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Das Gehirn in den ersten zwei Jahren

Eine der dramatischsten physischen Veränderungen findet in den ersten zwei Jahren der Gehirnentwicklung statt. Wir werden mit den meisten Gehirnzellen geboren, die wir jemals haben werden, d.h. mit etwa 85 Milliarden Neuronen, deren Aufgabe es ist, Informationen zu speichern und zu übertragen (Huttenlocher & Dabholkar, 1997). Die meisten Neuronen des Gehirns sind zwar bei der Geburt vorhanden, aber noch nicht voll ausgereift.

Abbildung 3.4.1. Forschungsergebnisse zeigen, dass Säuglinge bereits im Alter von 4-6 Monaten ähnliche Gehirnbereiche wie Erwachsene nutzen, um Informationen zu verarbeiten. Bild aus Deen et al., 2017.

Die Kommunikation im zentralen Nervensystem (ZNS), das aus Gehirn und Rückenmark besteht, beginnt mit Nervenzellen, den sogenannten Neuronen. Neuronen verbinden sich mit anderen Neuronen über Netzwerke von Nervenfasern, die Axone und Dendriten genannt werden. Jedes Neuron hat in der Regel ein einzelnes Axon und zahlreiche Dendriten, die wie die Äste eines Baumes ausgebreitet sind (manche sagen, es sieht aus wie eine Hand mit Fingern). Das Axon jedes Neurons reicht bis zu den Dendriten anderer Neuronen an Kreuzungen, die Synapsen genannt werden und wichtige Kommunikationsverbindungen im Gehirn darstellen. Axone und Dendriten berühren sich nicht, stattdessen bewirken elektrische Impulse in den Axonen die Freisetzung von Chemikalien, die Neurotransmitter genannt werden und Informationen vom Axon des sendenden Neurons zu den Dendriten des empfangenden Neurons transportieren.

Abbildung 3.4.2. Neuron.

Synaptogenese und synaptisches Pruning

Während die meisten der 100 bis 200 Milliarden Neuronen des Gehirns bei der Geburt vorhanden sind, sind sie nicht vollständig ausgereift. Jede Nervenbahn bildet im Säuglings- und Kleinkindalter Tausende von neuen Verbindungen. Die Synaptogenese, d. h. die Bildung von Verbindungen zwischen Neuronen, setzt sich in der pränatalen Phase fort und bildet im Säuglings- und Kleinkindalter Tausende von neuen Verbindungen. In den nächsten Jahren werden die Dendriten, d. h. die Verbindungen zwischen den Neuronen, vorübergehend übermäßig wachsen (übermäßig, weil es so schnell geht, und vorübergehend, weil ein Teil davon vorübergehend ist). In diesen frühen Jahren kommt es zu einer derartigen Vermehrung dieser Dendriten, dass ein einzelnes Neuron im Alter von 2 Jahren Tausende von Dendriten haben kann.

Nach dieser dramatischen Zunahme werden die nicht genutzten neuronalen Bahnen durch einen Prozess namens synaptisches Pruning eliminiert, bei dem neuronale Verbindungen reduziert werden, wodurch die genutzten viel stärker werden. Man geht davon aus, dass das Gehirn durch das Pruning effizienter arbeitet und so die Beherrschung komplexerer Fähigkeiten ermöglicht (Hutchinson, 2011). Die Erfahrung bestimmt, welche dieser Verbindungen erhalten bleiben und welche verloren gehen. Letztendlich gehen etwa 40 Prozent dieser Verbindungen verloren (Webb, Monk und Nelson, 2001). Ein vorübergehender Überschwang tritt in den ersten Lebensjahren auf, und das Pruning setzt sich während der Kindheit und bis ins Jugendalter in verschiedenen Bereichen des Gehirns fort. Diese Aktivität findet hauptsächlich in der Hirnrinde oder der dünnen äußeren Hülle des Gehirns statt, die für freiwillige Aktivitäten und das Denken zuständig ist.

Video 3.4.1. How Baby Brains Develop erklärt einige der Gehirnveränderungen, die in den ersten Lebensjahren zu erwarten sind.

Myelinisierung

Eine weitere bedeutende Veränderung im zentralen Nervensystem ist die Entwicklung von Myelin, einer Schicht aus Fettgewebe um das Axon des Neurons (Carlson, 2014). Myelin hilft, die Nervenzelle zu isolieren und die Geschwindigkeit der Übertragung von Impulsen von einer Zelle zur anderen zu beschleunigen. Diese Zunahme fördert den Aufbau von Nervenbahnen und verbessert die Koordination und Kontrolle von Bewegungen und Denkprozessen. Im Säuglingsalter schreitet die Myelinisierung rasch voran, wobei immer mehr Axone eine Myelinhülle erhalten. Dies korrespondiert mit der Entwicklung kognitiver und motorischer Fähigkeiten, einschließlich des Sprachverständnisses, des Spracherwerbs, der sensorischen Verarbeitung, des Krabbelns und des Gehens. Die Myelinisierung in den motorischen Bereichen des Gehirns in der frühen bis mittleren Kindheit führt zu erheblichen Verbesserungen der Fein- und Grobmotorik. Die Myelinisierung setzt sich in der Jugend und im frühen Erwachsenenalter fort, und obwohl sie zu diesem Zeitpunkt weitgehend abgeschlossen ist, können in Regionen der grauen Substanz wie der Großhirnrinde während des gesamten Lebens weitere Myelinscheiden hinzukommen.

Gehirnstrukturen

Bei der Geburt beträgt das Gewicht des Gehirns etwa 25 Prozent seines Erwachsenengewichts, und im Alter von zwei Jahren erreicht es 75 Prozent seines Erwachsenengewichts. Die meiste neuronale Aktivität findet in der Hirnrinde oder der dünnen äußeren Hülle des Gehirns statt, die für die Willensaktivität und das Denken zuständig ist. Der Kortex ist in zwei Hemisphären unterteilt, und jede Hemisphäre ist in vier Lappen unterteilt, die jeweils durch Falten, so genannte Fissuren, voneinander getrennt sind. Wenn wir die Hirnrinde von der Vorderseite des Gehirns aus betrachten, sehen wir zuerst den Frontallappen (hinter der Stirn), der vor allem für das Denken, die Planung, das Gedächtnis und das Urteilsvermögen zuständig ist. Auf den Frontallappen folgt der Scheitellappen, der sich von der Mitte bis zur Rückseite des Schädels erstreckt und vor allem für die Verarbeitung von Informationen über Berührungen zuständig ist. Danach folgt der Okzipitallappen, der sich ganz hinten im Schädel befindet und visuelle Informationen verarbeitet. Vor dem Hinterhauptslappen, zwischen den Ohren, befindet sich schließlich der Schläfenlappen, der für das Hören und die Sprache zuständig ist.

Abbildung 3.4.3. Lappen des Gehirns.

Obwohl das Gehirn im Säuglingsalter schnell wächst, reifen bestimmte Hirnregionen nicht im gleichen Tempo. Die primären motorischen Bereiche entwickeln sich früher als die primären sensorischen Bereiche, und der präfrontale Kortex, der sich hinter der Stirn befindet, ist am wenigsten entwickelt. Mit der Reifung des präfrontalen Kortex ist das Kind zunehmend in der Lage, Gefühle zu regulieren oder zu kontrollieren, Aktivitäten zu planen, Strategien zu entwickeln und ein besseres Urteilsvermögen zu entwickeln. Diese Reifung ist im Säuglings- und Kleinkindalter noch nicht vollständig abgeschlossen, sondern setzt sich in der Kindheit, Jugend und im Erwachsenenalter fort.

Lateralisation

Lateralisation ist der Prozess, bei dem verschiedene Funktionen hauptsächlich auf einer Seite des Gehirns lokalisiert werden. Zum Beispiel ist bei den meisten Erwachsenen die linke Hemisphäre bei der Sprachproduktion aktiver als die rechte, während bei Aufgaben, die visuell-räumliche Fähigkeiten betreffen, das umgekehrte Muster beobachtet wird (Springer & Deutsch, 1993). Dieser Prozess entwickelt sich im Laufe der Zeit, aber strukturelle Asymmetrien zwischen den Hemisphären wurden bereits bei Föten (Chi, Dooling, & Gilles, 1997; Kasprian et al., 2011) und Kleinkindern (Dubois et al., 2009) festgestellt.

Neuroplastizität

Schließlich bezieht sich Neuroplastizität auf die Fähigkeit des Gehirns, sich sowohl physisch als auch chemisch zu verändern, um seine Anpassungsfähigkeit an Umweltveränderungen zu verbessern und Verletzungen zu kompensieren. Die Neuroplastizität ermöglicht es uns, neue Dinge zu lernen und zu erinnern und uns an neue Erfahrungen anzupassen. Sowohl Umwelterfahrungen, wie z. B. Reize, als auch körpereigene Ereignisse, wie Hormone und Gene, beeinflussen die Plastizität des Gehirns. Das gilt auch für das Alter. Am plastischsten sind unsere Gehirne in der Kindheit, denn in dieser Zeit lernen wir am meisten über unsere Umwelt. Die Gehirne Erwachsener zeigen Neuroplastizität, aber sie werden langsamer und weniger umfangreich beeinflusst als die von Kindern (Kolb & Whishaw, 2011).

Video 3.4.2. Langzeitpotenzierung und synaptische Plastizität erklärt, wie Lernen durch synaptische Verbindungen und Plastizität erfolgt.

Die Kontrolle einiger spezifischer Körperfunktionen, wie Bewegung, Sehen und Hören, wird in bestimmten Bereichen des Kortex ausgeführt. Wenn diese Bereiche geschädigt werden, verliert die Person wahrscheinlich die Fähigkeit, die entsprechende Funktion auszuführen. Wenn z. B. ein Säugling eine Schädigung der Gesichtserkennungsbereiche im Schläfenlappen erleidet, wird er oder sie wahrscheinlich nie in der Lage sein, Gesichter zu erkennen (Farah, Rabinowitz, Quinn, & Liu, 2000). Andererseits ist das Gehirn nicht in einer völlig starren Weise aufgeteilt. Die Neuronen des Gehirns verfügen über eine bemerkenswerte Fähigkeit, sich zu reorganisieren und zu erweitern, um als Reaktion auf die Bedürfnisse des Organismus bestimmte Funktionen auszuführen und Schäden zu reparieren. Infolgedessen schafft das Gehirn ständig neue neuronale Kommunikationswege und verdrahtet bestehende neu.

Hirnreifung in der Kindheit

Im Alter von drei Jahren hat das Gehirn etwa 75 Prozent seines Erwachsenengewichts erreicht. Im Alter von 6 Jahren hat es 95 Prozent seines Erwachsenengewichts erreicht (Lenroot & Giedd, 2006). Die Myelinisierung und die Entwicklung der Dendriten in der Hirnrinde schreiten weiter voran und führen zu einer entsprechenden Veränderung der Fähigkeiten des Kindes. Eine stärkere Entwicklung im präfrontalen Kortex, dem Bereich des Gehirns hinter der Stirn, der uns hilft, zu denken, Strategien zu entwickeln und Aufmerksamkeit und Emotionen zu kontrollieren, macht es zunehmend möglich, emotionale Ausbrüche zu unterdrücken und zu verstehen, wie man Spiele spielt.

Abbildung 3.4.4. Corpus Callosum.

Wachstum der Hemisphären und des Corpus Callosum

Zwischen dem dritten und sechsten Lebensjahr wächst die linke Hemisphäre des Gehirns dramatisch. Diese Seite des Gehirns oder der Hemisphäre ist in der Regel an den Sprachfähigkeiten beteiligt. Die rechte Hemisphäre wächst während der gesamten frühen Kindheit weiter und ist an Aufgaben beteiligt, die räumliche Fähigkeiten erfordern, wie etwa das Erkennen von Formen und Mustern. Das Corpus Callosum, ein dichtes Band aus Fasern, das die beiden Hemisphären des Gehirns verbindet, enthält etwa 200 Millionen Nervenfasern, die die Hemisphären miteinander verbinden (Kolb & Whishaw, 2011).

Das Corpus Callosum befindet sich ein paar Zentimeter unterhalb der Längsspalte, die sich über die gesamte Länge des Gehirns erstreckt und die beiden Gehirnhälften voneinander trennt (Garrett, 2015). Da die beiden Hemisphären unterschiedliche Funktionen ausüben, kommunizieren sie miteinander und integrieren ihre Aktivitäten über das Corpus callosum. Da die eingehenden Informationen an eine Hemisphäre gerichtet sind, z. B. visuelle Informationen vom linken Auge an die rechte Hemisphäre, teilt das Corpus callosum diese Informationen mit der anderen Hemisphäre.

Das Corpus callosum erfährt zwischen dem dritten und sechsten Lebensjahr einen Wachstumsschub, was zu einer verbesserten Koordination zwischen Aufgaben der rechten und linken Hemisphäre führt. Im Vergleich zu anderen Personen haben Kinder unter 6 Jahren beispielsweise Schwierigkeiten, ein Etch-A-Sketch-Spielzeug zu koordinieren, weil ihr Corpus callosum nicht ausreichend entwickelt ist, um die Bewegungen beider Hände zu integrieren (Kalat, 2016).

Gehirnentwicklung bei Jugendlichen

Das menschliche Gehirn ist bis zur Pubertät noch nicht vollständig entwickelt. Zwischen dem 10. und 25. Lebensjahr durchläuft das Gehirn Veränderungen, die wichtige Auswirkungen auf das Verhalten haben. Im Alter von sechs oder sieben Jahren erreicht das Gehirn 90 % seiner Erwachsenengröße. Das heißt, dass das Gehirn während der Pubertät nicht wesentlich wächst. Die Falten des Gehirns werden jedoch bis zum späten Teenageralter immer komplexer. Die bedeutendsten Veränderungen in den Hirnfalten während dieser Zeit finden in den Teilen des Kortex statt, die kognitive und emotionale Informationen verarbeiten. Die Veränderungen des Gehirns wirken sich direkt auf das Verhalten und die geistigen Prozesse aus. Wir werden einige dieser Themen diskutieren.

Abbildung 3.4.5. Das Gehirn erreicht seine größte Größe in den frühen Teenagerjahren, reift aber noch bis weit in die 20er Jahre hinein.

Gehirnveränderungen

Bis zur Pubertät blühen die Gehirnzellen in der Frontalregion weiter auf. Einige der entwicklungsgeschichtlich bedeutsamsten Veränderungen des Gehirns finden im präfrontalen Kortex statt, der an der Entscheidungsfindung und kognitiven Kontrolle sowie an anderen höheren kognitiven Funktionen beteiligt ist. Während der Adoleszenz nehmen die Myelinisierung und die synaptische Beschneidung im präfrontalen Kortex zu, was die Effizienz der Informationsverarbeitung verbessert, und die neuronalen Verbindungen zwischen dem präfrontalen Kortex und anderen Hirnregionen werden verstärkt. Dieses Wachstum braucht jedoch Zeit und ist ungleichmäßig.

Das limbische System

Das limbische System entwickelt sich Jahre vor dem präfrontalen Kortex. Die Entwicklung des limbischen Systems spielt eine wesentliche Rolle bei der Festlegung von Belohnungen und Bestrafungen und bei der Verarbeitung von emotionalen Erfahrungen und sozialen Informationen. Die pubertären Hormone wirken direkt auf die Amygdala, und starke Empfindungen werden unwiderstehlich (Romeo, 2013). Hirnscans bestätigen, dass die kognitive Kontrolle, wie fMRT-Studien zeigen, bis zum Erwachsenenalter nicht voll entwickelt ist, weil der präfrontale Kortex in Bezug auf Verbindungen und Engagement eingeschränkt ist (Hartley & Somerville, 2015). Erinnern wir uns daran, dass dieser Bereich für Urteilsvermögen, Impulskontrolle und Planung verantwortlich ist und bis ins frühe Erwachsenenalter hinein noch reift (Casey, Tottenham, Liston, & Durston, 2005).

Abbildung 3.4.6. Das limbische System.

Außerdem führen Veränderungen der Neurotransmitter Dopamin und Serotonin im limbischen System dazu, dass Heranwachsende emotionaler werden und stärker auf Belohnungen und Stress reagieren. Dopamin ist ein Neurotransmitter im Gehirn, der mit Vergnügen und der Abstimmung auf die Umwelt während der Entscheidungsfindung in Verbindung gebracht wird. Während der Adoleszenz steigt der Dopaminspiegel im limbischen System, und der Dopamininput in den präfrontalen Kortex nimmt zu. Die erhöhte Dopaminaktivität in der Adoleszenz könnte Auswirkungen auf die Risikobereitschaft von Jugendlichen und ihre Anfälligkeit für Langeweile haben. Serotonin ist an der Regulierung von Stimmung und Verhalten beteiligt. Es wirkt sich unterschiedlich auf das Gehirn aus. Serotonin ist als „beruhigende Chemikalie“ bekannt und mildert Spannungen und Stress. Serotonin bremst auch die Erregung und manchmal den Leichtsinn, die Dopamin hervorrufen kann. Wenn die Serotoninverarbeitung im Gehirn gestört ist, kann es zu impulsivem oder gewalttätigem Verhalten kommen.

Der präfrontale Kortex

Der präfrontale Kortex, der Teil des Frontallappens, der direkt hinter der Stirn liegt, wird oft als „CEO des Gehirns“, als kognitives Kontrollzentrum, bezeichnet. Diese Hirnregion ist verantwortlich für kognitive Analysen, abstraktes Denken, die Mäßigung des „richtigen“ Verhaltens in sozialen Situationen, die Fähigkeit, ein gutes Urteilsvermögen zu entwickeln, Selbstregulierung und Zukunftsorientierung. Der präfrontale Kortex nimmt Informationen aus allen Sinnesorganen auf und orchestriert Gedanken und Handlungen, um bestimmte Ziele zu erreichen (Casey, Jones, & Hare, 2008; Walsh, 2004). Im Alter von etwa 11 Jahren beginnt in dieser Hirnregion ein ausgedehnter Prozess der Beschneidung und Myelinisierung, der erst im Alter von etwa 25 Jahren abgeschlossen ist. Diese Region des Gehirns ist eine der letzten, die ihre Reife erreicht. Diese Verzögerung könnte erklären, warum sich manche Jugendliche so verhalten, wie sie es tun. Zu den sogenannten „exekutiven Funktionen“ des menschlichen präfrontalen Kortex gehören:

• Fokussierung der Aufmerksamkeit
• Organisieren von Gedanken und Problemlösung
• Vorhersehen und Abwägen möglicher Konsequenzen des Verhaltens
• Abwägen der Zukunft und Erstellen von Vorhersagen
• Bildung von Strategien und Planung
• Fähigkeit, kurzfristigeBelohnungen mit langfristigen Zielen in Einklang zu bringen
• Verhaltensänderung/Anpassung, wenn sich Situationen ändern
• Impulskontrolle und Aufschub der Belohnung
• Modulation intensiver Emotionen
• Unterbindung von unangemessenes Verhalten zu hemmen und angemessenes Verhalten zu initiieren
• Simultan mehrere Informationsströme zu berücksichtigen, wenn man mit komplexen und schwierigen Informationen konfrontiert wird

Abbildung 3.4.7. Die Entwicklung des Gehirns setzt sich bis in die frühen 20er Jahre fort. Lebensjahr fort. Insbesondere die Entwicklung des Frontallappens ist in dieser Phase wichtig.

Der unterschiedliche Zeitpunkt der Entwicklung des limbischen Systems und des präfrontalen Kortex trägt zu einer höheren Risikobereitschaft während der Adoleszenz bei. Da Jugendliche motiviert sind, den Nervenkitzel zu suchen, der sich manchmal aus riskantem Verhalten ergibt, neigen sie eher zu rücksichtslosem Fahren, Rauchen oder Trinken und haben noch nicht die kognitive Kontrolle entwickelt, um Impulsen zu widerstehen oder sich gleichermaßen auf die potenziellen Risiken zu konzentrieren (Steinberg, 2008). Laurence Steinberg, einer der weltweit führenden Experten für die Entwicklung Heranwachsender, vergleicht dies mit dem Einschalten eines starken Motors, bevor das Bremssystem aktiviert ist. Das Ergebnis ist, dass Jugendliche eher zu riskantem Verhalten neigen als Kinder oder Erwachsene.

Integration der Hirnregionen

MRT-Studien des Gehirns zeigen, dass Entwicklungsprozesse im Gehirn in der Regel von hinten nach vorne verlaufen, was erklärt, warum sich der präfrontale Kortex zuletzt entwickelt. Diese Studien haben auch ergeben, dass Jugendliche im Vergleich zu Erwachsenen weniger weiße Substanz (Myelin) in den Frontallappen ihres Gehirns haben, aber diese Menge nimmt zu, je älter der Teenager wird. Je mehr Myelin vorhanden ist, desto mehr wichtige Hirnverbindungen entstehen, die einen besseren Informationsfluss zwischen den Hirnregionen ermöglichen. MRT-Forschungen haben außerdem ergeben, dass die weiße Substanz im Corpus Callosum, dem Nervenfaserbündel, das die rechte und die linke Gehirnhälfte miteinander verbindet, während der Pubertät zunimmt. Diese Entwicklung ermöglicht eine verbesserte Kommunikation zwischen den Hemisphären, wodurch eine ganze Reihe von analytischen und kreativen Strategien zum Einsatz kommen können, um auf die komplexen Dilemmata zu reagieren, die im Leben eines jungen Menschen auftreten können (Giedd, 2004).

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Jugendjahre eine Zeit tiefgreifender Veränderungen im Gehirn sind. Interessanterweise entwickeln sich zwei der wichtigsten Gehirnfunktionen unterschiedlich schnell. Die Hirnforschung zeigt, dass der Teil des Gehirns, der Belohnungen aus Risiken wahrnimmt, das limbische System, in der frühen Adoleszenz einen hohen Gang einlegt. Der Teil des Gehirns, der Impulse kontrolliert und sich mit längerfristigen Perspektiven befasst, die Frontallappen, reifen später. Diese Verzögerung könnte erklären, warum Jugendliche in der mittleren Adoleszenz mehr Risiken eingehen als ältere Jugendliche.

Wenn sich die Frontallappen weiter entwickeln, geschehen zwei Dinge. Erstens entwickelt sich die Selbstkontrolle, da die Jugendlichen besser in der Lage sind, Ursache und Wirkung zu beurteilen. Zweitens werden mehr Bereiche des Gehirns an der Verarbeitung von Emotionen beteiligt, und Jugendliche werden besser darin, die Emotionen anderer richtig zu interpretieren.

Video 3.4.4. Brain Changes in Adolescence (Gehirnveränderungen in der Pubertät) beschreibt einige der körperlichen Veränderungen, die während der Pubertät auftreten.

Educational Neuroscience

Educational Neuroscience (oder Neuropädagogik) ist ein aufstrebendes wissenschaftliches Gebiet, das Forscher aus den Bereichen Neurowissenschaften, Psychologie, Pädagogik und sogar Technologie zusammenbringt, um die Wechselwirkungen zwischen biologischen Prozessen und Bildung zu erkunden. Forscher der pädagogischen Neurowissenschaften untersuchen die neuronalen Mechanismen für Prozesse wie Lernen, Gedächtnis, Aufmerksamkeit, Intelligenz und Motivation. Ihre Forschung befasst sich auch mit Schwierigkeiten wie Legasthenie, Dyskalkulie und ADHS, die mit der Bildung zusammenhängen. Forscher in diesem Bereich können grundlegende Erkenntnisse der kognitiven Neurowissenschaften mit Bildungstechnologie verknüpfen, um bei der Umsetzung von Lehrplänen für bestimmte akademische Bereiche wie Mathematik und Leseerziehung zu helfen. Die pädagogische Neurowissenschaft zielt darauf ab, Grundlagen- und angewandte Forschung zu betreiben, die eine neue transdisziplinäre Darstellung des Lernens und Lehrens liefert, welche die Bildung beeinflussen kann.

Video 3.4.5. Introduction to Educational Neuroscience (Einführung in die pädagogischen Neurowissenschaften) erörtert, wie die Neurowissenschaften in die Bildung einfließen können, und räumt mit einigen verbreiteten Mythen über die Funktionsweise des Gehirns bei Lehrern und Schülern auf.