Was geht im Kopf eines Menschen vor, der mit einem Physik-Lernmedium arbeitet? Unser Meßinstrument: Zusammen mit dem Universitätsklinikum Essen führen wir klinische Forschung mit Hilfe eines 1,5 Tesla Magnetresonanztomographen Siemens Magnetom Sonata durch. Bei der Magnetresonanztomografie wird für kurze Zeit in einzelnen Volumenelementen des Körpers die Bedingung für die resonante Anregung von Wasserstoffkernen mit Radiowellen von 60 MHz geschaffen: B 0 = 1,4092 Tesla ω = γ·B 0 = s -1 Ein z-Gradient des Magnetfelds sorgt dafür, dass die Resonanzbedingung jeweils nur in einer Scheibe des Körpers zutrifft. Die aufgenommene Energie wird, nach unterschiedlich langen Zeiträumen, als elektromagnetische Welle wieder abgestrahlt. Schnell wechselnde Magnetfelder in x- und y- Richtung verändern ortsabhängig Lamorfrequenz und Phasenlage der strahlenden Wasserstoffkerne, so dass die Signale einzelner Volumenelemente aus dem Frequenzgemisch identifiziert und nach zweifacher Fouriertransformation einem 3D- Volumenelement (Voxel) des Körpers im Computerbild zugeordnet werden können. Während Frequenz und Phasenlage durch die Maschine bestimmt werden, werden Intensität und Abklingzeit der Signale über zwei Größenordnungen hinweg durch die Umgebung der Wasserstoffkerne bestimmt. Abbildung 1: Das Protein- Molekül Hämoglobin Die Informationen werden mit einem Notebook generiert und dem Probanden mit einer Rückwandprojektion über einen Umlenkspiegel in den MRI präsentiert (Abbildung 3). Gehirnareale, die durch das Gesehene aktiviert werden, erhöhen ihren Sauerstoffumsatz um das bis zu 8fache. Durch einen bis jetzt noch nicht völlig erklärten Mechanismus erweitern sich die Gefäße des umliegenden Kapillarbettes und fluten das Gewebe mit Sauerstoff (Abbildung 2). Die T2*- Relaxationszeit erhöht sich an dieser Stelle messbar für einige Sekunden (Ogawa et al.1990). Zur statistischen Auswertung der Aktivierung werden 110 T2*-gewichtete Gradienten EPI- Sequenzen aufgenommen. Davon werden 50 (5x10) Sequenzen in 5 Blöcken während der aktiven Auseinandersetzung mit der Physiksoftware aufgenommen und abwechselnd 60 (6x10) in 6 Blöcken während der Ruhephasen, in denen eine der Lernsoftware ähnlicher Darstellung ohne physikalischen Gehalt präsentiert wird. Die Differenz aus den Aktivierungen in Ruhephase und aktiver Phase wird in Gebieten von 3x3x3 Voxeln (12mmx12mmx12mm) Ausdehnung mit einem paired Sample T-Test auf statistische Signifikanz geprüft und zur Anzeige gebracht. Die Auswertung geschieht mit SPM5 (Ashburner&Friston, Wellcome Trust Center for Neuroimaging, London). Zu einem Versuchsset gehören mindestens 12 Probanden. Händigkeit (links/rechts) und Geschlecht sind wichtige Auswahlkriterien für die Zusammenstellung von Probandengruppen. In Zukunft werden wir unsere Versuche im neuen 7 Tesla MRI des Erwin L. Hahn Institute for Magnetic Resonance Imaging (Nijmwegen und Essen) durchführen können. In einem von weltweit 5 Geräten dieser Klasse können mit einem fMRI-fähigen Joystick (Abbildung 5) Interaktionen zwischen Proband und Lernsoftware mit hoher Bildrate betrachtet und, so hoffen wir, zum ersten Mal Lernvorgänge eines menschlichen Gehirns bei der aktiven Auseinandersetzung mit Lernsoftware in situ beobachtet werden. Abbildung 3: Eine wichtige Rolle spielen hierbei lokale Inhomogenitäten des magnetischen Feldes, die durch das in den roten Blutkörperchen gelöste Hämoglobin (13g/100ml Blut) erzeugt werden. Hämoglobin ist diamagnetisch, wenn es mit Sauerstoff beladen ist. Ohne Sauerstoff macht das magnetische Restmoment seiner Fe(II)-Ionen es paramagnetisch. (Pauling und Coryell, 1936) Abbildung 4: In der Umgebung von oxygeniertem Hämoglobin erreicht das T2*-Signal innerhalb von 200ms noch 37% seines Ausgangswertes; in der Nähe von deoxygeniertem Hämoglobin nach nur 50ms, in reinem Wasser nach etwa 1000ms. Die starke Abhängigkeit der T2*- Relaxationszeit von der Sauerstoff- Konzentration im Blut machen wir uns bei der funktionalen Magnetresonanzbildgebung fMRI zunutze. Die Aktivierung kann sofort auf dem Bildschirm zur Anzeige gebracht werden. (Abildung 4). Die Orts- Auflösung beträgt etwa 3mm. Abbildung 5: N E U R O D I D A K T I K Präsentation Aktives Areal: Parietaler Cortex. Funktion: Räumliche Wahrnehmung. Interpretation: Aus den 2D- Informationen der Leinwand wird eine 3-Dimensionale Repräsentation des Raumes und der enthalten Objekte aufgebaut Aktives Areal: Okzipitaler Cortex. Funktion: Sehzentrum. Interpretation: Die über den Sehnerv den Cortex erreichenden Reize werden vorverarbeitet und stehen im einem sensorischen Register zur Verfügung Beispielaufnahmen: Aktives Areal: Temporaler Cortex Funktion: Symbolische Erkennung. Interpretation: Objekte in der Präsentation werden getrennt von ihrer Position im Raum in ihrer Bedeutung erkannt. Physik-Software Mechanik und Verkehr 2.0 zur Visualisierung der am fahrenden Auto angreifenden Kräfte. 5s 10s15s 20s 25s60s Initial Dip Post-Stimulus- Undershoot Signal- Intensität Zeit Abbildung 2: BOLD-Antwort des Kapillar-Bettes um eine aktivierte Gehirnregion (Reiz bei t=0s) Mirror Neurons Ein Beispiel für eine fundamentale Entdeckung, die nur durch fMRI möglich wurde sind die Mirror Neurons (Rizzolatti und Gallese, 1996). Mirror Neurons feuern, wenn eine bekannte Bewegung ausgeführt wird. Sie feuern aber auch, wenn eine Person eine bekannte Bewegung erkennt, die jemand anders ausführt! Weitere Studien (Rizzollati und Gallese, 2004) machten deutlich, dass die Intention der Bewegung für die Aktivierung entscheidend ist – nicht die Form der Bewegung. Mirror Neurons Ein Beispiel für eine fundamentale Entdeckung, die nur durch fMRI möglich wurde sind die Mirror Neurons (Rizzolatti und Gallese, 1996). Mirror Neurons feuern, wenn eine bekannte Bewegung ausgeführt wird. Sie feuern aber auch, wenn eine Person eine bekannte Bewegung erkennt, die jemand anders ausführt! Weitere Studien (Rizzollati und Gallese, 2004) machten deutlich, dass die Intention der Bewegung für die Aktivierung entscheidend ist – nicht die Form der Bewegung. Aktives Areal: Stirnhirn Funktion: Ich-Bewusstsein, bewusste Entscheidungsprozesse. Aktives Areal: Insula des Zwischenhirns. Funktion: Verarbeitung negativer Emotionen. Interpretation: Empfundes Unwohlsein. Aktives Areal: Präfrontaler Kortex. Funktion: Situationsangemessene Handlungssteuerung, Regulation emotionaler Prozesse. Universitätsklinikum Essen Physiklernen als privilegiertes Lernen? Hintergrund Nach bisherigen Erkenntnissen lassen sich verschiedene Arten von Lernen unterscheiden: Hypothese Ist Physik-Lernen möglicherweise auch privilegiertes Lernen? Es gibt jedenfalls Grund zu der Annahme, dass der Mensch im Laufe seines Leben (wenn auch nicht deklarativ) Modelle und Konzepte über die ihn umgebende Welt entwickelt, die man durchaus physikalisch nennen kann, und die er ohne Anstrengung oder äußere Anreize erstellt. Nicht privilegiertes Lernen Der größte Teil des schulischen Wissens wird nicht privilegiert erworben (Schumacher 2005). Dieses Lernen erfordert meist Anstrengung und äußere Anreize. Beteiligte Gehirnregionen sind: Privilegiertes Lernen Sprechen, Laufen und andere grundlegende Fähigkeiten erwirbt der Mensch einfach so, ohne äußeren Anreiz und ohne sich darum zu bemühen. Der Hippocampus Ist besonders dann aktiv, wenn das Wissen durch Neugier oder positive Erfahrungen erworben wird. Solches Wissen lässt sich später gut verknüpfen und kreativ nutzen. Die Amygdala ist besonders dann beteiligt, wenn aufgrund äußerer Anreize oder zur Vermeidung negativer Folgen gelernt wird. Solches Wissen lässt sich kaum kreativ nutzen. Zielsetzung Sollte die Vermutung zutreffen, müsste nicht nur die Art und Weise, sondern auch der Zeitpunkt der Vermittlung physikalischer Kenntnisse in der Schule neu überdacht werden. In jedem Fall aber scheint es lohnenswert, weiter zu erforschen, welchen Einfluss die Art des Erwerbs physikalischer Kenntnisse auf deren spätere Nutzbarkeit hat. Schülerexperimente und Demonstrationsexperimente Hintergrund Die Beobachtung einer Handlung kann die gleiche Aktivierung im Gehirn auslösen wie die Durchführung derselben Handlung. Voraussetzung ist, dass die entsprechenden Bewegungen früher bereits selbständig ausgeführt wurden (siehe Mirror Neurons). Fragestellung Führt die Beobachtung eines Demonstrations- Experiments zu einer qualitativ anderen neuronalen Aktivierung, wenn mit den selben Geräten vorher im Schülerversuch gearbeitet wurde? Zielsetzung Sollten sich hierzu experimentelle Nachweise erbringen lassen, könnten sich durch weitere Studien neue Erkenntnisse über den optimalen Einsatz von Lehrer- und Schülerexperimenten im Unterricht ergeben. Forschungskooperation für DFG-Antrag gesucht! Oberärztin PD Dr. Elke Gizewski Dr. André Bresges Dr. Alexander Busse