Non-invasive Gehirnstimulation im Mathematiklernen

Mathematische Fähigkeiten gehören zu den zentralen Kompetenzen, die im Rahmen der Schulausbildung vermittelt werden. Sie sind nicht nur fundamentaler Bestandteil der menschlichen Intelligenz, die für den Ausbildungs- und Berufserfolg eine wichtige Rolle spielt; aktuelle Befunde sprechen sogar dafür, dass mathematische Kompetenzen ebenso bedeutsam sind wie Lese- und Rechtschreibfähigkeiten. In der neurowissenschaftlichen Lernforschung wurden bereits umfangreiche Erkenntnisse darüber gewonnen, wie numerische Informationen (Zahlen und Mengen) im Gehirn repräsentiert und verarbeitet werden. Vergleichsweise wenig weiß man allerdings über die neuronalen Prozesse beim Erwerb von schulrelevantem mathematischem Wissen. Dies gilt insbesondere für arithmetisches Wissen, das für den Aufbau fortgeschrittener mathematischer Kompetenzen essentiell und dessen Erwerb bei Personen mit Rechenschwäche beeinträchtigt ist. Vor diesem Hintergrund besteht derzeit großes Interesse an nicht- invasiver Gehirnstimulation mittels transkranieller elektrischer Stimulation (tES), mit der die Aktivität ausgewählter Gehirnregionen beeinflusst werden kann. Dies erlaubt die Untersuchung der kausalen Gehirnmechanismen von Lernprozessen und eröffnet überdies die Möglichkeit, den Lernerfolg bei Personen mit Lernstörungen zu fördern. Die bestehende wissenschaftliche Befundlage ist allerdings unzureichend, um Schlussfolgerungen auf das tatsächliche Potenzial dieser Methode ziehen zu können. Daher zielt das vorliegende Projekt darauf ab, das Potenzial von tES zur Unterstützung schulrelevanten arithmetischen Lernens systematisch zu untersuchen und neue Erkenntnisse zu den kausalen Gehirnmechanismen arithmetischer Lernprozesse zu gewinnen. In drei Studien, in denen mehrere neurowissenschaftliche Methoden (tES, Magnetresonanztomographie, MRT, und Elektroenzephalographie, EEG) eingesetzt werden, sollen folgende Fragen beantwortet werden: (a) Welche Art von tES unterstützt arithmetisches Lernen am effektivsten? (b) Wie groß ist die praktische Relevanz der nicht-invasiven Gehirnstimulation? (c) Welche Gehirnmechanismen liegen erfolgreichem arithmetischem Lernen zugrunde? (d) Hängen die Stimulationseffekte auf den Lernerfolg von individuellen Charakteristika ab (z.B. mathematischen Kompetenzen)? In Studie 1 werden die Effekte verschiedener tES-Protokolle auf Lernerfolg und Gehirnaktivität verglichen. In Studie 2 werden die Effekte unterschiedlicher Stimulationsintensitäten und deren Abhängigkeit von individuellen Charakteristika untersucht. In Studie 3 wird der typische arithmetische Lernprozess simuliert, um den Nutzen der Stimulation für längerfristige Lernprozesse bestimmen zu können. Dieses Projekt stellt die erste systematische Evaluation des Potenzials nicht-invasiver Gehirnstimulation zur Unterstützung schulrelevanten Lernens dar und wird zu einem besseren Verständnis der neuronalen Grundlagen erfolgreichen Mathematiklernens beitragen.

Mathematische Fähigkeiten gehören zu den zentralen Kompetenzen, die im Rahmen der Schulausbildung vermittelt werden. Sie sind nicht nur fundamentaler Bestandteil der menschlichen Intelligenz; aktuelle Befunde sprechen sogar dafür, dass mathematische Kompetenzen ebenso bedeutsam sind wie Lese- und Rechtschreibfähigkeiten. Allerdings hat eine beträchtliche Zahl an Personen große Schwierigkeiten beim Erwerb dieser Kompetenzen. Neben Personen mit einer mathematischen Lernstörung (Dyskalkulie, ca. 3-6 % der Bevölkerung) weisen mehr als ein Fünftel der Erwachsenen in OECD-Ländern mangelhafte mathematische Fähigkeiten auf. Daher besteht großes Interesse an neuen Methoden zur Förderung des Mathematiklernens. In der neurowissenschaftlichen Lehr-Lern-Forschung wird nicht-invasive Gehirnstimulation mittels transkranieller elektrischer Stimulation (tES) als vielversprechende Methode in diesem Kontext betrachtet. Mit dieser Methode kann die Aktivität bestimmter Gehirnregionen beeinflusst werden, wodurch Lernprozesse gefördert werden könnten. Die gegenwärtige Befundlage zu den Effekten von tES zeichnet jedoch noch kein klares Bild über den tatsächlichen Nutzen dieser Methode. Dieses Projekt zielte darauf ab, das Potenzial von tES zur Förderung schulrelevanten arithmetischen Lernens systematisch zu untersuchen. Erstens prüften wir die aktuelle Befundlage zur Wirksamkeit von tES bei der Behandlung von neurokognitiven Störungen wie der Aufmerksamkeitsdefizit-Hyperaktivitätsstörung, Lese-Rechtschreib-Schwäche und Rechenschwäche. Wir fanden ein großes Ungleichgewicht der Forschung für diese drei Störungen; tES bei Rechenschwäche wurde bislang nur in einer Studie untersucht. Darüber hinaus konnten wir zahlreiche Probleme der bisherigen Forschung identifizieren (geringe Vergleichbarkeit der Studien, Schwächen im Untersuchungsdesign), auf deren Basis wir Empfehlungen für zukünftige Forschung formulierten. Zweitens führten wir die erste systematische Evaluation von sechs vielversprechenden Stimulationsarten bei der Förderung von arithmetischem Lernen in einer Einzelsitzung durch. Diese Studie mit 140 gesunden Erwachsenen zeigte, dass eine neue Stimulationsart, die transkranielle Wechselstromstimulation, am effektivsten den Erwerb von Faktenwissen unterstützt. Drittens untersuchten wir in einer Folgestudie die Effekte dieser Stimulationsart bei einem mehrtägigen arithmetischen Training, das den schulischen Lernprozess besser simuliert. Schließlich fanden wir in einer weiteren Studie zum ersten Mal Hinweise darauf, dass tES auch die Festigung des Wissens unterstützen könnte, wenn die Stimulation während einer Ruhephase kurz nach dem Lernen durchgeführt wird. Diese und weitere Ergebnisse aus dem Projekt stellen bedeutsame Schritte in der Erforschung der nicht-invasiven Gehirnstimulation dar und deuten darauf hin, dass manche Stimulationsarten tatsächlich großes Potenzial in der Förderung von schulrelevantem Lernen haben.