Kritische Phasen der Gehirnentwicklung: Ein Schlüssel zum Verständnis von Lernen und Plastizität

Das menschliche Gehirn ist ein unglaublich komplexes Organ, dessen Entwicklung von einer Vielzahl von Faktoren beeinflusst wird. Besonders in den frühen Lebensjahren durchläuft das Gehirn kritische Phasen, in denen es besonders plastisch und formbar ist. Diese Phasen sind entscheidend für die Entwicklung kognitiver Fähigkeiten, das Erlernen von Sprachen, motorischen Fertigkeiten und sozial-emotionalen Kompetenzen. Die Forschung zu diesen kritischen Phasen hat in den letzten Jahren enorme Fortschritte gemacht und liefert wichtige Erkenntnisse für die Gestaltung von Lern- und Bildungsprozessen.

Struktur und Funktion des Gehirns

Um die Bedeutung der kritischen Phasen zu verstehen, ist es hilfreich, sich zunächst die grundlegende Struktur und Funktionsweise des Gehirns vor Augen zu führen. Das Gehirn besteht aus etwa 100 Milliarden Nervenzellen, den Neuronen, die über 100 Billionen Synapsen miteinander kommunizieren. Diese Synapsen sind die Kontaktstellen, an denen Informationen von einem Neuron zum nächsten weitergegeben werden.

Das Gehirn lässt sich grob in verschiedene Bereiche unterteilen, die jeweils spezialisierte Aufgaben erfüllen:

• Großhirn (Cerebrum): Der größte Teil des Gehirns, bestehend aus zwei Hemisphären, die durch den Balken miteinander verbunden sind. Die linke Hemisphäre ist vor allem für Sprache, Logik und analytisches Denken zuständig, während die rechte Hemisphäre visuell-räumliche Wahrnehmung, Emotionen und Kreativität verarbeitet.
• Kleinhirn (Cerebellum): Steuert unbewusst Muskulatur, Motorik und Körperhaltung und ermöglicht die Orientierung im Raum.
• Zwischenhirn (Diencephalon): Umfasst Thalamus (der Informationen filtert und an spezialisierte Bereiche des Gehirns weiterleitet) und Hypothalamus (der lebenswichtige vegetative Funktionen steuert).
• Hirnstamm (Brainstem): Kontrolliert Atmung, Blutkreislauf, Aufmerksamkeit und Schlaf.

Die Kommunikation zwischen den Neuronen erfolgt durch den Austausch von Neurotransmittern, chemischen Botenstoffen, an den Synapsen. Dieser Prozess ermöglicht die Verarbeitung und Weiterleitung von Informationen im gesamten Gehirn. Das Gehirn benötigt für seine Aktivität viel Energie, beim Erwachsenen rund 18% des täglichen Kalorienbedarfs, bei Kleinkindern sogar bis zu 50%.

Gehirnentwicklung in der frühen Kindheit

Die Gehirnentwicklung beginnt bereits während der Schwangerschaft und setzt sich nach der Geburt rasant fort. Beim Fötus entwickelt sich zunächst eine Unmenge von Neuronen, von denen ein Großteil noch vor der Geburt wieder abgebaut wird. So startet ein Neugeborenes mit 100 Milliarden Neuronen, die aber noch klein und wenig vernetzt sind. Dementsprechend beträgt das Gewicht seines Gehirns nur ein Viertel von dem eines Erwachsenen.

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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 viel. Diese enorme Anzahl von Synapsen ermöglicht es dem Gehirn, sich schnell an neue Erfahrungen anzupassen und zu lernen.

Bis zum Jugendalter wird rund die Hälfte der Synapsen wieder abgebaut, bis die für Erwachsene typische Anzahl von 100 Billionen erreicht wird. Dieser Prozess, der als "Pruning" bezeichnet wird, ist entscheidend für die Optimierung der neuronalen Schaltkreise. Die Synapsen, die häufig genutzt werden, werden gestärkt, während die ungenutzten Verbindungen abgebaut werden.

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 - für einen Indianerstamm bestehend aus Jägern und Sammlern in den Tiefen der Dschungel Brasiliens, für eine Bauern- und Hirtengemeinschaft in Westafrika wie auch für eine hoch technisierte Wissensgesellschaft in Westeuropa oder Ostasien. 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.

Kritische Phasen: Zeitfenster der besonderen Empfänglichkeit

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. 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.

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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.

• Visuelle Wahrnehmung: Die sensible Phase für die Entwicklung des Sehsystems liegt zwischen dem vierten und achten Lebensmonat. In dieser Zeit lernt das Gehirn, visuelle Reize zu verarbeiten und zu interpretieren.
• Spracherwerb: Die kritische Phase für den Spracherwerb erstreckt sich etwa bis zum sechsten oder siebten Lebensjahr. In dieser Zeit können Kinder Sprachen besonders leicht und akzentfrei erlernen.
• Musikalische Fähigkeiten: Die sensible Phase für die Entwicklung musikalischer Fähigkeiten liegt etwa zwischen dem dritten und zehnten Lebensjahr. In dieser Zeit können Kinder musikalische Strukturen und Konzepte besonders leicht erfassen und ein Instrument erlernen.
• Motorische Fähigkeiten: Die Verdrahtung der motorischen Schaltkreise beginnt bereits in der siebten Schwangerschaftswoche. Doch erst am Ende des zweiten Lebensjahrs hat sich die neuronale Matrix im Austausch mit der Umwelt verfestigt: Das Gehirn kann jetzt schwierigere Bewegungsabläufe wie einen Purzelbaum auf der Wiese oder das Balancieren auf einer Mauer steuern.

Es ist wichtig zu betonen, dass diese kritischen Phasen keine starren Zeiträume sind. Die genauen Zeitfenster können individuell variieren, und auch nach dem Ende einer kritischen Phase bleibt das Gehirn lernfähig. Allerdings erfordert das Lernen in späteren Lebensphasen oft mehr Anstrengung und gezielte Förderung.

Die Rolle von PSD-95 und stillen Synapsen

Neurowissenschaftlerinnen und Neurowissenschaftlern der Universität und Universitätsmedizin Göttingen (UMG) ist es gelungen, Synapsen, also die winzigen Kontaktstellen zwischen Nervenzellen, in wachen, erwachsenen Mäusen wiederholt abzubilden. Dabei entdeckten sie erstmals, dass Neuronen im Gehirn erwachsener Tiere im primären visuellen Kortex mit einer erhöhten Anzahl „stiller Synapsen“ (d.h. neu gebildeter Synapsen, die inaktiviert sind), denen ein bestimmtes Protein (PSD-95) fehlt, strukturelle Veränderungen aufweisen, die bisher nur bei jungen Mäusen beobachtet wurden.

Die Forschungsteams von Prof. Dr. Siegrid Löwel (Universität Göttingen) und Prof. Dr. Oliver Schlüter (UMG) hatten bereits herausgefunden, dass die Reifung stiller Synapsen das postsynaptische Dichteprotein-95 (PSD-95) benötigt und frühe kritische Perioden schließt. Um dies zu untersuchen, bildeten die Teams Neuronen aus der Sehrinde der Maus vor und nach spezifischer Reizung eines Auges mit einem Zwei-Photonen-Mikroskop ab. Erstautor Rashad Yusifov von der Universität Göttingen erklärt: „Frühere Studien haben in der Regel anästhesierte Mäuse verwendet, aber wir wissen jetzt, dass die Narkose selbst die neuronale Plastizität beeinflussen kann, weshalb wir die aktuelle Studie an wachen Tieren durchgeführt haben. Diese anspruchsvolle Technik, mit der wiederholt sehr kleine Strukturen - etwa ein Tausendstel eines Millimeters - abgebildet werden können, ist nur in wenigen Labors weltweit möglich. Die Forscherinnen und Forscher entdeckten, dass Neuronen im Gehirn erwachsener Tiere, denen PSD-95 fehlt, einen verstärkten erfahrungsabhängigen Dornenabbau aufweisen - ein Effekt, der bisher nur bei jungen Tieren beobachtet wurde. Aufbauend auf ihren früheren Entdeckungen zeigt diese Teamarbeit, dass Neuronen ohne PSD-95 sowohl funktionelle als auch strukturelle Merkmale der Plastizität aufweisen, die mit einer kritischen Periode verbunden sind. Das bedeutet, dass diese Neuronen eine „jugendliche Fähigkeit“ haben, die Nervenzellverschaltungen, also Verbindungen zwischen Nervenzellen bis ins Erwachsenenalter umzustrukturieren.

Diese Ergebnisse werden helfen, die Regeln der Gehirnentwicklung, welche dem Lernen zugrunde liegen, besser zu verstehen.

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Einfluss von Erfahrungen und Umweltfaktoren

Die Gehirnentwicklung wird nicht nur von genetischen Faktoren, sondern auch maßgeblich von Erfahrungen und Umweltfaktoren beeinflusst. Die Qualität und Menge der Inputs, die das Gehirn in sensiblen Phasen aufnimmt, entscheiden, wie dicht und damit leistungsfähig die neuronalen Strukturen geknüpft werden.

Eine anregende und unterstützende Umgebung, die vielfältige sensorische Erfahrungen, soziale Interaktionen und Lernmöglichkeiten bietet, kann die Gehirnentwicklung positiv beeinflussen. Umgekehrt können negative Erfahrungen wie Vernachlässigung, Misshandlung oder Stress die Gehirnentwicklung beeinträchtigen und langfristige Folgen haben.

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…

Lernen im Jugendalter

Die Umstrukturierung des Gehirns wirkt sich bei Jugendlichen auch auf ihr Verhalten aus, das häufig geprägt ist von der Suche nach neuen Erfahrungen. Ein wichtiger Prozess der Gehirnentwicklung ist der Rückbau und die Neustrukturierung der so genannten grauen Substanz. Die befindet sich vor allem in der Hirnrinde, der äußeren Schicht des Gehirns. Bis zum Alter von etwa 12 bis 14 Jahren nimmt die graue Substanz zu und danach wieder ab. Die Hirnrinde wird infolge des Abbaus dünner. Dieser Vorgang ist eine wichtige Voraussetzung für die Entwicklung einer effizienten Struktur. Der Reifeprozess geschieht auf der Basis der Erfahrungen, die Jugendliche machen. Das bedeutet, es bleiben jene Nervenzellen und deren Verbindungen, die häufig verwendet werden. Gleichzeitig werden unterschiedliche Hirnareale stärker miteinander vernetzt. Die Vernetzung erfolgt über Nervenfasern, die als Axone bezeichnet werden. Ein wichtiger Prozess im Rahmen der Vernetzung ist die so genannte Myelinisierung. Ebenso wie die Isolation eines Stromkabels einen störungsfreien Stromfluss ermöglicht, verbessern myelinisierte Nervenbahnen die Signalübertragung und erhöhen dadurch die kognitiven Fähigkeiten der Person.

Bis ins junge Erwachsenenalter findet ein wichtiger neuronaler Reifungsprozess vor allem im präfrontalen Cortex statt. Diese Hirnregion ist unter anderem für die langfristige Planung und die Hemmung impulsiver Reaktionen zuständig. Im präfrontalen Cortex waltet gewissermaßen die innere Stimme der Vernunft, die zur Mäßigung aufruft. Während der Umbaumaßnahmen reifen die Hirnregionen jedoch nicht gleichzeitig heran. Die Entwicklung verläuft asynchron. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler vermuten hierin den zentralen Grund für die gesteigerte Risikofreudigkeit von Jugendlichen. Die Fähigkeit, kurz- und längerfristige Effekte des eigenen Handelns bewerten zu können und aufkommende Impulse zu kontrollieren, bilden sich dadurch erst im frühen Erwachsenenalter richtig aus. Jugendliche haben daher stärker das Bedürfnis, neue Erfahrungen zu sammeln. Für die Entwicklung der Selbstständigkeit und zur Abgrenzung gegenüber den eigenen Eltern ist das sogenannte „Sensation Seeking“, die Suche nach neuen, aufregenden Erfahrungen durchaus sinnvoll.

Implikationen für Bildung und Erziehung

Die Erkenntnisse über die kritischen Phasen der Gehirnentwicklung haben wichtige Implikationen für die Gestaltung von Bildung und Erziehung. Es ist entscheidend, Kindern in den sensiblen Phasen die entsprechenden Lernangebote und Erfahrungen zu ermöglichen, um ihre kognitiven, sprachlichen, musischen und motorischen Fähigkeiten optimal zu fördern.

• Frühkindliche Förderung: Eine hochwertige frühkindliche Betreuung und Bildung, die vielfältige Anregungen und soziale Interaktionen bietet, kann die Gehirnentwicklung positiv beeinflussen und die Grundlage für späteren Schulerfolg legen.
• Individuelle Förderung: 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.
• Sprachförderung: Kinder sollten frühzeitig mit verschiedenen Sprachen in Kontakt kommen, um ihre sprachlichen Fähigkeiten optimal zu entwickeln.
• Musikalische Förderung: Musikalische Aktivitäten wie Singen, Musizieren und Tanzen können die kognitiven Fähigkeiten, die Kreativität und die emotionale Entwicklung fördern.
• Bewegung und Spiel: Ausreichend Bewegung und freies Spiel sind wichtig für die Entwicklung der motorischen Fähigkeiten, der Koordination und der sozialen Kompetenzen.

Es ist jedoch wichtig zu betonen, dass auch nach dem Ende der kritischen Phasen Lernen möglich bleibt. Auch eine Hundertjährige kann noch eine neue Sprache lernen, aber nicht mehr so gut wie ein Kind, nicht mehr so schnell und nicht mit den gleichen neuronalen Mechanismen. Das heißt, sensible Perioden beschreiben gewisse individuelle Peaks, also maximale Ausprägungen von Lernfähigkeit. Und diese müssen genutzt werden, möchte man eine bestimmte Funktion oder Fähigkeit vollständig erlernen beziehungsweise in dieser ein hohes Niveau erreichen.

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