Hirnstimulation kann beim Mathe-Lernen helfen

In unserem Bildungssystem gibt es zahlreiche Kinder, die trotz aller Bemühungen schlecht in Mathe bleiben. Eine neue Studie könnte nun erklären, warum das so ist. Wie gut jemand Rechnen lernen kann, hängt demnach nicht nur vom Lernumfeld ab, sondern auch von den angeborenen Vernetzungen in seinem Gehirn. Konkret hängen bestimme mathematische Fähigkeiten mit neuronalen Verknüpfungen im frontoparietalen Netzwerk unseres Gehirns zusammen. Diese Nervenverbindungen können bei manchen Menschen durch elektrische Hirnstimulation gezielt verstärkt werden, wie das Experiment belegt. Das könnte Betroffenen das Mathe-Lernen erheblich erleichtern.

Bei kognitiven Fähigkeiten wie Lesen, Rechnen oder Sprachen lernen kommt es viel auf frühe Förderung und Übung an. Kinder, die lesen oder rechnen lernen und dranbleiben, können ihre Lese- oder Mathekompetenz dadurch mit der Zeit aktiv verbessern. Förderlich sind hierbei auch Faktoren wie der sozioökonomische Status, der eine gute Ausbildung wahrscheinlicher macht. Bei mathematischen Fähigkeiten bringt Übung aber manchmal kaum oder gar keine Verbesserung. Die Mathe-Kompetenz mancher Menschen stagniert von der Kindheit bis zum Erwachsenenalter – egal, wie viel sie gefördert werden. Zwischen 24 und 29 Prozent der Erwachsenen in Industrieländern wie Deutschland, Frankreich und Großbritannien verfügen daher über ähnliche mathematische Fähigkeiten wie Fünf- bis Siebenjährige oder liegen sogar darunter, zeigt ein OECD-Bericht von 2016.

„Bisher haben sich die meisten Bemühungen um eine bessere Bildung auf die Veränderung des Lernumfelds konzentriert – die Ausbildung von Lehrern, die Neugestaltung von Lehrplänen – während die Neurobiologie der Lernenden weitgehend übersehen wurde“, sagt Seniorautor Roi Cohen Kadosh von der University of Surrey in Großbritannien. „Zahlreiche Forschungsergebnisse haben jedoch gezeigt, dass biologische Faktoren die Bildungsergebnisse in Mathematik oft stärker erklären als umweltbedingte.“ Demnach hängen die individuellen Mathe-Leistungen auch mit angeborenen neurobiologischen Gehirneigenschaften zusammen, die sich nicht durch Unterricht oder Nachhilfe verändern lassen.

Bessere Mathe-Kompetenz dank starken neuronalen Verknüpfungen

Welche Hirneigenschaften das genau sind, haben nun Forschende um Kadosh und Erstautor George Zacharopoulos von der University of Oxford untersucht. Dafür ließen sie 72 Testpersonen im Alter zwischen 18 und 30 Jahren fünf Tage lang Matheaufgaben bearbeiten, die entweder das methodische Berechnen oder starre Auswendiglernen einer Lösung erforderten. Währenddessen analysierten die Neurowissenschaftler per funktioneller Magnetresonanztomographie (fMRT) deren Hirnaktivität – genauer gesagt: die Stärke der neuronalen Verbindungen zwischen Gehirnregionen, die mit dem Erlernen von Mathematik verbunden sind.

Zusätzlich stimulierten die Forschenden das Gehirn der Teilnehmenden mit schwachen elektrischen Stromstößen, die nicht weh tun (tRNS). Eine Gruppe von 24 Testpersonen erhielt dabei eine Stimulation des dorsolateralen präfrontalen Cortex (dlPFC), der für Berechnungen wichtig ist, weil er bei der Konzentration und Problemlösung hilft. Bei einer zweiten Gruppe zielte die Stimulation auf den posterioren parietalen Cortex (PPC), der mit dem Abruf von Auswendiggelerntem aus dem Gedächtnis verbunden ist. Die übrigen 24 Testpersonen erhielten eine Placebo-Stimulation. Anschließend verglichen die Forschenden den Lernerfolg der Gruppen und einzelnen Teilnehmenden.

Das Ergebnis: Bei der Lösung der Matheaufgaben, schnitten diejenigen besser ab, die eine stärkere neuronale Verknüpfung zwischen dem dlPFC, dem PPC und dem Hippocampus ihres Gehirns aufwiesen. Der Hippocampus erfüllt viele Aufgaben; im Zusammenhang des Experiments war er dafür zuständig, Lösungswege über Probleme hinweg zu verallgemeinern. Die Testpersonen, deren Hippocampus gut mit dem dlPFC und dem PPC im frontoparietalen Netzwerk verbunden war, konnten daher die Matheaufgaben besser berechnen und zeigten einen größeren Lernerfolg, wie das Team erklärt. Nach gezielter elektrischer Stimulation des dlPFC schnitten die Testpersonen dieser Gruppe zudem besser ab als zu Beginn des Experiments. Beim Auswendiglernen halfen diese verstärkten neuronalen Verbindungen ihnen allerdings nicht. Eine Stimulation des PPC erwies sich ebenfalls als unwirksam. „Zusammengefasst deuten diese Ergebnisse darauf hin, dass der wichtigste kausale Effekt der Konnektivität auf das Lernen im dlPFC liegt“, schreibt das Team.

Hirnstimulation könnte zu besseren Mathe-Noten verhelfen

Zacharopoulos und seine Kollegen schließen daraus, dass eine Hirnstimulation unter bestimmten Umständen beim Mathe-Lernen helfen kann. Wirksam wäre dies demnach bei Menschen, die von Geburt an schwächere neuronale Verbindungen zum dorsolateralen präfrontalen Cortex (dlPFC) aufweisen als andere und daher im Mathe-Unterricht mit biologisch bedingten Nachteilen zu kämpfen haben. Mit dem Wissen könnten nun innovative Techniken der Hirnstimulation entwickelt werden, die diese neurobiologischen Einschränkungen angehen. Das würde den Betroffenen nicht nur zu besseren Mathe-Noten in der Schule, sondern auch zu vielfältigeren Karrierewegen und besseren Lebenschancen verhelfen. „Das würde langfristige Ungleichheiten in Bezug auf Einkommen, Gesundheit und Wohlbefinden verringern“, so Kadosh.

Während des Experiments maßen die Forschenden auch per Magnetresonanzspektroskopie (MRS), wie viel Glutamat und GABA im Gehirn der Probanden vorlag und wie sich die Spiegel dieser beiden Hirnbotenstoffe im Laufe des Experiments veränderten. Diese Messwerte weisen auf die aktuelle Lern- und Veränderungsfähigkeit des Gehirns hin. Tatsächlich fanden Zacharopoulos und seine Kollegen einen Zusammenhang zwischen diesen beiden Neurobotenstoffen und der Kommunikation zwischen den Hirnarealen fürs Rechnen, Auswendiglernen und Gedächtnis im frontoparietalen Netzwerk. Dieser Zusammenhang war jedoch stark individuell und soll nun in Folgestudien genauer untersucht werden. Möglicherweise ergibt sich daraus ein Prognosetest, um vorherzusagen, für wen eine Stimulation des dorsolateralen präfrontalen Cortex (dlPFC) fürs Mathe-Lernen hilfreich ist und für wen nicht. Weitere Tests sollen zudem prüfen, wie lange der Stimulationsbooster anhält.

Quelle: George Zacharopoulos (University of Oxford) et al.; PLOS Biology, doi: 10.1371/journal.pbio.3003200

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© wissenschaft.de – Claudia Krapp