EEG: Code Switching & The Language You Think In

In 2004 a team of scientists under the lead of Alice Mado Proverbio, professor of cognitive electrophysiology at the Milano-Bicocca University in Milan, analysed the brain activity of fifteen subjects via EEG while they were shown sentences in their native and secondary language (L2). The subjects were interpreters for the European Union and fluent in English. They were shown sentences which "could be entirely in Italian or in English (unmixed); alternatively, the body of the sentence could be in English and the final word in Italian or vice versa (mixed)." (Proverbio 2004) The objective was to determine "[...] neural mechanisms subserving code switching [...]." (ibid.) They monitored an alteration in the brain waves as the participants where code switching.

This sounds quite interesting. Unfortunately, from a linguistic point of view, you can't compare two different languages this way I think. The slightly higher amplitude can rise due to the different morphology, syntax and phonology. Italian, as a Romance language, focus much more on grammatical morphemes than English.
Take the phonology: The IPA notes for Standard English (RP) 24 consonants, 21 vowels (Sauer 1990) compared to Standard Italian with 46 consonants (short and long consonants) and 27 vowels (Rogers & d'Arcangeli 2004).
Take the morphology: "Nouns in Italian have gender (masculine or feminine, but no neuter), and number (singular or plural). The gender and number is always shown by the leading article (definite or indefinite), and usually by the final vowel. [...] Adjectives, like nouns, have two genders and two numbers. Italian verb infinitives have one of three endings, either -are, -ere, or -ire. (Wikipedia) In English we have the third person pronouns, the Saxon genitive and only 8 possible inflection forms for verbs.
In contrast to the rudimentary English verb conjugation system the Italian language has a distinctive system derived from Latin. Furthermore, the lexicon from L1 may be stored deeper in the left hemisphere than the lexicon from L2.

Sentences like:

(A) Occorre impedire l’uso fraudolento delle carte di CREDITO.

in comparison to

(B) The fraudulent use of CREDIT cards must be prevented.

may not be equal and produce different results.

Earlier this year another paper of Proverbio (et al.) was published in Biological Psychology which is about the difference between native language, secondary and even tertiary language (L2, L3) usage and their representation in the brain. The brain activity was recognisably higher when they were shown words from their native language.

"Proverbio attributed the differences to the fact the brain absorbs the mother tongue at a time when it is also storing early visual, acoustic, emotional and other nonlinguistic knowledge." (MSNBC)

Unfortunately, this article is not available for my university and therefore out of reach. I doubt whether an EEG could so easily find the difference between first and second language. You can't easily compare an Italic language with a Germanic language that way; they were separated from their Indo-European roots 2000 years ago. At least you have to consider the difference between morphology, phonology, semantics and syntax. Semantics I havn't mentioned yet. Italian words have sometimes 'more or less meanings' attached they are not equal to e.g. German words.

Lingformant
MSNBC
Proverbio, M. Alice (et al.). Language switching mechanisms in simultaneous interpreters: an ERP study. In: Neuropsychologia 42 (12). 2004: 1636-1656.
Proverbio, M. Alice (et al.). Inferring native language from early bio-electrical activity. In: Biological Psychology. 2008.
Rogers & d'Arcangeli. Vowels of Italian. 2004.
Sauer, Walter. A Drillbook of English Phonetics. 1990.


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Note:
I changed this article due to Ms. Proverbio's correction in the comments. The article on MSNBC was misleading since they mixed the content of the 2004 paper with the paper from 2008.

Empathic Mirror Neurons

Mirror neurons fire in the same pattern when you do an action and when you watch the same action happen. Some people's mirror neurons appear to be more active and thus leading to a better empathic ability, i.e. the ability to read the emotional state of others and act correspondingly. People with autism often don't possess this ability, which probably is connected to the malfunctioning of mirror neurons (New Scientist 2529:22). This theory is now supported by an experiment led by Peter Enticott, Monash University (Australia), where "[...] 20 healthy adults [...] had to decide if paired images of faces were the same person. In another, they had to decide if both faces were showing the same emotion. In a separate task, volunteers watched video clips of thumb movement, a hand grasping a pen and a hand while writing, while the activity in the primary motor cortex of the brain, which contains mirror neurons, was recorded." (New Scientist: 2008)
The result showed a clear correlation between the mirror neuron activity and the judging of people's emotions but no correlation between the ability to recognise faces. Read more about mirror neurons on Shared Symbolic Storage.

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Small additions:

As far as I know you cannot prove the explicit existence of mirror neurons in the human brain. It is likely that they exist as we know from various tests which I won't discuss here.
To assume that mirror neurons are linked to empathy is complex and must be discussed. Scientists assume that mirror neurons are located in the frontal cortex and superior parietal lobe [1], but the empathy related regions of the brain are the anterior insula and inferior frontal cortex. Nevertheless, studies have shown that empathic people have a higher activity in both regions in the brain. Of course further studies must be made and it is quite clear - I think - that more functions and regions of our complex brain are related to empathy.

[1] Marco Iacoboni, Roger P. Woods, Marcel Brass, Harold Bekkering, John C. Mazziotta, Giacomo Rizzolatti, Cortical Mechanisms of Human Imitation, Science 286:5449 (1999)

[2] Gazzola, Aziz-Zadeh and Keysers, Current Biology, 2006. The paper can be found here: http://www.bcn-nic.nl/txt/people/publications/gazzola2006sound.pdf

An interesting site about mirror neurons and mythbusting mirror neurons article both provided by Shared Symbolical Storage

Doping fürs Gehirn (Teil 2)

Jetzt will ich einmal auf den ominösen fünften Punkt der Wired-Liste eingehen, welcher im Mittelpunkt der Diskussion um den Gebrauch von Neuro-Enhancements steht. Gibt es wirklich erhältliche Medikamente, die die Leistung des Gehirns verbessern können? Werfen wir einmal einen Blick auf die Liste:


1. Adderall

Vergesst Retalin hier ist Adderal, die Droge der Schönen und Reichen. Eigentlich ist es ein Aphetamin, welches ADHS Patienten nehmen. Normale Leute verlieren den Appetit und bleiben wach und konzentriert. In den USA ist es eines der beliebtesten Medikamente. In Deutschland ist es nicht zugelassen, weil Fehlmedikation und nicht absehbare Nebenwirkungen zu irreparablen Herzschäden und Tod führen können. Normale Nebenwirkungen können - in unterschiedlichen Abstufungen - erhöhte Herzfrequenz, Schlaflosigkeit, hohen Blutdruck, Kopfschmerzen, Durchfall, Schwitzen, trockenen Mund, Verwirrtheit, Halluzinationen, Panik, Aggressivität, Zittern, Schwindel, allergische Reaktionen und Impotenz sein. Nicht zu vergessen physische und psychische Abhängigkeit. Tod kann übrigens auch bei normaler Dosierung eintreten - so genau weiß man das nicht. Bisher sind 20 Tode durch normale Dosierung bekannt geworden.

Fazit: Gut wenn man suizidal veranlagt ist. Toll ist, dass die Reichen und Schönen sich Entziehungskuren und gute Psychotherapeuten leisten können. Wenn man über genug Geld verfügt sicher eine Überlegung wert, auch wenn es die letzte sein könnte.


2. Aniracetam

Der Effekt dieses Nootropikums (Smart Drug) auf unsere Wahrnehmung ist noch nicht ganz geklärt. Angeblich hat das Medikament keine Nebenwirkungen außer Koordinationsstörungen, Benommenheit, Kopfschmerzen, kognitive Störungen, Nervosität und Gleichgewichtsstörung. Wird derzeit bei Alzheimer getestet. Langzeitverwendung soll relativ problemlos möglich sein, sagen zumindest die Laborratten.

Fazit: Klingt zunächst einmal relativ gut. Relativ in Bezug zu Medikamenten mit Nebenwirkung Tod, aber klingt da nicht alles relativ gut?


3. Aricept

Aricept wird zur Behandlung von Störungen der geistigen Leistungsfähigkeit, vor allem Demenz, eingesetzt um die Symptome zu mildern. Nebenwirkungen Kopfschmerzen, Schwindel, Müdigkeit, Schlafstörungen, Muskelkrämpfe, Magen-Darm-Beschwerden, Übelkeit, Erbrechen und Durchfall. Eventuell hilft es dem Gedächtnis, aber nicht in merklichem Maße.

Fazit: Kann man gleich Placebos nehmen und die sind wahrscheinlich effektiver.


4. Methamphetamin

Auch Crystal oder Meth genannt, ganz clevere nennen es Crystal Meth. Wieder ein Amphetamin was schon unser Opa genommen hat, sofern er in der Armee war. Wehrmachtssoldaten haben es als Wachmacher bekommen. Positive Wirkungen sind gesteigertes sexuelles Verlangen, Euphorie, Verringerung des Schlafbedürfnis, gesteigerte Leistungsfähigkeit und Halluzinationen. Leider soll man danach einen ziemlichen Kater haben, lethargisch und depressiv werden. Nebenwirkungen sind:

• Schlafstörungen
• Erhöhte Körpertemperatur
• Vermutete irreversible Schädigung der Neurotransmitter/Rezeptoren
• Verminderte Kritikfähigkeit
• Paranoide Wahnvorstellungen auf Grund des Schlafmangels
• Akutwerden einer latenten Schizophrenie
• Übersteigerte(r) Egozentrik/Narzissmus
• Aggressivität
• Kribbeln unter der Haut, das in extremen Fällen als unter der Haut krabbelnde Insekten wahrgenommen wird
  
• Taubes Gefühl im Körper
• Kein Schmerzgefühl vorhanden

Akute Folgen bereits bei erstmaligem Konsum:

• Lungenhochdruck bzw. -infarkt
• Hirnblutungen
• Angstzustände
• Kopfschmerz
• Nervosität
• Motorische Unruhe
  
• Augenrollen
• Kaureflex
• Wangenschmerz
  

Chronische Folgen eines starken Konsums:

• Nierenschäden durch oxidativen Stress
• Gewichtsverlust
• Blutverdickung bei gleichzeitiger Blutdrucksteigerung
• Schlaganfälle und Herzstillstand bei Konsumenten mit Herzproblemen
• Unregelmäßigkeiten der Menstruation bis zum Aussetzen derselben
• Potenzstörungen
• Autoaggressionen
• Erschöpfung und Schädigung von Neurotransmittern (Serotonin und Dopamin) und deren Transporter, vor allem durch oxidativen Stress
• Beeinträchtigung und Degeneration der Nebenniere
• Starker Zerfall des Zahnschmelzes und Zahnausfall
• Tod

Fazit: Wieso haben die das auf die Smart Drug Liste gesetzt? Ich würde mir eher einen Nagel in den Kopf schlagen, das hat definitiv weniger Nebenwirkungen und ähnlichen Effekt wenn es den richtigen Teil im Kopf trifft.


5. Modafinil

Auch als Provigil oder Modavigil bekannt. Wird zur Behandlung von Narkolepsie eingesetzt und ist in seiner Wirkung ähnlich wie ein Amphetamin. Damit setzt es im zentralen Nervensystem an und bekämpft Erschöpfung und Schläfrigkeit. Außerdem verbessert es die Konzentrationsfähigkeit und das Kurzzeitgedächtnis. Im Leistungssport wird das Medikament als Dopingmittel eingesetzt, bekannte Benutzerin war Sprintweltmeisterin Kelli White. Nebenwirkungen sind Kopfweh, Übelkeit, Nervosität, Durchfall, Rückenschmerzen, Panik, Schlafprobleme und Schwindelgefühl.

Fazit: Was für die Sprintweltmeisterin nicht schlecht war, kann für den zukünftigen Einstein auch nicht schlecht sein oder?


6. Nikotin

Ja wir reden von dem Zeug was in Zigaretten drin ist. Nikotin ist ein starkes Nervengift - wesentlich giftiger als Arsen oder Zyankali - und fördert den Ausstoß von Adrenalin, Dopamin und Serotonin. Der Herzschlag beschleunigt und der Blutdruck erhöht. Kurzzeitig steigert es die psychomotorischen Leistungsfähigkeit sowie die Aufmerksamkeits- und Gedächtnisleistung, durch verbesserte Kommunikation zwischen den Nervenzellen. Nebenwirkungen gibt es viele, darunter Übelkeit und Apetittlosigkeit. Langzeiteinnahme kann Krebsbildung hervorrufen. Psychische und physische Abhängigkeit ist möglich und ungefähr so stark wie bei Kokain. Die physischen Entzugserscheinungen sollen allerdings nach 72 Stunden vorbei sein. Die tödliche Dosis liegt bei 1 mg / kg Körpergewicht. Eine Zigarette enthält übrigens 12 mg Nikotin, wesentlich weniger wenn geraucht.

Fazit: Generell zum Rauchen gibt es zu sagen, dass es zu teuer ist. Die Wirkung ist hält zu kurz, die Nebenwirkungen sind, vor allem bei Langzeitkonsum, zu groß.


7. Rolipram

Es handelt sich dabei um einen Entzündungshemmer, mit möglichem neurologischen Wirkungsgrad. So steigert es die Wachsamkeit, das Langzeitgedächtnis und schützt die Neuronen des Nervensystems vor Degeneration.

Fazit: Ich habe kaum Informationen darüber gefunden. Ich denke, dass es sich noch in der klinischen Testphase befindet. Deshalb sind auch Nebenwirkung für Lang- und Kurzzeitbenutzung unbekannt.


8. Vasopressin

Vasopressin ist ein Peptidhormon und lässt den Blutdruck durchs Dach schießen. Deswegen wird es auch in der Reanimation benutzt. Ausserdem reduziert es den Wasserverlust des Körpers indem er die Leber dazu bringt das schon vorhandene Wasser besser zu reabsorbieren. Soll den Lerneffekt verstärken. Ich verstehe das ganze auch nicht. Das Medikament scheint nur in klinischer Umgebung genutzt zu werden.

Fazit: Der Effekt ist einfach zu wenig und das Mittel zu schwer zu beschaffen.

Doping fürs Gehirn (Teil 1)

Seit einiger Zeit ist unter anderem auf Gene Expression eine Diskussion im Gange, die Pro und Kontra von so genannten Neuro-Enhancements diskutiert. Die Idee dahinter ist, seine psychische Leistungsfähigkeit mit Medikamenten (oder einen Schritt weiter: mit Elektronik) zu verbessern - Doping fürs Gehirn. Wired hat nun eine Liste mit 12 Punkten veröffentlicht, welche angeblich die Leistungsfähigkeit des Gehirns verbessern sollen (auf Punkt 5 will ich in einem Extrabeitrag noch gesondert eingehen):

1. Statisches Lernen durch Ablenkung. Ist man genötigt Listen auswendig zu lernen, dann ist es sinnvoll zunächst das eigentliche Material durch zugehen und dann zu versuchen etwas ähnliches zu memorisieren. Dadurch soll das Gehirn härter arbeiten um die eigentlichen Informationen zu speichern, wie eine Studie der UCLA 2007 zeigte.

2. Regelmäßige Koffeinzufuhr. Im Laufe des Tages produziert der Körper Adenosin, ein Nukleosid welches die Ausschüttung von Dopamin, Acetylcholin oder Noradrenalin blockiert und unseren Blutdruck senkt. Die Blockierung dieser Neurotransmiter führt zu Ermüdung - so nimmt man an. Dem kann man mit Koffein entgegenwirken. Dabei sind regelmäßige Koffeinpausen effektiver als ein punktueller Überschuss. In Kombination mit Zucker, soll sich der Effekt sogar verstärken. Dennoch muss man bedenken, dass unser Körper nicht umsonst Adenosin produziert.

3. Interesse und Wissensnetze. Hier weiche ich von Wired ab und präsentiere eine dynamische Lernmethode anstelle einer statischen. Möchte man sich eine Vielzahl von Wissen aneignen, so beginnt man am besten mit dem Teil für den man sich besonders interessiert, egal wie dumm und trivial das einem erscheinen mag und arbeitet sich zu anderen Themen vor - mit dem Bezug zum interessanten Thema. Man betreibt sozusagen ein neurologisches Linkhopping. Beispiel: Sagen wir das Wissen sei Wikipedia und ich interessiere mich für Star Trek. Ich lese mir den Artikel durch und stoße auf einen Verweis zu Egalitarismus durch folgenden Abschnitt:

Der Star-Trek-Schöpfer Gene Roddenberry war ein leidenschaftlicher Fürsprecher egalitärer Politik und benutzte die Serien häufig, um seine Vision einer auf diesen Prinzipien basierenden zukünftigen Gesellschaft zu vermitteln.

Jetzt bin ich schon mal einen Schritt weiter und lese mir diesen Artikel durch, dabei stoße ich auf folgenden Abschnitt:

Die Konzeption einer z.B. politischen, ökonomischen, wissenschaftlichen oder kulturellen Elite steht im Gegensatz zu egalitären Gesellschaftskonstruktionen.

Ich interessiere mich für den Begriff der Elite und öffne diesen Verweis. In dem Artikel finde ich wiederum einen Verweis auf Studiengebühren und öffne ihn. Auf diese Art und Weise kann man sich über ein Thema, für das man sich interessiert, ein Netz von Wissen erarbeiten.

4. Naivität. Schon oft wurde von Philosophen und Wissenschaftlern die Naivität der Kinder idealisiert und zum wichtigsten Gut des Menschen erklärt. Damit meint man nicht gedankenloses Folgen, sondern an Wissensphänomene neutral und Unvoreingenommenheit heranzutreten. Wenn man neue Dinge lernt und sich dabei gut fühlt, ganz egal, ob es sich dabei um Star Trek oder die Stringtheorie handelt und man spürt wie man an Wissen dazu gewinnt, dann hat das einen positiven Effekt. Das Gehirn ist nicht sozio-kulturellen Wertungssystemen unterworfen und beurteilt nicht, ob es besser ist 3000 Jahre Wissen über aventurische Geschichte oder alles seit Romulus und Remus zu speichern. Neue Neuronenverbindungen werden so oder so hergestellt.

5. Dauerhaften Stress vermeiden. Ein bisschen Druck zur richtigen Zeit kann zwar wahre Wunder wirken, aber kontinuierlicher Stress ist zu vermeiden, da das Amygdala, eine Hirnregion welche für emotionale Verarbeitung zuständig ist, sonst Kontrolle übernimmt und rationales, geordnetes Denken kaum mehr möglich ist. Yoga und Schlaf soll helfen, also im Prinzip alles bei dem man "sich verlieren kann" und/oder bewusste Atmung erreicht.

6. Strukturen aufbrechen und neu bilden. Wenn nötig und möglich, kann es sinnvoll sein bestehende Strukturen anzupassen an das individuelle Verständnis. Man hat zum Beispiel folgende Zahlensequenzen A = [308, 933, 561, 192] und B = [543, 1230, 593, 4844]. Die Reihenfolge der Zahlen ist fakultativ und man muss beide Sequenzen (A und B) memorisieren, dann könnte es sinnvoll sein, die Zahlen nach einem eigenen System neu zu ordnen. Ob man sich dabei eine assoziative Brücke baut und die zahlen entsprechend anordnet oder von niedriger zu hoher Zahl geht, das ist einem selbst überlassen.
Meist haben sich die Leute, welche diese Strukturen erstellt haben, etwas dabei gedacht und man sollte diese Strukturen zwar immer hinterfragen, aber auch beachten und dann entscheiden.

7. Finger und Mund. Genauso wie man Assoziationen als Hilfsmittel einsetzen kann, so kann man auch seinen Körper einsetzen. Finger zum Rechnen und Zählen benutzen und das Repetieren von Texten durch vorlesen kann helfen. Ihr mögt vielleicht glauben, dass ihr dabei dumm ausseht, aber ihr seid alles andere als dumm.

8. Lehren und Lernen. Man nimmt an, dass man durch Erklären eines Sachverhaltes für andere, und die damit verbundene Portionierung und Simplifizierung der Fakten, die Effektivität des eigenen Verstehens für die Thematik um bis zu 90% erhöht. Wenn man etwas also nicht kapiert hat, dann sollte man es erst seinem Hund erklären, um es sich selbst zu erklären und anschließend seinem Freund oder Freundin, um das Wissen auch zu verankern.