyt]). Nach Aussortierung von Versprechern und uneindeutigen Stottereignissen zeigten sich 6 stot ternde Probanden mit insgesamt 45 Stotterereignissen auswertbar. In der anschließenden Ana lyse des Pseudowortes bei stotternden Probanden ließen sich 5 Bewegungsmuster der inneren Artikulatoren beobachten, die sich in der Kohorte der flüssig sprechenden Probanden nicht zeigten. Diese Bewegungsmuster beschrieben wir als: Änderung des Apex (Form), isolierte Kaudalbewegung des Dorsums, zeitliche Diskrepanz zwischen Apex und Dorsum, zusätzliche Be wegungen des Zungenkörpers und zusätzliche Bewegungen des Velums. Diese Bewegungsmus ter konnten am ehesten zwei Klassen von Bewegungsstörungen zugeordnet werden. Neben anhaltenden Kontraktionen im Sinne einer Dystonie zeigten sich auch isometrischen Kontrak tionen ähnelnde Muskelaktivitäten. Die Bewegungsmuster konnten bei Bewegungen des Ve lums, der Zungenspitze und des Zungenkörpers beobachtet werden. Es erfolgte eine deskriptive Beschreibung sowie deskriptive Statistik der Bewegungsmuster. Im Anschluss führten wir eine logistische Regressionsanalyse durch, die uns ermöglichte, die Bewegungsmuster bestimmten Stottersymptomen zuzuordnen. Die Analyse des Pseudowortes „Natscheitideut“ [natʃaitidɔyt] zeigte eine statistische Relevanz für das Bewegungsmuster „zusätzliche Bewegungen des Ve lums“. Es konnte nachgewiesen werden, dass es viermal wahrscheinlicher war, dass bei einer Beobachtung des Bewegungsmusters ein stiller Block im Vergleich zu einer Prolongation ge stottert wurde. Für die anderen Bewegungsmuster ergab sich zwar kein statistisch signifikantes Ergebnis, jedoch eine deutliche Tendenz für Stottersymptome, die beim Vorhandensein be stimmter Bewegungsmuster vorlagen. Ebenfalls zeigte sich ein Trend zu längeren Stotterereig nissen, je mehr Bewegungsmuster innerhalb eines Stotterereignisses auftraten. Mit unseren Er gebnissen ließen sich die von uns formulierten Hypothesen bestätigen. Ähnliche Beobachtungen wie in unserer Arbeit wurden bereits in früheren Echtzeit-Magnetre sonanztomographie-Studien beschrieben, in denen abweichende Bewegungen der Artikulatoren bei stotternden Probanden beobachtet wurden, die Analogien zu den von uns detektierten Be wegungsmustern aufwiesen. Ob es sich bei den von uns beschriebenen Bewegungsmustern um Dystonien und isometrische Kontraktionen handelt, ist rein deskriptiv nicht zu beweisen und sollte Gegenstand zukünftiger Forschung sein. Auch eine weitere Bewegungsstörung weist phä notypische Ähnlichkeiten zu den von uns beobachteten Bewegungsmustern bei stotternden Probanden auf. Zu nennen ist „Freezing of gait“ (FoG), dessen Pathophysiologie Überschnei dungspunkte zu den beim Stottern bereits bekannten Pathologien aufweist wie z.B. repetitive Bewegungen und verzögerte Bewegungsabläufe, die auch als Pathomechanismen beim Stottern denkbar sind. Durch die Darstellung und Analyse der Artikulatoren konnten wir den Phänotyp des Stotterns detaillierter beschreiben als je zuvor. Gleichzeitig gelang es uns, typische Bewegungsmuster für das Stottern zu identifizieren, welche einen Durchbruch im Verständnis des Stotterns als Bewe gungsstörung darstellen.