Neurale Organisation und Strukturen: Neurowissenschaft des Lernens

Das zentrale Nervensystem (ZNS) besteht aus dem Gehirn und dem Rückenmark und ist der zentrale Mechanismus des Körpers zur Steuerung des willentlichen Verhaltens (z. B. Denken, Handeln). Das autonome Nervensystem (ANS) reguliert unwillkürliche Aktivitäten, wie z. B. solche, die mit der Verdauung, Atmung und dem Blutkreislauf zusammenhängen. Diese Systeme sind nicht vollständig unabhängig. Menschen können beispielsweise lernen, ihre Herzfrequenz zu kontrollieren, was bedeutet, dass sie willentlich eine unwillkürliche Aktivität steuern.

Das Rückenmark ist etwa 18 Zoll lang und so breit wie ein Zeigefinger. Es verläuft von der Basis des Gehirns bis zur Mitte des Rückens. Es ist im Wesentlichen eine Erweiterung des Gehirns. Seine Hauptfunktion besteht darin, Signale zum und vom Gehirn zu transportieren, was es zum zentralen Boten zwischen dem Gehirn und dem Rest des Körpers macht. Seine aufsteigende Bahn transportiert Signale von Körperstellen zum Gehirn, und seine absteigende Bahn transportiert Botschaften vom Gehirn zur entsprechenden Körperstruktur (z. B. um eine Bewegung zu verursachen). Das Rückenmark ist auch unabhängig vom Gehirn an einigen Reaktionen beteiligt (z. B. Kniesehnenreflex). Eine Schädigung des Rückenmarks, z. B. durch einen Unfall, kann zu Symptomen führen, die von Taubheitsgefühlen bis hin zu vollständiger Lähmung reichen (Jensen, 2005; Wolfe, 2001).

Das ZNS besteht aus Milliarden von Zellen im Gehirn und Rückenmark. Es gibt zwei Hauptzelltypen: Neuronen und Gliazellen. Eine Darstellung der neuronalen Organisation ist unten gezeigt:

Neuronen

Das Gehirn und das Rückenmark enthalten etwa 100 Milliarden Neuronen, die Informationen an Muskeln und Organe senden und von diesen empfangen (Wolfe, 2001). Die meisten Neuronen des Körpers befinden sich im ZNS. Neuronen unterscheiden sich in zweierlei Hinsicht von anderen Körperzellen (z. B. Haut, Blut). Zum einen regenerieren sich die meisten Körperzellen regelmässig. Diese ständige Erneuerung ist wünschenswert; wenn wir uns zum Beispiel schneiden, regenerieren sich neue Zellen, um die beschädigten zu ersetzen. Neuronen regenerieren sich jedoch nicht in der gleichen Weise. Gehirn- und Rückenmarkzellen, die durch einen Schlaganfall, eine Krankheit oder einen Unfall zerstört werden, können dauerhaft verloren gehen. Positiv anzumerken ist jedoch, dass es Hinweise darauf gibt, dass Neuronen eine gewisse Regeneration aufweisen können (Kempermann & Gage, 1999), obwohl das Ausmass, in dem dies geschieht, und der Prozess, durch den dies geschieht, nicht gut verstanden werden.

Neuronen unterscheiden sich auch von anderen Körperzellen, weil sie miteinander kommunizieren—mittels elektrischer Signale und chemischer Reaktionen. Sie sind daher anders organisiert als andere Körperzellen. Diese Organisation wird später in diesem Abschnitt erörtert.

Gliazellen

Der zweite Zelltyp im ZNS ist die Gliazelle. Gliazellen sind weitaus zahlreicher als Neuronen. Man kann sie sich als Stützzellen vorstellen, da sie die Arbeit der Neuronen unterstützen. Sie übertragen keine Signale wie Neuronen, sondern unterstützen den Prozess.

Gliazellen erfüllen viele Funktionen. Eine Schlüsselfunktion besteht darin, sicherzustellen, dass Neuronen in einer guten Umgebung arbeiten. Gliazellen helfen, Chemikalien zu entfernen, die den Neuronenbetrieb stören könnten. Gliazellen entfernen auch tote Gehirnzellen. Eine weitere wichtige Funktion besteht darin, dass Gliazellen Myelin ablagern, eine scheidenartige Hülle um Axone, die die Übertragung von Gehirnsignalen unterstützt (im nächsten Abschnitt erläutert). Gliazellen scheinen auch wichtige Funktionen bei der Entwicklung des fötalen Gehirns zu spielen (Wolfe, 2001). Somit arbeiten Gliazellen mit Neuronen zusammen, um ein effektives Funktionieren des ZNS zu gewährleisten.

Synapsen

Jedes Neuron besteht aus einem Zellkörper, Tausenden von kurzen Dendriten und einem Axon. Ein Dendrit ist ein längliches Gewebe, das Informationen von anderen Zellen empfängt. Ein Axon ist ein langer Gewebefaden, der Nachrichten an andere Zellen sendet. Die Myelinscheide umgibt das Axon und erleichtert die Weiterleitung von Signalen.

Jedes Axon endet in einer verzweigten Struktur. Die Enden dieser verzweigten Strukturen verbinden sich mit den Enden von Dendriten. Diese Verbindung wird als Synapse bezeichnet. Die miteinander verbundene Struktur ist der Schlüssel zur Kommunikation von Neuronen, da Nachrichten zwischen Neuronen an den Synapsen weitergegeben werden.

Der Prozess, durch den Neuronen kommunizieren, ist komplex. Am Ende jedes Axons befinden sich chemische Neurotransmitter. Sie berühren nicht ganz die Dendriten einer anderen Zelle. Der Spalt wird als synaptischer Spalt bezeichnet. Wenn elektrische und chemische Signale ein ausreichend hohes Niveau erreichen, werden Neurotransmitter in den Spalt freigesetzt. Die Neurotransmitter aktivieren oder hemmen entweder eine Reaktion im kontaktierten Dendriten. Der Prozess beginnt also als elektrische Reaktion im Neuron und Axon, wandelt sich in eine chemische Reaktion im Spalt um und wandelt sich dann wieder in eine elektrische Reaktion im Dendriten um. Dieser Prozess setzt sich von Neuron zu Neuron blitzschnell fort. Wie später in diesem Kapitel erörtert wird, ist die Rolle der Neurotransmitter im synaptischen Spalt für das Lernen von entscheidender Bedeutung. Aus neurowissenschaftlicher Sicht ist Lernen eine Veränderung der Empfänglichkeit von Zellen, die durch neuronale Verbindungen hervorgerufen wird, die durch Gebrauch gebildet, gestärkt und mit anderen verbunden werden (Jensen, 2005; Wolfe, 2001).

Das menschliche Gehirn (Cerebrum) eines Erwachsenen wiegt ungefähr drei Pfund und hat ungefähr die Größe einer Cantaloupe-Melone oder einer großen Grapefruit (Tolson, 2006; Wolfe, 2001). Seine äußere Textur weist eine Reihe von Falten auf und wirkt faltig, ähnlich einem Blumenkohl. Es besteht hauptsächlich aus Wasser (78 %), der Rest ist Fett und Protein. Seine Textur ist im Allgemeinen weich. Die wichtigsten Gehirnstrukturen, die am Lernen beteiligt sind, sind in Abbildung 2.2 dargestellt (Byrnes, 2001; Jensen, 2005; Wolfe, 2001) und werden nachfolgend beschrieben.

Großhirnrinde (Zerebraler Kortex)

Die Großhirnrinde bedeckt das Gehirn. Sie ist eine dünne Schicht von etwa der Dicke einer Orangenschale (weniger als 1/4 Zoll). Die Großhirnrinde ist die faltige „graue Substanz“ des Gehirns. Die Falten ermöglichen es der Großhirnrinde, eine größere Oberfläche zu haben, was mehr Neuronen und neuronale Verbindungen ermöglicht. Die Großhirnrinde hat zwei Hemisphären (rechts und links), von denen jede vier Lappen hat (Okzipitallappen, Parietallappen, Temporallappen und Frontallappen). Der Kortex ist der zentrale Bereich, der am Lernen, am Gedächtnis und an der Verarbeitung sensorischer Informationen beteiligt ist.

Hirnstamm und Formatio reticularis

An der Basis des Gehirns befindet sich der Hirnstamm. Der Hirnstamm steuert ANS-Funktionen (unwillkürliche Funktionen) durch seine Formatio reticularis, ein Netzwerk von Neuronen und Fasern, das die Kontrolle grundlegender Körperfunktionen wie Atmung, Herzfrequenz, Blutdruck, Augenbewegung, Speichelfluss und Geschmack reguliert. Die Formatio reticularis ist auch an der Steuerung des Wachheitsgrades beteiligt (z. B. Schlaf, Wachzustand). Wenn Sie beispielsweise einen ruhigen, dunklen Raum betreten, reduziert die Formatio reticularis die Gehirnaktivierung und ermöglicht es Ihnen, zu schlafen. Die Formatio reticularis hilft auch bei der Steuerung sensorischer Inputs. Obwohl wir ständig von mehreren Reizen bombardiert werden, ermöglicht uns die Formatio reticularis, uns auf relevante Reize zu konzentrieren. Dies ist entscheidend für Aufmerksamkeit und Wahrnehmung (Kapitel 5), die Schlüsselkomponenten des menschlichen Informationsverarbeitungssystems sind. Schließlich produziert die Formatio reticularis viele der chemischen Botenstoffe für das Gehirn.

Kleinhirn (Cerebellum)

Das Kleinhirn auf der Rückseite des Gehirns reguliert das Körpergleichgewicht, die Muskelkontrolle, die Bewegung und die Körperhaltung. Obwohl diese Aktivitäten weitgehend unter bewusster Kontrolle stehen (und daher in den Bereich des Kortex fallen), verfügt der Kortex nicht über alle Geräte, die er zur Regulierung benötigt. Es arbeitet mit dem Kleinhirn zusammen, um Bewegungen zu koordinieren. Das Kleinhirn ist der Schlüssel zum Erwerb motorischer Fähigkeiten. Mit Übung werden viele motorische Fähigkeiten automatisch (z. B. Klavierspielen, Autofahren). Diese Automatisierung tritt auf, weil das Kleinhirn einen Großteil der Kontrolle übernimmt, wodurch sich der Kortex auf Aktivitäten konzentrieren kann, die Bewusstsein erfordern (z. B. Denken, Problemlösen).

Thalamus und Hypothalamus

Über dem Hirnstamm befinden sich zwei walnussgroße Strukturen: der Thalamus und der Hypothalamus. Der Thalamus fungiert als Brücke, indem er Inputs von den Sinnesorganen (mit Ausnahme des Geruchssinns) an den Kortex sendet. Der Hypothalamus ist Teil des ANS. Er steuert Körperfunktionen, die zur Aufrechterhaltung der Homöostase erforderlich sind, wie Körpertemperatur, Schlaf, Wasser und Nahrung. Der Hypothalamus ist auch für eine erhöhte Herzfrequenz und Atmung verantwortlich, wenn wir verängstigt oder gestresst sind.

Amygdala (Mandelkern)

Die Amygdala ist an der Steuerung von Emotionen und Aggression beteiligt. Eingehende sensorische Inputs (mit Ausnahme des Geruchssinns, der direkt zum Kortex gelangt) gelangen zum Thalamus, der die Informationen wiederum an den entsprechenden Bereich des Kortex und an die Amygdala weiterleitet. Die Funktion der Amygdala besteht darin, die Schädlichkeit sensorischer Inputs zu beurteilen. Wenn sie einen potenziell schädlichen Reiz erkennt, signalisiert sie dem Hypothalamus, der die oben genannten emotionalen Veränderungen hervorruft (z. B. erhöhte Herzfrequenz und Blutdruck).

Hippocampus

Der Hippocampus ist die Gehirnstruktur, die für das Gedächtnis der unmittelbaren Vergangenheit verantwortlich ist. Wie lange ist die unmittelbare Vergangenheit? Wie wir in Kapitel 5 sehen werden, gibt es kein objektives Kriterium dafür, was unmittelbares und langfristiges (permanentes) Gedächtnis ausmacht. Anscheinend hilft der Hippocampus, Informationen im Langzeitgedächtnis zu etablieren (das sich im Kortex befindet), behält aber seine Rolle bei der Aktivierung dieser Informationen nach Bedarf bei. Somit kann der Hippocampus am aktuell aktiven (Arbeits-)Gedächtnis beteiligt sein. Sobald Informationen vollständig im Langzeitgedächtnis gespeichert sind, kann der Hippocampus seine Rolle aufgeben.

Corpus Callosum (Balken)

Entlang des Gehirns (Cerebrum) von vorne nach hinten verläuft ein Faserband, das als Corpus Callosum bekannt ist. Es teilt das Cerebrum in zwei Hälften oder Hemisphären und verbindet sie zur neuronalen Verarbeitung. Dies ist von entscheidender Bedeutung, da ein Großteil der mentalen Verarbeitung an mehr als einem Ort im Gehirn stattfindet und oft beide Hemisphären einbezieht.

Okzipitallappen (Hinterhauptlappen)

Die Okzipitallappen des Cerebrums sind hauptsächlich mit der Verarbeitung visueller Informationen befasst. Der Okzipitallappen wird auch als visueller Kortex bezeichnet. Erinnern Sie sich, dass visuelle Reize zuerst vom Thalamus empfangen werden, der diese Signale dann an die Okzipitallappen sendet. Hier finden viele Funktionen statt, die die Bestimmung von Bewegung, Farbe, Tiefe, Entfernung und anderen visuellen Merkmalen beinhalten. Sobald diese Bestimmungen getroffen wurden, werden die visuellen Reize mit dem verglichen, was im Gedächtnis gespeichert ist, um die Erkennung (Wahrnehmung) zu bestimmen. Somit wird ein Objekt, das mit einem gespeicherten Muster übereinstimmt, erkannt. Wenn es keine Übereinstimmung gibt, wird ein neuer Reiz im Gedächtnis gespeichert. Der visuelle Kortex muss mit anderen Gehirnsystemen kommunizieren, um festzustellen, ob ein visueller Reiz mit einem gespeicherten Muster übereinstimmt (Gazzaniga, Ivry & Mangun, 1998). Die Bedeutung der visuellen Verarbeitung beim Lernen wird in der Eröffnungsvignette von Joe hervorgehoben.

Menschen können ihre visuelle Wahrnehmung leicht steuern, indem sie sich zwingen, bestimmten Merkmalen der Umgebung Aufmerksamkeit zu schenken und andere zu ignorieren. Wenn wir beispielsweise in einer Menschenmenge nach einem Freund suchen, können wir Tausende von visuellen Reizen ignorieren und uns nur auf diejenigen Reize (z. B. Gesichtsmerkmale) konzentrieren, die uns helfen festzustellen, ob unser Freund anwesend ist. Lehrer nutzen diese Idee, indem sie die Schüler bitten, visuellen Darstellungen Aufmerksamkeit zu schenken, und indem sie sie zu Beginn des Unterrichts über die Ziele des Unterrichts informieren.

Parietallappen (Scheitellappen)

Die Parietallappen oben im Gehirn im Cerebrum sind für den Tastsinn verantwortlich und helfen, die Körperposition zu bestimmen und visuelle Informationen zu integrieren. Die Parietallappen haben vordere (anteriore) und hintere (posteriore) Abschnitte. Der vordere Teil empfängt Informationen vom Körper bezüglich Berührung, Temperatur, Körperposition und Empfindungen von Schmerz und Druck (Wolfe, 2001). Jeder Teil des Körpers hat bestimmte Bereiche im vorderen Teil, die seine Informationen empfangen und die Identifizierung genau machen.

Der hintere Abschnitt integriert taktile Informationen, um ein räumliches Körperbewusstsein zu vermitteln, d. h. zu wissen, wo sich die Teile Ihres Körpers jederzeit befinden. Die Parietallappen können auch die Aufmerksamkeit auf verschiedene Körperteile erhöhen oder verringern. Beispielsweise wird ein Schmerz in Ihrem Bein vom Parietallappen empfangen und identifiziert, aber wenn Sie einen unterhaltsamen Film ansehen und dem aufmerksam folgen, können Sie den Schmerz in Ihrem Bein „vergessen“.

Temporallappen (Schläfenlappen)

Die Temporallappen, die sich an der Seite des Cerebrums befinden, sind für die Verarbeitung auditorischer Informationen verantwortlich. Wenn ein auditorischer Input empfangen wird—z. B. eine Stimme oder ein anderes Geräusch—werden diese Informationen verarbeitet und an das auditive Gedächtnis übertragen, um die Erkennung zu bestimmen. Diese Erkennung kann dann zu einer Handlung führen. Wenn beispielsweise ein Lehrer den Schülern sagt, sie sollen ihre Bücher wegräumen und sich an der Tür aufstellen, werden diese auditorischen Informationen verarbeitet und erkannt und führen dann zu der entsprechenden Handlung.

Wo sich die Okzipital-, Parietal- und Temporallappen in der linken Hemisphäre des Kortex kreuzen, befindet sich das Wernicke-Areal, das es uns ermöglicht, Sprache zu verstehen und die richtige Syntax beim Sprechen zu verwenden. Dieser Bereich arbeitet eng mit einem anderen Bereich im Frontallappen der linken Hemisphäre zusammen, dem Broca-Areal, das für das Sprechen notwendig ist. Obwohl sich diese wichtigen Sprachverarbeitungsbereiche in der linken Hemisphäre befinden (das Broca-Areal befindet sich jedoch bei einigen Menschen in der rechten Hemisphäre, wie später erläutert wird), arbeiten viele Teile des Gehirns zusammen, um Sprache zu verstehen und zu produzieren. Sprache wird später in diesem Kapitel ausführlicher behandelt.

Frontallappen (Stirnlappen)

Wie der Name schon sagt, liegen die Frontallappen an der Vorderseite des Cerebrums. Die Frontallappen machen den größten Teil des Kortex aus. Ihre zentralen Funktionen bestehen darin, Informationen in Bezug auf Gedächtnis, Planung, Entscheidungsfindung, Zielsetzung und Kreativität zu verarbeiten. Die Frontallappen enthalten auch den primären motorischen Kortex, der Muskelbewegungen reguliert.

Man könnte argumentieren, dass die Frontallappen im Gehirn uns am deutlichsten von niederen Tieren und sogar von unseren Vorfahren vergangener Generationen unterscheiden. Die Frontallappen haben sich entwickelt, um immer komplexere Funktionen zu übernehmen. Sie ermöglichen es uns, zu planen und bewusste Entscheidungen zu treffen, Probleme zu lösen und uns mit anderen zu unterhalten. Darüber hinaus vermitteln uns diese Lappen ein Bewusstsein für unsere mentalen Prozesse, eine Form der Metakognition.

Von der Oberseite des Gehirns bis zu den Ohren verläuft ein Zellstreifen, der als primärer motorischer Kortex bekannt ist. Dieser Bereich ist der Bereich, der die Körperbewegungen steuert. Wenn Sie also beim Tanzen des “Hokey Pokey“ denken „Stell deinen rechten Fuß hinein“, ist es der motorische Kortex, der Sie anweist, Ihren rechten Fuß hineinzustellen. Jeder Teil des Körpers ist einem bestimmten Ort im motorischen Kortex zugeordnet, so dass ein Signal von einem bestimmten Teil des Kortex zu der richtigen Bewegung führt.

Vor dem motorischen Kortex befindet sich das Broca-Areal, der Ort, der die Sprachproduktion steuert. Dieser Bereich befindet sich bei etwa 95 % der Menschen in der linken Hemisphäre; bei den anderen 5 % (30 % der Linkshänder) befindet sich dieser Bereich in der rechten Hemisphäre (Wolfe, 2001). Es überrascht nicht, dass dieser Bereich über Nervenfasern mit dem Wernicke-Areal im linken Temporallappen verbunden ist. Sprache wird im Wernicke-Areal gebildet und dann zur Produktion an das Broca-Areal übertragen (Wolfe, 2001).

Der vordere Teil des Frontallappens, der präfrontale Kortex, ist beim Menschen im Vergleich zu anderen Tieren proportional größer. Hier finden die höchsten Formen der mentalen Aktivität statt (Ackerman, 1992). Kapitel 5 erläutert, wie kognitive Informationsverarbeitungsassoziationen im Gehirn hergestellt werden. Der präfrontale Kortex ist der Schlüsselbereich für diese Assoziationen, da Informationen, die von den Sinnen empfangen werden, mit Informationen in Beziehung gesetzt werden, die im Gedächtnis gespeichert sind. Kurz gesagt, der Sitz des Lernens scheint sich im präfrontalen Kortex zu befinden. Er ist auch der Regulator des Bewusstseins, der es uns ermöglicht, uns bewusst zu sein, was wir denken, fühlen und tun. Wie später erläutert wird, scheint der präfrontale Kortex an der Regulierung von Emotionen beteiligt zu sein.

Tabelle „Schlüsselfunktionen von Bereichen des Gehirns“ fasst die Schlüsselfunktionen jedes der wichtigsten Gehirnbereiche zusammen (Byrnes, 2001; Jensen, 2005; Wolfe, 2001). Beachten Sie bei der Durchsicht dieser Tabelle, dass kein Teil des Gehirns unabhängig arbeitet. Vielmehr werden Informationen (in Form von neuronalen Impulsen) schnell zwischen den Bereichen des Gehirns übertragen. Obwohl viele Gehirnfunktionen lokalisiert sind, sind an selbst einfachen Aufgaben verschiedene Teile des Gehirns beteiligt. Es macht daher wenig Sinn, eine Gehirnfunktion als in nur einem Bereich befindlich zu bezeichnen, wie in der Eröffnungsvignette von Emma hervorgehoben wird.

Wir wissen heute viel mehr über die Funktionsweise des Gehirns als je zuvor, aber das Gehirn wird schon seit vielen Jahren erforscht. Die Funktionen der linken und rechten Hemisphäre sind Gegenstand anhaltender Debatten. Wolfe (2001) merkte an, dass bereits um 400 v. Chr. Hippokrates von der Dualität des Gehirns sprach. Cowey (1998) berichtete, dass Forscher im Jahr 1870 verschiedene Teile des Gehirns von Tieren und Soldaten mit Kopfverletzungen elektrisch stimulierten. Sie stellten fest, dass die Stimulation bestimmter Teile des Gehirns Bewegungen in verschiedenen Körperteilen verursachte. Die Idee, dass das Gehirn eine dominante Hemisphäre hat, wurde bereits 1874 vorgeschlagen (Binney & Janson, 1990).

Es ist seit vielen Jahren bekannt, dass im Allgemeinen die linke Hemisphäre das rechte Gesichtsfeld und die rechte Körperseite steuert und die rechte Hemisphäre das linke Gesichtsfeld und die linke Körperseite reguliert. Die beiden Hemisphären sind jedoch durch Faserbündel verbunden, von denen das größte der Corpus callosum ist. Gazzaniga, Bogen und Sperry (1962) zeigten, dass die Sprache weitgehend von der linken Hemisphäre gesteuert wird. Diese Forscher stellten fest, dass Patienten, denen der Corpus callosum durchtrennt wurde und die einen Gegenstand außer Sichtweite in ihren linken Händen hielten, behaupteten, sie hielten nichts. Anscheinend konnte diese Hemisphäre ohne den visuellen Reiz und weil die linke Hand mit der rechten Hemisphäre kommuniziert, bei Empfang der Information keinen Namen produzieren (weil die Sprache in der linken Hemisphäre lokalisiert ist), und mit einem durchtrennten Corpus callosum konnte die Information nicht in die linke Hemisphäre übertragen werden.

Die Hirnforschung hat auch andere lokalisierte Funktionen identifiziert. Analytisches Denken scheint in der linken Hemisphäre zentriert zu sein, während räumliche, auditive, emotionale und künstlerische Verarbeitung in der rechten Hemisphäre stattfindet (aber die rechte Hemisphäre verarbeitet anscheinend negative Emotionen und die linke Hemisphäre verarbeitet positive Emotionen; Ornstein, 1997). Musik wird in der rechten Hemisphäre besser verarbeitet; Direktionalität in der rechten Hemisphäre; und Gesichtserkennung in der linken Hemisphäre.

Die rechte Hemisphäre spielt auch eine entscheidende Rolle bei der Interpretation von Kontexten (Wolfe, 2001). Nehmen wir zum Beispiel an, jemand hört eine Nachricht und sagt: “Das ist großartig!” Das könnte bedeuten, dass die Person die Nachricht wunderbar oder schrecklich findet. Der Kontext bestimmt die richtige Bedeutung (z. B. ob der Sprecher aufrichtig oder sarkastisch ist). Der Kontext kann aus Intonation, Mimik und Gestik der Menschen sowie aus Kenntnissen anderer Elemente in der Situation gewonnen werden. Es scheint, dass die rechte Hemisphäre der primäre Ort für das Zusammenstellen von Kontextinformationen ist, damit eine korrekte Interpretation vorgenommen werden kann.

Da Funktionen in Hirnabschnitten lokalisiert sind, war es verlockend zu postulieren, dass Menschen, die sehr sprachgewandt sind, von ihrer linken Hemisphäre (linkshirnig) dominiert werden, während diejenigen, die künstlerischer und emotionaler sind, von ihrer rechten Hemisphäre (rechtshirnig) gesteuert werden. Dies ist jedoch eine vereinfachende und irreführende Schlussfolgerung, wie die Pädagogen im Eingangsszenario nun erkennen. Obwohl Hemisphären lokalisierte Funktionen haben, sind sie auch verbunden, und es findet viel Informationsaustausch (neuronale Impulse) zwischen ihnen statt. Sehr wenig mentale Verarbeitung findet wahrscheinlich nur in einer Hemisphäre statt (Ornstein, 1997). Weiterhin könnten wir fragen, welche Hemisphäre Individuen steuert, die sowohl sehr sprachgewandt als auch emotional sind (z. B. leidenschaftliche Redner).

Die Hemisphären arbeiten zusammen; Informationen stehen ihnen jederzeit zur Verfügung. Sprache ist ein gutes Beispiel. Wenn Sie sich mit einem Freund unterhalten, ist es Ihre linke Hemisphäre, die es Ihnen ermöglicht, Sprache zu produzieren, aber Ihre rechte Hemisphäre, die den Kontext liefert und Ihnen hilft, die Bedeutung zu verstehen.

Es gibt eine große Debatte unter kognitiven Neurowissenschaftlern über das Ausmaß der Lateralisierung. Einige argumentieren, dass bestimmte kognitive Funktionen in bestimmten Regionen des Gehirns lokalisiert sind, während andere glauben, dass verschiedene Regionen die Fähigkeit haben, verschiedene Aufgaben auszuführen (Byrnes & Fox, 1998). Diese Debatte spiegelt die in der kognitiven Psychologie zwischen der traditionellen Ansicht, dass Wissen lokal kodiert ist, und der Parallel Distributed Processing-Ansicht (siehe Kapitel 5) wider, dass Wissen nicht an einem Ort, sondern über viele Gedächtnisnetzwerke hinweg kodiert ist (Bowers, 2009).

Es gibt Forschungsergebnisse, die beide Positionen unterstützen. Verschiedene Teile des Gehirns haben unterschiedliche Funktionen, aber Funktionen sind selten, wenn überhaupt, vollständig in einem Abschnitt des Gehirns lokalisiert. Dies gilt insbesondere für komplexe mentale Operationen, die von mehreren grundlegenden mentalen Operationen abhängen, deren Funktionen in mehreren Bereichen verteilt sein können. Wie Byrnes und Fox (1998) argumentierten: “Fast jede Aufgabe erfordert die Teilnahme beider Hemisphären, aber die Hemisphären scheinen bestimmte Arten von Informationen effizienter zu verarbeiten als andere” (S. 310). Pädagogisch gesehen wird daher die Praxis, auf verschiedene Seiten des Gehirns (rechtes Gehirn, linkes Gehirn) zu unterrichten, nicht durch empirische Forschung gestützt.

Ein Grund, warum wir heute so viel mehr über die Funktionsweise des ZNS wissen als je zuvor, ist die Konvergenz des Interesses an der Hirnforschung bei Menschen aus verschiedenen Bereichen. Historisch gesehen wurden Untersuchungen des Gehirns hauptsächlich von Forschern aus den Bereichen Medizin, Biologie und Psychologie durchgeführt. Im Laufe der Jahre haben Menschen aus anderen Bereichen ein größeres Interesse an der Hirnforschung entwickelt, in der Überzeugung, dass die Forschungsergebnisse Auswirkungen auf die Entwicklungen in ihren Bereichen haben würden. Heute finden wir Pädagogen, Soziologen, Sozialarbeiter, Berater, Regierungsangestellte (insbesondere solche im Justizsystem) und andere, die sich für Hirnforschung interessieren. Auch die Finanzierung der Hirnforschung wurde erhöht, auch durch Agenturen, die hauptsächlich nicht-hirnbezogene Forschung finanzieren (z. B. Bildung).

Ein weiterer Grund für unser gestiegenes Wissen ist, dass es enorme Fortschritte in der Technologie zur Durchführung von Hirnforschung gegeben hat. Vor vielen Jahren war die einzige Möglichkeit, Hirnforschung zu betreiben, eine Autopsie durchzuführen. Obwohl die Untersuchung des Gehirns von Verstorbenen nützliche Informationen geliefert hat, kann diese Art der Forschung nicht bestimmen, wie das Gehirn funktioniert und Informationen verarbeitet. Letztere Informationen werden benötigt, um zu verstehen, wie sich das Gehirn während des Lernens verändert und gelernte Informationen nutzt, um Handlungen und neues Lernen zu erzeugen.

Techniken, die nützliche Informationen geliefert haben, werden im Folgenden erörtert und in Tabelle zusammengefasst. Diese sind grob von am wenigsten zu am meisten ausgereift geordnet.

Röntgenaufnahmen

Röntgenstrahlen sind hochfrequente elektromagnetische Wellen, die nichtmetallische Objekte durchdringen können, wo sie von Körperstrukturen absorbiert werden (Wolfe, 2001). Die nicht absorbierten Strahlen treffen auf eine fotografische Platte. Die Interpretation basiert auf hellen und dunklen Bereichen (Graustufen). Röntgenaufnahmen sind zweidimensional und am nützlichsten für feste Strukturen, z. B. um festzustellen, ob Sie sich einen Knochen gebrochen haben. Sie funktionieren im Gehirn nicht besonders gut, da es aus Weichgewebe besteht, obwohl Röntgenaufnahmen Schäden am Schädel (einer Knochenstruktur) feststellen können.

CAT Scans

CAT (computerisierte axiale Tomographie) Scans wurden in den frühen 1970er Jahren entwickelt, um die Abstufungen in den von Röntgenstrahlen erzeugten Graustufen zu erhöhen. CAT Scans verwenden die Röntgentechnologie, verbessern aber die Bilder von zwei auf drei Dimensionen. CAT Scans werden von Ärzten verwendet, um Tumore und andere Anomalien zu untersuchen, aber wie Röntgenaufnahmen liefern sie keine detaillierten Informationen über die Gehirnfunktion.

EEGs

Das EEG (Elektroenzephalograph) ist eine bildgebende Methode, die elektrische Muster misst, die durch die Bewegungen von Neuronen erzeugt werden (Wolfe, 2001). Auf der Kopfhaut platzierte Elektroden erkennen neuronale Impulse, die durch den Schädel wandern. Die EEG-Technologie vergrößert die Signale und zeichnet sie auf einem Monitor oder Papierdiagramm auf (Gehirnwellen). Die Frequenz der Gehirnwellen (Oszillationen) nimmt während der geistigen Aktivität zu und während des Schlafs ab. EEGs haben sich als nützlich erwiesen, um bestimmte Arten von Hirnstörungen (z. B. Epilepsie, Sprache) darzustellen und Schlafstörungen zu überwachen (Wolfe, 2001). EEGs liefern wertvolle zeitliche Informationen durch ereignisbezogene Potentiale (siehe Abschnitt Sprachentwicklung), können aber nicht die Art von räumlichen Informationen (d. h. wo die Aktivität stattfindet) erkennen, die benötigt werden, um das Lernen eingehend zu untersuchen.

PET Scans

PET (Positronen-Emissions-Tomographie) Scans ermöglichen es, die Gehirnaktivität zu untersuchen, während eine Person Aufgaben ausführt. Der Person wird eine kleine Dosis radioaktiver Glukose injiziert, die das Blut zum Gehirn transportiert. Während sich die Person im PET-Scanner befindet, führt sie geistige Aufgaben aus. Die Bereiche des Gehirns, die beteiligt werden, verbrauchen mehr Glukose und erzeugen Gammastrahlen, die von den Geräten erfasst werden. Dies führt zur Erstellung computergestützter Farbbilder (Karten), die Aktivitätsbereiche zeigen.

Obwohl PET Scans einen Fortschritt in der Technologie der Hirnbildgebung darstellen, ist ihre Nützlichkeit begrenzt. Da das Verfahren die Einnahme von radioaktivem Material erfordert, gibt es eine Grenze, wie viele Sitzungen man durchführen und wie viele Bilder man gleichzeitig erstellen kann. Außerdem ist die Erstellung der Bilder ein relativ langsamer Prozess, so dass die Geschwindigkeit, mit der neuronale Aktivität auftritt, nicht vollständig erfasst werden kann. Obwohl der PET Scan eine gute Vorstellung von der gesamten Gehirnaktivität vermittelt, zeigt er nicht die spezifischen Aktivitätsbereiche in ausreichender Detailgenauigkeit (Wolfe, 2001).

MRIs und fMRIs

Die Magnetresonanztomographie (MRI) und die neuere funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRI) sind bildgebende Verfahren, die Probleme mit PET Scans lösen. Bei einer MRI wird ein Strahl von Radiowellen auf das Gehirn gerichtet. Das Gehirn besteht hauptsächlich aus Wasser, das Wasserstoffatome enthält. Die Radiowellen veranlassen die Wasserstoffatome, Radiosignale zu erzeugen, die von Sensoren erfasst und auf ein computergestütztes Bild abgebildet werden. Der Detailgrad ist dem eines CAT Scans überlegen, und MRIs werden häufig verwendet, um Tumore, Läsionen und andere Anomalien zu erkennen (Wolfe, 2001).

Die fMRI funktioniert ähnlich wie die MRI, außer dass die Personen mentale oder Verhaltensaufgaben ausführen müssen. Während sie dies tun, feuern die verantwortlichen Teile des Gehirns Neuronen, was dazu führt, dass mehr Blut in diese Regionen fließt. Der Blutfluss verändert das Magnetfeld, so dass die Signale intensiver werden. Der fMRI-Scanner erfasst diese Veränderungen und bildet sie auf ein computergestütztes Bild ab. Dieses Bild kann mit einem Bild des Gehirns im Ruhezustand verglichen werden, um Veränderungen zu erkennen. Die fMRI kann die Gehirnaktivität erfassen, während sie auftritt und wo sie auftritt, da die fMRI vier Bilder pro Sekunde aufnehmen kann und es etwa eine halbe Sekunde dauert, bis das Gehirn auf einen Reiz reagiert (Wolfe, 2001). Es gibt jedoch eine gewisse zeitliche Disparität, da die Veränderungen des Blutflusses mehrere Sekunden dauern können (Varma, McCandliss & Schwartz, 2008).

Verglichen mit anderen Methoden hat die fMRI viele Vorteile. Sie erfordert nicht die Einnahme einer radioaktiven Substanz. Sie arbeitet schnell und kann die Aktivität präzise messen. Sie kann in wenigen Sekunden ein Bild des Gehirns aufnehmen, was viel schneller ist als andere Methoden. Und die fMRI kann ohne Probleme wiederholt werden.

Ein Problem bei den Gehirntechnologien ist, dass sie in künstlichen Kontexten (z. B. Labors) eingesetzt werden müssen, was es ausschließt, das Lernen in aktiven Klassenzimmern zu erfassen. Dieses Problem kann teilweise dadurch behoben werden, dass man den Teilnehmern während Gehirnexperimenten Lernaufgaben stellt oder sie unmittelbar nach dem Erleben verschiedener Unterrichtskontexte der Technologie unterzieht (Varma et al., 2008). Darüber hinaus verändert sich der Bereich der Hirnforschung rasant und Technologien werden entwickelt und verfeinert. In Zukunft können wir mit hochentwickelteren Techniken rechnen, die uns helfen werden, die Gehirnprozesse während des Lernens genauer zu bestimmen. Wir wenden uns nun der Neurophysiologie des Lernens zu, die sich damit befasst, wie das Gehirn funktioniert, um Informationen zu verarbeiten, zu integrieren und zu nutzen.