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Decoding inner language to treat speech disorders
Was wäre, wenn es möglich wäre, die innere Sprache von Menschen, die sich nicht mehr ausdrücken können, zu entschlüsseln? Das ist das Ziel eines Teams von Neurowissenschaftlern der Universität Genf (UNIGE) und der Universitätskliniken Genf (HUG). Nach mehr als vier Jahren Forschung ist es ihnen gelungen, vielversprechende neuronale Signale zu identifizieren, um unsere inneren Monologe zu erfassen. Sie konnten auch die Gehirnregionen identifizieren, welche vorrangig zu beobachten sind, um sie in Zukunft zu entschlüsseln. Die Studie, die im Rahmen des Nationalen Forschungsschwerpunkts (NFS) Evolving Language durchgeführt wurde, eröffnet neue Perspektiven für die Entwicklung von Schnittstellen für Menschen mit Aphasie. Die Ergebnisse sind in der Zeitschrift Nature Communications zu finden.
Wenn der Mensch spricht, müssen verschiedene Bereiche seines Gehirns aktiviert werden. Die Funktion dieser Bereiche kann jedoch nach einer Schädigung des Nervensystems stark beeinträchtigt sein. So kann zum Beispiel die amyotrophe Lateralsklerose (oder Charcot-Krankheit) die Muskeln, die zum Sprechen gebraucht werden, vollständig lähmen. In anderen Fällen, z. B. nach einem Schlaganfall, können Bereiche des Gehirns, die für die Sprache zuständig sind, betroffen sein: Dies wird als Aphasie bezeichnet. In vielen dieser Fälle bleibt die Fähigkeit der Patienten, sich Wörter und Sätze vorzustellen, allerdings teilweise funktionsfähig.
Die Entschlüsselung unserer inneren Sprache ist daher für die forschenden Neurowissenschaftler und Neurowissenschaftlerinnen von grossem Interesse. Doch die Aufgabe ist alles andere als einfach, wie Timothée Proix, Wissenschaftler in der Abteilung für grundlegende Neurowissenschaften an der medizinischen Fakultät der UNIGE, erklärt: “Es gibt zahlreiche Studien über die Entschlüsselung der gesprochenen Sprache, aber viel weniger über die Entschlüsselung der imaginierten Sprache. Das liegt daran, dass im letzteren Fall die zugehörigen neuronalen Signale im Vergleich zur expliziten Sprache schwach und variabel sind. Sie sind daher durch Lernalgorithmen schwer zu entschlüsseln.” Das heißt, durch Computerprogramme.
Eine gut versteckte Sprache
Wenn eine Person laut spricht, erzeugt sie Töne, die zu bestimmten Zeitpunkten ausgestoßen werden. Die Forschenden können diese greifbaren Elemente mit den beteiligten Hirnregionen in Verbindung bringen. Bei der imaginären Sprache ist das nicht so einfach. Die Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen haben keine offensichtlichen Informationen über die Abfolge und das Tempo der Wörter oder Sätze, die die Person innerlich formuliert. Auch sind die im Gehirn rekrutierten Bereiche weniger zahlreich und weniger aktiv.
Um die neuronalen Signale dieser besonderen Art von Sprache zu erfassen, hat das UNIGE-Team in Zusammenarbeit mit zwei amerikanischen Krankenhäusern eine Gruppe von dreizehn hospitalisierten Patienten untersucht. Sie sammelten Daten über Elektroden, die direkt in die Gehirne der Patienten implantiert wurden, um deren epileptische Störungen zu beurteilen. “Wir haben die Patienten gebeten, Wörter zu sagen und sie sich dann vorzustellen. Jedes Mal überprüften wir mehrere Frequenzbänder der Hirnaktivität, von denen bekannt ist, dass sie bei der Sprache eine Rolle spielen”, erklärt Anne-Lise Giraud, Professorin in der Abteilung für grundlegende Neurowissenschaften an der medizinischen Fakultät der UNIGE, Co-Direktorin des NFS Evolving Language und neu ernannte Direktorin des Institut de l’Audition in Paris.
Die richtige Frequenz finden
Die Forschenden beobachteten mehrere Arten von Frequenzen, die von verschiedenen Hirnarealen erzeugt wurden, wenn diese Patienten sprachen, entweder mündlich oder innerlich. “Zunächst die Theta-Oszillationen (4-8 Hz), die dem durchschnittlichen Rhythmus des Silbensprechens entsprechen. Dann die Gamma-Frequenzen (25-35 Hz), die in den Bereichen des Gehirns beobachtet werden, in denen die Sprachlaute gebildet werden. Drittens die Betawellen (12-18 Hz), die mit den kognitiv leistungsfähigeren Regionen in Verbindung stehen, die beispielsweise die Entwicklung eines Gesprächs antizipieren und vorhersagen können. Und schließlich die hohen Frequenzen (80-150 Hz), die beobachtet werden, wenn eine Person spricht.”, erklärt Pierre Mégevand, Assistenzprofessor in der Abteilung für klinische Neurowissenschaften an der medizinischen Fakultät der UNIGE und Assistenzarzt am HUG.
Dank dieser Beobachtungen konnten die Forschenden zeigen, dass die niedrigen Frequenzen und die Kopplung zwischen bestimmten Frequenzen (insbesondere Beta und Gamma) wesentliche Informationen für die Entschlüsselung der imaginären Sprache enthalten. Ihre Forschungen zeigen auch, dass der temporale Kortex ein wichtiger Bereich für die eventuelle Dekodierung der inneren Sprache ist. Diese spezielle Hirnregion befindet sich im linken seitlichen Teil des Gehirns und ist an der Verarbeitung von Informationen im Zusammenhang mit dem Hören und dem Gedächtnis beteiligt, beherbergt aber auch einen Teil des Wernicke-Areals, das für die Wahrnehmung von Wörtern und Sprachsymbolen zuständig ist.
Diese Ergebnisse stellen einen grossen Fortschritt bei der Rekonstruktion von Sprache aus neuronaler Aktivität dar. “Aber wir sind noch weit davon entfernt, imaginäre Sprache entschlüsseln zu können.”, so das Fazit des Forschungsteams.