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Warum es schlechte Lerner gibt: EEG-Aktivität sagt Lernerfolg voraus

13.02.2013
Forscherteam entdeckt: Gehirn verarbeitet Sinnesinformationen nicht ausreichend

Warum manche Menschen schlechter lernen als andere, hat ein Forscherteam aus Berlin, Bochum und Leipzig im Rahmen einer Kooperation des deutschlandweiten Netzwerkes „Bernstein Fokus Zustandsabhängigkeiten des Lernens“ aufgedeckt.

Das Hauptproblem waren nicht etwa ineffiziente Lernprozesse, sondern dass das Gehirn die zu lernende Information unzureichend an den entscheidenden Stellen verarbeitete. Die Wissenschaftler trainierten den Tastsinn der Probanden, der dadurch üblicherweise an Sensibilität gewinnt. Bei guten Lernern veränderte sich die Hirnaktivität im EEG auf charakteristische Art und Weise, genauer gesagt die Alpha-Wellen. Diese zeigen unter anderem an, wie effektiv das Gehirn die sensorische Information, die man zum Lernen braucht, verwertet.

„Eine spannende Frage ist nun, in wieweit sich die Alpha-Aktivität mit Biofeedback willentlich beeinflussen lässt“, sagt PD Dr. Hubert Dinse vom Neural Plasticity Lab der Ruhr-Universität Bochum. „Das könnte enorme Implikationen für die Therapie nach Hirnschädigung oder ganz allgemein für das Verständnis von Lernvorgängen haben.“ Das Forscherteam von der Ruhr-Universität Bochum, der Humboldt-Universität zu Berlin, der Charité – Universitätsmedizin Berlin und des Leipziger Max-Planck-Instituts (MPI) für Kognitions- und Neurowissenschaften berichtet im „Journal of Neuroscience“.

Lernen ohne Aufmerksamkeit: Passives Training für den Tastsinn

Wie gut wir lernen, hängt von genetischen Aspekten, der individuellen Gehirnanatomie und nicht zuletzt der Aufmerksamkeit ab. „Wir haben in den vergangenen Jahren ein Verfahren etabliert, mit dem wir bei Menschen Lernprozesse auslösen, die keine Aufmerksamkeit erfordern“, sagt Hubert Dinse. Diesen Faktor konnten die Forscher also ausklammern. Sie reizten 30 Minuten lang wiederholt den Tastsinn der Teilnehmer, indem sie die Haut an der Hand elektrisch stimulierten. Vor und nach diesem passiven Lerntraining testeten sie die sogenannte Zwei-Punkt-Diskriminationsschwelle – ein Maß für die Sensibilität des Tastsinns. Dabei übten sie mit zwei Nadeln sanften Druck auf die Hand aus und bestimmten den kleinsten Abstand zwischen den Nadeln, bei dem der Proband sie noch als separate Reize wahrnahm. Im Durchschnitt verbesserte das passive Training die Diskriminationsschwelle um zwölf Prozent – aber nicht bei jedem der 26 Teilnehmer. Warum manche Leute besser lernten als andere, untersuchte das Team mittels EEG.

Den Hirnzustand im EEG abbilden: Die Alpha-Wellen sind entscheidend

Die Berliner und Leipziger Kooperationspartner PD Dr. Petra Ritter, Dr. Frank Freyer und Dr. Robert Becker zeichneten vor und während des passiven Lerntrainings das spontane EEG der Probanden auf. Dann identifizierten sie die Komponenten der Hirnaktivität, die mit einer Verbesserung beim Diskriminationstest zusammenhingen. Entscheidend war die Alpha-Aktivität, also die Hirnaktivität im Frequenzbereich von 8 bis 12 Hertz. Je höher die Alpha-Aktivität vor dem passiven Training, desto besser lernten die Leute. Außerdem lernten sie umso einfacher, je mehr die Alpha-Aktivität während des passiven Trainings abnahm. Diese Effekte traten über dem somatosensorischen Kortex auf, also dort wo der Tastsinn im Gehirn verortet ist.

Das Ziel: Therapieansätze entwickeln

„Wie der Alpha-Rhythmus es schafft, das Lernen zu beeinflussen, untersuchen wir mit Computermodellen“, sagt PD Dr. Petra Ritter, Leiterin der Arbeitsgruppe BrainModes am MPI Leipzig und der Berliner Charité. „Erst wenn wir die Art der komplexen Informationsverarbeitung des Gehirns verstehen, können wir ganz gezielt in die Prozesse eingreifen, um bei Störungen zu helfen“, fügt Petra Ritter hinzu. Neue Therapieansätze zu entwickeln, ist das gesteckte Ziel des Kooperations-Netzwerkes, das Ritter koordiniert, des internationalen „The Virtual Brain“-Projektes, an dem ihr Team beteiligt ist, und des von Dinse geleiteten „Neural Plasticity Lab“ an der RUB.

Lernen ist abhängig vom Zugang zu sensorischer Information

Eine hohe Alpha-Aktivität gilt als Marker für die Bereitschaft des Gehirns, neu eintreffende Informationen zu verwerten. Umgekehrt gilt eine starke Abnahme während der sensorischen Stimulation als Indikator dafür, dass das Gehirn die Reize besonders effizient verarbeitet. Die Ergebnisse legen also nahe: Wahrnehmungsbasiertes Lernen ist stark davon abhängig, wie zugänglich die sensorische Information ist. Die Alpha-Aktivität als Marker sich ständig verändernder Hirnzustände moduliert diese Zugänglichkeit.

Förderung

Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (Bernstein Fokus Lernen, „State Dependencies of Learning“), die James S. McDonnel Foundation, die Max-Planck Gesellschaft (Minerva-Programm) und die Deutsche Forschungsgemeinschaft (SFB 874, „Integration und Repräsentation sensorischer Prozesse“) förderten das Projekt.

Titelaufnahme

F. Freyer, R. Becker, H.R. Dinse, P. Ritter (2013): State-dependent perceptual learning, Journal of Neuroscience, doi: 10.1523/JNEUROSCI.4039-12.2013

Weitere Informationen

PD Dr. Hubert Dinse, Neural Plasticity Lab, Institut für Neuroinformatik der Ruhr-Universität, 44780 Bochum, Tel. 0234/32-25565, E-Mail: hubert.dinse@rub.de

PD Dr. Petra Ritter, MPI für Kognitions- und Neurowisssenschaften, Leipzig; Charité Universitätsmedizin, Berlin, Tel. 0341/9940-2220, E-Mail: petra.ritter@charite.de

Angeklickt

Neural Plasticity Lab an der RUB
http://www.neuralplasticitylab.de

Frühere Presseinformation zum passiven Lernen ohne Aufmerksamkeit
http://aktuell.ruhr-uni-bochum.de/pm2011/pm00136.html.de

Redaktion: Dr. Julia Weiler

Dr. Josef König | idw
Weitere Informationen:
http://www.ruhr-uni-bochum.de

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