Einführung
Die rasante Entwicklung der Elektronik und ihre zunehmende Integration in unser Leben werfen wichtige Fragen auf, insbesondere im Hinblick auf ihre Auswirkungen auf unser Gehirn und unsere kognitiven Fähigkeiten. Von der frühen Kindheit bis ins Erwachsenenalter sind wir ständig digitalen Reizen ausgesetzt, die unser Denken, Lernen und soziales Verhalten beeinflussen können. Dieser Artikel untersucht die vielfältigen Auswirkungen der Elektronik auf das Gehirn, von den potenziellen Risiken für die Entwicklung von Kindern bis hin zu den vielversprechenden Möglichkeiten von Gehirn-Computer-Schnittstellen und neuromorphem Computing.
Digitale Medien und die Entwicklung des kindlichen Gehirns
Die Bedeutung der frühen Kindheit
Kinderärzte warnen zunehmend vor den Auswirkungen des Smartphone-Gebrauchs von Eltern auf das Bindungs- und Spielverhalten kleiner Kinder. Diese beiden Faktoren bilden die Grundlage für psychische Gesundheit sowie emotionale, soziale und kognitive Bildung. Störungen in diesem Bereich können erhebliche Folgen für die weitere Entwicklung des Kindes haben. Das Jugendamt Frankfurt hat eine deutschlandweite Kampagne gestartet, um Eltern auf diese Gefahren aufmerksam zu machen. Experten raten dringend, die Gewohnheiten im Umgang mit digitalen Medien im Sinne eines gesunden Aufwachsens der Kinder so weit wie möglich zu ändern.
Die Bedürfnisse des Kindes im Mittelpunkt
Zu Beginn der Entwicklung eines Kindes müssen dessen Bedürfnisse im Mittelpunkt stehen. In den ersten zwei Lebensjahren benötigen Kinder die ungestörte Aufmerksamkeit, den feinfühligen Umgang und die Anwesenheit ihrer primären Bezugsperson, um eine sichere Bindung aufzubauen. Wenn die Aufmerksamkeit der Bezugsperson durch digitale Medien immer wieder abgelenkt wird, reagieren Kinder häufig verstört. Wenn Eltern ihrem kleinen Kind ein Smartphone oder Tablet zum Spielen geben, mag es zwar ruhig und zufrieden sein, aber langfristig kann dies die Entwicklung des Kindes beeinträchtigen.
Störung der Lernprozesse
In den ersten zwei Lebensjahren, der sogenannten sensomotorischen Phase, lernen Kinder ausschließlich über Bewegung und sensorische Erfahrungen. Durch diese Erfahrungen werden die Gehirnzellen und -bereiche miteinander verknüpft, was die Grundlage für das spätere Denken bildet. Wenn die Bewegungslust durch digitale Medien eingeschränkt wird, können die biologisch verankerten Antriebe des Erkundens, der Wissbegierde, der Nachahmung, des Spielens und des schöpferischen Erfindens zu kurz kommen.
Abstraktion statt Realität
Vor Bildschirmen erlebt das Kind nur eine Abstraktion der dinglichen Welt, die es bis ins Grundschulalter nicht verarbeiten kann. Was es sieht, ist flächig und kann nicht angefasst, geschmeckt, gerochen oder ertastet werden. Die Bewegung spielt bis weit ins Grundschulalter eine wesentliche Rolle für die gesamte Entwicklung, da sie die Grundlage für das Körperempfinden und das Selbstwirksamkeitsempfinden bildet.
Lesen Sie auch: Neuronale Kommunikation durch Synapsen
Auswirkungen auf die Hirnstrukturen
Die Feinmotorik, die durch das Erkunden der Umwelt und das Malen gefördert wird, bewirkt die Ausbildung spezieller Strukturen im Stirnhirn. Wird dies durch das Antippen von Tasten oder Wischen ersetzt, bleiben diese Strukturen unterentwickelt. Studien zeigen, dass bei hohem Nutzungsverhalten die Hirnbereiche, die mit Sprache und dem Erlernen von Schreiben und Lesen verbunden sind, weniger stark strukturiert sind.
Das Belohnungssystem im Gehirn
Das digitale Feuerwerk schneller Videos und bunter Animationen löst im Gehirn ein Reizbombardement aus, das auf das Stammhirn wirkt und das Belohnungssystem überdreht. Bestimmte Hirnmodule reifen dann zu schnell und unzulänglich, während wichtige Teilbereiche des Stirnhirns sich nicht voll entfalten können. Da das Stirnhirn bei Klein- und Grundschulkindern noch nicht vollständig ausgebildet ist, können sie die Belohnungsreize nicht ausreichend kontrollieren, was zu Suchtverhalten führen kann.
Der verkürzte Weg ins Belohnungszentrum
Der digitale Sinnesreiz schießt sich auf verkürztem Weg direkt ins Belohnungszentrum des limbischen Systems und trickst den zum Lernen notwendigen Weg über den Hippocampus und den Gedächtnisspeicher im Großhirn aus. Kleine Kinder, die das Smartphone zur Beruhigung bekommen, sind vorerst nur an der Wischbewegung interessiert und nehmen die schnellen Bilder noch nicht richtig wahr.
Die Attraktivität bewegter Bilder
Bewegte Bilder auf Tablets und Smartphones ziehen kleine Kinder stark an, so dass traditionelles Spielzeug wie Ritterburgen und Spielfiguren an Attraktivität verlieren. Auf digitalen Medien läuft alles automatisch ab, während Kinder beim selbst gesteuerten Spiel jede Figur bewegen und sich eine Handlung ausdenken müssen. Es gibt kein Training im Denken und keine Notwendigkeit, Willenskraft aufzuwenden, um etwas zu erreichen.
Soziale Entwicklung
Das soziale Denken und Verstehen ist in der Vorschulzeit erst im Aufbau, so dass Störungen von außen langfristige Folgen haben können. In den ersten zwei Jahren läuft das soziale Handeln nur über die Gefühlsansteckung. Erst zwischen 2 und 3 Jahren kommt die Kognition dazu, und die Kinder lernen mühsam, sich in andere hineinzuversetzen. Das Spiel mit anderen Kindern ist besonders wichtig, da das soziale Lernen über das bewusste gemeinsame Spiel in Gang kommt.
Lesen Sie auch: Serotonin: Ein Schlüsselregulator im Gehirn
Konsequenzen für Kitas
Es gibt keinen Grund, in Kitas digitale Medien einzusetzen. Aktionen mit digitalen Medien faszinieren die meisten Kinder, so dass sie davon ferngehalten werden müssten. Vorschulkinder sind neurobiologisch noch nicht in der Lage, Medienkompetenz zu entwickeln. Wirtschaftsunabhängige Experten empfehlen, Kindern erst mit 12 Jahren digitale Medien selbstverantwortlich zu überlassen.
Die Rolle der Eltern
Da sich die Gesellschaft in einem Rausch der digitalen Möglichkeiten befindet, ist es schwer, Kinder davor zu schützen. Eltern müssen sich ihrer Vorbildfunktion bewusst sein und ihren Kindern den Wert des Smartphones nicht vermitteln. Studien zeigen, dass die Kontrolle der Eltern am besten funktioniert, wenn sie gemeinsam mit dem Kind mit digitalen Medien hantieren, das Gerät aber nicht aus der Hand geben.
Wie digitale Medien das Gehirn verändern
Die Plastizität des Gehirns
Alles, was wir erleben und lernen, verändert unser Gehirn. Die Frage ist nicht, ob digitale Medien das Gehirn verändern, sondern wie genau. Das Gehirn ist ein empfindliches und hochgradig wandelbares Organ, das schnell auf Einflüsse von außen reagiert und seine Vernetzungen ändert. Experten sprechen von Plastizität.
Aufmerksamkeit und Ablenkung
Bei Versuchen mit Eye-Tracking und EEG-Hauben können Forscher erkennen, wie stark Kinder von Handyklingeltönen und anderen Störgeräuschen abgelenkt werden. Je jünger die Kinder sind, desto mehr sind sie in ihrer Leistung beeinträchtigt. Wenn Menschen in jungen Jahren schnell abgelenkt sind und Störeinflüsse schwer kontrollieren können, wird das tiefe Verstehen behindert.
Schlafstörungen
Das Handy am Bett und das ständige Checken von Nachrichten können den Schlaf massiv stören. Für den Aufbau des jungen Gehirns ist jedoch viel Schlaf essenziell.
Lesen Sie auch: Puzzeln: Ein mentaler Booster
Die Nähe des Smartphones
Allein die Nähe des eigenen Smartphones kann dazu führen, dass Menschen bei Testfragen schlechter abschneiden. Liegt das Gerät in einem anderen Raum, denken Probanden mehr und antworten korrekter. Ein nahes Handy nimmt uns so in Beschlag, dass Ressourcen im Gehirn besetzt werden und das Arbeitsgedächtnis weniger leisten kann.
Ablenkung durch Links
Links in digitalen Texten bedeuten Ablenkung. Das Gehirn springt an, und das Arbeitsgedächtnis wird belastet. Das Lernergebnis kann sinken. Links lenken sogar dann ab, wenn sie nicht angeklickt werden.
Überforderung bei komplexen Themen
Bei Internetrecherchen zu komplexen Themen kann es zu Überforderung kommen. Man müsste die Quellen auf Glaubwürdigkeit prüfen und vergleichen, was das Arbeitsgedächtnis belastet. Dann schaltet das Gehirn irgendwann in einen Stopp-Modus.
Die Analyse von Maryanne Wolf
Die Kognitions- und Literaturwissenschaftlerin Maryanne Wolf analysiert, dass man digital in der Regel über weite Teile hinweghuscht und den Text auf Schlüsselwörter abklopft. Dieses oberflächliche Scannen sei auf Geschwindigkeit angelegt, während das tiefe Eintauchen ins Geschriebene eher vom Papier gefördert werde. Sie warnt, dass sich das Gehirn durch die neuen digitalen Lesegewohnheiten daran gewöhnen könnte, flach und ungeduldig zu denken, und so einen Teil seiner Fähigkeit zur Analyse komplexer Fragen verlieren könnte.
Die Stavanger-Erklärung
In der "Stavanger-Erklärung" fordern mehr als 130 Experten, das analoge Lesen weiterhin zu fördern. Parallel sollten Schüler und Studenten lernen, auch am Bildschirm verständnisorientiert zu lesen.
Gehirn-Computer-Schnittstellen: Eine neue Ära der Kommunikation und Rehabilitation
Die Grundlagen von Gehirn-Computer-Schnittstellen
Gehirn-Computer-Schnittstellen (BCIs) basieren auf der Erkenntnis, dass das Gehirn elektrische Felder erzeugt, die auf der Kopfhaut gemessen werden können. Diese Felder stellen ein Abbild unserer Gedanken dar. Da bestimmte Gedanken mit charakteristischen Mustern einhergehen, kann man Computer lernen lassen, aus diesen Mustern Rückschlüsse auf unsere Gedanken zu ziehen.
Anwendungen von Gehirn-Computer-Schnittstellen
BCIs bieten Patienten mit beeinträchtigter Motorik eine alternative Form der Kommunikation. Sie könnten ALS-Patienten die Möglichkeit eröffnen, selbst im fortgeschrittenen Krankheitsstadium weiter an ihrer Umwelt teilzuhaben. Darüber hinaus finden BCIs zunehmend Verwendung in der Schlaganfall-Rehabilitation.
Was BCIs leisten können und was nicht
BCIs können verschiedene Arten von Gedanken erkennen, nicht aber deren genauen Inhalt. So ist z. B. erkennbar, ob der Benutzer gerade an ein Musikstück oder an eine Bewegung denkt, nicht aber, welches Musikstück er im Geiste hört oder wie die vorgestellte Bewegung aussieht. Dennoch kann dies zur Kommunikation verwendet werden, indem sich der Benutzer und der Computer auf eine gemeinsame Zuordnung von Gedanken und Absichten einigen.
Die Lernfähigkeit des Gehirns
Nach einer Trainingsphase können viele Menschen ihre Absichten dem Computer mitteilen, ohne explizit an verschiedene Tätigkeiten denken zu müssen. Ähnlich wie beim Fahrradfahren reicht die Intention aus, um das gewünschte Ziel zu erreichen.
Einschränkungen und Herausforderungen
Die Fähigkeit, eine BCI zu bedienen, variiert von Patient zu Patient. Während manche Nutzer nach einer Trainingsphase von wenigen Minuten mit einer hohen Zuverlässigkeit ihre Absicht dem System mitteilen können, erreichen andere selbst durch intensives Training keine zuverlässige Kommunikation. Mit fortschreitendem Verlauf der ALS kann die Fähigkeit, eine BCI zu bedienen, abnehmen.
Die Bedeutung von γ-Oszillationen
Die Mehrzahl der in der Forschung verwendeten BCIs basiert auf dem sensomotorischen Rhythmus (SMR), einer Komponente des elektrischen Feldes des Gehirns, die eng mit motorischen Prozessen verknüpft ist. Studien haben gezeigt, dass die Modulierbarkeit des SMR mit der Stärke von γ-Oszillationen korreliert, hochfrequenten Oszillationen, denen eine wichtige Rolle in der lokalen Informationsverarbeitung des Gehirns zugeschrieben wird.
BCIs in der Rehabilitation
BCIs finden zunehmend auch Verwendung in der Rehabilitation. Insbesondere die Kombination von BCIs mit Rehabilitations-Robotern scheint vielversprechend. Die Idee ist, dass bei Schlaganfall-Patienten mit motorischen Defiziten eine Bewegungsabsicht nicht zu der gewünschten Ausführung der Bewegung führt. BCIs können die beabsichtigte Bewegung erkennen und die betroffenen Gliedmaßen des Patienten mit Hilfe eines Roboters der Absicht des Patienten entsprechend bewegen.
Ethische Fragen und Datenschutz
Die Entwicklung von BCIs wirft ethische Fragen auf, insbesondere im Hinblick auf den Schutz neuronaler Daten und die Möglichkeit, Gedanken und Handlungen gezielt zu beeinflussen. Es wird zunehmend darüber diskutiert, wie mit Informationen umzugehen ist, die bisher unerreichbar waren.
Regulierung und Verbraucherschutz
Im Gegensatz zu klinischen BCIs, die strengen medizinischen Vorschriften und Datenschutzstandards unterliegen, ist der Konsumentenmarkt kaum reguliert. Es besteht die Gefahr, dass Unternehmen neuronale Informationen mit parallelen digitalen Datenströmen kombinieren und Rückschlüsse auf die psychische Gesundheit oder politische Überzeugungen einer Person ziehen, die verkauft und genutzt werden können, um Menschen zu diskriminieren oder zu manipulieren.
Der Weg in die klinische Anwendung
Obwohl die Entwicklung rasant voranschreitet, wurde bislang noch keine BCI für den allgemeinen klinischen Einsatz zugelassen. Fachleute erwarten, dass die ersten Zulassungen für Systeme im motorischen Kortex erfolgen, die Menschen mit schwerer Lähmung mehr Unabhängigkeit ermöglichen.
Die Zukunft der BCIs
Ein zentrales Ziel vieler Entwickler ist es, über den motorischen Kortex hinauszugehen und tiefer ins Gehirn vorzudringen, bis zu den Vorläufern der Gedanken im Unterbewusstsein. BCIs könnten eines Tages helfen, psychiatrische Erkrankungen zu diagnostizieren und zu behandeln.
KI als Gamechanger
KI spielt eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung von BCIs. Sie hilft, Signale von Rauschen zu trennen und unerwartete Signale innerhalb dessen zu offenbaren, was bisher als Rauschen im motorischen Kortex galt.
Neuromorphes Computing: Das Gehirn als Vorbild für intelligente Maschinen
Die Idee des neuromorphen Computing
Seit Langem ist das menschliche Denken Vorbild für die Entwicklung intelligenter Maschinen. Anstatt Neuronen und Synapsen per Software zu simulieren, setzen Chipentwickler auf neuromorphe Hardware, die die Humantechnologie nachbildet.
Die Architektur des Gehirns
Im Vergleich zu typischen künstlichen neuronalen Netzen ist das humane Vorbild ein Muster an kompakter Komplexität. Rund 100 Milliarden Neuronen arbeiten im Gehirn, jede dieser Nervenzellen ist über Synapsen mit 1.000, in manchen Fällen sogar bis zu einer Million anderen Neuronen verbunden.
Die Vorteile der parallelen Verarbeitung
Wie das Gehirn setzen die neuronalen Halbleiter auf parallele Verarbeitung. Es gibt keine Trennung von Speicher und Recheneinheit, diese Bausteine sind dezentral über alle Neuronen verteilt. Die Nervenzellen leiten Informationen in Form von elektrischen Signalen weiter, die als Aktionspotenziale oder Spikes bezeichnet werden.
Neuromorphe Chips in der Entwicklung
CPU-Hersteller bauen neuromorphe Designs. Intel hat ein System namens Pohoiki Beach vorgestellt, das Forschungseinrichtungen und Industriepartnern zur Verfügung steht und über 64 Loihi-Chips mit acht Millionen Neuronen verfügt. Im Rahmen des von der EU geförderten Human Brain Projects ist am Kirchhoff-Institut der Universität Heidelberg BrainScaleS entstanden, ein neuromorpher Computer, der die Zellen, Verbindungen und Kommunikation des Gehirns durch analoge und digitale Schaltungen imitiert.
Anwendungsmöglichkeiten für neuromorphe Chips
Neuromorphe Systeme spielen ihre Vorteile derzeit vor allem beim Maschinenlernen aus. Doch auch Endanwender profitieren von biologisch inspirierter Chiptechnik, etwa beim vernetzten Fahren oder bei der Optimierung von Fotos. Längst arbeiten in Spitzensmartphones sogenannte NPUs - neuronale Recheneinheiten, die auf Mustererkennung basierende Aufgaben selbstständig auch ohne Verbindung zur Servercloud bewältigen.
Neuroinspirierte Rechner
Forscher*innen nutzen aus, dass schwingende Magnetwirbel in Nano-Scheiben ähnliche Aktivitätsmuster zeigen können wie miteinander kommunizierende Nervenzellen im Gehirn. Mittels Ionenbestrahlung gelang es dem Team, die Scheiben so zu manipulieren, dass die Wirbel erstmals auf mehr als einer Frequenz Signale senden und empfangen können.
Das Human Brain Project: Eine ambitionierte Vision und ihre Herausforderungen
Das Ziel des Human Brain Project
Vor zehn Jahren startete mit dem Human Brain Project eines der ambitioniertesten Forschungsvorhaben Europas. In dem Projekt sollte eine komplette Computersimulation des menschlichen Gehirns gebaut werden.
Kritik und Neuausrichtung
Gleich zu Beginn war das Projekt heftiger Kritik ausgesetzt. 2014 bemängelten Hunderte Forschende in einem offenen Brief an die EU, das HBP sei methodisch zu eng fokussiert. Es kam zu einer inhaltlichen Verschiebung, und das HBP wurde fortan primär als ein Infrastrukturprojekt und nicht als Forschungsprojekt verstanden.
Erfolge des Human Brain Project
Das Projekt listet eine Reihe beeindruckender Ergebnisse auf, darunter personalisierte Gehirnmodelle von Menschen mit Epilepsie, ein Hirnimplantat, das den visuellen Kortex des Gehirns mit hoher Präzision elektrisch stimuliert, Erfolge in den Bereichen Künstliche Intelligenz und Robotik sowie der Gehirnatlas Julich-Brain. Zudem wurde die Plattform Ebrains geschaffen, die einen leicht zugänglichen Korpus an Daten und Tools zur Analyse und Modellierung aufbauen soll.
Herausforderungen und Kritik
Die wiederkehrende Kritik am Projekt erklärt HBP-Direktorin Katrin Amunts damit, zu Beginn sei der Simulationsansatz überbetont worden. Zudem sei der Einsatz von digitalen Methoden in der Neurowissenschaft vor zehn Jahren eher unüblich gewesen.
Die Zukunft von Ebrains
Ebrains soll im Rahmen von Espri, dem Europäischen Strategieforum für Forschungsinfrastrukturen, weiterlaufen.
tags: #die #macht #der #elektronik #gehirn