AG Experimentelle Neurolinguistik

Experimentelle Neurolinguistik: Der Zusammenhang von Sprache und Gehirn

In der experimentellen Neurolinguistik werden mit neurophysiologischen Methoden diejenigen Vorgänge im menschlichen Gehirn untersucht, die der Kognition und auch der Sprachfähigkeit zugrundeliegen. Es handelt sich somit um einen Teilbereich der kognitiven Neurowissenschaft (Cognitive Neuroscience). Alle psychischen Vorgänge bei Lebewesen, die in irgendeiner Weise intelligentes Verhalten bewirken können, werden als kognitive Prozesse bezeichnet und unter dem Begriff "Kognition" zusammengefasst. Abhängig von der Entwicklungshöhe sind die jeweils für ein Lebewesen typischen Kognitionsprozesse jedoch unterschiedlich komplex. Zusätzlich bestehen die komplizierten Kognitionsleistungen zumeist aus vielen Teilprozessen des Gehirns, die nur im Zusammenspiel funktionieren. Eine der kompliziertesten und aus vielen Teilprozessen bestehende Kognitionsleistung ist die menschliche Sprachfähigkeit, die ihre Ursache in vielen Eigenschaften und Funktionen des Gehirns hat.

Seit mindestens 4700 Jahren beschäftigen sich Menschen wissenschaftlich mit der Frage nach der Funktion des Gehirns – so alt sind die bislang ältesten medizinischen Schriften –, dennoch sind die der Sprache zugrundeliegenden Hirnfunktionen nur ansatzweise verstanden. Obwohl sich die neurophysiologische Forschung in den letzten 100 Jahren explosionsartig entwickelt hat und sich vor allem die letzten beiden Jahrzehnte durch einen enormen Erkenntniszuwachs auszeichnen, fehlt der wirkliche Durchbruch zum Verständnis der Physiologie der Sprachfähigkeit nach wie vor. So ist es nicht verwunderlich, daß die Frage nach der Sprachfunktion und den neuronalen Grundlagen der Sprachverarbeitung eine der größten Herausforderungen innerhalb der Kognitionswissenschaft darstellt.

1. Methoden zur Untersuchung der Sprachfähigkeit innerhalb der Cognitive Neuroscience

Wie kann nun die Physiologie der Sprachfähigkeit und der Zusammenhang von Gehirn und Sprache erforscht werden? Nach einer langen Phase theoretisch ausgerichteter Sprachforschung sowie einer genauen Analyse von Sprachstrukturen und Sprachsystemen hat sich in der Linguistik während der letzten Jahrzehnte die empirische Untersuchung der Sprachsysteme und -prozesse durchgesetzt. In der so entstandenen Psycholinguistik werden experimentelle Studien an Versuchspersonen durchgeführt, in denen die Verarbeitung von Sprache z.B. anhand von Reaktionszeitmessungen untersucht wird. Die Ergebnisse dieser aus der Psychologie stammenden Verhaltensversuche der Psycholinguistik haben einen großen Einfluß auf das gegenwärtige Wissen über den Aufbau der Sprache, und stellen den Großteil der empirischen Befunde zur Sprachverarbeitung dar (vgl. Rickheit & Strohner 1992, 1993).

Die Neurowissenschaft hingegen spielte bei der Untersuchung der Sprachfunktion zunächst aus zwei Gründen keine große Rolle: 1) die Sprachverarbeitung war für die früheren experimentellen Möglichkeiten viel zu komplex, und 2) die meisten älteren neurophysiologischen Untersuchungsmethoden sind invasiv, d.h. diese Methoden bedeuten für die Versuchsperson ein hohes Gesundheitsrisiko oder schädigen sie sogar. So konnten beispielsweise elektrophysiologische Untersuchungen der Sprache mit Hirnelektroden nur dann durchgeführt werden, wenn es zur Vorbereitung einer Hirnoperation aus medizinischer Sicht unumgänglich und notwendig war (Ojemann et al. 1989). In den letzten beiden Jahrzehnten wurden jedoch neue Untersuchungstechniken und computergestützte Analysemethoden entwickelt, die völlig neuartige Möglichkeiten für die neurophysiologische Untersuchung der Sprachverarbeitung eröffnen (Kertesz 1994). Beispiele hierfür liefern die Analyse ereigniskorrelierter Potentiale (EKP; engl. = event related potential, ERP) im Elektroenzephalogramm (EEG) oder die sogenannten bildgebenden Verfahren. Zu den bildgebenden Verfahren zählt man diejenigen Diagnosemethoden, die Einblick in den Körper erlauben, ohne gleichzeitig ein hohes Gesundheitsrisiko darzustellen. Hierzu zählen die Positronenemissions-Tomographie (PET), die Single-Photon-Emissions-Computertomographie (SPECT) oder die funktionelle Kernspinresonanz-Tomographie (engl. fMRI). Bei diesen Methoden werden natürliche und künstlich herbeigeführte Veränderungen innerhalb des Gehirns mit geeigneten Detektoren erfasst und die so ermittelten Messdaten mittels Computer ausgewertet. Am Ende der Untersuchungen stehen dann rekonstruierte Abbildungen des Gehirns, die eine dreidimensionale Beobachtung von Hirnaktivitätsmustern während der Durchführung kognitiver Aufgaben erlauben. Es handelt sich also um Untersuchungsmethoden, die nicht aus der Verhaltensreaktion (z.B. Tastendruck) der Versuchspersonen Rückschlüsse auf die zugrundeliegenden Sprachverarbeitungsprozesse ziehen, sondern um Methoden, die eine direkte und unmittelbare Messung der Vorgänge im Gehirn erlauben. Bei einer solchen Analyse der Sprachverarbeitung direkt im Gehirn können sehr viel mehr Prozesse einzeln erkannt und gleichzeitig mit der Neuronenaktivität bestimmter Gehirnbereiche in Verbindung gebracht werden. Vor allem im direkten Vergleich mit den Ergebnissen aus ähnlichen Versuchen an Tieren lassen sich so sichere Erkenntnisse zur Physiologie kognitiver Prozesse gewinnen. Weiterhin lassen sich mit elektrophysiologischen Methoden unterschiedliche Verarbeitungsprozesse auch in ihrer zeitlichen Abfolge exakt untersuchen, da die zeitliche Auflösung im Millisekundenbereich liegt. Außerdem laufen viele Prozesse der Sprachverarbeitung unbewußt ab und entziehen sich somit der Aufmerksamkeit der Versuchsperson. Mittels der oben beschriebenen Methoden können diese Prozesse somit leichter erfasst, dargestellt und objektiviert werden.

2. Die Messung der elektrischen Hirnaktivität während der Sprachverarbeitung mittels EEG

Beim Elektroenzephalogramm (EEG) handelt es sich um die Ableitung elektrischer Hirnaktivität mit Metallelektroden, die sich auf der Kopfoberfläche der Versuchsperson befinden. Die an den Elektroden abgeleiteten Hirnströme werden verstärkt, gefiltert und mit einem Computer digitalisiert und weiterverarbeitet. Ist die Versuchsperson entspannt, so misst man zunächst ein allgemeines Aktivitätsbild von sehr vielen Nervenzellen des Gehirns. Sollen nun bestimmte Aspekte einer kognitiven Aufgabe, etwa zur Sprachverarbeitung untersucht werden, so dürfen natürlich nur diejenigen Hirnaktivitäten beachtet werden, die direkt auf den Reiz (z.B. Sprache) zurückzuführen sind. Um das zu erreichen wird beispielsweise ein Wort oder ein Satz akustisch präsentiert und die Hirnaktivität an bestimmten Hirnregionen genau zum Zeitpunkt des Wort- oder Satzbeginns aufgezeichnet (z.B. Müller, King & Kutas 1997). In einem solchen Fall hat man nun sowohl die allgemeine Hirnaktivität (quasi das Hintergrundrauschen) als auch die ereigniskorrelierte Neuronenaktivität erfaßt. Diese Methode der EEG-Ableitung, bei der zeitgleich zu einem bestimmten Ereignis ("Event") auftretende EEG-Komponenten ausgewertet werden, nennt man ERP-Ableitung (event-related potential) (Kutas & Van Petten 1994).

2.1 Die ERP-Methode

Vergleicht man nun die neuronale Aktivität an den verschiedenen Hirnregionen miteinander, so sollten sich bestimmte, während der Verarbeitung von unterschiedlichen Wortarten im Gehirn auftretende Verarbeitungsunterschiede auch im ERP zeigen. Im Vergleich zu dem spontanen EEG-Schwankungen sind diese kognitiven EEG-Komponenten jedoch so klein, dass zumeist über mehrere identische Versuchsbedingungen gemittelt werden muss. Denkbar wären solche physiologischen Unterschiede z.B., weil unterschiedliche Wortkategorien in anderen Teilen des Lexikons an unterschiedlichen Hirnregionen abgespeichert sind oder weil Funktionswörter die syntaktische Verarbeitung in anderer Weise fordern als etwa Adjektive. Sehr groß ist das Wissen auf diesem Gebiet allerdings noch nicht. Beispielsweise konnte anhand der ERP-Analyse die unterschiedliche Verarbeitung von Eigennamen (z.B. Hans) und Gattungsbezeichnungen (z.B. Tisch) nachgewiesen werden (Müller & Kutas 1996, 1997). Mit elektrophysiologischen Methoden lassen sich somit linguistisch und sprachphilosophisch begründete Kategorien der Sprache, wie z.B. die Sonderstellung von Eigennamen, auf ihre physiologische Realität hin überprüfen. Die linguistische Modellbildung erhält somit eine breitere Datenbasis, die sich zudem näher am neuronalen Substrat orientiert (z.B. Pulvermüller 1996; Müller 1997). Eine ausschliesslich die Art der semantischen Analyse wiedergebenden EEG-Komponente ist die im Jahre 1980 von Marta Kutas und Steven A. Hillyard entdeckte N400-Komponente (s. Abbildung 1), deren Amplitudenhöhe die Stärke der Aktivierungsprozesse im semantischen Lexikon widerspiegelt (Rösler & Hahne 1992). Seither sind mehrere syntax- oder semantikspezifische EEG-Komponenten beschrieben worden (Friederici 1995). Daß sich selbst der Verlauf der Satzanalyse im ERP verfolgen läßt, zeigt Abbildung 2 anhand von zwei ERPs während des Hörens von unterschiedlich schweren Relativsatzgefügen.

Abb. 1: Die N400-Komponente im ERP zeigt die Stärke der Aktivierungsprozesse im semantischen Lexikon. Wird nun bei einem Satz wie "The pizza was to hot to eat" das Wort "eat" gegen syntaktisch passende, semantisch jedoch unpassende Wörter getauscht (hier z.B. "drink" oder "cry"), so zeigt sich eine N400-Komponente im ERP. Mit zunehmender Stärke der Anomalie vergrößert sich die Amplitude der N400-Komponente. (aus Kutas & Van Petten 1994, leicht verändert) 

Abb. 2: Der ERP-Verlauf über 4,5 Sekunden während der Verarbeitung von zwei unterschiedlich schwierigen Relativsatzgefügen (Subjekt-Subjekt-Typ = durchgezogene Linie; Subjekt-Objekt-Typ = gepunktete Linie). Die jeweils unterschiedliche Belastung des Arbeitsgedächtnisses während der Analyse des eingebetteten Relativsatzes und während der abschließenden Analyse des kompletten Satzes zeigt sich anhand der unterschiedlichen ERP-Amplitude. (aus Müller, King & Kutas 1998, verändert).

2.2 Die Analyse der EEG-Kohärenz

Die ERP-Methode eignet sich hervorragend, um die Aktivität von Neuronen einer Hirnregion zu messen oder zeitliche Unterschiede in der Verarbeitung zu untersuchen (Rösler & Hahne 1992). Nicht geeignet ist sie jedoch zur Untersuchung der Hirnaktivität in den unterschiedlichen Frequenzbereichen des EEG. Weiterhin erlaubt die ERP-Technik keine Aussage hinsichtlich des funktionellen Zusammenspiels von verschiedenen Hirnbereichen. Ein Ergebnis neuester neurophysiologischer Forschung ist jedoch, daß gerade diese wechselnde Zusammenarbeit unterschiedlicher Hirnregionen, die auch weit voneinander entfernt sein können, für die Durchführung einer kognitiven Aufgabe von großer Bedeutung ist. Solche Synchronisationsprozesse sind dann notwendig, wenn bei der Verarbeitung von Sprache beispielsweise auditorische Neuronen der Rhythmus- und Melodieanalyse mit Neuronen des Sprachsystems (z.B. des Lexikons) kurzfristig zusammenarbeiten müssen, obwohl sie normalerweise nicht über Nervenfasern miteinander in Verbindung stehen. Um solche Synchronisationsprozesse zwischen unterschiedlichen Hirnbereichen erfassen zu können, wird das EEG-Signal mit einem spektralanalytischen Verfahren ausgewertet. Dabei wird die sogenannte Kohärenz zwischen zwei Elektroden ermittelt (Weiss & Rappelsberger 1997), wobei die EEG-Aktivität von zwei Neuronengruppen einander ähnlicher oder einander unähnlicher werden kann. Ein Beispiel für die elektrophysiologisch ermittelte Zusammenarbeit von unterschiedlichen Hirnregionen während sprachlicher Aufgaben zeigt Abbildung 3 anhand der Verarbeitung von konkreten und abstrakten Nomina.

Abb. 3: Schematische Seitenansicht des Gehirns (linke Hemisphäre) während der Verarbeitung von konkreten und abstrakten Nomina. Die Abkürzungen beziehen sich auf die im Experiment verwendeten Elektrodenpositionen. Die signifikanten Zu- bzw. Abnahmen der Zusammenarbeit (EEG-Kohärenz) sind durch durchgezogene bzw. gestrichelte Linien dargestellt. Bei der Verarbeitung von Abstrakta zeigen sich andersartige Synchronisationen im Gehirn. (aus Weiss & Rappelsberger 1996, verändert)

Aus linguistischer Sicht stellen die Konkreta und Abstrakta zwei unterschiedliche Klassen der Nomina dar. Lange wurde vermutet, daß die Analyse von konkreten Wörtern mit Bezügen zu Erfahrungen in mehreren Sinnesbereichen einhergeht und somit auch andere Bedeutungskonzepte aktiviert. Abstrakte Wörter hingegen sollten im Gehirn primär nur sprachlich repräsentiert sein. Beispielsweise sollte das Nomen "Hase" mit gespeicherten Sinneseindrücken für "Aussehen", "Anfühlen", "Geschmack" oder "Geruch" assoziiert sein, wohingegen das Wort "Friede" keine Bezüge zu solchen Sinneseindrücken aufweist. Über die EEG-Kohärenzanalyse konnte nun ein physiologischer Beweis für diese Annahme erbracht werden, da ausschließlich bei der Verarbeitung von konkreten Wörtern die entsprechenden Hirnbereiche der Sinneseindrücke mit den Hirnbereichen der Sprachverarbeitung kurzfristig eine engere Zusammenarbeit zeigen (Weiss & Rappelsberger 1996). Diese Ergebnisse haben auch klinische Bedeutung. Die Beobachtung, daß bestimmte Patienten geringere Störungen im Zugriff auf konkrete Wörter haben, läßt sich somit erklären: Aufgrund einer viel stärkeren Redundanz in dem Netzwerk ist der Ausfall einer Hirnregion im Falle der Konkreta eher zu kompensieren. Auch der umgekehrte Fall, daß Patienten eine selektive Störung gerade im Zugriff auf Konkreta haben, könnte durch eine physiologische Beeinträchtigung der Netzwerkorganisation erklärt werden. Somit liefern elektrophysiologische Befunde zur Sprachverarbeitung auch wichtige Hinweise für das Verständnis und die Therapie von gestörter Sprache.

Die kognitive Neurowissenschaft bzw. Cognitive Neuroscience befindet sich erst am Anfang ihrer Entwicklung. Dennoch ist abzusehen, dass sie gemeinsam mit den klassischen Methoden der Psycholinguistik das Wissen um die Sprache wesentlich erweitern wird. Ebenso wie die Künstliche-Intelligenz-Forschung gehört die Neurowissenschaft somit wohl zu den aussichtsreichsten Nachbardisziplinen einer auch anwendungsorientierten Linguistik.

Literatur

• Friederici, A.D. (1995). The time course of syntactic activation during language processing: A model based on neuropsychological and neurophysiological data. Brain and Language 50: 259-281.
• Kertesz, A. (1994, Ed.). Localization and Neuroimaging in Neuropsychology. San Diego: Academic Press
• Kutas, M. & Van Petten, C. (1994). Psycholinguistics electrified: event-related brain potential investigations. In: Gernsbacher, M.A. (Ed.). Handbook of Psycholinguistics. San Diego: Academic Press, pp. 83-143.
• Müller, H.M. (1997). Neurolinguistische und kognitive Aspekte der Sprachverarbeitung. Universität Bielefeld: Habilitationsschrift.
• Müller, H. M., King, J. W. & Kutas, M. (1997). Event related potentials elicited by spoken relative clauses. Cognitive Brain Research 4:193-203 (PDF)
• Müller, H.M. & Kutas, M. (1996). What's in a name? Electrophysiological differences between spoken nouns, proper names, and one's own name. NeuroReport 8:221-225 (PDF)
• Müller, H.M. & Kutas, M. (1997). Die Verarbeitung von Eigennamen und Gattungsbezeichnungen: Eine elektrophysiologische Studie. In: G. Rickheit (Hrsg.). Studien zur Klinischen Linguistik - Methoden, Modelle, Intervention. Opladen: Westdeutscher Verlag, pp. 147-169 (PDF)
• Müller, H.M., King, J.W. & Kutas, M. (1998). Elektrophysiologische Analyse der Verarbeitung natürlichsprachlicher Sätze mit unterschiedlicher Belastung des Arbeitsgedächtnisses. Klinische Neurophysiologie 29: 321-330 (PDF)
• Ojemann, G., Ojemann, J., Lettich, E. & Berger, M. (1989). Cortical language localization in left, dominant hemisphere: an electrical stimulation mapping investigation in 117 patients. Journal of Neurosurgery 71: 316-326.
• Pulvermüller, F. (1996). Hebb's concept of cell assemblies and the psychophysiology of word processing. Psychophysiology 33:317-333.
• Rickheit, G. & Strohner, H. (1992). Psycholinguistische Modelle der Sprachverarbeitung. In: G. Rickheit, R. Mellies & A. Winnecken (Hrsg.). Linguistische Aspekte der Sprachtherapie: Forschung und Intervention bei Sprachstörungen. Opladen: Westdeutscher Verlag, pp. 5-20.
• Rickheit, G. & Strohner, H. (1993). Grundlagen der kognitiven Sprachverarbeitung: Modelle, Methoden, Ergebnisse. Tübingen: Francke.
• Rösler, F. & Hahne, A. (1992). Hirnelektrische Korrelate des Sprachverstehens: Zur psycholinguistischen Bedeutung der N400-Komponente im EEG. Sprache & Kognition 11:149-161.
• Weiss, S. & Rappelsberger, P. (1996). EEG coherences within the 13-18 Hz band as correlates of a distinct lexical organization of concrete and abstract nouns in humans. Neuroscience Letters 209: 17-20.
• Weiss, S. (1997). EEG-Kohärenz und Sprachverarbeitung: Die funktionelle Verkopplung von Gehirnregionen während der Verarbeitung unterschiedlicher Nomina. In: G. Rickheit (Hrsg.). Studien zur Klinischen Linguistik - Modelle, Methoden, Intervention. Opladen: Westdeutscher Verlag, pp. 125-146.