Nervenfaserbahnen der Sprache: Eine umfassende Betrachtung

Die menschliche Sprache ist ein komplexes Phänomen, das die Fähigkeit zur Erzeugung und zum Verständnis von Sprache umfasst. Diese Fähigkeit unterscheidet den Menschen von anderen Lebewesen und ist das Ergebnis eines komplexen Zusammenspiels verschiedener Hirnregionen und Nervenfaserbahnen. Dieser Artikel beleuchtet die neuronalen Grundlagen der Sprache, von den beteiligten Hirnarealen bis hin zu den spezifischen Funktionen der Nervenfaserbahnen, die diese Areale miteinander verbinden.

Die neuronalen Grundlagen der Sprache

Sprache ist ein komplexes Phänomen, an dessen Produktion und Rezeption sehr viele Teile des Gehirns beteiligt sind. Wenn wir sprechen, benutzen wir neben Zunge und Kehlkopf auch Lippen, Gaumen inklusive Bogen, Segel und Zäpfchen sowie Rachen, Kehldeckel und Lunge. Auch Zähne und der Nasenraum sind für die Artikulation wichtig. Beim Verstehen analysiert unser Gehirn das Gehörte nach räumlichen und zeitlichen Merkmalen und gleicht es dann mit gespeicherten Wortformen, grammatikalischen Regeln, Satzstrukturen und Bedeutungen ab. Beim Sprechen ruft es Bedeutungen, Grammatik und Wortformen ab, gliedert sie metrisch, phonologisch und silbisch, überführt sie in motorische Arbeitsanweisungen und gibt sie an die Artikulationsorgane weiter. Neben dem Broca- und Wernicke-Areal sind viele weitere Hirnstrukturen für die Verarbeitung von Sprache nötig. Diese umfassen große Teile des Temporal-, Parietal- und Frontallappens und sind nicht auf Sprechen oder Verstehen spezialisiert, sondern übernehmen vermutlich differenzierte Aufgaben, wie zum Beispiel die Entschlüsselung komplexer Syntax. Um ihre Aufgabe zu erfüllen, sind mehrere Regionen über Faserbündel miteinander verbunden und wirken als Netzwerk zusammen.

Sprachareale im Gehirn

Traditionell wurden vor allem zwei Hirnareale mit der Sprachverarbeitung in Verbindung gebracht: das Broca-Areal und das Wernicke-Areal.

• Broca-Areal: Das Broca-Areal, auch motorisches Sprachzentrum genannt, liegt im Bereich des Gyrus frontalis inferior (Brodmann-Areale 44 und 45). Es ist hauptsächlich für die Sprachproduktion, also das Sprechen und Schreiben, verantwortlich. Es ist nur auf einer Hirnhälfte ausgeprägt, nämlich der sogenannten dominanten Hemisphäre. Bei Rechtshändern liegt die dominante Hemisphäre in der Regel links, bei Linkshändern kann sie links oder rechts liegen.
• Wernicke-Areal: Das Wernicke-Areal, auch sensorisches Sprachzentrum genannt, erstreckt sich vom dorsalen Teil des Gyrus temporalis superior bis über die Gyri angularis et supramarginalis des Parietallappens (Brodmann-Areale 22, 39, 40). Es ist hauptsächlich für das Sprachverständnis, also das Lesen und die Verarbeitung von Sprache, zuständig. Wie auch das Broca-Areal, existiert das Wernicke-Zentrum nur in der dominanten Hemisphäre, zumeist also der linken.

Neurolinguisten haben das Gehirn mithilfe der funktionellen Magnetresonanztomografie (fMRT) untersucht und gezeigt, dass die Fähigkeiten Sätze zu sprechen und zu verstehen, sowohl vom Broca-Areal, als auch vom Wernicke-Areal abhängig sind.

Die Rolle der Hirnhemisphären

Sprache wird hauptsächlich in einer Hirnhälfte verarbeitet, der so genannten dominanten Hirnhälfte. Bei Rechtshändern, also der Mehrheit der Bevölkerung, ist dies die linke. Jedoch spielt auch die nicht-dominante, also meist rechte Hirnhälfte eine wichtige Rolle bei der Sprachverarbeitung. Während in der dominanten Hirnhälfte vorwiegend die Laute und der Satzbau verarbeitet werden, ist die andere Hirnhälfte dafür zuständig, die Satzmelodie zu verstehen.

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Weitere beteiligte Hirnstrukturen

Neben dem Broca- und Wernicke-Areal sind viele weitere Hirnstrukturen für die Verarbeitung von Sprache nötig. Diese umfassen große Teile des Temporal-, Parietal- und Frontallappens und sind nicht auf Sprechen oder Verstehen spezialisiert, sondern übernehmen vermutlich differenzierte Aufgaben, wie zum Beispiel die Entschlüsselung komplexer Syntax. Um ihre Aufgabe zu erfüllen, sind mehrere Regionen über Faserbündel miteinander verbunden und wirken als Netzwerk zusammen.

Sprachverarbeitung bei Kindern

So verfügen bereits Dreijährige über einen umfangreichen Fundus an Vokabeln und können einfache Sätze problemlos verstehen. „Der Fuchs jagt den Igel“ beispielsweise. Eine echte Hürde erreichen die Kleinen jedoch dann, wenn der Satz von seiner einfachsten Struktur abweicht. Will man beispielsweise hervorheben, dass es der Igel und nicht etwa ein Vogel ist, den der Fuchs da jagt, so stellt man die Aussage entsprechend um: „Den Igel jagt der Fuchs“. Missverständnisse sind dann vorprogrammiert. Denn junge Sprecher verlassen sich noch unbewusst auf die Annahme, dass das Subjekt, der jagende Fuchs, im Satz vor dem Objekt, dem gejagten Igel, steht. Andererseits registrieren Kinder schon unbewusst, dass der Artikel „den“ irgendwie nicht zum Subjekt passt, und nicht an den Anfang des Satzes gehört.

Gut Ding will Weile haben. Das Gehirn und seine einzelnen, für die Sprache zuständigen Hirnareale reifen unterschiedlich schnell heran. Ein Gebiet, das von Anfang an, noch vor der Geburt vor Aktivität strotzt, ist die sogenannte Wernicke-Region im linken Schläfenlappen des Großhirns, die schon sehr früh in der Entwicklung ausgereift ist. Schon sehr früh hilft uns diese Hirnregion nicht nur dabei, in Höchstgeschwindigkeiten von 0,2 bis 0,5 Sekunden Laute wie „Ma“ und „Pa“ voneinander zu unterscheiden. Sie entscheidet für uns auch darüber, ob eine Aneinanderreihung von Silben überhaupt ein Wort darstellt und damit wert ist, sich ihr weiter zu widmen. Auch einfache Sätze aus wenigen Wörtern können hier bereits verarbeitet werden. Erst ab diesem Alter gesellt sich nach und nach auch eine zweite zentrale Sprachregion dazu: Die Broca-Region im Stirnbereich unseres Großhirns, die sich vor allem der Verarbeitung komplizierterer Sprache widmet. Sie empfängt die vorsortierten Informationen aus dem Schläfenlappen und verleiht den einzeln aneinandergereihten Wörtern eine Gesamtbedeutung. Aus separaten Rohinformationen werden so sinnvolle Sätze gebaut. Wir können den erhöhten Schwierigkeitsgrad komplexer Sätze also zunehmend auch dadurch wettmachen, dass unser Broca-Areal stärker als bei einfachen Sätzen aktiviert wird. Doch nicht nur dadurch: Auch die Verbindungsbahn zwischen den beiden Hauptakteuren der Sprachverarbeitung, der Wernicke- und der Broca-Region, spielt eine entscheidende Rolle. Dieses Bündel Nervenfasern, der Fasciculus arcuatus, braucht besonders lange, um voll funktionstüchtig zu sein. Der Grund: Es bildet um jede seiner Fasern langsam eine dicke Myelinschicht. Das braucht zwar viele Jahre, ist dann aber umso wirkungsvoller. Denn ähnlich wie der Kunststoff um den Kupferdraht eines Stromkabels, sorgt das Myelin dafür, dass die elektrischen Signale mit möglichst wenigen Verlusten und in hoher Geschwindigkeit übertragen werden. Neueste Untersuchungen haben ergeben, dass schwierige Sätze umso schneller verarbeitet werden, je dicker die Myelinschicht um diese Hochgeschwindigkeitskabel ist.

Sprachverarbeitung und Frequenz

Sprache kann das Gehirn unter anderem anhand charakteristischer Frequenzen von anderen Geräuschen unterscheiden. Die Cochlea-Schnecke im Innenohr hat offenbar, ähnlich wie die Netzhaut des Auges, eine Entsprechung im Gehirn. Hohe Frequenzen werden von anderen Neuronengruppen - „Feldern“ - im auditorischen Cortex verarbeitet als niedrigere Frequenzen. Und so wie der Presslufthammer ein charakteristisches Frequenzspektrum abdeckt, spielt sich auch die menschliche Sprache in einem bestimmten Bereich ab: 80 Hz bis 12 kHz, wobei der Grundton bei Männern um die 125 Hz liegt, bei Frauen rund doppelt (250 Hz) bzw. bei Kindern fast viermal so hoch (440 Hz).

Phonagnosie

Das Telefon klingelt, am anderen Ende erklingt nur ein knappes „Hallo“ - trotzdem ist es kein Problem, den Ehemann oder gar den Chef an seiner Stimme zu erkennen. Manchen Menschen jedoch fehlt diese Fähigkeit, die Besonderheiten einer Stimme zu erkennen und einer bekannten Person zuzuordnen. Diese als Phonagnosie bezeichnete Störung könnte mit einer Schädigung von Regionen wie dem rechten Temporallappen zusammenhängen, die selektiv Stimmen zu verarbeiten scheinen. Bis vor kurzem wurde Phonagnosie lediglich als Folge von Schlaganfällen beobachtet. Doch 2009 entdeckten Forscher des University College London bei einer 60jährigen Patientin, „KH“ genannt, auch eine möglicherweise angeborene Form. Anatomische Defekte ließen sich bei der Patientin nicht feststellen.

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Nervenfaserbahnen: Die Verbindungswege der Sprache

Die verschiedenen Sprachzentren im Gehirn sind durch Nervenfaserbahnen miteinander verbunden. Diese Bahnen ermöglichen den Austausch von Informationen und die Koordination der verschiedenen Prozesse, die für die Sprachverarbeitung notwendig sind.

Assoziationsbahnen

Das Broca-Areal und das Wernicke-Areal sind durch Assoziationsbahnen miteinander verbunden. Assoziationsbahnen sind Bündel von Nervenfasern die Nervenzellen in verschiedenen Bereichen der Hirnrinde innerhalb einer Hirnhälfte miteinander verbinden. Es gibt vier Assoziationsbahnen die das Broca-Areal und das Wernicke-Areal miteinander verbinden:

• rückenseits der arcuate fasciculus und der superior longitudinal fasciculus (SLF)
• bauchseits das Systema fibrarum associationis capsulae extremae und der uncinate fasciculus (UF).

Über diese vier Assoziationsbahnen tauschen das Broca-Areal und das Wernicke-Areal Informationen aus und ermöglichen sodass Verstehen und die Produktion von Sprache. Es ist wahrscheinlich, dass jede der vier Assoziationsbahnen eine andere Aufgabe bei der Verarbeitung von Sätzen hat. Neurologen wissen bereits, dass Patienten mit primärer progressiver Aphasie (PPA), bei denen der arcuate fasciculus geschädigt ist, große Schwierigkeiten haben gehörte Wörter nachzusprechen.

Der Fasciculus Arcuatus

Der arcuate fasciculus (schwarz) verbindet das Broca-Areal mit dem Wernicke-Areal. Dieses Bündel Nervenfasern braucht besonders lange, um voll funktionstüchtig zu sein. Der Grund: Es bildet um jede seiner Fasern langsam eine dicke Myelinschicht. Das braucht zwar viele Jahre, ist dann aber umso wirkungsvoller. Denn ähnlich wie der Kunststoff um den Kupferdraht eines Stromkabels, sorgt das Myelin dafür, dass die elektrischen Signale mit möglichst wenigen Verlusten und in hoher Geschwindigkeit übertragen werden. Neueste Untersuchungen haben ergeben, dass schwierige Sätze umso schneller verarbeitet werden, je dicker die Myelinschicht um diese Hochgeschwindigkeitskabel ist.

Forschungsergebnisse zu Assoziationsbahnen

Die Ergebnisse der Forscher deuten darauf hin, dass die Verarbeitung von Sätzen in erster Linie von den zwei rückseitigen Assoziationsbahnen abhängt, dem arcuate fasciculus und der superior longitudinal fasciculus. Sie fanden bei diesen Assoziationsbahnen eine positive Korrelation zwischen der mittleren FA und dem Testergebnis beim Sprachtest zum Satzverständnis. Je höher die mittlere FA, desto höher war der Prozentwert im Sprachtest. Im Gegensatz dazu waren bei Schädigungen der zwei bauchseitigen Assoziationsbahnen, dem Systema fibrarum associationis capsulae extremae und dem uncinate fasciculus keine Schwächen beim Satzverständnis festzustellen.

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Die Architektur der Nervenfasern

Die Architektur der Nervenfasern im menschlichen Gehirn hat in den letzten Jahren erheblich an wissenschaftlichem Interesse gewonnen. Die Architektur der zentralnervösen Nervenfasern beschreibt den räumlichen Aufbau von Konnektivität im zentralen Nervensystem. Die Komplexität von Konnektivität bestimmt in starkem Maße die Funktion von miteinander verbundenen neuronalen Netzwerken. Eine Unterbrechung von solchen Nervenfaserverbindungen führt zu sogenannten Diskonnektionssyndromen. Typische Krankheitsbilder, die die zentralnervösen Nervenfasern betreffen können und so zu Diskonnektionssyndromen führen, sind die Multiple Sklerose oder Schlaganfälle. Hierbei liegt unser Interesse insbesondere auf dem Prozess der Wallerschen Degeneration, die eine Degeneration der Nervenfasern distal einer Läsion ist.

Sprachstörungen und Nervenfaserbahnen

Schädigungen der Nervenfaserbahnen können zu verschiedenen Sprachstörungen führen, die als Aphasien bezeichnet werden.

Primär progressive Aphasie (PPA)

Die primär progressive Aphasie (PPA) ist eine Sprachstörung, die nach abgeschlossenem Spracherwerb auftritt. Verursacht wird sie durch das Absterben von Nervenzellen im linken Frontal- und Temporallappen, also den Regionen, in denen die Sprachzentren lokalisiert sind. Die PPA wird mit der Zeit immer schlimmer, d. h. im Gegensatz zur Aphasie nach einem Schlaganfall ist sie progressiv. Im schlimmsten Fall können die Patienten nur noch bruchstückhaft oder gar nicht mehr sprachlich kommunizieren. Mit primär wird darauf verwiesen, dass die sprachlichen Beeinträchtigungen das vorherrschende klinische Merkmal sind. Manche PPA-Patienten verstehen zwar einzelne Wörter, aber es gelingt ihnen nicht, ihren Zusammenhang im Satz zu erfassen. Es fällt ihnen schwer, einem Gespräch zu folgen, insbesondere wenn schnell gesprochen wird oder es mehrere Gesprächspartner gibt. Die Ursache hierfür ist keine Hörstörung, sondern eine Störung der Sprachverarbeitung.

Untersuchung von PPA-Patienten

Der Neurolinguist Stephen Wilson von der Universität Arizona in den USA hat mit einem Team von Neurologen und Sprachforschern bei PPA-Patienten untersucht, ob es einen Zusammenhang gibt, zwischen der Schädigung einer bestimmten Assoziationsbahn und einer spezifischen Störung bei dem Verstehen von Sätzen. Die Wissenschaftler beschrieben ihre Forschungsergebnisse in der Fachzeitschrift Neuron [1].

Sprachtest zum Satzverständnis

Die Patienten lagen in einem Magnetresonanztomografen und bekamen über Kopfhörer einen Satz vorgespielt. Diesen Satz mussten sie einem von zwei Bilder zuordnen. Der Patient hört z. B. den Satz “Das Mädchen, das den Jungen drückt, ist grün” und wird dann gefragt, welches der beiden Bilder dieses Szenario genau wiedergibt. “Ein Bild zeigt ein grünes Mädchen, das einen Jungen stößt, und das andere zeigt ein Mädchen, das einen grünen Jungen stößt”, sagte Wilson. “Die Farben werden die gleichen sein, die Agenten werden die gleichen sein, und die Aktion ist die gleiche. Der einzige Unterschied ist, auf welchen Akteur bezieht sich die Farbe?”

Visualisierung der Nervenfaserbündel

Während des Sprachtests stellten die Neurologen mit der funktionalen Magnetresonanztomografie (fMRT) Schnittbilder des Gehirns her, die zu einer 3D-Ansicht zusammengestellt wurden. Damit konnten sie erfassen welche Bereiche der Hirnrinde aktiv sind und sehen, ob die Sprachfähigkeit der jeweiligen Person überwiegend in der linken (häufig) oder rechten Gehirnhälfte (selten) angesiedelt ist. Dann wurde der schwarz-weiße 3 D-Scan des Gehirns weiterbearbeitet. Die Forscher machten mit Diffusion Tensor Imaging (DTI) den räumlichen Verlauf der Assoziationsbahnen auf dem Computerbildschirm farbcodiert sichtbar. Die DTI macht sich zunutze, dass sich Wasser im menschlichen Gewebe bewegen kann. Sie misst die unterschiedlichen Wegstrecken, die die Wassermoleküle in der Hirnrinde zurücklegen. Entlang der Nervenfasern können sie einen längeren Weg zurücklegen als quer zu ihnen, weil sie dort nicht durch Zellmembranen an ihrer Bewegung gehindert werden. Die Richtungsabhängigkeit der Diffusion erlaubt Rückschlüsse auf den Verlauf der großen Nervenfaserbündel.

Wenn eine Assoziationsbahn beschädigt ist, wird das Wasser an den entsprechenden Stellen nicht nur entlang der Nervenfasern fließen, sondern auch in andere Richtungen. Schäden an den Assoziationsbahnen werden deshalb mit der mittleren fraktionalen Anisotropie (FA) quantifiziert. Die FA ist ein Skalarwert zwischen Null und Eins, der den Grad der Anisotropie eines Diffusionsprozesses beschreibt. Ein Wert von Null bedeutet, dass die Diffusion isotrop ist, d. h. In alle Richtungen uneingeschränkt (oder gleichermaßen eingeschränkt) ist. Der Wert Eins bedeutet, dass die Diffusion nur entlang einer Achse stattfindet und in alle anderen Richtungen vollständig eingeschränkt ist. Wenn die Neurologen die FA an mehreren Punkten einer Assoziationsbahn messen, dann können sie die mittlere FA dieses Nervenfaserbündels berechnen und dagegen das Testergebnis des Sprachtests in Prozent auftragen. Ein PPA-Patient hat z. B. für den arcuate fasciculus eine mittlere FA von 0,3 und ein Testergebnis von 55 %. Wenn man das jetzt für alle PPA-Patienten macht können die Neurologen ein Streudiagramm für den arcuate fasciculus erstellen und die Stärke der statistischen Beziehung zwischen diesen beiden Variablen mit einer Korrelation berechnen. Korrelationen sind wichtig, weil eine Korrelation Hinweise für eine Vorhersage geben kann. In diesem Experiment könnten die Forscher z. B. versuchen mit der mittleren FA das Testergebnis beim Sprachtest vorherzusagen.

Evolutionäre Aspekte der Nervenfaserbahnen

Die Evolution der Sprache ist ein faszinierendes Forschungsgebiet. Vergleichende Studien an Menschen und Schimpansen haben interessante Einblicke in die Entwicklung der neuronalen Grundlagen der Sprache geliefert.

Der Fasciculus Arcuatus bei Schimpansen

Dabei zeigte sich erstmals, dass das AF-Nervenfaserbündel nicht nur bei Menschen, sondern auch bei Schimpansen direkt mit dem mittleren Schläfenlappen verbunden ist. In allen 20 untersuchten Schimpansen-Gehirnen war eine solche Verbindung nachweisbar. „Bisher ging man davon aus, dass die anatomischen Strukturen der Sprache erst beim Menschen entstanden sind. „Unsere Ergebnisse legen nahe, dass die für Sprache entscheidende neuronale Architektur beim Menschen nicht völlig neu entstanden ist“, ergänzt Becker. Aber warum können Schimpansen dann nicht auf dieselbe Weise wie wir Menschen sprechen und sich unterhalten? „Die neuronale Verbindung ist bei Schimpansen viel schwächer ausgeprägt als beim Menschen und erlaubt möglicherweise deshalb nicht die komplexe menschliche Sprache“, vermutet Becker. Demnach könnte die Evolution der Sprache beim Menschen deshalb weiter fortgeschritten sein als bei Schimpansen, weil der AF-Nervenweg sich in unserem Gehirn schneller weiterentwickelt und seine Verbindung zum mittleren Schläfenlappen verstärkt hat. Bei Schimpansen hat sich hingegen offenbar eine andere Verknüpfung stärker ausgeprägt: die zum oberen Temporallappen (STG). Wie und wie schnell diese Entwicklungen tatsächlich bei Menschen und Schimpansen abgelaufen sind, lässt sich jedoch nicht sagen. Denn ein direkter Vergleich mit dem Gehirn des gemeinsamen Vorfahren von Menschen und Schimpansen ist nicht möglich.

Zukünftige Forschung

„In unserem internationalen Konsortium mit Partnern aus afrikanischen Wildreservaten und Auffangstationen sowie europäischen Zoos können wir künftig die zur Lebenszeit erhobenen Verhaltensdaten von Menschenaffen mit den von uns gesammelten Gehirndaten verknüpfen“, erklärt Becker. Das soll weitere Hinweise auf die neuronalen Grundlagen geben, die die kognitiven Fähigkeiten von Schimpansen ermöglichen, einschließlich der Sprache.

tags: #sprache #nervenfaser #bahn