Sprache: Wie das Gehirn aus einzelnen Wörtern ganze Sätze baut
In dem Bruchteil einer Sekunde, bevor ein Mensch spricht, muss das Gehirn komplexe Grammatik, einen breiten Wortschatz und die zugrunde liegende Bedeutung der Sprache miteinander verknüpfen. Nun haben Forscherinnen und Forscher die elektrischen Impulse einzelner Gehirnzellen in Echtzeit während spontaner Gespräche gemessen und dabei beobachtet, wie Sätze entstehen, noch bevor auch nur ein Wort ausgesprochen wird.
Indem sie die Aktivität von Neuronen im frontotemporalen Kortex des Gehirns aufzeichneten, entdeckten die Wissenschaftler, dass einzelne Hirnzellen als spezialisierte Bausteine der Sprache fungieren. »Früher dachte man, Sprache sei ein diffuses Phänomen, das das gesamte Netzwerk betrifft«, erklärt Ziv Williams, Neurochirurg am Massachusetts General Hospital (MGH) in Boston und Mitautor der Studie. »Doch tatsächlich gibt es spezifische Neurone, die nur darauf reagieren, ob ein Wort ein Substantiv ist, oder nur darauf, ob eine Phrase endet.« Ihre Ergebnisse veröffentlichte die Gruppe im Fachmagazin »Nature«.
Einzelne Neurone arbeiten ähnlich wie moderne Sprachmodelle
Um die Aktivität der Zellen zu erfassen, nutzten Williams und sein Team die Daten von Elektroden, die Epilepsiepatienten vorübergehend implantiert worden waren, um deren Anfälle zu überwachen. Auf diese Weise konnten die Forscher beobachten, wie das Gehirn während des Sprechens arbeitete – und zwar in einer Detailtiefe, die herkömmliche bildgebende Verfahren nicht bieten.
Die Forscher stellten fest, dass bestimmte Neurone kurz vor dem Aussprechen bestimmter Elemente, zum Beispiel eines Substantivs, stärker feuerten. Dies deutet darauf hin, dass das Gehirn Sätze konstruiert, indem es gezielt Neurone aktiviert, die für bestimmte sprachliche Komponenten wie etwa Wortarten zuständig sind.
Um diese elektrische Sinfonie besser zu verstehen, griff das Team auf große Sprachmodelle zurück – dieselbe Art künstlicher Intelligenz, auf der auch Chatbots beruhen. Indem sie die Arbeitsweise der Modelle mit der Hirnaktivität der Probanden verglichen, entdeckten die Wissenschaftler, dass sowohl die Sprachmodelle als auch die Neurone den weiteren Satzkontext zu verfolgen scheinen. Sie behalten bis zu fünf vorhergehende Wörter im Gedächtnis, um die Bedeutung des nächsten Wortes zu formen.
Außerdem stellte die Gruppe fest, dass die meisten Zellen bevorzugt entweder semantische, also auf die Wortbedeutung bezogene Informationen codierten, oder syntaktische Informationen, die sich auf Grammatik und Satzbau beziehen. Die Neurone in der linken Hälfte des frontotemporalen Kortex waren dabei aktiver als die in der rechten.
Viele Fragen bleiben noch offen
Neben Neuronen, die Sprache extrem spezialisiert zu verarbeiten scheinen, stießen die Fachleute aber auch auf synchronisierte elektrische Wellen, die das umgebende Hirngewebe erzeugt. Dieses breitere elektrische Grundrauschen zeigte keine vergleichbare sprachliche Spezifität: Während eine einzelne Zelle etwa auf die Bedeutung eines Wortes reagiert, überwacht die unmittelbare Nachbarschaft der Zellen möglicherweise etwas ganz anderes wie das Ende einer Phrase.
Für Fachleute wie Angela Friederici, Neuropsychologin am Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften in Leipzig, wirft diese Diskrepanz eine zentrale Frage auf: Wenn die einzelnen Bausteine der Sprache so isoliert arbeiten, wie schaffen sie es dann, sich schnell zusammenzutun und flüssiges Sprechen zu ermöglichen?
Friederici weist zudem darauf hin, dass die Ergebnisse nur eine Momentaufnahme der Hirnaktivität darstellen. Frühere Studien an Mäusen konnten zeigen, dass sich die Reaktionen einzelner kortikaler Zellen im Lauf der Zeit stark verändern können – ein Phänomen, das als »representational drift« bekannt ist. Da das Gehirn hier nur über einen kurzen Zeitraum überwacht wurde, ist unklar, ob die einzelnen Neurone ihre sprachlichen Aufgaben über Monate oder Jahre hinweg beibehalten.
Williams hofft unter anderem, dass die neuen Erkenntnisse künftig dazu beitragen, fortschrittlichere Gehirn-Computer-Schnittstellen für Menschen zu entwickeln, die nicht mehr sprechen können. Wenn Forscher verstehen, wie einzelne Zellen Satzstruktur und Grammatik codieren, könnten sich perspektivisch vielleicht komplexe Gedanken direkt aus dem Gehirn entschlüsseln lassen.
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