Sprache: N400 bei semantischer Inkongruenz

Das Verstehen von Sprache erfordert komplexe kognitive Prozesse, und angesichts der unglaublichen Anzahl von Wortwahlen und Anordnungen, die einen einzigen Satz bilden können, muss das Gehirn in der Lage sein, zwischen kohärenten und inkohärenten Kombinationen zu unterscheiden.

Das Verständnis eines Satzes, sei es gesprochen, wie eine Mutter ihrem Sohn sagt, dass sie einkaufen geht, oder in einem Buch geschrieben, hängt zum Teil davon ab, was das Gehirn für das nächste Wort in dem Satz erwartet.

Wenn zum Beispiel jemand anfängt zu lesen "Es war ein dunkles und stürmisches..." Zu Beginn eines Buches wird erwartet, dass "Nacht" der folgende Begriff sein wird.

Gelegentlich stößt man jedoch auf unerwartete Wörter wie "... Und der verrückte Wissenschaftler malte sein Labor mit der Farbe Waschbär..."?das stört die Bedeutung des Satzes.

In diesem Fall ist der anomale Begriff Waschbär, da er sich auf eine Tierart bezieht und nicht auf eine erwartete Farbe wie Schwarz.

Solche semantischen Inkongruenzen – die sinnlosen Sätze – lösen einzigartige elektrische Signale im Gehirn aus, die als ereigniskorrelierte Potentiale, kurz ERPs, bekannt sind und Aufschluss darüber geben können, wie das Gehirn das problematische Wort entweder abruft oder neu verarbeitet, um den Satz zu verstehen.

In diesem Video wird erklärt, wie die Technik der Elektroenzephalographie (EEG) zur Messung von ERPs bei semantischen Inkongruenzaufgaben eingesetzt werden kann, bei denen den Teilnehmern Sätze gezeigt werden, die mit unerwarteten Wörtern enden.

Wir zeigen, wie man Stimuli entwirft und Daten sammelt und analysiert, wobei wir uns speziell auf eine einzigartige Komponente von ERPs konzentrieren, die N400 genannt wird, um ihre Eigenschaften widerzuspiegeln.

In diesem Experiment wird das EEG verwendet, um die Gehirnaktivität bei Teilnehmern zu messen, denen semantisch kohärente und inkohärente Reize gezeigt werden, um die Sprachverarbeitung und das Sprachverständnis zu untersuchen.

Diese Reize bestehen aus drei Arten von Sätzen: kongruent, inkongruent und größenabweichend. Obwohl jedes aus sieben Wörtern besteht, unterscheiden sie sich in der Art ihrer letzten Begriffe.

Die letzten Worte in übereinstimmenden Sätzen, wie "Sie kratzte ihren Hund hinter dem Ohr.", stellen keine Bedeutungsprobleme dar und erscheinen in der gleichen Schriftart und -größe wie die vorhergehenden.

Wichtig ist, dass diese Sätze als Kontrolle dienen, um zu messen, wie das Gehirn auf kohärente Wortkombinationen reagiert.

Im Gegensatz dazu besitzen unpassende Sätze wie "Sie tauchte ihren Hühnerfinger in Stiefel." letzte Begriffe, die semantisch anomal sind.

Hier steht Stiefel im Widerspruch zur Bedeutung der übrigen Wörter: Es wird erwartet, dass Hühnerfinger in ein Gewürz wie Senf getaucht werden, nicht in Kleidungsstücke. Diese Reize bewerten also, wie überraschende, inkohärente Sprache verarbeitet wird.

Die letzte Art von Sätzen wird als größenabweichend bezeichnet und enthält letzte Wörter, die überraschend aussehen - sie sind in einer größeren Schrift - aber nicht kongruent.

Wenn zum Beispiel in dem Satz "Er steckte seine Hand in seinen Fäustling." der Begriff "Handschuh" in größeren Buchstaben geschrieben wird, ergibt er immer noch semantisch Sinn.

Diese Reize sind von entscheidender Bedeutung, da sie unterscheiden sollen, ob die Reaktion des Gehirns auf das letzte Wort eines Satzes das Ergebnis allgemeiner Überraschung ist - der Schock einer inkonsistenten Textgröße - oder spezifisch für unerwartete Bedeutungen ist.

Nachdem die Teilnehmer auf das EEG vorbereitet wurden, werden sie aufgefordert, die Sätze, die auf einem Computerbildschirm erscheinen, sorgfältig zu lesen, da später Fragen dazu gestellt werden.

In Wirklichkeit gibt es am Ende des Experiments kein Quiz; Diese Anweisungen stellen jedoch sicher, dass die Probanden auf die bevorstehenden Reize achten.

Während der Aufgabe werden den Teilnehmern nacheinander – in der richtigen Reihenfolge – die sieben Wörter gezeigt, aus denen ein einziger Satz besteht.

Jeder Begriff erscheint einzeln in der Mitte des Monitors, um Augenbewegungen zu reduzieren, die die Datenerfassung beeinträchtigen könnten, für 100 ms, gefolgt von 1000 ms leerem Bildschirm.

In über 120 solcher Versuche, die jeweils aus einem einzigen Satz bestehen, werden kontinuierlich EEG-Informationen aufgezeichnet. Konkret werden Reize mit der gleichen Frequenz - 40 Mal - angezeigt, aber in einer zufälligen Reihenfolge. Dann wird die Aufgabe ein zweites Mal wiederholt, so dass die Teilnehmer insgesamt 240 Sätze lesen müssen.

Anschließend werden EEG-Daten verarbeitet, um die durchschnittlichen ERPs für jede Art von Satz - von jeder Elektrode - zu visualisieren, und die Wissenschaftler suchen nach der N400-Komponente in diesen Wellenformen.

Das "N" in diesem Begriff zeigt an, dass der Peak negativ ist, und das "400" steht für seine Latenz, d. h. dass sie etwa 400 ms auftritt, nachdem dem Teilnehmer der letzte Stimulus gezeigt wurde.

Basierend auf früheren Erfahrungen wird erwartet, dass die Amplitude von N400 als Reaktion auf semantisch inkonsistente Ereignisse zunimmt und von allen Kopfhautelektroden aufgezeichnet wird.

Diese Reaktion wird jedoch wahrscheinlich am deutlichsten an der Pz-Elektrode sein, die in der Mittellinie der Kopfhaut über den Parietallappen positioniert ist – von denen bekannt ist, dass sie an der Verarbeitung und Integration von Schriftsprache beteiligt sind.

Bevor Sie mit dem Experiment beginnen, rekrutieren Sie einen Teilnehmer, der englischer Muttersprachler ist, und erklären Sie ihm die beiden Hauptkomponenten des Verfahrens: dass er Elektroden tragen wird und dass ihm Sätze auf einem Computerbildschirm gezeigt werden. Holen Sie dann alle notwendigen, unterschriebenen Einverständniserklärungen von ihnen ein.

Statten Sie den Teilnehmer als Nächstes mit Kopfhaut- und Gesichtselektroden aus. Weitere Informationen zu diesem Verfahren finden Sie in den Methoden, die an anderer Stelle in dieser Sammlung beschrieben werden. Sobald Sie sich im Prüfraum befinden, überprüfen Sie die Impedanzwerte an allen Elektroden.

Nachdem Sie sich vergewissert haben, dass die EEG-Spuren frei von Rauschen sind, weisen Sie den Teilnehmer an, so zu sitzen, dass seine Augen etwa 75 cm vom Bildschirm entfernt sind.

Betonen Sie, dass sie die Sätze, die Wort für Wort auf diesem Display erscheinen, lesen und sorgfältig darauf achten sollen, da später Fragen zu ihrem Inhalt gestellt werden.

Um sicherzustellen, dass der Teilnehmer die Aufgabe versteht, zeigen Sie ihm zehn Übungssätze, aber sammeln Sie in dieser Zeit keine Daten. Starten Sie anschließend das EEG-System, um die kontinuierliche Aufzeichnung zu starten.

Fahren Sie mit der funktionalen Aufgabe fort, indem Sie 120 Versuche, bestehend aus 40 kongruenten, 40 inkongruenten und 40 abweichenden Sätzen, in zufälliger Reihenfolge präsentieren. Wiederholen Sie dann diesen Vorgang mit einem zusätzlichen Satz von 120 Stimuli, um sicherzustellen, dass genügend Daten gesammelt werden.

Sobald die Daten für alle 240 Reize aufgezeichnet wurden, verarbeiten Sie diese wie in den ERPs von JoVE und dem Oddball Task-Video beschrieben.

Um die Daten zu analysieren, stellen Sie zunächst die durchschnittlichen Wellenformen für die Zeitverläufe von Stimuli kongruenter, inkongruenter und abweichender Größe dar, die von der Pz-Aufnahmestelle gesammelt wurden. Geben Sie auf der x-Achse dieses Diagramms, die die Zeit in ms darstellt, an, wann jedes Wort in einem Satz angezeigt wird.

Lokalisieren Sie anschließend die N400-Peaks und berechnen Sie für jeden seine durchschnittliche Amplitude, definiert als der Abstand zwischen dem tiefsten Punkt des Peaks und dem Basislinienwert von 0 ? V, ebenfalls durch die horizontale Achse dargestellt.

Berechnen Sie dann die Latenz dieser Komponente, d. h. wie lange es in ms dauert, bis sie in der Wellenform erscheint, nachdem das letzte Wort eines Satzes angezeigt wurde.

Für die Bereiche dieser Amplituden und Latenzen fahren Sie mit F-Tests fort, um zu bestimmen, ob es einen Unterschied zwischen Ziel- und Kontrollreizen gibt.

Beachten Sie, dass die N400-Reaktion erst beobachtet wurde, nachdem den Teilnehmern das letzte Wort eines unpassenden Satzes gezeigt wurde, was darauf hindeutet, dass dieses elektrische Ereignis die neuronale Verarbeitung widerspiegelt - insbesondere unter Einbeziehung der Parietallappen, die eine Unterbrechung der Satzverarbeitung durch einen inkohärenten Term anzeigen.

Wichtig ist, dass, obwohl N400 nicht in Wellenformen beobachtet wurde, die mit Stimuli unterschiedlicher Größe gesammelt wurden, eine weitere einzigartige Komponente? P560, ein positiver Peak mit einer Latenz von 560 ms?war.

Dies deutet darauf hin, dass das Gehirn unterschiedlich auf unerwartete visuelle Reize und semantisch inkonsistente Begriffe reagiert, und deutet darauf hin, dass N400 eine einzigartige elektrische Signatur der Sprachinkongruenz ist.

Nachdem Sie nun wissen, wie semantische Inkonsistenz genutzt werden kann, um die N400-Komponente in ERPs hervorzurufen, schauen wir uns andere Möglichkeiten an, wie Forscher dieses einzigartige elektrische Signal untersuchen, um die Sprachverarbeitung und das Sprachverständnis zu untersuchen.

Einige Forscher wollen herausfinden, wann sich die Fähigkeit entwickelt, inkohärente Sprache zu erkennen, und ob sich diese Fähigkeit mit dem Alter ändert.

Bei dieser Arbeit wurden kleinen Kindern, die mit EEG-Kappen ausgestattet waren, Darstellungen von erkennbaren Objekten wie einer Kamera gezeigt.

Der Trick besteht jedoch darin, dass dem Kind, wenn es sich diese Darstellung ansieht, gesagt wird, dass es etwas anderes ist, zum Beispiel eine Katze. Es handelt sich also um eine modifizierte Version der semantischen Inkongruenzaufgabe, da das gesprochene Wort nicht mit der Bedeutung des sichtbaren Elements übereinstimmt.

Messungen der elektrischen Reaktionen des Gehirns auf diese Aufgaben zeigten, dass Kinder im Vergleich zu kongruenten Sätzen eine verstärkte N400-ähnliche Reaktion auf inkongruente Item-Wort-Paare zeigen - eine Reaktion, die mehrere hundert ms anhält.

Wichtig ist, dass dies darauf hindeutet, dass Menschen bereits in jungen Jahren in der Lage sind, semantische Inkongruenzen zu erkennen und zu verarbeiten.

Andere Forscher untersuchen, ob ERPs verwendet werden können, um sprachliche Defizite besser zu verstehen, die mit bestimmten Persönlichkeitsstörungen wie Schizophrenie verbunden sind.

Paradoxerweise haben frühere Arbeiten gezeigt, dass Personen mit ausgeprägten schizophrenieähnlichen Merkmalen, wie Angstzuständen oder der Unfähigkeit, Freude zu empfinden, im Vergleich zu Menschen mit milderen Symptomen eine erhöhte N400-Reaktion auf übereinstimmende Wortpaare wie Tier und Ziege zeigen.

Wenn diese Teilnehmer jedoch mit einem Antipsychotikum namens Olanzapin behandelt wurden, verringerte sich die Amplitude dieser durch Kongruenz verursachten N400-Komponente im Vergleich zu Personen, die ein Placebo erhielten, was auf eine mögliche Therapie hindeutet, die die manchmal bei solchen Störungen beobachtete unzusammenhängende Sprache behandeln könnte.

Sie haben gerade das Video von JoVE gesehen, in dem gezeigt wird, wie kongruente und inkongruente Sätze verwendet werden können, um die Sprachverarbeitung zu untersuchen. An dieser Stelle sollten Sie wissen, wie Sie den Teilnehmern Reize präsentieren und ERP-Daten sammeln und interpretieren. Wir hoffen, dass Sie jetzt auch verstehen, wie die N400-Komponente verwendet wird, um andere Aspekte des Sprachverständnisses zu untersuchen, z. B. wie sie bei Verhaltensstörungen beeinflusst werden kann.

Danke fürs Zuschauen!