Puheentuoton kontrollimekanismit - Akustinen tutkimus kielen neuraalisten ja muskulaaristen manipulaatioiden vaikutuksista puheeseen

Johdanto

Jokapäiväisessä elämässä puhuminen voi häiriintyä monista luonnollisista syistä ilman, että edes puhuja itse sitä huomaa. Ääntöelimistömme toiminta perustuu lukuisiin evoluution myötä kehittyneisiin hermostollisiin ja anatomisiin, vain ihmiselle ominaisiin piirteisiin. Siksi puhuminen ja sen monitorointi tapahtuvat täysin automaattisesti, ja tässä prosessissa puhe-elimistö korjaa itse itseään. Puheen tuotto voi kuitenkin häiriintyä mm. erilaisten sairauksien ja hoitotoimenpiteiden seurauksena syntyneiden anatomisten, toiminnallisten ja fysiologisten muutosten johdosta. Näiden muutosten vaikutuksia puheen ymmärrettävyyteen tutkittiin tässä väitöskirjassa. Väitöstyö suoritettiin Turun yliopiston suu- ja leukakirurgian osaston ja fonetiikan oppiaineen sekä Turun yliopistollisen keskussairaalan suusairauksien klinikan yhteistyönä.

Tutkimusmenetelmät

Tutkimuksessa analysoitiin akustisesti puhetta henkilöillä, joiden kielen normaalia hermo- ja lihastoimintaa oli muutettu kahdella eri tavalla: puuduttamalla kielihermo tai muuttamalla kielen asemaa kirurgisesti ylähengitystieahtaumaan liittyvän uniapnean hoidon yhteydessä. Näiden muutosten vaikutuksia vokaalien (i, y, e, ö, ä, a, o, u), diftongien (ui, iu, oi, eu, äi, au, ai, äy) ja s-äänteen foneettiseen laatuun mitattiin ko. äänteiden tärkeimmistä akustisista piirteistä.

Ensimmäisessä kokeessa seitsemälle miespuoliselle koehenkilölle tuotettiin toispuoleinen kielihermon anestesia. Verrokkina oli henkilö, jonka kielihermo oli pysyvästi vahingoittunut. Toisessa kokeessa tarkasteltiin leuka–kieli-lihaksen (m. genioglossus) kiinnittymiskohdan eteenpäin siirron vaikutuksia viiden miespuolisen henkilön puheeseen 10 päivän ja 6 viikon kuluttua leikkauksesta. Molemmissa kokeissa koehenkilöiltä äänitettiin ennen ja jälkeen manipulaation kymmenen toistoa kustakin kahdeksasta vokaalista samassa sanakontekstissa ja johtolauseessa tuotettuna. Puudutuskokeessa koehenkilöt tuottivat lisäksi kahdeksan diftongia tietyissä sanoissa esiintyvinä sekä s-äänteen niinikään eri sanoissa ja eri äännekontekstissa esiintyvänä.

Akustisina tutkimusmenetelminä oli vokaalien ja diftongien formanttien (äänteen spektrissä todettavissa olevien vahvistuneiden osavärähtelyalueiden) mittaus LPC-pohjaisesti (Linear Predictive Coding), äänteen kestomittaus spektrogrammin avulla, äänteen perustaajuus- eli F0-analyysi sekä s-äänteestä keskiarvospektri, jonka kuvaajina käytettiin tilastollisia suureita (painopiste, keskihajonta, vinous ja huipukkuus).

Toimintahäiriöt kompensoidaan eri tavoin

Tehdyillä manipulaatioilla oli yksilöllisiä vaikutuksia tutkittujen äänteiden akustiseen tuotokseen. Ryhmätasolla merkitseviä akustisia muutoksia ei ollut havaittavissa vertailtaessa eri ajankohtina tuotettuja äänteitä. Tulokset osoittavat kahdenlaisia puheen säätelyn toimintatapoja. Jos puhe ei ollut lainkaan tai se oli vain vähän muuttunut, puheen tuottamista säädeltiin ensisijaisesti aiemmin opittujen puheentuottomallien pohjalta (feedforward). Jos taas muutokset olivat merkittäviä, puhujat turvautuivat puhe-elimistön eri palautemekanismien (feedback) välittämään suoraan liike-, asento- ja tuntoaistimukseen. Merkittävät eroavaisuudet puhujien välillä osoittavat, että muutokset johtuvat todennäköisesti puhujien yksilöllisistä tavoista reagoida normaalista poikkeavaan tilaan. Tulokset tukevat teoreettista näkemystä, jonka mukaan ei ole olemassa mitään yhtä oikeaa ääntöelimistön toimintatapaa. Sen sijaan puhujat muokkaavat puhettaan aina vallitsevien olosuhteiden mukaan. Tärkeintä on, että puhe säilyttää ymmärrettävyytensä.

Objektiivisia mittareita puheen muuttumisen arviointiin

Kielen hermojen ja lihasten häiriintynyt toiminta vaikuttaa puheeseen häiriötyypin ja puhujan mukaan. Muutokset puheen akustisissa piirteissä osoittavat lisäksi puhujien käyttävän ääntöelimistöään eri tavoin puheen ymmärrettävyyden säilyttämiseksi. Tutkimus antoi uutta tietoa kielen häiriintyneen hermo- ja lihastoiminnan vaikutuksista puheeseen sekä ihmisten kyvystä tuottaa puhetta uudessa muuttuneessa tilanteessa. Saadut tulokset ovat merkityksellisiä puhehäiriöiden kliinisessä tutkimuksessa ja kuntoutuksessa. Tutkimuksessa käytetyt akustiset analyysit soveltuvat käytettäväksi esimerkiksi kehitettäessä menetelmiä kielihermon vaurioiden aiheuttamien puhehäiriöiden vaikeusasteen objektiiviseen arvioimiseen. Muita tulevaisuuden sovellusalueita ovat mm. eri syistä johtuvien puhe-elimistön rakenteellisten muutosten ja toiminnan häiriöiden hoidon ja kuntoutuksen suunnittelu ja toteuttaminen. Fonetiikan näkökulmasta tutkimus antaa lisätietoa puhetapahtuman moninaisista säätelymekanismeista.

Control mechanisms of speech production. Evidence from acoustic studies of speech after neural and muscular manipulations of the tongue

The acoustic-articulatory effects of distorted sensorineural and motor control mechanisms on speech production and dynamics were studied in two experiments. In the first experiment, the effects of reduced orosensory feedback on the production of vowels, diphthongs, and sibilant /s/ were investigated in three different studies by analyzing changes in the main acoustic features of the speech sounds when the normal lingual nerve function was partly distorted by local anaesthesia. In the second experiment, the effects of altered muscle function on phonetic quality and production of speech were studied by analyzing the acoustic features of vowel sounds produced before and after genioglossal muscle advancement. The results of acoustic analyses confirm that reduced sensorineural and altered muscular function of the tongue have some effects on speech output. The acoustic changes were highly individual and variable, suggesting that speakers seem to use distinctive idiosyncratic strategies in their speech control to compensate for the effects of deteriorated tongue sensation in different ways. In addition, the effects of compensatory and adaptive performances vary depending on the type of disturbance. The results indicate that speakers with insignificant changes produce speech primarily on the basis of a feedforward mechanism, whereas speakers with significant changes rely considerably on feedback information. There are also significant individual differences among speakers. Significant variability between different speakers indicates that the changes may result from speakers' individual ways to react to the abnormal conditions rather than being a result of the distorted speech mechanism.

Osajulkaisut:

I. Niemi M, Laaksonen J-P, Vähätalo K, Tuomainen J, Aaltonen O, Happonen, R-P. Effects of transitory lingual nerve impairment on speech: an acoustic study of vowel sounds. J Oral Maxillofac Surg 2002; 60: 647-52.

II. Niemi M, Laaksonen J-P, Aaltonen O, Happonen R-P. Effects of transitory lingual nerve impairment on speech: an acoustic study of diphthong sounds. J Oral Maxillofac Surg, 2004; 62: 44-51.

III. Niemi M, Laaksonen J-P, Ojala S, Aaltonen O, Happonen R-P. Effects of transitory lingual nerve impairment on speech: an acoustic study of sibilant sound /s/. Int J Oral Maxillofac Surg, 2006; 35: 920-3.

IV. Vähätalo K, Laaksonen J-P, Tamminen H., Aaltonen O, Happonen R-P. Effects of genioglossal muscle advancement on speech: an acoustic study of vowel sounds. Otolaryngol Head Neck Surg, 2005; 132: 636-40.

Suuret kiitokset väitöskirjatyötä taloudellisesti tukeneille: Suomen Akatemia (projektinumero 206352), Turun yliopistollinen keskussairaala (EVO-rahoitus), Otto A. Malmin lahjoitusrahasto, Emil Aaltosen Säätiö, Suomen Kulttuurirahasto, Kieliteknologian valtakunnallinen tutkijakoulu (KIT-tutkijakoulu) ja Paulon Säätiö.

Kuva 1. Esimerkki akustisten mittausten tuloksista. Kuvassa verrataan 25-vuotiaan miespotilaan, jolla on viisaudenhampaan poistoleikkauksessa syntynyt pysyvä kielihermovaurio, vokaalien formanttien (F1 ja F2) taajuusarvoja (punaiset ympyrät) seitsemän miespotilaan (keski-ikä 29 vuotta) vokaalien formanttien keskiarvoihin (siniset kolmiot). Pisteen siirtyminen ylöspäin/alaspäin (F1) merkitsee kielen korkeampaa/matalampaa asemaa suussa kyseistä vokaalia lausuttaessa. Pisteen siirtyminen kuviossa vasemmalle/oikealle (F2) merkitsee vastaavasti kielen siirtymistä eteenpäin/taaksepäin suuontelossa.