“Op den duur zullen neurowetenschappers greep krijgen op de fysieke basis van mentale concepten via het in kaart brengen van patronen van neurale activiteit. Ze hebben nu al rechtstreeks bewijs voor de zich verspreidende activering van verschillende delen van het brein tijdens het zoeken naar herinneringen…de neurale mechanismen van de taal zijn uniek voor mensen en zijn vermoedelijk niet veel ouder dan enkele honderdduizenden jaren. De zoektocht naar de menselijke natuur kan worden beschouwd als de archeologie van de epigenetische regels. Die tocht zal een vitaal onderdeel gaan vormen van het toekomstige interdisciplinaire onderzoek,” schreef Edward Wilson in Het Fundament – Over de eenheid van kennis en cultuur
Taalonderzoekers hebben zich lange tijd weinig aangetrokken van het feit dat ons brein de zetel van ons taalvermogen is. Daar komt echter verandering in. Sinds het begin van de jaren tachtig meten onderzoekers via hersenpotentialen aan het taalsysteem. Sinds een jaar of vijf jaar zetten we de nieuwste hersenscantechnieken in voor onderzoek naar zinsverwerking. Beide onderzoeksmethoden worden gebruikt door een groep aan het Nijmeegse Max Planck Instituut voor Psycholinguïstiek, onder leiding van de auteur van dit artikel, Peter Hagoort en Peter Indefrey. Zij onderzoeken met hersenpotentialen en met positron emission tomography (PET) de fysiologische en neuroanatomische basis van de semantische en grammaticale processen die zich afspelen tijdens zinsproductie en zinsbegrip. We kunnen nu gericht kijken naar wat er zich op welke plek in de hersenen afspeelt terwijl mensen bezig zijn met het begrijpen of produceren van taal. Zo blijkt bijvoorbeeld dat de processen van betekenis en grammatica in deels gescheiden gebieden van de hersenen plaatsvinden. Het uiteindelijke doel is het volledig blootleggen van de talige processen die zich in de hersenen afspelen. We kunnen dan ook achterhalen welke gebieden in de hersenen elkaar op welke wijze beïnvloeden bij de verwerking en de vorming van taal.
Taalbad
Onze hersenen moeten dagelijks een volledig boek aan taal verwerken. Laten we aannemen dat je op een doordeweekse dag zo’n zestien uur op de been bent. En dat je daarvan, als je geluk hebt, zo’n drie uur in stilte doorbrengt, niet gestoord door woord of schrift. Voor de overige dertien uur ben je ondergedompeld in taal, en niet zo’n beetje ook. Je praat tegen en luistert naar de mensen om je heen. Je hoort de radio en de televisie. Je leest de krant, de verkeers- en reclameborden en alle andere zaken die met je dagelijks leven van doen hebben. Of je het nu wilt of niet, je wordt vrijwel onafgebroken gebombardeerd met taal, en je draagt daar uiteraard het jouwe aan bij.
De gemiddelde spreeksnelheid in een ontspannen gesprek is drie tot vier woorden per seconde, en ons begrip van het gesprokene volgt de spreker op de voet. Als je de krant, je computerscherm of dit artikel leest, dan is je leessnelheid ook in de orde van drie tot vier woorden per seconde. Een rekensommetje leert dan dat je dagelijkse taalbad al gauw 160.000 woorden bevat, ofwel een boek van vierhonderd pagina’s. Natuurlijk gaat het niet om die losse woorden. Een kerneigenschap van menselijke taal is het vermogen om met grammaticale regels woorden tot grotere eenheden samen te smeden. Hierdoor kunnen mensen de beperkte reikwijdte van individuele woordbetekenis overstijgen. Taalverwerking is vooral een samenspel van structuur (grammatica) en betekenis (semantiek), met als einddoel het overbrengen of begrijpen van een boodschap.
Het meten van hersenpotentialenVia een elektrode op de hoofdhuid, verbonden met een signaalversterker, wordt het elektro-encefalogram (EEG) gemeten. Vervolgens wordt een reeks van losse stimuli (S) aangeboden (in dit geval geluiden). De verwerking van elke stimulus wekt een daaraan gekoppelde serie hersenpotentialen op. Omdat de door een stimulus opgewekte hersenactiviteit vrij zwak is in vergelijking met de signaalsterkte van het EEG, wordt een gemiddelde genomen over de activiteit van meerdere stimulusaanbiedingen. De activiteit manifesteert zich als een golfpatroon van elektrische fluctuaties, elk met een negatieve of positieve polariteit. Langs de horizontale as zijn een aantal hersenpotentialen als functie van de tijd zichtbaar.
Brein in actie
Tot voor kort was het vrijwel niet mogelijk om inzicht te krijgen in de hersenprocessen die zich afspelen tijdens het produceren en begrijpen van taal. Dit is de laatste jaren veranderd, dankzij twee ontwikkelingen. Ten eerste door nieuwe bevindingen met een al sinds de jaren dertig bekende techniek, namelijk de registratie van de elektrische activiteit van de hersenen door middel van het elektro-encefalogram, het EEG. Ten tweede dankzij vooruitgang in het laatste decennium op het gebied van zogenaamde brain imaging technieken, waarmee we met grote nauwkeurigheid de locatie van neuronale activiteit in de hersenen kunnen opsporen. Door deze twee ontwikkelingen is het nu mogelijk om het brein in actie waar te nemen. Het elektro-encefalogram (EEG) weerspiegelt de elektrische activiteit van neuronen in de hersenen. Neuronen communiceren via het uitwisselen van elektrische prikkels. We kunnen deze prikkels meten door het plaatsen van elektroden op de hoofdhuid. Als we vervolgens een stimulus aanbieden, bijvoorbeeld een gesproken woord, dan kunnen we de opgewekte neuronale activiteit meten. Het gaat hierbij om de simultane activiteit van grote groepen neuronen, minimaal enkele duizenden. Een geluid, een lichtprikkel of een andere externe stimulus wekt een serie hersenpotentialen op: fluctuaties in elektrische spanning met een bepaald tijdsverloop en een negatieve of positieve polariteit. Omdat de meeste van de opgewekte potentialen een relatief zwakke energie hebben in vergelijking met het achtergrond-EEG (de EEG die er ook is zonder taalverwerking), moeten we middelen over de opgewekte activiteit van dertig tot veertig stimuli om een betrouwbaar signaal over te houden.
Milliseconden
Voor taalonderzoekers is zowel het tijdsdynamische aspect als de polariteit van hersenpotentialen interessant. De polariteit geeft aan of de elektrische spanning positief of negatief is. De elektrische fluctuaties voltrekken zich binnen milliseconden, wat goed aansluit bij het snelle verloop van taal. Hersenpotentialen van verschillende polariteit vinden hun oorsprong in verschillende groepen neuronen. Als de ene klasse van stimuli een negatief polair signaal opwekt, en de andere klasse een positief polair signaal, dan is dit een eerste aanwijzing dat verschillende delen van de hersenen betrokken zijn bij de verwerking van de twee soorten stimuli.
Hoewel de Duitse psychiater Hans Berger de techniek van EEG-registratie al in 1929 ontdekte, duurde het tot het begin van de jaren tachtig voordat onderzoekers het belang van hersenpotentialen voor taalonderzoek aantoonden. De Amerikanen Marta Kutas en Steven Hillyard maakten toen het bestaan van de zogenaamde N400-component wereldkundig. De N400 is een hersenpotentiaal met een negatieve polariteit (vandaar de hoofdletter N), die zijn maximale spanning bereikt op ongeveer vierhonderd milliseconden na aanbieding van een relevante stimulus. In het geval van Kutas en Hillyard waren de stimuli woorden die qua betekenis niet pasten in een zin. Bijvoorbeeld “De vrouw drinkt haar koffie met suiker en hout”. In vergelijking met goed passende woorden, zoals ‘melk’, wekten de semantische rariteiten de N400-component op. Voor taalonderzoekers was dit een spannende ontdekking. Voor het eerst opende zich een venster op de elektrofysiologische basis van het menselijk taalsysteem.
Hersenactiviteit bij semantische verwerking: de N400. Woorden die weliswaar goed passen in een zin, maar qua betekenis iets minder goed dan best passende woorden, wekken een grotere uitslag van de N400 hersenpotentiaal op. Deze toegenomen activiteit geeft het relatieve gemak aan waarmee de betekenis van een woord in de overkoepelende betekenis van een zin kan worden ingepast.
Gevoelige maat
Er is inmiddels veel onderzoek verricht naar de voorwaarden voor het optreden van de N400 en naar de processen die deze component weerspiegelt. We weten nu dat de N400 een zeer gevoelige maat is voor semantische verwerking tijdens taalbegrip. De afbeelding geeft hier een voorbeeld van. De doorgetrokken lijn geeft de hersenactiviteit weer voor woorden die goed passen in de zinscontext. Bijvoorbeeld ‘Jenny stopte het snoepje in haar mond na afloop van de les’. De stippellijn geeft de activiteit weer voor woorden die weliswaar goed passen, maar iets minder dan de best passende woorden. Bijvoorbeeld ‘Jenny stopte het snoepje in haar zak na afloop van de les’. Het verschil in de semantische verwerking van de goed en minder goed passende woorden komt tot uitdrukking in de grootte van de amplitude (de energie van het signaal) van de N400.
De verklaring van dit verschil moeten we zoeken in de relatief grotere moeilijkheid om de betekenis van een woord als ‘zak’ in de overkoepelende betekenis van de zin te integreren. Het blijkt dat de N400 zowel bij geschreven als gesproken taal optreedt en alleen als de semantiek in het geding is. Een duidelijke aanwijzing dat we hier te maken hebben met een betrouwbare indicatie van de verwerking van betekenisaspecten van taal, komt uit het onderzoek van de Amerikaanse Helen Neville en haar collega’s. Zij onderzochten volwassenen die vanaf hun geboorte doof waren en de gebarentaal American Sign Language (ASL) als eerste taal beheersten. Toen deze volwassenen semantische rariteiten in ASL kregen aangeboden, vertoonden zij precies dezelfde N400-effecten als horende proefpersonen. Hieruit blijkt dat voor het opwekken van de N400 de manier waarop taal wordt aangeboden er niets toe doet. Deze hersenpotentiaal is dus een manifestatie van een van de kernaspecten van taal: semantiek.
Hersenactiviteit bij syntactische verwerking: de P600/SPS. De P600/SPS is een maat voor grammaticale zinsverwerkingsprocessen. Woorden die tegen de regels van de grammatica indruisen, of een grammaticaal lastige structuur met zich meebrengen, wekken een hersenpotentiaal met een positieve polariteit op. Deze activiteit is duidelijk anders dan de hersenactiviteit bij semantische verwerking.
Grammaticale onzin
Hoewel het achterhalen en overbrengen van betekenis het voornaamste doel is van ons taalgedrag, kunnen we dit niet alleen bereiken met onze semantische kennis. Ook grammaticale kennis is van essentieel belang. Zo betekent “Politicus schopt journalist” heel wat anders dan “Journalist schopt politicus”. Met de vondst van de N400-component dringt zich de vraag op of we ook grammaticale processen in de hersenen kunnen meten. Aan het begin van de jaren negentig onderzocht een groep van het Nijmeegse Max Planck Instituut voor Psycholinguïstiek, onder leiding van de auteur van dit artikel en Peter Hagoort, deze vraag. We vergeleken de elektrofysiologische activiteit opgeroepen door geschreven zinnen met en zonder grammaticale fouten. Proefpersonen lazen bijvoorbeeld een zin waarin de vervoeging van een werkwoord niet in overeenstemming is met het getal van het daarbij horende onderwerp, zoals “Het verwende kind gooien het speelgoed op de grond”.
De afbeelding links laat zien dat in vergelijking met de correcte vorm, de grammaticale schending een positief-polaire component opwekt met een maximale uitslag op ongeveer zeshonderd milliseconden na aanbieding van het schendingswoord. Deze component wordt de P600 of de Syntactic Positive Shift (SPS) genoemd, kortweg de P600/SPS. Sinds de ontdekking van de P600/SPS is inmiddels aangetoond dat we ook deze component waarnemen bij gesproken taalverwerking, en dat de P600/SPS niet alleen optreedt bij de verwerking van grammaticale fouten maar ook als er sprake is van een onverwachte of lastige zinsstructuur. Zo kan het zinsfragment “De man zag de jongen en het meisje …” worden voortgezet met “… in het park”, waarin “de jongen en het meisje” het naamwoordelijk deel van de zin vormen. Dit blijkt de voorkeursanalyse te zijn nadat proefpersonen alleen het zinsfragment hebben gelezen. Maar proefpersonen kunnen hetzelfde zinsfragment net zo goed voortzetten met “… ging naar huis”. In dit geval blijkt ‘het meisje’ het grammaticale onderwerp te zijn van een nieuw zinsdeel. Dit is weliswaar een grammaticaal correcte voortzetting van de zin, maar deze structuur heeft niet de voorkeur van de meeste proefpersonen. Op het moment dat de niet-voorkeursanalyse moet worden toegekend, in het voorbeeld dus op het werkwoord ‘ging’, nemen we de P600/SPS waar in het hersenspoor. Hieruit blijkt dat subtiele en nogal complexe grammaticale processen zich openbaren in de P600/SPS.
Het elektrofysiologische taalonderzoek heeft dus twee verschillende hersenpotentialen aangetoond, elk met een eigen gevoeligheid voor het taalproces. De N400 is een component die semantische processen weerspiegelt, terwijl de P600/SPS optreedt bij syntactische processen. Een opvallend en betekenisvol verschil tussen de N400 en de P600/SPS is hun polariteit. De N400 heeft een negatieve en de P600/SPS een positieve polariteit. Dit geeft aan dat verschillende groepen van neuronen ten grondslag liggen aan de twee hersenpotentialen. Semantische en syntactische verwerking vinden dus in (tenminste ten dele) gescheiden gebieden in de hersenen plaats.
Positron emission tomography (PET): het meten en lokaliseren van de doorbloeding van de hersenen. Proefpersonen krijgen water ingespoten met daarin een licht radioactieve stof. Het radioactieve water verspreidt zich langs de bloedbanen naar en vervolgens door de hersenen. Daar waar de neuronen in de hersenen het hardst werken is het meeste bloed nodig en komt dus relatief gesproken meer radioactiviteit terecht. Deze verdeling in radioactiviteit vormt de basis voor de lokalisatie van neuronale activiteit. Het oppikken van de radioactiviteit is mogelijk dankzij het proces van radioactief verval. Als onderdeel van het radioactieve verval van de ingespoten stof, worden positief geladen deeltjes, positronen genaamd, uit de kern van het atoom gestoten (vandaar de term positronemissie). Na slechts een paar millimeter door het hersenweefsel te hebben afgelegd, komen de positronen tot stilstand en worden daar aangetrokken door de negatieve lading van de elektronen, die dicht om de kern van het atoom bewegen. Bij de botsing van een positron en een elektron worden deze deeltjes vernietigd en de daarbij vrijkomende energie wordt omgezet in twee lichtdeeltjes, fotonen genaamd, die met de lichtsnelheid uit het hoofd schieten. Het PET-apparaat heeft een ring van detectoren die elk uitschietend tweetal fotonen registreert, waarna kan worden teruggerekend naar hun herkomst in de hersenen. Hiermee wordt een beeld van de verdeling van de bloeddoorstroming gemaakt, zodat we een indirect beeld van de plaats van neuronale activiteit in de hersenen krijgen.
Doorbloeding
Hoewel er dus redenen zijn om gescheiden gebieden in de hersenen te veronderstellen voor semantische en syntactische verwerking, kunnen we niet vanuit de elektrische metingen op de hoofdhuid afleiden waar in de hersenen deze gebieden zich bevinden. In vaktermen heet dit dat hersenpotentialen een slecht ruimtelijk oplossend vermogen hebben: het is erg lastig om van aan de schedel gemeten elektrische activiteit terug te gaan naar de neuronale bron ervan. Dankzij ontwikkelingen op het gebied van de brain imaging technologie kunnen we deze speurtocht naar de actieve gebieden in het brein sinds een jaar of tien echter wel ondernemen.
De twee voornaamste methoden zijn positron emission tomography (PET) en functional magnetic resonance imaging (fMRI). Hoewel deze methoden zich baseren op zeer verschillende fysische en fysiologische principes, leveren ze allebei informatie over hetzelfde verschijnsel, namelijk de relatieve doorbloeding van de hersenen. Wat hebben we aan deze informatie als we willen weten wat er zich waar in de hersenen afspeelt? We kunnen verschillen in de doorbloeding van delen van de hersenen gebruiken als een indirecte maat voor verschillen in de neuronale activiteit in deze gebieden. Bloed voert namelijk de energiestoffen aan waarmee neuronen werken. Als neuronen in een deel van de hersenen relatief hard aan het werk zijn, dan zal dit gebied dus een grotere bloeddoorstroming vertonen dan een gebied waar minder hard gewerkt wordt. Met PET en fMRI kunnen we dergelijke verschillen in bloeddoorstroming lokaliseren en daarmee de hersengebieden aanwijzen die betrokken zijn bij een bepaalde cognitieve functie, zoals bijvoorbeeld het begrijpen van woorden en zinnen.
Een zinsproductie-experiment gebruikt bij PET-metingen. Proefpersonen zien computeranimaties van drie figuren, die ten opzichte van elkaar bewegen. In dit voorbeeld stoot het rode vierkant tegen de blauwe ellips, die daardoor naar boven beweegt. De opdracht is om de animatie te omschrijven, ofwel in volledige zinnen, ofwel in losse woorden.
Zinnen
Met PET-metingen doen wij onderzoek naar de neuroanatomische basis van de grammaticale processen die zich afspelen tijdens zinsproductie en zinsbegrip. Vooral het onderzoek naar zinsproductie is lastig. De PET-experimenten moeten zo worden opgezet dat de verschillende proefpersonen met dezelfde uitingen op de proppen komen, zonder dat dit afbreuk doet aan het natuurlijke spraakproces. Om dit te bewerkstelligen, krijgen proefpersonen eenvoudige computeranimaties te zien, die ze moeten omschrijven. De animaties bestaan uit drie gekleurde figuren: een rood vierkant, een rode ellips en een blauwe ellips. Deze figuren kunnen op een aantal manieren ten opzichte van elkaar bewegen. Zo zien de proefpersonen bijvoorbeeld het rode vierkant tegen de blauwe ellips stoten en die wegduwen. We vragen proefpersonen om de animatie op twee verschillende manieren te omschrijven: in een volledige zin (“Het rode vierkant stoot de blauwe ellips weg”), en als een losse reeks woorden (‘vierkant’, ‘rood’, ‘ellips’, ‘blauw’, ‘wegstoten’). De gedachte hierbij is dat deze omschrijvingen verschillen in de mate waarin grammaticale processen in het geding zijn. De eerste omschrijving vereist dat de uiting grammaticaal compleet is, met inachtneming van alle grammaticale regels. De tweede omschrijving vereist geen grammaticale verwerking op zinsniveau.
Een van de kerngebieden voor grammaticale zinsverwerking in de hersenen. Een klein gebied in de linker hersenhelft, aangeduid als het frontale operculum, blijkt zeer actief te zijn wanneer proefpersonen de computeranimaties in volledige zinnen omschrijven. In de bovenste afbeelding kijken we tegen de buitenkant van de linker hersenhelft aan, in de onderste afbeelding zien we dezelfde hersenactiviteit weergegeven met daarbij meer gedetailleerde anatomische informatie.
Broca
Terwijl de proefpersonen de animaties omschrijven, meten we de bloeddoorstroming in hun hersenen. De grammaticale activiteit die is betrokken bij het uitspreken van zinnen, blijkt zich voornamelijk af te spelen in een vrij klein gebied in de linker hersenhelft, een gebied dat door neuroanatomen wordt aangeduid met het frontale operculum. Dit gebied ligt tegen een beroemd gebied in de hersenen aan, het gebied van Broca. Hiervan weten we al sinds de jaren zestig van de 19e eeuw dat het betrokken is bij taalproductie. De nabijheid van het frontale operculum met het gebied van Broca opent een nieuw perspectief op de taalproblemen die zogenaamde Brocapatiënten hebben. Uit het kleine aantal PET- en fMRI-studies dat tot op heden is verricht naar zinsbegrip, blijkt dat het gebied van Broca, en omringend hersenweefsel, altijd actief is wanneer grammaticaal complexe zinnen worden verwerkt. In combinatie met de Nijmeegse resultaten over activiteit in het frontale operculum, kunnen we als werkhypothese stellen dat zinsbegrip en zinsproductie gebruik maken van een en hetzelfde syntactische verwerkingssysteem. Dit zou een deel van de verklaring kunnen zijn waarom mensen met letsel aan het gebied van Broca vaak met zowel productie als begripsproblemen te maken hebben.
Moeten alle taalonderzoekers nu gauw versterkers voor de registratie van hersenpotentialen in huis halen, en in de bijkeuken een PET- of fMRI-apparaat? Voltrekt zich een bètarevolutie en ligt het oppergezag voortaan bij hersenonderzoekers en hun apparaten? Nee. Ook de meest verfijnde meettechnieken zijn betekenisloos zonder een theoretisch kader en een goed uitgewerkt model van het gedrag dat we willen verklaren. Wat dat betreft blijft het primaat over het taalonderzoek bij psycholinguïsten en taalkundigen. Maar het meer rechtstreeks meten van hersenactiviteit is een veelbelovende uitbreiding van het werkterrein, met aan de horizon een naadloos samengaan van de cognitieve en neurobiologische wetenschappen. In de komende jaren zullen we wel een steeds verdergaande integratie zien van onderzoek naar de meest unieke menselijke vaardigheid en het meest unieke menselijk orgaan: taal en hersenen.
Literatuur
The science of words. G. Miller. New York: Scientific American Library, 1991. Colin Brown en Peter Hagoort (red.). The neurocognition of language. Oxford University Press, 1999. Michael S. Gazzaniga, Richard B. Ivry, en George R. Mangun. Cognitive neuroscience: The biology of the mind. W.W. Norton & Company, Inc., 1998.