Neurophysiologie des Lernens: Neurowissenschaft des Lernens

Die Erörterung in diesem Abschnitt über die Gehirnverarbeitung während des Lernens verwendet als Bezugsrahmen das in Kapitel 5 besprochene Informationsverarbeitungsmodell (siehe Abbildung 5.1). Die Gehirnverarbeitung während des Lernens ist komplex, und das Folgende behandelt nur die zentralen Elemente. Leser, die detaillierte Informationen über Lernen und Gedächtnis aus neurophysiologischer Sicht wünschen, sollten andere Quellen konsultieren (Byrnes, 2001; Jensen, 2005; Rose, 1998; Wolfe, 2001).

Das Informationsverarbeitungssystem umfasst sensorische Register, das Kurzzeitgedächtnis (KZG) oder Arbeitsgedächtnis (AG) und das Langzeitgedächtnis (LZG). Die sensorischen Register empfangen Input und halten ihn für einen Bruchteil einer Sekunde fest, woraufhin der Input verworfen oder an das AG weitergeleitet wird. Der grösste Teil des sensorischen Inputs wird verworfen, da wir zu jedem gegebenen Zeitpunkt mit einer Vielzahl von sensorischen Inputs bombardiert werden.

Weiter oben in diesem Kapitel haben wir gesehen, dass der gesamte sensorische Input (mit Ausnahme von Gerüchen) direkt zum Thalamus gelangt, wo zumindest ein Teil davon dann zur Verarbeitung an den entsprechenden Teil der Grosshirnrinde gesendet wird (z. B. Hirnlappen, die die entsprechenden sensorischen Informationen verarbeiten). Der Input wird jedoch nicht in der gleichen Form gesendet, in der er empfangen wurde; vielmehr wird er als neuronale “Wahrnehmung” dieses Inputs gesendet. Zum Beispiel wird ein auditorischer Reiz, der vom Thalamus empfangen wird, in das neuronale Äquivalent der Wahrnehmung dieses Reizes umgewandelt. Diese Wahrnehmung ist auch für den Abgleich von Informationen mit dem bereits im Gedächtnis gespeicherten Material verantwortlich, ein Prozess, der als Mustererkennung bekannt ist. Wenn der visuelle Reiz der Lehrer im Klassenzimmer ist, stimmt die an die Grosshirnrinde gesendete Wahrnehmung mit der gespeicherten Repräsentation des Lehrers überein, und der Reiz wird erkannt.

Ein Teil dessen, was die Wahrnehmung sinnvoll macht, ist, dass das retikuläre Aktivierungssystem des Gehirns Informationen filtert, um triviale Informationen auszuschliessen und sich auf wichtiges Material zu konzentrieren (Wolfe, 2001). Dieser Prozess ist adaptiv, denn wenn wir versuchen würden, jeden Input zu beachten, wären wir nie in der Lage, uns auf irgendetwas zu konzentrieren. Es gibt mehrere Faktoren, die diese Filterung beeinflussen. Wahrgenommene Wichtigkeit, z. B. wenn Lehrer ankündigen, dass Material wichtig ist (z. B. geprüft wird), erregt wahrscheinlich die Aufmerksamkeit der Schüler. Neuheit erregt Aufmerksamkeit; das Gehirn neigt dazu, sich auf Inputs zu konzentrieren, die neu oder anders sind als erwartet. Ein weiterer Faktor ist die Intensität; Reize, die lauter, heller oder ausgeprägter sind, erhalten mehr Aufmerksamkeit. Bewegung hilft auch, die Aufmerksamkeit zu fokussieren. Obwohl diese Aufmerksamkeits-Systeme grösstenteils unbewusst arbeiten, ist es möglich, diese Ideen zu nutzen, um die Aufmerksamkeit der Schüler im Klassenzimmer zu fokussieren, z. B. durch die Verwendung von hellen und neuartigen visuellen Darstellungen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sensorische Inputs in den sensorischen Gedächtnisbereichen des Gehirns verarbeitet werden und diejenigen, die lange genug gespeichert werden, ins AG übertragen werden. Das AG scheint sich in mehreren Teilen des Gehirns zu befinden, aber hauptsächlich im präfrontalen Kortex des Frontallappens (Wolfe, 2001). Wie wir in Kapitel 5 sehen werden, gehen Informationen innerhalb weniger Sekunden aus dem AG verloren, wenn sie nicht wiederholt oder ins LZG übertragen werden. Damit Informationen gespeichert werden können, muss es ein neuronales Signal geben, das dies signalisiert; das heisst, die Informationen werden als wichtig erachtet und müssen verwendet werden.

Die Teile des Gehirns, die hauptsächlich am Gedächtnis und der Informationsverarbeitung beteiligt sind, sind der Kortex und der mediale Temporallappen (Wolfe, 2001). Es scheint, dass das Gehirn Erinnerungen in den gleichen Strukturen verarbeitet und speichert, die Informationen ursprünglich wahrnehmen und verarbeiten. Gleichzeitig variieren die spezifischen Teile des Gehirns, die am LZG beteiligt sind, je nach Art der Information. Es wird zwischen deklarativem Gedächtnis (Fakten, Definitionen, Ereignisse) und prozeduralem Gedächtnis (Prozeduren, Strategien) unterschieden. Unterschiedliche Teile des Gehirns sind an der Verwendung von deklarativen und prozeduralen Informationen beteiligt.

Bei deklarativen Informationen empfangen die sensorischen Register in der Grosshirnrinde (z. B. visuell, auditorisch) den Input und übertragen ihn zum Hippocampus und dem nahegelegenen medialen Temporallappen. Die Inputs werden im Wesentlichen im gleichen Format registriert, in dem sie erscheinen (z. B. als visueller oder auditorischer Reiz). Der Hippocampus ist nicht der endgültige Speicherort; er fungiert als Prozessor und Förderer von Inputs. Wie wir im nächsten Abschnitt sehen werden, bilden Inputs, die häufiger auftreten, stärkere neuronale Verbindungen. Bei mehrfacher Aktivierung bilden die Erinnerungen neuronale Netzwerke, die sich stark im frontalen und temporalen Kortex verankern. Das LZG für deklarative Informationen scheint sich daher im frontalen und temporalen Kortex zu befinden.

Viele prozedurale Informationen werden automatisiert, so dass Prozeduren mit wenig oder gar keinem bewussten Bewusstsein ausgeführt werden können (z. B. Tippen, Fahrradfahren). Das anfängliche prozedurale Lernen beinhaltet den präfrontalen Kortex, den Parietallappen und das Kleinhirn, die sicherstellen, dass wir den Bewegungen oder Schritten bewusst Aufmerksamkeit schenken und dass diese Bewegungen oder Schritte korrekt zusammengesetzt werden. Mit Übung zeigen diese Bereiche weniger Aktivität, und andere Gehirnstrukturen, wie der motorische Kortex, werden stärker einbezogen (Wolfe, 2001).

Die kognitive Neurowissenschaft unterstützt die Vorstellung, dass viel durch Beobachtung gelernt werden kann (Bandura, 1986). Die Forschung zeigt, dass die kortikalen Schaltkreise, die an der Ausführung einer Handlung beteiligt sind, auch dann reagieren, wenn wir beobachten, wie jemand anderes diese Handlung ausführt (van Gog, Paas, Marcus, Ayres, & Sweller, 2009).

Bei nicht-motorischen Prozeduren (z. B. Dekodieren von Wörtern, einfache Addition) ist der visuelle Kortex stark beteiligt. Wiederholung kann tatsächlich die neuronale Struktur des visuellen Kortex verändern. Diese Veränderungen ermöglichen es uns, visuelle Reize (z. B. Wörter, Zahlen) schnell zu erkennen, ohne ihre Bedeutung bewusst verarbeiten zu müssen. Infolgedessen werden viele dieser kognitiven Aufgaben routinemässig. Die bewusste Verarbeitung von Informationen (z. B. Innehalten, um darüber nachzudenken, was der Lesetext bedeutet) erfordert eine erweiterte Aktivität in anderen Teilen des Gehirns.

Aber was passiert, wenn einem Input keine Bedeutung beigemessen werden kann? Was passiert, wenn eingehende Informationen, obwohl sie als wichtig erachtet werden (z. B. wenn ein Lehrer sagt: “Passt auf”), nicht mit irgendetwas im Gedächtnis verknüpft werden können? Diese Situation erfordert die Schaffung eines neuen Gedächtnisnetzwerks, wie im nächsten Abschnitt erläutert wird.

Durch wiederholte Präsentationen von Reizen oder Informationen können neuronale Netzwerke so gestärkt werden, dass die neuronalen Reaktionen schnell erfolgen. Aus einer kognitiven neurowissenschaftlichen Perspektive beinhaltet Lernen die Bildung und Stärkung von neuronalen Verbindungen und Netzwerken (synaptischen Verbindungen). Diese Definition ist der Definition von Lernen in aktuellen informationsverarbeitenden Theorien (z. B. ACT-R) sehr ähnlich.

Hebbs Theorie

Der Prozess, durch den diese synaptischen Verbindungen und Netzwerke gebildet werden, ist seit vielen Jahren Gegenstand wissenschaftlicher Untersuchungen. Hebb (1949) formulierte eine neurophysiologische Lerntheorie, die die Rolle zweier kortikaler Strukturen hervorhebt: Zellverbände und Phasenfolgen. Ein Zellverband ist eine Struktur, die Zellen in der Hirnrinde und subkortikalen Zentren umfasst (Hilgard, 1956). Grundsätzlich ist ein Zellverband ein neuronales Gegenstück einer einfachen Assoziation und wird durch häufig wiederholte Stimulationen gebildet. Wenn die jeweilige Stimulation erneut auftritt, wird der Zellverband erregt. Hebb glaubte, dass der Zellverband, wenn er erregt wurde, neuronale Reaktionen in anderen Systemen sowie motorische Reaktionen erleichtern würde.

Wie bilden sich Zellverbände? Hebb konnte darüber nur spekulieren, da zu seiner Zeit die Technologie zur Untersuchung von Gehirnprozessen begrenzt war. Hebb war der Ansicht, dass wiederholte Stimulationen zum Wachstum von synaptischen Knöpfchen führten, die den Kontakt zwischen Axonen und Dendriten verstärkten (Hilgard, 1956). Durch wiederholte Stimulationen würde der Zellverband automatisch aktiviert, was die neuronale Verarbeitung erleichtert.

Eine Phasenfolge ist eine Reihe von Zellverbänden. Zellverbände, die wiederholt stimuliert werden, bilden ein Muster oder eine Sequenz, die dem Prozess eine gewisse Organisation verleiht. Zum Beispiel sind wir mehreren visuellen Reizen ausgesetzt, wenn wir das Gesicht eines Freundes betrachten. Man kann sich mehrere Zellverbände vorstellen, von denen jeder einen bestimmten Aspekt des Gesichts abdeckt (z. B. die linke Ecke des linken Auges, der untere Teil des rechten Ohrs). Durch wiederholtes Betrachten des Gesichts des Freundes werden diese mehreren Zellverbände gleichzeitig aktiviert und miteinander verbunden, um eine koordinierte Phasenfolge zu bilden, die die Teile ordnet (z. B. damit wir den unteren Teil des rechten Ohrs nicht auf die linke Ecke des linken Auges übertragen). Die Phasenfolge ermöglicht es, das koordinierte Ganze sinnvoll und bewusst wahrzunehmen.

Neuronale Verbindungen

Obwohl Hebbs Ideen über 60 Jahre alt sind, stimmen sie bemerkenswert gut mit den heutigen Ansichten darüber überein, wie Lernen stattfindet und Erinnerungen gebildet werden. Wie wir im nächsten Abschnitt über die Entwicklung sehen werden, werden wir mit einer großen Anzahl von neuronalen (synaptischen) Verbindungen geboren. Unsere Erfahrungen wirken dann auf dieses System ein. Verbindungen werden ausgewählt oder ignoriert, gestärkt oder verloren. Darüber hinaus können Verbindungen durch neue Erfahrungen hinzugefügt und entwickelt werden (National Research Council, 2000).

Es ist bemerkenswert, dass der Prozess der Bildung und Stärkung synaptischer Verbindungen (Lernen) die physische Struktur des Gehirns verändert und seine funktionelle Organisation verändert (National Research Council, 2000). Das Erlernen spezifischer Aufgaben führt zu lokalisierten Veränderungen in Gehirnbereichen, die für die Aufgabe geeignet sind, und diese Veränderungen legen dem Gehirn eine neue Organisation auf. Wir neigen dazu zu denken, dass das Gehirn das Lernen bestimmt, aber tatsächlich besteht eine reziproke Beziehung aufgrund der „Neuroplastizität“ des Gehirns oder seiner Fähigkeit, seine Struktur und Funktion als Ergebnis von Erfahrungen zu verändern (Begley, 2007).

Obwohl die Hirnforschung zu diesem wichtigen Thema fortgesetzt wird, deuten die verfügbaren Informationen darauf hin, dass die Gedächtnisbildung nicht vollständig zum Zeitpunkt des ersten Lernens erfolgt. Vielmehr ist die Gedächtnisbildung ein kontinuierlicher Prozess, bei dem neuronale Verbindungen über einen bestimmten Zeitraum stabilisiert werden (Wolfe, 2001). Der Prozess der Stabilisierung und Stärkung neuronaler (synaptischer) Verbindungen wird als Konsolidierung bezeichnet. Der Hippocampus scheint eine Schlüsselrolle bei der Konsolidierung zu spielen, obwohl der Hippocampus nicht der Ort ist, an dem Erinnerungen gespeichert werden.

Welche Faktoren verbessern die Konsolidierung? Wie in Kapitel 5 ausführlich erläutert, sind Organisation, Wiederholung und Ausarbeitung wichtig, weil sie dazu dienen, eine Struktur aufzuerlegen. Die Forschung zeigt, dass das Gehirn, weit davon entfernt, ein passiver Empfänger und Aufzeichner von Informationen zu sein, eine aktive Rolle bei der Speicherung und dem Abrufen von Informationen spielt (National Research Council, 2000).

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Reize oder eingehende Informationen den entsprechenden Gehirnbereich aktivieren und als synaptische Verbindungen codiert werden. Mit der Wiederholung nehmen diese Verbindungen an Zahl zu und werden gestärkt, was bedeutet, dass sie automatischer auftreten und besser miteinander kommunizieren. Lernen verändert die spezifischen Regionen des Gehirns, die an den Aufgaben beteiligt sind (National Research Council, 2000). Erfahrungen sind entscheidend für das Lernen, sowohl Erfahrungen aus der Umwelt (z. B. visuelle und auditive Reize) als auch aus den eigenen mentalen Aktivitäten (z. B. Gedanken).

Angesichts der Tatsache, dass das Gehirn eingehenden Informationen eine gewisse Struktur aufzwingt, ist es wichtig, dass diese Struktur hilft, das Gedächtnis zu erleichtern. Wir könnten dann sagen, dass einfache Konsolidierung und Gedächtnis nicht ausreichen, um langfristiges Lernen zu gewährleisten. Vielmehr sollte der Unterricht eine Schlüsselrolle spielen, indem er hilft, dem Lernen eine wünschenswerte Struktur aufzuerlegen, ein Punkt, der von Emma und Claudia im Eröffnungsszenario festgestellt wurde.

Das Zusammenspiel mehrerer Hirnstrukturen und synaptischer Verbindungen zeigt sich deutlich beim Sprachenlernen und insbesondere beim Lesen. Obwohl moderne Technologien es Forschern ermöglichen, die Echtzeit-Hirnfunktion zu untersuchen, während Personen Sprachkenntnisse erwerben und anwenden, wurde ein Großteil der Hirnforschung zum Spracherwerb und zur Sprachanwendung an Personen durchgeführt, die Hirnverletzungen erlitten und einen gewissen Sprachverlust erlitten haben. Solche Forschung ist aufschlussreich darüber, welche Funktionen durch Verletzungen bestimmter Hirnbereiche beeinträchtigt werden, aber diese Forschung befasst sich nicht mit dem Spracherwerb und der Sprachanwendung im sich entwickelnden Gehirn von Kindern.

Studien über Hirntraumata haben gezeigt, dass die linke Seite der Großhirnrinde des Gehirns für das Lesen von zentraler Bedeutung ist und dass die posterioren (hinteren) kortikalen Assoziationsareale der linken Hemisphäre entscheidend für das Verständnis und die Verwendung von Sprache sowie für normales Lesen sind (Vellutino & Denckla, 1996). Lesefunktionsstörungen sind oft Symptome von Läsionen der linken posterioren kortikalen Bereiche. Autopsien von Gehirnen von Jugendlichen und jungen Erwachsenen mit einer Vorgeschichte von Leseschwierigkeiten haben strukturelle Anomalien in den linken Hemisphären gezeigt. Lesefunktionsstörungen werden manchmal auch mit Hirnläsionen in den anterioren (vorderen) Lappen in Verbindung gebracht – dem Bereich, der die Sprache steuert –, obwohl die Beweise dies viel stärker mit Anomalien der posterioren Lappen in Verbindung bringen. Da diese Ergebnisse aus Studien an Personen stammen, die (in unterschiedlichem Maße) lesen konnten und dann einen Teil oder die gesamte Fähigkeit verloren haben, können wir schlussfolgern, dass die hauptsächlich linksseitigen Bereiche des Gehirns, die mit Sprache und Sprechen in Verbindung stehen, für die Aufrechterhaltung des Lesens von entscheidender Bedeutung sind.

Es ist jedoch wichtig zu bedenken, dass es keinen einzigen zentralen Bereich des Gehirns gibt, der am Lesen beteiligt ist. Vielmehr sind die verschiedenen Aspekte des Lesens (z. B. Buchstaben- und Worterkennung, Syntax, Semantik) mit vielen lokalisierten und spezialisierten Hirnstrukturen und synaptischen Verbindungen verbunden, die koordiniert werden müssen, um erfolgreich lesen zu können (Vellutino & Denckla, 1996). Der folgende Abschnitt untersucht, wie sich diese Verbindungen bei normalen Lesern und bei solchen mit Leseproblemen zu entwickeln scheinen. Die Idee ist, dass koordiniertes Lesen die Bildung von neuronalen Verbänden erfordert, d. h. Sammlungen von neuronalen Gruppen, die synaptische Verbindungen miteinander gebildet haben (Byrnes, 2001). Neuronale Verbände scheinen konzeptionell den Zellverbänden und Phasenfolgen von Hebb ähnlich zu sein.

Ergebnisse aus der neurowissenschaftlichen Forschung zeigen, dass bestimmte Hirnregionen mit der orthografischen, phonologischen, semantischen und syntaktischen Verarbeitung in Verbindung stehen, die für das Lesen erforderlich sind (Byrnes, 2001). Die orthografische Verarbeitung (z. B. Buchstaben, Zeichen) hängt stark vom primären visuellen Bereich ab. Die phonologische Verarbeitung (z. B. Phoneme, Silben) wird mit den superioren (oberen) Temporallappen in Verbindung gebracht. Die semantische Verarbeitung (z. B. Bedeutungen) wird mit dem Broca-Areal im Frontallappen und Bereichen im medialen (mittleren) Temporallappen in der linken Hemisphäre in Verbindung gebracht. Die syntaktische Verarbeitung (z. B. Satzstruktur) scheint ebenfalls im Broca-Areal stattzufinden.

Wir haben bereits zwei Schlüsselbereiche im Gehirn erwähnt, die an der Sprache beteiligt sind. Das Broca-Areal spielt eine wichtige Rolle bei der Produktion grammatikalisch korrekter Sprache. Das Wernicke-Areal (das sich im linken Temporallappen unterhalb der lateralen Fissur befindet) ist entscheidend für die richtige Wortwahl und Eloquenz. Personen mit Defiziten im Wernicke-Areal verwenden möglicherweise ein falsches Wort, aber eines, das in der Bedeutung nahe liegt (z. B. sagen sie “Messer”, wenn “Gabel” gemeint war).

Sprache und Lesen erfordern die Koordination der verschiedenen Hirnbereiche. Diese Koordination erfolgt durch Nervenfaserbündel, die die Sprachbereiche miteinander und mit anderen Teilen der Großhirnrinde auf beiden Seiten des Gehirns verbinden (Geschwind, 1998). Der Corpus callosum ist die größte Sammlung solcher Fasern, aber es gibt noch andere. Eine Beschädigung oder Zerstörung dieser Fasern verhindert die Kommunikation im Gehirn, die für eine ordnungsgemäße Sprachfunktion erforderlich ist, was zu einer Sprachstörung führen kann. Hirnforscher untersuchen, wie Funktionsstörungen ablaufen und welche Hirnfunktionen bei Schäden weiterhin bestehen.

Dieses Thema wird im folgenden Abschnitt weiter behandelt, da es eng mit der Gehirnentwicklung verbunden ist. Für Pädagogen ist es wichtig zu wissen, wie sich das Gehirn entwickelt, da Entwicklungsveränderungen bei der Unterrichtsplanung berücksichtigt werden müssen, um das Lernen der Schüler sicherzustellen.