Towards Optimal Testing of Auditory Memory : Methodological development of recording of the mismatch negativity (MMN) of the auditory event-related potential (ERP)

Abstract

The overlapping sound pressure waves that enter our brain via the ears and auditory nerves must be organized into a coherent percept. Modelling the regularities of the auditory environment and detecting unexpected changes in these regularities, even in the absence of attention, is a necessary prerequisite for orientating towards significant information as well as speech perception and communication, for instance. The processing of auditory information, in particular the detection of changes in the regularities of the auditory input, gives rise to neural activity in the brain that is seen as a mismatch negativity (MMN) response of the event-related potential (ERP) recorded by electroencephalography (EEG). --- As the recording of MMN requires neither a subject s behavioural response nor attention towards the sounds, it can be done even with subjects with problems in communicating or difficulties in performing a discrimination task, for example, from aphasic and comatose patients, newborns, and even fetuses. Thus with MMN one can follow the evolution of central auditory processing from the very early, often critical stages of development, and also in subjects who cannot be examined with the more traditional behavioural measures of auditory discrimination. Indeed, recent studies show that central auditory processing, as indicated by MMN, is affected in different clinical populations, such as schizophrenics, as well as during normal aging and abnormal childhood development. Moreover, the processing of auditory information can be selectively impaired for certain auditory attributes (e.g., sound duration, frequency) and can also depend on the context of the sound changes (e.g., speech or non-speech). Although its advantages over behavioral measures are undeniable, a major obstacle to the larger-scale routine use of the MMN method, especially in clinical settings, is the relatively long duration of its measurement. Typically, approximately 15 minutes of recording time is needed for measuring the MMN for a single auditory attribute. Recording a complete central auditory processing profile consisting of several auditory attributes would thus require from one hour to several hours. In this research, I have contributed to the development of new fast multi-attribute MMN recording paradigms in which several types and magnitudes of sound changes are presented in both speech and non-speech contexts in order to obtain a comprehensive profile of auditory sensory memory and discrimination accuracy in a short measurement time (altogether approximately 15 min for 5 auditory attributes). The speed of the paradigms makes them highly attractive for clinical research, their reliability brings fidelity to longitudinal studies, and the language context is especially suitable for studies on language impairments such as dyslexia and aphasia. In addition I have presented an even more ecological paradigm, and more importantly, an interesting result in view of the theory of MMN where the MMN responses are recorded entirely without a repetitive standard tone. All in all, these paradigms contribute to the development of the theory of auditory perception, and increase the feasibility of MMN recordings in both basic and clinical research. Moreover, they have already proven useful in studying for instance dyslexia, Asperger syndrome and schizophrenia.Tarkoituksenmukainen ääniympäristössä toimiminen, kuten ääniympäristön merkityksellisiin tapahtumiin suuntautuminen ja kielellinen kommunikointi edellyttävät ääniympäristön säännömukaisuuksien, ja näistä poikkeavien tapahtumien tarkkaavuudesta riippumatonta mallintamista ja jäsentämistä yhtenäiseksi havaintokokonaisuudeksi. Tällaisen esitietoisen kuuloinformaation käsittelyn, erityisesti ääniympäristöstä poikkeavien äänien havaitsemisesta syntyvä hermosolujen aktivoituminen näkyy aivosähkökäyrässä tapahtumasidonnaisena MMN-jännitevasteena. --- Koska MMN:n rekisteröiminen ei edellytä tutkittavalta tehtävän tekemistä tai ärsykkeiden aktiivista kuuntelemista, sen avulla voidaan tutkia sensorisen kuulomuistin toimintaa jo vauvaiästä vanhuuteen saakka. Perustutkimuksen lisäksi MMN:ää voidaan hyödyntää erilaisten aivoperäisten ja aivoihin vaikuttavien sairauksien ja tilojen, kuten lukihäiriön, ikääntymisen ja skitsofrenian tutkimuksessa. Viimeaikaiset tutkimukset osoittavatkin, että kuuloinformaation prosessointi MMN:llä tutkittuna on poikkeavaa erilaisissa aivosairauksissa kuten skitsofreniassa, mutta muuttuu myös kehityksen ja normaalin ikääntymisen myötä. Edelleen on osoitettu, että nämä kuuloinformaation prosessoinnin muutokset voivat ilmetä valikoivasti joillekin äänen piirteille (esim. äänen kesto tai taajuus) sekä vain joissakin yhteyksissä (esim. vain puheäänissä). Vaikka MMN-tutkimuksella onkin huomattavia etuja verrattuna behavioraalisiin menetelmiin, sen yleistymistä laajempaan käyttöön, erityisesti kliiniseen tutkimukseen ja diagnostiikkaan, jarruttaa MMN-rekisteröinnin suhteellinen hitaus. Tavallisesti MMN-rekisteröinti yhdelle äänen piirteelle vaatii n. 15 minuuttia, joten useamman äänen piirteen erottelun profiilin rekisteröiminen vie helposti tunnista useaankin tuntiin. Tässä väitöskirjatutkimuksessa tavoitteena oli kehittää MMN-rekisteröinnissä käytettävää koeasetelmaa siten, että rekisteröinti voitaisiin tehdä aiempaa nopeammin, mutta yhtä luotettavasti. Väitöskirjatutkimuksessa kehitettiin koeasetelmia, joilla voidaan rekisteröidä lyhyessä ajassa (noin 15 minuuttia viidelle eri äänen piirteelle) useiden äänten piirteiden ja erikokoisten äänimuutosten prosessoinnin profiilit sekä puheäänille että ei-puheäänille. Koska näillä koeasetelmilla saadaan tietoa kuuloinformaation prosessoinnista huomattavasti aikaisempaa lyhyemmässä ajassa, ne parantavat MMN:n käytettävyyttä erityisesti kliinisissä tutkimuksissa. Edelleen, lyhyt rekisteröintiaika mahdollistaa entistä kattavamman ja monipuolisemman kuvan muodostamisen tutkittavien erottelukyystä eri äänen piirteiden välillä. Korkea reliabiliteetti puolestaan tuo luotettavuutta erityisesti pitkittäistutkimuksiin ja puhekonteksti soveltuu erityisesti kielen ja sen häiriöiden kuten dysfasian ja afasian tutkimukseen. Kehitimme myös vielä näitäkin taloudellisemman koeasetelman, jossa MMN vaste rekisteröitiin uudella tavalla, ilman toistuvaa ääntä ja tämän osatutkimuksen tulos on merkittävä myös MMN:n ja kuuloinformaation prosessoinnin teorian kannalta. Kaiken kaikkiaan nämä väitöskirjatyössä kehitetyt koeasetelmat tuovat uutta tietoa kuuloinformaation käsittelystä, ja parantavat huomattavasti MMN-menetelmän käytettävyyttä sekä perus- että kliinisessä tutkimuksessa. On myös huomionarvoista, että näiden koeasetelmien on jo osoitettu olevan hyödyllisiä mm. lukihäiriön, Aspergerin syndrooman ja skitsofrenian tutkimuksessa