In den letzten Jahren hat die Hirnforschung enorme Fortschritte gemacht und eine Fülle neuer Erkenntnisse über das Gehirn, seine Struktur und die darin ablaufenden Prozesse gewonnen. Diese Forschungsergebnisse sind auch für Erzieher von großer Bedeutung, da sie ihnen helfen, Lern- und Bildungsprozesse besser zu verstehen und effektiver zu gestalten.
Die Struktur des Gehirns
Das Gehirn hat ein mittleres Gewicht von 1.245 g bei Frauen und von 1.375 g bei Männern. Den meisten Platz nimmt das Großhirn ein, das aus zwei Hälften (Hemisphären) besteht, die durch den Balken (Corpus callosum) miteinander verbunden sind. In der linken Hirnhälfte sind z.B. Sprache, Denkprozesse, Mathematik und Logik verankert, in der rechten Hemisphäre visuell-räumliche Wahrnehmung, Gefühle, Kreativität, Fantasie, Kunst und Musik.
Die Hirnlappen
- Stirnlappen (Frontallappen): Umfasst etwa 25% der Gehirnmasse. Er ist zuständig für die Kontrolle der Motorik inklusive des Sprechens. Auch findet hier die grammatikalische Verarbeitung der Sprache statt (Broca Areal). Der Stirnlappen "enthält" das Bewusstsein; in ihm werden Gedanken, Gefühle und Stimmungen wahrgenommen. Ferner laufen im Stirnlappen kognitive Prozesse wie Konzentrieren, Denken, Planen, Urteilen und Entscheiden ab; hier befindet sich das Kurzzeit- bzw. Arbeitsgedächtnis. Außerdem ist der Stirnlappen Sitz des Willens und der Persönlichkeit.
- Scheitellappen (Parietallappen): Ist zuständig für selektive Aufmerksamkeit, die Integration sensorischer Informationen, die räumliche Orientierung und die visuelle Steuerung von Bewegungen. Hier haben räumliches Denken, Geometrie, Rechnen und Lesen ihren Platz.
- Schläfenlappen (Temporallappen): Ist verantwortlich für das Hören und das Wortverständnis, aber auch für Musik und andere auditive Informationen. Hier ist das Sprach- bzw. lexikalische Wissen zu finden (Wernicke-Zentrum).
- Insellappen (Lobus insularis): Der kleinste Abschnitt des Großhirns, ist für das Riechen und Schmecken zuständig. Hier werden Körperempfindungen wie Hunger, Durst, Schmerz oder Blasendruck wahrgenommen, aber auch andere Gefühle.
Prinzipiell werden in den Hirnlappen primäre und sekundäre Assoziationsareale unterschieden. Von den primären Arealen gehen direkte Nervenverbindungen zu den Sinnesorganen. Die sekundären Assoziationsareale sind über Parallelfasern untereinander verknüpft und speichern das unbewusst oder bewusst erlernte Wissen.
Weitere Bereiche des Gehirns
- Kleinhirn (Cerebellum): Der nach dem Großhirn zweitgrößte Bereich des Gehirns, das ebenfalls aus zwei Hemisphären besteht. Es steuert unbewusst die Muskulatur und hält den Körper im Gleichgewicht. Ferner bekommt es über die Brücke willkürliche Bewegungsimpulse aus dem Großhirn und koordiniert die jeweiligen Bewegungen. Außerdem hat das Kleinhirn die Aufgabe, automatisierte Bewegungsabläufe wie z.B. das Gehen zu speichern.
- Zwischenhirn (Diencephalon): Umfasst unter anderem den Thalamus und den Hypothalamus. Der Thalamus empfängt zunächst die Wahrnehmungen der Sinnesorgane sowie Empfindungen aus dem Körper. Es erfolgt dann eine primitive Informationsverarbeitung, wobei der Thalamus als Filter fungiert und z.B. anhand von Situationen wie Schlaf oder Nahrungszunahme entscheidet, welche Informationen an das Großhirn weitergeleitet werden sollen. Deshalb wird er oft als "Tor zum Bewusstsein" bezeichnet. Zugleich wird das Großhirn vor Überlastung geschützt. Der Hypothalamus ist das wichtigste Steuerzentrum des vegetativen Nervensystems. Er kontrolliert lebenswichtige Funktionen wie Körpertemperatur, Blutdruck, Nahrungs- und Wasseraufnahme, Schlaf und Geschlechtstrieb.
- Hirnstamm (Truncus encephali): Der entwicklungsgeschichtlich älteste Bereich unseres Gehirns. Der Hirnstamm umfasst das Mittelhirn, die bereits erwähnte Brücke und das verlängerte Rückenmark (Nachhirn). Das Mittelhirn ist eine Umschaltstelle, die Nervenerregungen über das Zwischenhirn an das Großhirn weiterleitet oder auf motorische Nervenzellen umlenkt. Ferner steuert es die meisten Gesichts- und Augenmuskeln. Die Brücke ist ebenfalls eine Umschaltstation, insbesondere für Erregungen, die zwischen den beiden Hälften des Großhirns bzw. des Kleinhirns verlaufen. Das verlängerte Mark steuert grundlegende und überlebenswichtige Funktionen wie Herzfrequenz, Atmung und Blutkreislauf.
Die Kommunikation im Gehirn
Das Gehirn besteht aus rund 100 Milliarden Nervenzellen (Neuronen), die über 100 Billionen Synapsen (Kontaktstellen) mit anderen Neuronen kommunizieren. Somit ist eine Nervenzelle im Durchschnitt mit 1.000 anderen Neuronen verbunden. Dazu hat jede Nervenzelle ein Axon, das zwischen Bruchteilen eines Millimeters und mehr als einem Meter lang sein kann, und Dendriten, die sie mit vielen anderen Neuronen verbinden. Während ein Neuron seinen Input über die Dendriten erhält, leitet es nach Verarbeitung desselben seinen Output über das Axon weiter. Innerhalb der Nervenzelle geschieht dies durch elektrische Signale. Zwischen den Neuronen erfolgt die Kommunikation hingegen durch den Austausch von Neurotransmittern, d.h. von komplexen Aminosäuren wie Serotonin, Endorphin, Dopamin, Adrenalin usw. Diese werden am Ende eines Axons - also an einer seiner vielen Synapsen - freigesetzt, überqueren den synaptischen Spalt und werden dann von den Rezeptoren der Synapse eines Dendrits aufgenommen und wieder in einen elektrischen Impuls umgewandelt. Sobald der Neurotransmitter seine Aufgabe erledigt hat, sorgen Enzyme im synaptischen Spalt für die Trennung von Transmitter und Rezeptor. Eher selten werden zwischen den Synapsen auch Ionen ausgetauscht, also elektrisch positiv bzw. negativ geladene Atome oder Moleküle. Die meisten elektrischen Signale laufen somit innerhalb der Neuronen ab.
Neuronen machen aber nur die Hälfte der Masse des Gehirns aus. Die andere Hälfte umfasst die sehr viel kleineren Gliazellen - ihre Zahl ist etwa 10-mal höher als die der Nervenzellen. Gliazellen bilden ein Stützgerüst für die Neuronen und sind am Stoff- und Flüssigkeitstransport im Gehirn beteiligt. Sie umhüllen die Axone segmentweise mit einer Myelinschicht, wobei kleine Bereiche, sogenannte Ranviersche Schnürringe, zwischen jeweils zwei Segmenten unbedeckt bleiben. Diese Myelinschicht sorgt für die elektrische Isolation der Nervenzellen. Nach neuesten Erkenntnissen sind Gliazellen auch an der Informationsverarbeitung, am Lernen und an höheren Denkprozessen beteiligt. Sie kommunizieren mit den Nervenzellen, reagieren aber genauso auf deren elektrische Aktivität.
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Die Entwicklung des Gehirns bei Babys und Kleinkindern
In jedem Augenblick strömt eine Unmenge an Eindrücken und Wahrnehmungen aus dem Körper und über die Sinne zum Gehirn. Die Impulse werden in viele kleine Einzelteile zerlegt, die in spezialisierten Teilregionen des Gehirns verarbeitet werden - den bereits erwähnten primären Assoziationsarealen. Die von dort ausgehenden "Botschaften" werden in größeren Bereichen des Gehirns interpretiert und miteinander verknüpft, also in den sekundären Assoziationsarealen. An dieser Weiterverarbeitung sind vielfach auch Gedächtnisprozesse beteiligt: Erkennen ist vor allem Wiedererkennen von Gleichem und Ähnlichem. Ferner werden mit Hilfe des Gedächtnisses unvollständige Eindrücke ergänzt. Insbesondere an hoch komplexen Abläufen sind somit viele Bereiche des Gehirns beteiligt.
Natürlich können nicht alle Eindrücke und Wahrnehmungen, Lernerfahrungen und Informationen im Gehirn gespeichert werden. Vielmehr wird ausgewählt: Das Gehirn ignoriert bereits Bekanntes, unterscheidet Wichtiges von Unwichtigem, bildet Kategorien, Muster und Hierarchien, ordnet Ereignisse in sinnvollen Sequenzen, stellt Beziehungen zu anderen Daten her, fügt neu Gelerntes in bereits abgespeichertes Wissen ein. Eindrücke und Informationen werden leichter behalten, wenn sie mit Emotionen verknüpft sind, wenn sie neuartig, ungewöhnlich und besonders interessant wirken, wenn sie leicht in die vorhandenen Gedächtnisinhalte integriert werden können und wenn ein Lebens- bzw. Alltagsbezug gegeben ist. Sind Informationen, Lernprozesse, Erinnerungen emotional bedeutsam, reizvoll und spannend, werden Botenstoffe wie Dopamin und Acetylcholin ausgeschüttet, verstärken die Aufmerksamkeit und intensivieren die Gedächtnisleistung. Emotional bedeutsames Wissen wird (bei Rechtshändern) in der rechten Gehirnhälfte, neutrales Fakten- und Weltwissen in der linken Hemisphäre gespeichert. Schlafen und Träumen helfen, Gedächtnisinhalte zu festigen - so wiederholt und verarbeitet das Gehirn in den REM-Phasen äußerst aktiv Eindrücke des Tages. Babys, Ein- und Zweijährige müssen auch während des Tages einmal oder öfters schlafen, da sie - vielleicht auch wegen der intensiven Aktivität in ihrem Gehirn (s.u.) - leicht ermüden. Sogar jeder fünfte Fünfjährige benötigt eigentlich noch ein "Nickerchen" um die Mittagszeit herum, ansonsten reagiert er am Nachmittag oft schläfrig, weinerlich oder gereizt.
Die frühe Entwicklung des Gehirns
In der dritten Woche nach der Empfängnis faltet sich die dünne Zellschicht des Ektoderms einwärts zu einem flüssigkeitsgefüllten Zylinder, dem so genannten Neuralrohr, und verschließt diesen etwas später. Aus dem Neuralrohr entstehen das Gehirn und das Rückenmark. In ihm wandern die in einem rasanten Tempo entstehenden Nervenzellen zu ihrem jeweiligen Bestimmungsort, wobei sie sich an radial ausgerichteten Gliazellen orientieren. An ihrem Bestimmungsort stellen sie sich dann in Reihen und Schichten auf. So entstehen in der 4. bis 6. Lebenswoche Verdickungen, die drei Hirnbläschen, aus denen sich die Gehirnabschnitte entwickeln. Zugleich verteilen sich Neuronen längs des Neuralrohrs, verästeln sich im übrigen Embryo und bilden so langsam das zentrale Nervensystem aus. In der 10. In den kommenden Lebenswochen werden weiterhin neue Neuronen - etwa 250.000 pro Minute - in der Mitte des Gehirns produziert und wandern von dort zu ihrem Bestimmungsort. Eine Unmenge von Nervenzellen wird aber auch wieder abgebaut. Bis zur 15. Lebenswoche bilden sich Klein- und Mittelhirn sowie der Balken aus. Die beiden Großhirnhälften wachsen rasant (vor allem nach hinten), verdicken sich nach außen und bilden die ersten Furchen aus. Haben die meisten Nervenzellen ihre endgültige Position erreicht, sind alle wichtigen Gehirnstrukturen ausgebildet. Erst dann bilden die Neuronen Axone und Dendriten aus, wobei an der Entstehung der Synapsen Gliazellen beteiligt sind. Eine weitere wichtige Entwicklung im frühkindlichen Gehirnwachstum ist die Ausbildung der Myelinscheide, welche die Axone isoliert.
Schon im Mutterleib nimmt das Gehirn Informationen auf und verarbeitet diese. Beispielsweise reagiert der Fötus ab der 19. Woche auf Schmerz; ein Schmerzbewusstsein tritt rudimentär aber erst nach der 28. Woche auf. Der Fötus kann ab der 26. Woche hören, ab der 29. Woche schmecken und ab der 32. Woche sehen; dann können auch Schlafphasen inklusive REM-Schlaf beobachtet werden. Um diese Zeit herum bildet sich eine Art Kurzzeitgedächtnis aus, in dem z.B. wiederkehrende, zunächst erschreckende Töne abgespeichert werden. Dann scheint es auch schon ein rudimentäres Bewusstsein zu geben. Ab der 35.
Die Entwicklung nach der Geburt
Bei der Geburt enthält das Gehirn eines Säuglings rund 100 Milliarden Neuronen, die gleiche Anzahl wie beim Erwachsenen. Die Nervenzellen des Neugeborenen sind aber noch nicht voll ausgebildet und wenig vernetzt. Ein Neuron hat durchschnittlich nur 2.500 Synapsen; bei Kleinkindern sind es hingegen bis zu 15.000 Synapsen. Auch bewegen sich Nervenimpulse viel langsamer: Die neurale Geschwindigkeit nimmt zwischen Geburt und Adoleszenz um das 16fache zu - (Klein-) Kinder verfügen noch über zu viele mögliche Leitungsbahnen, was Erregungen länger "fließen" lässt. Somit ist das Gehirn zum Zeitpunkt der Geburt immer noch recht unreif; lediglich ein Grundgerüst wurde angelegt. In der Regel ist die rechte Hemisphäre etwas weiter entwickelt als die linke.
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Kommt ein Baby zur Welt, kann es sehen, hören und auf Berührungen reagieren. Zunächst überwiegen Reflexe wie z.B. das Saugen und Schlucken. Auch wird der ganze Körper genutzt, um Bedürfnisse wie Hunger oder Gefühle wie Angst zum Ausdruck zu bringen. Bedingt durch die Unmenge der Wahrnehmungen und Erfahrungen nimmt die Zahl der Synapsen in den ersten drei Lebensjahren rasant zu. Mit zwei Jahren entspricht die Menge der Synapsen derjenigen von Erwachsenen; mit drei Jahren hat ein Kind mit 200 Billionen Synapsen bereits doppelt so viele. Das Gehirn eines Dreijährigen ist mehr als doppelt so aktiv wie das eines Erwachsenen und hat somit auch einen fast doppelt so hohen Glukoseverbrauch. Bis zu 50% des täglichen Kalorienbedarfs wird für das Gehirn benötigt; bei Erwachsenen sind es nur rund 18%. Verbunden mit dem rasanten Wachstum von Synapsen ist eine rasche Gewichtszunahme des Gehirns: von 300 g bei der Geburt über 750 g am Ende des 1. Lebensjahrs bis 1.300 g im 5. Lebensjahr. In der Pubertät wird schließlich das Endgewicht erreicht. Die im dritten Lebensjahr erreichte Anzahl von Synapsen bleibt bis zum Ende des ersten Lebensjahrzehnts relativ konstant.
Die Ausbildung von doppelt so vielen Synapsen wie letztlich benötigt ist ein Zeichen für die große Plastizität des Gehirns - und die enorme Lern- und Anpassungsfähigkeit des Säuglings bzw. Kleinkinds. Das Neugeborene fängt geistig praktisch bei null an: Abgesehen von ein paar angeborenen Verhaltensweisen ist es weitgehend auf Wahrnehmung und Reaktion beschränkt. Die Regionen des Gehirns, die später für komplexe Funktionen wie Sprechen oder Denken zuständig sind, liegen weitgehend brach. Aber das ist genau die große Chance des Menschen: Der Neugeborene ist praktisch für ganz unterschiedliche Kulturen und Milieus offen - für einen Indianerstamm bestehend aus Jägern.
Wie das Gehirn lernt
Im Gehirn schlagen sich Denken und Lernen auf verschiedene Weise nieder: Bei jeder Interaktion zwischen (Klein-) Kind und Umwelt reagieren zunächst Tausende von Gehirnzellen. Bestehende Verbindungen zwischen ihnen werden intensiviert, neue ausgebildet. Treten nun wiederholt ähnliche Eindrücke, Wahrnehmungen und Erfahrungen auf, schleifen sich bestimmte Bahnen ein. Das heißt, ähnliche Signale folgen immer häufiger demselben Weg, der durch bestimmte, bei wiederholter Stimulierung stärker werdende chemische Signale in den Synapsen zwischen den Neuronen markiert wird. Die zuvor benutzten Verbindungen - und die an ihnen beteiligten Neuronen - verlieren an Bedeutung; viele der kaum oder überhaupt nicht benutzten Nervenzellen werden abgebaut (neuraler Darwinismus). Die entlang der sich einschleifenden Bahnen liegenden Neuronen werden hingegen immer größer, d.h., sie bilden weitere Dendriten aus, die zudem länger werden und zu mehr Nervenzellen führen. Zugleich wird das Gehirn auf eine bestimmte Weise organisiert - je nachdem, für welche Arten von Lernprozessen Neuronen und Nervenbahnen besonders oft aktiviert werden. Die Veränderungen in seiner Struktur können sogar stark ausgeprägt sein, wenn bestimmte Lernerfahrungen sehr häufig gemacht werden: Beispielsweise ist bei Taxifahrern die Gehirnregion für das Ortsgedächtnis größer, wird bei tauben Menschen ein Bereich im Gehirn für die Gebärdensprache abgegrenzt.
Geschlechtsspezifische Unterschiede in der Gehirnentwicklung
Forscher der Universität Tübingen haben untersucht, wie sich die Hirnfunktion bei Babys und Säuglingen entwickelt - was langfristig erklären könnte, wie und warum psychologische und neurologische Erkrankungen entstehen.
In ihrer Studie, erschienen im Journal „Nature Mental Health“, haben sie die Art und Weise, wie das Gehirn Signale und Informationen von außen aufnimmt und verarbeitet, untersucht. „Das unerwartete Ergebnis: es gab Unterschiede zwischen Jungen und Mädchen - und zwar schon sehr früh in der Entwicklung eines Kindes“, erklärt Alireza Gharabaghi. Mit der fetalen Magnetenzephalographie, einer nicht-invasiven Methode um hochauflösend Hirnsignale aufzunehmen, haben sie gemessen, wie das Gehirn auf äußere Reize, wie zum Beispiel Tonsequenzen, reagiert.
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Die Ergebnisse zeigten, dass männliche Säuglinge im Durchschnitt ein signifikant größeres Gehirnvolumen aufwiesen als weibliche, selbst nach Berücksichtigung von Geschlechtsunterschieden beim Geburtsgewicht. Weibliche Babys wiesen durchschnittlich größere Volumen in jenen Bereichen der grauen Substanz auf, die mit Gedächtnis und emotionaler Regulation in Verbindung stehen. Männliche Neugeborene zeigten im Mittel mehr Volumen in den Regionen der grauen Substanz, die an sensorischer Verarbeitung und motorischer Steuerung beteiligt sind.
Die Rolle von Testosteron
Jungen sind im Mutterleib kleine Testosteron-Maschinen. Tatsächlich haben männliche Babys soviel Testosteron wie ein 25-jähriger Mann, sagt Margaret M. McCarthy, Professorin an der University of Maryland, die sich mit der frühen Hirn-Entwicklung beschäftigt. Nach der Geburt fällt der Testosteron-Spiegel, bis die Pubertät beginnt. Unter anderem formt dieses Testosteron das sich entwickelnde männliche Gehirn. Tierversuche belegen, dass es die Synapsen an einigen Orten trennt und an anderen Stellen massiv aufbaut.
Auch Mädchen produzieren Testosteron vor der Geburt, aber nicht annähernd soviel wie Jungen, sagt Sheri Berenbaum. Die ebenfalls stattfindende Produktion weiblicher Hormone wie Östrogen scheint keinen großen Einfluss auf die Entwicklung des weiblichen Gehirns zu haben. Mit anderen Worten: Mädchen haben das Gehirn, das Jungen haben würden, wenn ihres nicht von Testosteron neu geformt würde.
Unterschiede in der Gehirnstruktur
Nach der Geburt nehmen die Gehirne von Jungen und Mädchen weiter unterschiedliche Wege. Studien mit Kernspintomografien zeigen, dass einige Bereiche schneller bei Mädchen, andere schneller bei Jungen wachsen. Die Gehirne von Jungen und Mädchen können also im selben Alter in unterschiedlichen Entwicklungsphasen sein. Letztendlich nähern sie sich in der Entwicklung aber an.
Auch die Größe variiert. Männliche Hirne werden etwas größer als weibliche, auch wenn die Bedeutung dieser Tatsache uns noch unklar ist. Einige Forschungen haben gezeigt, dass bei Mädchen der Teil des Gehirns häufig größer ist, der Sprache und Emotion kontrolliert. Dieser Hirnbereich wird zum Beispiel aktiver, wenn man das Foto eines geliebten Menschen betrachtet. Genauso scheint es, dass Teile des Gehirnbalkens (Corpus callosum), der die beiden Hemisphären des Gehirns verbindet, bei Mädchen größer sind als bei Jungen. Man vermutet, dass Mädchen stärker beide Hirnhälften aktivieren, um Aufgaben zu lösen. Weitere Studien an Ratten belegten für das männliche Gehirn einen etwas größeren Mandelkern (Corpus amygdaloideum), der tiefe Emotionen, wie etwa Angst, kontrolliert.
Die Bedeutung der Krabbelphase
Die rechte und linken Gehirnhälfte werden unterschiedliche Funktionen zugeteilt. Für eine gute Koordination ist es notwendig, dass sich beide Gehirnhälften miteinander verbinden. Diese Koordination wird durch das Krabbeln geschult wie nie mehr danach in unserem Leben. Eine gute Koordination ist in all unseren Lebensphasen und Lebensbereichen notwendig. Es kann davon ausgegangen werden, dass Kinder, die das Krabbeln entwickeln konnten, deutliche Vorteile in der Schule haben. Sie lernen leichter, ihre Auffassungsgabe, Merkfähigkeit, Konzentration und Belastbarkeit ist größer.
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