Die Erforschung der Hirnstrukturen, die für die Sprachverarbeitung verantwortlich sind, reicht bis ins 17. Jahrhundert zurück. Seitdem haben Wissenschaftler verschiedene Methoden angewandt, um die komplexen Mechanismen der Sprache im Gehirn zu entschlüsseln. Dieser Artikel beleuchtet die wichtigsten Hirnstrukturen, ihre Funktionen und die Methoden, mit denen diese Erkenntnisse gewonnen wurden.
Historischer Überblick
Bereits im 17. Jahrhundert gab es erste Dokumentationen über die Zusammenhänge zwischen Gehirnstrukturen und Sprachverarbeitung. Im 18. Jahrhundert entstand die Phrenologie, begründet von F. J. Gall, die postulierte, dass es im menschlichen Körper ein "Sprachorgan" geben könnte. Gall lokalisierte dieses Organ im inferior-anterioren Frontal- bzw. Schläfenlappen, was in heutiger Terminologie dem Broca- und Wernicke-Areal entsprechen würde.
Der Läsion-Defizit-Ansatz
In der ersten Hälfte des 19. Jahrhunderts begann die wissenschaftliche Erforschung der Sprachverarbeitung mit wissenschaftlichen Methoden. Die älteste und bis heute angewandte Methode ist der Läsion-Defizit-Ansatz. Pierre Paul Broca beschrieb in den 1860er Jahren einen Patienten mit "Aphemie", einer schweren Störung des lautsprachlichen Outputs. Durch die Untersuchung des Gehirns dieses Patienten stellte Broca fest, dass die linke Großhirnhemisphäre die sprachdominante Hemisphäre ist.
In der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts entdeckte Carl Wernicke im Temporallappen am Übergang zum Parietallappen ein weiteres wichtiges Areal für das Sprachsystem. Die Arbeiten von Broca, Wernicke und anderen führten Ende des 19. Jahrhunderts zu einem ersten Modell der Sprachverarbeitung, welches die weitere Forschung auf diesem Gebiet bis weit in das 20. Jahrhundert prägte. Es wurde postuliert, dass die Konzepte hinter den Wörtern, die Bedeutungen, in einem separaten Netzwerk repräsentiert sind. Dieses Modell beinhaltete auch Annahmen über Verbindungen zwischen den Sprachzentren sowie zwischen den Zentren und dem Konzepte-Netzwerk. Man ging davon aus, dass Läsionen in diesen Arealen oder Verbindungen zu spezifischen sprachlichen Defiziten führen sollten. Die Jahre zwischen 1860 und 1890 gelten als die klassische Ära der Aphasiologie und bilden das Fundament für alle neueren Ansätze zur Lokalisation der Sprache im Gehirn.
Kritik am Läsion-Defizit-Ansatz
Der Läsion-Defizit-Ansatz, wie er Ende des 19. Jahrhunderts angewandt wurde, hat jedoch einige methodische Probleme. Es dauerte über 100 Jahre, bis Ende des 20. Jahrhunderts, einige dieser Probleme durch neue Methoden gelöst werden konnten. Ein Problem war die Schwierigkeit, die genaue Lokalisation der Läsion im sezierten Gehirn zu bestimmen. Mit der Einführung der Magnet-Resonanz-Tomographie (MRT) konnte dieses Problem behoben werden.
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Ein weiteres Problem ist die Generalisierung von Ergebnissen, die auf der Untersuchung von Patienten mit Hirnläsionen basieren. Es ist problematisch, von den Auswirkungen einer Läsion auf die Funktion eines bestimmten Areals auf die normale Funktion dieses Areals im gesunden Gehirn zu schließen. Obwohl neuropsychologische Tests, die unabhängig von der Lokalisation der Läsion und der individuellen Krankheitsgeschichte des Patienten durchgeführt werden können, das Problem der Generalisierung mildern, ist es nicht endgültig gelöst. Häufige Läsionen, z.B. nach einem Mediainfarkt, zeigen in der Praxis, dass sich die Läsionen nie vollständig gleichen, was zu erheblichen Unterschieden von Patient zu Patient führt.
Ein weiteres Problem besteht darin, die Funktion eines Areals zu untersuchen, das selten von einer umschriebenen Läsion betroffen ist. Hier bieten funktionell bildgebende Verfahren eine Lösung. Der Forscher hat weder Einfluss auf Ort, Ausmaß und Häufigkeit von Läsionen noch auf die genaue Ausprägung von Defiziten. Es gibt Hirnbereiche, die nur selten von einer Läsion betroffen sind, da die häufigste Ursache für Hirnläsionen vaskulären Ursprungs ist und diese oft zu großflächigen Läsionen führen.
Zudem ist es schwierig, die spezifische Funktion eines einzelnen Areals zu bestimmen, da Läsionen oft andere spezifische Funktionen mitbetreffen. Die Beeinträchtigung einer Funktion nach einer Läsion sagt nicht unbedingt etwas darüber aus, ob ein bestimmtes Areal notwendig zum Gelingen einer Funktion beiträgt. Der Läsion-Defizit-Ansatz kann diese Frage nicht beantworten.
Funktionell Bildgebende Verfahren
Funktionell bildgebende Verfahren bieten eine Möglichkeit, diese Probleme zu umgehen. Sie ermöglichen es, die bei einer bestimmten Aufgabe aktiven Areale im Gehirn zu identifizieren und z.B. einer strukturell-anatomischen Aufnahme zu überlagern. Das Spektrum reicht von einfachsten motorischen Aufgaben (z.B. Fingerbewegung) bis hin zu sehr spezifischen kognitiven Leistungen wie z.B. der Umstellung syntaktischer Konstituenten. Mit funktionell-bildgebenden Verfahren kann die Funktionsweise des gesunden Gehirns untersucht werden, was unter anderem das Problem der sekundären Defizite behebt.
Diese Verfahren ermöglichen es, die Stärke der Aktivierung verschiedener Areale zu identifizieren und Aktivierungen im gesamten Gehirn nachzuweisen, was zu einer umfassenderen Kartographie des menschlichen Gehirns führt. Darüber hinaus lassen sich durch die Variation der Stärke einer Aktivierung Aussagen über die Beteiligung verschiedener Hirnregionen an verteilten neuronalen Netzwerken machen.
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Das Broca-Areal
Das Broca-Areal, benannt nach dem französischen Neurowissenschaftler Paul Broca, befindet sich im Frontallappen der dominanten Hemisphäre (in der Regel links) und spielt eine entscheidende Rolle bei der Artikulation von Sprache und der Satzbildung. Es ist für die Lautbildung und -analyse, die Aussprache von Worten, die grammatikalische Korrektheit von Sätzen und die richtige Betonung der Sprache zuständig.
Neuere Forschungen zeigen, dass das Broca-Areal nicht nur aus zwei, sondern aus einer Vielzahl von Arealen besteht, die ein hochdifferenziertes Mosaik bilden. Professor Karl Zilles, Mitautor einer Studie zu diesem Thema, betont, dass die Broca-Region komplexer ist als bisher angenommen. Ob dies die molekulare Grundlage für die unterschiedlichen klinischen Befunde ist, die sich bei Patienten mit Schädigungen der Broca-Region nur in der linken oder nur in der rechten Gehirnhälfte beobachten lässt, müssen weitere Untersuchungen klären. Im ersten Fall verlieren die Patienten ihre Sprechfähigkeit vollständig.
Richard Kunert vom Max-Planck-Institut für Psycholinguistik hat entdeckt, dass das Broca-Areal mehr kann, als nur Sprache zu verarbeiten. Studien zeigen, dass in diesem Areal sowohl Musik als auch Sprache verarbeitet wird. Das Broca-Areal ist nicht für die Sprachverarbeitung allgemein zuständig, sondern speziell dafür, verschiedene Elemente zu einem Gesamtbild zusammenzufügen.
Schädigungen des Broca-Areals können zur Broca-Aphasie führen, bei der Patienten häufig stockend und verlangsamt sprechen, im Telegrammstil formulieren oder Laute miteinander verwechseln. Besonders betroffen sind Worte, die keine eigene Bedeutung haben, wie Artikel oder Präpositionen. Bei Kindern und Jugendlichen, deren Hirnentwicklung noch nicht abgeschlossen ist, kann die Sprachproduktion bei einer Beschädigung des Broca-Areals auf die unbeschädigte Hemisphäre verlegt werden.
Das Wernicke-Areal
Das Wernicke-Areal, benannt nach dem Neurologen Carl Wernicke, befindet sich im hinteren Bereich des Temporallappens und ist für das Sprachverständnis zuständig. Es integriert Sprach- und Textinhalte und arbeitet dabei mit dem Broca-Areal zusammen. Das Wernicke-Areal erhält akustische Signale von der primären Hörrinde und visuelle Informationen vom sekundär visuellen Cortex.
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Eine Schädigung des Wernicke-Areals kann zur Wernicke-Aphasie führen, einer sensorischen bzw. rezeptiven Aphasie. Betroffene Personen formulieren unbewusst Wörter falsch (Paraphasien) und haben ein stark eingeschränktes Sprachverständnis. Die spontane Sprachproduktion ist flüssig, aber das Gesagte hat meistens keinen sinnhaften Zusammenhang (Logorrhö).
Weitere Hirnstrukturen und Netzwerke
Neben dem Broca- und Wernicke-Areal sind viele weitere Hirnstrukturen für die Verarbeitung von Sprache notwendig. Diese umfassen große Teile des Temporal-, Parietal- und Frontallappens und übernehmen 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.
Sprache wird hauptsächlich in einer Hirnhälfte verarbeitet, der so genannten dominanten Hirnhälfte. Bei Rechtshändern 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.
Aufmerksamkeit und Sprache
Wissenschaftler der Neurologischen Universitätsklinik Tübingen und des Hertie-Instituts für klinische Hirnforschung (HIH) haben in einer aktuellen Studie gezeigt, dass die "Sprachzentren" in der linken Gehirnhälfte nicht nur Sprache sprechen und verstehen, sondern auch für die Orientierung unserer Aufmerksamkeit im Raum zuständig sind. Die Tübinger Wissenschaftler untersuchten rund 400 Menschen, die einen Schlaganfall der linken Gehirnhälfte erlitten hatten, um herauszufinden, ob diese neben den für diese Gehirnhälfte bekannten Sprachstörungen auch an Störungen der Raumorientierung litten. Sie fanden heraus, dass einige Menschen tatsächlich an einer deutlichen Störung der räumlichen Orientierung nach Schädigung der linken Hemisphäre litten und dass alle diese Patienten mit Störungen der Raumorientierung gleichzeitig auch unter Sprachstörungen litten.
Genetische Faktoren
Als die Hälfte der Mitglieder der englischen Familie KE Anfang der 1990er Jahre massive Sprachstörungen bekam, vermuteten Forscher eine genetische Ursache. 2001 kamen sie dem ersten Gen auf die Spur, das für eine korrekte Sprachentwicklung nötig ist: FoxP2. Kürzlich entschlüsselten Forscher am Max-Planck-Institut für Psycholinguistik den genauen Mechanismus. Sie fanden heraus, dass FoxP2 das Längenwachstum und die Verästelung von Nervenzellen unterstützt und so die für den Spracherwerb notwendigen neuronalen Netzwerke schafft.
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