Beim Gehirn führt die Evolution zu Anpassungs- und Lernprozessen, die sich auch neuronal niederschlagen. So hat der aufrechte Gang das Gehirn dadurch massiv beeinflusst, dass die Hände frei wurden und der Daumen durch Opposition eine anatomische Sonderstellung einzunehmen begann, wobei sich die motorische Gehirnrinde und die Tastsinnfelder in der Großhirnrinde entsprechend angepasst haben. Mit der Erfindung der Sprache ist aus einem Bereich im Motorcortex, der den Kehlkopf und die Zunge steuert, das Broca-Areal erwachsen, das nicht nur die Motorik der Sprache steuert, sondern auch eine grammatikalische Schnellanalyse der Sprache vornimmt. Der Gyrus angularis, eine Region am Schläfenlappen ist fast ausschließlich für das Schreiben und Lesen zuständig und hat sich erst durch die lesende Gesellschaft in den letzten 500 Jahren herausgebildet. Die Großhirnrinde ist offensichtlich ein prädisponierter Platz für neue Anforderungen und passt sich in der Individualentwicklung eines Menschen an kulturelle Errungenschaften an, nicht aber durch eine Veränderung im genetischen Bauplan. Auch die menschliche Intelligenz hat sich weitgehend auch nur den gestiegenen Anforderungen angepasst, z.B. durch die allgemeine Schulpflicht, die Verstädterung, die Technisierung oder die bessere Ernährung. Menschliche Gehirne sind dafür gebaut, kulturell prägbar zu sein, d.h., es gibt Gehirnareale, die nur darauf warten, dass dort eine "Problemlösungs-Software" installiert wird.
Zusammengefasst nach einem Interview mit Martin Korte (TU Braunschweig) im FOCUS vom 12.10.2009.
Wachstum der synaptischen Verbindungen
Bildquelle: http://brain.exp.univie.ac.at/GraEN15.GIF (02-01-12) |
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Quellen: http://science.orf.at/ (08-05-09) Behl, Christian (2008).Ein Wettrüsten, das unser Denken bedroht. WWW: www.faz.net/gehirntraining (08-09-09) http://idw-online.de/pages/de/news221768 (08-09-09) |
Wann gelernt wird, bilden die Neuronen im Gehirn Synapsen mit Nachbarzellen aus. Wird das Gelernte behalten, so werden aus diesen Kontaktstellen langfristige Verbindungen. Die Speicherkapazität für Erinnerungen im Hippocampus, dem Bereich des Kurzzeitgedächtnis, ist allerdings begrenzt. Wie Studien belegen, konkurrieren Informationen um den Platz im Kurzzeitgedächtnis, wobei alte Erinnerungen gelöscht werden, um neue Informationen aufzunehmen, wobei die alten Informationen jedoch nicht unbedingt verloren gehen, sondern unter Umständen in das Langzeitgedächtnis kopiert werden. Beim Lernen entstehen vermehrt neue Verknüpfungen zwischen den Nervenzellen des Hippocampus, wobei neue Verbindungen alte schrittweise auslöschen, doch dieser Löschprozess beschleunigt allerdings den Transfer der alten Erinnerungen in den Neokortex, also in das Langzeitgedächtnis. Intensives Üben beschleunigt demnach die Übertragung von neuen Informationen in den Neokortex. Ganz allemeine betrachtet bilden sich immer dann, wenn wir sehen, denken, erkennen, fühlen oder handeln, neue synaptische Verknüpfungen, die dann länger oder eben etwas kürzer bestehen. Das Andocken des Neurotransmitters an seine Zielzelle löst dort vielfältige biochemische Prozesse aus und schaltet dabei auch Enzyme zur Synthese von Molekülen in den Zellen an. Alle Signale hinterlassen somit ihre biochemische Spur in der Zielzelle. Beim Kurzzeitgedächtnis eines Menschen wird durch einen "zweiten Boten“ die Verbindung zwischen Ausgangs- und Zielzelle kurzzeitig gestärkt. Bei einer Intensivierung der Übertragung bleibt dieser Botenstoff länger erhalten und aktiviert über das Protein "Creb" bestimmte Genprogramme. Durch diese Prozesse wird ein flüchtiger Gedächtnisinhalt in unserem Langzeitgedächtnis fixiert. Creb gilt als der biochemische Hauptschalter des Langzeitgedächtnisses. Die elektrophysiologische Entsprechung des sich wiederholende Signalfluss an den Synapsen ist die so genannte Langzeit-Potenzierung (LTP) - die sich gegenseitige verstärkende Wechselwirkung zwischen dauerhaft feuernde“ Nervenzellen (vgl. Behl 2008). Das langfristige Einprägen eines Lernstoffes ist die Überführung in das Langzeitgedächtnis, wobei das durch die Translation oder Produktion von neuen Proteinen an den Synapsen ist, denn diese Proteine stärken die synaptische Verbindung und verfestigen so die Erinnerung. Mit Hilfe eines translationalen Markers, einem fluoreszierenden Protein, das leicht im Gehirn verfolgt werden kann, hat ein amerikanisches Forschungsteam um Wayne Sossin (Montreal Neurological Institut) nach einem Bericht in Science (2009) die erhöhte lokale Proteinsynthese bei der Gedächtnisbildung erstmals direkt beobachtet. Es zeigte sich, dass die Translation synapsenspezifisch war und der Aktivierung durch die postsynaptische Zelle bedurfte, was beweist, dass dieser Schritt die Kooperation zwischen beiden an der Synapse beteiligten Neuronen bedarf, d.h., dass die Einprägung durch die Signale und die Kooperation der angrenzenden Gehirnzellen getriggert wird. Valentin Nägerl (Max-Planck-Institut) hat den zeitlichen Ablauf der Synapsenbildung näher untersucht. Um eine Reaktion der Nervenzellen gezielt herbeizuführen, stimulierten man eine Gruppe von Neuronen durch einen kurzen, hochfrequenten Stromimpuls, da man weiß, dass Nervenzellen auf eine solche Stimulation mit der Verstärkung ihrer Verbindungen reagieren. Innerhalb von wenigen Minuten nach dem Stromimpuls beginnen die angeregten Nervenzellen neue Fortsätze zu bilden, doch innerhalb der ersten acht Stunden können noch über keinen dieser neuen Zellverbindungen Informationen ausgetauscht werden. Erst jene Kontakte, die auch nach 24 Stunden noch vorhanden sind, besitzen funktionsfähige Synapsen zur Informationsübertragung und existieren auch noch nach mehreren Tagen. Erst dann ist der Umbau im Gehirn abgeschlossen. Der Wachzustand baut über Tag hinweg aber auch einen Zustand immer stärkerer Erregung im Gehirn auf. Nach Giulio Tononi und Chiara Cirelli (Universität Wisconsin) dient der Nachtschlaf daher auch dazu, im Gehirn die synaptischen Verbindungen zwischen den Neuronen wieder etwas zu lockern, denn blieben sie zu fest verschaltet, würden sie zu viel Platz und zu viel Energie beanspruchen und das Gehirn würde allmählich in einen Zustand der Sättigung übergehen. Auch könnte das Gehirn neue Eindrücke, neue Erfahrungen und neue Inhalt am nächsten Tag gar nicht verarbeiten. Die allgemeine Lernfähigkeit der Nervenzellen würde unter dieser Erstarrung der Verbindungen leiden. |
Lernvorgänge verändern die Grundstruktur der Sehrinde
Quelle:
Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA (PNAS), April 2002 Netadressen: Ben Godde WWW: benjamin.godde/index.html WWW:http://www.neuroinformatik. ruhr-uni-bochum.de
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Die Nervenzellen sind zum Zeitpunkt der Geburt im Wesentlichen alle angelegt, aber in bestimmten Bereichen des Gehirns noch nicht miteinander verbunden. Dies gilt vor allem für die Großhirnrinde. Viele Verbindungen wachsen erst jetzt aus, aber ein erheblicher Anteil wird nach kurzer Zeit wieder vernichtet. Es vollzieht sich ein stetiger Umbau von Nervenverbindungen, wobei nur etwa ein Drittel der einmal angelegten erhalten wird. Welche bleiben, hängt von der Aktivität ab, die sie vermitteln. Das bedeutet, dass die Ausbildung der funktionellen Architektur der Großhirnrinde in erheblichem Umfang von Sinnessignalen und damit von Erfahrung beeinflusst wird. Genetische und epigenetische Faktoren kooperieren in untrennbarer Wechselwirkung, weshalb eine strenge Unterscheidung zwischen Angeborenem und Erworbenem unmöglich ist. Es erinnert dieser Vorgang der Selektion von Nervenverbindungen an einen darwinistischen Ausleseprozess. Kontakte werden im Überschuss angelegt und solche, die einer funktionellen Validierung standhalten, bleiben. Die ersten und eindrucksvollsten Beispiele für die eminente Bedeutung dieses erfahrungsabhängigen Selektionsprozesses kamen aus der Klinik. Früher litten Neugeborene häufig an Infektionen ihrer Augen, die sie sich während der Geburt zuzogen. Die Folge waren Trübungen der Hornhaut oder gar der Linse. Die Kinder erblindeten und konnten nur noch diffuse Helligkeitsschwankungen wahrnehmen. Als es dann möglich wurde, Linsen und Hornhäute zu transplantieren oder gegen künstliche Medien auszutauschen, war die Erwartung - nachdem dem Gehirn selbst ja nichts fehlte - dass mit solchen Operationen die Sehfähigkeit wieder hergestellt werden könnte. Entsprechend groß war die Enttäuschung, als sich erwies, dass diese spätoperierten Patienten blind blieben. Sie hatten jetzt zwar funktionstüchtige Augen, konnten aber mit den Informationen, die jetzt erstmals zur Verfügung standen, nichts anfangen. Viele Patienten empfanden das, was sie jetzt plötzlich wahrnehmen konnten, nicht als visuelle Eindrücke, sondern als Geräusche oder als etwas Schmerzhaftes, als etwas nicht näher Beschreibbares. Sie lernten nicht, sich in der Sehwelt zu orientieren, Räume auszumessen oder Objekte zu identifizieren. Viele dieser spät operierten Patienten wurden tief depressiv, weil ihre Erwartungen nicht erfüllt wurden und die meisten fielen in ihren Blindenalltag zurück und trugen wieder dunkle Brillen. Der Grund ist, dass das Nichtverfügbarsein von visuellen Signalen in bestimmten Entwicklungsphasen nach der Geburt dazu führt, dass Verbindungen, die eigentlich konsolidiert werden müssten, eingeschmolzen werden. Dem Auswahlmechanismus fehlen die richtigen Signale, er missinterpretiert Verbindungen, die im Grunde funktionstüchtig sind, als sinnlose und vernichtet sie. Und dieser Vorgang ist irreversibel. Wenn die kritische Phase für die Entwicklung von Verbindungen in der Sehrinde durchlaufen ist, und sie beginnt beim Menschenkind kurz nach der Geburt und klingt dann im Laufe der ersten Lebensjahre ab, dann kommt Hilfe zu spät. Etwas Ähnliches ereignet sich beim frühkindlichen Schielen, einer sehr häufigen Entwicklungsstörung. Hier werden Verbindungen in der Hirnrinde zerstört, die man braucht, um mit beiden Augen gleichzeitig sehen zu können. Die Kinder verlieren die Fähigkeit des Stereosehens. Die Ursache ist wieder, dass auf Grund der Fehlstellung der Augen falsche Signale zur Hirnrinde gelangen und dort Verbindungen irreversibel vernichten. Diese Mechanismen konnten durch Untersuchungen am Tier aufgeklärt werden, wofür Hubel und Wiesel den Nobelpreis erhielten. Auf der Basis dieses Wissens gelang es dann, geeignete Verfahren zur Frühdiagnose und Therapie zu entwickeln, so dass heute das Sehvermögen trotz frühkindlicher Störungen der Signalaufnahme meist erhalten werden kann (Singer 2001). Nach Ben Godde (Institut für Medizinische Psychologie der Universität Tübingen) und Hubert Dinse (Institut für Neuroinformatik der Ruhr-Universität Bochum) passt sich die Organisation und Funktion unseres Gehirns lebenslang an äußere oder krankheitsbedingte Veränderungen an. Sie haben im Tierversuch durch die Kombination von Elektrostimulation der Gehirnzellen und Beobachtung des Blutflusses im Gehirn gezeigt, dass sich das Sehsystem auch im erwachsenen Gehirn durch Lernprozesse in der Grundstruktur verändern kann. Um im Sehsystem (hinterer Teil des Großhirns) Lernvorgänge auszulösen, stimulierten die Wissenschaftler die Gehirnzellen von narkotisierten Tieren mit winzigen Strömen. Dadurch verändert sich die Reizübertragung zwischen den Nervenzellen zunächst nur für wenige Sekunden, bei wiederholter, gleichzeitiger Aktivierung jedoch dauerhaft. Die für das Sehen verantwortlichen Hirnbereiche höherer Säugetiere repräsentieren systematisch das Gesichtsfeld ähnlich wie eine Landkarte, indem benachbarte Nervenzellen benachbarte Orte im Gesichtsfeld darstellen. Im Gehirn überlagern sich verschiedene solcher funktioneller Karten, die Eigenschaften der gesehenen Objekte wie Orientierung, Bewegungsrichtung und Kontrast repräsentieren. Bereits nach wenigen Stunden der elektrischen Stimulation verändern diese Karten ihre Grundstruktur. Die Ursache für diese weitreichenden Auswirkungen vermuten die Wissenschaftler im Bauprinzip der bei höheren Säugetieren und der Menschen besonders ausgeprägten Hirnrinde. Hier findet sich ein dicht verzweigtes Netzwerk horizontaler Nervenfasern, von denen man annimmt, dass sie bei der Reizverarbeitung eine wichtige Rolle spielen. Diese Veränderungen wurden durch elektrische Stimulation ausgelöst, deren Reize keinerlei "Bedeutung" besitzen. Offenbar kommen durch die Elektrostimulation Selbstorganisationsprozesse in Gang, die zu geordneten Veränderungen führen. Die Veränderungen im visuellen System unterscheiden sich dadurch von anderen Gehirnbereichen, die ebenfalls durch Elektrostimulation verändert werden können, dass sich die Effekte räumlich erheblich weiter auswirken und auch nicht vollständig rückgängig zu machen sind. |
Erlernen von Sprache und Lesen |
Die Entwicklung einer Sprache ist angeboren und auch Kinder, die nicht in einer Sprache unterrichtet werden und keine Erwachsene als Vorbilder haben, entwickeln mit der Zeit komplizierte Sprachsysteme. Lesen hingegen ist eine erlernte Fähigkeit, die ohne Unterricht und Praxis nicht entwickelt werden können. Beim Lernen einer Schrift mittels Lesen und Schreiben verdichtete sich die graue Substanz in bestimmten Bereichen der linken Gehirnhälfte, denn dort wird die Form der Buchstaben wahrgenommen und diese Zeichen werden dann in Laute und Bedeutungen übersetzt. Auch erhöht sich durch das Lesen die Stärke der Verbindungen zwischen den verschiedenen verarbeitenden Regionen in der weißen Substanz, wobei man schon lange weiß, dass vor allem der Gyrus angularis für das Lesen von großer Bedeutung ist, wobei dieser Gehirnbereich nach neuesten Forschungen nicht bloß die Form von Wörtern erkennt und den visuellen Eindruck in die dazu passenden Laute und Bedeutungen übersetzt, sondern vielmehr Vorhersagen liefert, was man zu sehen erwartet. Das ganze funktioniert vermutlich ähnlich wie das T9-System von Handys, das das schnelle Schreiben von Nachrichten erleichtert und bei dem das Handy Wörter anhand der ersten eingegeben Buchstaben erkennt und Vorschläge macht, welche Begriff gemeint sein könnten. Diese Erkenntnisse erklären auch teilweise, warum das Lesen eines "Buchstabensalats" so flüssig von statten geht, denn wir lesen weniger das, was uns an Informationen in Form von einzelnen Buchstaben entgegen schaut, sondern das, was wir auf Grund der Anfangs und Endbuchstaben bzw. der Wörtersequenz erwarten.
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Erfahrungsheischendes und erfahrungsabhängiges Lernen |
Der Entwicklungspsychologe John T. Bruer unterscheidet erfahrungsheischendes und erfahrungsabhängiges Lernen. Beim erfahrungsheischenden Lernen spielen kritische Phasen eine wichtige Rolle (etwa wenn es um binokulares Sehen oder andere grundlegende sensorische Vorgänge geht). Erfahrungsabhängiges Lernen ereignet sich das ganze Leben lang. Eine ähnliche Sichtweise vertritt die Psychologin Elsbeth Stern, die zwischen priviligierten und nicht-priviligierten Lernprozessen unterscheidet. |
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Zeitpunkt des Spracherwerbs entscheidendQuelle: |
Bei zweisprachigen Menschen entscheidet der Zeitpunkt des Spracherwerbs darüber, wie im Gehirn das Sprachzentrum organisiert wird. Menschen, die von Geburt an zweisprachig aufwachsen, nutzen für beide Sprachen im Wesentlichen die gleiche Gehirnregion. Menschen, die aber erst später im Schulalter eine zweite Sprache erlernen, bilden im Gehirn zwei Aktivitätszentren aus, die eng nebeneinander liegen. Ford Ebner (Vanderbilt-Universität, Nashville) hat mit Hilfe eines Tomographen bei blinden Probanden untersucht, wo diese im Gehirn die Braille-Schrift entziffern. Die Probanden, die von Geburt an blind waren, nutzten genaus so wie die Spät-Erblindeten beim Lesen jene Hirnareale, die normalerweise für das Sehen reserviert sind allerdings unterschieden sich jedoch die jeweiligen Zentren mit der stärksten Aktivität, sodass offensichtlich auch der individuelle Werdegang bestimmt, welche Hirnteile an einer Sinneswahrnehmung beteiligt sind. |

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