title: The neurocognitive processing of plausibility and real-world knowledge:A cross-linguistic investigation
title: Die neurokognitive Verarbeitung von Plausibilität und Weltwissen: eine sprachübergreifende Untersuchung
Creators: name: Tune, Sarah
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2014
Subjects: Language Processing
Sprache, Linguistik
Sprachverarbeitung

description: Our knowledge about concepts and
      meanings is at the very heart of human cognition. In everyday
      life, we have to interact with our environment in a variety
      of different ways. Our actions are guided by what we know and
      believe about the world and this knowledge derives primarily
      from previous sensory and perceptual experiences. The fact
      that we are capable of engaging with our environment in an
      appropriate and efficient way means that we have learnt (how)
      to make sense of the events and entities we are faced with in
      day-to-day life. We are thus able to recognise and name both
      physical objects and abstract concepts, to categorise and
      associate them based on their specific properties, to
      interpret other people’s intentions, and to judge cause and
      effect of their actions as well as our own. Moreover, the
      ability to represent this wealth of knowledge about the real
      world in the conceptualised and symbolic form of language is
      believed to be exclusive to humans. Our language capacity
      allows us to communicate with others about past and future
      events or to describe fictitious scenarios by combining
      previously acquired concepts in a novel way without the need
      for external stimulation. Thus language forms a primary means
      of interacting with those around us by allowing us to express
      our own thoughts and comprehend those of others. As long as
      language processing proceeds in an undisturbed manner, we are
      largely unaware of the underlying mechanisms that support the
      seemingly effortless interpretation of linguistic input. The
      importance of these processes for successful communication,
      however, becomes all the more apparent when language
      processing is disrupted, for example, by brain lesions that
      render semantic analysis difficult or impossible. Scientific
      research that aims to uncover and define cognitive or neural
      mechanisms underlying semantic processing is inevitably faced
      with the complexity and wealth of semantic relationships that
      need to be taken into account. In absence of noninvasive
      neurocognitive methods and insights gleaned from modern
      neurobiology, early research had a limited impact on our
      understanding of how semantic processing is implemented in
      the human brain. Traditional neurological models of language
      have been based primarily on lesion-deficit data, and thus
      supported the view that certain areas of the brain were
      exclusively dedicated to the processing of language-specific
      functions (Geschwind, 1970; Lichtheim, 1885; Wernicke, 1874).
      Furthermore, classical theories of sensory processing viewed
      the brain as a purely stimulus-driven system that retrieves
      and combines individual low-level aspects or features in an
      automated, passive and context-independent manner (Biederman,
      1987; Burton &amp; Sinclair, 1996; Hubel &amp; Wiesel, 1965;
      Massaro, 1998). After a recent paradigm shift in the
      cognitive neurosciences, current theories of sensory
      processing are now based on the concept of the brain as a
      highly active, adaptive and dynamic device. In this sense,
      language comprehension, like many other higher-cognitive
      functions, is shaped by a flexible interaction of a number of
      different processes and information sources that include
      so-called bottom-up signals, i.e., the actual sensory input
      and processes related to their forward propagation, and
      top-down processes that generate predictions and expectations
      based on prior experience and perceived probabilities.
      Therefore, accounts that view semantic processing as a
      dynamic and active construction of meaning that is highly
      sensitive to contextual influences seem most probable from a
      neurobiological perspective. Results from
      electrophysiological and neuroimaging research on semantic
      analysis in sentence and discourse context have provided
      evidence for top-down influences from the very beginning. In
      addition, recent ERP results have suggested that the
      interaction between topdown and bottom-up information is more
      flexible and dynamic than previously assumed. Yet, the
      importance of predictions and expectations has long been
      neglected in models of semantic processing and language
      comprehension in general. Neuroimaging data have provided us
      with a long list of brain regions that have been implicated
      in different aspects of semantic analysis. We are only
      beginning to understand the role(s) that these regions play
      and how they interact to support the flexible and efficient
      construction of meaning. The aim of the present thesis is to
      gain a more comprehensive view on the computational
      mechanisms underlying language processing by investigating
      how bottom- up and top-down information and processes
      interactively contribute to the semantic analysis in
      sentences and discourse. To this end, we conducted a total of
      five studies that used either event-related potentials or
      functional neuroimaging to shed light on this matter from
      different perspectives. The thesis is divided into two main
      parts: Part I (chapters 1-5) provides an overview on previous
      results from electrophysiology and neuroimaging on semantic
      processing as well as a description and discussion of the
      studies conducted in the present thesis. Part II (chapters
      6-9) consists of three research articles that describe and
      discuss the results of five experimental studies. In Part I,
      Chapter 2 gives a brief introduction to the event-related
      potential and functional neuroimaging techniques and reviews
      the most relevant results and theories that have emerged from
      studies on sentence and discourse processing. Chapter 3
      highlights the research questions targeted in each of the
      experimental studies and describes and discusses the most
      relevant findings against the background established by
      Chapter 2. Chapters 4 and 5 conclude Part I by placing the
      presented results in a broader context and by briefly
      outlining future directions. Part II begins with a survey of
      the three studies reported in the subsequent chapters.
      Chapter 7 highlights the results of the first study, a German
      ERP experiment that investigated the impact of
      capitalisation, i.e., a purely form-based and contextually
      independent bottom-up manipulation, on the processing of
      semantic anomalies in single sentences. Chapter 8 comprises
      three ERP experiments that used both easy and hard to detect
      semantic anomalies in German and English to corroborate the
      assumption that the weighting of top-down and bottom-up
      information cues might be determined in a language-specific
      way. Chapter 9, the final chapter of the thesis, describes
      and discusses the results of the third study, in which the
      impact of embedding context on the required depth of semantic
      processing was examined using functional
      neuroimaging.
description: Wenn wir Texte lesen oder mit
      anderen Menschen kommunizieren, dann besteht eine der
      Hauptaufgaben darin, von dem sensorisch aufgenommenen
      sprachlichen Input zu einer möglichst kohärenten
      Interpretation zu gelangen. Die Untersuchung der
      neurobiologischen Grundlagen, die die effiziente und daher
      scheinbar mühelose Bewältigung dieser Aufgabe ermöglichen,
      ist ein Thema, das Wissenschaftler unterschiedlicher
      Disziplinen seit vielen Jahrzehnten beschäftigt. Die
      Verfügbarkeit moderner neurowissenschaftlicher Methoden, wie
      beispielsweise die Ableitung von ereigniskorrelierten
      Potentialen (EKP) oder bildgebende Verfahren wie die
      funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT), hat in den
      letzten dreißig Jahren zu einem erheblichen Erkenntnisgewinn
      geführt. Die Ergebnisse von neurokognitiven Studien, die sich
      dieser Methoden bedient haben, konnten zeigen, dass die
      semantische Analyse maßgeblich durch ein Zusammenspiel von
      externen und internen Einflüssen bestimmt wird. Während
      bereits die frühesten EKP-Studien den Einfluss des
      Satzkontextes auf die Interpretation einen satzfinales Wortes
      belegten (Kutas &amp; Hillyard, 1980), sprechen die Befunde
      neuerer EKP-Studien dafür, dass die Interaktion zwischen
      sensorischer, stimulusbasierter bottom-up Information und
      top-down Prozessen, wie die Generierung von Erwartungen und
      Prädiktionen aufgrund von kontextueller Information und
      Weltwissen, weitaus umfangreicher ist, als bisher angenommen
      (e.g. Schumacher &amp; Baumann, 2010). In der
      Forschungsliteratur zu so genannten N400- Effekten, die ein
      wichtiges elektrophysiologisches Korrelat der semantischen
      Verarbeitung darstellen, findet sich darüber hinaus erste
      Evidenz dafür, dass die Gewichtung von top-down und bottom-up
      Informationsquellen unter anderem von den Eigenschaften der
      jeweils untersuchten Sprache determiniert wird
      (Bornkessel-Schlesewsky et al., 2011). Die hier vorliegende
      Arbeit hat sich daher aus einer sprachübergreifenden
      Perspektive mit den neurokognitiven und neurobiologischen
      Prozessen beschäftigt, die dem dynamischen Zusammenspiel von
      top-down und bottom-up Informationen in der
      Sprachverarbeitung zu Grunde liegen. Zu diesem Zweck wurden
      insgesamt vier EKPExperimente und eine fMRT-Studie
      durchgeführt, die die Sprachverstehensprozesse anhand von
      semantischen Anomalien untersuchten. Im Folgenden werden die
      Fragestellungen und Ergebnisse der einzelnen Studie kurz
      zusammengefasst. Das erste EKP-Experiment, das zum Deutschen
      durchgeführt wurde, hat sich mit der Fragestellung befasst,
      ob die Manipulation von rein formbasierten und damit
      kontextunabhängigen Eigenschaften eines kritischen Wortes
      Einfluss auf seine Verarbeitung im Satz haben könnte. Die
      Ergebnisse haben gezeigt, dass die Hervorhebung eines
      inkongruenten satzfinalen Wortes durch Großschreibung eine
      Reduktion des N400-Effektes zur Folge hatte. Da dieser Befund
      durch keine der bestehenden Theorien zur funktionalen
      Interpretation der N400 vorhergesagt wurde, haben wir einen
      neuen Ansatz vorgeschlagen, der Modulationen der N400
      Amplitude über einen Mechanismus erklärt, der Information aus
      bottom-up und top-down Prozessen miteinander abgleicht. In
      der zweiten Studie wurden insgesamt drei EKP-Experimente
      durchgeführt, die sich mit der Verarbeitung von klassischen
      semantischen Verletzungen und schwer detektierbaren „Moses
      Illusionen“ (Erickson &amp; Mattson, 1981) im Deutschen und
      Englischen. Der Begriff Moses Illusion bezeichnet das relativ
      robuste Phänomen, dass semantische Anomalien häufig
      unentdeckt bleiben, wenn das inkongruente Wort eine enge
      Verbindung zum vorherigen Kontext aufweist. Die Analyse der
      detektierten und übersehenen semantischen Illusionen im
      Vergleich zu kongruenten Kontrollsätzen offenbarte
      qualitative Unterschiede zwischen den beiden untersuchten
      Sprachen. Während sich die drei Bedingungen im Englischen
      lediglich durch eine späte Positivierung für detektierte
      semantische Illusionen im Vergleich zu unerkannten Anomalien
      und korrekten Kontrollsätzen unterschieden, zeigten
      detektierte Illusionen im Deutschen ein biphasisches Muster
      aus einem N400-Effekt gefolgt von einer späten Positivierung.
      Die englischen Daten replizierten damit auf der einen Seite
      das Ergebnis einer früheren EKP-Studie von Sanford und
      Kollegen (Sanford, Leuthold, Bohan, &amp; Sanford, 2011);
      andererseits waren die sprachübergreifenden Unterschiede
      vergleichbar mit dem Muster, dass für semantische
      Verletzungen auf der Ebene von thematischen Rollen gefunden
      wurde (Bornkessel-Schlesewsky et al., 2011). Die beobachteten
      sprachübergreifenden Differenzen sprechen dafür, dass in den
      beiden untersuchten Sprachen eine unterschiedliche Gewichtung
      von top-down und bottom-up Informationsquellen vorliegt. Wir
      argumentieren, dass sich das Ausbleiben eines N400- Effektes
      im Englischen vor allem über die Dominanz von
      sequenzbasierten Prädiktionen auf Grund der starren
      Wortstellung dieser Sprache erklären lässt. Die dritte Studie
      beschäftigte sich ebenfalls mit der Verarbeitung von
      unterschiedlichen Anomalietypen, allerdings wurden die
      neuronalen Korrelate der Sprachverstehensprozesse hier
      mittels fMRT untersucht. Während die deutschen EKPStudien
      bestätigt hatten, dass einfach und schwer zu erkennende
      semantische Anomalien im Vergleich zu ihren jeweiligen
      Kontrollbedingungen ähnliche N400-Effekte auslösen, zeigte
      eine analoge Vergleiche in den fMRT Daten unterschiedliche
      Ergebnisse für die beiden Anomalietypen. Während klassische
      semantische Verletzungen im Vergleich zu kongruenten Sätzen
      erhöhte Aktivierung in temporalen Arealen auslösten, führten
      detektierte semantische Illusionen zu einer stärkeren
      Beteiligung von inferior parietalen und präfrontalen
      Regionen. Diese Unterschiede spiegeln vermutlich Konflikte
      zwischen top-down und bottom-up Informationen auf
      unterschiedlichen Verarbeitungsebenen wieder, da klassische
      Anomalien einen Konflikt auf der Ebene basaler
      Selektionsrestriktionen darstellen, während für die Detektion
      von semantischen Illusion in vielen Fällen Weltwissen
      hinzugezogen werden muss. Insgesamt bestätigen die Ergebnisse
      der fünf durchgeführten Studie die Annahme, dass die
      Interpretation von sprachlichem Input nicht nur durch die
      stimulusinduzierte Prozesse gesteuert wird, sondern dass
      eingehende Informationen permanent mit bestehenden
      Erwartungen und Prädiktionen abgeglichen werden. Hierbei
      kommt es zu einer dynamischen Wechselwirkung zwischen diesen
      unterschiedlichen Informationsquellen, deren relative
      Gewichtung zueinander in Abhängigkeit von
      einzelsprachspezifischen Eigenschaften variieren
      kann.