Sprachverstehen erfordert ein Zusammenspiel verschiedener mentaler Prozesse. Zuerst muss der kontinuierliche akustische Sprachstrom in einzelne Einheiten (z.B. Wörter) unterteilt werden. Segmentale und suprasegmentale linguistische Information unterstützt den Segmentierungsprozess. Wissen über die neuronalen Mechanismen dieser Prozesse ist wesentlich um Sprachverarbeitungs- und Sprachentwicklungsprozesse zu verstehen. Ziel der Dissertation ist die Charakterisierung neuronale Korrelate der Verarbeitung sprachrelevanter akustischer Information bei Erwachsenen und Säuglingen mittels kombinierter Nahinfrarot-Spektroskopie- und Elektroenzephalographie-Messungen. Studie I untersucht zeitliche und topographische Aspekte der phonotaktischen Verarbeitung bei Erwachsenen. Die Ergebnisse zeigen, dass phonotaktische Information links-hemisphärisch verarbeitet wird. Ob diese Lateralisierung auf die linguistischen oder akustischen Eigenschaften der Reize zurückzuführen ist bleibt unklar. Erwachsenen-Studien zeigen, dass die lateralisierte Verarbeitung von Sprache aus der Spezialisierung des auditorischen Kortex für bestimmte zeitliche akustische Variationen im Sprachsignal resultiert. Studie II und III untersuchen, ob diese Asymmetrie bereits bei Säuglingen vorliegt. Dafür werden zeitlich variierte nicht-sprachliche akustische Reize präsentiert. Die zeitlichen Variationen entsprechen kritischen Modulationen im Sprachsignal. Studie II zeigt, dass bei Neugeborenen die zeitlichen Modulationen zu differenzierten und lateralisierten Verarbeitungsmustern führen, die über die ersten Lebensmonate konstant bleiben (Studie III). Die Ergebnisse unterstützen die Annahme, dass die lateralisierte Verarbeitung von Sprache mit einer Spezialisierung des auditorischen Kortex für bestimmte zeitliche Frequenzen zusammenhängt. Das Gehirn ist von Geburt auf die Wahrnehmung zeitlicher akustischen Variationen spezialisiert, die für die Entschlüsselung des Sprachsignals relevant sind. / The comprehension of spoken language requires the segmentation of the continuous acoustic speech stream into smaller units (e.g., words). Segmental and suprasegmental linguistic information guide the segmentation process. Investigating the underlying neuronal mechanisms is crucial for understanding the general nature of language perception, and language acquisition in infancy. This dissertation aimed to determine neuronal mechanisms underlying the perception of basic auditory cues relevant for the segmentation of speech in adults and infants using concurrent recordings of near-infrared spectroscopy and electroencephalography. Study I assessed temporal and topographic characteristics of phonotactic processing in adults, thus forming the basis for future studies in infants. The results show that phonotactic processing recruits a left hemispheric network. Whether these asymmetries are a function of linguistic attributes or of basic temporal signal properties is under debate. Studies in adults link hemispheric specialization for speech perception to an asymmetry in cortical tuning and reveal that the auditory cortices are differentially sensitive to temporal features of speech. Whether this asymmetry is already established in infancy is addressed by study II and III. These studies used acoustic non-linguistic sounds that vary in their temporal structure, thus sharing critical temporal features with language. Study II reveals that newborns process temporally varying stimuli in a differential and lateralized fashion. Study III indicates that this lateralization pattern remains constant over the first months of life. The findings support the notion that the lateralization of language functions might result from a specialization for different acoustic properties. The data provide further evidence that language acquisition is linked to basic capacities in auditory processing, and reveal that from birth the brain is tuned to critical temporal properties of linguistic signals.

No description available.

In vielen Kommunikationssytemen wird Information durch die zeitliche Struktur von Signalen kodiert. Ein neuronales System, welches rhythmische Signale verarbeitet, sollte davon profitieren, seine inhärenten Filtereigenschaften den Frequenzcharakteristika dieser Signale anzupassen. Die Grille Gryllus bimaculatus stellt ein einfaches biologisches System dar, für welches nur wenige, spezifische Modulationsfrequenzen verhaltensrelevant sind. Ich habe einzelne Neuronen im peripheren und höheren auditorischen System der Grille hinsichtlich einer möglichen Anpassung auf diese Frequenzen untersucht. Hierfür habe ich extrazelluläre Elektrophysiologie mit verschiedenen Stimulationsparadigmen kombiniert, welche auf amplitudenmodulierten Tönen basierten. Die Analyse der experimentellen Daten ergab, dass bereits in der auditorischen Peripherie einige der untersuchten Neurone Bandpasseigenschaften aufwiesen, da sie verhaltensrelevante Modulationsfrequenzen mit den höchsten Feuerraten beantworteten. Anhand einfacher mathematischer Modelle demonstriere ich, wie weitverbreitete, zellintrinsische und netzwerkbasierte Mechanismen die beobachteten Feuerratenresonanzen erklären könnten. Diese Mechanismen umfassen unterschwellige Resonanz von Membranströmen, aktivitätsabhängige Adaptation, sowie das Zusammenwirken von Exzitation und Inhibition. Ich zeige, wie eine serielle Kombination solcher elementarer Filter die deutliche Selektivität im Verhalten der Grille erklären könnte, ohne dabei auf ein dediziertes Filterelement zurückzugreifen. Allgegenwärtige neuronale Mechanismen könnten demnach eine dezentralisierte Filterkaskade in einem hochspezialisierten und größenbeschränkten neuronalen System begründen. / In many communication systems, information is encoded in the temporal pattern of signals. For rhythmic signals that carry information in specific frequency bands, a neuronal system may profit from tuning its inherent filtering properties towards a peak sensitivity in the respective frequency range. The cricket Gryllus bimaculatus is a simple biological system for which only a narrow range of modulation frequencies is behaviorally relevant. I examined individual neurons in the peripheral and higher auditory system for tuning towards specific temporal parameters and modulation frequencies. To this end, I combined extracellular electrophysiology with different stimulation paradigms involving amplitude-modulated sounds. Analysis of the experimental data revealed that—even in the auditory periphery—some of the examined neurons acted as tuned band-pass filters, yielding highest firing-rates for behaviorally relevant modulation frequencies. Using simple computational models, I demonstrate how common, cell-intrinsic or network-based mechanisms could account for the experimentally observed firing-rate resonances. These mechanisms include subthreshold resonances, spike-triggered adaptation, as well as the interplay of excitation and inhibition. I present how a serial combination of such elementary filters could explain the strong selectivity evident in the cricket’s behavior—without the need for a dedicated filter element. Pervasive neuronal mechanisms could therefore constitute an efficient, distributed frequency filter in a highly specialized, size-constrained neuronal system.