Gehirntheorie des Menschen

12   Spracherwerb und Sprachvermögen  

12.1    Sensorische Module zum Erlernen von Sprache

Sprache kann vom physikalischen Standpunkt aus betrachtet werden. Sie stellt letztlich ein Frequenzgemisch von Schallwellen dar, so wie viele andere Geräusche auch.

Dennoch zeigte sich bei Frequenzuntersuchungen, dass bei der menschlichen Sprache Besonderheiten in den Schallfrequenzen auftraten.

Die gesprochene Sprache wird in Phoneme eingeteilt. Sie sind die kleinsten bedeutungstragenden Laute einer Sprache.

Bei der Analyse der Schallfrequenzen von Phonemen zeigte sich, dass es im Sprachapparat des Menschen zu Resonanzerscheinungen kommt, bei denen charakteristische Resonanzfrequenzen entstehen. Diese sind vor allem durch ihre Obertöne charakterisiert. Diese Obertöne werden nach ihrer Frequenz sortiert und kennzeichnen durch ihre Frequenz eindeutig die Phoneme der Sprache. Mit F1 wird der erste Oberton bezeichnet, mit F2 der zweite. Es treten noch weitere Obertöne auf, die dann mit F3, F4 usw. bezeichnet werden. Sie sind für das Sprachverständnis nicht mehr so wichtig. Diese Obertöne werden als Formanten bezeichnet.

Laut der deutschen Wikipedia (stand Mai 2021) werden die Phoneme der deutschen Sprache durch folgende Formanten gekennzeichnet.

deutscher Vokal	IPA	Formant F1	Formant F2
U	​ u​	320 Hz	800 Hz
O	o	500 Hz	1000 Hz
å	​ ɑ	700 Hz	1150 Hz
A	​ a​	1000 Hz	1400 Hz
ö	ø​	500 Hz	1500 Hz
ü	y	320 Hz	1650 Hz
ä	​ ɛ​	700 Hz	1800 Hz
E	​ e​	500 Hz	2300 Hz
I	​ i​	320 Hz	3200 Hz

Hierbei handelt es sich um Mittelwerte, da die allgemeine Tonhöhe von Person zu Person etwas verschieden ist.

Um Sprache zu verstehen, muss das menschliche Gehirn zunächst die Formanten während des Sprechens analysieren. Hier ist insbesondere die Frequenzermittlung von Bedeutung.

Das Hörsystem des Menschen ist auf diese Aufgabe bestens vorbereitet.

Schallwellen erreichen das Außenohr, welches sie bündelt und zum Trommelfell des Mittelohrs leitet. Die Gehörknöchelchen (Hammer, Amboss, Steigbügel) leiten die Schwingungen des Trommelfells weiter, sie werden über das ovale Fenster auf die Flüssigkeit der Hörschnecke übertragen. Auf der Basilarmembran entsteht so eine Wanderwelle, die eine Transformation der Frequenz in einen Erregungsort mit Maximalerregung ermöglicht.

Haarzellen werden an den Maxima der Wanderwelle aktiviert und senden Aktionspotenziale aus. Die Abwickelung der Basilarmembran in die Ebene offenbart, dass zwischen dem Ort und der Frequenz ein eindeutiger Zusammenhang besteht.

Daher kann dieses Hörorgan sehr wohl beliebige Formanten erkennen. Nun muss das Gehirn diese nicht nur erkennen, sondern auch Abspeichern und so die Phoneme der Sprache erlernen und wiedererkennen.

Das Abspeichern geschieht im Pontocerebellum.

Die Frequenzsignale des sensorischen Zentrums erreichen über die Brückenkerne das Pontocerebellum und enden an den Körnerzellen, während das Mittelwertneuron dieses Kerns eine freie Purkinjezelle (bzw. Purkinjegruppe) stark erregt. Durch LTP und LTD werden die aktuellen Formanten in die Purkinjezelle eingebrannt. So können sie später wiedererkannt werden, das zugehörige Kleinhirnneuron meldet dann die Erkennung dem Cortex.

Weitere, davon verschiedene Formanten werden ebenfalls durch Prägung der folgenden, freien Purkinjezellen erlernt, sobald sie das Hörsystem erreichen.

Sprache ist jedoch nicht das vereinzelte Auftreten von Phonemen, sondern eine zeitlich wohlgeordnete Aufeinanderfolge von Phonemen. Daher muss das Gehirn die Fähigkeit haben, ein erkanntes Phonem mit einem darauffolgenden Phonem zu verknüpfen. So lernt es praktisch Doppelphoneme, später Dreifachphoneme usw.

Hier hilft das limbische System mit seiner hippocampalen Rotationsschleife. Jedes erkannte Phonem bewirkt einen Cerebellumoutput, der nicht nur in den Cortex zieht, sondern vom Cerebellum in den limbischen Rotationsspeicher gesendet wird. Dort rotiert das Aktionspotential ständig im Kreis. Aber es sendet ebenso bei jedem Schleifendurchlauf seine Aktionspotentiale zum Sprachzentrum und meldet: Ich war das letzte erkannte Phonem.

Wird nun ein zweites Phonem erkannt, so erhält das Sprachzentrum zwei Inputs: Das eben erkannte bewirkt, dass das Cerebellum die Erkennung dem Sprachzentrum meldet. Aber ebenso meldet das limbische System das Vorhandensein des zwischengespeicherten Phonems. Es sind also zwei Neuronen im Sprachzentrum aktiv. Über Brückenkerne senden sie ihre Aktionspotentiale an das Cerebellum, während ein Mittelwertneuron dort eine freie Purkinjezelle aktiviert. Durch LTP und LTD wird nun das Doppelphonem abgespeichert. Tritt es später noch einmal auf, so meldet diese Purkinjezelle (bzw. Gruppe) dem Sprachzentrum die Erkennung eines Doppelphonems. Gleichzeitig wird die Erregung an ein neues, freies Neuron in der limbischen Schleife geschickt, so dass dort die Signalrotation des Doppelphonems beginnt. Die erste Amtshandlung dieses neuen limbischen Rotationssignals besteht darin, die Rotation der zwei Einzelphoneme, aus denen es sich selbst zusammensetzt, in den Rotationsschleifen zu unterbinden. Als Nächstes teilt es dem Sprachzentrum (genauer dem Hörzentrum) mit, dass es das letzte erkannte Doppelphonem ist, indem es bei jedem Schleifendurchlauf ein Aktionspotential dorthin sendet. So kann ein weiteres, darauffolgendes Phonem mit diesem zu einem Dreifachphonem kombiniert werden.

So lernt das Sprachsystem zunächst kurze Worte, dann längere, dann vielleicht ganze Sätze oder Redewendungen und letztlich komplette Gedichte oder gar ganze Romane.

Nebenher muss das Gehirn natürlich die inhaltliche Bedeutung der gelernten Phonemfolgen erlernen und begreifen.

Diese Prozesse müssten, wenn sie so ablaufen, sehr schnell zum Spracherwerb führen. In Wirklichkeit sieht es jedoch anders aus. So muss z. B. das Outputneuron des Nucleus dentatus, welches die Erkennung eines Phonems an den Cortex meldet, zunächst sein Axon bis zum Cortex senden. Das kann Tage dauern. Ebenso muss es ein Axon zum limbischen System schicken – teils unter Zwischenschaltung weiterer Neuronen. Dort muss eine neue Rotationsschleife entstehen, die vorher nicht existierte. Diese muss dann ein Axon zum Sprachzentrum entsenden und dort kontakt aufnehmen.

Die vielen Signalwege müssen während des Spracherwerbs zunächst aufgebaut werden. Die liegt auch daran, dass der Mensch mit einem unreifen Gehirn auf die Welt kommt. Am besten kann man dies an der postnatalen Entwicklung des Cerebellums oder am Beispiel der Neuronenreifung im visuellen Thalamus sehen.

Sind die Strukturen erst einmal angelegt, fällt ein weiterer Spracherwerb nicht schwer, vor allem in der Jugend.