Die Hirnforschung hat in den letzten Jahren 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/innen von großer Bedeutung, da sie ihnen helfen, Lern- und Bildungsprozesse besser zu verstehen und effektiver zu gestalten.
Die Anatomie des Gehirns
Das Gehirn eines Erwachsenen wiegt durchschnittlich 1.245 g bei Frauen und 1.375 g bei Männern. Der größte Teil des Gehirns ist das Großhirn, das aus zwei Hälften (Hemisphären) besteht, die durch den Balken (Corpus callosum) miteinander verbunden sind. Die linke Hirnhälfte ist für Sprache, Denkprozesse, Mathematik und Logik zuständig, während die rechte Hirnhälfte für visuell-räumliche Wahrnehmung, Gefühle, Kreativität, Fantasie, Kunst und Musik zuständig ist.
Die Hirnlappen haben spezifische Funktionen:
- Stirnlappen: Kontrolliert Motorik (inklusive Sprechen), grammatikalische Sprachverarbeitung (Broca-Areal), Bewusstsein, Gedanken, Gefühle, Stimmungen, kognitive Prozesse (Konzentration, Denken, Planen, Urteilen, Entscheiden), Kurzzeit-/Arbeitsgedächtnis, Willen und Persönlichkeit. Umfasst etwa 25% der Gehirnmasse.
- Scheitellappen: Zuständig für selektive Aufmerksamkeit, Integration sensorischer Informationen, räumliche Orientierung, visuelle Steuerung von Bewegungen, räumliches Denken, Geometrie, Rechnen und Lesen.
- Schläfenlappen: Verantwortlich für Hören, Wortverständnis, Musik und auditive Informationen (Wernicke-Zentrum). Hier befindet sich das Sprach- bzw. lexikalische Wissen.
- Insellappen: Zuständig für Riechen, Schmecken, Körperempfindungen (Hunger, Durst, Schmerz, Blasendruck) und andere Gefühle.
Neben dem Großhirn gibt es weitere wichtige Bereiche:
- Kleinhirn: Steuert unbewusst die Muskulatur, hält den Körper im Gleichgewicht, koordiniert Bewegungen und automatisiert Bewegungsabläufe.
- Zwischenhirn: Umfasst Thalamus (Filter für sensorische Informationen, "Tor zum Bewusstsein") und Hypothalamus (Steuerzentrum des vegetativen Nervensystems, Kontrolle lebenswichtiger Funktionen).
- Hirnstamm: Ältester Bereich des Gehirns, umfasst Mittelhirn (Umschaltstelle für Nervenerregungen), Brücke (Umschaltstation zwischen Hirnhälften) und verlängertes Rückenmark (Steuerung grundlegender Funktionen wie Herzfrequenz, Atmung und Blutkreislauf).
Die zelluläre Zusammensetzung des Gehirns
Das Gehirn besteht aus rund 100 Milliarden Nervenzellen (Neuronen), die über 100 Billionen Synapsen (Kontaktstellen) miteinander kommunizieren. Jede Nervenzelle ist durchschnittlich mit 1.000 anderen Neuronen verbunden. Neuronen haben Axone (zur Weiterleitung von Signalen) und Dendriten (zum Empfang von Signalen).
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Die Kommunikation zwischen Neuronen erfolgt durch elektrische Signale innerhalb der Nervenzelle und durch den Austausch von Neurotransmittern (komplexe Aminosäuren wie Serotonin, Endorphin, Dopamin, Adrenalin) zwischen den Neuronen über die Synapsen. Die Neurotransmitter werden freigesetzt, überqueren den synaptischen Spalt und werden von den Rezeptoren der Synapse eines Dendrits aufgenommen und wieder in einen elektrischen Impuls umgewandelt.
Neben Neuronen gibt es Gliazellen, die etwa die Hälfte der Masse des Gehirns ausmachen und 10-mal häufiger vorkommen als Nervenzellen. Gliazellen bilden ein Stützgerüst für die Neuronen, sind am Stoff- und Flüssigkeitstransport im Gehirn beteiligt und umhüllen die Axone segmentweise mit einer Myelinschicht, die für die elektrische Isolation der Nervenzellen sorgt. Nach neuesten Erkenntnissen sind Gliazellen auch an der Informationsverarbeitung, am Lernen und an höheren Denkprozessen beteiligt.
Informationsverarbeitung im Gehirn
Eindrücke und Wahrnehmungen werden in spezialisierten Teilregionen des Gehirns (primäre Assoziationsareale) verarbeitet und in größeren Bereichen des Gehirns interpretiert und miteinander verknüpft (sekundäre Assoziationsareale). Gedächtnisprozesse spielen eine wichtige Rolle bei der Interpretation und Verknüpfung von Informationen.
Nicht alle Eindrücke und Wahrnehmungen werden im Gehirn gespeichert. Das Gehirn wählt aus, ignoriert Bekanntes, unterscheidet Wichtiges von Unwichtigem, bildet Kategorien, Muster und Hierarchien, ordnet Ereignisse in sinnvollen Sequenzen, stellt Beziehungen zu anderen Daten her und fügt neu Gelerntes in bereits abgespeichertes Wissen ein. 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.
Die Entwicklung des Gehirns
Die Entwicklung von Gehirn und Nervensystem beginnt beim Embryo mit der 3. Schwangerschaftswoche. Aus dem Neuralrohr entstehen Gehirn und Rückenmark. 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.
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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.
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.
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.
Faktoren, die die Entwicklung des Gehirns beeinflussen
Während der gesamten Schwangerschaft sind die neuronalen Strukturen äußerst empfindlich und damit anfällig gegenüber äußeren Einflüssen. Alkoholkonsum, Rauchen, Strahlung, Jodmangel und bestimmte Erkrankungen der Mutter, wie beispielsweise Infektionskrankheiten können zu einer Schädigung des sich entwickelnden Nervensystems führen. Auch Medikamente sollten nur nach Absprache mit dem Arzt eingenommen werden, um eventuelle negative Auswirkungen auf den Embryo zu verhindern.
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Schon im Mutterleib nimmt das Gehirn des Ungeborenen Informationen auf. So geht man davon aus, dass durch das Wahrnehmen der Sprache der Eltern das Erlernen der Muttersprache schon vor der Geburt geprägt wird.
Mit der Geburt ist die Entwicklung von Gehirn und Nervensystem noch lange nicht abgeschlossen. Zwar sind zu diesem Zeitpunkt bereits die große Mehrheit der Neuronen, etwa 100 Milliarden, im Gehirn vorhanden, sein Gewicht beträgt dennoch nur etwa ein Viertel von dem eines Erwachsenen. Die Gewichts- und Größenzunahme des Gehirns im Laufe der Zeit beruht auf der enormen Zunahme der Verbindungen zwischen den Nervenzellen und darauf, dass die Dicke eines Teils der Nervenfasern zunimmt. Das Dickenwachstum ist auf eine Ummantelung der Fasern zurückzuführen. Dadurch erhalten sie die Fähigkeit, Nervensignale mit hoher Geschwindigkeit fortzuleiten.
Die Rolle von GABA bei der Hirnreifung
Wissenschaftler aus Jena und Tübingen konnten erstmals die Funktion des Neurotransmitters GABA im lebenden Organismus messen und veröffentlichten ihre Ergebnisse jetzt im Fachjournal Nature Communications. Sie belegen, dass der im erwachsenen Gehirn hemmend wirkende Botenstoff die unreifen Nervenzellen in der frühen Hirnentwicklung aktiviert.
Die Neurowissenschaftler waren sich nicht einig: Ändert sich der Wirkungscharakter des Botenstoffes GABA (Gamma-Aminobuttersäure) mit der Reifung des Gehirns? Anhand von Gewebeschnitten hatten sie bereits vor Jahrzehnten herausgefunden, dass GABA unreife Nervenzellen im sich entwickelnden Gehirn aktiviert. Im erwachsenen Hirn hingegen hemmt GABA die Nervenzellaktivität und moduliert auf diese Weise eine Vielzahl neuronaler Prozesse, das war schon länger bekannt.
PD Dr. Knut Kirmse und Prof. Dr. Knut Holthoff von der Klinik für Neurologie des Uniklinikums Jena konnten diese Zweifel jetzt aus- räumen. Hierfür schauten sie neu- geborenen Mäusen beim Denken zu: In Kooperation mit Kollegen von der Universität Tübingen untersuchten sie mittels spezieller Kalzium-Bildgebungstechniken so- wie elektrophysiologischer Messungen die Signalprozesse in der Sehrinde von 3-4 Tage alten Tieren. „Damit konnten wir erstmals die depolarisierende, also aktivierende Wirkung von GABA auf die unreifen Nervenzellen im intakten Organismus nachweisen“, erklärt Knut Holthoff. ‚Denken‘ ist dafür aber der falsche Begriff, denn die Tiere können in dem Alter noch nicht sehen oder auf optische Reize reagieren. Was die Wissenschaftler messen, ist vielmehr spontane Aktivität.
Dabei vereint der Neurotransmitter GABA zwei gegensätzliche Prinzipien: Aktivierung und Hemmung. „GABA depolarisiert zwar die Neuronen, ist aber nicht imstande Aktionspotentiale auszulösen. Auf diese Weise wird eine überbordende Netzwerkaktivität vermieden“, so Holthoff. Diese Ergebnisse der Jenaer Neurowissenschaftler tragen zu einem besseren Verständnis der neurobiologischen Reifungsprozesse bei. Sie haben aber auch Bezug zu klinischen Fragestellungen.
Die späte Reifung des Gehirns in der Adoleszenz
Die Forschung hat gezeigt, dass das Gehirn auch nach der Kindheit noch einen drastischen Wachstums- und Reorganisationsschub durchläuft, der jenem im Embryo- und Babyalter ähnelt. Ab dem sechsten Lebensjahr sprießen unzählige neue Verbindungen zwischen den Nervenzellen. Ähnlich wie es im Gehirn nach der Geburt geschieht, beginnt der Körper, die neu gesprossenen Nervenbahnen wieder vehement auszudünnen und die überlebenden mit der fettreichen Substanz Myelin zu isolieren. „Das Gehirn bekommt weniger, aber dafür schnellere Verbindungen“, fasst Giedd zusammen.
Diese Umbauarbeiten im Gehirn könnten das Verhalten von Teenagern erklären, etwa warum sie so oft tollkühn und unbedacht handeln. Zwischen dem Ende der Kindheit und dem Ende der Jugend steigt die Todesrate unter Heranwachsenden um ein Vielfaches, wobei Krankheiten daran wenig Schuld tragen.
Hormone spielen ebenfalls eine Rolle, da Östrogene und Testosteron die Körper der Heranwachsenden überfluten und die Emotionen aufwirbeln. Es scheint jedoch, als ob das Gehirn bei diesem wilden Treiben eine Komplizenrolle übernähme, da seine Umbauarbeiten just vor der Pubertät beginnen und sich vermutlich bis deutlich jenseits des 20. Geburtstags hinziehen.
Die Bedeutung der Synapsenbildung und -eliminierung
Im Gehirn nimmt die Anzahl der Verbindungen zwischen den Nervenzellen, die Synapsen, in den ersten 3 Lebensjahren rasant zu. In dieser Zeit entsteht das hochkomplexe neuronale Netz, in dem jede Nervenzelle mit Tausenden anderer Neurone verbunden ist. Mit 2 Jahren haben Kleinkinder so viele Synapsen wie Erwachsene und mit 3 Jahren sogar doppelt so viele. Diese Zahl bleibt dann etwa bis zum zehnten Lebensjahr konstant. In den darauffolgenden Jahren verringert sich die Zahl der Synapsen wieder um die Hälfte. Ab dem Jugendalter treten bei der Zahl der Synapsen keine größeren Veränderungen mehr auf.
Die große Zahl der Synapsen bei 2 bis 10-Jährigen ist ein Zeichen für die enorme Anpassungs- und Lernfähigkeit der Kinder in diesem Alter. Art und Anzahl der sich formenden und bestehen bleibenden Synapsen hängen mit speziellen erlernten Fertigkeiten zusammen. Bei der weiteren Entwicklung des Gehirns treten dann andere Dinge in den Vordergrund. Die wenig benutzten und offenbar nicht benötigten Verbindungsstellen werden abgebaut, die anderen Nervenfasern zwischen den Neuronen dagegen intensiver genutzt. Das ist der Grund für den Abbau der Synapsen ab dem 10. Lebensjahr um die Hälfte.
Die Auswirkungen von Schicksalsschlägen auf die Hirnreifung
Schicksalsschläge oder schwierige Umstände können die biologische Reifung beschleunigen, während sie für gut behütete Gruppen eher langsamer verläuft. Es ist auch evolutionär sinnvoll, dass es da einen Zusammenhang gibt.