Hirnareale und ihre Funktionen

Das Großhirn ist nicht nur längs in zwei Hälften geteilt, es ist auch durch quer verlaufende Furchen in vier Hirnlappen unterteilt: Stirnlappen, Scheitellappen, Hinterhauptslappen und der Schläfenlappen. Diese vier Lappen sind in modularer Arbeitsteilung jeder für ganz spezifische Aufgaben zuständig.

Im Hinterhauptslappen (Okzipitallappen) werden visuelle Daten verarbeitet. In den Schläfenlappen (Temporallappen) werden akustische Daten registriert. Der Scheitellappen (Parietallappen) registriert somatosensorisch vermittelte Daten (Tastsinn). Der Stirnlappen (Frontallappen) regelt motorische Bewegungen; er ist aber mit seinem beim Menschen besonders stark ausgebildeten präfrontalen Teil zugleich eine kognitive und moralische Kontrolinstanz für alle willentlich steuerbaren Handlungen. Dem entspricht, dass ihm auch die Funktion des Arbeitsgedächtnisses zukommt.

Für die Verarbeitung (Auswertung) der von den peripheren Körperorganen kommenden sensorischen Primärdaten, die in den primären Assoziationsfeldern der vier Lappen des Großhirns einlaufen, ist ein komplexes Wechselspiel unter allen Teilen des Gehirns verantwortlich. In jedem Lappen haben sich über bzw. hinter den primären Dateneingangsfeldern sekundäre Assoziationsfelder gebildet. Sie sind für die Deutung der primären Sinnesdaten wichtig. Ihre Deutung verlangt nämlich ein kontextorientiertes Abgleichen der Sinnesdaten, die in den verschiedenen Hirnregionen registriert sind, aber nur über das Zusammenspiel mit zu ihnen passenden Daten in anderen Teilen des Gehirns ein jeweils komplexes Bild von einer bestimmten Situation abgeben. Dieses Zusammenspiel erfolgt über neuronale Parallelfasern, welche die sekundären Assoziationsfelder 'quer' zu ihren Kontakten mit den äußeren Sinnesorganen verbinden, die durch absteigende und aufsteigende Nervenbahnen garantiert werden (Bild links).

Der Frontallappen (Stirnlappen) ist bei Menschen größer als bei Tieren (30% der Größe des Cortex beim Menschen statt 17% bei den Primaten). Das hat damit zu tun, dass er – zusätzlich zur Steuerung der Motorik – viele kognitive Funktionen übernommen hat. So ist er z.B. in seinem unteren präfrontalen Teil eng verknüpft mit dem benachbarten Thalamus und Limbischen System und hat die Aufgabe, bevor motorische Handlungsweisungen ausgelöst werden, für eine kognitiv kontrollierte Koordination der vielen konkurrierenden Meldungen zu sorgen, die in einer Flut von ständig parallel im Gehirn einlaufenden Sinnesmeldungen miteinander um Beachtung kämpfen. Der präfrontale Cortex hat wegen solcher koordinativ-kontrollierenden Aufgaben die doppelte Funktion des Kurzzeit- bzw. Arbeitsgedächtnisses und einer zentralen Exekutive. Er wird deshalb als der Sitz von persönlichen Eigenschaften wie Moral und Selbstbeherrschung bezeichnet. Pathologische Untersuchungen belegen, dass Beschädigungen dieses Bereichs zu Veränderungen der Persönlichkeitsstruktur führen, die sich insbesondere in kognitiv unkontrollierten (unbeherrschten) Reaktionen ausdrücken.

Die Ventrikel - 'Stoßdämpfer' und Energielieferanten

Alle Teile des Gehirns sind nach außen hin durch den harten Schädelknochen gegen Stöße gesichert. Unter ihm liegt als erste dünne Schicht die Hirnhaut (dura mater). Unter ihr liegt die Spinngewebshaut. Sie enthält die Blutgefäße und in dem Raum zwischen diesen die Hirnflüssigkeit (Liquor). Sie versorgt über die darunter liegende weiche Hirnhaut (pia mater) die Großhirnrinde mit Nährstoffen aus dem Blut und dient der Ausscheidung von Abfallstoffen.

Die gesamte Großhirnrinde (graue Substanz) ist nur etwa 3 mm dick und in sich stark gefaltet, was ihr das Aussehen eines gefurchten Walnusskerns gibt. Sie enthält Milliarden von Nervenzellen (Neuronen). Diese sind bereits mit der Geburt in voller Zahl vorhanden, laden sich aber erst als Folge von Erfahrungen mit Erinnerungen auf, die als Grundlage für die Konstruktion von Wissen dienen.

Aus der Tatsache, dass sich Objekte und Personen sowie Situationen immer als ein Bündel von miteinander verknüpften visuellen, auditiven, haptischen und anderen Eingangsdaten darbieten, resultiert für die Speicherung von Erfahrungen bzw. Wissen, dass es immer verteilt über viele Hirnareale doch in vielfach untereinander verknüpfter Form vorliegt. Es wird bei Gebrauch durch sich gegenseitig aktivierende Zellgruppen abgerufen. Man spricht deshalb von einer verteilten Speicherung und parallelen Aktivierung des Wissens in neuronalen Netzen.

So wie die Großhirnrinde nach außen hin durch die harte Schädeldecke und die weiche Hirnflüssigkeit (Liquor) gegen Stöße gesichert wird, so werden sie und alle tiefer liegenden Teile des Gehirns außerdem durch mehrere mit Flüssigkeit gefüllte Hohlräume (Ventrikel), die man als Pufferzonen mit Stoßdämpfer-Funktionen bezeichnen kann, vor Beschädigungen geschützt. Alle Liquorräume sind untereinander verbunden. Sie dienen im übrigen nicht nur als ‚Stoßdämpfer’ sondern haben auch eine wichtige Funktion für die Energieversorgung des Gehirns.

Das Gehirn verbraucht sehr viel Energie und ist auf die ständige Versorgung mit Glucose und Sauerstoff angewiesen. Sie werden im Blut über Arterien herantransportiert. Ein großer Teil des vom Herzen gepumpten Blutes, nämlich 25 Prozent, fließt durch das fein verästelte Geflecht der Arterien des Gehirns. Das System der Hirnhäute bewirkt, dass viele Substanzen nicht direkt aus dem Blut ins Gehirn übergehen können. Winzige Elemente in den Adergeflechten der Ventrikel und in den Gehirnkapillaren wirken als Molekül- und Ionenfilter. Diesen Effekt nennt man auch die Blut-Hirn-Schranke.

Primäre und sekundäre Assoziationsareale und das parallele Aktivieren des verteilt gespeicherten Wissens

Es ist typisch für die evolutionsgeschichtliche Entwicklung des Gehirns, dass sich in ihrem Verlauf über alten Strukturen und den ihnen entsprechenden primären Funktionen nach und nach neue Strukturen mit neuen (sekundären) Funktionen gebildet haben. So haben zum Beispiel bestimmte Areale im frontalen und parietalen Cortex die primäre Funktion, für eine Kontrolle über die Bewegungen von Mund, Lippen, Zunge, usw. zu sorgen. Von ihnen gehen deshalb auch Nervenbahnen direkt zu diesen Körperorganen. Die Aufgabe der im Gehirn dicht neben diesen primären Arealen liegenden sekundären Assoziationsareale ist es, für eine zusätzliche aber 'höherwertige' Verwendung dieser primären Fähigkeiten zu sorgen. So nutzen Kleinkinder den Mund (Lippen, Zunge, usw.) nicht nur das Saugen, Essen und Trinken; sie lernen zusätzlich diese Organe als Sprechwerkzeuge zu nutzen (sekundäre Funktion). (Computational Models of Association Cortex)

Jedes Wissen und Können beruht auf dem Zusammenspiel vieler Areale des Gehirns. Die neuronale Arbeitsteilung liegt darin, dass von den primären Assoziationsarealen Nervenfasern nach außen zu den Sinnesorganen (Körperteilen) gehen. Sie sorgen rezeptiv und motorisch-produktiv für die primäre Kontrolle über die peripheren Teile des Organismus. Demgegenüber ist es die Aufgabe der sekundären Assozationsareale, über cerebrale Parallelfasern für das koordinierte Zusammenspiel all der Fähigkeiten zu sorgen, die verteilt über mehrere Hirnareale gespeichert sind aber parallel aktiviert werden müssen.

Daran ist u.a. zu denken, wenn davon die Rede ist, dass das Sprachwissen des Menschen in einem 'Sprachmodul' in der linken Hirnhälfte angesiedelt sei, und zwar mit seinen lexikalischen Beständen in dem als Wernickes Areal bekannten Teil des Temporallappens, und mit seinen grammatischen Beständen in dem als Brocas Areal bekannten Teil des linken unteren Frontallappens. Diese Ausssage ist zwar nicht falsch, aber problematisch. Sie ist problematisch, weil Sprache eine sehr komplexe Fähigkeit ist, die sich von rein sprechmotorischen und semantischen (lexikalischen und grammatischen) Aspekten bis hin zu pragmalinguistischen, stilistischen und affektiven Aspekten von Sprache erstreckt. Bekannt ist zum Beispiel, dass melodische Aspekte der Sprache in der Regel in der rechten Hirnhälfte 'verwaltet' werden. Sie speichert auch die mit episodischen Erinnerungen und persönlichen Bewertungen verknüpften Aspekte von Sprachelementen. Der Spracherwerb wie auch der Sprachgebrauch sind außerdem nicht ohne das Mitwirken von nur motivationspsychologisch zu erklärenden affektiven Faktoren zu verstehen. Die aber haben ihren Urspurng in limbischen Regionen, die außerhalb von Wernickes und Brocas Areal liegen.

Sprachwissen liegt also in verteilt gespeicherter Form in vielen Hirnregionen vor. Es muss beim Gebrauch parallel aktiviert werden, und zwar sehr schnell. Das schnelle Aktivieren von lexikalischen und grammatischen und sprechmotorischen Sprachwissensanteilen in Millisekunden ist nur möglich, wenn die Abrufprozesse (das parallel-koordinierte Aktivieren) automatisiert sind. Automatisiertes Wissen aber ist eine typische Leistung des Langzeitgedächtnisses. Das aber verlangt prozedural, dass die Inhalte zuvor dort hin transportiert wurden und Spuren hinterlassen haben, die deutlich machen, 'was zusammen gehört'. Der Transport in und aus dem Langzeitgedächtnis aber geht prozedural immer über den Engpass Kurzzeitgedächtnis. Dort findet auch ein bewertender Abgleich statt zwischen aktuellen Informationen über den sensorisch wahrgenommenen gegenwärtigen Zustand der Umwelt und den aus dem Inneren des Organismus kommenden Meldungen über Wünsche und Bedürfnisse. Für Entscheidungen darüber was zu tun ist, greift das Kurzzeit- bzw. Arbeitsgedächtnis auf die im Langzeitgedächtnis gespeicherten Wissensbestände mit den daraus resultierenden Handlungsmöglichkeiten zurück.

Die nebenstehende ‚Landkarte des Gehirns’ (linke Hemisphäre), gibt Antwort auf die beliebte Frage, wo welches Wissen des Menschen gespeichert ist. Dazu muss allerdings angemerkt werden, dass bis heute das Wissen von Neurochirurgen und anderen Neurowissenschaftlern darum, wo was gespeichert ist, und welche Nervenbahnen wichtige Funktionen für das Ausbilden und Abrufen bestimmter Wissensbestände haben, noch vorläufig ist. Es würde sich z.B. kein Neurochirurg darauf verlassen, dass die im Bild genannten Fähigkeiten in einem konkreten Fall auch wirklich an den Stellen gespeichert sind, die hier eingezeichnet wurden. Vor Operationen wird in jedem Einzelfall sehr sorgfältig geprüft, welche Fähigkeiten man ‚wegschneidet’, wenn z.B. ein Tumor an einer bestimmten Stelle entfernt wird. Das betrifft auch neuronale 'Verbindungswege', denn wenn der Zugang zu einem bestimmten Wissen gekappt wird, ist es ebenso verloren als wenn man es selber weggeschnitten hätte. Nur in wenigen Fällen kommt der Patient über ursprünglich 'unwichtige' Umwege trotzdem an die erhaltenen Wissensbestände heran. So ist zum Beispiel bekannt, dass manche Patienten beim Singen von Liedern Wörter gebrauchen, die sie auf normalen semantischen Wegen nicht mehr aktivieren können.

Strukturen, Funktionen und Prozesse

Mit den hier bisher vorgestellten Erkenntnissen über die anatomische Struktur des menschlichen Gehirns bzw. die Tektonik seiner Makrostrukturen ist noch relativ wenig über die Prozesse gesagt, die zum Lernen und zum Gebrauch des Wissens nötig sind.

Neurowissenschaftler sind sich einig, dass die Prozesse, um die es hier geht, auf einer Selbstorganisation des neuronalen Netzes basieren. Um sie zu verstehen, muss die Struktur der neuronalen Mikrostrukturen berücksichtigt werden, welche die von chemischen und elektrischen Prozessen geprägten Vorgänge des Speicherns und Aktivierens von Erfahrungen (Wissen und Können) ermöglichen. Sie aber lassen sich nicht ohne Modelle von der Natur der komputationalen Prozesse verstehen, die sie bewirken.

Bekannt ist, dass neuronale Netze mit einer parallelen Aktivierung von verteilt gespeicherten Wissenselementen arbeiten, die in ständiger Konkurrenz zueinander um Beachtung drängen. Es sind deshalb nur wahrscheinlichkeitstheoretisch fundierte Faktoren die erklären, warum bestimmte Neuronen (Wissensknoten) 'feuern', andere nicht. Aus informationstheoretischer Sicht werden solche Prozesse am besten durch konnektionistische Modelle erklärt. Auf der linguistischen Seite entspricht ihnen das competition model. Unter dem Zweitspracherwerbstheorien kommt ihnen die Processability Theory am nächsten.

Eine besondere Frage ist es, welcher Art die Prozesse sind, die zum Erlernen einer Sprache führen. Sie verlangt, dass Erkenntnisse über die 'neuronale Hardware’ und 'neuronal-komputationale Prozesse' in kritische Relation zu den aus empirischen Spracherwerbsstudien bekannten Fakten über den Verlauf von Sprachlernprozessen gesetzt werden. Sie alle sind dann in ein theoretisch konsistentes Modell einzubringen.

Solche Erkenntnisse sind aus fremdsprachendidaktischen Sicht in kritische Relation zu den Erfahrungen zu setzen, die aus den Berichten zu mehr und weniger erfolgreichen Lehr- und Lernmethoden im Fremdsprachenunterricht bekannt sind. Es ist zu hoffen, dass sich in der Zukunft, über ein sich verdichtendes Netz von Erkenntnissen aus diesen und anderen Disziplinen, nach und nach besser fundierte Aussagen darüber machen lassen, wie der Spracherwerb durch didaktische Maßnahmen gefördert werden kann.

Merksätze

Die vier großen Areale im Großhirn sind:

der Stirnlappen (frontal lobe),
der Scheitellappen (parietal lobe),
der Hinterhauptslappen (occipital lobe) und
der Schläfenlappen (temporal lobe).

Der okkzipitale Lappen verwaltet visuelle Informationen.
Die Temporallappen verwalten auditive Daten.
Der parietale Lappen verwaltet die somatosensorischen Informationen.
Der Frontallappen ist für die Kontrolle über die motorischen Bewegungen zuständig. Der präfrontale Lappen ist beim Menschen besonders groß ausgebildet und fungiert als Arbeitsgedächtnis. Er die Rolle einer zentralen kognitiven Kontrollinstanz.

In allen Hirnlappen sind primäre von sekundären Assoziationsarealen zu unterscheiden. Von den primären Arealen gehen direkte Nervenverbindungen zu den peripheren Sinnesorganen. Die sekundären Assoziationsareale sind über Parallelfasern untereinander verknüpft und konstituieren über ihr Zusammenspiel das erlernte komplexe Wissen.

Das über viele Hirnareale verteilt gespeicherte und über Parallelfasern vielfältig verknüpfte Wissen wird bei Bedarf parallel aktiviert.

Das Sprachwissen ist über viele Areale des Gehirns verteilt gespeichert. Die beiden wichtigsten Areale sind Wernickes Areal und Brocas Areal. Das erstere ist in der Regel im linken Temporallappen zu finden und für das lexikalische Wissen zuständig; das letztere ist im unteren Teil des Frontallappens zu finden und für die grammatische Verarbeitung der Sprache zuständig. An der Sprachverarbeitung sind darüber hinaus weitere Hirnareale beteiligt. So werden z.B. melodische und rhythmische Aspekte der Sprache von der rechten Hirnhälfte verarbeitet, die gemeinhin als für die Sprachverarbeitung 'nicht dominant' bezeichnet wird.

Uwe Multhaup 19-07-2002

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