Unglaublich detaillierte Gehirnkarte zeigt die Aktivität sprachkodierender Neuronen

Durch das Abhören der Gehirnaktivität haben Wissenschaftler die bisher hochauflösendste Karte der Neuronen erstellt, die die Bedeutung verschiedener Wörter kodieren. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass das Gehirn bei verschiedenen Personen dieselben Standardkategorien zur Kategorisierung von Wörtern verwendet – und uns so hilft, Laute in Bedeutungen umzuwandeln.

„Diese Studie basiert ausschließlich auf englischen Wörtern. Sie ist jedoch ein großer Fortschritt im Verständnis, wie das Gehirn Wörter in seiner Sprachbibliothek speichert“, sagte der Neurochirurg Ziv Williams vom Massachusetts Institute of Technology in Cambridge. „Indem wir die sich überschneidenden Gruppen von Gehirnzellen kartieren, die auf unterschiedliche Wörter reagieren, können wir versuchen, einen Thesaurus der Bedeutung des Gehirns aufzubauen.“

Semantische Karte

Es gibt einen Bereich im Gehirn, den sogenannten auditorischen Kortex, der den Klang eines Wortes verarbeitet, sobald es ins Ohr gelangt. Doch es ist der präfrontale Kortex, ein Bereich höherer Gehirnaktivität, der die „semantische Bedeutung“ eines Wortes – das Wesentliche oder den Kern des Wortes – verarbeitet.

In früheren Experimenten wurde dieser Prozess durch die Analyse von Bildern des Blutflusses im Gehirn untersucht, der ein Maß für die Gehirnaktivität ist. Dieser Ansatz ermöglicht es Forschern, die Bedeutung von Wörtern kleinen Hirnregionen zuzuordnen.

Williams und seine Kollegen fanden jedoch eine einzigartige Gelegenheit, die Kodierung von Sprache durch einzelne Neuronen in Echtzeit zu untersuchen. Sein Team rekrutierte zehn Freiwillige, die kurz vor einer Epilepsieoperation standen. Ihnen wurden Elektroden ins Gehirn implantiert, um die Ursache ihrer Anfälle zu lokalisieren. Mithilfe der Elektroden konnte das Team die Aktivität von etwa 300 Neuronen im präfrontalen Kortex jedes Freiwilligen aufzeichnen.

Während die Probanden kurze Sätze mit insgesamt etwa 450 Wörtern hörten, zeichneten die Wissenschaftler auf, welche Neuronen wann aktiv waren. Williams stellte fest, dass bei jedem Wort etwa zwei bis drei einzelne Neuronen aktiv waren, obwohl das Team nur die Aktivität eines winzigen Bruchteils der Milliarden Neuronen des präfrontalen Kortex aufzeichnete. Anschließend untersuchten die Forscher, wie ähnlich die Wörter der neuronalen Aktivität waren.

Ein multipotentes Neuron

Es gab Wörter, auf die dieselben Neuronengruppen reagierten und die zu ähnlichen Kategorien gehörten, wie etwa Handlungen oder Wörter, die sich auf Menschen beziehen. Das Team fand außerdem heraus, dass Wörter, die das Gehirn miteinander assoziieren konnte, wie etwa „Ente“ und „Ei“, einige derselben Neuronen aktivierten. Wörter mit ähnlicher Bedeutung, wie etwa „Maus“ und „Ratte“, lösten ähnlichere Muster neuronaler Aktivität aus als Wörter wie „Maus“ und „Karotte“. Andere Neuronengruppen reagierten auf Wörter, die mit abstrakteren Konzepten in Zusammenhang standen, wie etwa die Wörter „über“ und „hinter“.

Die Kategorien, die das Gehirn Wörtern zuordnete, waren bei allen Teilnehmern ähnlich. Dies deutet darauf hin, dass das menschliche Gehirn Bedeutungsgruppen auf die gleiche Weise synthetisieren kann. Die Neuronen des präfrontalen Kortex unterscheiden Wörter nicht nach ihrem Klang, sondern nur nach ihrer Bedeutung. Hört eine Person beispielsweise das Wort „Sohn“ in einem Satz, leuchten Wörter auf, die mit Familienmitgliedern in Zusammenhang stehen. Diese Neuronen reagieren jedoch nicht auf das Wort „Sonne“ im selben Satz, obwohl die Wörter fast identisch ausgesprochen werden.

Gedankenlesen

Forscher können bis zu einem gewissen Grad feststellen, was Menschen hören, indem sie die Aktivität ihrer Neuronen beobachten. Zwar können sie beispielsweise nicht die exakten Sätze reproduzieren, aber sie können erkennen, dass ein Satz ein Tier, eine Handlung und eine bestimmte Lebensmittelart in dieser Reihenfolge enthält. Forscher können nicht nur die Neuronen identifizieren, die Wörtern und ihren Typen entsprechen, sondern auch die Reihenfolge, in der sie gesprochen werden. Die natürliche Sprachfrequenz wird für zukünftige Arbeiten an Gehirn-Computer-Schnittstellengeräten, die Menschen mit Sprachbehinderungen die Sprache zurückgeben sollen, von entscheidender Bedeutung sein.