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.

Ob es eine 'kritische Periode' beim Spracherwerb gibt oder nicht, wird kontrovers diskutiert. Die Untersuchung zweisprachiger Probanden mit unterschiedlichem Spracherwerbsalter und Sprachleistungsniveau in der Zweitsprache stellt eine gute Möglichkeit dar, diese Frage näher zu beleuchten. In der vorliegenden Studie nutzten wir die funktionelle Magnetresonanztomographie, um den Einfluss der Faktoren Spracherwerbsalter und Sprachleistungsniveau auf die neuronalen Korrelate grammatikalischer und semantischer Verarbeitungsprozesse bei italienisch-deutschsprachigen Probanden mit unterschiedlichem Spracherwerbsalter und Sprachleistungsniveau zu untersuchen. Während das zerebrale Aktivierungsmuster beim semantischen Urteilen größtenteils vom erreichten Sprachleistungsniveau abhängig war, beeinflusste das Spracherwerbsalter hauptsächlich die zerebrale Repräsentation grammatikalischer Verarbeitungsprozesse. Diese Ergebnisse weisen darauf hin, dass beide, das Spracherwerbsalter und das Sprachleistungsniveau, die neuronalen Substrate der Verarbeitung der Zweitsprache beeinflussen, jedoch mit einem unterschiedlichen Effekt auf grammatikalische und semantische Verarbeitungsprozesse. / The existence of a 'critical period' for language acquisition is still controversial. Bilingual subjects with variable age of acquisition and proficiency level constitute a suitable model to study this issue. In the present study, we used functional magnetic resonance imaging to investigate the effects of age of acquisition and proficiency level on neural correlates of grammatical and semantic judgments in Italian-German bilinguals who learned the second language at different ages and had different proficiency levels. While the pattern of brain activity for semantic judgment was largely dependent on the proficiency level, the age of acquisition mainly affected the cortical representation of grammatical processes. These findings support the view that both age of acquisition and proficiency level affect the neural substrates of second language processing, with a differential effect on grammar and semantics.

Während wir Konversationen führen, senden wir akustische Signale, die nicht nur den Inhalt des Gesprächs betreffen, sondern auch eine Fülle an Informationen über den Sprecher liefern. Traditionellerweise wurden Sprachverständnis und Sprechererkennung als zwei voneinander unabhängige Prozesse betrachtet. Neuere Untersuchungen zeigen jedoch eine Integration in der Verarbeitung von Sprach- und Sprecher-Information. In dieser Dissertation liefere ich weitere empirische Evidenz dafür, dass Prozesse des Sprachverstehens und der Sprechererkennung auf neuronaler und behavioraler Ebene miteinander interagieren. In Studie 1 präsentiere ich die Ergebnisse eines Experiments, das funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT) nutzte, um die neuronalen Grundlagen des Sprachverstehens unter wechselnden Sprecherbedingungen zu untersuchen. Die Ergebnisse dieser Studie deuten auf einen neuronalen Mechanismus hin, der funktionelle Interaktionen zwischen sprach- und sprecher-sensitiven Arealen der linken und rechten Hirnhälfte nutzt, um das korrekte Verstehen von Sprache im Kontext von Sprecherwechseln zu gewährleisten. Dieser Mechanismus impliziert, dass die Sprachverarbeitung, einschließlich des Erkennens von linguistischer Prosodie, vornehmlich von Arealen der linken Hemisphäre unterstützt wird. In Studie 2 präsentiere ich zwei fMRT-Experimente, die die hemisphärische Lateralisierung der Erkennung von linguistischer Prosodie im Vergleich zur Erkennung der Sprachmitteilung respektive der Sprecheridentität untersuchten. Die Ergebnisse zeigten eine deutliche Beteiligung von Arealen in der linken Hirnhälfte, wenn linguistische Prosodie mit Sprecheridentität verglichen wurde. Studie 3 untersuchte, unter welchen Bedingungen Hörer von vorheriger Bekanntheit mit einem Sprecher profitieren. Die Ergebnisse legen nahe, dass Hörer akustische Sprecher-Information implizit während einer Sprach-Aufgabe lernen und dass sie diese Information nutzen, um ihr Sprachverständnis zu verbessern. / During natural conversation, we send rich acoustic signals that do not only determine the content of conversation but also provide a wealth of information about the person speaking. Traditionally, the question of how we understand speech has been studied separately from the question of how we recognize the person speaking either implicitly or explicitly assuming that speech and speaker recognition are two independent processes. Recent studies, however, suggest integration in the processing of speech and speaker information. In this thesis, I provide further empirical evidence that processes involved in the analysis of speech and speaker information interact on the neural and behavioral level. In Study 1, I present data from an experiment which used functional magnetic resonance imaging (fMRI) to investigate the neural basis for speech recognition under varying speaker conditions. The results of this study suggest a neural mechanism that exploits functional interactions between speech- and speaker-sensitive areas in left and right hemispheres to allow for robust speech recognition in the context of speaker variations. This mechanism assumes that speech recognition, including the recognition of linguistic prosody, predominantly involves areas in the left hemisphere. In Study 2, I present two fMRI experiments that investigated the hemispheric lateralization of linguistic prosody recognition in comparison to the recognition of the speech message and speaker identity, respectively. The results showed a clear left-lateralization when recognition of linguistic prosody was compared to speaker recognition. Study 3 investigated under which conditions listeners benefit from prior exposure to a speaker''s voice in speech recognition. The results suggest that listeners implicitly learn acoustic speaker information during a speech task and use such information to improve comprehension of speech in noise.

Die vorliegende Dissertation untersucht, ob bildungs¬sprachliche Anforderungen für Grundschulkinder mit nicht-deutscher Familien¬sprache mit größeren Schwierigkeiten verbunden sind als für monolingual deutschsprachige Kinder. Zudem geht sie der Frage nach, ob das Verständnis von Bildungssprache für schulische Leistungen bedeutsamer ist als das Verständnis von Alltagssprache. In Teilstudie 1 wurde ein experimentelles Design mit sprachlich unterschiedlich anspruchsvollen Hörverstehenstexten umgesetzt. Bei der Bearbeitung der Hörverstehensaufgaben erzielten Schülerinnen und Schüler mit nicht-deutscher Familien¬sprache unabhängig von der sprachlichen Komplexität der Texte geringere Leistungen als monolingual deutschsprachige Schülerinnen und Schüler. Differenzielle Leistungsnachteile bei der Bearbeitung der bildungssprachlichen Texte ergaben sich jedoch nicht. Teilstudie 4 erbrachte vergleichbare Ergebnisse auf Basis eines Leseverständnistests. In den Teilstudien 2 und 3 wurde überprüft, ob bildungssprachliche Merkmale von Testaufgaben aus den Bereichen Mathematik und Leseverstehen mit DIF (Differential Item Functioning) gegenüber Grundschulkindern mit nicht-deutscher Familiensprache bzw. gegenüber deutschsprachigen Kindern aus Familien mit niedrigem sozioökonomischen Status (SES) zusammenhängen. Es ergaben sich substanzielle Zusammenhänge zwischen verschiedenen bildungssprachlichen Merkmalen und DIF. Diese waren für Kinder mit nicht-deutscher Familiensprache zahlreicher und ausgeprägter als für deutschsprachige Kinder aus Familien mit niedrigem SES. In Teilstudie 4 korrelierte das Verständnis von Bildungssprache höher mit schulischen Leistungen—operationalisiert über die mathematischen Kompetenzen—als das Verständnis von Alltagssprache. Im Anschluss an eine zusammenfassende Diskussion der Ergebnisse der vier Teilstudien werden Implikationen für die pädagogische Praxis abgeleitet und Perspektiven für die zukünftige Forschung zum Konzept der Bildungssprache aufgezeigt. / The present dissertation examines whether academic language demands are disproportionally more difficult for elementary school children with non-German home languages than for children who are monolingually German-speaking. Furthermore, it addresses the question of whether the comprehension of academic language is more relevant for school achievement than the comprehension of everyday language. Study 1 is based on an experimental design, including listening comprehension texts that differed in their academic language complexity. When answering the listening comprehension tasks, children with a non-German home language performed more poorly than children with German home language, regardless of the linguistic complexity of the texts. However, differential effects of academic language on listening comprehension of students with a non-German home language did not emerge. Study 4 yielded comparable results based on a reading comprehension test. Studies 2 and 3 investigated whether academic language features of test items in mathematics and reading comprehension are associated with DIF (differential item functioning) against school children who are not monolingually German-speaking and German monolingual students from families with low socioeconomic status (SES), respectively. There were substantial relationships between various academic language features and DIF. These relationships were more numerous and more pronounced for children who were not monolingually German-speaking than for German monolingual students from low SES families. Study 4 showed that the comprehension of academic language was more highly correlated with school achievement, operationalized with students’ mathematical achievement, than the comprehension of everyday language. After a joint discussion of the four studies’ results, implications for educational practice are drawn and perspectives for future research on the concept of academic language are presented.