Je leest:

Breintaal

Breintaal

Auteur: | 30 november 2005

Veilig weggeborgen achter het benig omhulsel van ons schedeldak ligt de microkosmos van ons brein, met meer dan honderd miljard zenuwcellen en zo’n honderdduizend kilometer aan verbindingen tussen die zenuwcellen. Deze microkosmos – met een gewicht van anderhalf pond – stelt ons in staat televisie te kijken, een auto te besturen, onze kinderen te herkennen, lief te hebben, en wetenschap te beoefenen. Bovendien kunnen we als mensen over al die zaken praten, e-mailen, gedichten schrijven en lezen. Kortom taal gebruiken.

  • The brain within its groove Runs evenly and true; But let a splinter swerve, ’T were easier for you To put the water back When floods have slit the hills, And scooped a turnpike for themselves, And blotted out the mills!*

Emily Dickinson (1830 – 1886)

Veilig weggeborgen achter het benig omhulsel van ons schedeldak ligt de microkosmos van ons brein, met meer dan honderd miljard zenuwcellen en zo’n honderdduizend kilometer aan verbindingen tussen die zenuwcellen. Deze microkosmos – met een gewicht van anderhalf pond – stelt ons in staat televisie te kijken, een auto te besturen, onze kinderen te herkennen, lief te hebben, en wetenschap te beoefenen. Om maar een paar willekeurige voorbeelden te geven. Bovendien kunnen we als mensen over al die zaken praten, e-mailen, gedichten schrijven en lezen. Kortom taal gebruiken.

Toeval of niet, de evolutie heeft het menselijk brein uitgerust met het vermogen tot communiceren via taal. Ondanks de grote mate van genetische verwantschap tussen Homo sapiens en chimpansee of bonobo, beschikt alleen de mens over een communicatiesysteem met de complexiteit van natuurlijke talen. Daarvan is een grote diversiteit beschikbaar (zie figuur 1). Wereldwijd worden zo’n zesduizend verschillende talen gesproken. Dankzij de voortschrijdende globalisering zal binnen honderd jaar overigens zo’n negentig procent van die talen zijn uitgestorven. Wie, zoals ik, met een buitenlandse vrouw getrouwd is en een onderzoeksinstituut leidt met mensen uit 20 verschillende landen, weet bovendien dat je zonder veel moeite van de ene naar de andere taal kunt overschakelen. Iets wat op zich niks bijzonders is, want ongeveer de helft van de wereldbevolking is meertalig.

Figuur 1: Een houtgravure uit de Margarita Philosophica Nova (1512). We zien hoe God de verschillende talen van de wereld uitdeelt.

De grap is nu dat ondanks de vele verschillen tussen al die talen, alle mensentalen volgens hetzelfde basisprincipe werken. Dit is dat we met een eindig aantal woorden (of bij doventalen gebaren) en een beperkt aantal procedures (een grammatica) om die woorden (of gebaren) met elkaar te combineren, een oneindige reeks mededelingen aan elkaar kunnen doen. Van ons vermogen tot communicatie via taal maken we bij voortduring gebruik. De dagelijkse wereldproductie aan gesproken woorden is volgens een conservatieve schatting zo’n 1015. En dan laat ik de productie van geschreven woorden nog maar even buiten beschouwing. Kortom, de mens is eerst en vooral een talige mens ( Homo loquens). Wat zou onze cultuur zijn zonder taal? Hoe ons denken? Wie het geheim van de mens wil ontraadselen, moet bij de taal te rade gaan. Wie het geheim van de taal wil doorgronden, zal ook naar het menselijk brein moeten kijken. Vandaar mijn fascinatie voor taal en hersenen.

Kijken in het brein Aangezien geen adequaat diermodel beschikbaar is voor natuurlijke taal, zijn we voor het onderzoek naar hersenen en taal aangewezen op patiënten met een hersenbeschadiging en daardoor veroorzaakte symptomen van taaluitval. Daarnaast kunnen we het intacte menselijke brein onderzoeken tijdens werk in uitvoering. Dat laatste is steeds beter mogelijk, omdat een hele reeks aan hersenscanningstechnieken ontwikkeld is die ons in staat stellen hersenactiviteit te meten zonder dat we het brein hoeven te openen. De MRI-scanner is daarvan het bekendste voorbeeld.

Figuur 2: Een MRI-scanner (links) en de belangrijkste componenten (rechts), met van links naar rechts, de proefpersoon, de RF-antenne, de gradiëntspoelen en de supergeleidende magneet. Daaronder de RF-ontvanger, de RF-zender en de gradiëntversterkers.

Bij het maken van een MRI-scan wordt de patiënt of proefpersoon in een statisch magnetisch veld gebracht. Hierdoor richten de kernen van de waterstofatomen in bijvoorbeeld hersenweefsel en hersenvocht zich als waren zij kleine draaiende magneetnaaldjes (kernspins) in het magneetveld. Als we vervolgens radiogolven met een specifieke frequentie op de gemagnetiseerde kernspins afsturen gaan deze resoneren. Bij het stopzetten van de radiosignalen, zenden de natrillende kernspins een signaal uit dat door een ontvanger wordt geregistreerd. Dit wordt door een computer omgezet in zeer nauwkeurige beelden van het gescande object. De geniale inval van Paul Lauterbur was om op het statische magneetveld een gradiënt aan te brengen waardoor het mogelijk werd de plaats van de resonerende kernspins in het gescande object (in dit geval het brein) te bepalen. Voor die bijdrage ontving hij samen met Peter Mansfield in 2003 de Nobelprijs voor de Geneeskunde. Sinds ruim 10 jaar is het mogelijk met behulp van een MRI-scanner niet alleen hersenstructuren scherp in beeld te brengen, maar ook om de plaats te bepalen waar in ons brein onder gegeven omstandigheden een toename van hersenactiviteit plaatsvindt.

Aha, zou je nu denken: probleem opgelost. Als je wilt weten welke hersengebieden bij taal betrokken zijn, schuif je een deelnemer aan je onderzoek de MRI-scanner in. Vervolgens vraag je haar via een koptelefoon naar een reeks losse woorden, naar zinnen, of bijvoorbeeld naar gedichten te luisteren. De daarmee samenhangende activiteit wordt gemeten en de plaats daarvan bepaald, en klaar is Kees. We weten nu welke hersengebieden ons taalvermogen schragen. Zo simpel is het echter niet, en wel om twee redenen. Allereerst is ons brein voortdurend tegelijkertijd met van alles en nog wat bezig. Ook al bied ik taal aan, de deelnemer ziet, ruikt en hoort tegelijkertijd allerlei andere zaken. Wellicht spoken haar verschillende gedachten door het hoofd, tussen het luisteren naar de woorden door.

Daardoor weten we nog niet wat van de gemeten hersenactiviteit samenhangt met taal en wat met andere cognitieve processen, zoals visuele waarneming of denken. Dit probleem werd in de kern al in de negentiende eeuw onderkend door de Nederlandse fysioloog Donders (1818-1889), die er vervolgens ook een oplossing voor bedacht. Donders’ oplossing heeft de basis gelegd voor de onderzoeksaanpak in de moderne cognitieve neurowetenschap. Dit is de zogenaamde subtractiemethode. Ik kom daar straks nog op terug.

Het tweede probleem is nog prangender. Woorden als taal, geheugen, aandacht en bewustzijn behoren tot onze taalschat. Maar wat ze betekenen is vaak niet precies genoeg bepaald om er experimenteel onderzoek op te kunnen baseren. We moeten eerst een uitgewerkt idee hebben over de mens als taalgebruiker, alvorens we zinnig kunnen onderzoeken hoe ons taalvermogen in het brein verankerd is.

De illusie van Spinoza Maar, hoor ik u denken: heer Hagoort, dat is toch makkelijk zat. Ik ben de taalgebruiker, ik weet wat ik wil zeggen, ik stuur mijn articulatieorganen aan die de spaakklanken produceren. Een beetje introspectie is voldoende om uw model van de taalgebruiker van vlees en botten te voorzien. Hier stuiten wij op wat ik zou willen omschrijven als de Illusie van Spinoza. Op verscheidene plaatsen in de Ethica zet Spinoza uiteen dat wij onze handelingen wel kennen, maar geen toegang hebben tot de oorzaken ervan. Wij denken dat we die oorzaken kennen, maar dat is een illusie. Spinoza (1632-1677) besefte zeer goed dat de menselijke ervaring geen betrouwbare gids is om tot een adequate verklaring te komen. Een belangrijke reden is dat grote delen van onze cognitieve huishouding niet voor het bewustzijn toegankelijk zijn.

Hoe wij informatie uit ons geheugen ophalen, op welke wijze wij tijdens het spreken woorden samensmeden tot langere uitingen, dat alles laat geen registreerbaar spoor in ons bewustzijn na. Het vernuft van de experimentator is vereist om de feiten boven tafel te krijgen en een adequaat model van de taalgebruiker te construeren. Dankzij een omvangrijke onderzoekstraditie in de psycholinguïstiek, die terug gaat tot Wilhelm Wundt (1832-1920), hebben wij gelukkig intussen een gedetailleerd (maar nog altijd onvolledig) beeld gekregen over de complexe cognitieve architectuur van spreken, luisteren en lezen. Laten we eens enkele van deze feiten onder ogen zien.

De taalgebruiker Kinderen besteden in de eerste vijf of zes jaren van hun leven veel van hun energie aan het ontwikkelen van taalvaardigheid. Maar als die eenmaal verworven is en niet beschadigd raakt gaat het verder automatisch. Dat wil zeggen, wij spreken met een groot gemak, vrijwel foutloos (niet vaker dan eens per duizend woorden een verspreking), en met een verbijsterende snelheid. Een doorsnee spreker praat met een snelheid van zo’n twee tot drie woorden per seconde. Daarbij moeten de juiste woorden uit het geheugen worden opgehaald. Bij een volwassene is in het woordgeheugen kennis over zo’n 40.000 tot 60.000 woorden opgeslagen. Deze kennis behelst de klank van de woorden, wat ze betekenen, maar ook hun grammaticale eigenschappen.

Paus is een zelfstandig naamwoord, maar bidden is een werkwoord. Dit maakt dat De paus bidt gezegd kan worden, maar De bidden paust niet. In tegenstelling tot wat vaak gedacht wordt, liggen de woordvormen niet als kant en klare pakketjes in ons geheugen klaar voor gebruik. Zoals versprekingen duidelijk maken (Harmen Siezen in Het Journaal: “Onder laud appluis”) worden als wij spreken woorden steeds opnieuw geassembleerd uit het voor het Nederlands beschikbare klankrepertoire.

Al die verschillende bronnen van woordkennis in het geheugen moet de spreker razendsnel aanboren en bovendien nog eens zo’n 100 spieren gecoördineerd aansturen om de opgehaalde woordklanken uiteindelijk te kunnen articuleren. Wat voor informatie zoal uit het geheugen moet worden opgehaald is inmiddels vrij aardig in kaart gebracht. Tevens weten we dankzij ons onderzoek heel precies hoe die ophaalprocessen temporeel georkestreerd zijn. Gesteld dat het beeld van Benedictus XVI op uw netvlies valt en u wilt daarvan kond doen aan uw soortgenoten door luid en duidelijk “de paus” te roepen. Binnen een paar honderd milliseconden heeft u op basis van de visuele informatie het concept PAUS uit uw geheugen opgehaald. Vervolgens haalt u eerst de grammaticale informatie op. Het taalproductiesysteem in uw brein ‘weet’ dan dat we te maken hebben met een zelfstandig naamwoord en dat het ‘de paus’ is en niet ‘het paus’. Zo’n 40 milliseconden later haalt u de beginklank van het gesproken woord /paus/ op. Dat ophalen van spraakklanken gebeurt niet in één keer, maar sequentieel. Het duurt nog zo’n 80 milliseconden voor de overige klanken van /paus/ beschikbaar zijn voor articulatie.

Nu wil het geval dat wij zelden in losse woorden spreken, maar meestal in uitingen die uit meerdere woorden bestaan. Om welgevormde uitingen te kunnen produceren, moeten de woorden in een adequaat zinsverband worden geplaatst.

Dit proces staat bekend als syntactisch encoderen. Er zijn uitgewerkte computermodellen voor handen die laten zien hoe dat proces in zijn werk gaat. Welke hersengebieden tijdens het spreken een cruciale rol spelen bij het proces van syntactisch encoderen was tot voor kort onvoldoende bekend.

Om dat te achterhalen scanden we de hersenactiviteit van deelnemers aan ons onderzoek terwijl ze korte filmpjes te zien kregen, waarin simpele geometrische figuren tegen elkaar botsten. In een zo’n filmpje bijvoorbeeld stootte een rood vierkant een blauwe ellips weg. Dit onderzoek deden we – om hier niet ter zake doende redenen – met Duitse deelnemers. Deze moesten de visuele gebeurtenissen in hun moedertaal beschrijven. Deelnemers werd in één conditie van het experiment gevraagd de visuele gebeurtenissen in een volledige, grammaticaal correcte zin weer te geven (“Das rot*e* Viereck stöβ*t* die blau*e* Ellipse weg.”). In een andere conditie beschreven ze dezelfde situaties met behulp van een reeks losse woorden zonder syntactisch verband (“Viereck rot, Ellipse blau, wegstoβen”). De syntactische elementen in de zinsconditie heb ik hier voor uw gemak in vet laten drukken. Dit zijn onder andere de naamvalsmarkeringen van de lidwoorden, de verbuigingsuitgangen van de adjectieven en de vervoeging van het werkwoord. Deze elementen brengen het syntactisch verband in de zinnen aan (zie figuur 3).

Vergelijken we de hersenactiviteit samenhangend met het produceren van een grammaticaal welgevormde zin volgens Donders’ subtractiemethode met die waarin dezelfde situaties beschreven worden met behulp van een serie losse woorden, dan kunnen we het proces van syntactisch encoderen scheiden van alle overige, gelijktijdige hersenactiviteit. In dat geval zien we een toename van hersenactiviteit in de frontaalkwab van de linker hersenhelft. Deze toename wordt gevonden in een gebied dat grenst aan, en gedeeltelijk overlapt met, het gebied van Broca. Dit gedeelte van de hersenschors is dus kennelijk van groot belang voor het aanbrengen van een syntactische structuur in uitingen die uit meerdere woorden bestaan.

Figuur 3: De stimuli in het hersenscanningsexperiment (boven). De deelnemers beschreven de filmpjes in een volledige, grammaticaal welgevormde zin (S), als een reeks naamwoordelijke deelzinnen (NP), of als een serie losse woorden (W). Onder: de toename in hersenactiviteit (in geel) bij de beschrijving in grammaticaal volledige zinnen ten opzichte van de hersenactiviteit bij de beschrijving als een serie losse woorden. De activiteitstoename bevindt zich in de frontaalkwab van de linker hersenhelft, zoals te zien op een zij-, achter- en bovenaanzicht (van links naar rechts).

Elektrisch en magnetisch meten van taal

Een andere manier om het talige brein in actie te zien is door tijdens taalverwerking de elektrische en magnetische activiteit van de hersenen te meten (zie figuur 4). Met behulp van deze registraties is gevonden dat ieder betekenisdragend woord (zoals zelfstandige naamwoorden en werkwoorden) een duidelijk herkenbare hersenpotentiaal opwekt, de zogenaamde N400. Dit staat voor een negatieve golf met een maximale waarde om en nabij de 400 milliseconden. De N400-piek wordt kleiner naarmate de betekenis van een woord beter past in de voorafgaande context. In ons eigen onderzoek vonden we dat subtiele verschillen in het gemak waarmee de betekenis van een woord in de context geïntegreerd kan worden, al tot duidelijk meetbare verschillen in de N400-piek leidt. Bijvoorbeeld in de zinscontext “Het meisje stopte het snoepje in haar …” zien we een kleinere N400 wanneer daarop het woord mond volgt dan het woord zak. Beide voortzettingen zijn semantisch helemaal in orde, maar de ene woordbetekenis laat zich wat makkelijker met de voorafgaande zinscontext combineren dan de andere. Dat zien we terug in de N400.

Figuur 4: Links een proefpersoon waarbij een elektro-encephalogram (EEG) wordt afgenomen. Rechts het golfpatroon van de zogeheten ERP-componenten die zichtbaar worden wanneer het EEG gemiddeld wordt in relatie tot de herhaalde aanbiedingen van een korte geluidsprikkel. Op de logaritmische tijdsas zijn achtereenvolgens zichtbaar de vroege hersenstampotentialen (golven I–VI), de zogenaamde middenlatentie componenten (No, Po, Na, Pa, Nb), de exogene componenten (P1, N1, P2), en de endogene, cognitieve ERP-componenten (Nd, N2, P3). De componenten met een negatieve polariteit zijn omhoog geplot, de componenten met een positieve polariteit hebben een naar beneden gerichte piek. Klik op de afbeelding voor een grotere versie

Hersenactiviteit leidt tot minuscule veranderingen in het magneetveld dat ons brein genereert. Dit kan worden geregistreerd behulp van een MEG-systeem (Magneto-Encephalografie). MEG-registraties laten zien dat in zo’n geval de sterkste activiteit gemeten worden over de linker hersenhelft (zie de rode plek in figuur 5).

Figuur 5: Uiterst links een MEG-systeem (magneto-encephalografie). Daarnaast is van bovenaf de schedel zichtbaar (de neus vooraan), met van links naar recht magnetische activiteit voor woordbetekenissen die zich gemakkelijk in de context laten integreren, woordbetekennisen waarvoor dat moeilijker is, en (in rood) het activiteitsverschil tussen die beide condities. Klik op de afbeelding voor een grotere versie.

Een cruciaal aspect van mensentalen is dat de combinatoriek zich afspeelt op meerdere niveaus. Niet alleen woordbetekenissen worden tot grotere gehelen gecombineerd, maar ook de klankinformatie en de grammaticale kenmerken van de lexicale bouwstenen.

Figuur 6: Links: de P600/SPS, opgeroepen door een syntactische schending. In dit voorbeeld werden grammaticaal correcte maar betekenisloze zinnen (“De gekookte gieter rookt de telefoon in de kat.”) vergeleken met zinnen met een syntactische schending (“De gekookte gieter roken de telefoon in de kat.”). In het laatste geval is een toegenomen positiviteit zichtbaar tijdens het lezen van de incor-recte werkwoordsvorm roken. Rechts: de uitkomst van een MEG-meting die het effect lokaliseert over fronto-temporale gebieden in de linker hersenhelft. Klik op de afbeelding voor een grotere versie.

Wij vonden in ons EEG-onderzoek duidelijk bewijs dat het combineren van woordsoorten (zelfstandig naamwoord, werkwoord, enz.) gescheiden verloopt van het combineren van betekenis. Deelnemers kregen zinnen te lezen waarvan qua betekenis geen soep te koken viel, zoals “De gekookte gieter rookt de telefoon in de kat”. Toch kunnen we herkennen dat de woordsoorten hierin op de juiste wijze zijn gecombineerd.

Dat geldt niet voor de ongrammaticale variant van dezelfde zin: “De gekookte gieter roken de telefoon in de kat.” Hier voldoen onderwerp en gezegde niet aan de syntactische voorwaarde dat ze in getal (enkelvoud, meervoud) overeenstemmen. Het werkwoord “roken” leidt in zo’n geval tot een grotere positieve uitslag in het ERP-golfpatroon zo’n halve seconde nadat het woord gehoord of gelezen is. Wij doopten dit effect de Syntactic Positive Shift, en het staat thans bekend als P600/SPS (zie figuur 6). De P600/SPS is duidelijk kwalitatief verschillend van de N400, een hersengolf die te maken heeft met betekenis en niet met zinsbouw.

Hoe nu verder? Hierboven heb ik niet meer kunnen doen dan wat hapklare brokken te presenteren uit het onderzoek naar taal en hersenen. Ik heb laten zien hoe we met behulp van verschillende methoden kunnen bepalen welke gebieden in het brein bij taal betrokken zijn (fMRI) en wat het tijdsverloop is van talige hersenactiviteit (MEG, EEG). De combinatie van deze verschillende methoden is nodig om de spatiotemporele dynamiek – het verloop van de hersenactiviteit in plaats en tijd – van het menselijk taalvermogen in kaart te brengen.

Ik hoop dat u duidelijk is geworden dat het daarbij om meerdere zaken gaat. Allereerst willen we de complexe cognitieve architectuur van spreken, luisteren en lezen specificeren. Daarnaast willen we weten hoe deze processen in de hersenen zijn verankerd. Tenslotte zoeken we een antwoord op de vraag wat te doen als de delicate balans tussen bij taal betrokken hersenprocessen verloren gaat, zoals bij taalstoornissen (afasie) of woordblindheid (dyslexie). Het gedicht van Emily Dickinson verwoordt hoe ingrijpend de gevolgen kunnen zijn wanneer ons brein hapert.

Het onderzoek naar het menselijke taalvermogen heeft gaandeweg heel wat inzicht verschaft in de cognitieve architectuur van spreken, luisteren en lezen. Met name de laatste jaren is ook steeds duidelijker geworden welke hersengebieden een cruciale rol spelen bij de diverse deelaspecten van onze taalfuncties. Duidelijk is dat bij spreken, luisteren en lezen altijd een heel netwerk van hersengebieden ingeschakeld wordt. Die hersengebieden moeten op de juiste wijze op elkaar afgestemd zijn om ons zonder haperen met soortgenoten te laten communiceren. Heel weinig weten we echter over het mechanisme dat het samenspel regelt tussen de bij taal betrokken hersengebieden.

De Spinozapremie zal gedeeltelijk besteed worden aan een zoektocht op dit onontgonnen terrein. Tevens wil ik jong en oud deelgenoot maken van de fascinerende wereld van taal en hersenen, en daarbij de suspense van wetenschap accentueren.

Nawoord Hoezeer ik mij ook vereerd voel met de Spinozapremie 2005, ik besef tegelijkertijd dat in mijn vakgebied geldt: “You never walk alone”. Vandaar ook dat ik deze premie mede beschouw als een eerbewijs aan allen die het Donderscentrum maken tot een uiterst inspirerende werkplaats voor onderzoek naar hersenen en cognitie, en aan de Radboud Universiteit Nijmegen die mij de unieke kans bood het Donderscentrum op te bouwen. Tenslotte ook dank ik mijn Aslý voor haar steun in woord en gebaar.

Tevens beschouw ik deze Spinozapremie als een erkenning van het belang van hersenonderzoek. Binnen de Europese Unie komen 35 procent van de ziektegerelateerde kosten voort uit hersenaandoeningen. In het OECD-rapport uit 2002 Understanding the brain: Towards a new learning science wordt gewezen op de urgentie van onderzoek naar hersenen en leren voor onze kennisintensieve samenleving. Vele andere voorbeelden zijn te geven die illustreren dat onderzoek naar hersenen en cognitie niet alleen in wetenschappelijk opzicht grote uitdagingen kent, maar tevens van uitzonderlijk groot maatschappelijk belang is.

Ik eindig dan ook met het uitspreken van de hoop dat de toekenning van de Spinozapremie 2005 aan mij de opmaat is naar een grootschalige nationale investering in onderzoek naar hersenen en cognitie.

Dit artikel is een publicatie van Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO).
© Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO), alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 30 november 2005

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.