Gehirn baut Sätze aus spezialisierten Zellen

In dem Bruchteil einer Sekunde, bevor ein Mensch spricht, muss das Gehirn komplexe Grammatik, einen breiten Wortschatz und die zugrunde liegende Bedeutung der Sprache miteinander verknüpfen. Bisher galt Sprache als ein diffuses Phänomen, das weite Netzwerke im Gehirn betrifft. Doch eine neue Studie zeigt: Es gibt einzelne Nervenzellen, die extrem spezialisiert arbeiten – manche reagieren nur auf Substantive, andere nur auf das Ende einer Phrase.

Forscher um Ziv Williams, Neurochirurg am Massachusetts General Hospital in Boston, haben die elektrischen Impulse einzelner Gehirnzellen in Echtzeit während spontaner Gespräche gemessen. Dazu nutzten sie Daten von Elektroden, die Epilepsiepatienten vorübergehend implantiert worden waren, um deren Anfälle zu überwachen. So konnten sie beobachten, wie das Gehirn Sätze konstruiert, noch bevor ein Wort ausgesprochen wird.

Die Wissenschaftler stellten fest, dass bestimmte Neurone kurz vor dem Aussprechen eines Substantivs stärker feuerten. Das deutet darauf hin, dass das Gehirn gezielt Zellen aktiviert, die für bestimmte sprachliche Komponenten zuständig sind. Um diese elektrische Sinfonie besser zu verstehen, griff das Team auf große Sprachmodelle zurück – dieselbe Art künstlicher Intelligenz, auf der auch Chatbots beruhen. Dabei entdeckten sie, dass sowohl die Modelle als auch die Neurone den weiteren Satzkontext verfolgen: Sie behalten bis zu fünf vorhergehende Wörter im Gedächtnis, um die Bedeutung des nächsten Wortes zu formen.

Die meisten Zellen codierten entweder semantische Informationen (Wortbedeutung) oder syntaktische Informationen (Grammatik und Satzbau). Die Neurone in der linken Hälfte des frontotemporalen Kortex – einem Bereich an der Schläfe und Stirn – waren dabei aktiver als die in der rechten. Neben diesen spezialisierten Zellen fanden die Forscher aber auch synchronisierte elektrische Wellen im umgebenden Hirngewebe, die keine vergleichbare sprachliche Spezifität zeigten.

Für Fachleute wie Angela Friederici, Neuropsychologin am Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften in Leipzig, wirft diese Diskrepanz eine zentrale Frage auf: Wenn die einzelnen Bausteine der Sprache so isoliert arbeiten, wie schaffen sie es dann, sich schnell zusammenzutun und flüssiges Sprechen zu ermöglichen? Zudem weist Friederici darauf hin, dass die Ergebnisse nur eine Momentaufnahme darstellen – frühere Studien an Mäusen zeigten, dass sich die Reaktionen einzelner Zellen im Lauf der Zeit stark verändern können.

Williams hofft, dass die neuen Erkenntnisse künftig dazu beitragen, fortschrittlichere Gehirn-Computer-Schnittstellen für Menschen zu entwickeln, die nicht mehr sprechen können. Wenn Forscher verstehen, wie einzelne Zellen Satzstruktur und Grammatik codieren, könnten sich perspektivisch vielleicht komplexe Gedanken direkt aus dem Gehirn entschlüsseln lassen. Die Studie wurde im Fachmagazin Nature veröffentlicht.