Die Entwicklung des kindlichen Gehirns: Ein umfassender Überblick

Die Hirnforschung hat in den letzten Jahren enorme Fortschritte gemacht und eine Fülle neuer Erkenntnisse über die Struktur und die Prozesse des Gehirns gewonnen. Diese Erkenntnisse sind auch für Erzieher und Eltern von großer Bedeutung, da sie helfen, Lern- und Bildungsprozesse besser zu verstehen und effektiver zu gestalten. Dieser Artikel bietet einen umfassenden Überblick über die Entwicklung des kindlichen Gehirns, von der vorgeburtlichen Phase bis zum Jugendalter, und beleuchtet die Faktoren, die diese Entwicklung beeinflussen.

Die Struktur des Gehirns

Das Gehirn eines Erwachsenen wiegt durchschnittlich 1.245 g bei Frauen und 1.375 g bei Männern. Den größten Teil nimmt das Großhirn ein, das aus zwei Hälften (Hemisphären) besteht, die durch den Balken (Corpus callosum) miteinander verbunden sind. Die linke Hirnhälfte ist vor allem für Sprache, Denkprozesse, Mathematik und Logik zuständig, während die rechte Hemisphäre visuell-räumliche Wahrnehmung, Gefühle, Kreativität, Fantasie, Kunst und Musik verarbeitet.

Die Hirnlappen übernehmen unterschiedliche Aufgaben:

• Stirnlappen (Frontallappen): Kontrolle der Motorik (inklusive Sprechen), grammatikalische Verarbeitung der Sprache (Broca-Areal), Bewusstsein, Denken, Planen, Urteilen, Entscheiden, Kurzzeit- bzw. Arbeitsgedächtnis, Sitz des Willens und der Persönlichkeit. Der Stirnlappen umfasst etwa 25 % der Gehirnmasse.
• Scheitellappen (Parietallappen): Selektive Aufmerksamkeit, Integration sensorischer Informationen, räumliche Orientierung, visuelle Steuerung von Bewegungen, räumliches Denken, Geometrie, Rechnen und Lesen.
• Schläfenlappen (Temporallappen): Hören, Wortverständnis, Musik und andere auditive Informationen, Sprach- bzw. lexikalisches Wissen (Wernicke-Zentrum).
• Insellappen (Insel): Riechen, Schmecken, Körperempfindungen (Hunger, Durst, Schmerz, Blasendruck), 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.

Das Kleinhirn (Cerebellum), der nach dem Großhirn zweitgrößte Bereich des Gehirns, steuert unbewusst die Muskulatur und hält den Körper im Gleichgewicht. Es koordiniert Bewegungen, indem es willkürliche Bewegungsimpulse aus dem Großhirn erhält. Außerdem ist das Kleinhirn für automatisierte Bewegungsabläufe zuständig.

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Das Zwischenhirn (Diencephalon) umfasst unter anderem den Thalamus und den Hypothalamus. Der Thalamus empfängt Wahrnehmungen der Sinnesorgane und Empfindungen aus dem Körper, verarbeitet diese und leitet sie an das Großhirn weiter. Der Hypothalamus ist das wichtigste Steuerzentrum des vegetativen Nervensystems und kontrolliert lebenswichtige Funktionen wie Körpertemperatur, Blutdruck, Nahrungs- und Wasseraufnahme, Schlaf und Geschlechtstrieb.

Der Hirnstamm (Truncus cerebri) bzw. das Stammhirn ist der entwicklungsgeschichtlich älteste Bereich unseres Gehirns. Er umfasst das Mittelhirn, die Brücke und das verlängerte Rückenmark (Nachhirn). Das Mittelhirn leitet Nervenerregungen über das Zwischenhirn an das Großhirn weiter oder lenkt sie auf motorische Nervenzellen um und steuert die meisten Gesichts- und Augenmuskeln. Die Brücke ist eine Umschaltstation 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.

Das Gehirn besteht aus rund 100 Milliarden Nervenzellen (Neuronen), die über 100 Billionen Synapsen (Kontaktstellen) miteinander kommunizieren. Jede Nervenzelle hat 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 freigesetzt, überqueren den synaptischen Spalt und werden dann von den Rezeptoren der Synapse eines Dendrits aufgenommen und wieder in einen elektrischen Impuls umgewandelt.

Neuronen machen aber nur die Hälfte der Masse des Gehirns aus. Die andere Hälfte umfasst die sehr viel kleineren Gliazellen, von denen es etwa 10-mal so viele gibt wie 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, die für die elektrische Isolation der Nervenzellen sorgt. 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.

Die Entwicklung des Gehirns im Kindesalter

Pränatale Entwicklung

Die Entwicklung des Gehirns beginnt bereits in der dritten Woche nach der Empfängnis. Aus dem Neuralrohr entstehen das Gehirn und das Rückenmark. In der 4. bis 6. Lebenswoche bilden sich Verdickungen, die drei Hirnbläschen, aus denen sich die Gehirnabschnitte entwickeln. In der 10. Lebenswoche ist die Entwicklung der Gehirnstrukturen weitgehend abgeschlossen. In den kommenden Lebenswochen werden weiterhin neue Neuronen produziert und wandern von dort zu ihrem Bestimmungsort. Bis zur 15. Lebenswoche bilden sich Klein- und Mittelhirn sowie der Balken aus. Die beiden Großhirnhälften wachsen rasant und bilden die ersten Furchen aus. 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. Ab der 35. Schwangerschaftswoche ist das Gehirn so weit entwickelt, dass ein überlebensfähiges Frühchen geboren werden kann.

Postnatale Entwicklung

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.

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.

Sensible Phasen der Entwicklung

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. 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.

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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.

Gehirnentwicklung und Lernen

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. 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.

Individuelle Unterschiede in der Gehirnentwicklung

Die Gehirnentwicklung wird durch Erbe und Umwelt gleichermaßen beeinflusst. 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.

Neurowissenschaftliche Forschungsmethoden

Neurowissenschaftliche Methoden ermöglichen neue Einblicke in die kindliche Entwicklung. Die Forschung in diesem Bereich ist jedoch auch mit Herausforderungen verbunden. Alle Beteiligten brauchen Zeit und Geduld - gerade in Corona-Zeiten.

Bei EEG- und fNIRS-Messungen nehmen die Kinder aktiv am experimentellen Geschehen teil. Inhalt der Studien sind in der Regel spielerische Aufgaben, kindgerechte Videos oder Bilder sowie Audio-Aufnahmen. Um die Hirnaktivität aufnehmen zu können, tragen die Kinder eine spezielle elastische Kappe mit integrierten Sensoren, die einer Badekappe ähnelt.

Um Bilder vom kindlichen Gehirn aufnehmen und verstehen zu können, was dort vor sich geht, wird eine Aufnahme mit einem MRT gemacht. Das dauert etwa 10 bis 15 Minuten, in denen die Kinder möglichst ruhig liegen bleiben sollten. Bei Kleinkindern führen Forscher die Messungen während des Mittagsschlafes durch - in Begleitung der Eltern und mit allen Einschlaf-Ritualen, die sie auch von zu Hause kennen. Ab dem Vorschulalter üben sie das MRT zunächst spielerisch mit einem Spiel-MRT-Gerät. Während der richtigen Messung können sich die Kinder dann einen ihrer Lieblingsfilme auf einer Videobrille anschauen.

Praktische Implikationen für Erziehung und Bildung

Die Erkenntnisse der Hirnforschung haben wichtige Implikationen für die Erziehung und Bildung von Kindern. Es ist entscheidend, eine anregende und unterstützende Umgebung zu schaffen, die die Entwicklung des kindlichen Gehirns fördert. Dazu gehört:

• Frühkindliche Förderung: Die ersten Lebensjahre sind entscheidend für die Gehirnentwicklung. Eltern und Erzieher sollten Kindern vielfältige Möglichkeiten zum Spielen, Entdecken und Lernen bieten.
• Emotionale Unterstützung: Eine sichere und liebevolle Beziehung zu Bezugspersonen ist wichtig für die Entwicklung emotionaler und sozialer Kompetenzen. Eltern, die ihren Kindern gegenüber zögerlich, gestresst, feindselig, abwesend oder gleichgültig sind, werden nicht in der Lage sein, die Art von Umgebung zu bieten, die für eine optimale Gehirnentwicklung eines Babys nötig ist.
• Bewegung und körperliche Aktivität: Körperliche Bewegung fördert die Reifung des Klein- und Großhirns und verankert kognitive Funktionen.
• Begrenzung von Bildschirmzeit: Zu viel Bildschirmzeit, insbesondere bei Handyspielen, kann zu Reizüberflutung führen.
• Berücksichtigung individueller Lernbedürfnisse: Kinder entwickeln individuelle Lernbedürfnisse in unterschiedlichen Phasen ihres Lebens. Um diese zu stillen, muss ihnen ihr Umfeld, zu dem wesentlich auch die Schule gehört, die entsprechenden Lern- und Entdeckungsmöglichkeiten sowie Wiederholungs- und Vertiefungsmöglichkeiten anbieten.
• Lernen als positiver Prozess: Lernen solle nie aufgeschoben werden, man sollte die Chancen, die sich frühzeitig bieten, nicht verpassen. Selbst wenn die Renditen später geringer sind, bleibt der Effekt positiv, Lernen bringt immer Vorteile mit sich und ist niemals schädlich.
• Faktenbasiertes Lernen: Kinder brauchen zunächst viele Fakten, auf denen sie aufbauen können. Diese scheinen sie von Anfang an sehr gut zu lernen.
• Unterstützung von Kindern mit Migrationshintergrund: Es wäre die falsche Konsequenz aus sensiblen Phasen für die Sprachentwicklung, Schülerinnen und Schüler mit geringen oder keinen Deutschkenntnissen aufzugeben. Sicher haben sie Defizite, aber Lernen ist immer positiv, es ist nie negativ.

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