Die Reorganisation des geschädigten Gehirns zur Wiederherstellung mathematischer Fähigkeiten

Nach einer Schädigung des Gehirns kommt es bei manchen Menschen zu Einbußen ihrer mathematischen Fähigkeiten. Die Wissenschaft versucht herauszufinden, wie das Gehirn sich daran anpasst und wieder ein Gleichgewicht herstellt.

Grundlagenforschung

Wenn Menschen einen Gehirnschaden erleiden, können sie bestimmte Fähigkeiten verlieren, für die sowohl auf spezifische als auch vernetzte Bereiche des Gehirns zugegriffen werden muss. Wenn die Schädigung des Gehirns langsam und allmählich vonstattengeht, gewöhnt sich das Gehirn schließlich daran und findet Mittel und Wege, diese Fähigkeiten aufrechtzuerhalten. Wenn zum Beispiel die für die Sprache verantwortlichen Bereiche des Gehirns betroffen sind, haben Forschende beobachten können, dass das Gehirn andere Bereiche umorganisiert, um diese Fähigkeiten auf lange Sicht zu bewahren. Allerdings ist wenig darüber bekannt, wie in Bezug auf die mathematischen Fähigkeiten Schädigungen des Gehirns in den Bereichen überwunden werden, die für sie unerlässlich sind. Das EU-finanzierte Projekt Re-MAPMATH verfolgte das Ziel, diese Plastizität des Gehirns bezüglich mathematischer Funktionen bei Patientinnen und Patienten mit Gehirntumoren vor und nach einer Operation zu untersuchen. Das Team bewertete das Projekt als durchschlagenden Erfolg. Es konnte bei Betroffenen mit einer Schädigung des Gehirns nicht nur die Aktivität messen, sondern auch Einblicke in die Funktionsweise gesunder Gehirne liefern. Daten aus Proben gesunder Teilnehmender werden neuen Informationen darüber bieten, wie das Gehirn mit Berechnungen als Netzwerk umgeht. Die Forschungsarbeit wurde im Rahmen der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen unterstützt. „Konkret haben wir numerische Prozesse mit sprachbezogenen Prozessen nach einer Reorganisation des Gehirns verglichen. Unsere normativen Patientendaten ermöglichten uns, die Unterschiede zwischen einem gesunden Gehirn und einem reorganisierten Gehirn zu erkennen“, so Elena Salillas, eine im Rahmen der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen unterstützte Forscherin an der Universität Padua und Projektkoordinatorin von Re-MAPMATH.

Verteilte Gehirnaktivität

„Das numerische System umfasst einzigartige Komponenten, aber auch Eigenschaften, die es mit anderen Domänen des Gehirns gemein hat. Beispielsweise nutzt man das Arbeitsgedächtnis, um beim Lesen die Bedeutung eines ganzen Absatzes zu erfassen“, erklärt Salillas. Diese Kombination spezifischer und verteilter Gehirnaktivität ist auch für mathematische Aufgaben erforderlich. Um zum Beispiel im Kopf das Ergebnis des Ausdrucks 22 x 44 zu berechnen, wird die räumliche Vorstellungskraft eingebunden. Eine Schädigung des Gehirns, beispielsweise durch einen Schlaganfall, kann sich auf diese spezifischen Gebiete und auch auf allgemeine Bereiche des Gehirns auswirken. „Das mathematische System ist genauso wie die meisten kognitiven Systeme ein komplexes Netzwerk, dessen einzelne Elemente Änderungen erfahren können. Manche der Defizite sind lediglich numerisch, andere hingegen nicht. Daher gibt es viele Gehirnläsionen, die zu angeeigneten numerischen Mängeln führen können“, fügt Salillas hinzu.

Die mathematische Funktionsfähigkeit auf die Probe gestellt

Um die Auswirkungen eines Gehirntumors auf die mathematische Funktionsfähigkeit und die Art und Weise zu untersuchen, wie das Gehirn sich daraufhin umbildet, führte das Team zielgerichtete Tests unter Verwendung der Magnetenzephalografie zur Messung der Gehirnaktivität durch. Dieses Bildgebungsverfahren misst das magnetische Gehirnsignal. Es stellt eine hohe räumliche und zeitliche Genauigkeit bereit und offenbart, welche Bereiche des Gehirns besonders aktiv sind. Die Tests zielten auf vier wichtige numerische Komponenten ab. Der erste überprüfte das Schätzungsvermögen. Der Test bestand aus einem schnellen, ungefähren Vergleich zwischen zwei Punktemengen, deren zahlenmäßige Verhältnisse zueinander sich regelmäßig änderten. Der zweite prüfte die Fähigkeit der Patientinnen und Patienten, genaue Berechnungen durchzuführen, zum Beispiel indem sie angeben sollten, ob Gleichungen wie 3 x 2 = 4 korrekt sind oder nicht. Das Team stieß dabei auf drei Hauptnetzwerke im Gehirn, die für diese Fähigkeit verantwortlich sind. Ein dritter Test bestand aus der Erkennung von Zahlenformen. „Bei diesem Test mussten die Teilnehmenden entscheiden, ob verformte Ziffern oder korrekte Ziffernformen Ziffern waren oder nicht. Dieser Test zielt auf den ersten Moment der Wahrnehmung numerischer Symbole ab“, merkt Salillas an. Der letzte Test überprüfte die Fähigkeit, sich Symbolen anzupassen.

Die Offenbarung neuer Netzwerke

Das Projekt erzielte mehrere wichtige Erfolge. Das Projektteam konnte erstmals die Netzwerke erfolgreich beschreiben, die für einfache Berechnungen verantwortlich sind, und lieferte eine genaue Beschreibung der wechselseitigen Abhängigkeiten der beteiligten Regionen. „Da die überwältigende Mehrheit der neurologischen Bildgebungsstudien zu Berechnungen auf funktioneller Magnetresonanzbildgebung beruht (einem anderen Bildgebungsverfahren für das Gehirn mit einer langsameren Auflösungszeit), waren solche zeitabhängigen Informationen bislang unbekannt“, so Salillas.

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Re-Mapping the Numerical Brain.

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