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Gesundheit+Medizin

3. Wie lernen wir?

Unser Gehirn begreift unbewusst Strukturen in dem, was es beobachtet. Wie macht es das?

„Wenn es etwas gibt, was Menschen vor allen anderen Lebewesen auszeichnet, dann ist es die Tatsache, dass wir lernen können und dies auch zeitlebens tun.“ So leitet der Psychiater Manfred Spitzer von der Universität Ulm sein Buch „Lernen – Gehirnforschung und die Schule des Lebens“ ein, mit dem er beherzt in die deutsche Bildungsdebatte nach dem PISA-Schock eingreift und ein gehirngerechteres Lernen an unseren Schulen fordert. Doch wissen wir wirklich schon genug über die Art, wie unser Gehirn lernt, um praktische Schlüsse daraus zu ziehen?

Tatsächlich sind die Prinzipien des Lernens auf der Ebene der Neuronen, ja sogar auf molekularer Ebene, recht gut untersucht. Zu verdanken ist dies vor allem dem 1929 in Wien geborenen und heute in den USA forschenden Neurobiologen Eric Kandel, der im Jahr 2000 den Medizin-Nobelpreis erhielt. Kandel untersuchte die Meeresschnecke Aplysia, die lediglich 20 000 Nervenzellen besitzt und trotzdem lernen kann: etwa sich an einen Schmerzreiz zu gewöhnen oder umgekehrt bei einer zusätzlichen Stimulation stärker auf den Reiz zu reagieren. Damit leistet die Schnecke etwas Ähnliches wie das, was Iwan Pawlow (1849 bis 1936) an seinem berühmten Hund beobachtet hat, dem schon beim Erklingen der Futter ankündigenden Glocke der Speichel lief.

Damit einfache Nervensysteme lernen können, müssen im Grunde nur drei Bedingungen erfüllt sein: Eingangssignale (Input) empfangende Neurone müssen über Synapsen mit Ausgangssignale (Output) produzierenden Neuronen verschaltet sein. Und: Die Verbindungsstärke der Synapsen muss dauerhaft verändert werden können – abhängig von der Erfahrung. Außerdem darf das Output-Neuron erst ab einem bestimmten Schwellenwert reagieren.

Tatsächlich lassen sich derart simpel gestrickte Nervennetze mit elektronischen Bauteilen nachbauen. Der Psychiater Spitzer bastelt solche neuronalen Netze – und diese künstlichen Gehirne können lernen.

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Wenn man die Simulation weiter treibt, kommt dabei Erstaunliches heraus: Neuronale Netze sind imstande, Muster zu erkennen und zu speichern und tendieren von selbst dazu, neuronale „Landkarten“ dieser Muster anzulegen. Genauso macht das auch unser Gehirn: Es speichert benachbarte Punkte der Körperoberfläche an benachbarten Punkten der Hirnoberfläche – eine Landkarte des Fühlens entsteht. Wie wir heute wissen, legt schon das Ungeborene solche Hirnkarten an, indem es durch Bewegen und Tasten im Mutterleib seinen Körper kennenlernt. Spitzer meint, dass wir vermutlich einige Hundert Karten für verschiedene Aufgaben in unserem Kopf haben – doch längst nicht alle sind entdeckt und beschrieben.

Diese Karten sind nicht fest umrissen, sondern plastisch. Sie können sich im Laufe des Lebens vergrößern, wie bei einem Klavierspieler, dessen „Fingerzentren“ im Gehirn durch Üben größer werden. Oder sie können verkümmern – etwa die visuellen Zentren bei Erblindeten. Diese neuronale Plastizität wurde erst in den letzten beiden Jahrzehnten an Tieren und Menschen genauer erforscht. Viele Fragen sind nach wie vor unbeantwortet, etwa ob es in Nachbar-Arealen zu Störungen kommt, wenn ein Hirnbezirk durch Training allmählich größer wird.

Doch wir lernen nicht nur durch Üben, sondern – vor allem in der Schule – auch durch Zuschauen und Zuhören. Dass dabei Aufmerksamkeit eine zentrale Rolle spielt, weiß man schon lange. In den Neunzigerjahren machten mehrere Studien sichtbar, was dabei im Gehirn geschieht: Der Magnetresonanztomograph zeigte, dass beim Betrachten bewegter Punkte die Stoffwechsel-Aktivität in unterschiedlichen Hirnzentren hochgefahren wird, je nachdem, ob die Versuchsperson auf die Farbe oder auf die Bewegung der Punkte achtet. Oder dass Reize, die beim Betrachten starke Neuronen-Aktivität bewirkt haben, leichter behalten werden als Reize, die ohne große Resonanz vorbeigehuscht sind.

Das alles ist nicht weiter überraschend – aber es ist die Grundlage dafür, die Aufmerksamkeitssteuerung im Gehirn künftig genauer entschlüsseln zu können. Daran forschen zurzeit verschiedene Arbeitsgruppen – auch weil das „ Aufmerksamkeitsdefizitsyndrom“ (ADS) vielen Schülern und ihren Eltern schwer zu schaffen macht und man genauer wissen möchte, was dabei schief läuft.

Zu den faszinierendsten Leistungen unseres Gehirns gehört es, dass es nicht nur passiv lernt, was man ihm an Erkenntnissen vorsetzt, sondern dass es selbstständig forscht und aus dem Besonderen auf das Allgemeine schließt. „Gehirne sind Regelextraktions-Maschinen“, sagt Spitzer.

Besonders gut beobachten kann man das, wenn Kinder sprechen lernen. In einer ersten Phase lernen sie beispielsweise die Bildung von Vergangenheitsformen durch Imitation: „ich singe“ – „ ich sang“. Später wird ihnen klar, dass Vergangenheitsformen im Deutschen mit „-te“ gebildet werden; „ich singte“ sagen sie folgerichtig, manchmal auch „ich sangte“. Erst in einer dritten Stufe können sie Regel und Ausnahmen korrekt anwenden: „ich redete“, aber „ich sang“.

Beim Erwerb der Muttersprache hat unser Gehirn diese Lernphasen durchgemacht – übrigens ohne die Regeln explizit zu formulieren oder ihrer bewusst zu sein. Explizite Grammatikregeln spielen erst im Schulunterricht eine Rolle, zum Beispiel beim Erlernen von Fremdsprachen.

Wie schafft es unser Gehirn, Regeln aus einem Strom von Wörtern oder Symbolen herauszufiltern? Das Erstaunliche ist, dass ihm das gar nicht schwer zu fallen scheint, weil diese Leistung schon in der Struktur des neuronalen Netzes angelegt ist. Mit anderen Worten: Auch elektronisch nachgebaute neuronale Netze sind Regelextraktions-Maschinen. Sie weisen bei ähnlichen Aufgaben ähnliche Lernkurven auf wie ein Regeln lernendes Kind.

Entsprechend rät Spitzer Lehrern dazu, im Unterricht lieber immer wieder Beispiele zu bringen als die dazu passende Regel zu pauken. Die Regeln finden die Kinderhirne von ganz allein heraus. Irgendwann können sie das, was sie begreifen sollen, auch wenn sie nicht wissen, warum.

Unser Gehirn beschreitet noch viele andere Wege, um zu lernen: Es nutzt seine Spiegelneuronen, um Gesichts- und Körperbewegungen zu imitieren. Es nutzt seinen Hippocampus, einen hochspezialisierten Hirnteil, um Orte und einzelne Ereignisse zu speichern und um Neues von Altbekanntem zu unterscheiden. Es bewertet und gewichtet – und es vergisst. Immer wieder entdecken Hirnforscher neue Strukturen und Funktionen im Gehirn, und fast alle haben sie irgendwie mit dem Lernen zu tun. Ein vollständiges Bild ergibt sich noch nicht.

Doch was hält ein lernendes Gehirn bei Laune? Was lässt es bei der Sache bleiben und treibt es zu Höchstleistungen an? Es sind nicht die Showstar-Qualitäten eines beliebten Lehrers, auch nicht die guten Noten oder das daran gekoppelte Taschengeld. Die Belohnungen für das erfolgreiche Lernen verschafft das Gehirn sich vielmehr selbst.

Erst seit wenigen Jahren wissen Hirnforscher Genaueres über das „Belohnungssystem“, in dem der Botenstoff Dopamin eine zentrale Rolle spielt. Zum ersten Mal sichtbar gemacht wurde es 1997 bei Kokainsüchtigen auf Entzug, denen zum Zwecke des wissenschaftlichen Fortschritts die Droge erneut verabreicht wurde, woraufhin ein tief im Inneren des Gehirns gelegener Bezirk, das Striatum, im PET-Scanner aufleuchtete.

Vom Striatum aus – das weiß man mittlerweile – führen Fasern zum Stirnhirn. Sie sorgen dort für die Ausschüttung körpereigener Opioide. Diese opiumähnlichen Verbindungen sorgen für gute Stimmung, aber nur unter bestimmten Bedingungen: Etwa wenn wir etwas Neues sehen und erleben – das haben Versuche an Ratten gezeigt. Dann ist das Belohnungssystem der Motor der Neugierde. Oder wenn uns etwas unerwartet Positives passiert – wenn wir zum Beispiel eine knifflige Aufgabe endlich gelöst haben. Dann freuen wir uns und merken uns den Lösungsweg. So ungefähr scheint das zu funktionieren. Doch muss hier noch viel geforscht werden – auch im Sinne künftiger Schülergenerationen, denen im Unterricht mehr Spaß und weniger Langeweile zu wünschen ist.

Dass selbstmotiviertes Lernen jedoch auch unter Extrembedingungen gelingen kann, dafür hat die Welt gerade ein frappierendes Beispiel gesehen: die junge Österreicherin Natascha Kampusch. Acht Jahre im Verlies, nur Bücher und Medien als Lehrstoff, zur Gesellschaft nur den Entführer, mit Hunger im Bauch und der Angst im Nacken hat dieses Mädchen unermüdlich gelernt – in seinem um sich selbst kreisenden Gehirn, das jede Hoffnung, jede Strategie und jeden Plan aus sich selbst generieren musste.

Vermutlich wird uns dieser weibliche Kaspar Hauser noch Einiges über das Lernen lehren. Judith Rauch ■

Ohne Titel

Tief im Inneren des Schädels liegen umhüllt vom Großhirn mehrere ungewöhnlich geformte Nervenzentren mit überraschenden Eigenschaften. Der Hippocampus hat eine zentrale Rolle beim Lernen: Er ist für das Speichern und Vergessen von Information zuständig. Außerdem bildet er wie der Riechkolben auch im Alter noch neue Nervenzellen. In den für Gefühle zuständigen Regionen Mandelkern und Cingulum fehlen bei Depressiven bis zu 25 Prozent der Neuronen.

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