Unser Gehirn ist ein erstaunliches Organ. Es verarbeitet Sinneswahrnehmungen, koordiniert Bewegungen und Verhaltensweisen und speichert komplexe Informationen. Doch wie genau funktionieren Lern- und Erinnerungsprozesse, und wie bewältigt unser Gehirn die komplexe Aufgabe des Schreibens? Dieser Artikel beleuchtet die neuronalen Grundlagen des Schreibens, die Rolle der Synapsen und die Auswirkungen des Schreibens auf unser Gehirn.
Neuronale Netzwerke und Synaptische Plastizität
Im menschlichen Gehirn vernetzen sich etwa 86 Milliarden Nervenzellen, auch Neuronen genannt. Diese Neuronen sind über Synapsen miteinander verbunden, die darauf spezialisiert sind, Signale elektrochemisch umzuwandeln und weiterzuleiten. Beim Lernen werden Informationen aus der Umwelt im Gedächtnis gespeichert und können bei Bedarf abgerufen werden. Dieser Prozess basiert auf der Verstärkung bestimmter Synapsen, an denen die Signalübertragung durch biochemische und strukturelle Modifikationen erleichtert wird. Die Stichworte hier sind Langzeitpotenzierung und synaptische Plastizität.
Plastische Synapsen verändern ihre Struktur und ihre Übertragungseigenschaften, was die Grundlage für Lern- und Gedächtnisprozesse bildet. Manchmal bilden sich beim Lernen neue Synapsen, während nicht mehr benötigte Synapsen abgebaut werden. Faktoren wie Aufmerksamkeit, Motivation und Belohnung spielen eine wichtige Rolle dabei, wie gut wir lernen und uns etwas merken können. Der Hippocampus ist eine zentrale Schaltstelle für viele Gedächtnisinhalte, obwohl es im Gehirn keinen zentralen Ort gibt, an dem Informationen gespeichert werden.
Lesen und Schreiben: Eine relativ junge Fähigkeit
Für die Forschung ist Lesen und Schreiben ein faszinierendes Phänomen. Die ersten Schriftsysteme entwickelten sich erst vor weniger als 6000 Jahren - ein Wimpernschlag in der menschlichen Evolution. Eine zentrale Frage ist daher, wie das menschliche Gehirn diese komplexe Aufgabe bewältigen kann. Lesen und Schreiben sind für uns alltäglich geworden, aber wir machen uns kaum Gedanken darüber, wenn wir zum Stift greifen oder eine Nachricht auf dem Smartphone lesen.
Falk Huettig vom Max-Planck-Institut für Psycholinguistik in Nijmegen beschreibt Lesen und Schreiben als erstaunlich komplexe Fähigkeiten. Demnach muss das Gehirn zahlreiche Wahrnehmungs- und Denkfunktionen genau aufeinander abstimmen, darunter grundlegende visuelle Fähigkeiten, phonologische Wahrnehmung, Langzeit- und Arbeitsgedächtnis. Aus diesem Grund ist jahrelanges Training erforderlich, bis sich Lesen und Schreiben so tief einprägen, dass wir beides mühelos beherrschen. Dadurch verändern sich wiederum auch Struktur und Funktion des menschlichen Gehirns.
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Voraussetzungen und Auswirkungen des Lesens und Schreibens
Die Forschung befasst sich mit zwei grundlegenden Fragen: Welche Voraussetzungen braucht es, damit wir Lesen und Schreiben überhaupt erlernen können? Und wie beeinflusst diese komplexe Fähigkeit unsere Wahrnehmung und unser Denken? Gerade bei Lese-Rechtschreib-Störungen (LRS) ist es oft schwierig zu unterscheiden, ob damit verbundene Defizite eine Ursache dafür darstellen oder ob sie deswegen auftreten, weil bessere Leser gleichen Alterns diese kognitiven Fähigkeiten mit dem Lesen trainiert haben.
José Morais von der Universität Brüssel hat festgestellt, dass Lesen die phonologische Bewusstheit deutlich verbessert, also die Fähigkeit, bestimmte Lautstrukturen der Sprache zu erkennen. Menschen mit LRS fällt es dagegen oft schwer, diese Strukturen zu unterscheiden. Falk Huettig und Kollegen haben weitere Effekte gefunden, die kennzeichnend für eine Lese-Rechtschreibschwäche sind, aber sich auch bei Analphabeten beobachten lassen. Dazu gehören die Wahrnehmung von Kategorien, das verbale Kurzzeitgedächtnis, die Fähigkeit, Pseudowörter zu wiederholen, Bilder, Farben und Symbole schnell zu benennen, oder vorherzusagen, wie ein gesprochener Satz weitergehen könnte.
Veränderungen im Gehirn durch das Lesenlernen
Der Vergleich zwischen Analphabeten und erwachsenen Lesern zeigt immer wieder, wie sehr Lesenlernen unser Gehirn verändert. Menschen, die nicht oder kaum lesen können, haben nicht nur größere Schwierigkeiten, Buchstabenfolgen zu analysieren, sondern auch Bildstrecken aufzugliedern. Eine Studie spanischer und französischer Forscher kam zu diesem Ergebnis. Welche Nachteile Menschen in Kauf nehmen müssen, die nie die Chance hatten, lesen und schreiben zu lernen, kann man als geübter Leser nur erahnen.
Ein bisher kaum beachteter Bereich sind Kognitionstests, mit denen Ärzte ältere Menschen auf eine beginnende Demenz hin untersuchen. Die griechische Forscherin Mary H. Kosmidis weist darauf hin, dass diese Tests auf Menschen zugeschnitten sind, die alphabetisiert sind. Die darin abgefragten Fähigkeiten werden oft durch Lesen und Schreiben trainiert, weswegen die Ergebnisse für Analphabeten entsprechend verzerrt sein dürften.
Alphabetisierung als globale Herausforderung
Weltweit sind nach Angaben der UNESCO nach wie vor 15 Prozent der Menschen Analphabeten. Das schränkt nicht nur sie selbst ein, sondern die Menschheit als Ganzes, wie José Morais von der Universität Brüssel darlegt. Er argumentiert, dass Alphabetisierung nicht endet, wenn Kinder und Jugendliche Lesen gelernt haben, sondern dass das dauerhafte und tiefgehende Auswirkungen auf ihr Denken und Wissen hat. Die Fähigkeit zum Lesen und Schreiben ist die Voraussetzung für die Analyse von komplexen Problemen und für einen Strom von Ideen und kritischem Denken. Sie ermöglicht eine sachlich fundierte öffentliche Debatte und eine sinnvolle kollektive Entscheidungsfindung.
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Unterschiede in der Signalübertragung im Gehirn
Unterschiede in der Signalübertragung können sich auf die Größe der Nervenzellen, die Anzahl der Synapsen und die Beschaffenheit der kalziumbindenden Sensorproteine innerhalb der Zellen auswirken. Die Übertragung in der Großhirnrinde, dem Kortex, erfolgt zuverlässiger als in anderen Regionen des Gehirns. Der Kortex beinhaltet Verarbeitungszentren für verschiedene Funktionen, wie beispielsweise den somatosensorischen Kortex, in dem Sinneseindrücke vom Körper vorverarbeitet werden.
Das Sensorprotein Synaptotagmin 1 reagiert bereits auf eine viel geringere Kalziumkonzentration in der Synapse und stößt die Signalübertragung an. Die Eigenschaften von Synaptotagmin 1 tragen dazu bei, dass die untersuchten kortikalen Synapsen nicht nur zuverlässiger, sondern auch plastischer sind - eine Grundvoraussetzung dafür, dass sich das Gehirn innerhalb des Lebens an neue Anforderungen anpassen kann.
Aufspüren aktiver Synapsen
Zellen im primären somatosensorischen Kortex im Gehirngewebe von Mäusen wurden untersucht. Die Forscher kombinierten mehrere Methoden: Sie maßen die elektrischen Signale von miteinander verbundenen Pärchen von Nervenzellen per Patch-Clamp-Technik. Zeitgleich kontrollierten und maßen sie die Kalziumkonzentration in den Synapsen mittels eines UV-Lasers und eines Zwei-Photonen-Laser-Mikroskops. Zudem entwickelten sie ein eigenes Verfahren, das sie „axon walking“ nennen, um die jeweils gerade aktiven Synapsen aufzuspüren. Anhand der Daten entwickelten die Wissenschaftler ein detailliertes mathematisches Modell für das untersuchte Sensorprotein.
Entstehung von Synapsen
Forschende vom Leibniz-Forschungsinstitut für Molekulare Pharmakologie (FMP) haben einen entscheidenden Mechanismus aufgedeckt und die Identität der axonalen Transportvesikel aufgeklärt. Die Erkenntnisse liefern wichtige Grundlagen, um künftig die Regeneration von Nervenzellen zu befördern oder auch Alterungsprozessen entgegenzuwirken. Synapsen stellen Kontaktstellen zwischen axonalen Nervenendigungen (die Präsynapse) und postsynaptischen Neuronen dar. An diesen Synapsen wird das elektrische Signal in chemische Botenstoffe umgewandelt, die dann von den Postsynapsen anderer Nervenzellen empfangen werden. Neben der Übertragung von Erregung können Synapsen auch Informationen speichern.
Um die Entstehung von Präsynapsen von Anfang an nachverfolgen zu können, haben die Forschenden in humanen Stammzellen per Genschere CRISPR ein leuchtendes Protein eingebaut und aus den so modifizierten Stammzellen Nervenzellen generiert. Synaptische Vesikel sind jene Membranbläschen, welche die Botenstoffe enthalten und die jede Synapse auf Vorrat anlegt, damit sie elektrische Signale in chemische umwandeln kann. Überraschenderweise nehmen die synaptischen Vesikelproteine und die Proteine der sogenannten aktiven Zone ebenso wie die Adhäsionsproteine, die die Synapse zusammenkleben, alle den gleichen „Bus“.
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Axonaler Transport und neurologische Störungen
Für den axonalen Transport wird eine Maschinerie aus Motorproteinen angeworfen. Der Haupttreiber ist das sogenannte Kinesin „KIF1A“. Mutationen in KIF1A behindern den axonalen Transport präsynaptischer Proteine und führen zu neurologischen Symptomen wie Bewegungsstörungen, Ataxie oder geistigen Behinderungen. Die axonalen Transportvesikel haben keine Golgi-Markierung, sondern teilen sich Markierungen mit dem endolysosomalen System. Neuronen haben eine Art neue Organelle erfunden, eine Transportorganelle, die es wahrscheinlich in dieser Form nur in Nervenzellen gibt.
Klinische Relevanz und offene Fragen
Wenn die Kontakte zwischen den Nervenzellen kaputtgehen, ist es wichtig, den Mechanismus des axonalen Transports und die beteiligten Schlüsselproteine zu kennen, um therapeutisch eingreifen zu können. Obwohl die Forschenden nun einen entscheidenden Mechanismus der Synapsenentstehung entschlüsselt haben, sind noch viele Fragen offen. Zum Beispiel, wie die neu entdeckten Transportorganellen eigentlich entstehen, aus was sie gebaut sind oder wie sie ihre Fracht, die Synapsenmoleküle, am Ort ihrer Bestimmung abliefern. Auch steht die Frage im Raum, ob lebenslange Erinnerungen nicht möglicherweise über den gleichen axonalen Transportmechanismus abgespeichert werden, der für die Bildung von Synapsen verantwortlich ist.
Schreiben als komplexe Leistung des Gehirns
Das Gehirn vollbringt beim Schreiben eine beeindruckende, komplexe Leistung. Kinder lernen, Buchstaben zu Wörtern und Sätzen zu kombinieren. Das Sprechen lernen wir in der direkten Interaktion mit Menschen, die schon sprechen können. Möglich machen das 100 Milliarden Nervenzellen, von denen jede einzelne wiederum tausende Kontaktpunkte mit anderen Nervenzellen herstellen kann (Synapsen). Die dadurch ermöglichten Fähigkeiten sind staunenswert, wobei die Struktur des Gehirns, die Kombination von Nervenzellen, die mit Kontaktpunkten untereinander verbunden sind, ein Leben lang flexibel bleiben.
Die Entwicklung der Sprache und des Schreibens
Menschen lernen zunächst zu sprechen, wobei die Fähigkeit, das Sprechen zu lernen, im Menschen angelegt ist. Die Ausformung dieser Fähigkeit und die Sprache, die gelernt wird, hängt davon ab, mit welcher Sprache ein Kind bei seinen Bezugspersonen in Kontakt kommt. Im Gehirn entstehen also aus Nervenzellen und deren Kontaktpunkten alle Fähigkeiten, die wir zum Sprechen einer (oder mehrerer) als Kind gelernter Sprachen benötigen.
Sprache und das Sprechen sind kreative Prozesse, die über Zeichen Wirklichkeit benennen und diese dabei zu einem guten Stück auch entstehen lassen. Das Erlernen einer Sprache ist das Erlernen eines komplexen Bedeutungshorizontes, das Erlernen einer Sprache macht uns in dieser Sprache mit der uns umgebenden Welt vertraut. Neben dem Sprechen lernen wir Menschen das Krabbeln, das Gehen, wir ertasten die Welt, nehmen sie mit allen Sinnen wahr, und ständig ist unser Gehirn dabei, diese Erfahrungen aufzunehmen, Nervenzellen zu verknüpfen, sich höchst plastisch und dynamisch zu entwickeln.
Schreibenlernen als Kulturtechnik
Während das Sprechen vom Kind in der direkten Interaktion mit Sprechenden gelernt wird, ist das Schreibenlernen wohl nicht von Anfang an im Lernprogramm des Menschen vorgesehen. Schreiben lernt der Mensch unter Anleitung; anders als beim Sprechen handelt es sich um eine Kulturtechnik, die vermittelt wird und die Aufgabe hat, sich Kultur anzueignen, diese weiterzugeben (also zu erhalten) und mitzugestalten. Kinder erleben beim Erlernen grundlegender Kulturtechniken, dass das Erlernen einer Fähigkeit Zeit und Übung benötigt. Die Motivation spielt eine wichtige Rolle bei der Prägung des Gehirns während des Lernens von Kulturtechniken.
Die ersten Schritte beim Schreibenlernen
Zu dem Wie des Vermittelns dieser Kulturtechniken hat es in den vergangenen Jahren unterschiedliche Positionen gegeben. Mich interessiert vielmehr, was beim Schreibenlernen im Gehirn passiert. Dabei wäre der Eindruck, der hier vielleicht entstehen könnte, dass es dabei eine bestimmte Reihenfolge des Lernens gibt, irreführend, denn Prozesse, die gleichzeitig passieren, werden hier getrennt dargestellt. Was der das Schreiben lernende Mensch mitbringt, ist die von ihm gesprochene Sprache. Ebenso weiß das Kind, dass diese Sprache in Zeichen umgesetzt werden kann, die dann gelesen werden können.
Das Zeichensystem und die Entwicklung von Strukturen im Gehirn
Bevor man die Schrift mit der Sprache und mit größeren Sinnzusammenhängen verbinden kann, wird zunächst einmal das Zeichensystem gelernt. Das ist in einer Alphabetschrift zunächst einmal überschaubar. Diese Zeichen müssen einzeln, aber bald auch in Wortzusammenhängen im Gehirn als Strukturen angelegt werden, die deren Nutzung auf den verschiednen Kanälen ermöglicht, nämlich sowohl beim Schreiben (mit der Hand) als auch beim Lesen. Das Gehirn entwickelt für diese Kompetenzen vernetzte Strukturen. Jede Fähigkeit, die das Gehirn lernt, verändert mindestens Teile des Gehirns bezogen auf die Vernetzung der Nervenzellen über Synapsen. Sind diese Strukturen dann aber erst eimal vorhanden, können sie gefestigt und damit immer leichter genutzt werden, was sich zeigt, wenn das Schreibtempo zunimmt, wenn Texte schneller gelesen werden können, wenn das Kopfrechnen zunehmend schneller gelingt.
Rechtschreibung, Grammatik und komplexere Texte
Sind die Grundlagen gelegt, sind also die Buchstaben als einzelne Zeichen bekannt, hat man begonnen, einen Grundwortschatz zu bilden, der nicht nur für das Sprechen, sondern auch für das Schreiben zur Verfügung steht, kommen weitere Komplexitätssteigerungen hinzu, die mit den Herausforderungen Rechtschreibung, Grammatik, Zeichensetzung zusammenhängen. Komplexer werden auch die Texte, die mittels der Netze im Gehirn sinngebend erstellt oder sinnerfassend verstanden werden können.
Schreiben mit der Hand und Muskelgedächtnis
Neben den Netzen im Gehirn, die mit dem Erlernen dieser Kompetenz verbunden sind, bildet sich beim Schreiben mit der Hand zudem ein Muskelgedächtnis. Das Schreiben als Handschrift führt also dazu, dass das Gehirn eine Anweisung bekommt, etwas zu schreiben, diese an die Schreibhand und die beteiligten Muskeln und Gelenke weitergibt, welche die Anweisung dann umsetzen. Das Üben des Schreibens schafft Vernetzungen im Gehirn und trainiert Muskeln.
Tippen und die Geschwindigkeit des Schreibens
Das Tippen von Text ist ähnlich komplex. Zumindest die Technik des Tastaturschreibens muss, wie der Umgang mit dem Stift, erlernt werden. Das Muskelgedächtnis spielt eine Rolle, das wissen muss, welches Zeichen mit welchem Finger an welcher Stelle der Tatstatur getippt wird.
Die Bedeutung des Lernens für die geistige Entfaltung
Auf die geistige Entfaltung ihrer Kinder können Eltern weitaus stärker Einfluss nehmen, als vielen bewusst ist. Wollen Forschende das Gehirn simulieren, nutzen sie mathematische Modelle, die Netzwerke beschreiben. Im Computer bündeln sie in solch einem Netzwerk Millionen von Nervenzellen zu Knoten und schreiben ihnen bestimmte Eigenschaften zu. Die Knoten tauschen über Verbindungen Signale aus, regen andere Knoten an oder hemmen sie. So wechselt das virtuelle Gehirn beim "Denken" zwischen verschiedenen Zuständen, genau wie sein lebendes Vorbild.
Intrinsische neuronale Zeitskalen
Bei der Zusammenarbeit der Hirnregionen kommt es gleichermaßen auf ihr Verhalten und ihre Vernetzung an. Ein wichtiges Merkmal ist das Tempo, in dem sie arbeiten. So müssen Bereiche, die für die Verarbeitung von Seh- und Hörreizen zuständig sind, fast augenblicklich auf eingehende Informationen reagieren. Diese charakteristischen Geschwindigkeiten werden als intrinsische neuronale Zeitskalen bezeichnet. Entscheidend ist dabei die Hemmung der Nervenzellen: Je schneller deren Aktivität wieder ausgelöscht wird, desto schneller können neue Signale folgen.