Neural correlates of fricative contrasts across language boundaries

Abstract

The phonological system, the way that speech sounds contrast and combine in a language to create lexical contrast, determines, to a large part, how they are perceived. The aim of this study was to determine whether native language experience affected the processing of voiceless fricatives in the auditory cortex. Three fricative contrasts were tested, one that is used phonemically in both Polish and German, one that is only phonemic in Polish. Moreover, it was tested if the contrastive function of native, phonetically distinct fricatives affects early auditory processing by using an allophonic German fricative contrast.

Speech perception is a very fast process and it is, to the most part, not consciously accessible. Investigations of underlying neural mechanisms of speech perception, therefore, require the usage of methods that can record auditory responses to speech with high temporal precision, such as electroencephalography (EEG) and magnetoencephalography (MEG). The mismatch negativity (MMN) component of the auditory event-related potential (ERP) and its magnetic counterpart (MMNm) signal auditory discrimination and auditory sensory memory. Recent studies provided evidence that the MMN reflects memory of native language speech sound categories.

A reduction of the MMN amplitude could be expected for the German listeners' responses to the Polish contrast as compared to the responses of the native listeners. If the phonological function of a speech sound is incorporated in its memory representation, an amplitude difference between the response to a phoneme and an allophone contrast was expected. If a phoneme representation which can be understood as an abstract label, arbitrary to the phonetic qualities of the sounds, is accessed during early auditory processing, phonetically distinct would be mapped to this unique representation, not to two distinct phonological representations. As a consequence, the allophone contrast may evoke a lower amplitude of the MMNm than phoneme sounds.

Die Phonologie der Erstsprache übt einen entscheidenden Einfluss auf die Wahrnehmung von Sprachlauten aus. In dieser Arbeit wird der Einfluss linguistischer Repräsentationen auf die auditorische Verarbeitung von Frikativlauten untersucht. Die Tatsache, dass die phonologische Funktion, aber auch akustische Charakteristika die Sprachwahrnehmung beeinflussen, gab den Anlass, in dieser Studie eine Lautklasse zu untersuchen, die bislang in der neurophysiologischen Forschung zu sprachlichen Repräsentationen nicht berücksichtigt wurde. Mit Hilfe von Wahrnehmungsstudien und Magnetenzephalographie (MEG) wurden die Reaktionen polnischer und deutscher Hörer auf muttersprachliche phonemische, allophonische und fremdsprachliche Frikativkontraste getestet. Akustische Analysen der Frikative ergänzen diese Untersuchungen.

Die MMN ist eine Komponente des ereignis-korrelierten Potentials nach Auftreten eines abweichenden Reizes in einer Abfolge von homogenen Stimuli (Standardreizen). Erlernte Sensitivität für bestimmte akustische und linguistisch relevante Kontraste beeinflussen die Morphologie der MMN. Daher können sich die neuronalen Reaktionen auf erst- und fremdsprachliche Laute in der Amplitude und Latenz der MMN unterscheiden: Kontraste, die sich innerhalb einer muttersprachlichen Kategorie bewegen, lösen häufig keine oder nur sehr geringe signifikante Mismatch-Reaktionen aus. Auch abstrakte phonologische Regeln der Erstsprache können die MMN beeinflussen.

Im vorliegenden MEG Experiment wurden deutschen und polnischen Probanden ein Frikativkontrast präsentiert, der in beiden Sprachen phonemische Funktion hat, ein weiterer Kontrast, der im Polnischen phonemisch eingesetzt wird, für Deutsche jedoch unbekannt ist, und ein allophonischer Kontrast des Deutschen.

Die magnetische MMN (MMNm) wurde für die Verarbeitung dieser drei Kontraste ermittelt. Die Reaktion der Probandengruppen auf den Kontrast, der in beiden Sprachen dieselbe phonologische Funktion erfüllt, unterschied sich kaum voneinander. Es zeigten sich zunächst bilaterale MMNms, die im späteren Verlauf zu linkslateralisierten MMNm wurden. Eine signifikante Differenz zwischen deutschen und polnischen Hörern wurde für den polnischen Phonemkontrast festgestellt. Hier war die MMNm Reaktion bei polnischen Hörern in der linken auditorischen Region dominant, während für deutsche eine rechtshemisphärisch stärkere MMNm gemessen wurde.

Hinweise auf einen Einbezug der phonologischen Funktion der Kontraste konnten nicht gefunden werden. Die Reaktionen der deutschen Teilnehmer auf den phonemischen und allophonischen Kontrast unterschieden sich nicht signifikant voneinander.

Die Unterschiede in der MMNm zwischen polnischen und deutschen Hörern in Reaktion auf den polnischen und für Deutsche fremden Frikativkontrast, zeigen, dass der Diskriminierung der Laute unterschiedliche neuronale Prozessen zugrunde liegen. Die Rolle der Transitionen für die Wahrnehmung der polnischen Frikative wurde In einem Perzeptionstest bestätigte sich die besondere Rolle der Transitionen für polnische Hörer. In Bezug auf Ergebnisse früherer Verhaltens- und MEG-Studien wird vermutet, dass die stärkere und frühere linkshemisphärische Aktivität bei polnischen Probanden auf eine Integration von Friktion und Transition zurückzuführen ist, die Teil der nativen phonetischen Repräsentation ist. Die vorliegenden Ergebnisse zur Verarbeitung des polnischen Silbenkontrastes können daher die Grundlage für weiterführende Studien bilden, die sich mit der Frage nach der Integration und Gewichtung verschiedener akustischer Merkmale im Sprachwahrnehmungsprozess beschäftigen.

In dieser Studie wurde erstmals ein Einfluss der Erstsprache auf die auditorische Verarbeitung von Frikativlauten festgestellt wurde. Dieser Einfluss wurde auf sprachspezifische Prozesse bei der Integration phonetischer Merkmale zurückgeführt.

Die Ergebnisse lassen darüber hinaus vermuten, dass es sich bei der Verarbeitungsstufe, wie sie von der MMN(m) reflektiert wird, kein Unterschied zwischen der Verarbeitung von phonemischen und allophonischen, phonetisch distinkten Lautkontrasten handelt. Jedoch sollte diese Annahme in zukünftigen Untersuchungen überprüft werden, in denen die Allophone in phonetische Umgebungen eingebettet werden.

Kapitel 2 führt anhand von Ergebnissen der behavioralen Forschung zur Wahrnehmung von erst- und fremdsprachlichen Lauten und Modellen der Sprachwahrnehmung in die Thematik ein. Kapitel 3 erläutert elektrophysiologische Messmethoden und auditorische neuronale Potentiale. Kapitel 4 behandelt den Forschungsstand zur Sprachwahrnehmung auf neuronaler Ebene. Kapitel 5 stellt den experimentellen Teil dieser Dissertation dar. Kapitel 6 fasst die Resultate zusammen und erläutert, wie die Befunde der vorliegenden Studie richtungsweisend für zukünftige Forschungsvorhaben werden können.