MIT-Studie entdeckt 17 weitere Sprachregionen im Gehirn

Eine neue Studie zeigt, dass beim Verstehen von Sprache weitaus mehr Bereiche des Gehirns beteiligt sind als die kleine Gruppe von Regionen, die lange als Sprachnetzwerk galt.

Mithilfe von Hirnscans von mehr als 700 Menschen identifizierten Forschende am MIT 17 Bereiche außerhalb dieser Kernzentren, die sowohl auf gesprochene als auch auf geschriebene Sprache reagieren.

Zusammengenommen machen diese Regionen dennoch weniger als 5 % der grauen Substanz des Gehirns aus. Das Ergebnis widerspricht der seit Langem vertretenen Annahme, Sprache sei dünn über das gesamte Gehirn verteilt. Zugleich liefert es Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern eine konkrete Auswahl neuer Bereiche, in denen sie untersuchen können, welche Funktion jede einzelne Region erfüllt.

Jenseits des Kerns

Broca-Areal wurde in den 1860er-Jahren entdeckt. Es befindet sich im vorderen Bereich des Gehirns; ein zweites Zentrum liegt weiter hinten im linken Temporallappen. Gemeinsam leisten sie einen großen Teil der Arbeit, Wortfolgen in Bedeutung zu übersetzen.

Evelina Fedorenko, außerordentliche Professorin für Gehirn- und Kognitionswissenschaften am Massachusetts Institute of Technology (MIT), stieß zu Beginn ihrer Karriere in ihren eigenen Scans immer wieder auf diese Bereiche. Kolleginnen und Kollegen drängten sie, sie aus ihren Veröffentlichungen herauszulassen.

Die Kritik fiel unverblümt aus. „Leute sagten Dinge wie: ‚Nun, wir wissen, dass das keine Sprachareale sind, also konzentrieren Sie sich bitte auf die Sprachareale‘“, sagte Fedorenko.

Im Laufe der Jahre sammelten sich immer mehr Scans an, und sie sowie ihr Team beschlossen, noch einmal genau hinzusehen.

Jedes Gehirn einzeln lesen

Die erneute Auswertung übernahm Agata Wolna, Postdoktorandin in Fedorenkos Labor und Hauptautorin der Studie.

Sie und ihre Kolleginnen und Kollegen nutzten Scans von 772 Personen, die seit 2013 gesammelt worden waren. Alle Teilnehmenden hatten einen kurzen Test absolviert, der als Sprachlokalisierungstest bekannt ist.

Bei diesem Test lasen die Personen echte Sätze und zum Vergleich Listen aus aussprechbaren Nichtwörtern. Dieser Gegensatz ist bewusst gewählt.

Bereiche, die bei echten Sätzen stärker arbeiten als bei den bedeutungslosen Wortfolgen, werden als Sprachregionen markiert. Die Beweislage wird noch überzeugender, wenn dieselben Stellen auch aktiv werden, während eine Person gesprochene Sprache hört.

Individuelle Gehirnkarten

Das Vorgehen hinter dieser Kartierung ist ungewöhnlich. Werden Gehirne gemittelt, verschwimmen Regionen, die bei verschiedenen Menschen leicht unterschiedlich liegen.

Deshalb zeichneten die Forschenden die Sprachareale jeder Person direkt in deren eigenem Gehirn nach. Derselbe Ansatz hatte bereits in einer früheren Studie gezeigt, dass das Kernnetzwerk bei Sprecherinnen und Sprechern von Dutzenden Sprachen nahezu identisch aussieht.

„Es ist ein sehr einfaches Paradigma, mit dem man dieses Kern-Sprachsystem in individuellen Gehirnen identifizieren kann“, sagte Wolna.

Für diese Suche lockerte das Team seine übliche statistische Schwelle. Es konzentrierte sich besonders auf tiefe Strukturen, in denen das MRT-Signal schwach ausfällt, um schwache Regionen zu erfassen, die bei strengeren Einstellungen übersehen worden wären.

Eine weitere Aufgabe setzte die Anforderungen höher. Rund 490 Teilnehmende sollten sich zusätzlich an die Positionen von Quadraten erinnern, die auf einem Raster aufblitzten. Diese Aufgabe beansprucht ein allgemeines Hirnnetzwerk und nicht das Sprachsystem.

Eine Region, die auf Sprache reagierte, bei der Gedächtnisaufgabe jedoch ruhig blieb, wurde als sprachselektiv eingestuft und nicht lediglich als allgemein aktiviert.

Ein weit verstreutes Sprachnetzwerk

Die Suche ergab 17 Sprachregionen außerhalb des bekannten Kerns in der linken Gehirnhälfte. Alle reagierten sowohl beim Lesen als auch beim Zuhören.

Vierzehn Regionen reagierten stärker auf Sprache als auf die anspruchsvolle Gedächtnisaufgabe. Das Team wertete dies als Kennzeichen einer Region, die auf Sprache und nicht auf allgemeine Anstrengung ausgerichtet ist.

Die Bereiche waren weit verteilt. Einige lagen gebündelt im Kleinhirn, einer Struktur an der Basis des Gehirns, die vor allem für die Koordination von Bewegungen bekannt ist und fünf der neuen Stellen beherbergte.

Andere befanden sich im medialen frontalen Kortex, entlang der Unterseite des linken Temporallappens sowie tief in zwei Regionen, die bislang kaum mit Sprache in Verbindung gebracht wurden – dem Hippocampus und der Amygdala.

Ungewöhnliche Orte für Sprache

Hippocampus und Amygdala fallen besonders auf, weil keiner von beiden ein klassisches Sprachareal ist: Der eine ist zentral für das Gedächtnis, die andere für Emotionen.

Eine frühere Studie, in der einzelne Nervenzellen im menschlichen Hippocampus aufgezeichnet wurden, liefert jedoch einen Hinweis. Dort feuerten Zellen, die auf ein bestimmtes Substantiv reagierten, erneut, wenn ein Pronomen später auf dieses Wort verwies.

Die Stellen im Kleinhirn sind aus einem weiteren Grund interessant. Arbeiten derselben Gruppe ergaben, dass einige von ihnen auch bei Aufgaben ohne Sprachbezug aktiv werden. Das unterscheidet diese Bereiche von rein sprachspezialisierten Regionen.

Nicht jeder Kandidat hielt der Prüfung stand. Eine Gruppe tiefer Strukturen, die Basalganglien, war als möglicher Ort vorgeschlagen worden, an dem Satzstruktur und Werkzeuggebrauch mit gemeinsamen Mechanismen verarbeitet werden. Diese Idee stützte sich auf eine Studie, die überlappende Aktivität bei beiden Vorgängen gefunden hatte.

In den neuen Daten zeigten die Basalganglien beim Lesen eine geringe Aktivität, blieben beim Zuhören jedoch ruhig. Die Autorinnen und Autoren deuteten dies als Hinweis auf allgemeine Anstrengung und nicht auf Sprachverarbeitung.

Ein kleiner Anteil des Gehirns

Trotz seiner Reichweite bleibt das erweiterte Netzwerk kompakt. Zusammengenommen nehmen die sprachselektiven Regionen nur etwa 3,5 % der grauen Substanz des Gehirns ein. Das ist eine überraschend geringe Menge an Hirngewebe. Das gesamte Netzwerk bleibt unter 5 % und entspricht ungefähr der Größe einer großen Erdbeere.

„Obwohl es all diese weit entfernten Komponenten gibt, ist es vom Volumen her ziemlich begrenzt. Man braucht nicht so viel vom Gehirn, um Sprache zu verarbeiten“, sagte Fedorenko.

Die Regionen reichen in nahezu jeden großen Teil des Gehirns hinein, doch innerhalb jeder einzelnen beansprucht Sprache nur einen kleinen Bereich.

Genau dieses Gleichgewicht ist der Kern der Studie. Sprache aktiviert tatsächlich weit entfernte Teile des Gehirns, übernimmt jedoch keinen davon vollständig. Das Muster widerspricht somit der Vorstellung, das gesamte Gehirn leiste gleichermaßen seinen Beitrag. Auch wenn seine Karte größer wird, bleibt das Netzwerk ein klar abgegrenztes und erkennbares System.

Zukunft der Sprachforschung

Welche Aufgabe jede der neuen Regionen tatsächlich übernimmt, ist weiterhin unklar. Das Team interessiert sich besonders für jene Stellen, die sowohl auf Sprache als auch auf andere Aufgaben reagieren.

„Diese Bereiche, die sowohl auf Sprache als auch auf andere Aufgaben reagieren, könnten wirklich interessant und wichtig sein, weil sie möglicherweise etwas wie die Integration von Informationen aus verschiedenen kortikalen Systemen leisten“, sagte Fedorenko.

Die Karte ist nun dichter besetzt und zugleich präziser. Siebzehn Regionen außerhalb der klassischen Zentren reagieren sowohl beim Lesen als auch beim Zuhören auf Sprache, und die meisten reagieren auf Sprache statt auf allgemeine geistige Anstrengung.

Forschende wissen nun endlich, worauf sie ihre nächsten Experimente richten müssen – und wie wenig des Gehirns diese Experimente abdecken müssen.