Haben Hirnareale vorbestimmte Funktionen? Hauptseminar: Kindlicher Spracherwerb Wintersemester 2004/05 Dr. Friedrich/Dr. Assadollahi Referenten: Thomas Baumgartner, Julia Friedewald, Isabelle Kress

I. Grundlagen zu Bau und Funktionen des Gehirns

Das menschliche Gehirn: Ø Gewicht: 1245g (Frau), 1375g (Mann) ca. 100 Milliarden eng miteinander verschaltete Nervenzellen aktivstes Organ des Menschen: 20% des Bluts werden vom Herzen ins Hirn gepumpt besteht aus 2 stark gefurchten Hemisphären, getrennt voneinander durch einen tiefen Einschnitt Verbindung durch einen dicken Nervenstrang (Balken) Oberfläche von ca. 1,5 m2 zum Teil bis zu 10000 Synapsen die rechte Gehirnhälfte repräsentiert die linke Körperseite und umgekehrt

Zwischenhirn: Umschaltstelle zum Groß- hirn; an der Unterseite Großhirn: überwölbt alle anderen Gehirnteile; graue Substanz, weiße Substanz; -> Gedächtnis,Intelligenz Zwischenhirn: Umschaltstelle zum Groß- hirn; an der Unterseite Hypophyse; -> Steuerzentrum der Hormondrüsen Mittelhirn: verbindet Zwischenhirn und Kleinhirn; -> Steuerung des Schlafes Nachhirn:Übergangsstelle zum Rückenmark (verlängertes Rückenmark); -> lebenserhaltende innere Reflexe, Regelung Blutdruck Kleinhirn: 2 Hälften; in Verbindung mit Mittelhirn und Nachhirn; -> motorische Tätigkeiten

innerhalb der 5 Gehirnteile kann man noch mehr spezielle Funktionsbereiche identifizieren: „Brocas Bereich“: Sprache und Artikulation „Wernickes Bereich“: Verständnis gesprochener Sprache

verschiedenen Arealen werden bestimmte Funktionen zugeschrieben:

auf jeden Fall kann grobe Verortung folgender Funktionsbereiche vorgenommen werden: Rückschlüsse auf „Alter“ der Gehirnbereiche

folgende Areale fungieren beim Sprechen eines gehörten Wortes: durch Zusammenarbeit dieser speziellen Bereiche entsteht z.B. die Fähigkeit, ein gehörtes Wort nachzusprechen die Zentren sind unterschiedlich über die beiden Gehirnhälften verteilt

und so kann man das herausfinden: mittels der Positronen-Emissions-Tomographie PET: radioaktives Kontrastmittel sammelt sich im Gehirn an, besonders dort, wo Aktivität herrscht radioaktive Signale werden durch ein spezielles Empfangsgerät registriert mittels der Computer-Tomographie CT: eigentlich Röntgen-CT computergestützte Röntgenuntersuchung in Schichten oder Scheiben mittels der Kernspintomographie: auch Magnet-Resonanz-Tomographie MRT genannt mit Hilfe von Magnetfeldern und Radiowellen können Schnittbilder erstellt werden

II. Verschiedene Theorien zur Lokalisierbarkeit von sprachlichen Funktionen im Gehirn

Definition Aphasie ist die Störung in der Fähigkeit, symbolisches Material zu verarbeiten, was sowohl für die Aufnahme von Stimuli aller Modalitäten (visuell, taktil, auditiv) als auch für die Reaktion darauf in allen Modalitäten (Sprechen, Schreiben etc.) gilt.

Kurze Wiederholung der Hirnareale, die für Sprache und Sprechen wichtig sind Auditorischer Cortex (Heschlsche-Querwindung): wichtig für die Perzeption von auditiven Stimuli Auditorisch assoziierter Cortex (Wernicke-Areal):wichtig für die Speicherung und das Auffinden von phonematischen Mustern, mglw. auch für den Gebrauch von Grammatikregeln Fasciculus fronto-temporalis arcuatus: ist Hauptverbindungsweg für den Transport der akustisch-phonematischen Wortmuster zum Broca-Areal Prämotorischer Cortex (Broca-Areal): wichtig für die Programmierung und Steuerung der Sprechmuskulatur

Konnexionstheorien ca. ein Jahrhundert lang beruhten Einsichten in die Funktionsweise von Sprache im Gehirn ausschließlich auf klinischen Daten

Der Ausschlag für die Annahme von Verbindungen der Unterfunktionen von Sprache im Gehirn 1861 berichtet Paul Broca von den Folgen einer Läsion des hinteren Teil des linken Frontallappens. Seine Patienten verloren die Fähigkeit zu sprechen, konnten aber weiterhin gesprochene Sprache verstehen. Er machte die Aphasiologie zu einem wichtigen Teil der klinischen Neurologie. Die Lokalisation von Sprachfunktionen im Gehirn ebnet den Studien über die Beziehungen zwischen den Windungen und anderen Hirnarealen den Weg.

Die Grundlage für die konnexionistische Theorie 1874 stellt Carl Wernicke weitere aphasische Symptome dar und liefert ein Erklärungsmodell auf der Basis verschiedener Unterfunktionen von Sprache, ihrer Lokalisation und ihrer Verbindungen im Gehirn. Seine Patienten waren unfähig, Sprache zu verstehen, konnten dennoch weiterhin sprechen. Wernickes Theorie legt die Grundlage für die sogenannten konnexionistischen Theorien Ausgehend von der Beobachtung verschiedener Arten von Aphasie nehmen diese Theorien an, dass die einzelnen Unterfunktionen von Sprache an diversen Stellen im Gehirn verteilt sind und dass das normale Funktionieren von Sprache sowohl auf diesen Zentren als auch auf Verbindungen zwischen ihnen beruht.  Es werden nun Diagramme erstellt, die die Sprachzentren und deren angenommene Verbindungen darstellen. So können nicht nur bereits bekannte Aphasien klassifiziert, sondern auch bislang nicht beobachtete Symptome vorausgesagt werden.

Die Weiterentwicklung des Wernickeschen Modells Lichtheim erweitert das Modell Wernickes, indem er sieben Arten von Aphasien (Brocasche A., Wernickesche A.,transcortikal-sensorische A., transcortikal-motorische A., subkortikal-sensorische A. und subkortikal-motorische A.) und ihre Entstehung postuliert Diese Klassifikation wird bis heute mit geringfügigen Abweichungen in der klinischen Arbeit verwendet Die Unterfunktionen von Sprache sind relativ große Bereiche, nämlich: Sprechen – Schreiben – Lesen – Hören, die als eigenständige Entitäten betrachtet wurden Dies ist einer der wesentlichen Kritikpunkte an den „klassischen“ konnexionistischen Modellen. Da sich herausgestellt hat, dass die aphasischen Symptome wesentlich differenziertere Beeinträchtigungen aufweisen, z. B. Symptomverschiebungen

Lokalisation der Funktionen Grobe Lokalisation: Gehirnfunktionen, die mit Sprache zu tun haben, sind im wesentlichen im perisylvanischen Assoziationscortex angesiedelt Feine Lokalisation: Annahme einer prinzipiellen Lokalisierbarkeit, dennoch sind die einzelnen Unterfunktionen weiterhin schwer zu definieren. Selbst Befürworter der feinen Lokalisation räumen ein, dass diese bei den einzelnen Menschen nicht identisch ist

Lokalisations- vs. Holistische Theorien Lokalisationstheorie: sämtliche Sprachfunktionen sind sowohl im Gehirn als auch in der linguistischen Beschreibung klar voneinander abzugrenzen und Zentren zuzuordnen nicht haltbar • holistische Theorie: Ablehnung einer Einteilung von Aphasien in verschiedene Gruppen und Annahme von Störungen der Intelligenz und der Fähigkeit zur Abstraktion als Ursache für Sprachstörungen • Kritik der holistischen Theoretiker an der Lokalisationstheorie: Bereiche, die in der Linguistik als funktional autonom gelten, müssen dies im Gehirn nicht sein Trennung funktionaler Beschreibungen auf linguistischer Ebene und solchen auf neurologischer Ebene • Heute wird davon ausgegangen, dass das Gehirn sowohl mit abgegrenzten Zentren als auch mit diffusen Repräsentationen arbeitet. Dies gilt auch für die Sprache: Die Funktionen, die mit motorischen und sensorischen Grundfunktionen zusammenhängen, sind fokal organisiert, wie im Brocaschen und Wernickeschen Zentrum – Funktionen, die weiterreichende Verarbeitung erfordern, beruhen jedoch auf dem Zusammenwirken weiter Teile des neuronalen Netzwerkes

Funktionelle Theorie Erster Versuch holistische- und Lokalisationstheorien zu verbinden Sprache = Ergebnis eines Wechselspiels zahlreicher Subkomponenten, die z.T. sensomotorischer Art, z.T. sprachspezifisch sind Lurias Theorie bezieht mehrere Ebenen der Komplexität mit ein und erlaubt somit eine Verbindung mit hierarchischen Modellen, die die phylo- und ontogenetische Entwicklung zum Ausgangspunkt haben und sprachliches Verhalten als fortschreitende Differenzierung von Handlungsimpulsen begreifen Lurias Konzept bietet einen Rahmen zur Integration verschiedener klinischer Forschungsergebnisse, bes. in Bezug auf das Verhältnis von sprachlichen zu nicht-sprachlichen Funktionen und die Charakterisierung der Besonderheiten menschlicher Sprache

III. Hirnschädigungen und die Übernahme der Funktionen durch andere Hirnareale

Lobotomie Meint die Durchtrennung von Nervenbahnen zwischen dem Stirnhirn und tiefer gelegenen Gehirnabschnitten bei schweren Zwangszuständen und Schizophrenie. Der chirugische Eingriff wird heute wegen der problematischen Nebenwirkungen weitgehend durch die Gabe von Psychopharmaka ersetzt.

Lobotomie im Zeitablauf 1890: Hirnchirugie als Mittel zu Verbesserung der mentalen Gesundheit. Wurde vom deutschen Forscher Friedrich Gelz ins Leben gerufen. Er fand heraus, dass Hunde nach einer Hirnoperation ruhiger und weniger agressiv waren 1935: Calyle Jacobsen (Yale University) führte Lobotomie an Schimpansen durch. Schimpansen waren danach viel ruhiger.

Vater der Lobotomie = Antonio Egaz Moniz (Medizinische Fakultät der Universität Lissabon). Fand heraus, dass Trennen der Nerven zwischen Stirnhirn und Thalamus bei psychotischen Patienten die an wiederholenden Gedanken litten, das Problem kurzschaltete. Einige Patienten wurden ruhiger andere nicht. Wollte Lobotomie nur bei extremen Fällen anwenden und mahnte zur Vorsicht in Bezug auf Lobotomie. Zwischen 1939 und 1951: Über 18.000 Lobotomien in den USA und anderen Ländern. 1950er: Kritik an Lobotomie wächst aufgrund der beträchtlichen Nebenwirkungen Je einem Drittel der Patienten geht es besser, gleich gut oder schlechter.

Theoretischer Hintergrund Lobotomie Alte, kranke Verbindungen im Gehirn wurden getrennt, und durch neue gesunde Hirnverbindungen ersetzt. Funktioniert nicht so ohne weiteres.

(Gehirn-)Läsionen Läsion = [lat.] Störung oder Verletzung eines Organs oder Körperteils.  Blutung im Gehirn Läsionen im Gehirn können etwa durch einen Schlaganfall entstehen.

Alte Lehrmeinung: Gehirn kann Verletzungen oder Erkrankungen nicht regenerieren. Aussage wurde durch die Forschungsergebnisse der letzten Jahre revidiert. Sherre Florence (Vanderbildt Universität): Beim Affengehirn haben sich die Reichweiten der Ausläufer (Dendriten) nach einem neurologischen Schaden verdoppelt. Im Gehirn betroffene Nervenzellen suchten daraufhin neue Aufgaben. Laut Fred H. Gage vom Salk Institute for Biological Studies können sich die Zellen im menschlichen sogar teilen und das nicht nur in den ersten Lebensjahren.

Möglichkeiten zur Selbstreparatur des Gehirns Bei einer Gehirnschädigung infolge Trauma oder Krankheit sind die Möglichkeiten zur Wiederherstellung der Strukturen eingeschränkt. Bildung von Nervenzellen (Neurogenese) erfolgt hauptsächlich während der Schwangerschaft. Erholung von Funktionen ist aber zeitlebens mittels synaptischen Netzwerken möglich.

Synaptogese erfolgt während der Schwangerschaft und bis ins hohe Alter. Beseitigung von Verbindungen bei Nicht-Gebrauch („use it or loose it“) „What fires together wires together.“ Wissenschaftler der Ruhr-Universität Bochum: Konnten die Selbstreparatur des Gehirns mit Hilfe von „optical imaging“ sichtbar machen. Beispiel von zwei Schlaganfallpatienten: Gesunde Gehirnhälfte kann innerhalb von ein bis zwei Tagen Funktionen der geschädigten Gehirnhälfte übernehmen.