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Mittwoch, 20. Januar 2021

Wie Sprache in unserer Großhirnrinde durch fleißige Netzwerke entsteht

Von Ralf Julke

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    Haben wir heute schon über Netzwerke geschrieben und die Muster, nach denen sie funktionieren? Und nach welchen Mustern sie eben nicht funktionieren? Selbst unser Denken ist als ein Bündel von Netzwerken organisiert. Und einige sind sehr spezialisiert und treten genau dann in Aktion, wenn sie gebraucht werden. Zum Beispiel, wenn es ums Sprechen geht.

    Eine hochkomplexe Aufgabe für unser Gehirn, wie nun Angela D. Friederici, Direktorin am Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften in Leipzig, und Wolf Singer, Direktor emeritus am Max-Planck-Institut für Hirnforschung in Frankfurt am Main, in einem gemeinsamen Zeitschriften-Artikel dargelegt haben.

    Ein relativ kleiner Satz von Nervenzellen mit speziellen Funktionen reicht im Prinzip aus, um die nahezu unendlichen Kombinationsmöglichkeiten sprachlicher Elemente umsetzen zu können. Sie sind quasi die Zampanos, die die für Sprache im Gehirn zuständigen Vernetzungen aktivieren und die richtigen „Bilder“ erzeugen. Obwohl „Bild“ wahrscheinlich das, was da ausgelöst wird, nicht umfasst, denn dazu ist unser Assoziationsreichtum beim Sprechen (normalerweise) zu groß.

    Tatsächlich tasten sich die Sprachforscher in Leipzig und Frankfurt aber noch immer sehr vorsichtig an die Erklärung des Phänomens heran. Denn man kann ja das menschliche Gehirn nicht einfach aufschneiden und zugucken, wie es funktioniert, wenn wir sprechen.

    Sprechen wird – so viel weiß man aber – vor allem durch die Struktur der miteinander verbundenen kleineren und größeren neuronalen Netzwerke ermöglicht, die sich – je nach funktioneller Anforderung – selbst organisieren. Dabei kooperieren Gruppen von Neuronen zeitlich begrenzt und flexibel miteinander. Diese Flexibilität wird durch die Multitasking-Fähigkeit der Neuronen gewährleistet, also ihre Fähigkeit, unterschiedlichste Tätigkeiten zeitgleich ausführen zu können. Erst durch die zeitweise Einbettung in ein temporär bestehendes Netzwerk wird dann ihre jeweilige Funktion bestimmt, betonen die beiden Autoren.

    Neuronen sind die Nervenzellen im Gehirn, die man sich durchaus als regelmäßig „genervt“ vorstellen kann, denn sie funktionieren vor allem als Erregungsleiter. Je nach Impuls treten sie wie aktivierte Wolken in verschiedenen Gehirnarealen in Aktion.

    Und dass dabei hochkomplexe Denkprozesse entstehen, macht die schiere Menge (plus die ordentliche Vernetzung).

    Wie funktioniert Grammatik im Kopf?

    Das menschliche Nervensystem setzt sich aus unzähligen Neuronen und mindestens ebenso vielen Gliazellen zusammen. Schätzungsweise 100 Milliarden dieser Neuronen bilden Netzwerke aus kleineren und größeren Schaltkreisen, die in funktionellem Zusammenhang stehen und über Nervenfaserbündel Informationen austauschen. Die Forschung konnte einzelne solcher Netzwerke und ihre Funktion innerhalb des Gehirns mit Hilfe moderner bildgebender Verfahren wie der funktionellen Magnetresonanztomographie aber auch der Elektroenzephalographie lokalisieren, abbilden und analysieren.

    So ist es Wissenschaftlern mittlerweile gelungen, das Neuronennetzwerk, das unsere Sprachfähigkeit garantiert, zu einem großen Teil zu verorten und abzubilden. Da gibt es zum Beispiel das Broca-Areal, das vor allem für die Syntax-Verarbeitung verantwortlich ist, und das Wernicke-Areal, das wichtig für die Entschlüsselung von Semantik ist.

    Syntax – das ist die Reihenfolge von Zeichen und Mustern. Wenn wir die erkennen, können wir Strukturen erkennen. Satz- und Wortstrukturen zum Beispiel.

    Bei der Semantik geht es um Bedeutung – das ist dann sozusagen das Fleisch rund um das Syntax-Gerüst: Die Dinge werden regelrecht aufgeladen mit Gerüchen, Farben, Emotionen, Assoziationen.

    Doch die Lokalisierung dieser separaten Netzwerke erkläre jedoch die komplexe Verarbeitung von Sprache, die verschiedene Elemente wie Grammatik (Syntax), Bedeutung (Semantik) oder auch Aussprache (Phonetik) miteinander verknüpft, nur unzureichend, stellen Friederici und Singer fest.

    Um zu begreifen, wie das im Gehirn vor sich geht, müsste man nicht nur die Organisationsstrukturen innerhalb der kleinen Schaltkreise entschlüsseln, sondern auch deren zeitliche Organisation innerhalb des gesamten Netzwerkes.

    Die Schwierigkeiten fangen erst an

    Dies klingt einfacher, als es ist: Die systematische Analyse der gesamten Verarbeitung  von Sprache ist äußerst schwierig, gestehen die beiden Forscher ein. Denn sauber trennen lassen sich die unterschiedlichen Sprach(erkennungs)funktionen im Gehirn nicht.

    Zum einen ergeben die Verschachtelungen von Syntax und Semantik (und weiterer Sprachelemente) derart komplexe Verarbeitungsmuster, dass eine Aufschlüsselung mit den gängigen Verfahren bisher nicht möglich war. Zum anderen besitzt insbesondere die semantische Verarbeitung von Sprache eine Eigenschaft, die sich systematischen Untersuchungsmethoden weitgehend entzieht: Die Bedeutung einzelner Wörter wird von jedem Menschen in einem individuellen Kontext erlernt. Ein und dasselbe Wort, beispielsweise „Zitrone“ ist für jeden von uns mit ganz unterschiedlichen Assoziationen verknüpft – das kann die Farbe Gelb sein; der einprägsame saure Geschmack, den wir als Kind beim ersten Probieren wahrgenommen haben; die Erinnerung an einen Urlaub; der Geruch von Zitronenlimonade, die unsere Oma im immer Kühlschrank hatte oder vieles andere.

    Und das hat zur Folge, dass ein und dasselbe Wort bei verschiedenen Individuen ganz unterschiedliche Aktivierungsmuster im Gehirn hervorruft, die so unähnlich sind, dass sich daraus keine validen, zu verallgemeinernden Ergebnisse ableiten lassen, stellen die beiden Autoren fest.

    Die meisten Menschen wissen gar nicht, was für komplexe Vorgänge in ihrem Gehirn ablaufen. Und sie ahnen auch noch nicht einmal, warum andere Menschen etwas völlig anders verstehen – etwa wenn sie von Zitronen erzählen.

    Auch einzelne Neuronen oder kleine Neuronengruppen und deren Arbeitsweise abzubilden ist mit heutigen Mittel kaum möglich, das modernste nicht-invasive Verfahren, die Magnetresonanztomographie, erlaubt lediglich die Visualisierung von räumlichen und zeitlichen Aktivierungsmustern, betonen die beiden Autoren.

    Hilfe gibt’s mal wieder von unseren nächsten Verwandten

    Alternativ könnten jedoch Daten aus Studien mit nichtmenschlichen Primaten herangezogen werden, denn nach Auffassung der Autoren basieren auch komplexe Prozesse, die nur im menschlichen Gehirn realisiert werden – wie beispielsweise die Verarbeitung von Syntax – auf den gleichen neurophysiologischen Grundprinzipien wie andere kognitive Funktionen, die auch bei anderen Spezies vollzogen werden, wie das Erkennen von Objekten.

    Im Klartext: Die Fähigkeit des Menschen zu sprechen basiert auf Voraussetzungen, die auch im Gehirn von Menschenaffen schon angelegt sind.

    Nach dieser Auffassung wird die Verarbeitung von Sprache in spezialisierten Gehirnarealen realisiert, die große dynamische Netzwerke bilden.

    Wer jetzt also noch glaubte, im Kopf seien bestimmte Nervenzellen für das Wort Mohrrübe und andere für das Wort Klammeraffe zuständig, der hat sich geirrt. Wahrscheinlich wäre dann unser Gehirn vollgestopft mit lauter Begriffen – und würde trotzdem nicht funktonieren.

    Friederici und Singer benutzen, um die Sache begreifbar zu machen, Begriffe aus der Computertechnik: „Die spezifische Funktion, die dabei einzelnen Schaltkreisen zukommt, ergibt sich aber vor allem aus ihrer Einbettung innerhalb des jeweiligen Netzwerkes, weniger aus ihrer eigentlichen Organisation.“

    Die Verarbeitung von Sprachlauten oder Wörtern basiert also nicht auf einzelnen spezialisierten Neuronen, sondern auf kleinen Neuronengruppen mit bestimmter Aufgabe, die immer dann miteinander kooperieren, wenn’s nötig ist, und  die richtig flexibel kombiniert werden. Und das ermöglicht dann eine nahezu unendliche Zahl von Kombinationsmöglichkeiten, die mit Hilfe eines relativ kleinen Sets von funktionsselektiven Neuronen realisiert werden können. Die entzünden quasi regelrecht die Wort-Wolken in unserem Kopf während des Sprechvorgangs.  Oder sorgen dafür, dass ein Bursche in Weimar ein Gedicht über das Land schreibt, wo die Zitronen blühen.

    Und diese Neuronengrüppchen sind dabei nicht nur Teil eines Netzwerks. Sie  formieren sich zu verschiedenen Zeiten in unterschiedlichen, sich selbst organisierenden neuronalen Netzwerken, abhängig von Stimulus und Verhaltenszielen, also von den Signalen, die uns von außen erreichen. Wir müssen nicht mal Tiger sagen, wenn wir einen sehen. Er entsteht als Bild im Kopf (wobei uns die Schimpansen noch nicht verraten haben, ob sie auch einen Tiger sehen, wenn sie „Tiger“ denken – vielleicht laufen sie schon vorher weg).

    Wer nur einen Job beherrscht, ist hier falsch

    Einzelne Neuronen funktionieren passend dazu als „Multitasking- Elemente“, wie bei nichthumanen Primaten in Studien gezeigt worden ist, betonen die beiden Autoren. Das sind dann die eigentlichen Netzwerker, weil sie unterschiedliche Netzwerke anfeuern können. Ähnliche Strategien wurden in Studien für das menschliche Hirn nachgewiesen.

    Und der Schluss, den Friederici und Singer daraus ziehen: Diese Erkenntnis legt eine genetische Vorbestimmung der Schaltmuster nahe, die kortikale Gebiete befähigen, bestimmte Funktionen zu übernehmen. Kortikal bedeutet hier ganz einfach: Denkvorgänge im Kortex, der Gehirnrinde, wo all das „passiert“, was unser Sprechen-Können ausmacht.

    Heißt im Klartext: Jedes Menschenbaby wird mit den grundlegenden Fähigkeiten zum Sprechen-Können schon geboren. Danach geht dann das Gehirn erst einmal in die Schule. Denn Sprechen-Können ist das Eine – die richtige Sprache lernen das Andere.

    Diese Funktionen werden dann nämlich „während der Entwicklung eines Individuums durch erfahrungsbezogene Selektion von Verbindungen optimiert und anschließend durch Lernprozesse verfeinert“, wie es die Max-Planck-Forscher formulieren. Da spielen die Eltern eine wichtige Rolle: Während sie nämlich glauben, dem Knirps das Sprechen „beizubringen“ (Mama, Baba, Dudu, Mutzipurtzi …), helfen sie dem Kind einfach, das richtige Muster zur Spracherkennung auszubilden, die richtigen Netzmuster im Gehirn zu entwickeln, um bei „Zitrone“ auch so etwas Ähnliches wie Zitrone als Vorstellung im Kopf zu haben. Und dann auch noch Zitrone zu sagen. Oder „Baba!“

    Die Zusammenarbeit der beiden Max-Planck-Forscher Friederici und Singer eröffnet ganz neue Blickwinkel darauf, wie grundlegende, speziesübergreifende neurophysiologische Prinzipien auch die Realisierung von komplexen menschenspezifischen Gehirnleistungen wie Sprache ermöglichen, betont das Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften noch extra, damit alle verstehen, um was für ein spannendes Forschungsfeld es hier geht.

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