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 ZelleStoffe von außen zugeführt; diese Umwelteinflüsse können zu Schäden z.B. an der DNA führen, deren Kumulation die Zellfunktion beeinträchtigt

-kann alle Zellen betreffen

-ist verhaltensabhängig

Vererbung als auch Verhalten/Lebensumstände beeinflussen also das Alternder Zellen Physiologisches Alter vs. Chronologisches Alter

Unterschiedlich schnelles Altern einzelner Körperpartienviele Zellteilungen (z.B. Schleimhäute, Knochen)eher programmatischwenige/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 untersuchenwollten hierzu später mehr

Zu welchen Veränderungen führt die Zellalterung im Körper eines Erwachsenen?

Beschränkung auf nicht krankheitsbedingte Veränderungen (obwohl Krankheitenmit 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

-Abnahme der Muskelmasse

Auswirkungen auf motor control; Verlangsamung

mehr und längere Atempausen nötig, eventuell Veränderungen des subglottalen Drucks

Auswirkungen auf Phonation und Artikulation

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 alterbedingtef0 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 KehlkopfAnsatzrohr 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 Lautwandelerklärt:

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 ÄlterenIst also vermutlich darauf zurückzuführen, dass Jüngere ‚modernere‘ Aussprachevarianten benützen (und dies dürfte für alle Sprachen/Varietäten gelten).

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

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

Verkompliziert wird dies durch die Entdeckung, dass auch die Artikulationerwachsener Sprecher nicht statisch konserviert ist, sondern in Richtung des in der Sprechergemeinschaft stattfindenden Lautwandels modifiziert wird(Harrington et al 2000, 2007).

Bei jeder Langzeituntersuchung der selben Sprecher bezüglich physiologischeraltersbedingter Änderungen (oder bezüglich Lautwandel) steht man also vor derFrage:

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

Ein Ansatz (für beide Richtungen): Messung nur in Vokalen, die nicht vonLautwandel 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 Konferenzdie 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 verfügbaraber wo doch, waren Schwa- und stimmhafte-Frames-Ergebnisse vergleichbarAuswertung 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.

050

100

200

010

030

050

0

early

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

Fre

quen

cy (

Hz)

Results II: F2 and F3 (Zitat)

No consistent or significant effect across the 6 speakers on average F2 nor average F3 from early to later broadcasts

early

late

C P B H L Q C P B H L Q1.2

1.4

1.6

1.8

Fre

quen

cy (

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)

20

02

40

28

02

00

24

02

80

50 60 70 80 9050 60 70 80 90 00

Hz

40

04

50

50

05

50

40

04

50

50

05

50

50 60 70 80 9050 60 70 80 90 00

Hz

Fre

quen

cy1

00

11

01

20

13

01

00

11

01

20

13

0

Hz

Fre

quen

cy

50 60 70 80 9070 80 90 003

20

36

04

00

32

03

60

40

0

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

yearkrF (separately for F = f0 and F = F1)

R2: 0.7768

R2: 0.723R2 = 0.7722

R2 = 0.6723

f0 rises again in very old age

yearkrf 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.

yearkrF 1

)log()log()0log( kyearrf )log()log()1log( kyearrF

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

QueenCooke

Decade

Log

freq

uenc

y

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

50 60 70 80 90 50 60 70 80 90

1.46

1.50

2.50

2.60

2.55

F2 F3

Decade

No significant linear or exponential trend in F2 or F3 as a function of year for either the Queen or Cooke.

Fre

quen

cy (

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 theage of:

% decrease in f0 % decrease in F1

Cooke 42-82 12 26Plomley 37-71 7 23Bradman 40-79 25 21Hillary 36-73 18 16Lockwood 35-64 25 17Queen 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:

The falling (age 40-81) then rising (age 82-94) trend in F1 is not likely to be explicable by vocal tract lengthening then shortening.

4.60 4.65 4.70 4.75

5.65

5.70

5.75

5.80

82

83

84 85

8688 89

90

91

92

9394

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 Umwegverringerter 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 FramesSchwas (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 derPhonation

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 Altersgruppenzur gleichen Zeit (mitverursacht durch Lautwandelphänomene) als auch bei Langzeitbeobachtung der selben Sprecher. F1 ist am konsistentesten altersabhängig.

Ob diese Änderungen mit den Formänderungen des Ansatzrohres zusammenhängen, ist keineswegs so klar, wie es bisher schienalternativ kann man einen Zusammenhang mit mean f0 diskutieren

Zum Abschied noch ein Höreindruck:

A. Cooke: „world“-Äußerungen im Alter von

43, 52, 62, 89 und 96 Jahren