Longitudinal studies of ageing

Longitudinal studies of ageing

Ulrich Reubold

Jeder ‚kennt‘ die Auswirkungen des Alterns auf die Stimme:

oder:

Queen Elizabeth II 1954 (28 Jahre alt) bzw. 1997 (71)

Alistair Cooke, BBC-Sendung „Letter from America“ 1960 (52) und 1970 (62) Doch was ändert sich eigentlich wie und warum?

Bevor wir diese Frage angehen, müssen wir fragen:

Was passiert mit dem Körper, wenn er altert?

Mit zunehmendem Alter verändern sich die Körperzellen. Verantwortlich hierfür:

Programmatisches Altern: In jeder Zelle ist angelegt, wie alt sie maximal werden kann (programmierter Zelltod); so verkürzen sich z.B. die Telomere (=Chromosomenenden) bei jeder Zellteilung bis zu einem kritischen Minimum,

Stopp weiterer Zellteilungen oder gar Zelltod -erblich

-Einfluss abhängig davon, ob/wie oft sich Zellen betroffener Organe teilen Schäden durch äußere Einflüsse: Durch den Stoffwechsel werden jeder Zelle Stoffe von außen zugeführt; diese Umwelteinflüsse können zu

Schäden z.B. an der DNA führen, deren Kumulation die Zellfunktion beeinträchtigt

Vererbung als auch Verhalten/Lebensumstände beeinflussen also das Altern der Zellen

 Physiologisches Alter vs. Chronologisches Alter

Unterschiedlich schnelles Altern einzelner Körperpartien

viele Zellteilungen (z.B. Schleimhäute, Knochen)eher programmatisch wenige/keine Zellteilungen (Muskeln, Nerven)eher durch

Umwelteinflüsse

Durch Hormoneinflüsse altern die Geschlechter unterschiedlich

Allein diese Unterschiede lassen uns eine hohe Variablilität erwarten, wenn wir das Altern des Körpers und somit auch der Stimme untersuchen wollten  hierzu später mehr

Zu welchen Veränderungen führt die Zellalterung im Körper eines Erwachsenen?

Beschränkung auf nicht krankheitsbedingte Veränderungen (obwohl Krankheiten mit zunehmendem Alter vermehrt auftreten); zusätzlich Ausschluss externer Faktoren wie z.B. Nikotin- oder Alkoholabusus:

-Abnahme der Anzahl der Neuronen und der Synapsenaktivität

-Verringerung der Lungenfunktion

Auswirkungen auf motor control; Verlangsamung

mehr und längere Atempausen nötig, eventuell Veränderungen des subglottalen Drucks

Zu welchen Veränderungen führt die Zellalterung im Körper eines Erwachsenen?

-Bindegewebe verliert an Elastizität, Collagenfasern werden brüchiger; die

morphologische Struktur ändert sich (manche Schichten dünner, andere dicker (auch Ödeme=Flüssigkeitsansammlungen))

-Funktionsverringerung des Drüsengewebes (z.B. Speicheldrüse) führt zu zunehmender Austrocknung

-Zunehmende Kalkeinlagerung und Verknöcherung der Knorpel

Beeinträchtigung der Phonation, Veränderung der Form des Ansatzrohres

Beeinträchtigung der Phonation

Beeinträchtigung der Phonation -Abnehmendes Hörvermögen

Auswirkungen auf Kontrolle und SPL (sound pressure level)

Zu welchen Veränderungen führt die Zellalterung im Körper eines Erwachsenen?

Unterfunktion

Kompensation möglich

so auch Hyperfunktion möglich (Ramig et al 2001) Grundsätzlich:

Lassen sich diese angenommenen Auswirkungen bestätigen?

-Subglottaler Druck sinkt mit dem Alter laut Sapienza&Dutka 1996 und Higgins&Saxman 1991 (bei Männern deutlicher),jedoch nicht laut

Melcon et al 1989, Holmes et al 1994, Baker et al 2001

-Laryngale EMG-Amplituden sinken laut Baker et al 1989, histologische Befunde bestätigen Atrophie u.a. des m. vocalis (Hommerich 1972, Sato&Tauchi 1982)

-jitter steigt altersabhängig laut Wilcox&Hori 1980, Linville 1985 u.a., jedoch nicht laut Awan 2006

-ähnlich widersprüchliches Bild für shimmer

-Stimmqualität: breathiness steigt bei Ryan &Burk 1974, bei Linville 2002

verändert sich die spektrale Verteilung bei weiblichen Sprachsignalen, beides wird jedoch als breathiness-marker interpretiert (‚andere‘ breathiness-Qualität)

f0/pitch

-f0-Pertubation steigt (siehe vorige Folie)

-pitch range verringert sich (fehlende „Lebendigkeit“) z.B. laut Endres et al 1971;

Uneinigkeit, ob die Höhe (Yannoulis&Yannatos 1966) oder die Tiefe (Böhmer&Hecker 1970) verloren gehen

-f0 mean: Je nach Untersuchung steigt (Shipp&Hollien 1969)

oder fällt (die meisten anderen U.) f0 mean bei Männern. Hollien&Shipp 1972 (20- bis 89-Jährige) fanden eine annähernde U-förmige Verteilung der f0-Werte von Männern

Im Gegensatz hierzu findet Linville 2002 für Frauen einen

recht abrupten Abfall der f0, der mit dem Eintreten der Menopause korreliert.

Jedenfalls scheint sich f0 mean geschlechtsspezifisch zu ändern.

Weder Benjamin 1981 und Ramig&Ringel 1983 können alterbedingte f0 mean-Änderungen feststellen.

, stetiges Abfallen bei Frauen.

Altersbedingte Ansatzrohr-/Formantänderungen (Zusammenhang?)

-Linville&Rens 2001: F1-3 sinken signifikant bei Frauen, bei Männern nur F1 signifikant, F2-3 tendenziell

Erklärungsansatz (auch Linville 2004; ähnlich in Laver&Trugdill 1979):

Durch altersbedingte Änderungen senkt sich der Kehlkopf

Ansatzrohr wird länger Formanten fallen

Dieser Hypothese widersprechen Acoustic Reflection-Messungen an immerhin 4 * 19 Versuchspersonen (Xue&Hao 2003): kaum geschlechtsspezifische

Unterschiede und v.a. keine signifikante Längung des gesamten Vokaltraktes, sondern nur des oralen Traktes (nicht des pharyngalen) (was das Absinken des Kehlkopfes als Grund ausschließt); signifikante Volumen-Zunahme sowohl des oralen als auch des gesamten Vokaltraktes.

Zusätzlich: Formanten fallen, am deutlichsten und konsistentesten F1, F2 vokal- und geschlechtsspezifisch, F3 nur bei /i/ und /u/ der Frauen

Rastatter et al 1997 fand F1 und F2 fallend, mit geschlechtsspezifischen und vokalspezifischen Unterschieden

Vokalspezifika z.B. auch in Watson&Munson 2007

Watson&Munson 2007

Versuch einer Erklärung der Widersprüche

-bereits erwähnt: die Eigenschaften körperlichen Alterns lassen Unterschiede bei chronologisch Gleichaltrigen ohnehin erwarten.

Die meisten Studien (Ausnahme z.B. Decoster&Debruyne 2000) messen zu einem Zeitpunkt bei 2 oder mehreren Altergruppen.

Neben unbestreitbaren Vorteilen mehrere Nachteile:

-der Versuchsaufbau selbst:

Hauptproblem:

-wegen Sprecherspezifika große Gruppenstärken erforderlich (nicht immer eingehalten)

-oft wenig Material pro Sprecher

-Wahl des Alters der Gruppen beeinflusst das Ergebnis (z.B. f0 bei Männern)  fehlende Vergleichbarkeit

- Hauptnachteil (für Formantmessungen):

soziophonetische Faktoren wie das Ausmaß der Teilnahme der Sprecher an Lautwandel werden nicht genügend beachtet

Nicht so bei Watson&Munson 2007

Vokalspezifische altersbedingte Formantänderungen werden mit Lautwandel erklärt:

Watson&Munson 2007

„…older adults“ (5 females, 5 males, mean.age= 76y, SD=2.3) „retained the historically less-advanced more-back pronunciations of back-round vowels, as well as the less-extreme productions of /α/ and /æ/,

than the younger adults“ (5 f, 5 m, mean.age=23.4y, SD=4)…

Ein beachtlicher Teil von Formantunterschieden zwischen Jüngeren und Älteren Ist also vermutlich darauf zurückzuführen, dass Jüngere ‚modernere‘

Aussprachevarianten benützen

(und dies dürfte für alle Sprachen/Varietäten gelten).

Andererseits gibt es messbare Unterschiede zwischen den Ansatzrohrgeometrien Jüngerer und Älterer (Xue&Hao2003)

Um lautwandelbedingte Formantunterschiede zwischen Altergruppen soweit als möglich auszuschließen, sind Langzeituntersuchungen der selben Sprecher zu bevorzugen.

Verkompliziert wird dies durch die Entdeckung, dass auch die Artikulation

erwachsener Sprecher nicht statisch konserviert ist, sondern in Richtung des in

Bei jeder Langzeituntersuchung der selben Sprecher bezüglich physiologischer altersbedingter Änderungen (oder bezüglich Lautwandel) steht man also vor der Frage:

Wie rechnet man den Einfluss des Lautwandels (oder der physiologischen Änderungen) heraus?

Ein Ansatz (für beide Richtungen): Messung nur in Vokalen, die nicht von Lautwandel betroffen sind (z.B. Schwa)

Age-related changes in fundamental frequency and formants:

a longitudinal study of four speakers (Interspeech2007).

Als Beispiel nachfolgend Zitate aus

Harrington, Palethorpe and Watson

…wobei zu beachten ist, dass für die Präsentation auf der Konferenz die Studie erweitert wurde…

Method: Speakers (Zitat Harrington et al 2007-Präsentation) Two speakers: data from several years over roughly a 50 year period

Four speakers data from two years 30-40 years apart.

Queen Elizabeth II b. 1926, (accent = RP/U-RP), Christmas broadcasts Years analysed: 1952-1972, 1983, 1985, 1988, 1994-2002. Broadcasts each 5-10 minutes.

Alistair Cooke b. 1908, 'Letter from America' (accent = RP with N. American influences). Years analysed = 1947, 1951, 1953, 1960, 1962, 1965, 1970-74, 1980-1985, 1990-2003. Roughly 10 minutes per broadcast.

Donald Bradman b. 1908 (accent = Aus.Engl), Two radio interviews in 1948 and 1987 each 20-25 minutes.

Margaret Lockwood. b 1916: (accent = RP), two radio interviews, 1951 (5.5 minutes) and 1980 (12.0 minutes)

Roy Plomley: b. 1914, (accent = RP) BBC presenter: data from two recordings from 1951 and 1985

Edmund Hillary: b. 1919, (Accent = New Zealand Engl.), two radio interviews 1955 (14 mins), 1992 (14 mins).

Messung von mean f0 und mean F1-3

-in Schwa (kein Lautwandel bekannt) -in allen stimmhaften Frames

Nicht für alle Sprecher war Segmentation und (Schwa-)Etikettierung verfügbar

aber wo doch, waren Schwa- und stimmhafte-Frames-Ergebnisse vergleichbar

Auswertung der stimmhaften Frames als vorläufige Notlösung

Results I: Mean f0 and mean F1 in 6 speakers(Zitat).

Mean f0 and F1 from early (in the 1940s/1950s vs. late (1980s/1990s) broadcasts in all 6 speakers.

f0 is significantly lower in

later broadcasts F1 is significantly lower in later broadcasts.

050100200 0100300500early late

(Speakers from L to R: Cooke, Plomley, Bradman, Hillary, Lockwood, Queen)

C P B H L Q C P B H L Q

mean f0 mean F1

Frequency (Hz)

Results II: F2 and F3 (Zitat)

early

late

C P B H L Q C P B H L Q

1.2 1.4 1.6 1.8

Frequency (kHz) F3F2

2.2 2.4 2.6 2.8

(Speakers from L to R: Cooke, Plomley, Bradman, Hillary, Lockwood, Queen)

Mean F2 and F3 from early (in the 1940s/1950s vs. late (1980s/1990s) broadcasts in all 6 speakers.

Queen

Cooke

Results III: f0 and F1 averaged separately by year over a 50 year period in the Queen and Alistair Cooke (Zitat)

200240280200240280

50 60 70 80 90 50 60 70 80 90 00 Hz

400450500550400450500550

50 60 70 80 90 50 60 70 80 90 00 Hz

Frequency 100110120130100110120130Hz

Frequency

50 60 70 80 9070 80 90 00

320360400320360400

Hz

50 60 70 80 9070 80 90 00

Decade

f0 F1

We found that these data could be modelled with an exponential of the form

kr

F 

R²: 0.7768

R²: 0.723

R² = 0.7722 R² = 0.6723

f0 rises again in very old age

kr year

f 0 

Do f0 and F1 decrease at a similar rate? (Zitat)

If so, then either r in the exponential regressions for f0 and F1

or equivalently, the slope, log(r), of the straight line in the corresponding log domain

should be the same.

kr year

F1 

) log(

) log(

) 0

log( f  r year  k log(F1)  log(r)year  log(k)

50 60 70 80 90 00 5.4

5.6 5.8 6.0

50 60 70 80

5.0 5.5 6.0

F1

f0

Queen Cooke

Decade

Log frequency

F-tests showed that there is no significant difference between the slopes for F1 and f0 (between the red and black line slopes), in the log frequency domain, neither for the Queen, nor for Cooke.

Do f0 and F1 decrease at a similar rate? (Zitat)

Therefore f0 and F1 decay exponentially in time with increasing age at about the same rate.

Queen

Cooke

Results IV: F2 and F3 averaged separately by year over a 50 year period in the Queen and Alistair Cooke (Zitat)

50 70 90 50 70 90

1.7 1.8

2.8 2.9

1.46 1.50

2.50 2.60 2.55

F2 F3

Frequency (kHz)

Summary of results (Zitat)

(a) across two years

(b) approx. every other year over a 50 year period in two speakers (Cooke, Queen)

f0 and F1 decay exponentially at about the same rate for both speakers (up to the age of 80 in Cooke)

f0 begins to rise in Cooke after the age of 80 No consistent effects in F2 nor F3 in either (a) or (b)

Between the

age of: % decrease in f0 % decrease in F1

Cooke 42-82 12 26

Plomley 37-71 7 23

Bradman 40-79 25 21

Hillary 36-73 18 16

Lockwood 35-64 25 17

Queen 27-69 20 19

Interpretations: age and vocal/oral tract lengthening (Zitat)

It seems unlikely that the vocal tract lengthens with increasing age, given the lack of consistent effects in F2 and F3.

Also, when in Cooke's (much) later years, the trend is reversed and f0 begins to rise, then so does F1:

4.60 4.65 4.70 4.75

5.655.705.755.80

82 83

84 85

8688 89 90

91 92

93 94

log F1

log f0

log f0 x log F1 for Cooke between the age of 82 and 94 years

R² = 0.52, p < 0.001)

Schlussfolgerungen des Vortrags Harrington, Palethorpe and Watson

Formantänderungen (oder zumindest das Absinken von F1)sind wahrscheinlich nicht die Folge einer Änderung der Form des Ansatzrohrs

Unbestreitbar gibt es Änderungen bei f0; die von F1 kovariieren offenbar hierzu auf logarithmischen Skalen linear.

Traunmüller hat in zahlreichen Untersuchungen den Wert f0 (Bark) – F1 (Bark) als ein Maß für die Vokalhöhe beschrieben. Harrington et al äußern die

Vermutung, dass f0 aus physiologischen Gründen sinke und deshalb F1 mit abgesenkt werden müsse, um die phonetische Vokalhöhe zu erhalten.

auditorischer Ansatz

Der physiologische Ansatz hat als Grundlage Traunmüller&Ericksson, 2000:

Stärkerer vocal effort führt zu einem Anstieg von f0 und F1.

„‘‘Vocal effort’’ was defined as the communication distance estimated by a group of listeners …“ (Traunmüller&Erickson, 2000)

Die beschriebenen Veränderungen der Physiologie des Kehlkopfes müssten also nicht direkt zu einer Verminderung von mean f0 führen, sondern über den Umweg

verringerter vocal effort (eigentl. dessen artikul. Korrelate)

Absinken von f0 und F1.

Dies könnte auch als Erklärung für ein Ansteigen von f0 und F1 bei alten Männern sein; eventuell wird ein Punkt erreicht, an dem ein weiteres

Absinken der produzierten akustischen Energie nicht mehr tolerierbar ist und deswegen kompensatorisch der vocal effort (und damit f0 und F1) erhöht werden.

Zukünftige Arbeiten

Die vorgestellten Daten basieren noch auf alle stimmhaften Frames

Schwas (oder andere Vokale, für die kein Lautwandel angenommen wird) müssen untersucht werden

Mehr Sprecher müssen ausgewertet werden

Catherine Watson arbeitet an Acoustic Reflection –Messungen (vgl. Xue&Hao2003) Untersuchung der Perzeption von Alter anhand der Manipulation von f0 und F1

Zusammenfassung

Altersbedingte physiologische Änderungen führen zu einer Funktionsänderung der Phonation

Eine Folge davon: mean f0-Änderung

-sinkt bei Frauen (ob linear oder kovariierend mit nicht-linearen Hormonänderungen ist fraglich)

-bei Männern kann nach einem stetigen Abfall mean f0 wieder ansteigen (zum ‚Greisendiskant‘)mehr oder weniger u-förmiger Verlauf

Es gibt wohl Formänderungen des Ansatzrohres; vermutlich aber nicht die hypothetisierte Längung

Es gibt Formantänderungen, sowohl bei Messungen an verschiedene Altersgruppen zur gleichen Zeit (mitverursacht durch Lautwandelphänomene) als auch bei

Langzeitbeobachtung der selben Sprecher. F1 ist am konsistentesten altersabhängig.

Zum Abschied noch ein Höreindruck:

A. Cooke: „world“-Äußerungen im Alter von 43, 52, 62, 89 und 96 Jahren