Die komplexe Beziehung zwischen Hippocampus und Motorik: Ein umfassender Überblick

Einführung

Das Gehirn, eine faszinierende und komplexe Struktur, steuert eine Vielzahl von Funktionen, von denen die Motorik und das Gedächtnis von besonderem Interesse sind. Der Hippocampus, eine Hirnregion, die traditionell mit dem Gedächtnis in Verbindung gebracht wird, zeigt zunehmend eine enge Verbindung zur Motorik. Dieser Artikel beleuchtet die Struktur und Funktion des Gehirns, die Entwicklung des Gehirns bei Kindern, die neuronalen Prozesse, die dem Lernen zugrunde liegen, und insbesondere die Rolle des Hippocampus im Zusammenhang mit der Motorik.

Die Struktur des Gehirns

Das menschliche Gehirn wiegt durchschnittlich 1.245 g bei Frauen und 1.375 g bei Männern. Das Großhirn, der größte Teil des Gehirns, ist in zwei Hemisphären unterteilt, die durch den Balken (Corpus callosum) miteinander verbunden sind. Die linke Hemisphäre ist primär für Sprache, symbolisches Denken und Sequenzierung (Mathematik, Musik) zuständig, während die rechte Hemisphäre visuell-räumliche Wahrnehmung, Emotionen, Kreativität, Vorstellungskraft und Körperkoordination steuert. Zum Großhirn gehört auch das limbische System, das für emotionale Reaktionen wie Wut und Angst verantwortlich ist.

Das Kleinhirn, das ebenfalls aus zwei Hemisphären besteht, steuert unbewusst die Muskulatur, Motorik, Körperhaltung (Gleichgewicht) und räumliche Orientierung. Es erhält über die Brücke willkürliche Bewegungsimpulse aus dem Großhirn. Das Zwischenhirn umfasst den Thalamus, der sensorische Informationen filtert und an spezialisierte Bereiche des Gehirns weiterleitet, und den Hypothalamus, der lebenswichtige vegetative Funktionen wie Wärme-, Wasser- und Energiehaushalt steuert. Der Hirnstamm kontrolliert Atmung, Blutkreislauf, Aufmerksamkeit und Schlaf, während das verlängerte Mark automatisch ablaufende Vorgänge wie Herzschlag und Reflexe steuert.

Das Gehirn besteht aus etwa 100 Milliarden Nervenzellen (Neuronen), die über 100 Billionen Synapsen (Kontaktstellen) miteinander kommunizieren. Jede Nervenzelle hat ein Axon, das Nachrichten sendet (Output), und Dendriten, die Botschaften von anderen Nervenzellen empfangen (Input). Die Kommunikation zwischen den Neuronen erfolgt durch den Austausch von Neurotransmittern (komplexe Aminosäuren wie Serotonin, GABA, Dopamin, Adrenalin usw.) bzw. von Ionen (elektrisch geladene Atome oder Moleküle) in den Synapsen. Das Gehirn produziert hierzu rund 20 Watt an Elektrizität und benötigt viel Energie - beim Erwachsenen etwa 18 % des täglichen Kalorienbedarfs, bei Kleinkindern sogar bis zu 50 %.

Die Rolle der Hirnlappen

Das Großhirn ist in vier Hauptlappen unterteilt:

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• Stirnlappen (Frontallappen): Kontrolliert Motorik, Sprache (Broca-Areal), Bewusstsein, Gedanken, Gefühle, Stimmungen, kognitive Prozesse (Konzentration, Denken, Planen, Urteilen, Entscheiden), Kurzzeitgedächtnis, Willen und Persönlichkeit.
• Scheitellappen (Parietallappen): Zuständig für selektive Aufmerksamkeit, Integration sensorischer Informationen, räumliche Orientierung und visuelle Steuerung von Bewegungen. Hier sind räumliches Denken, Geometrie, Rechnen und Lesen verortet.
• Schläfenlappen (Temporallappen): Verantwortlich für Hören, Wortverständnis, Musik und andere auditive Informationen (Wernicke-Zentrum).
• Insellappen: Zuständig für Riechen, Schmecken, Körperempfindungen (Hunger, Durst, Schmerz, Blasendruck) und andere Gefühle.
• Hinterhauptslappen (Okzipitallappen): Verarbeitung visueller Informationen.

Die Hirnlappen enthalten primäre und sekundäre Assoziationsareale. Primäre Areale haben direkte Nervenverbindungen zu den Sinnesorganen, während sekundäre Assoziationsareale über Parallelfasern miteinander verknüpft sind und bewusst oder unbewusst erlerntes Wissen speichern.

Entwicklung des Gehirns bei Kindern

Beim Fötus entwickelt sich im Gehirn zunächst eine große Anzahl von Neuronen, von denen ein Großteil vor der Geburt wieder abgebaut wird. Neugeborene starten mit 100 Milliarden Neuronen (gleiche Anzahl wie bei Erwachsenen), die aber noch klein und wenig vernetzt sind. Dementsprechend beträgt das Gewicht des Gehirns nur ein Viertel des Gewichts eines Erwachsenen. In den ersten drei Lebensjahren nimmt die Zahl der Synapsen rasant zu - eine Gehirnzelle kann bis zu 10.000 ausbilden. Mit zwei Jahren entspricht die Menge der Synapsen derjenigen von Erwachsenen, mit drei Jahren hat ein Kind bereits doppelt so viele (200 Billionen). Diese Anzahl bleibt dann bis zum Ende des ersten Lebensjahrzehnts relativ konstant. Bis zum Jugendalter wird rund die Hälfte der Synapsen wieder abgebaut, bis die für Erwachsene typische Anzahl von 100 Billionen erreicht wird.

Verbunden mit diesem rasanten Wachstum von Synapsen ist eine rasche Gewichtszunahme des Gehirns: von 250 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 doppelt so hohe Zahl von Synapsen erklärt auch, wieso das Gehirn eines Dreijährigen mehr als doppelt so aktiv ist wie das eines Erwachsenen. Außerdem enthalten die Gehirne von (Klein-) Kindern größere Mengen bestimmter Neurotransmitter. Sie haben einen fast doppelt so hohen Glukoseverbrauch (Traubenzuckerverbrauch) wie die Gehirne von Erwachsenen, benötigen also mehr Energie.

Die Ausbildung von doppelt so viel Synapsen wie letztlich benötigt werden 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 Instinkten 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.

Die Überproduktion von Synapsen in den ersten wenigen Lebensjahren ermöglicht das schnelle Erlernen ganz unterschiedlicher Verhaltensweisen, Sprachen, Lebensstile usw. Ein großer Teil der weiteren Gehirnentwicklung bei Kindern besteht dann darin, die für ihre Lebenswelt nicht relevanten Synapsen abzubauen und die benötigten Bahnen zwischen Neuronen zu intensivieren. So bestimmt letztlich die Umwelt - das in ihr Erfahrene, Gelernte, Erlebte, Aufgenommene - zu einem großen Teil die Struktur des Gehirns.

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Die skizzierte Entwicklung setzt sich dann bis zum Tode des Menschen fort: Unbenötigte Synapsen werden eliminiert, häufig benutzte verstärkt. Zugleich werden aber immer wieder neue Synapsen gebildet, insbesondere im Rahmen von Gedächtnisprozessen. Die Überproduktion und Selektion von Synapsen erfolgen in verschiedenen Regionen des Gehirns mit unterschiedlicher Geschwindigkeit und Intensität; sie erreichen ihren Höhepunkt zu jeweils anderen Zeiten. Beispielsweise wird in den Hinterhauptslappen, die für die visuelle Wahrnehmung zuständig sind, die höchste Dichte von Synapsen schon in den ersten Lebensmonaten erreicht. Hingegen ist das Wachstum in den Stirnlappen (Planen von Handlungen, Urteilsvermögen, Aufmerksamkeit) zwischen dem 3. und 6. Lebensjahr am größten.

Entwicklungsfenster und kritische Phasen

In diesem Zusammenhang wird oft von "Entwicklungsfenstern" oder "kritischen Phasen" gesprochen, in denen das Gehirn für bestimmte Lernerfahrungen besonders empfänglich sei, da dann die relevanten Synapsen ausgewählt und miteinander verknüpft, also die entsprechenden Regionen des Gehirns strukturiert würden. Werden diese Perioden verpasst, könnte ein Kind im jeweiligen Bereich kaum noch dieselbe Leistungsfähigkeit erreichen wie andere. Beispielsweise dauert die "sensible Phase" für den Spracherwerb bis zum 6. oder 7. Lebensjahr. Das Baby kann schon alle Laute jeder Sprache dieser Welt unterscheiden, das Kleinkind alle Phoneme korrekt nachsprechen. Innerhalb weniger Lebensjahre werden aber die Synapsen eliminiert, die diese Leistung ermöglichen, aber nicht benötigt werden, da sich das Kind in der Regel ja nur eine Sprache mit einer sehr begrenzten Zahl von Phonemen aneignet. Deshalb kann ab dem Schulalter, insbesondere ab der Pubertät, eine neue Sprache nicht mehr perfekt erlernt werden.

Dieses Beispiel verdeutlicht aber auch, dass das Konzept der "kritischen Phasen" nicht überbetont werden darf. Sonst wird im jeweiligen Bereich die Lernfähigkeit des Menschen außerhalb der sensiblen Periode unterschätzt - das Schulkind oder der Erwachsene kann eben doch eine zweite, dritte oder vierte Sprache lernen, wenn auch zumeist nur mit einem (leichten) Akzent. Allerdings fällt das Erlernen bestimmter Kompetenzen (neben der Sprache z.B. Erst im Alter von drei, vier Jahren kann auf das Gedächtnis zurückgegriffen werden. Erfahrungen und Erlebnisse aus den ersten Lebensjahren können noch nicht so in das Langzeitgedächtnis abgespeichert werden, dass sie auch wieder aufgerufen werden können. So gibt es keine Erinnerungen an die ersten drei, vier Lebensjahre (infantile Amnesie) und nur wenige an das 5. und 6. Etwa ab vier Jahren verbessert sich allmählich die Kommunikation zwischen linker und rechter Hemisphäre. Dies ermöglicht die Integration der analytischen und der intuitiven Seite des Kindes. Mit sechs Jahren beginnt eine neue Phase intellektueller Reife: Da sich das Kind zunehmend selbst beherrschen, die eigenen Gefühle kontrollieren und die Bedürfnisbefriedigung herausschieben kann, kann es sich besser konzentrieren und zielgerichtet lernen. Ab dem 10. Lebensjahr gewinnt dann das Prinzip des "Use it or loose it" (Benutze es oder verliere es) eine überragende Bedeutung: Das Gehirn wird optimiert, d.h. diejenigen Synapsen, die häufig gebraucht werden, bleiben erhalten; die anderen werden eliminiert. Während in den ersten zehn Lebensjahren das Lernen leicht und sehr schnell vonstatten geht - insbesondere wenn es in die jeweiligen sensiblen Phasen fällt -, verlangt es in den folgenden Jahren immer mehr Anstrengung. Es gibt immer weniger überzählige, unbenutzte Synapsen; die Bahnen, in denen der Jugendliche oder Erwachsene denkt, sind in der Kindheit bereits grob festgelegt worden. Gänzlich neue Verbindungen zwischen Neuronen werden eher selten hergestellt. Das Gehirn hat eine bestimmte Struktur ausgebildet, von deren Art abhängt, in welchen Bereichen das Lernen leichter oder schwerer fällt. Ist z.B. ein Kind bilingual aufgewachsen, eignet es sich schneller eine dritte oder vierte Sprache an; hat es bereits im Kleinkindalter musiziert, wird es eher im Musikunterricht brillieren. Je vielfältiger und breiter die in der Kindheit ausgeprägte Struktur des Gehirns ist, umso mehr Bereiche gibt es, in denen der Jugendliche oder Erwachsene Fortschritte machen kann. Erfolgreiches Lernen in späteren Lebensabschnitten setzt ferner voraus, dass man das Lernen gelernt hat. Kinder müssen erfahren haben, wie man Lernen plant und selbst überwacht, wie man sich Wissen aneignet und überprüft, welche Lernstrategien erfolgversprechend sind, wo die eigenen Stärken und Schwächen liegen, wie man das Gelernte durchdenkt und erinnert.

Neuronale Prozesse beim Lernen

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. Die von dort ausgehenden "Botschaften" werden in größeren Bereichen des Gehirns interpretiert und miteinander verknüpft. An dieser Weiterverarbeitung ist vielfach auch das Gedächtnis beteiligt: Erkennen ist vor allem Wiedererkennen von Gleichem und Ähnlichem. Ferner werden mit Hilfe des Gedächtnisses unvollständige Eindrücke ergänzt. Schließlich müssen Körper und/oder Geist reagieren, Veränderungen vornehmen, Handlungen planen und durchführen. Insbesondere an hoch komplexen Abläufen sind somit viele Bereiche des Gehirns beteiligt. Wer z.B. Natürlich können nicht all die vielen 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. Ferner werden Eindrücke und Informationen 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. Dann wird die dem Gehirn inhärente "Faulheit" - das Bestreben, aufgrund des generell hohen Bedarfs Energie zu sparen - überwunden: 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.

Im Gehirn schlagen sich Denken und Lernen auf verschiedene Weise nieder: Bei jeder Interaktion zwischen Säugling bzw. Kleinkind 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 zunehmend demselben Weg, der durch bestimmte, bei wiederholter Stimulierung stärker werdende chemische Signale in den Synapsen zwischen den Neuronen markiert wird. Haben diese Signale eine von Gehirnregion zu Gehirnregion unterschiedlich große Stärke erreicht, wird diese Bahn auf Dauer (bis in das Erwachsenenalter hinein) beibehalten. Viele zuvor benutzte Verbindungen - und die an ihnen beteiligten Neuronen - verlieren an Bedeutung; viele der kaum oder überhaupt nicht benutzten Nervenzellen werden sogar in den ersten Lebensjahren abgebaut (neuraler Darwinismus). Die entlang der sich einschleifenden Bahnen liegenden Neuronen werden hingegen immer größer, d.h. sie bilden immer mehr Dendriten aus, die zudem länger werden und zu immer mehr anderen 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 - z.B. ist bei Taxifahrern die Gehirnregion für das Ortsgedächtnis größer, wird bei tauben Menschen ein Bereich im Gehirn für die Gebärdensprache abgegrenzt.

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Der Hippocampus: Schaltstelle für Gedächtnis und Motorik

Der Hippocampus, eine Struktur des limbischen Systems, spielt eine zentrale Rolle bei der Gedächtnisbildung und räumlichen Orientierung. Er fungiert als Schaltstelle zwischen Kurz- und Langzeitgedächtnis, indem er Informationen aus dem Kurzzeitgedächtnis in das Langzeitgedächtnis überträgt, wo sie gespeichert und bei Bedarf abgerufen werden können.

Der Hippocampus besteht aus mehreren Strukturen, die zusammen die Hippocampusformation bilden:

• Ammonshorn (Cornu ammonis): Hippocampus im engeren Sinne.
• Gyrus dentatus: Gezähnelt aussehende Windung der Großhirnrinde.
• Subiculum: Übergangsbereich zwischen Gyrus parahippocampalis und Ammonshorn.
• Fornix: Bogenförmiges Faserbündel, das den Hippocampus mit den Corpora mammillaria verbindet.

Neben seiner Rolle im Gedächtnis ist der Hippocampus auch an der Steuerung von Affekten, Emotionen und vegetativen Funktionen beteiligt. Er bewertet Signale emotional und ist eng mit dem Riechhirn verbunden, wodurch Düfte und Gerüche mit Erinnerungen verknüpft werden können.

Hippocampus und motorisches Lernen

Neurowissenschaftliche Erkenntnisse deuten darauf hin, dass der Hippocampus eine wichtige Rolle bei motorischen Lernprozessen spielt. Studien haben gezeigt, dass Plastizitätsvorgänge im Hippocampus in frühen Phasen des motorischen Trainings initiiert werden und diese Veränderungen verzögert auftretende Bewegungsrepräsentationen vermitteln. Der Hippocampus trägt zur Koordination unterschiedlicher Gedächtnisinhalte und zur räumlichen Orientierung bei, was für das Erlernen und Ausführen von Bewegungen unerlässlich ist.

Die Rolle von Dopamin

Die Plastizitätsvorgänge im Hippocampus, Striatum und kortikostriatalen Schleifen werden durch den Neurotransmitter Dopamin beeinflusst. Unerwartet erfolgreiche Bewältigungen von Bewegungsaufgaben im sportlichen Techniktraining gehen mit erhöhten Dopaminausschüttungen einher, was die Bedeutung dieser neurowissenschaftlichen Erkenntnisse für das sportliche Techniktraining unterstreicht.

Individuelle Unterschiede in der Gehirnentwicklung und im Lernen

Die Gehirnentwicklung wird stark durch das Lernen geprägt und ist ein Prozess, der von Erbe und Umwelt gleichermaßen bestimmt wird. Rund 60 % aller menschlichen Gene wirken auf die Gehirnentwicklung ein. Der IQ ist aber nur zu etwa 50 % genetisch bedingt, der Schulerfolg sogar nur zu 20 %. Die Umgebung wirkt schon vor der Geburt auf die Gehirnentwicklung ein (z.B. die Stimme der Mutter, Musik und andere Geräusche), insbesondere über den Körper der Mutter: Negative Einflussfaktoren sind beispielsweise Fehlernährung, Rauchen, Alkohol- oder Drogenmissbrauch, Stress oder der Umgang mit giftigen Substanzen am Arbeitsplatz während der Schwangerschaft. Nach der Geburt wird die Gehirnentwicklung z.B. gehemmt durch längere Krankenhausaufenthalte oder Heimunterbringung, da dann Säuglinge bzw. Kleinkinder zu wenig Stimulierung erfahren. Dasselbe gilt für den Fall, dass die Mutter depressiv ist oder die Eltern ihr Kind vernachlässigen. Einen negativen Effekt können ferner frühkindliche Traumata oder Misshandlungen haben. Eine positive Wirkung wird hingegen beispielsweise dem Stillen zugesprochen, da hier das Gehirn besonders gut mit Vitaminen, Mineralien und Spurenelementen versorgt wird. So schnitten gestillte Kinder beim IQ-Test mit acht Jahren um durchschnittlich 8 Punkte besser ab - der Vorsprung war umso größer, je…

Auswirkungen von Bewegung auf die Gehirnentwicklung

Bewegung spielt eine entscheidende Rolle für die Entwicklung und das Wachstum des Gehirns. Studien haben gezeigt, dass körperliche Bewegung die Neubildung von Blutgefäßen (Kapillaren), Neuronen und deren Vernetzung im Gehirn fördert. Insbesondere die hippokampale Neurogenese lässt sich durch Ausdauertraining verdoppeln. Zudem erhöht Bewegung die Konzentration von Neurotransmittern wie Dopamin, Serotonin und Noradrenalin, die die Kommunikation der Nervenzellen im Gehirn verbessern.

Bewegung hilft auch, Störreize auszublenden und die Konzentrationsfähigkeit zu verbessern. Gehirne von körperlich leistungsfähigeren Menschen arbeiten effektiver. Daher ist es wichtig, einer bewegungsarmen und reizüberfluteten Welt sinnvolles und sinnenvoll bewegtes Spiel entgegenzusetzen.

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