Neuronale Modellierung der Sprachverarbeitung und des Sprachlernens (eBook)

​Bernd J. Kröger ist Physiker (M.Sc.) und Phonetiker (Ph.D.). Er hat an der Universität zu Köln zum Thema Sprachproduktion promoviert und habilitiert. Er ist seit 2001 Senior Researcher und apl. Professor an der medizinischen Fakultät der RWTH Aachen. Der Autor beschäftigt sich mit den Themen Sprachverarbeitung und Spracherwerb aus neurowissenschaftlicher Sicht. Er hat über 100 Publikationen in internationalen Fachzeitschriften und Fachbüchern veröffentlicht. Ein wichtiges Ziel seiner Arbeit ist die Computerimplementierung eines neuronalen Modells der Sprachverarbeitung und des Spracherwerbs (siehe auch Website des Autors). 

Vorwort 5
Danksagung 7
Inhaltsverzeichnis 8
1 Einleitung 13
Teil I Grundlagen der Linguistik und Phonetik 18
2 Sprachproduktion 19
2.1 Wörter, Silben und Sprachlaute 19
2.1.1 Konzepte und semantische Netzwerke 19
2.1.2 Mentales Lexikon und mentaler Silbenspeicher 21
2.1.3 Mentaler Silbenspeicher und phonologische Bewusstheit 24
2.2 Die Artikulation 28
2.2.1 Motorische Ablaufpläne und Sprechbewegungseinheiten 28
2.2.2 Artikulatorische Kompensation 32
2.2.3 Artikulatorische Merkmale unterschiedlicher Lautklassen 34
2.3 Das akustische Sprachsignal 39
2.3.1 Phonation 40
2.3.2 Formanten 46
2.3.3 Formanttransitionen und sekundäre Schallquellen 50
2.4 Störungen der Sprachproduktion 56
Literatur 59
3 Sprachwahrnehmung 60
3.1 Verarbeitungsstufen 60
3.1.1 Auditive Lautmerkmale 61
3.1.2 Phonologische Analyse 68
3.1.3 Sprachverstehen: Erkennen von Wörtern und ihrer Bedeutung 70
3.1.4 Aktive vs. passive Theorien der Sprachwahrnehmung 71
3.2 Invarianz und Variabilität des Sprachsignals 73
3.2.1 Unterschiedliche Sprecher 73
3.2.2 Unterschiedliches Sprechtempo 75
3.2.3 Was ist nun invariant bei gesprochener Sprache? 77
3.3 Interaktion von Sprachproduktion und Sprachwahrnehmung 78
3.3.1 Das Ziel ist immer die Kommunikation 79
3.3.2 Auditive Kontrolle von Sprechbewegungseinheiten 79
3.3.3 Somatosensorische Kontrolle von Sprechbewegungseinheiten 81
3.4 Störungen der Sprachwahrnehmung 82
Literatur 83
4 Spracherwerb 84
4.1 Phasen des Spracherwerbs 85
4.1.1 Babbeln 85
4.1.2 Imitieren 86
4.1.3 Aufbau des mentalen Lexikons 89
4.1.4 Grammatikerwerb: die Produktion und das Verstehen ganzer Sätze 91
4.2 Mechanismen des Spracherwerbs 92
4.2.1 Zur Untrennbarkeit von Sprachproduktion, Sprachwahrnehmung und Spracherwerb 92
4.2.2 Arten des Lernens 93
4.3 Störungen des Spracherwerbs 96
Literatur 97
Teil II Grundlagen der Neurobiologie und ihrer Computersimulation 98
5 Anatomischer Aufbau und funktionale Struktur des Nervensystems 99
5.1 Zur funktionalen Struktur des Nervensystems 100
5.1.1 Arten von Neuronen im zentralen und peripheren Nervensystem 100
5.1.2 Neuronale Netzwerke 106
5.1.3 Exzitatorische und inhibitorische synaptische Verbindungen 106
5.2 Das Gehirn 109
5.2.1 Anatomischer Aufbau des Gehirns 109
5.2.2 Die Großhirnrinde 110
5.2.3 Der Balken 118
5.2.4 Basalganglien und Thalamus 119
5.2.5 Das limbische System 123
5.2.6 Das Kleinhirn 124
5.3 Die afferenten Nervenbahnen: die sensorischen Bahnen 125
5.3.1 Die auditive Bahn 126
5.3.2 Die visuelle Bahn 128
5.3.3 Die somatosensorische Bahn 129
5.4 Die efferente Nervenbahn: die motorische Bahn 131
5.4.1 Die pyramidale Bahn 131
5.4.2 Die extrapyramidale Bahn 132
5.5 Ein erstes Modell der Sprachverarbeitung und des Spracherwerbs 133
5.5.1 Sprachproduktion und Sprachwahrnehmung: die sensorische und motorische Ebene 134
5.5.2 Lexikalische Verarbeitung und Satzgenerierung 136
5.5.3 Neuronale Lernmechanismen im Spracherwerb 140
Literatur 146
6 Neuronale Modellierung: der STAA-Ansatz 147
6.1 Knoten: die STAA-Neuronenensembles 149
6.1.1 Aktivierungslevel, Aktivierungsfunktion und synaptisches Verbindungsgewicht 149
6.1.2 Reizintensität und Aktivierungslevel bei Rezeptorneuronen 151
6.1.3 Aktivierungslevel und Grad der Muskelkontraktion bei Motoneuronen 152
6.2 Konnektionismus: einfache neuronale Netze im STAA-Ansatz 154
6.2.1 Zwei- und Drei-Buffer-Netzwerke 154
6.2.2 Überwachtes Lernen in einfachen gerichteten Netzwerken 158
6.3 Kohonen-Netzwerke: sich selbst organisierende Buffer 162
6.3.1 Zur Architektur von Kohonen-Netzwerken 162
6.3.2 Nicht überwachtes Lernen und sich selbst organisierende Buffer 165
6.3.3 Ein Beispiel: das Erlernen von phonetischen Vokalkategorien 167
Literatur 171
7 Neuronale Modellierung: der NEF-Ansatz 172
7.1 Einführung in NEF 173
7.1.1 LIF-Neuronen im NEF 173
7.1.2 Neuronenensembles 174
7.1.3 Einfache neuronale Transformationen 177
7.1.4 Rekurrente Neuronenensembles: Kurzzeitspeicherung und Oszillation 181
7.2 S-Pointer und S-Pointer-Architektur (SPA) 184
7.2.1 S-Pointer 184
7.2.2 S-Pointer-Architektur (SPA) 187
7.2.3 Die Assoziation von S-Pointern: assoziative Speicher 195
7.2.4 Binden, inverses Binden und addieren von S-Pointern 197
7.3 Zur Ablaufsteuerung neuronaler Prozesse 200
7.3.1 Beispiel: Wortproduktion aufgrund visueller und auditiver Initiierung 200
7.3.2 Die neuronale Realisierung der Ablaufsteuerung 207
7.3.3 Sequenzierung motorischer Ereignisse 211
7.4 S-Pointer-Netzwerke 214
7.4.1 Semantisches Netzwerk 215
7.4.2 Phonologisches Netzwerk 216
7.4.3 Berechnung von Ähnlichkeiten von S-Pointern in S-Pointer-Netzwerken 219
7.4.4 Koaktivierungen von S-Pointen in gleichen und unterschiedlichen SPA-Buffern 219
7.4.5 Beantwortung von Fragen (inverses Binden) in S-Pointer-Netzwerken 222
7.4.6 Autoassoziative Speicher und Clean-up-Prozesse 224
7.5 Modellierung gestörter neuronaler Prozesse 229
7.5.1 Verspäteter Erwerb sprachlicher Fertigkeiten 229
7.5.2 Fehlerhaftes Lernen 229
7.5.3 Funktionsuntüchtige Neuronen in kortikalen Bereichen 230
7.5.4 Abgestorbene kortikale Bereiche 230
7.5.5 Untypische Konzentration an Neurotransmittern in den Basalganglien 230
Literatur 231
Teil III Modelle der Sprachverarbeitung und des Spracherwerbs 232
8 Eine Literaturauswahl an Modellen 233
8.1 Datengetriebene Modelle 234
8.1.1 Mentales Lexikon und mentaler Silbenspeicher: Levelt 234
8.1.2 Aktivierung von Motorplänen und ihre Ausführung: Riecker et al. 235
8.1.3 Sensomotorische Steuerung: Price et al. 235
8.1.4 Sprachwahrnehmung: Hickok und Poeppel 237
8.2 Simulationsmodelle 239
8.2.1 Mentales Lexikon: Dell 239
8.2.2 Mentales Lexikon und Silbenspeicher: Roelofs 240
8.2.3 Sensomotorische Steuerung: Guenther 240
8.2.4 Sprachwahrnehmung: McClelland und Elman 241
8.2.5 Spracherwerb: Li 241
8.2.6 Frühe Phasen des Spracherwerbs: Warlaumont 241
8.2.7 Artikulation und Perzeption: Bekolay 242
8.3 Perspektiven biologisch basierter Modelle in der Sprachtechnologie 243
8.3.1 Sprachsynthese 243
8.3.2 Spracherkennung 243
Literatur 244
9 Das LS-Modell (Lexikon-Silbenspeicher-Modell) 246
9.1 Das LS1-Modell 247
9.1.1 Aufbau des Modells 247
9.1.2 Simulation des Spracherwerbs 249
9.1.3 Simulation der Sprachproduktion und Sprachwahrnehmung 257
9.2 Das LS2-Modell als Ausgangspunkt für weitere Arbeiten 258
9.3 Das artikulatorisch-akustische Modell: Ansteuerung und Feedback 259
9.3.1 Die Ansteuerung: Feedforwardkontrollparameter 259
9.3.2 Auditive und somatosensorische Feedbackinformation 264
9.3.3 Von Motorplänen zu primärmotorischen Aktivierungen im LS2-Modell 265
9.4 Ausblick 268
Literatur 269
10 Glossar 271
Stichwortverzeichnis 283