Sprache ist ein fundamentales Instrument für die menschliche Kommunikation und ein unverzichtbarer Bestandteil unseres gesellschaftlichen Lebens. Die Entschlüsselung der neuronalen Grundlagen der Sprachverarbeitung ist ein zentrales Anliegen der modernen Neurowissenschaften. Dieser Artikel beleuchtet die komplexen neurobiologischen Prozesse, die der Sprachverarbeitung im Gehirn zugrunde liegen, und gibt Einblicke in aktuelle Forschungsansätze und Erkenntnisse.
Die Organisation der Sprache im Gehirn
Trotz umfangreicher neurowissenschaftlicher Forschung zur Repräsentation von Sprache gab es bisher wenig fundierte Erkenntnisse zur Organisation der Sprache im menschlichen Gehirn. Viele Erkenntnisse stammen aus einzelnen Studien mit geringen Probandenzahlen und konnten in Folgestudien nicht bestätigt werden. Eine aktuelle Metaanalyse, basierend auf mehr als 400 neurowissenschaftlichen Experimenten mit funktioneller Bildgebung und über 7.000 Probanden, liefert nun fundierte Erkenntnisse über die Organisation der Sprache im Gehirn.
Die quantitative, koordinatenbasierte Metaanalyse ermöglicht es festzustellen, wo im Gehirn Aktivierung für bestimmte Sprachprozesse zu finden ist. Dieser Ansatz bietet Einblicke in grundlegende Organisationsprinzipien des Gehirns für die Sprachverarbeitung. Neben den "klassischen" Sprachregionen in der linken Hirnhälfte spielen vor allem Strukturen in den Hirnregionen unterhalb der Großhirnrinde und das Kleinhirn eine tragende Rolle bei sprachlichen Prozessen. Insbesondere Prozesse, die die Sprachbedeutung und die Verarbeitung von Lauten betreffen, werden vom linken und rechten Kleinhirn unterstützt. Über das Wort hinausgehende, lautliche Muster, die auch die emotionale Bedeutung weitergeben, hängen mit der Aktivierung in der rechten Amygdala zusammen, einem paarigen Kerngebiet des Gehirns, das Emotion und Erinnerung beeinflusst.
Klassische Sprachareale: Broca- und Wernicke-Areal
Die Hirnforschung hat bereits vor über 100 Jahren die Hirnareale identifiziert, die der Sprachverarbeitung zugrunde liegen: das Broca-Areal im linken Stirnlappen und das Wernicke-Areal im linken Schläfenlappen. Das Broca-Areal spielt eine entscheidende Rolle beim Satzbau, bei der Syntax, während das Wernicke-Areal eine wichtige Rolle für die Verarbeitung der Bedeutung, der Semantik, spielt. Während der Sprachverarbeitung müssen diese Hirnareale eng und effektiv zusammenarbeiten. Diese Hirnareale sind durch Nervenfaserbündel mehrfach vernetzt und bilden für semantische und syntaktische Prozesse getrennte Schaltkreise, die sich zu einem Gesamtsprachnetzwerk zusammenfügen. Innerhalb dieses Netzwerks arbeiten diese Schaltkreise, teils parallel, teils seriell, hochdynamisch zusammen. Die Nervenfaserbündel stellen dabei den Informationsaustausch zwischen den einzelnen Hirnarealen sicher.
Subkortikale Strukturen und Kleinhirn
Die aktuelle Forschung betont die Bedeutung von Hirnregionen unterhalb der Großhirnrinde und des Kleinhirns bei sprachlichen Prozessen. Insbesondere jene Prozesse, die die Sprachbedeutung und die Verarbeitung von Lauten betreffen, werden vom linken und rechten Kleinhirn unterstützt. Ebenso hängen über das Wort hinausgehende, lautliche Muster, die auch die emotionale Bedeutung weitergeben, mit der Aktivierung in der rechten Amygdala zusammen, einem paarigen Kerngebiet des Gehirns, zusammen.
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Neuronale Netzwerke und Faserverbindungen
Die Hirnareale, die an der Sprachverarbeitung beteiligt sind, sind durch Nervenfaserbündel miteinander verbunden. Diese Verbindungen ermöglichen den Informationsaustausch zwischen den Arealen und bilden so ein komplexes Netzwerk. Im erwachsenen Gehirn können drei Faserbündel unterschieden werden:
- Ein Faserbündel verbindet das für Syntaxverarbeitung zuständige Areal im Stirnlappen, den hinteren Anteil des Broca-Areals (Areal 44), mit dem Schläfenlappen. Dieser Schaltkreis gilt als Voraussetzung für die Verarbeitung syntaktisch komplexer Sätze.
- Ein zweites Faserbündel verbindet die für semantische Verarbeitung relevanten Areale im Stirnlappen (Areal 45) und im Schläfenlappen. Dieser Schaltkreis wird mit der Verarbeitung von Wort- und Satzbedeutung assoziiert.
- Ein drittes Faserbündel verbindet den prämotorischen Cortex im Stirnlappen mit dem im Schläfenlappen gelegenen auditorischen Cortex und erlaubt das Nachsprechen von Gehörtem.
Die Effizienz der Informationsübertragung wird durch eine die Fasern umgebende Isolierschicht, die sogenannte Myelinschicht, gewährleistet. Je besser die Myelinschicht ausgebildet ist, desto schneller die Informationsübertragung. Die heutigen Darstellungsverfahren der Hirnforschung bilden vornehmlich die Stärke der entsprechenden Myelinschicht ab und erlauben somit einen Einblick in die Verschaltung jener neuroanatomischen Netzwerke, die der Sprachverarbeitung zugrunde liegen.
Der Spracherwerb
Der Spracherwerb ist ein faszinierender Prozess, der einem vorgegebenen biologischen Programm folgt. Jedes Kind lernt mühelos die Sprache, in die es hineingeboren wird, und kann sogar mehrere Sprachen gleichzeitig erlernen, solange es zuverlässige Muttersprachler als Kommunikationspartner gibt. Der generelle Verlauf des Spracherwerbs ist über die verschiedenen Sprachen der Welt sehr ähnlich: von der Schreiphase über die Lallphase zum Erwerb erster Wörter und syntaktischer Regeln bis hin zur Verarbeitung von komplexen Satzstrukturen.
Sensible Phasen und neuronale Entwicklung
Es gibt eine sensible Phase in der frühen Kindheit, in der das Gehirn besonders plastisch ist und sprachliche Aspekte schnell lernt. Melodische Aspekte einer Sprache, die sogenannte Prosodie, werden dabei schon sehr früh, andere Aspekte erst später gelernt. Da das Hörsystem bereits vor der Geburt voll ausgereift ist, kann der Fötus schon in den letzten Wochen vor der Geburt akustische Informationen seiner Umwelt, also auch gesprochene Sprache, wahrnehmen.
Bei Neugeborenen sind die sprachrelevanten Hirnareale bereits vorhanden. Interessanterweise findet man aber nur zwei der drei Faserbündel, die bei Erwachsenen vorhanden sind. Jene Faserverbindung, die syntaktische Prozesse unterstützt, ist noch nicht sichtbar, da noch nicht myelinisiert. Sichtbar sind dagegen die anderen zwei Faserverbindungen. Die Verbindung, die auditorischen und prämotorischen Cortex miteinander verbindet, ist funktionell in der frühen Entwicklungsphase bereits hochrelevant, da sie die Lallphase unterstützt. Die Faserverbindung, die die Verarbeitung von semantischen Aspekten unterstützt, bietet die Basisvoraussetzung für das Wortlernen, ein Prozess der ebenfalls früh beginnt.
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Syntaktisches Regelwissen der Muttersprache entwickelt sich relativ spät und ist erst im Alter von zwei bis drei Jahren zu beobachten. Für diesen Aspekt der Sprache gibt es eine sensible Phase, in der sprachlicher Input die höchste Lerneffizienz hat. Das dritte Lebensjahr scheint dabei kritisch, denn Kinder, die eine zweite Sprache nach dem dritten Lebensjahr erwerben, werden die Syntax dieser Sprache nie ganz so verarbeiten wie die ihrer Muttersprache.
Verarbeitung komplexer Sätze
Im Alter von drei Jahren ist erstes syntaktisches Wissen vorhanden und das Gehirn so weit entwickelt, dass es auf grammatikalische Fehler in der Muttersprache schon ähnlich reagiert wie das erwachsene Gehirn. In diesem Alter ist das Sprachsystem aber noch weit davon entfernt, einen kurzen, syntaktisch komplexen Satz wie „Den Bär schubst der Tiger“ richtig zu verarbeiten - und zwar nur weil das Satzobjekt „den Bär“ am Anfang steht. Der Satz „Den Bär schubst der Tiger“ erfordert dagegen eine Analyse der zugrunde liegenden syntaktischen Struktur. Erst diese erlaubt es, die Relationen zwischen den Elementen im Satz zu identifizieren, und festzulegen: „Wer tut was wem?“
Erwachsene mit ausgereifter Hirnstruktur haben mit der Verarbeitung von Sätzen, bei denen das Objekt am Anfang des Satzes steht, kein Problem. Sie aktivieren das neuronale Netzwerk, welches für die Verarbeitung von syntaktisch komplexen Sätzen zuständig ist, bestehend aus dem Areal 44 im Broca-Areal und dem hinteren Anteil des Schläfenlappens, zwischen denen eine stark myelinisierte Nervenfaserverbindung besteht. Dieses neuronale Netzwerk ist bei Geburt nicht vorhanden und entwickelt sich langsam. Das zunehmend besser werdende Verstehen von syntaktisch komplexen Sätzen ist bei Kindern zwischen drei und zehn Jahren direkt abhängig von der Reifung dieses neuronalen Netzwerkes. Die Effektivität der Zusammenarbeit der beiden syntaxrelevanten Hirnareale erreicht erst nach dem Alter von acht Jahren einen Status, der dem der Erwachsenen ähnlich ist.
Neuronale Modelle und Sprachverständnis
Ein wichtiger Forschungsansatz zur Entschlüsselung der neuronalen Grundlagen des Sprachverständnisses ist die Entwicklung neuronaler Modelle. Diese Modelle ahmen mithilfe künstlicher Intelligenz wichtige Lernstrukturen und -prozesse des menschlichen Gehirns nach, die für begriffliches Denken und Sprache wichtig und notwendig sind.
Das gehirnähnliche Netzwerk
Ein solches Modell umfasst computergesteuerte Vorrichtungen, die den humanen Nervenzellen (Neuronen) ähnlich sind. Es ist ein Netzwerk, das zwölf Gehirnareale simuliert, die für Wahrnehmung, Motorik, Handeln und Sprachverarbeitung wichtig sind: unter anderem die visuellen und akustischen Systeme, die handmotorischen und artikulatorischen Bereiche sowie stark vernetzte Areale, die mit diesen Systemen Informationen austauschen. Auch die Verbindungsstruktur zwischen diesen Arealen ist der Großhirnrinde des Menschen nachgebaut worden. Die programmierten künstlichen Neuronen des Modells simulieren die Zusammenarbeit von Nervenzellen des menschlichen Großhirns.
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Lernen von Konzepten und Symbolen
Durch das "Beibringen" von Konzepten und Symbolen an das Netzwerk können die neuronalen Verbindungen und Aktivierungsmuster untersucht werden, die sich im Netzwerkmodell ausbilden. So formen sich im Modell stark gekoppelte Neuronenverbände für das bedeutungsvolle Symbol samt abstraktem Begriff. Es könnte somit der Sprache zu verdanken sein, dass so verschiedene Dinge wie Naturphänomene und Kunstwerke unter demselben Konzept (SCHÖN) gedacht werden können. Sprache unterstützt die Konzeptbildung. Erst das Wort ‚Schönheit‘ lässt uns das Konzept wirklich begreifen.
Aufmerksamkeit und Sprachverarbeitung
Die Sprachverarbeitung erfordert die Zuweisung von Aufmerksamkeitsressourcen, insbesondere im Hinblick auf Planung und Kontrolle. Störungen der Aufmerksamkeitsselektivität können zu Beeinträchtigungen der Kohärenz in der verbalen Produktion und Rezeption führen. Dies kann sich beispielsweise in der Hemmung irrelevanter Informationen und einer mangelhaften Fokussierung auf das Wesentliche äußern.
Klinische Relevanz
Die gewonnenen Erkenntnisse über die Neurobiologie der Sprache sind auch wichtig, um zu verstehen, wie Hirnschädigungen, beispielsweise ein Schlaganfall oder Hirntumor, durch Störung spezifischer Anteile des Sprachnetzwerkes den Verlust von Sprachfunktionen hervorrufen können. Die Forschung kann künftigen Studien zur Erholung der Sprache nach Hirnverletzungen, ausgelöst beispielsweise durch Schlaganfälle, dienen. Die individuellen zugrunde liegenden Mechanismen sind entscheidend für die Entwicklung bzw. Auswahl entsprechender therapeutischer Interventionen, um die Restitution im einzelnen Patienten bestmöglich zu fördern.