Das menschliche Gehirn ist ein faszinierendes Organ, dessen Funktionsweise und Plastizität immer wieder neue Erkenntnisse liefern. Besonders spannend sind die Forschungen zum Fremdsprachenlernen und dessen Auswirkungen auf die Gehirnstruktur sowie die Erkenntnisse über die Rolle des Darms bei neurodegenerativen Erkrankungen wie Parkinson. Dieser Artikel beleuchtet die aktuellen Forschungsergebnisse und zeigt, wie diese unser Verständnis von Gehirnfunktion und Krankheitsentstehung verändern.
Wie das Gehirn beim Fremdsprachenlernen arbeitet
Wissenschaftler der University of California in San Francisco haben untersucht, warum es für Erwachsene oft schwierig ist, eine neue Fremdsprache zu lernen. Dabei konnten Untersuchungen an Epilepsiepatienten helfen, die Mechanismen im Gehirn besser zu verstehen. Es ist schon lange bekannt, dass Fremdsprachenlernen das Gehirn trainiert und die Verbindung zwischen den Hirnhälften stärkt. Der Fremdsprachenerwerb fördert das Gedächtnis, die Konzentrationsfähigkeit und die Flexibilität für neue kognitive Herausforderungen.
Eine Langzeitstudie des Max-Planck-Instituts lieferte neue Erkenntnisse darüber, wie die linke und rechte Hirnhälfte beim Fremdsprachenerwerb zusammenarbeiten. Neurologen untersuchten knapp 60 Männer und Frauen aus Syrien, die in Deutschland einen Intensivsprachkurs absolvierten. Sechs Monate lang lernten sie fünf Tage pro Woche je fünf Stunden Deutsch. Dabei konnten die Experten beobachten, dass der Spracherwerb die Nervenverbindungen zwischen den Hirnhälften deutlich stärkte, insbesondere zwischen den Bereichen, die die Bedeutung und den Klang von Wörtern verarbeiten. In den Monaten drei bis sechs nahm die Verbindungsstärke zwischen den Gehirnhälften jedoch wieder ab.
Die Rollenverteilung der Hirnhälften
Bei der Sprachverarbeitung dominiert normalerweise die linke Hirnhälfte, während die rechte Hirnhälfte eine untergeordnete Rolle spielt und von der linken Hälfte sogar unterdrückt wird. Dies gilt jedoch hauptsächlich für die Muttersprache. Beim Fremdsprachenerwerb ermöglicht die Verringerung der Nervenverbindungen zwischen den Hälften, dass die rechte Hirnhälfte ihre Stärken voll ausspielen kann, ohne von der linken Hälfte gehemmt zu werden.
Sensitive Perioden und Plastizität
Narly Golestani vom Neuroscience Center der Universität Genf erklärt, dass es im Leben eines Menschen bestimmte sensitive Perioden gibt, in denen er eine Sprache leichter lernt, hauptsächlich in der frühen Kindheit. Aber auch zu anderen Zeitpunkten im Leben können Fremdsprachen erlernt werden. Die Bereitschaft des Gehirns zu lernen, die Plastizität, wechselt. Unter bestimmten Umständen können diese sensitiven Perioden länger offen gehalten werden, beispielsweise durch neue Inhalte, die das Gehirn stimulieren. Anhaltendes Lernen verändert molekulare Mechanismen im Gehirn, die dazu beitragen, das Gehirn plastisch zu halten.
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Unterschiede im Lernverhalten
Das Lernen von Sprachen hat verschiedene Aspekte. Manchen Menschen fällt die Aussprache leichter, anderen die Grammatik. Für eine gute Aussprache ist die Fähigkeit wichtig, Laute genau zu hören und zu unterscheiden. Babys können die Laute aller Sprachen viel besser hören als Erwachsene. Wer als Baby einer Fremdsprache ausgesetzt war, lernt diese später einfacher. Unterschiede in der Fähigkeit, Laute zu hören und zu unterscheiden, können auch auf Unterschiede in den zuständigen Hirnarealen zurückzuführen sein. Menschen, die Laute gut lernen können, haben oft einen größeren linken auditiven Cortex.
Die Regionen im Gehirn, die für die Bedeutung von Sprache zuständig sind, sind länger plastisch. Für Grammatik gibt es ebenfalls feste Zeitfenster, in denen wir sie einfacher lernen und verstehen, hauptsächlich in der Kindheit. Es gibt auch Unterschiede in der Art zu lernen. Manche Menschen lernen besser implizit, beispielsweise durch fremdsprachige Filme oder Auslandsaufenthalte, während andere besser explizit lernen, indem sie sich Regeln aneignen oder Vokabeln büffeln. Implizites Lernen dauert länger, ist aber nachhaltiger. Explizites Lernen führt schneller zu Erfolgserlebnissen, aber das Gelernte wird auch eher vergessen. Am besten eignet man sich eine fremde Sprache an, wenn man während des Lernens von Menschen umgeben ist, die diese Sprache sprechen.
Veränderungen im Gehirn durch intensives Sprachenlernen
Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Kognitions- und Neurowissenschaften in Leipzig haben untersucht, wie sich das Gehirn verändert, wenn Erwachsene eine neue Sprache lernen. Sie organisierten ein Intensivprogramm zum Erlernen der deutschen Sprache für syrische Flüchtlinge und analysierten den Lernfortschritt im Gehirn der Teilnehmenden mithilfe hochauflösender Magnetresonanztomographie (MRT). Über einen Zeitraum von sechs Monaten verglichen Xuehu Wei und das Forscherteam die Gehirnscans von 59 arabischen Muttersprachlern, die intensiv Deutsch lernten.
Die Bilder zeigten eine Verstärkung der Nervenverbindungen innerhalb des Sprachnetzwerks in der linken Gehirnhälfte sowie die Beteiligung zusätzlicher Regionen in der rechten Hemisphäre während des Zweitspracherwerbs. Die Konnektivität zwischen den Spracharealen in beiden Hemisphären nahm mit dem Lernfortschritt zu. Das Erlernen neuer Wörter stärkt die lexikalischen und phonologischen Teilnetze in beiden Hemisphären, insbesondere in der zweiten Hälfte der Lernphase, der Konsolidierungsphase. Interessanterweise zeigte die Studie eine Verringerung der Konnektivität zwischen den beiden Gehirnhälften, was darauf hindeutet, dass die sprachdominante linke Hemisphäre weniger Kontrolle über die rechte Hemisphäre ausübt.
Die dynamischen Veränderungen der Gehirnkonnektivität korrelierten direkt mit dem Lernfortschritt im Sprachtest des Goethe-Instituts. Dies unterstreicht die Bedeutung neuroplastischer Anpassungen des Netzwerks zur Verarbeitung der neu erlernten Sprache und die Nutzung von Regionen in der rechten Gehirnhälfte, die zuvor für die Sprachverarbeitung nicht genutzt wurden. Diese Studie veranschaulicht, wie sich das erwachsene Gehirn an neue kognitive Anforderungen anpasst, indem es die strukturelle Konnektivität innerhalb und zwischen den Hemisphären moduliert.
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Sprachmodule oder Allzwecksysteme?
Einige Neurolinguisten vertreten die Meinung, dass das menschliche Gehirn spezifische Sprachmodule hat, die nur im menschlichen Gehirn vorkommen. Eine andere Gruppe vertritt die neuere Meinung, dass Sprache wie ein Trittbrettfahrer auf bereits existierende Mechanismen zurückgreift, unabhängig davon, ob sich diese für die neuen Funktionen weiter spezialisiert haben oder nicht. Dieses deklarativ-prozedurale (DP)-Modell des Sprachenlernens sagt voraus, dass das Lexikon stark vom deklarativen und die Grammatik stark vom prozeduralen Gedächtnis abhängig ist.
Semantisches und prozedurales Gedächtnis
Das semantische Gedächtnis, eine Form des deklarativen Gedächtnisses, beinhaltet das bewusste Faktenwissen. Es speichert unser Wissen über die Welt und die Sprache und dient uns als mentales Lexikon. Das prozedurale Gedächtnis ist das Gedächtnis für unbewusste Bewegungsabfolgen wie Laufen oder Fahrradfahren.
Sprachforscher haben das DP-Modell in einer Metaanalyse von 16 Studien statistisch überprüft. Die Ergebnisse zeigen, dass die Fähigkeit, sich an die Wörter einer Sprache zu erinnern, davon abhängt, wie gut wir mit dem semantischen Gedächtnis lernen können. Die Grammatikfähigkeiten korrelieren bei Kindern, die ihre Muttersprache lernen, am stärksten mit dem Lernen des prozeduralen Gedächtnisses. Bei Erwachsenen, die eine Fremdsprache lernen, korrelieren die Grammatikfähigkeiten jedoch mit dem semantischen Gedächtnis in frühen Stadien des Fremdspracherwerbs, jedoch mit dem prozeduralen Gedächtnis in späten Stadien.
Die Ergebnisse zeigen, dass Menschen beim Sprachenlernen auf kognitive Allzwecksysteme angewiesen sind. Die Allgemeinheit dieser Systeme schließt jedoch nicht die gleichzeitige Existenz domänenspezifischer Substrate für die Sprache aus.
Die Rolle des Darms bei der Parkinson-Krankheit
Die faszinierende Welt des menschlichen Körpers offenbart immer wieder neue Geheimnisse, die unser Verständnis von Gesundheit und Krankheit grundlegend verändern. Eine der spannendsten Beobachtungen der vergangenen Jahre ist, wie intensiv der Darm und das Gehirn miteinander kommunizieren. Diese bidirektionale Kommunikation, als Darm-Gehirn-Achse bezeichnet, spielt eine entscheidende Rolle für unser Wohlbefinden und unsere Gesundheit. Der Darm, oft nur als „Verdauungshohlorgan“ betrachtet, ist tatsächlich ein „zweites Gehirn“, welches unsere Stimmung, unser Verhalten und sogar unser Risiko für die Entstehung und den Verlauf unterschiedlicher Krankheiten, so auch des Gehirns, entscheidend beeinflussen kann.
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Ein besonders spannendes Beispiel für die Bedeutung der Darm-Gehirn-Kommunikation liegt möglicherweise bei der Parkinson-Krankheit (PK) vor. Bei Betroffenen treten Symptome im Verdauungssystem wie Völlegefühl, Übelkeit oder Obstipation sehr häufig bereits bis zu zehn Jahre früher auf als die ersten für die PK typischen Symptome wie Bewegungsverlangsamung, Muskelsteifigkeit oder Zittern bemerkt werden. Diese zeitliche Abfolge der Symptome legt die Vermutung nahe, dass der Darm eine wichtige Rolle bei der Krankheitsentstehung spielen könnte.
Die „Body-First“-Hypothese
Solche Zusammenhänge führten zur Annahme, dass die PK im Darm beginnt („body first“-Hypothese) und sich vom Darm aus in das Gehirn ausbreitet. Ein Erklärungsmodell postuliert, dass es bei der PK zu Veränderungen in der Zusammensetzung von Darmbakterien (Mikrobiom) bzw. des bakteriellen Stoffwechsels kommt und die damit verbundene entzündliche Veränderung in der Darmschleimhaut eine Initialzündung für die PK darstellen könnte.
Die gemeinsame Forschung von Gastroenterologen und Neurologen konzentriert sich nun darauf, besser zu verstehen, welche Bakterien im Darm zur Entstehung der PK beitragen können und wie ihre Stoffwechselprodukte zuerst das Darmnervensystem oder über den Blutkreislauf das Gehirn schädigen können.
Klinische Forschungsgruppe in Erlangen
Diesen innovativen Konzepten widmet sich die neu eingerichtete klinische Forschungsgruppe „Schaltstellen der Darm-Gehirn-Kommunikation bei entzündlichen und neurodegenerativen Erkrankungen“ (GB.Com). Ziel dieser Forschungsgruppe ist es, ein tieferes Verständnis der Mechanismen zu entwickeln, die der Interaktion zwischen Darm und Gehirn zugrunde liegen und wie diese unsere Gesundheit beeinflussen können. Das Verständnis dieser komplexen Interaktionen könnte zu innovativen Therapien führen, die auf die Modulation des Darmmikrobioms abzielen, um neurologische Erkrankungen wie die PK bereits in ihrer Entstehung zu verhindern oder in ihrem Verlauf positiv zu verändern.
Dies würde einen Paradigmenwechsel in der Behandlung der PK darstellen: weg von traditionellen medikamentösen Therapien hin zu einer ganzheitlichen Betrachtungsweise, die Ernährung, Lebensstil und möglicherweise probiotische Interventionen einbezieht.
Digitale Versorgungsmodelle bei Parkinson
Betroffene mit der PK stehen vor vielen Herausforderungen im Alltagsleben. Eine sich langsam reduzierende Bewegungsfähigkeit, Stürze oder Freezing (ein Einfrieren beim Gehen) sind ständige Begleiter dieser Erkrankung. Die PK ist nach der Alzheimer-Krankheit die zweithäufigste neurodegenerative Erkrankung weltweit.
In der Sprechstunde der Molekularen Neurologie für Bewegungserkrankungen am Uniklinikum Erlangen wurde mit ParkinsonGo TM ein innovatives digitales Versorgungskonzept für Parkinson-Erkrankte entwickelt, in zahlreichen Studien erprobt und nun in die klinische Versorgung überführt. ParkinsonGo TM setzt auf einen hybriden Versorgungsansatz: Dieser besteht aus einer Kombination aus Kl-gestützter Ganganalyse und intensiver Betreuung durch speziell ausgebildete Parkinson-Telenurses. Ziel ist es, durch digital-unterstützte Technologien und Fern-Monitoring den Krankheitsverlauf zu verlangsamen, die Mobilität und die Selbstständigkeit zu erhalten sowie die Lebensqualität von Betroffenen zu verbessern.
Dazu tragen die Patientinnen und Patienten kleine Bewegungssensoren an ihren Schuhen. Eine Smartphone-App analysiert die Gangqualität und erfasst Symptommuster und alltägliche Herausforderungen. Intelligente Algorithmen leiten daraus personalisierte Handlungsempfehlungen ab, darunter gezielte physiotherapeutische Übungen sowie Tipps zum Umgang mit der Erkrankung. ParkinsonGo TM fördert somit die Beweglichkeit und die Sicherheit der Betroffenen im täglichen Leben.
Mehrwert für Neurologen
Für die behandelnden Neurologinnen und Neurologen besteht der Mehrwert von Parkinson Go TM vor allem in der Unterstützung der Therapieplanung. Über die enge Zusammenarbeit mit den Parkinson-Telenurses sowie über ein sicheres Webportal erhalten die Ärztinnen und Ärzte einen präzisen und individuellen Einblick in Gangqualität, Symptommuster und Wohlbefinden, die den Gesundheitszustand ihrer Patientinnen und Patienten im Alltag auf einen Blick widerspiegeln. Diese Informationen ermöglichen eine objektive Darstellung des Krankheitsverlaufes und der therapeutischen Wirkung, wodurch eine schnellere, zielgerichtete und individualisierte Anpassung der Therapie an das sich teils rasch ändernde motorische Profil ermöglicht wird.
ParkinsonGo TM ist seit Januar 2024 mit der Erstattung durch Krankenkassen in der Versorgung angekommen. Mit dem dahinterstehenden Medizinprodukthersteller und dem Lehrstuhl für Maschinelles Lernen und Datenanalytik wird derzeit an der Vorhersage des individuellen Sturzrisikos sowie an der Vermeidung von Freezing-Episoden mittels Kl geforscht. Für chronische Erkrankungen wie die PK besteht die Zukunft der Versorgung aus derartigen hybriden Modellen. Dabei werden digitale Technologien und persönliche Tele-Betreuung angewandt, um Patientinnen und Patienten sowie deren Angehörige durch ein gezieltes und individualisiertes Management zu unterstützen.
Genetische Risikofaktoren für Parkinson
Tübinger Neurowissenschaftler haben gemeinsam mit internationalen Kollegen sechs bisher unbekannte genetische Risikofaktoren für die Parkinson-Erkrankung identifiziert. Die Basis der weltweit größten Meta-Analyse bildeten sieben Millionen genetische Variationen auf dem gesamten menschlichen Chromosomensatz. Dafür untersuchten die Forscher DNA-Proben von 19.061 Parkinson-Patienten und 100.833 gesunden Personen europäischer Abstammung.
Die Ergebnisse zeigen, dass sich das Risiko, an Parkinson zu erkranken, bei Vorhandensein mehrerer ungünstiger Genvarianten bis auf ein Dreifaches erhöhen kann. Insgesamt konnten die Tübinger Forscher 28 Risikofaktoren in 24 verschiedenen Genen identifizieren, darunter auch die sechs neuen Risikogene. Eine der neu entdeckten Varianten hat Einfluss auf die Produktion wichtiger Botenstoffe im Gehirn, wie beispielsweise Dopamin. Bei Parkinson führt das Absterben der Dopamin produzierenden Nervenzellen in der Substantia nigra im Mittelhirn zu den charakteristischen Bewegungsstörungen.
Individuelles Risikoprofil
In einer weiteren Analyse haben die Neurowissenschaftler ein individuelles Risikoprofil für jeden Probanden erstellt. Obwohl die Wirkung jedes einzelnen Gens gering war, zeigte die Risikoprofil-Analyse, dass ein wesentliches kumulatives Risiko besteht. Das heißt, dass für Personen, die die höchste Anzahl an Risikofaktoren haben, ein bis zu dreifach höheres Erkrankungsrisiko bestehen kann. Ein einzelnes Risikogen reicht jedoch nicht aus, um die Erkrankung definitiv vorherzusagen. Darüber hinaus untersuchen die Tübinger derzeit, ob die spezifische Zusammensetzung der entdeckten genetischen Risikofaktoren bei Parkinson-Patienten auch Auswirkungen auf den spezifischen Krankheitsverlauf hat.
Kognitive Reserve und Widerstandsfähigkeit des Gehirns
Menschen mit hoher kognitiver Reserve gehen oft besser mit neurodegenerativen Erkrankungen wie Alzheimer und Parkinson um. Die sogenannte Reserve beschreibt die Fähigkeit des Gehirns, trotz fortgeschrittener Hirnveränderungen weniger Symptome zu zeigen. Gut vernetzte Strukturen sind widerstandsfähiger und lassen sich über das Leben hinweg aufbauen. Studien zeigen, dass Menschen mit hoher Reserve oft über viele Jahre besser mit der Erkrankung umgehen können.
Um das eigene Gehirn langfristig zu schützen, spielen Bewegung, Bildung und geistige Abwechslung eine zentrale Rolle.
Lernen durch Versuch und Irrtum und die Rolle von Dopamin
Beim Lernen ist nicht jeder gleich: Manche Menschen achten stärker darauf, welche Handlungen zum Erfolg führen, andere werden eher aus Schaden klug. Forschern gelang es erstmals, das Lernverhalten von Testpersonen durch gezielte Magnetstimulation zu verändern. Probanden, deren Gehirn durch Anlegen einer Magnetspule an der linken Schläfe stimuliert wurde, lernten in einem Lernspiel besonders gut Verhaltensweisen, die zu Erfolgen führen. Wer dagegen rechtsseitig stimuliert worden war, lernte vor allem, Misserfolge zu vermeiden.
Studien der letzten Jahre zeigten, dass der Botenstoff Dopamin dabei eine zentrale Rolle spielt. Ein Übermaß an Dopamin im Gehirn führt dazu, dass Menschen aus Misserfolgen nicht mehr richtig lernen. Bei Parkinson-Patienten, die über zuwenig Dopamin verfügen, tritt der umgekehrte Effekt auf - sie lernen noch gut, welche Handlungen zu vermeiden sind, haben aber Probleme dabei, erfolgreiche Verhaltensweisen zu verinnerlichen.
Transkranielle Magnetstimulation
In einer aktuellen Studie erprobten Forscher, wie sich transkranielle Magnetstimulation auf Lernprozesse auswirkt. Bei diesem Verfahren wird eine Spule an die Kopfoberfläche angelegt, die magnetische Impulse aussendet. „Die Nervenzellen in den darunterliegenden Hirnregionen können so kurzzeitig angeregt werden, wodurch Botenstoffe ausgeschüttet werden“, erklärt der Erstautor der Studie. Im Experiment stimulierten die Forscher entweder die linke oder die rechte Seite der präfrontalen Hirnrinde der Probanden.
Die Magnetstimulation hat die Probanden offenbar dazu gebracht, beim Lernen entweder erfolgsorientierter oder vermeidungsorientierter vorzugehen. Die fMRT-Messungen ergaben bei den linksseitig stimulierten Testpersonen erhöhte Aktivität in einer Region der Basalganglien, die daran beteiligt ist, erwartete und tatsächliche Ergebnisse von Handlungen miteinander abzugleichen. „Wir wussten bereits, dass es bei einer Anregung dieses Bereiches zu einer verstärkten Ausschüttung von Dopamin kommt“, erklärt der Forscher.
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