Auf Dr Doolittles Spuren: Lautlernen und Interspecies-Kommunikation

Viele Tiere können Laute produzieren: Der bellende Hund, die miauende Katze, der zwitschernde Vogel sind Beispiele, die uns alltäglich begegnen. Es gibt sogar Tiere, die menschliche Laute nicht nur hören sondern teilweise auch verstehen können: Nachdem Du deinen Hund trainiert hast, versteht er, was Du willst, wenn Du „Sitz“ sagst. Dein Hund ist ein Hörversteher aber kein Lautlerner.

Lautvariation und Lautkombination

Das Bellen des Hundes ist angeboren, er wird auch bellen, wenn er ohne seine Eltern in menschlicher Obhut aufwächst. Lautlerner hingegen eignen sich ihre artspezifischen Lautfolgen an, indem sie ältere Artgenossen imitieren. Dazu müssen in einer bestimmten kritischen Periode der artspezifischen Lautkommunikation ausgesetzt sein. Ein Mensch, der ohne Menschen aufwächst, kann keine Sprache sprechen. Ein Singvogel, der ohne seine Artgenossen aufwächst, lernt nicht den arttypischen Gesang.

Lautlerner haben ein sehr breites Repertoire verschiedener Laute, die sie kombinieren und durch Frequenz und Rhythmus so strukturieren können, dass Melodie und Prosodie entstehen. Ihre Lautproduktion klingt nicht monoton wie das Bellen des Hundes, wo der gleiche Laut ständig wiederholt wird.

Bei Singvögeln und Menschen ändert sich die individuelle artspezifische Lautkommunikation im Laufe der kindlichen Entwicklung. Die kindliche Lautkommunikation wird mit fortschreitendem Alter der erwachsenen Lautkommunikation immer ähnlicher. Bei der Gesangsentwicklung von Nachtigallen gibt es Phasen, die man in Analogie zur Sprachentwicklung von Menschenkindern betrachten kann. In einer Phase, die man als „Subsong“ bezeichnet, singen die Jungvögel lange Kadenzen endlos variierender Laute vor sich hin. Das ähnelt dem vorsprachlichen Brabbeln von Menschenkindern auch darin, dass sich die sanft vor sich hinsummenden Vögel dabei weder um die Verständlichkeit für andere noch um deren Anwesenheit überhaupt scheren. Es hat etwas von einem selbstgenügsamen Lautspiel. (Im Internet gibt es dafür für das Schreiben Twitter)


Abb.1: Die Phasen des Lautlernens bei Singvögeln und Menschen

Die Entstehung des Lautlernens in der Evolution

Lautlernen ist das Substrat von Gesang und Sprechen. Kleine Kinder plappern die Laute nach, die sie von ihren Eltern und ihrem Umfeld hören, sie sind zum Lautlernen befähigt ebenso der Papagei der menschliche Worte nachsprechen kann obwohl einer anderen Species angehört.

Warum kann der Papagei das aber nicht der Schimpanse, der doch viel näher mit uns verwandt ist?

Neben dem Papagei kann auch der Mensch die Laute anderer Species nachahmen – mal mehr mal weniger gut. Große Tümmler (Tursiops truncatus) im Nordmeer reagieren auf ihren Namen, einer individuellen Folge von Pfeiftönen. Einzelne Tiere könnten sich so wahrscheinlich gezielt rufen, berichten zwei Meeresforscher der schottischen Universität St Andrews [1] . Es scheine neben dem Menschen der einzige bekannte Fall zu sein, in dem einzelne Artgenossen durch jeweils bestimmte gelernte Lautfolgen direkt angesprochen werden.

Bisher stammen alle Lautlerner aus der Gruppe der späten Wirbeltiere. Dazu zählen bei den Säugetieren: Menschen, Elefanten, Seehunde, Seelöwen, Wale, Delfine, Fledermäuse und bei den Vögeln: Papageien, Singvögel und Kolibris. Neuere Befunde weisen daraufhin, dass vermutlich auch Mäuse Lautlerner sind [2]. Zusammengenommen sind diese Entdeckungen ein starker Hinweis darauf, dass das Lautlernen evolutionsgeschichtlich eine recht neue Errungenschaft ist.

Es gibt drei Hypothesen zur Entstehung des Lautlernens [3]. Die populärste besagt, dass diese Eigenschaft mehrmals in der Evolution unabhängig entstanden ist. Eine andere, weniger populär, lautet, dass ein gemeinsamer Vorfahr der obengenannten Säugetiere und ein gemeinsamer Vorfahr der obengenannten Vögel die Fähigkeit zum Lautlernen bereits besaß und die Geschwisterarten, die Nichtlautlerner, diese Fähigkeit im Laufe der Evolution verloren haben. Die dritte Hypothese vermutet, dass auch Nichtlautlerner rudimentäre Hirnstrukturen zum Lautlernen besitzen, sich diese aber nur bei den Lautlernern weiterentwickelt haben.

Welche spezifischen Hirnstrukturen oder neuronalen Verbindungen gibt es bei den Tiergruppen, die zum Lautlernen befähigt sind (und damit meine ich primär Laute der eigenen Species) und welche Funktionen kommen ihnen zu?

Leider sind die Hirnstrukturen von Elefanten, Seehunden, Seelöwen, Walen, Delfinen und Fledermäusen diesbezüglich noch nicht detailliert untersucht worden und bisher haben sich die meisten Forscher mit Singvögeln, Papageien, Kolibris und dem Menschen beschäftigt.

Lautlernen als motorisches Lernen

Der Mensch erzeugt einen Laut durch ein fein abgestimmtes Zusammenspiel von Lunge, Stimmbändern, Gesichtsmuskeln und Zunge. Wir können einen Laut bewusst erzeugen in dem wir erst Einatmen und dann unter Ausatmung durch die Stimmbänder einen Laut erzeugen, die Gesichtsmuskeln und die Zunge werden in eine bestimmte Position gebracht, um den Laut noch speziell zu „formen“. All das erfordert die Koordination vieler Muskeln. Man sieht also das Lautlernen ebenso wie das Schreiben lernen in erster Linie motorisches Lernen ist, nur mit dem Unterschied, dass es beim Schreiben lernen eine visuelle Schablone gibt während es beim Lautlernen eine akustische Schablone ist.

Beim Lautlernen muss also akustische Lautverarbeitung mit motorischer Lautproduktion zusammengebracht werden. Für das Letztere ist beim Menschen das Broca-Areal zuständig. Es plant Bewegungen und hat generell etwas mit Sequenzierung zu tun also damit, Abfolgen herzustellen. Die Harmonien in der Musik, die der Syntax in der Sprache ähneln, werden auch im Broca-Areal verarbeitet. Das pSTG (posterior superior temporal gyrus) empfängt Signale von der Hörrinde und leitet sie über die so genannte dorsale Bahn an das Broca-Areal weiter. Die Basalganglien produzieren neuronale Rhythmen und fungieren als eine Art Taktgeber beim Verstehen und Produzieren von Sprache. Zu den Basalganglien gehören unterhalb der Großhirnrinde gelegener Strukturen wie Putamen, Globus pallidus, Nucleus subthalamicus und caudatus sowie die Substantia nigra. Der Thalamus ist eine wichtige Schaltzentrale für Sinnesreize, der über Feedback-Schleifen dem Kortex meldet, wenn etwa grammatikalische Regeln gebrochen werden.

Vögel haben ein anderes Stimmorgan als der Mensch. Sie haben keine Stimmbänder, sondern einen zusätzlichen unteren Kehlkopf, der Syrinx genannt wird und nur bei Vögeln vorkommt. In der Region, in der sich ihre Luftröhre in zwei Äste aufspaltet, liegen schwingfähige Membranen, deren Spannung durch Muskeln verändert werden kann, wodurch unterschiedlich hohe Töne entstehen. Besonders kompliziert gebaut ist die Syrinx bei den Singvögeln, was diesen allgemein begabten Sängern besonders differenzierte Lautäußerungen erlaubt. Einige Singvögel können sogar zwei verschiedene Töne gleichzeitig erzeugen, indem sie die beiden symmetrischen Hälften der Syrinx unabhängig voneinander schwingen lassen.

Wenn menschliche Kleinkinder sprechen lernen, arbeiten in ihrem Gehirn das sogenannte Wernicke-Areal und das Broca-Areal in der linken Gehirnhälfte. Das Wernicke-Areal, ermöglicht es, das Gehörte zu verstehen und zu merken. Es reagiert bei Säuglingen besonders stark auf bekannte Stimmen, beispielsweise die der Mutter. Das Broca-Areal wird aktiv, wenn neue Wörter und Sätze gelernt und gesprochen werden.

Ähnlich wie bei dieser Arbeitsteilung zwischen Broca- und Wernicke-Areal übernehmen auch im Gehirn von Singvögeln zwei getrennte Regionen diese Aufgaben. Das sogenannte caudomediale Nidopallium (NCM) sei wie das Wernicke-Areal für das Sprachgedächtnis zuständig. Es reagiere nur auf den Gesang bekannter Artgenossen, beispielsweise des Vaters. Der sogenannte HVC-Kern sei die Entsprechung des Broca-Zentrums und werde beim Singen und aktiven Lernen von Gesang aktiv. Dieser Kern arbeite auch dann, wenn junge Zebrafinken in absoluter Stille für sich ihre Strophen übten. Und ähnlich wie beim Menschen seien diese Areale bei den Vögeln vor allem in der linken Gehirnhälfte aktiv. Im Gesangs-Schaltkreis der Vögel und in den Sprachzentren unseres Gehirns sind die gleichen 55 Gene besonders aktiv [4].


Abb.2: Analoge Hirnstrukturen bei Singvögeln und Menschen, die am Lautlernen beteiligt, sind Ein vereinfachtes Schema, das die analogen Hirnstrukturen zeigt, die beim Lautlernen von Menschen (links) und Singvögeln (rechts) beteiligt sind. Das neuronale Netzwerk fürs Lautlernen hat eine hierarchische Struktur. Die beiden untersten Ebenen der Lautproduktion (schwarze Kästchen mit weißen Querstreifen), die sich im Hirnstamm und dem Mittelhirn befinden, gibt es auch bei Nicht-Lautlernern. Abkürzungen: SMA: supplementary motorarea; PAG: periaqueductal gray; DM-Ico: dorsomedial nucleus of the intercollicularis; nRAm: retroambigualis; Am: ambiguous; rVRG: rostral ventral respiratory group.

Neuronale Plastizität beim Lautlernen: Beispiel 1 Die Melodische Intonationstherapie

Die neuronalen Netzwerke, die Sprache verarbeiten und diejenigen die Musik verarbeiten, überlappen sich stark. Diese Tatsache machen sich Logopäden bei der Behandlung der Broca-Aphasie (motorische Aphasie) zunutze. Broca-Aphasiker können Sprache gut verstehen, haben aber Probleme mit dem Sprechen. Folgende Symptome findet man häufig:

  •     verlangsamte, stockende Spontansprache
  •     Bildung kurzer Sätze im Telegrammstil (Agrammatismus)
  •     große Anstrengung beim Sprechen
  •     Lautverwechslungen (phonematische Paraphasie)

Bei einer Broca-Aphasie ist meist die linke Hirnhälfte beschädigt. Sie steuert bei Rechtshändern das Sprechen. Die musikalischen Aspekte der Sprache dagegen, zum Beispiel die Sprachmelodie (Prosodie), werden bei Rechtshändern in der rechten Hirnhälfte verarbeitet. Die Melodische Intonationstherapie hat das Ziel, dass die gesunden Areale in der rechten Hirnhälfte die Aufgaben des beschädigten Broca-Areals in der linken Hirnhälfte übernehmen.

Bei der Melodischen Intonationstherapie singt der Therapeut dem Patienten zuerst langsam einzelne einfache Sätze oder Wortfolgen vor, zum Beispiel “Guten Morgen”. Dann singen Patient und Therapeut gemeinsam, und schließlich singt der Patient allein. Dazu klopft er im Rhythmus des Singens mit der linken Hand, oder der Therapeut übernimmt dieses Klopfen auf der Hand des Patienten. Das Singen und das rhythmische Klopfen aktiviert die rechte Hirnhälfte, die Aufgaben des beschädigten Sprachzentrums zu übernehmen. Später lernen die Patienten, die Sätze nicht nur zu singen, sondern auch zu sprechen. Ist die Therapie erfolgreich, können selbst Menschen, die aufgrund ihrer Aphasie jahrelang nicht sprechen konnten, wieder über einen Wortschatz verfügen, mit dem sie sich verständigen können.

Neuronale Plastizität beim Lautlernen: Beispiel 2 Neurogenese bei Kanarienvögel

Der Biologe Fernando Nottebohm hat Anfang der achtziger Jahre des vergangenen Jahrhunderts herausgefunden, dass sich bei Kanarienvögeln die für die Kontrolle und Spei­cherung von Stimm- und Gesangsmustern zuständigen Areale im Vogelhirn im Herbst zurückbilden und im Frühjahr neu nachwachsen [5]. Das tun sie im jahreszeitlichen Wechsel bei ausgewachsenen Vögeln über die gesamte Lebensspanne. Es ließ sich zeigen, wie im Prozess des Lernens Nervenzellen, Synapsen und auch ganze Hirnareale neue Verknüpfungen untereinander herstellen und sich in Abhängigkeit von der jeweiligen Verwendung verändern.

Intentionalität und Lautkommunikation

Lautkommunikation setzt Intentionalität (Zielbewusstsein) voraus. Würden die Lautäußerungen ohne Intention entstehen, so wären es nur Schallwellen ohne jegliche Bedeutung und niemand könnte mit diesen Schallwellen etwas anfangen. Dies sieht man vor allem bei Kleinkindern, die der Sprache noch nicht mächtig sind, sich aber dennoch verständigen wollen und bei denen ein Zielbewusstsein ausgemacht werden kann. Ob es sich um den Balzgesang handelt oder mit einer spezifischen Lautfolge vor der herannahenden Katze gewarnt wird – auch bei den Singvögeln steckt eine Absicht dahinter.

Der Propositionale Akt und die Begriffsbildung

Beim Menschen ist der Sprechakt ein Grundelement der sprachlichen Kommunikation. Er besteht aus drei Teilen:

• dem Äußerungsakt,
• dem Propositionalen Akt und dem
• dem illokutionären Akt.

Der Äußerungsakt ist der biologische und physikalische Teil des Sprechaktes. In diesem Akt gibt man Laute von sich und es werden abstrakte Muster (Phoneme, Sätze,) realisiert.

Beim Propositionalen Akt bezieht man sich mit der Sprache auf die realen (oder nicht realen) Dinge in der Welt. Die Proposition ist daher als Satzinhalt zu verstehen, als realistische Bedeutung eines Satzes.

Der illokutionäre Akt ist der Abschluss des Sprechaktes. Bei diesem Akt wird eine Behauptung aufgestellt, eine Frage gestellt oder ein Befehl gegeben – kurz, es wird eine Absicht ausgesprochen.

Warum sollte was für den menschlichen Sprechakt gilt nicht auch prinzipiell für den Gesang der Singvögel gelten?

Am meisten interessiert mich an der Interspecies-Kommunikation der propositionale Akt: Wenn ich einem Papagei das Wort „Demokratie“ beibringe, erwarte ich zwar ein neuronales Korrelat in seinem Gehirn aber keine abstrakte mentale Repräsentation. Demokratie gehört nicht zur Lebenswelt des Papageis und ist auch nicht sinnlich erfahrbar. Wenn ich dem Papagei das Wort „Banane“ beibringe und ihm gleichzeitig eine Banane zeige glaube ich sowohl an ein neuronales Korrelat als auch an eine mentale Repräsentation. Die Banane gehört sowohl zur Lebenswelt des Papageis als auch zu meiner. Zusätzlich glaube ich, dass beim Gesang des Singvogels mentale Repräsentationen von Begriffen in seinem Gehirn vorhanden sind, bloß das sie mir als Mensch nicht zugänglich sind. Es sind andere artspezifische Begriffe.

Weiterführende Literatur

[1] Stephanie L. King and Vincent M. Janik (2013) Bottlenose dolphins can use learned vocal labels to address each other PNAS Early Edition, July 22, doi: 10.1073/pnas.1304459110

[2] Arriaga, G., Zhou, E. P., & Jarvis, E. D. (2012). Of Mice, Birds, and Men: The Mouse Ultrasonic Song-system Has Some Features Similar to Humans and Song-Learning Birds PLoS ONE, 7(10):

[3] Erich D. Jarvis (2006) Selection for and against vocal learning in birds and mammals. Ornithology Science, 5, 5-14. Special Issue on the Neuroecology of Birdsong

[4] Andreas R. Pfenning et al. ( 2014) Convergent transcriptional specializations in the brains of humans and song-learning birds, Science Vol. 346 no. 6215 pp. 1333ff

[5] Fernando Nottebohm (1989) From bird song to neurogenesis. Scientific American 260, 74-79.

[6] Allison J. Doupe & Patricia K. Kuhl (1999) BIRDSONG AND HUMAN SPEECH: Common Themes and Mechanisms Annu. Rev. Neurosci., 22, 567–631.

[7] Erich D. Jarvis (2004) Learned Birdsong and the Neurobiology of Human Language. Ann. N.Y. Acad. Sci., 1016, 749-777.

Singing In the Brain: Songbirds’ Vocal Muscles Work Like Humans When Singing

From Contemporary Syntax to Human Language’s Deep Origins

Jumping genes capture deep relationships between parrots and songbirds

These Songbirds Can Speak To Each Other Like Humans Do

Bildnachweis

Abb.1: Figure 3 Timelines of speech and song learning aus [5]

Abbi. 2: Figure 4 Neural substrates for vocal learning aus [5]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Veröffentlicht von

Joe Dramiga ist Neurogenetiker und hat Biologie an der Universität Köln und am King’s College London studiert. In seiner Doktorarbeit beschäftigte er sich mit der Genexpression in einem Mausmodell für die Frontotemporale Demenz. Die Frontotemporale Demenz ist eine Erkrankung des Gehirns, die sowohl Ähnlichkeit mit Alzheimer als auch mit Parkinson hat. Kontakt: jdramiga [at] googlemail [dot] com

3 Kommentare Schreibe einen Kommentar

  1. Informativer

    Artikel, vielen Dank.
    Verständnisfrage: Ein Papagei, der menschlich verständliche Laute bilden kann, kann aber nicht bspw. Essen anfordern?

    MFG
    Dr. W

  2. @Dr. Webbaer schon möglich

    Ich kann mir vorstellen, dass der Papagei das kann, wenn es ein Wort für das Essen gibt, was er haben möchte und wenn er das Wort aussprechen kann.

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