Zum Lernen geboren

Optimierung des Gehirns durch frühe Bildung

von Anna Katharina Braun

Lernen in der Kindheit und Jugend unterscheidet sich vom Lernen bei Erwachsenen darin, dass Erfahrungen und Lernprozesse dazu genutzt werden, die noch unreifen funktionellen Schaltkreise des Gehirns, insbesondere des limbischen „Belohnungs-“Systems zu optimieren. Salopp ausgedrückt könnte man dies in der Computersprache mit der „Formatierung der Festplatte“ vergleichen. Somit werden in der „Hardware“ – oder besser gesagt der „Wetware“ – im Gehirn schon relativ früh im Leben prinzipielle Konzepte für späteres Lernen, und auch für die mit jedem assoziativen Lernprozess untrennbar verknüpfte emotionale Erlebniswelt angelegt.

Funktionelle Reifung neuronaler Netze
Bei der Geburt ist das Gehirn nahezu mit der vollständigen Anzahl von Nervenzellen ausgestattet. Nur vereinzelte neue Nervenzellen werden im Verlauf des weiteren Lebens in einigen Hirnregionen neu gebildet, z. B. in dem beim räumlichen Lernen und bei der Gedächtnisabspeicherung beteiligten Hippocampus, wo sie dann in die vorhandenen Schaltkreise integriert werden. Interessanterweise wurde in tierexperimentellen Studien gezeigt, dass die Neubildung der Nervenzellen angeregt werden kann durch Umwelteinflüsse und Lernprozesse. Erfahrungen und Lernen können im kindlichen und auch noch im erwachsenen Gehirn wie ein „Jungbrunnen“ wirken, und damit vermutlich seine Leistungsfähigkeit steigern.

Viele Hirnsysteme sind bei der Geburt zwar funktionsfähig, müssen dann aber nach der Geburt noch optimiert werden. Während die Gehirnzentren, die überlebenswichtige automatische Funktionen wie das Atmen oder den Herzschlag steuern, bereits ihre volle Leistungsfähigkeit erreicht haben, müssen die Sinnessysteme (u. a. Sehen, Hören, Tasten), die motorischen Zentren (Bewegungssteuerung) und vor allem die Gehirnsysteme, mit denen wir unsere Emotionalität und höheren assoziativen Leistungen vollbringen (limbisches System, präfrontaler Cortex), noch in ihrer Funktion perfektioniert werden. Die verschiedenen funktionellen Hirnsysteme entwickeln sich jedoch nicht alle gleichzeitig, und auch nicht mit derselben Geschwindigkeit. Während die Sinnessysteme bereits relativ früh in den ersten Lebensjahren ihre volle Funktionsfähigkeit erreichen, gehört das limbische System, mit dem wir unsere Gefühlswelt entwerfen und mit dem wir unser Leben lang lernen, zu den „Spätentwicklern“ des Gehirns. Die limbischen Zentren und vor allem auch der beim Affen und Menschen besonders voluminös ausgeprägte frontale Teil der Hirnrinde (cerebraler Cortex), der präfrontale Cortex, mit dem wir höhere assoziative Leistungen und auch unsere emotionale Steuerung bewerkstelligen, entwickeln sich besonders langsam, beim Menschen bis zum 20. Lebensjahr und länger.

Die langsame Entwicklung der synaptischen Netzwerke, insbesondere der Informationskanäle in den lern- und emotionsrelevanten Hirnregionen, birgt für die intellektuelle und sozio-emotionale Entwicklung des Individuums Vor- aber auch Nachteile. Der Vorteil liegt darin, dass wir unser Gehirn optimal an den jeweiligen Lebensraum, in dem wir aufwachsen, anpassen können, und damit die für das Überleben essentiellen Verhaltensstrategien entwickeln. Ein Kind, welches in der afrikanischen Wüste aufwächst, wird sicherlich andere Nervennetzwerke entwickeln und andere Verhaltensweisen und Fertigkeiten erlernen, als ein Kind, welches in den Elendsvierteln einer Großstadt aufwächst. Der Nachteil dieser ausgeprägten Veränderbarkeit des kindlichen Gehirns liegt wiederum darin, dass sich das Gehirn eben leider auch an negative (oder fehlende) Umwelteinflüsse anpasst. Defizitäre Elternhäuser und mangelhafte Schulsysteme wirken sich zwangsläufig auch auf die Hirnentwicklung aus, sie verhindern die Optimierung des Gehirns und können langfristig nahezu irreversible funktionelle Defizite im heranwachsenden Gehirn hinterlassen. Jede Erziehung, sei es im Elternhaus, sei es in den staatlichen Einrichtungen, verursacht dauerhafte strukturelle Veränderungen im kindlichen Gehirn.

Eine der nach wie vor noch nicht vollständig geklärten Fragen der Neurowissenschaften ist, wann und vor allem wie diese neuronalen Netzwerke aufgebaut und im Rahmen ihrer funktionellen Reifung umstrukturiert werden. Es gibt Hinweise darauf, dass sich viele Schaltkreise des Gehirns beim Menschen innerhalb der ersten vier bis sechs Lebensjahre optimieren. Dies impliziert, dass der vorschulischen Bildung eine viel größere Bedeutung zukommt als bisher angenommen, denn sie kann sich massiv in die Gehirnentwicklung „einmischen“. Es zeigte sich aber gerade beim Menschen, dass sich auch noch viel später ganz enorme Veränderungen im Gehirn vollziehen. Beispielsweise stellt die Pubertät ein Zeitfenster dar, in dem das Gehirn nochmals einer „Baustelle“ gleicht. Und auch später, im Normalfall bis ins hohe Alter, bleibt das Gehirn noch veränderbar, schließlich zeichnet sich gerade der Mensch durch seine Fähigkeit zum lebenslangen Lernen aus. Nur sind die Veränderungen, die sich im erwachsenen Gehirn beim Lernen vollziehen, vermutlich sehr viel geringer als beim Kind, was einerseits an der im Vergleich zum noch heranreifenden Gehirn verminderten Plastizität (Veränderbarkeit der Nervenzellen und ihrer Synapsen) liegt, und andererseits auch dadurch begründet ist, dass das erwachsene Gehirn aufgrund seiner umfangreichen Vorerfahrungen sehr viel effizienter arbeitet, indem es auf bereits (u. a. in der Kindheit) abgespeicherte Gedächtnisinhalte und die entsprechenden bereits mehr oder weniger optimierten („getunten“) synaptischen Netzwerke zurückgreifen kann.

Mechanismen der Informationsverarbeitung im Gehirn
Welche Faktoren spielen bei der Hirnentwicklung eine Rolle? Was steuert die Entwicklung des Gehirns? Welche Faktoren und Mechanismen sind an der Bildung von Nervenzellen und ihren komplexen synaptischen Verschaltungen beteiligt? Diese Fragen der Hirnforschung sind eng gekoppelt an Fragen, die sich Eltern und Erzieher stellen: Was ist angeboren und was ist erworben bzw. erlernt? Können die funktionellen Einheiten des Gehirns bei mangelnder Förderung verkümmern, und wie können wir ihre funktionelle Entwicklung optimal fördern?

Betrachten wir zunächst die Funktionsweise des Gehirns bzw. seiner Funktionseinheiten, die Nervenzellen oder Neurone. Bereits vor der Geburt beginnen die Nervenzellen mit Hilfe ihrer Axone, die vergleichbar mit einem „Stromkabel“ sind, Kontakte mit anderen Neuronen auszubilden. An diesen Kontakten, den Synapsen, werden Informationen (z. B. Sinneswahrnehmungen, Steuerung von Bewegungen usw.) in Form von elektrischen und chemischen Signalen übertragen. Jede Nervenzelle kann gleichzeitig Signale empfangen und Signale an andere Nervenzellen weiterleiten, sie ist also sowohl „Sender“, als auch „Empfänger“ von Informationen. Das Axon einer „Senderzelle“ bildet Synapsen auf den weit verzweigten Dendritenbäumen einer bzw. vieler „Empfängerzellen“ aus. Deren Dendriten fungieren als „Antennen“, auf denen alle ankommenden Signale der Axone vieler anderer Nervenzellen gesammelt und miteinander verrechnet werden. Diese Informationen werden dann an den Zellkörper, das Soma weitergeleitet, und von dort aus dann wieder entlang dem Axon an weitere Nervenzellen weitergeleitet.

Die Informationsübertragung entlang der Axone geschieht über winzige elektrische Ströme, die zwar sehr schwach sind, die aber mittels empfindlicher Elektroden in einer einzelnen Nervenzelle, oder als Summe vieler Nervenzellen sogar außen am Gehirn (Elektroencephalogramm – EEG, Magnetencephalogramm – MEG) gemessen werden können. Das elektrische Signal wird dann an der Synapse, also der Kontaktstelle zwischen zwei Nervenzellen, in ein chemisches Signal umgewandelt. Am Ende des Axons bilden sich ein oder mehrere Endknöpfchen aus, in welchen chemische Botenstoffe in kleinen Bläschen (Vesikeln) verpackt sind. Erreicht das elektrische Signal das synaptische Endknöpfchen, entleert sich der Inhalt dieser Bläschen in den engen synaptischen Spalt, der das Endknöpfchen vom Dendriten der Empfängerzelle trennt. Der freigesetzte Botenstoff diffundiert im synaptischen Spalt zum Dendriten der „Empfängerzelle“ und bindet auf dessen Oberfläche an spezielle Rezeptoren, vergleichbar mit dem Schlüssel, den man in sein speziell für ihn passendes Schlüsselloch steckt. Über die Bindung des Botenstoffes an seinen Rezeptor „erfährt“ die Empfängerzelle, dass hier ein Signal angekommen ist und kann dieses dann an andere Nervenzellen weiterleiten. Dieser chemische Vorgang bewirkt jedoch nicht alleine die Signalweiterleitung und -verarbeitung, sondern es kann längerfristig, z. B. als Folge von Lernvorgängen, eine Veränderung im Wachstum der Nervenzellen bewirken, d. h. es kann die Nervenzellen dazu veranlassen, mehr oder weniger Synapsen mit anderen Nervenzellen auszubilden, oder auch bestimmte, überzählige oder nicht genutzte Synapsen wieder aufzulösen. Bei jedem Lernprozess werden also die Informationen verarbeitenden neuronalen Netzwerke mehr oder weniger massiv umstrukturiert.

Dieser Auf- und Abbau der neuronalen Netzwerke wird insbesondere im kindlichen Gehirn sehr stark von Erfahrungen und Lernprozessen gesteuert und funktioniert nach dem Prinzip „Use it or lose it“. Insbesondere in den ersten Lebensjahren (und auch noch einmal während der Pubertät) herrscht hier ein knallharter Konkurrenzkampf der Synapsen. Nach darwinistischen Prinzipien werden überzählige oder „nutzlose“ Synapsen aussortiert. Nur diejenigen überleben, die häufig genutzt und aktiviert werden („use it“) und damit für das Individuum sinnvolle und überlebensnotwendige Informationen verarbeiten, während die selten genutzten Synapsen verkümmern und schließlich ganz abgebaut werden („lose it“). Die Leistungsfähigkeit des Gehirns wird demnach nicht so sehr über die Quantität der Nervenzellen und ihrer Synapsen bestimmt, sondern hängt vielmehr von der Qualität der synaptischen Verknüpfungen ab.

Es gibt nachgeburtliche Zeitfenster der Hirnentwicklung und der Verhaltensentwicklung, die „sensiblen“ oder „kritischen“ Phasen. Bei der Gehirnentwicklung liegen diese sensiblen Phasen je nach Gehirnregion in der vorschulischen und frühen schulischen Lebenszeit. Beispielsweise vollzieht sich die funktionelle Reifung der Sinnessysteme (Sehen, Hören etc) bereits in den ersten Lebensjahren, also einem Zeitfenster, welches gut korreliert mit der Optimierung der Seh- und Hörfähigkeiten. Beim Hörsystem erstreckt sich die synaptische Entwicklung noch über einen etwas längeren Zeitraum, da dieses Sinnessystem neben der Präzisierung des Gehörs für Spracherkennung auch am Spracherwerb beteiligt ist, und noch später dann beim Lesen- und Schreibenlernen. Auch hier ist der Einfluss der Umwelt ganz essentiell, denn wenn beispielsweise der Hörcortex nicht gleich von Geburt an darauf trainiert wird, menschliche Sprachlaute zu verarbeiten, dann wird sich dies später auf den Spracherwerb hinderlich auswirken, denn nur das, was man präzise mit dem Gehör erfasst, kann auch imitiert und im weiteren Verlauf über die kontinuierliche Hörkontrolle des eigenen Sprechens dann sukzessive optimiert werden.

Verläuft der Spracherwerb nicht optimal (wenn beispielsweise zu wenig mit dem Kind gesprochen oder vorgelesen wird und stattdessen die sprachliche Anregung von den für das kindliche Gehirn viel zu schnellen Sequenzen von Fernsehsendungen oder Videospielen geliefert wird), werden sich hieraus fast zwangsläufig später dann Probleme beim Lesen- und Schreibenlernen ergeben. Da Buchstaben bzw. Silben die Sprachbausteine, d. h. eine akustische Information bildhaft darstellen, wird sich beim Fehlen der hierfür essentiellen Grundfertigkeiten des präzisen Hörens und Sprechens unweigerlich eine Lese- und Schreibschwäche entwickeln.

Die Hirnentwicklungsphasen korrelieren mit den Phasen besonders effizienter Lernfähigkeit. Die Existenz der sowohl von den Entwicklungspsychologen als auch von den Entwicklungsbiologen nachgewiesenen Entwicklungszeitfenster bedeutet jedoch keinesfalls, dass nach Ablauf der ohnehin für die lernrelevanten Hirnzentren (limbisches System, Präfrontalcortex) nicht sehr scharf begrenzten Zeitfenster das Lernen nicht mehr möglich ist, es wird nur entsprechend mühsamer und langsamer. Was in den ersten Lebensjahren in kürzester Zeit erworben werden kann (z. B. eine Fremdsprache), erfordert mit zunehmendem Alter wesentlich längere Zeiträume.

Was ist angeboren und was ist erlernt?
In allen Entwicklungsstadien des Gehirns und seiner Nervenzellen und Synapsen kommt es zu einer subtilen Wechselwirkung zwischen genetisch festgelegten, d. h. angeborenen, vorprogrammierten zellulären und molekularen Programmen, und den Erfahrungen und Lernvorgängen. Die genetische Ausstattung, also die angeborenen Komponenten bei der Entwicklung der Nervenzellen, bestimmen den groben Schaltplan des Gehirns mit den prinzipiellen Antworteigenschaften der Nervenzellen auf Sinnesreize. Die hierbei entstehenden synaptischen Netzwerke werden dann über Umwelteinflüsse, d. h. Erfahrungen und Lernprozesse, nochmals umgebaut. Es erfolgt eine Präzisierung und Optimierung dieser Informationskanäle, vergleichbar mit dem „tuning“ eines Motors, der auf Höchstleistung „frisiert“ wird. Vor der Geburt dominieren zunächst die genetisch vorprogrammierten Entwicklungsprozesse, die durch die auf den Fötus einwirkenden, noch sehr eingeschränkten Umwelteinflüsse nur in relativ geringem Maße moduliert werden. Solche relativ „starr“ festgelegten genetischen und molekularen Entwicklungsprogramme stellen einen Sicherheitsfaktor dar, um eine normale Entwicklung und Reifung des Gehirns selbst unter suboptimalen Umweltbedingungen (z. B. Mangelernährung, Stress der Mutter, mechanische Einwirkungen auf den Mutterleib usw.) zu gewährleisten und diese gegenüber störenden Umweltfaktoren abzupuffern.

Alle über unsere Sinnesorgane wahrgenommenen Informationen aus der Umwelt werden über solche synaptischen Netzwerke zunächst registriert, dann hinsichtlich ihrer Bedeutung analysiert und schließlich im Gedächtnis abgespeichert, wo sie dann später wieder abgerufen werden können. Wie bereits erläutert, bewirken die bei der Reizübertragung ausgeschütteten Botenstoffe (Neurotransmitter) chemische Veränderungen in den beteiligten Nervenzellen, die dadurch in ihrem Wachstum, insbesondere bei der Etablierung ihrer Synapsen beeinflusst werden. Das über die Umweltreize ausgelöste chemische Signal an den Synapsen wird bis zum Zellkern weitergeleitet, dort liegt das Erbmaterial, die Gene, die dadurch an- oder abgeschaltet werden können. Vergleicht man die Gene mit einer Klaviertastatur, so könnte man die Umwelt als Pianisten sehen, der die „Gen-Tasten“ auf dem Klavier anschlägt und dadurch die über genetische molekulare zelluläre Prozesse vermittelte Optimierung der neuronalen Netzwerke beeinflusst. Bei einer komplexen, reichhaltigen Umwelt, werden viele „Gen-Tasten“ angeschlagen und es entsteht eine komplexe „Symphonie“, d. h. ein komplexes und leistungsfähigeres Netzwerk, während bei nur spärlicher Anregung entsprechend weniger „Gen-Tasten“ aktiviert werden, so dass nur eine simple Melodie oder Chaos entsteht, d. h. diese Verschaltungsmuster im Gehirn werden eine geringere Leistungskapazität erreichen und langfristig geradezu verkümmern.

Bei chaotischen Umweltbedingungen, wie z. B. bei unvollständigen bzw. inkonsistenten Informationen oder bei Reizüberflutung (z. B. durch Medien) kann es hierbei vermutlich auch zu „falschen“ synaptischen Verschaltungen kommen, d. h. es werden „falsche“ oder unsinnige Verhaltensweisen angelegt. Der bildhafte Vergleich des Pianisten Umwelt und seinem „Genklavier“ veranschaulicht auch, dass die Leistungsfähigkeit des Gehirns selbst bei einer noch so guten genetischen Veranlagung nicht zur vollen Blüte kommen kann, wenn es in früher Kindheit an Förderung mangelt oder wenn Chaos herrscht. Umgekehrt wird es bei einer genetischen Schädigung (z. B. Down Syndrom, fragiles X Syndrom) dennoch durch frühzeitige und umfangreiche Förderung gelingen, das Gehirn in seiner Entwicklung zu einer beachtlichen Leistungskapazität zu führen.

Ein solch weit reichender Einfluss von Lern- und Erfahrungsprozessen bei der Gehirnentwicklung wurde jahrzehntelang gewaltig unterschätzt. Systematische tierexperimentelle Untersuchungen in den letzten Jahren zeigen jedoch immer mehr, dass der Abwechslungsreichtum der Umwelt letztendlich darüber bestimmt, wie komplex sich die zellulären, Informationen übertragenden Strukturen des Gehirns entwickeln und die verschiedenen Gehirnsysteme miteinander vernetzen. Eine abwechslungsreiche, interessante und anregende Umwelt regt das Gehirn zu einer verstärkten Aktivität an, und dadurch kann sich z. B. die Sterberate von Nervenzellen und deren synaptischen Kontakte vermindern, die Axone und Dendriten der häufiger aktivierten Nervenzellen verlängern sich, und sie bilden mehr synaptische Kontakte untereinander aus.

Hingegen führen ein Mangel oder das völlige Fehlen anregender Umwelteinflüsse – wie es am berühmten Beispiel von Kaspar Hauser oder verschiedenen Fällen von „Wolfskindern“ berichtet wird – oder das wiederholte Auftreten von traumatischen und schmerzvollen Erlebnissen zur Unter- oder Fehlentwicklung der zellulären Komponenten des Gehirns. So wie sich ein untrainierter Muskel nur schwächlich entwickelt, entsteht bei mangelnder Anregung ein Gehirn mit verminderter oder gestörter Leistungskapazität, was dann zu Lern- und Verhaltensstörungen führen kann. Beobachtungen des Wiener Psychoanalytikers René Spitz (1965) an Heimkindern, und auch die in jüngster Zeit an Kindern aus rumänischen Waisenhäusern erhobenen Befunde zeigen klar, welch verheerende und dauerhaft im Gehirn verankerte Wirkung ein Mangel an emotionaler Zuwendung auf die Entwicklung kognitiver und emotionaler Fähigkeiten hat.

Die Studien von Skeels (1966) haben gezeigt, dass es in der ganz frühen Kindheit weniger auf eine hochwertige intellektuelle Förderung des Kindes ankommt, sondern vielmehr auf eine stabile emotionale Bindung zu einer Bezugsperson. Skeels ließ in einer Studie verwaiste Säuglinge einer seiner Säuglingsstationen von debilen Mädchen und jungen Frauen eines benachbarten Erziehungsheims „adoptieren“. Diese Pflegemütter durften sich unter entsprechender Anleitung durch das Klinikpersonal um einen ihnen zugeteilten Säugling kümmern. Die Studie konnte nachweisen, dass die Säuglinge, welche die uneingeschränkte und kontinuierliche Aufmerksamkeit und emotionale Hinwendung einer Pflegemutter erhielten, später weit bessere schulische und berufliche Leistungen erreichten, als diejenigen, die ihr Leben ausschließlich im Kinderheim ohne individuelle Betreuung verbringen mussten.

Auf der hirnbiologischen Ebene ist auch heute noch weitgehend unklar, welche Umweltfaktoren in welcher Weise bei der erfahrungsgesteuerten funktionellen Reifung des Gehirns, insbesondere dem limbischen System, wirksam werden. Die zellulären und molekularen Mechanismen, die hierbei eine Rolle spielen, können nur an geeigneten Tiermodellen systematisch untersucht werden. Wie in allen Bereichen der klinischen Forschung wird es auch hier nur über das detaillierte Verständnis der neuronalen Entwicklungsprozesse im Gehirn längerfristig möglich sein, neue verbesserte präventive und therapeutische Strategien und Maßnahmen für das menschliche Gehirn zu entwickeln. Tierexperimentelle Forschungsergebnisse zeigen, dass Ratten oder Hühnerküken, die während früher Entwicklungsphasen wiederholt oder auf Dauer von den Eltern getrennt wurden, einen deutlich reduzierten Stoffwechsel, d. h. eine verminderte Aktivität der Zellen im präfrontalen Cortex (und anderen limbischen Hirnregionen) aufweisen, die sowohl bei der Wahrnehmung von emotionalen Signalen (z. B. durch Mimik oder Sprache) als auch bei der Steuerung emotionaler Verhaltensweisen (Aggression, Impulskontrolle, Empathie) eine wichtige Rolle spielen.

Eine ganz vergleichbare chronische „Unteraktivierung“ solcher präfrontaler Emotionszentren findet sich bei Menschen mit emotionalen Störungen z. B bei depressiven Patienten. Die Arbeitsgruppe von Sir Michael Rutter konnte im Rahmen einer Adoptionsstudie bei rumänischen Waisenkindern mithilfe von bildgebenden Verfahren eine chronische Unteraktivierung der präfrontalen cortikalen „Emotionsregionen“ nachweisen (2001), und die Arbeitsgruppe von Adrian Raine wies im Gehirn von Mördern ebenfalls eine Unterfunktion in diesen emotional bedeutsamen präfrontalen Regionen nach (1994). Am Tiermodell wurden auf mikroskopischer Ebene auch langfristige strukturelle Veränderungen im Gehirn nach emotionaler Deprivation nachgewiesen. In den präfrontalen Regionen und in fast allen limbischen Kerngebieten wurden je nach Ausmaß der durchlebten Deprivation erhöhte oder erniedrigte Synapsendichten gefunden. Bei Tieren, die kurz nach der Geburt psychischem Stress ausgesetzt wurden und dann unter sozialen Isolationsbedingungen aufwuchsen, wurden dramatische Veränderungen der dopaminergen und serotonergen Fasersysteme gemessen, die u. a. auch die präfrontalen Gehirnregionen massiv innervieren. Offenbar entwickeln sich also gerade diejenigen neurochemischen Systeme nur unvollkommen oder fehlerhaft die bei der emotionalen Modulation und vor allem auch an Lern- und Gedächtnisprozessen beteiligt sind.

Lernen beeinflusst die funktionelle Reifung des Gehirns
Die Erkenntnisse der Neurowissenschaften belegen eindrucksvoll, welche herausragende Bedeutung der Erziehung durch die Eltern und der durch staatliche Einrichtungen wie Kinderkrippe, Kindergarten und Schule angebotenen Bildung zukommt. Es kann gar nicht oft genug betont werden, dass insbesondere die Erziehung in frühester Kindheit, in der das Gehirn auch aufgrund der noch voranschreitenden Wachstumsprozesse noch sehr veränderbar ist, zu dauerhaften strukturellen Veränderungen führt, welche die spätere intellektuelle und emotionale Leistungsfähigkeit des Individuums nachhaltig beeinflussen.

Was ist Lernen, was passiert beim Lernen im Gehirn? Als evolutionsbiologisch älteste und ursprünglichste Form des kindlichen Lernens kann das Spiel betrachtet werden. Aus psychologischer, pädagogischer, aber noch vielmehr auch aus biologischer Sicht ist seit langem klar, dass Spielen und Lernen gleichbedeutend sind. Bereits Plato wusste, dass spielerische Handlungen eine Vorbereitung auf Handlungsweisen im Erwachsenenalter sind, und er empfahl, Kindern Spiel- und Werkzeuge zu geben, um sie diese Fähigkeiten üben zu lassen. Auch Tiere lernen spielerisch, sich Verhaltensweisen anzueignen, die für das Überleben in freier Wildbahn überlebensnotwendig sind. Friedrich Schiller formulierte, „das Tier arbeitet, wenn ein Mangel die Triebfeder seiner Tätigkeit ist, es spielt, wenn ein Reichtum an Kraft diese Triebfeder ist“. Das Spiel entsteht also nicht aus einem äußeren Zwang, sondern ist ein „Ventil“ für überschäumende „Kraft“, d. h. als ein Ausdruck von Neugier, Wissensdurst und Kreativität. Lernen bedeutet also auch Spielen, d. h. Lernen macht Spaß und ist nicht notwendigerweise gekoppelt an das übliche Schulbankdrücken. Vorschulische Bildungsangebote sollten daher auf spielerische Weise die angeborene Neugier und das explorative Verhalten der Kinder ganzheitlich fördern.

Kinder wollen von sich aus von Geburt an viel lernen, sie gehen Dingen neugierig auf den Grund und sind dabei kaum zu bremsen. Das Gehirn „sucht“ sich seine Anregungen, es „sucht“ nach Abwechslung, und es versucht, Denk- und Erklärungskonzepte zu erstellen. Dieser seit langem bekannte, angeborene „Lerntrieb“ der Kinder wird derzeit hirnbiologisch aufgeschlüsselt, um dieser Rastlosigkeit, insbesondere des noch ganz jungen, unerfahrenen Gehirns auf den Grund zu gehen. Im Tierexperiment konnte gezeigt werden, dass ein Lernerfolg zu einem Glücksgefühl führt, welches über die Ausschüttung körpereigener „Glücksdrogen“ vermittelt wird. Insbesondere die Neurotransmitter Noradrenalin, Serotonin und Dopamin modulieren den Aufmerksamkeitszustand und die emotionale Grundstimmung. Die Arbeitsgruppe von Henning Scheich entdeckte kürzlich bei tierexperimentellen Untersuchungen, dass in dem Moment, in dem ein Tier eine Lernaufgabe „verstanden“ hat, d. h. wenn das Tier eine Verhaltensstrategie erlernt hat, also der „Groschen gefallen“ ist und ein Aha-Erlebnis erfolgte, im präfrontalen Cortex Dopamin ausgeschüttet wird. Lernuntersuchungen von Michael Gruß in meiner Arbeitsgruppe haben kürzlich an Ratten-„Kindern“ gezeigt, dass die pharmakologische Blockade dieser Dopaminausschüttung während des Lerntrainings das Lernen nahezu vollständig verhindert. Beim Menschen ist bekannt, dass Dopamin die Stimmung hebt (einige Drogen wie z. B. Kokain oder Amphetamine wirken über eine übersteigerte Dopaminfunktion), d. h. aus den Tierexperimenten lässt sich ableiten, dass ein Lernerfolg unmittelbar zu einem Glücksgefühl führt, und zwar über die „Droge“ Dopamin. Das kindliche Gehirn ist sozusagen von Natur aus „lernsüchtig“, es sucht nach dem „Kick“ und nutzt dabei in seiner offenbar unerschöpflichen Leistungskapazität für seine eigene Belohnung seine „hausgemachten Drogen“. Die Befunde aus der tierexperimentellen neurowissenschaftlichen Forschung belegen – was ein guter Lehrer und Pädagoge intuitiv weiß und nutzt –, dass die emotionale Beteiligung essentiell für höhere assoziative Lernprozesse ist. Zu beachten ist hierbei, dass es nicht unbedingt eine direkte Belohnung („Zuckerbrot“) sein muss, die den Lernprozess fördert. Auch Anstrengung und leichter Stress („Peitsche“), bei denen andere Botenstoffe und auch Stresshormone ausgeschüttet werden, sind essentiell für den Lernerfolg. Vermutlich stellt für das Gehirn eine moderate emotionale „Achterbahnfahrt“ im Verlauf eines Lernvorganges die optimale Voraussetzung dar.

Lernen besteht nicht in passiver Wissensaufnahme („Nürnberger Trichter“), sondern ist ein aktiver Prozess. Das Wissen entsteht im Netzwerk Gehirn selbst. Höhere assoziative Lernprozesse sind an Emotionen gekoppelt, und die beteiligten Gehirnregionen, das limbische System, spielt sowohl beim Lernen als auch bei der emotionalen Verhaltenssteuerung eine herausragende Rolle. Lernen und die damit verknüpften Emotionen verursachen im Gehirn die eingangs bereits im Detail erläuterten (schnellen) elektrischen und biochemischen und (langfristigen) strukturellen Veränderungen von Synapsen (= Informationskanäle). Das kindliche Gehirn kann in seiner enormen Leistungsfähigkeit kaum überfordert werden, die Gefahr liegt eher in einer Unterforderung. Es kann jedoch demotiviert werden, z. B. durch stupides „Pauken“ (nicht zu verwechseln mit gezieltem Wiederholen und Üben!), ständige Misserfolge, destruktive oder inkonsequente Kritik, Strafen oder Demütigung.

Frühe Erfahrungen und Lernprozesse hinterlassen ihre „Abdrücke“ (Prägung) im heranreifenden Gehirn, insbesondere im sich spät entwickelnden limbischen System, welches essentiell für die Lernleistungen ist. In der frühen Kindheit (den ersten sechs Jahren) wird hier jedoch weniger eine Enzyklopädie von Detailwissen angelegt, sondern es bilden sich eher eine Art „Grammatik“ des Denkens (Denkstrategien und -konzepte) und die „Sprache“ der Emotionen aus, die in der „Hardware“ (= limbisches System) im Gehirn manifestiert wird, etwa vergleichbar mit der Formatierung der Festplatte eines Computers. Hiermit werden die emotionalen und kognitiven Kapazitäten für das spätere Leben festgelegt, und eine Fehlfunktion des „Belohnungssystems“ im Gehirn wird zwangsläufig eine Lernbehinderung zur Folge haben. Hier wird jetzt auch klar, dass Defizite der intellektuellen, und insbesondere der emotionalen Umwelt während der frühkindlichen Entwicklungsphasen zu einer unterentwickelten, oder gar fehlerhaften Entwicklung emotionaler Schaltkreise und des Belohnungssystems“ im Gehirn führen müssen. Die bereits zitierten Studien an Heimkindern zeigen, dass insbesondere die offenbar besonders schwer oder gar nicht mehr korrigierbaren emotionalen „Sprachfehler“ oder „Verstummung“ (Gefühlsarmut) sich negativ auf die Lernleistungen und auf das gesamte soziale und emotionale Leben auswirken.

Lernen scheint auch den Energieverbrauch des Gehirns ökonomischer zu gestalten. Untersuchungen von Henning Scheich und Mitarbeitern an erwachsenen Versuchspersonen haben gezeigt, dass nach dem Erlernen einer einfachen akustischen Unterscheidungsaufgabe im Hörcortex eine geringere Aktivität auftritt, während sich der erfolgreich trainierte Proband mit dieser Aufgabe beschäftigt, im Vergleich zu unerfahrenen, untrainierten Vergleichspersonen, die diese Aufgabe noch nicht perfekt beherrschen. Es ist also nicht so, wie man es sich vielleicht intuitiv vorstellt, wenn man es z. B. mit einem hoch trainierten Muskel vergleichen würde, dass ein Gehirn als Folge eines Lernvorganges besonders stark aktiv ist, sondern im Gegenteil, beim Abruf einer geübten und daher ganz „lässig“ zu lösenden Aufgabe ist nur noch minimale Energie erforderlich, da der abgespeicherte Gedächtnisinhalt ganz gezielt abgerufen werden kann. Das noch unerfahrene oder untrainierte Gehirn muss hingegen beim Knobeln an einer neuen und kniffligen Aufgabe viele Regionen des Gehirns gleichzeitig aktivieren, bis die so oft fälschlicherweise für den „Aha-Effekt“ symbolisch verwendete „Birne“ vor Anstrengung „glüht“.

Mechanismen der Gedächtnisbildung und des Erinnerns
Was ist unser Gedächtnis, wie erinnern wir uns? Verhaltensbiologische und hirnbiologische Untersuchungen weisen darauf hin, dass wir beim Erinnern die Gedächtnisinhalte nicht als identische Kopien oder Abziehbilder abrufen, sondern dass wir das Erinnerte jedes Mal wieder neu rekonstruieren. Dieser Mechanismus erklärt vermutlich auch das Phänomen, welches jeder aus eigener Erfahrung kennt: wir erinnern uns oft noch an bestimmte besonders eindrucksvolle Szenen eines Films, den wir vor langer Zeit als Kind oder Jugendlicher einmal gesehen haben. Sehen wir dieselben Szenen des Filmes viele Jahre später noch einmal, so sind wir meist verblüfft oder fast schockiert darüber, dass das Gesehene so wenig mit unserer Erinnerung übereinstimmt. Unsere Erinnerungen werden nicht wie ein Photo abgespeichert, welches immer wieder unverändert aus dem Album hervorgeholt werden kann, sondern sie gleichen eher einer Skizze, welche wir immer wieder aufs Neue versuchen detailgetreu nachzuzeichnen. Dabei geben wir zwar jedes Mal die Grundidee oder -situation wieder, aber jede Wiederholung weist kleine Abweichungen zum Original durch Weglassungen oder Ergänzungen auf (dieser Mechanismus verbirgt sich vermutlich auch hinter dem allseits bekannten Phänomen des „Jägerlateins“ oder des „Seemannsgarns“…).

Ein neuer „frischer“ Gedächtnisinhalt ist zunächst noch instabil und muss sich erst über eine Rekonsolidierung, also ein Erinnern festigen. Diese Rekonsolidierung sollte optimalerweise im Verlauf von ca. 24 Stunden erfolgen, um eine Information im Langzeitgedächtnis zu stabilisieren. Während der instabilen Phase des Gedächtnisses besteht die Gefahr, dass der Gedächtnisinhalt gelöscht, bzw. genauer ausgedrückt „überschrieben“ wird, wenn ein Erinnern nicht rechtzeitig aktiviert wird.

Wie wird vergessen? Der Prozess des Überschreibens von labilen Gedächtnisinhalten wurde bereits als ein Mechanismus erwähnt. Darüber hinaus gibt es im menschlichen Gehirn aber tatsächlich auch die bereits von Freud vor fast 100 Jahren postulierten Mechanismen, die aktiv das Erinnern bestimmter Gedächtnisinhalte blockieren (Andersen et al 2004). Zu den Gehirnregionen, die dieses „aktive“ Vergessen steuern, gehören u. a. wieder der hier schon mehrfach hervorgehobene präfrontale Cortex und der anteriore cinguläre Cortex, d. h. Regionen, die die emotionale Wahrnehmung und die Kontrolle der eigenen Emotionalität steuern. Diese Regionen scheinen die Aktivität des Hippocampus, also der Region, die u. a. für den Gedächtnisabruf zuständig ist, zu unterdrücken, so dass dieser seine Erinnerungsaufgabe nicht mehr wahrnehmen kann. Interessanterweise sind auch prämotorische cortikale Regionen an diesem Gedächtnisblockade-Prozess beteiligt, d. h. die Regionen, die auch die Ausführung von bewusst initiierten Bewegungsabläufen kontrollieren. Ein anschauliches Beispiel für eine solche Bewegungskontrolle ist, dass man, wenn man einen Blumentopf vom Fensterbrett fallen sieht, instinktiv bzw. reflexartig versuchen wird, ihn mit der Hand aufzufangen. Erkennt man jedoch während dieser Auffangbewegung plötzlich, dass es sich um einen stachligen Kaktus handelt, wird man diesen begonnenen Bewegungsablauf des Auffangens sofort unterdrücken. Ähnlich könnte man sich die über den präfrontalen und cingulären Cortex vermittelte aktive Unterdrückung von unerwünschten, unangenehmen „schmerzhaften“ Erinnerungen als eine Art emotionale Schutzreaktion vorstellen.

Die Literaturangaben sind über die Geschäftsstelle erhältlich.

Prof. Dr. Anna Katharina Braun ist Direktorin des Institutes für Biologie und Inhaberin des Lehrstuhls für Zoologie/Entwicklungneurobiologie an der Otto-von-Guericke-Universität in Magdeburg.