Neurobiologische Grundlagen des Gehirns und des Lernens
Grundlagen der Neurowissenschaften und moderne Forschung
Der aktuelle Fortschritt in den Neurowissenschaften wird maßgeblich durch neue technische Verfahren wie die Magnetresonanztomografie vorangetrieben. Diese Technologie erlaubt tiefe Einblicke in das menschliche Gehirn, welches als das komplexeste Organ des Körpers gilt. Trotz dieser Fortschritte betonen Neurowissenschaftler, dass sie sich noch am Anfang der Erforschung dieser zentralen Steuereinheit befinden. Besonders bedeutsam für den Bildungskontext sind die bahnbrechenden Arbeiten des Nobelpreisträgers Eric Kandel zur Langzeitspeicherung von Informationen im Gedächtnis sowie neuere Erkenntnisse über die neuronalen Umstrukturierungsprozesse während der Pubertät. Diese Forschungsergebnisse sind für Lehrkräfte essenziell, um Lernprozesse und das Verhalten von Jugendlichen fundiert beurteilen zu können.
Statistische Kennzahlen des menschlichen Gehirns
Das menschliche Gehirn weist beeindruckende biologische und physikalische Kennzahlen auf. Es wiegt durchschnittlich ca. und beansprucht bis zu des gesamten Energieverbrauchs eines Menschen. Die biologische Struktur besteht aus etwa bis Neuronen (Nervenzellen), wobei die Anzahl der unterstützenden Gliazellen etwa das Zehnfache beträgt. Die Dichte der Vernetzung ist extrem hoch: In das Volumen eines Stecknadelkopfes passen theoretisch ca. an Nervenleitungen. In voll entwickelten Hirnbereichen erreicht die Übertragungsgeschwindigkeit zwischen zwei Neuronen ca. . In Bezug auf die Rechenleistung ist das Gehirn in der Lage, pro Sekunde ca. () Verarbeitungsschritte durchzuführen. Im Vergleich dazu schafft ein moderner Supercomputer von IBM etwa eine Billiarde Schritte, verbraucht dabei jedoch mit das Hunderttausendfache an Energie.
Systematischer Aufbau des Zentralnervensystems
Das zentrale Nervensystem (ZNS) ist in zwei Hauptkomponenten unterteilt: das Rückenmark und das im Kopf gelegene Gehirn. Das Gehirn selbst ist durch mehrere Barrieren geschützt. Es wird von den Schädelknochen umschlossen und ist intern von drei Hirnhäuten umgeben. Innerhalb dieser Hülle schwimmt das Gehirn im Hirnwasser (Liquor), was einen effektiven Schutz vor Erschütterungen und Verletzungen bietet. Die Architektur des Gehirns ist hochkomplex, wobei für kognitive und emotionale Prozesse spezifische Areale von besonderer Bedeutung sind.
Das Großhirn und der Cortex
Das Großhirn (Cerebrum) macht etwa der gesamten Gehirnmasse aus und ist das primäre Zentrum der Informationsverarbeitung. Die äußere Schicht, die Großhirnrinde oder der Cortex, ist zwischen und dick. Durch ihre stark gefaltete Struktur wird die Oberfläche des Gehirns massiv vergrößert. Die Rinde allein beansprucht fast die Hälfte des Hirnvolumens und beherbergt zwischen und Nervenzellen. Da diese Zellen grau erscheinen, wird dieses Areal auch als graue Substanz bezeichnet. Der Cortex integriert Signale der Sinnesorgane und vorgeschalteter Hirnregionen zu einem kohärenten Umwelteindruck. Er ist die biologische Basis für Gedächtnis, psychische Leistungen, Erkenntnisprozesse, Handlungsplanung (wie Gehen, Sprechen, Schreiben) und das Bewusstsein.
Funktionale Gliederung der Hirnlappen
Das Gehirn ist in verschiedene Lappen mit spezialisierten Funktionen unterteilt. Die Frontallappen (Stirnhirn) sind die größten Areale und gelten als "Sitz des Lernens". Sie sind zuständig für die Verarbeitung von Informationen bezüglich Gedächtnis, Planung, Zielsetzung, Entscheidungsprozessen sowie der Emotions- und Verhaltenskontrolle, Konzentrationsfähigkeit und Kreativität. Ein entscheidender neurobiologischer Aspekt ist, dass die Frontallappen erst während der Pubertät ausreifen; dieser Prozess kann bis zum andauern. Dies erklärt die oft eingeschränkte Emotionskontrolle bei Jugendlichen. Die Pubertät wird daher als sensible Phase für das Erlernen dieser exekutiven Funktionen angesehen. Weitere Bereiche sind die Hinterhauptslappen (Okzipitallappen) für die visuelle Verarbeitung, die Schläfenlappen (Temporallappen) für Hörreize und die Scheitellappen (Parietallappen), welche Berührungs-, Schmerz- und Temperaturreize verarbeiten sowie die Körperposition bestimmen.
Das Kleinhirn und das limbische System
An der Basis des Schädels befindet sich das etwa walnussgroße Kleinhirn (Cerebellum). Es reguliert Gleichgewicht, Bewegung, Koordination und den Spracherwerb. Hier werden Bewegungsabläufe so gespeichert, dass sie automatisiert ablaufen können, wie beispielsweise das Schalten beim Autofahren, das Balancieren oder das Greifen von Akkorden auf einer Gitarre. Das limbische System liegt zwischen Großhirn und Hirnstamm und ist maßgeblich für die Beeinflussung von Gefühlen und die Abspeicherung von Gedächtnisinhalten verantwortlich. Zwei zentrale Strukturen sind hierbei der Hippocampus und die Amygdala. Der Hippocampus (wörtlich "Seepferdchen") steuert Affekte wie Freude, Wut oder Scham und filtert Informationen nach den Kriterien Neuigkeit und Bedeutsamkeit für das Gedächtnis. Die Amygdala (Mandelkern) ist essenziell für das Empfinden von Angst und die Deutung von Gesichtsausdrücken. Sie bildet zudem das emotionale Gedächtnis, welches Erinnerungen an Situationen mit starken Gefühlen verstärkt.
Hirnstamm und Hemisphärenkommunikation
Der daumengroße Hirnstamm bildet die Verbindung zwischen den verschiedenen Teilen des ZNS: nach oben zum Zwischen- und Großhirn, nach hinten zum Kleinhirn und nach unten zum Rückenmark. Er reguliert überlebenswichtige Systeme wie Kreislauf, Atmung und Schlaf. Groß- und Kleinhirn sind jeweils in eine rechte und eine linke Hemisphäre unterteilt. Diese sind über den Balken (Corpus Callosum) verbunden, der aus etwa Nervenfasern besteht. Moderne Forschung zeigt, dass Gehirnaktivitäten meist komplexe Verschaltungen über beide Hemisphären erfordern. Bei hochintelligenten Menschen ist dieser Informationsaustausch zwischen den Hirnhälften besonders effektiv ausgeprägt.
Zellulärer Aufbau und Signalweiterleitung
Die Grundeinheit des Kommunikationsnetzes im Gehirn ist das Neuron. Ein Neuron besteht aus einem Zellkörper mit Dendriten, die Informationen empfangen, und einem Axon, das Impulse weiterleitet. Das Axon ist oft mit einer Myelinschicht ummantelt, einer Fettschicht, die die Signalgeschwindigkeit bis zum steigert. Die Myelinisierung im frontalen Cortex endet erst mit etwa . Die Kommunikation zwischen Neuronen erfolgt an den Synapsen. Da der synaptische Spalt eine elektrische Übertragung verhindert, werden dort chemische Botenstoffe, die Neurotransmitter, eingesetzt. Bekannte Transmitter sind Acetylcholin, Adrenalin, Noradrenalin, Dopamin, Serotonin, GABA und Opioide. Diese wirken entweder erregend oder hemmend auf die nachfolgende Zelle (Postsynapse) und werden nach der Signalübertragung durch Enzyme abgebaut oder zurückgeführt.
Neuroplastizität und neurobiologische Lernprinzipien
Das Gehirn ist neuroplastisch, was bedeutet, dass es sich lebenslang durch Benutzung verändert; neue Verbindungen entstehen, während ungenutzte abgebaut werden. Eric Kandel definierte Lernen als die Veränderung der Stärke von Verbindungen zwischen Nervenzellen. Hieraus ergeben sich drei Kernprinzipien: 1. "What fires together, wires together": Häufig gleichzeitig aktive Neuronen verstärken ihre Verbindung. 2. "Use it or lose it": Nicht genutzte Fähigkeiten verkümmern (Beispiele sind die nachlassende Fähigkeit, Telefonnummern zu merken oder die räumliche Orientierung durch Navigationssysteme). 3. Emotionaler Einfluss: Freude wirkt laut Gerald Hüther wie "Dünger" für das Gehirn, da Dopamin die Informationsverarbeitung verbessert. Stress und Angst hingegen führen zur Ausschüttung von Blockadetransmittern (wie GABA), was zu einem "Blackout" führen kann. Ein mittleres Maß an Erregung wird als optimal für die Leistungsfähigkeit angesehen.