Die Gehirnnetzwerke, die menschliche Konversation ermöglichen

Ein Netz zur Sprachplanung für den interaktiven Sprachgebrauch

07.01.2022 Eine neue Studie hat ein Netzwerk im Gehirn identifiziert, das aktiv ist, während wir unsere verbalen Antworten während eines Gesprächs planen.

Die in der Fachzeitschrift Nature veröffentlichte Studie befasste sich mit den Berechnungen im Gehirn, die solche Antworten ermöglichen, und vor dem Ende des Gesprächteils des Partners geplant und innerhalb eines Bruchteils einer Sekunde ausgesprochen werden.

Verschiedene Hirnareale aktiv

Die von Forschern der NYU Grossman School of Medicine und der University of Iowa geleitete Studie ergab, dass bei der Sprachplanung für den sekundenschnellen verbalen Austausch verschiedene Hirnareale aktiv sind, darunter auch Regionen, die bisher nicht mit dieser Funktion in Verbindung gebracht wurden.

Die Studie zeigt Hirnnetzwerke, die hinter der Planung stehen, die dieses Hin und Her möglich macht, und die bisher schwer fassbar waren, sagt der Hauptautor Michael Long.

Er fügt hinzu, dass diese Arbeit für die Entwicklung neuer Therapien für Menschen mit Problemen ihre Stimme zu gebrauchen von Nutzen sein wird – wie Personen mit Apraxie (Schwierigkeiten bei der Planung von Sprechbewegungen) und Aphasie (d. h. Schwierigkeiten bei der Verarbeitung von Sprache), die mit Krankheiten wie Autismus einhergehen oder durch ein Trauma infolge eines Schlaganfalls verursacht werden können.

EEG und Elektrokortikographie (ECoG)

Jahrelang versuchten die Forscher, die Sprachfunktionen mit Hilfe von Elektroenzephalogrammen (EEG), bei denen Elektroden auf der Kopfhaut angebracht werden, mit den Schaltkreisen des Gehirns in Verbindung zu bringen. Diese Geräte messen schnelle Schwankungen der elektrischen Signale, die auftreten, wenn große Gruppen von Nervenzellen „feuern“, um elektrische Signale zu übertragen. Doch das EEG konnte die Lage der Nervenbahnen nicht mit ausreichender Auflösung bestimmen, und die funktionelle Magnetresonanz – eine weitere häufig verwendete Technologie – war nicht schnell genug, um Aktivitätsmuster zu erfassen, die mit der Gesprächsplanung von Antworten zusammenhängen, so die Studienautoren. Diese nicht-invasiven Methoden lassen einen kritischen blinden Fleck in der Fähigkeit des Feldes zur Verfolgung der Gehirnaktivitäten während eines alltäglichen Gesprächs, sagen die Autoren.

Eine andere Technologie, die Elektrokortikographie (ECoG), überwindet diese Hindernisse, indem sie Elektroden nicht auf der Kopfhaut, sondern direkt auf der Oberfläche des Gehirns anbringt. Schnelle, präzise ECoG-Messungen ergaben, dass das Gehirn eine natürliche Konversation führt, indem es die Wahrnehmung des Gehörten, die Planung einer Antwort und die Produktion der Laute (Artikulation), aus denen Wörter bestehen, kombiniert. Während andere EKG-Studien die Netzwerke im Zusammenhang mit der Wahrnehmung und der Produktion ermittelt haben, ist die aktuelle Studie die erste, die die Hirnaktivität während der Planungsphase der Antwort zwischen diesen beiden Phasen erfasst, sagen die Autoren.

Forscher können mit Patienten sprechen und die Aktivität von Gehirnschaltkreisen beobachten, während sie sprechen oder zuhören, aber die Planung hat keine physische Entsprechung, sagt Long. Als die Forscher EKG-Messungen mit einer Technik kombinierten, bei der den Patienten strukturierte Fragen gestellt werden, konnten sie ein zugrundeliegendes Planungsnetzwerk aufdecken.

Die Gehirnaktivität im Zusammenhang mit der Planung

Zur Durchführung der Studie platzierte das Forscherteam Elektroden auf der Hirnoberfläche von Patienten, die gerade operiert wurden, um entweder einen Tumor oder Hirngewebe zu entfernen, das epileptische Anfälle verursacht. In beiden Fällen betäubten die Chirurgen die Patienten zunächst nur lokal, um die Hirnregionen zu bestimmen, die aktiv sind, wenn die Patienten sprechen, und so eine Schädigung der Sprachzentren des Patienten zu vermeiden.

Die Forscher platzierten Arrays von EKG-Elektroden auf den sprachdominanten linken Hirnhälften von acht freiwilligen Patienten. Als Nächstes maßen sie die Planungsreaktionen mit einem Paradigma, das von einem anderen Labor entwickelt worden war, der sogenannten CI-Aufgabe (Critical Information), mit der das Timing der Planung kontrolliert werden sollte. In jedem Frageblock bestimmt ein wechselndes Schlüsselwort, die CI, den Beginn der Antwortplanung, so dass die Gehirnaktivität in diesem Zeitfenster verfolgt werden kann.

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Durch die Änderung des Wortlauts jeder Frage, so dass die Schlüsselinformationen, die für den Beginn der Planung einer Antwort erforderlich sind, früher oder später präsentiert werden, konnten die Forscher die Gehirnaktivität im Zusammenhang mit der Planung von der Wahrnehmung und Produktion unterscheiden. Wichtig ist, dass die Mehrheit der kortikalen Reaktionen nur mit einem dieser drei Sprachprozesse in Verbindung stand, was zeigt, dass die Netzwerke für jede Funktion weitgehend getrennt waren.

Kaudaler inferiorer frontaler Gyrus (cIFG) und kaudaler mittlerer frontaler Gyrus (cMFG)

Darüber hinaus stellten die Forscher fest, dass 95,5 Prozent der Planungselektroden in einer räumlich abgegrenzten Hirnregion angesiedelt waren, wobei die meisten Planungselektroden im kaudalen inferioren frontalen Gyrus (cIFG) und im kaudalen mittleren frontalen Gyrus (cMFG) zentriert waren. Während die Bedeutung des cIFG, der gemeinhin als „Broca-Region“ bezeichnet wird, für die Sprache seit langem bekannt ist, war eine Rolle des cMFG bisher nicht nachgewiesen worden.

Darüber hinaus stellte das Team fest, dass das mit der CI-Aufgabe identifizierte Planungsnetzwerk auch dann aktiv ist, wenn sich die Patienten auf das Sprechen während natürlicher, ungeschriebener Unterhaltungen vorbereiten. Nachdem die Patienten die strukturierten Fragen beantwortet hatten, verwickelten die Forscher sie in ein mehrminütiges lockeres Hin- und Hergespräch, bei dem die gleichen Muster in Bezug auf Wahrnehmung, Planung und Sprechen in der Gehirnaktivität der Patienten auftraten.

Diese Studie liefert eine erste Beschreibung der spezifischen Gehirnmechanismen, die Sprache in natürlichen, alltäglichen Kontexten erzeugen, sagt Koautor Gregg Castellucci. Entscheidend ist, dass das Gehirn-Mapping, das so bei einfachen, kontrollierten Aufgaben gefunden wurde, auch bei Tests des natürlichen menschlichen Verhaltens Bestand hatte, fügt er hinzu.

© Psylex.de – Quellenangabe: A speech planning network for interactive language use, Nature (2022). DOI: 10.1038/s41586-021-04270-z

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