Implizite syntaktische und semantische Sprachverarbeitung auf Phrasenebene

1. Implizite syntaktische und semantische Sprachverarbeitung auf Phrasenebene Eine ereignisbasierte fMRI-Studie

2. Rückblick (1) Läsionsstudien haben ergeben: syntaktische Verarbeitung ist an die linken vorderen Gehirnregionen geknüpft, semantische Verarbeitung an die linken hinteren Temporalregionen ERP-Studien unterstützen diese Sicht: syntaktische Anomalien konnten stets mit ELAN/P600 in Verbindung gebracht werden, semantische Anomalien mit N400

3. Rückblick (2) Ergebnis einer früheren PET-Studie: linkes Broca-Zentrum ist Hauptaktivierungsregion bei syntaktischer Verarbeitung

4. Eigenschaften der Studie ereignisbasiert (event-related) Ermittlung von Signaländerungen in direkter Reaktion auf einzelne Stimuli möglich implizit keine aktive Reaktion der Testperson erforderlich, auf diese Weise Vermeidung von motorischen, sensorischen und kognitiven Seiteneffekten Verwendung minimaler Verbal-phrasen

5. Testpersonen 14 neurologisch nicht geschädigte nativ-englischsprachige Probanden im Alter von 18 bis 26 Jahren (Durchschnitt betrug 20.9 Jahre) 5 Männer, 9 Frauen alle Rechtshänder

6. Materialien (1) minimale englische Verbalphrasen Beispiele: drove cars, drew pictures alle im Präteritum zur Vermeidung imperativer Bedeutungen - drive cars alle unregelmässig um eine attributive Funktion adjektivierter Verben auszuschliessen – (the) copied papers alle im Plural

7. Materialien (2) 2 Varianten (conditions) von Stimuli eine Liste normaler VPs mit eingestreuten syntaktisch inkorrekten VPs (syntactic condition) eine Liste normaler VPs mit eingestreuten semantisch inkorrekten VPs (semantic condition)

8. Ablauf (1) Stimuli wurden visuell präsentiert in weissen Kleinbuchstaben zentriert auf schwarzem Hintergrund, jeweils 2 Sekunden lang normale, gültige VPs bildeten das Grundsignal Ziel-Stimuli (syntaktisch oder semantisch inkorrekte VPs) wurden durch jeweils mindestens 10 gültige VPs voneinander getrennt eingespielt

9. Ablauf (2) jeder Durchlauf enthielt 7 Ziel-Stimuli Dauer eines Durchlaufs: 3 Minuten, 4 Sekunden beide Varianten von Ziel-Stimuli wurden in zufälliger Reihenfolge je dreimal wiederholt niemals wurde ein Verb-Substantiv-Paar innerhalb eines Durchlaufs wiederholt einzelne Verben und Substantive dagegen schon

10. Ablauf (3) Testpersonen wurden angewiesen, die Worte lediglich zu lesen es wurde sichergestellt, dass die Testpersonen den Stimuli auch tatsächlich Beachtung schenkten

11. Bildgebung (1) Identifizierung der anterior commissure und der posterior commissure anhand eines Sagittal-Scans

12. Anterior CommissureAnterior Commissure

13. Bildgebung (2) Parallel zur AC-PC-Ebene wurden 6 verschiedene Horizontalschnitte zur Bildgebung ausgewählt Der unterste Schnitt war die AC-PC-Ebene selbst Zu jeder von 16 jeweils auf einen Ziel-Stimulus folgenden Sekunden wurde ein Bild gemacht

14. Bildanalyse (1) Transformation in den Talairach-Raum das Gehirn muss dazu so ausgerichtet werden, dass die AC-PC-Ebene horizontal verläuft als Ursprung wird der Schnittpunkt des mid-sagittal-plane mit der anterior commissure gewählt räumliche Normalisierung

15. Bildanalyse (2) Mittelung der 16er-Mengen von Bildern so dass danach für syntactic und semantic condition jeweils 16 Durchschnittsbilder zur Verfügung standen Bestimmung eines zeitlichen Aktivierungsverlaufes pro Pixel Bestimmung von Korrelations-Koeffizienten (für jeden Pixel) durch Vergleiche mit 3 hämodynamischen Referenzdiagrammen, anschliessend Mittelung über alle 14 Testpersonen

16. Ergebnisse (1) Inferior Frontal Gyrus (BA 44/45) linksseitige Aktivierung des hinteren BA 44 in beiden Fällen (stärker im syntaktischen Fall) linksseitige Aktivierung des vorderen BA 45 im syntaktischen Fall, rechtsseitige Aktivierung im semantischen Fall Brodmann-Areale

17. Ergebnisse (2) Middle Frontal Gyrus (BA 10/46) der vordere rechte MFG liess nur im semantischen Fall Aktivität erkennen der linke hintere MFG wurde nur im syntaktischen Fall aktiv Inferior Parietal Lobe (BA 40/19) Aktivität in beiden Fällen Brodmann-Areale

18. Ergebnisse (3) Keine Aktivierung des Wernicke-Zentrums in beiden Fällen Anterior Cingulate Gyrus (BA 32) Aktivierung im syntaktischen Fall und frühe schwache Aktivität im semantischen Fall Brodmann-Areale

19. Diskussion (1) Linksseitige Aktivierung des hinteren BA 44 bestätigt traditionelle Erkenntnisse Rechtsseitige Aktivierung des vorderen BA 45 bestätigt Resultate früherer Untersuchungen von zusätzlich zum Wernicke-Zentrum an semantischer Verarbeitung beteiligten Regionen

20. Diskussion (2) Warum keine Aktivität im Wernicke-Zentrum (zumindest im semantischen Fall)? ein Absenken des Signalschwellwertes förderte eine leichte Aktivierung des Wernicke-Areals nur im semantischen Fall zutage es ist daher anzunehmen, dass sowohl gültige alsauch inkorrekte Phrasen das Wernicke-Areal in ähnlichem Ausmass aktivieren

21. Diskussion (3) „Ausreisser“-Effekt (oddball) möglicherweise nicht auszuschliessen Teile der gemessenen Aktivierungen sind möglicher- weise nicht auf syntaktische und semantische Verarbeitung zurückzuführen, sondern vielmehr eine Folge der Veränderung des Reizmusters beidseitige Aktivierungen des MFG und des „Inferior Parietal Lobe“ scheinen diese Annahme zu bestätigen im Hinblick auf frühere Studien, die speziell dem hier diskutierten Oddball-Effekt gewidmet waren

22. Diskussion (4) Die Aktivierung des „Anterior Cingulate Gyrus“ (BA 32) konnte bereits in früheren Studien als Indikator für Aufmerksamkeit identifiziert werden der Einwand, die Testpersonen hätten den Stimuli möglicherweise keine Beachtung geschenkt, ist damit weitgehend entkräftet

23. Ausblick ER-fMRI ist ein immer noch im Entstehen begriffenes Verfahren, so dass die gesammelten Resultate erst noch durch weitere ER-fMRI-Studien bestätigt und möglicherweise erweitert werden müssen

24. Auditives Sprachverständnis:Verarbeitung syntaktischer und lexikalischer Informationen Eine ereignisbasierte fMRI-Studie

25. Rückblick bekannt seit über einem Jahrhundert: die an der Sprachverarbeitung beteiligten Gehirn- strukturen sind überwiegend in der linken Hemisphäre zu finden Jüngste Studien haben ergeben: die Wahrnehmung einzelner akustisch präsentierter Wörter aktiviert den primär auditorischen Kortex beidseitig sowie kortikale Regionen des linken oberen Temporallappens

26. Ziel der vorliegenden Studie Identifizierung spezifischer beim Verstehen von gesprochener Sprache an der Verarbeitung syntaktischer und semantischer Informationen beteiligten Gehirnregionen

27. Testpersonen 18 nicht gehörgeschädigte (nativ-deutschsprachige) Probanden im Alter von 20 bis 26 Jahren 7 Männer, 11 Frauen alle Rechtshänder

28. Materialien (1) Folgende 4 Typen von (akustischen) Stimuli wurden präsentiert: (1) normale Sprache – syntaktisch und semantisch korrekte Sätze (2) „syntaktische Sprache“ – syntaktisch korrekte Äusserungen, in denen Inhaltswörter durch phonologisch korrekte Pseudowörter ersetzt wurden (3) Listen von Realwörtern, die keine syntaktische Struktur, aber semantische Information enthielten (4) Listen von phonologisch korrekten Pseudowörtern ohne syntaktische oder semantische Informationen

29. Materialien (2) Aufbau der Wortlisten gleiche Anzahl von Wörtern wie in den Sätzen, erstes Wort immer ein Artikel, danach unflektierte Adjektive, Adverbien, Substantive, keine Verben Sätze waren zur Hälfte im Aktiv, zur Hälfte im Passiv realisiert Position von Subjekt, Objekt und Verbalphrase in allen Sätzen gleich

30. Materialien (3) Beispiele:

31. Ablauf (1) Jede Testperson bekam 144 Stimuli in zufälliger Reihenfolge präsentiert Stimuli waren jeweils in einem zeitlichen Abstand von 8 bis 10 Sekunden voneinander getrennt Alle Stimuli wurden von einer aus-gebildeten weiblichen Sprecherin in der gleichen Lautstärke vorgetragen

32. Ablauf (2) Die Testpersonen hatten nach jedem Stimulus zu entscheiden, ob eine syntaktische Struktur und/oder Inhaltswörter vorhanden waren

33. Bildgebung Identifizierung der AC-PC-Ebene 8 verschiedene Horizontalschnitte entlang dieser Ebene wurden zur Bildgebung ausgewählt Je Stimulus wurden über den Folgezeitraum von 16 Sekunden hinweg 8 Bilder gemacht

34. Bildanalyse (1) Bestimmung der Korrelations-Koeffizienten der Pearson-Korrelation nach dem zuvor bereits beschriebenen Verfahren, anschliessend Transformation in normalverteilte Z-Werte Projizierung der Z-Werte auf dreidimensionale Vollaufnahmen des Gehirns anschliessend Mittelung über alle 18 Testpersonen

35. Bildanalyse (2) Festlegung der Regions of Interest (ROIs) (1) der hintere Teil des Superior Temporal Gyrus (Heschl‘s Gyrus und Planum Temporale) (2) der vordere Teil des Superior Temporal Gyrus (Planum Polare) (3) der untere frontale Kortex (Deep Frontal Operculum) (4) das Verbindungsstück zwischen Inferior Frontal Sulcus und Inferior Precentral Sulcus

36. Bildanalyse (3) Berechnung der ANOVA innerhalb jeder ROI mit den Faktoren Hemisphäre (2 Stufen) Syntax (Sätze vs. Listen – 2 Stufen) Semantik (Realwörter vs. Pseudowörter – 2 Stufen) ANOVA (ANalysis Of VAriance) mathematisches Verfahren, mit dessen Hilfe sich Effekte von einzelnen und Interaktionen zwischen mehreren in Rede stehenden Faktoren bestimmen lassen

37. Ergebnisse (1) beidseitige Aktivierungen im Heschl‘s Gyrus sowie in den angrenzenden Temporalregionen (insbesondere im mittleren und hinteren STG) unter allen 4 Bedingungen dies sind die bereits zu Beginn erwähnten Strukturen des für das akustische Sprachverständnis zuständigen zerebralen Netzwerks

38. Ergebnisse (2) Temporale Regionen – ROI (1): Hemisphäre-Effekt – reflektiert das Übergewicht der linken Hemisphäre beim akustischen Sprachverstehen Syntax-Effekt – zeigt an, dass das Verarbeiten von Sätzen stärkere Aktivierung bewirkt als das Verarbeiten von Wortlisten Hemisphäre-Syntax-Interaktion – reflektiert den Befund, dass der linke STG stärker in die beiden Satzbedingungen als in die Wortlistenbedingungen involviert ist Syntax-Semantik-Interaktion – auf Bedingung (2) zurückzuführen, welche eine beidseitig maximale Aktivierung des mittleren und hinteren STG bewirkte

39. Ergebnisse (3) Temporale Regionen – ROI (2): Syntax-Effekt – reflektiert den Befund, dass das Planum Polare für das Verarbeiten von Sätzen beidseitig stärker in Anspruch genommen wurde als für das Verarbeiten von Wortlisten

40. Ergebnisse (4) Frontale Regionen – ROI (3): Syntax-Effekt – wie auch bei ROI (2) Syntax-Semantik-Interaktion – starke Aktivierung unter Bedingung (2), schwache Aktivierung unter den anderen 3 Bedingungen Zu beachten: nur minimale Aktivierung unter Bedingung (1)

41. Ergebnisse (5) Frontale Regionen – ROI (4): Syntax-Semantik-Interaktion – beidseitig schwache Aktivierung unter Bedingung (1), starke Aktivierung in den anderen 3 Fällen Hemisphäre-Syntax-Interaktion – Wortlisten (ohne Syntax) zeigten geringere Aktivierung in der rechten als in der linken Hemisphäre Zu beachten: auch hier unter Bedingung (1) die schwächste Aktivierung

42. Diskussion (1) Auditive Verarbeitung notwendiger-weise in allen 4 Fällen – in Überein-stimmung mit früheren PET-Studien Verarbeitung normal gesprochener Sprache scheint einen Sonderstatus einzunehmen (keine frontale Aktivierung)

43. Diskussion (2) kein dominanter semantischer Effekt war zu beobachten zusammenfassend: bei der Verar-beitung syntaktischer Informationen während des Sprachverstehens sind der frontale Kortex linksseitig und der temporale Kortex beidseitig involviert

44. Folgerung die vorliegenden Ergebnisse lassen den Schluss zu, dass der Akti-vierungsgrad im linken unteren frontalen Kortex sich als Funktion syntaktischer Aspekte verhält und dementsprechend variiert

45. Brodmann-ArealeBrodmann-Areale

46. Furchen (sulci) und Windungen (gyri)Furchen (sulci) und Windungen (gyri)