MEG-Untersuchung der Sprachperzeption anhand des Einflusses der Stimmhaftigkeit und des Artikulationsortes auf evozierte kortikale Magnetfelder

Inhaltsverzeichnis

1 Vorbemerkungen

2 Wie wirkt Sprache im Gehirn?
2.1 Wissenschaftstheoretische Vorüberlegungen
2.2 Herangehensweise

3 Grundlagen der Sprachperzeption
3.1 Theorien der Sprachperzeption
3.1.1 Phonetische Grundlagen der Sprachperzeption
3.1.1.1 Die Grundeinheiten der Sprache: Sprachlaute
3.1.2 Distinktive Merkmale
3.2 Neurophysiologische und neuroanatomische Grundlagen der Sprachperzeption
3.3 Die kortikalen Strukturen der Sprache (Brodman-Areale, Broca- und Wernicke-Areal)
3.4 Lokalisationstheorien
3.5 Lateralisation der Sprachverarbeitungsprozesse
3.6 Grundlagen der Verarbeitung distinktiver phonetischer Merkmale
3.6.1 Der Ort der Artikulation (OA)
3.6.2 Stimmhaftigkeit (VOT)

4 Methodische Grundlagen
4.1 Grundprinzipien der Magnetoenzephalographie
4.1.1 Was ist Biomagnetismus?
4.1.2 Pro und Contra der Magnetoenzephalographie
4.2 Elektrophysiologische Grundlagen der neuromagnetischen Quellenlokalisation
4.2.1 Die Aktionspotentiale - „Sprache“ der Neuronen
4.2.2 Fortleitung des Aktionspotentials
4.2.3 Das Quellenmodell des äquivalenten Stromdipols
4.2.4 Das Kopfmodell
4.2.5 Das inverse Problem
4.3 Aufbau des 37-Kanal-SQUID-Meßsystems
4.3.1 Funktionsweise und wichtige Kenndaten

5 Die Methodik der Auditorisch Evozierten Antworten
5.1 Klassifikation und Nomenklatur der AEP und AEF

6 Experimentelle Untersuchung der AEF, die durch Stimmhaftigkeit und Artikulationsort in beiden Hirnhälften hervorgerufen werden
6.1 Hypothesen
6.2 Experimentelles Design
6.3 Das Stimulimaterial
6.3.1 Der Vokalraum
6.3.2 Generierung der Stimuli
6.4 Durchführung des Experiments
6.4.1 Probanden
6.4.2 Vorbereitungen: Audiogramm, Händigkeits- und Diskriminationstest
6.4.3 Die MEG-Messungen
6.4.4 Die steady-state - Stimulation
6.5 Datenanalysen
6.5.1 Reduktion des Rauschens
6.5.2 Artefaktausschluß und Mittelungsprozedur
6.5.3 Quellenanalyse
6.5.0 6.5.4 Statistische Analysen
6.5.5 Latenz- und Amplitudeneffekte
6.5.6 Lokalisationen

7 Ergebnisse

8 Diskussion

9 Zusammenfassung und Ausblick

10 Glossar

11 Literaturverzeichnis

12 Anhang

“Wir fühlen, daß selbst wenn alle möglichen wissenschaftlichen Fragen beantwortet sind, unsere Lebensprobleme noch gar nicht berührt sind. Freilich bleibt dann eben keine Frage mehr; und eben dies ist die Antwort.” (Wittgenstein, Tract. 6.52)

1 Vorbemerkungen

Die Funktionsweise unseres Gehirns ist trotz modernster Technik noch weitgehend rätselhaft. Doch jedes Rätsel veranlaßt uns, darüber nachzudenken und nachzuforschen, wie es zustande kam und wie es funktioniert. Eine große Anzahl von Wissenschaftlern aus den verschiedensten Forschungsbereichen forscht in dieser „ Dekade des Gehirns“, den 90er Jahren des 20. Jahrhunderts, an diesem hochkomplexen Forschungsobjekt, das gleichzeitig Subjekt ist und unser aller Denken, Fühlen und Handeln entscheidend kontrolliert.

Die Psychologie, die sich seit jeher mit der Erforschung der Wahrnehmung, der Kognition, der Emotion, der Motivation oder Volition und des menschlichen Verhaltens, um einige der wichtigsten Themenbereiche zu nennen, beschäftigt, kann sich nicht auf „beobachtbares Verhalten“ allein beschränken, wenn sie ihrem Anspruch, die Beweggründe, Regeln und Gesetzmäßigkeiten menschlichen Denkens, Fühlens und Handelns verstehen, beschreiben und erklären zu wollen, gerecht werden will.

Zu diesem Zweck muß sie sich auch in Bereiche hineinwagen, die ein Ergründen der neurophysiologischen und -psychologischen Prozesse im Gehirn unter Anwendung der neuesten Forschungsmethoden ermöglichen.

Die neuen (nichtinvasiven) bildgebenden Verfahren (Positronen-Emissions-Tomographie (PET), die einen regionalen zerebralen Blutfluß mißt, die Kernspin(resonanz)tomographie (NMR) bzw. funktionale Magnetresonanztomographie (fMRT), Single-Photon-Emissions-Computer-Tomographie (SPECT) oder die magnetoenzephalografische Ermittlung einer neuronalen Quelle der magnetischen Feldstärken einer kortikalen Aktivität (Magnetoenzephalogramm: MEG) sowie die ältere nichtinvasive elektroenzephalografische Ableitung von Potentialdifferenzen an der Kopf oberfläche (EEG), die auf die zugrundeliegende Gehirnaktivität schließen lassen, erlauben heute schon ungeahnte Möglichkeiten des Einblicks in die Funktionsweise und die Mechanismen des Gehirns. Ein Gehirnforscher, der sich solcher Mittel des Einblicks in das menschliche Denken bedient, hält gewissermaßen eine Lupe über die verschiedenen Funktionseinheiten des Gehirns - seien es nun einzelne Neuronen oder ganze Zellverbände aus Nervenzellen, sogenannte Neuronale Netze, oder das Gehirn als Ganzes - und betrachtet die den basalen bis hochkomplexen kognitiven Vorgängen zugrundeliegende neuronale Aktivität; er bestimmt unter festgelegten äußeren Stimulationsbedingungen die Zusammenhänge zwischen den experimentellen Variablen und den untersuchten neuronalen Antworten.

Die Befunde, die in diesen neurophysiologischen Experimenten erhoben werden, werden in einer Sprache beschrieben, in der die Eingangs- und Ausgangsbedingungen eines begrenzten Abschnitts des Gehirns eindeutig festgelegt sind. Die dabei festgestellte neuronale Aktivität wird in Begriffen der Sprache des Wissenschaftlers festgehalten, der sich dadurch mit einer Wissenschaftlergemeinschaft (der sog. scientific community ) verständigen kann, der dadurch seine Befunde ordnet und ihnen Bedeutung verleiht. Damit wird jedoch über die Arbeitsweise des Gehirns nur soviel gesagt, wie es die Sprache des Wissenschaftlers erlaubt, da das Gehirn seine Aktivität unabhängig von den Begriffen, mit denen es beschrieben wird, quasi über diese Begriffe hinaus entfaltet.

Die hier vorliegende Arbeit wurde unter Rücksichtnahme auf diesen Sachverhalt verfaßt: ihre Methode und Ergebnisse sind eng an die Sprache und das Bezugssystem gebunden, in dessen Rahmen die Untersuchung stattfand.

Um Sprache soll es in dieser Arbeit gehen, genauer: um die der Sprachperzeption zugrundeliegende neuronale Aktivität. Die Gehirnaktivität während der Perzeption von Sprache kann auf viele verschiedene Arten beschrieben werden. So wird ein Psycholinguist sich eher für Einheiten der Sprachwahrnehmung (Phoneme, Silben, Wörter), die Aktivierungssequenzen dieser Einheiten und die Art des Aufrufens, der Verknüpfungen und der Reproduktion der einzelnen Informationseinheiten interessieren. Ein Neuropsychologe wird die dabei vorkommenden Sprachstörungen untersuchen und verstehen wollen, und ein Neurophysiologe wird sich mehr auf Fragestellungen konzentrieren, die die Mechanismen innerhalb der Nervenzellen oder innerhalb von Nervenzellenverbänden betreffen. Ein Erforscher der Künstlichen Intelligenz oder ein Kybernetiker werden die Ge hirn tätigkeit anhand von Neuronalen Netzen simulieren und reproduzieren wollen. Er/sie wird die Tätigkeit des Gehirns mithilfe der Sprache, die die Aktivität eines Rechners beschreibt, versuchen zu erfassen: als ein geschlossenes, sich ständig neu ordnendes Kreisen der neuronalen Aktivität, als ein sich ständig neu errechnendes Errechnen (v. FÖrster, 1985).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Auch könnte man die Tätigkeit (sofern hier überhaupt von „Tätigkeit“ die Rede sein kann) des Gehirns beim Verstehen der Sprache im Rahmen einer Selbstorganisationstheorie als einen aktiven Ordnungsbildungsprozeß bezeichnen, der selbstorganisatorisch einen stabilen und eindeutigen Ordnungszustand herbeiführt.

Allen gemeinsam ist jedoch, daß sie verstehen wollen, mit welchen Prozessen im Gehirn die Verarbeitung der Sprache als eines Signalsystems zur Kommunikation mit der Außenwelt einhergeht, was Sprache im Gehirn bewirkt und welche Gehirnaktivitäten für Sprache verantwortlich sind.

Unsere Sprache reicht nur soweit, wie wir denken und wahrnehmen können. Wir schaffen uns Modelle von unserer Welt, von unseren Mitmenschen, von unserer Persönlichkeit und nicht zuletzt von der Funktionsweise unseres Nervensystems, die auf unser Wissen, auf unsere Beobachtungen und Experimente gründen, die aber nur zu einem gewissen Grad identisch sind mit der Welt, die sie beschreiben. Wir nehmen wahr, was wir als wahr an nehmen, was sich bis auf weiteres nicht als „unwahr“ oder inexistent erweist.

Aus dieser Perspektive beschreiben die nachfolgenden Ausführungen die wahrgenommene Aktivität des Cortex cerebralis und verzichten auf den Anspruch, die ganze „wahre“ Aktivität beschreiben zu können.

Wie das Gehirn die ankommenden Sprachsignale wahrnimmt und verarbeitet, ist das Thema dieser Arbeit. Die der Sprachperzeption zugrundeliegende neuronale Aktivität wird operationalisiert, d.h. sie wird in einem experimentellen Design unter bestimmten Stimulibedingungen räumlich und zeitlich eingegrenzt, die eingehenden (sprachlichen oder nichtsprachlichen) Signale werden auf zwei, drei wesentliche Merkmale reduziert, die dadurch hervorgerufene („evozierte“) Antwort wird gemessen und durch Mittelungen ebenfalls auf ihre wesentlichen Bestandteile reduziert, die somit vergleichbar und interpretierbar werden.

Die Fähigkeit zur Sprache hat ihren Ursprung in relativ umgrenzten Gehirnstrukturen, den sog. Sprachzentren, die sich zusammen mit dem peripheren Sprachapparat entwickelt haben. Diese der Sprachverarbeitung zugrundeliegenden neuronalen Strukturen liegen asymmetrisch über beide Hirnhälften verteilt. Welche neurophysiologischen Strukturen und psycholinguistischen Mechanismen der Sprachperzeption zugrundeliegen, ist Gegenstand dieser Arbeit.

“Die Grenzen meiner Sprache bedeuten die Grenzen meiner Welt.” (Wittgenstein, Tract 5.6)

2 Wie wirkt Sprache im Gehirn?

Der Impetus für das Aufnehmen dieser Arbeit ging von dem Begehren aus, das "Verstehen" zu verstehen, gleichwohl diese Arbeit nur ein kleines Steinchen im Mosaik dieses Anliegens sein kann. Dabei soll es um keine spezielle Erscheinungsform des Verstehens gehen, sondern um die grundlegende, alle Formen des Verstehens durchziehende menschliche Fähigkeit des Sprachverstehens. Dabei ist schon die Frage: "Was ist Sprache?" oder "Wie wirkt Sprache?" Teil der Antwort, weil wir diese Fragen ohne Sprache nicht stellen könnten.

Es wird um Aspekte des Funktionierens der Sprachperzeption auf einer neurobiologisch-physiologischen Ebene gehen. Und zwar speziell um die Prozesse der Perzeption von bestimmten Sprachmerkmalen, die für das Erkennen eines Sprachlautes konstituierend sind. Welche Teile des Gehirns sind daran beteiligt? Welche Neuronen oder Neuronenverbände arbeiten in welcher Weise bei der Sprachperzeption zusammen? Was geht im Gehirn vor sich, wenn wir Sprache "perzipieren"? Wie kommt Sprache im Gehirn an und was macht sie auf dem Weg zum verstandenen Wort? Wie kommt das verstandene Wort zustande? Welche Entsprechung hat Sprache auf neuronaler Ebene? Gibt es im Bereich der Sprachperzeption - ähnlich wie bei der visuellen Perzeption von geometrischen Figuren - sogenannte Merkmalerkennungsneurone? Diese und ähnliche Fragen waren der Ausgangspunkt für diese Arbeit. Diese Fragen sprengen zwar den Rahmen dieser Arbeit. Nichtsdestotrotz ist diese Arbeit nur im Rahmen dieser Fragen sinnvoll.

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