Right-shift und weiße Fasern

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Torsten
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Weiße Fasern

Beitrag von Torsten » 20. Januar 2014 13:41

Hallo,
in diesem Beitrag geht es um die Frage: Sind die strukturellen Defizite in den weißen Fasern zwischen dem Temporalkortex und den frontalen Spracharealen auf der linken Hirnhälfte bei Stotterern eine Läsion – also ein Gehirnschaden? Ich meine hier sowohl die Defizite im SLF III bei chronischen Stotterern, als auch die im ECFS, die bei kleineren stotternden Kindern gefunden wurden (siehe letzten Beitrag).

Es geht bei diesen strukturellen Defiziten um die „Reifung“ der Nervenfasern. Zunächst muss man sich klar machen, dass diese Fasern nicht etwa eine Art „Drähte“ zwischen den Nervenzellen sind. Es sind die Nervenzellen selbst. Der eigentliche Zellkörper einer Nervenzelle, in dem sich der Zellkern befindet, ist winzig klein, aber das Axon – die Faser, die die Verbindung zu anderen Neuronen herstellt – kann mehrere Zentimeter lang sein. Nervenfasern oder „weiße Fasern“ sind also Neuronen, die die Gestalt von Fasern haben. Sie leiten nicht nur Erregungen weiter, sondern bauen diese Erregungen (Aktionspotentiale) auch selbst auf – sie „feuern“
.
Die Myelinisierung

Die „Reifung“ der Fasern besteht nun darin, dass sich um die Faser (das Axon) herum eine sogenannte Markscheide bildet. Das ist eine Hülle aus Myelin, einer fettreichen Membranstruktur; deshalb wird der Vorgang der Faserreifung auch als Myelinisierung bezeichnet. Im Gehirn erfolgt das in der Weise, dass Oligodendrozyten (das sind Gliazellen, eine Art Bindegewebszellen des Gehirns) Fortsätze ausbilden, die sich um einen Teilabschnitt eines Axons herumwickeln. Der Grad der Myelinisierung wird gemessen durch die Bestimmung der fraktionellen Anisotropie, d.h., des Unterschiedes in der Diffusion von Wasser in Faserrichtung versus quer zur Faserrichtung. Das Verfahren heißt Diffusion Tensor Imaging, abgekürzt DTI.

Welchen Nutzen hat die Nervenfaser von der Myelinisierung? Die Hülle um die Faser wirkt einerseits als elektrische Isolation, verringert also die Spannungsverluste bei der Impulsweiterleitung und schützt vor der Beeinflussung durch fremde Aktionspotentiale. Außerdem bewirkt die Myelinhülle, dass elektrische Impulse mindestens doppelt so schnell weitergeleitet werden (saltatorische Erregungsleitung). Der Unterschied macht auf den kurzen Distanzen im Gehirn allerdings nur wenige Millisekunden aus und spielt für die Geschwindigkeit, mit der ein Lebewesen reagiert, sich bewegt usw. kaum keine Rolle.

Was ist dann der Sinn der Myelinisierung? Es geht gewiss nicht (nur) darum, das Gehirn insgesamt schneller zu machen. Dann könnten nämlich die Fasern einfach von Geburt an myelinisiert sein – wie es einigen Fasern, die sozusagen zum „Betriebssystem“ gehören, der Fall ist. Der Hirnforscher Gerhard Roth schreibt:
  • „Vor der Geburt werden die Axone von Zellen im Rückenmark und verlängerten Mark myelinisiert, unmittelbar nach der Geburt die Axone von Zellen im Mittel- und Kleinhirn. Im ersten und zweiten Jahr folgen Axone im Thalamus, in limbischen Zentren des Endhirns und in den Basalganglien, dann solche in den primären sensorischen und motorischen Arealen der Großhirnrinde. Anschließend werden die sekundären sensorischen und motorischen Areale myelinisiert. Noch später erfolgt die Myelinisierung in den assoziativen Arealen. Hier sind es der präfrontale und insbesondere der orbitofrontale Cortex, deren Fasern zuletzt myelinisiert werden; dies kann sich bis zum zwanzigsten Lebensjahr hinziehen.“ [1]
Es geht also wohl eher darum, das Gehirn an die Anforderungen der konkreten Umwelt anzupassen, in die das Lebewesen hineingeboren wird. Doch welche Rolle kann die Myelinisierung dabei spielen?

Myelinisierung und Lernen

Unter den Bedingungen des Lebens in der Wildnis ist ein Verhalten, das über Monate häufig wiederholt wird, mit hoher Wahrscheinlichkeit ein nützliches oder erfolgreiches Verhalten, denn ein wild lebendes Tier wird kaum immer denselben Fehler machen – jedenfalls dann nicht, wenn der Fehler unmittelbare negative Folgen hat. Es wird sein Verhalten entweder ändern, oder es verhungert, verdurstet, erkrankt oder wird gefressen. Wenn aber ein sich häufig wiederholendes Verhalten mit großer Wahrscheinlichkeit ein „richtiges“ Verhalten ist, dann ist es zweckmäßig, das Netzwerk im Gehirn, das dieses Verhalten initiiert und steuert, in der Weise zu stärken, dass in der entsprechenden Situation immer spontan zuerst dieses Verhalten initiiert wird.

Diese Stärkung des „richtigen“ Netzwerkes kann nun dadurch erfolgen, dass diejenigen Fasern, die über eine lange Zeit häufig aktiv sind, „belohnt“ werden: Sie werden besser isoliert und können Erregungen schneller weiterleiten. Dadurch gewinnen sie und die von ihnen gebildeten neuronalen Netze einen Vorteil: Sie können konkurrierenden langsameren Netzwerken zuvorkommen und das Verhalten in einer bestimmten Situation steuern. So wird das richtige Verhalten automatisiert, es wird zu einer Gewohnheit. Auf diese Weise entwickeln sowohl Tiere als auch Menschen umweltadäquate Verhaltensroutinen: Ein Verhalten, das sich unmittelbar als nützlich oder angenehm erweist, wiederholen wir und gewöhnen es uns an, d.h., wir automatisieren es – ein Verhalten dagegen, dessen Folgen wir als unmittelbar schädlich oder unangenehm wahrnehmen, wiederholen wir gewöhnlich nicht – oder nicht so oft.

Die Myelinisierung der Nervenfasern im Gehirn ist also ein Mechanismus, der der Stabilisierung und Automatisierung von nützlichem Verhalten dient – jedenfalls für wild lebende Tiere. Für uns Menschen in der Zivilisation ist dieser archaische Mechanismus nicht unproblematisch: Jemand gewöhnt sich das Lügen an, weil es sich als unmittelbar nützlich erweist, oder den Genuss von Drogen, weil die unmittelbar wahrnehmbaren Folgen angenehm sind. Aber auch die grundlegende Form des Lernrns – der Erwerb von Fertigkeiten – beruht weitgehend auf diesem Mechanismus: Man gewöhnt sich an, etwas auf die richtige Weise zu tun. Man automatisiert einen korrekten Bewegungs- oder Verhaltensablauf, indem man ihn wiederholt, übt, trainiert.

Myelinisierung und Sprache

Solches Lernen durch Einüben, Angewöhnen und Automatisieren des richtigen Verhaltens spielt auch beim Erlernen der Muttersprache eine große Rolle. Das Kind lernt auf diese Weise, die Wörter richtig auszusprechen. Es lernt, die Wörter in der richtigen Reihenfolge zu Sätzen zusammenzufügen, ohne etwas von Subjekt, Prädikat, Objekt und Adverbialbestimmungen zu wissen. Es ahmt einfach das richtige Verhalten der Älteren nach und gewöhnt es sich an. Auch das korrekte Konjugieren und Deklinieren beruht nicht auf Wissen über grammatische Regeln, sondern ist durch Nachahmung erworbenes automatisiertes Verhalten beim Sprechen: „Das macht man so“.

Dementsprechend verläuft die Myelinisierung der Fasern des Sprachnetzwerkes relativ langsam, was vermuten lässt, dass die allmähliche Myelinisierung das Sprechenlernen begleitet und dazu beiträgt, diese Fähigkeit zu festigen und zu automatisieren. In einer Studie aus dem Jahr 2009 [2] wurde bei siebenjährigen nichtstotternden Kindern, verglichen mit Erwachsenen, eine verminderte Myelinisierung der weißen Fasern in den oberen temporalen und den linksseitigen frontalen Sprachregionen festgestellt. Insbesondere betraf das den SLF, also jenes Faserbündel, das bei chronischen Stotterern ein Myelinisierungs-Defizit aufweist.

Ich denke also, dass die Myelinisierung eine Stärkung derjenigen Nervenfasern ist, die häufig aktiv sind – die also ein Verhalten steuern, das häufig auftritt. Deshalb habe ich im Eingangsbeitrag dieses Threads die Vermutung geäußert, dass die mangelnde Reifung der Fasern zwischen dem temporalen und frontalen Sprachareal bei uns Stotterern daher kommt, dass wir diese Fasern zu wenig aktivieren, weil wir die auditive Wahrnehmung unserer Sprache nicht in die Sprechsteuerung einbeziehen oder – einfacher gesagt – weil wir beim Sprechen nicht hinhören. Die Fasern sind also durchaus funktionstüchtig, aber schwach entwickelt – ähnlich wie ein Muskel, der selten beansprucht wird. Dass die Fasern funktionstüchtig sind, zeigt sich m.E. dann, wenn wir gezwungen sind, beim Sprechen hinzuhören: beim Lesen im Chor, beim Sprechen mit Metronom, beim Schattensprechen. Wir sind nicht nur fähig, das zu tun – unter diesen Bedingungen verschwindet auch das Stottern!

Meine (und nicht nur meine) Vermutung ist also, dass die Myelinisierung im Gehirn eine Art Trainingseffekt ist: Diejenigen Nervenfasern, die dauerhaft häufig aktiv sind, werden durch die die Myelinisierung „belohnt“ – dauerhaft wenig aktive Fasern sind weniger myelinisiert. Eine mangelhafte Myelinisierung wäre dann kein Gehirnschaden, sondern ein Entwicklungsrückstand. Diese Hypothese ist keine bloße Spekulation. Es gibt inzwischen erste empirische Bestätigungen dafür: Man hat einen biochemischen Mechanismus entdeckt, der die Myelinisierung in Abhängigkeit von der Aktivität der Nervenzelle steuert, und man hat gezeigt, dass sich durch Training die Myelinisierung verbessern lässt. Im nächsten Beitrag stelle ich die Studien vor.

Torsten
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[1] Gerhard Roth (2007). Persönlichkeit, Entscheidung und Verhalten (S. 59). Stuttgart: Klett-Cotta.

[2] Jens Brauer (2009). Functional development and structural maturation in the brain's neural network underlying language comprehension. Dissertation, Leipzig: Max-Planck-Institut für Kognition und Neurowissenschaften.
www.stottertheorie.de

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Re: Right-shift und weiße Fasern

Beitrag von djub » 26. Januar 2014 13:56

Hallo Torsten,

das bedeutet, dass ich mein Alltags-Sprechen potentiell sehr positiv beeinflussen kann, wenn ich jeden Tag über lange Zeit
  • Im Chor lese
    Mit Metronom spreche
    Schattenspreche,
d.h. Aktivitäten durchführe, die mir helfen, zu trainieren, meinem eigenen Sprechen zuzuhören?

djub
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Weiße Fasern

Beitrag von Torsten » 26. Januar 2014 21:42

Hallo djub,

ja, genau das denke ich – obwohl es dafür bis jetzt keine direkten empirischen Nachweise gibt. Metronom-Sprechen ist allerdings ziemlich stupide und künstlich, und Lesen im Chor ist ein bisschen aufwendig, weil man einen Partner dazu braucht. Aber das Schattensprechen ist für das tägliche Trainieren geeignet. Man kann z.B. mit einem Hörbuch üben, das nicht zu schnell gelesen wird. Das Radio dürfte für viele zu schnell sein. Ich vermute, dass die Erfolge, die in den 50er und 60er Jahren mit dem Schattensprechen ja offenbar erzielt worden sind, auf eine Stärkung der Faserverbindungen des Sprachnetzwerkes zurückzuführen sind.

Neben dem täglichen Schattensprechen-Üben sollte man sich aber angewöhnen, beim normalen Reden auf seine Sprache zu hören, denn darauf kommt es letztendlich an – und das stärkt die Fasern natürlich auch. Am leichtesten ist es, wenn man über nichts besonders Wichtiges redet - also z.B. beim Smalltalk. In solchen Situationen ist es einfacher, auf das Hören zu achten, als in Situationen, in denen man sich sehr auf den Inhalt dessen, was man sagt, konzentrieren muss.
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Hier nun, wie angekündigt, die Vorstellung der beiden Studien. Sie liefern erste empirischen Bestätigungen der These, dass die Myelinisierung der Nervenfasern im Gehirn ein Trainingseffekt ist – dass also diejenigen Fasern stärker myelinisiert werden, die dauerhaft häufig aktiv sind:
  • Schon 2009 ist an der Universität Oxford erstmals der Nachweis gelungen, dass sich durch Training die fraktionelle Anisotropie der weißen Fasern (=das Maß für die Myelinisierung) deutlich erhöht.
  • 2011 wurde in den USA erstmals ein biochemischer Mechanismus nachgewiesen, der die Myelinisierung in Abhängigkeit von der Aktivität der Nervenfasern steuert.
Ich stelle beide Studien kurz vor:


Jan Scholz und Kollegen: Training bewirkt Veränderungen in der Architektur der weißen Hirnmasse

Eine Gesamtgruppe von 48 Versuchspersonen wurde zweigeteilt: 24 Probanden trainierten sechs Wochen lang Jonglieren. Danach konnten alle Teilnehmer dieser Gruppe zumindest zwei Durchgänge der klassischen „Kaskade mit drei Bällen“ ausführen. Die fraktionelle Anisotropie wurde vor und nach der sechswöchigen Trainingsperiode und zusätzlich nach weiteren vier Wochen, in denen kein Training stattfand, gemessen (mit Diffusion Tensor Imaging, einem bildgebenden Verfahren).

Es zeigte sich infolge des Trainings ein deutlicher Anstieg der fraktionellen Anisotropie innerhalb der weißen Fasern, die unterhalb des rechten posterioren intraparietalen Sulcus verlaufen. Diese Fasern verbinden den mittleren Okzipitallappen (visuelle Wahrnehmung) mit dem Parietallappen (Propriozeption, Wahrnehmung der eigenen Bewegungen). In diesen Bereichen war auch die Dichte der grauen Hirnmasse nach dem Training größer als vorher. Jonglieren erfordert schnelle und exakte Arm- und Handbewegungen und das Verfolgen der Bewegungen der Bälle mit den Augen.

Auch in der Messung vier Wochen später war die fraktionelle Anisotropie der weißen Fasern höher als in der Messung vor dem Training. Es wurde kein Zusammenhang gefunden zwischen den Veränderungen der weißen und grauen Hirnmasse und dem Trainingserfolg – also wie gut die einzelnen Versuchspersonen nach dem Training jonglieren konnten. Daher nehmen die Autoren der Studie an, dass die Veränderungen im Gehirn vor allem ein Effekt der Trainingszeit sind, die für alle Teilnehmer gleich war. Allerdings scheint die tägliche Trainingsdauer nicht vorgeschrieben gewesen zu sein - jedenfalls gibt es dazu in dem Artikel keine Angaben. Man hat wohl einfach auf den Ehrgeiz der Versuchsteilnehmer gesetzt.


Hiroaki Wake, Philip Lee und Dougles Fields:
Steuerung der lokalen Proteinsynthese und des Beginns der Myelinisierung durch die Aktionspotentiale


In der Einleitung heißt es:
  • „ Viele von den Axonen ausgehende Signale regulieren die Myelinisierung, doch großes Interesse besteht an der Frage, ob die elektrische Aktivität ein instruktives Signal liefert, denn eine aktivitätsabhängige Regulierung der Myelinbildung könnte die Myelinisierung während der Entwicklung entsprechend der Umwelterfahrung steuern und dadurch zum Lernen beitragen.“
Um ein solches aktivitätsabhängiges Signal zu finden, wurde im Labor mit Nervenzellen von Mäusen experimentiert. Dabei konnte eine Signalübertragung zwischen den Axonen und den Gliazellen nachgewiesen werden (die biochemischen Details lasse ich weg), die „die Myelinisierung elektrisch aktiver Axone unterstützen würde, um die neuronale Entwicklung und Funktion entsprechend der Umwelterfahrung zu regulieren.“

Die Autoren drücken sich vorsichtig aus und betonen, dass der Befund noch in vivo (am lebenden Organismus) bestätigt werden muss.

Soweit die beiden Studien. Wir haben nun erstens den Nachweis, dass die Myelinisierung der Nervenfasern von deren Aktivität abhängig sein kann, dass also mangelnde Aktivität eine geringere Myelinisierung zur Folge haben kann. Auf das Stottern bezogen heißt das: Die Schwäche der Faserbahnen zwischen den temporalen und frontalen Sprachareal kann darauf zurückzuführen sein, dass wir diese Fasern zu wenig benutzen, weil wir uns beim Sprechen nicht zuhören, dadurch die auditive Rückmeldung vom Gehirn nicht hinreichend verarbeitet wird (siehe den ersten Beitrag auf dieser Seite) und nicht in die Sprechplanung einbezogen wird (was zum Stottern führt).

Zweitens haben wir den Nachweis, dass durch Training die Myelinisierung der Nervenfasern verbessert werden kann. Das wirft ein neues Licht auf Therapiemethoden, bei denen der Sprecher gezwungen ist, während des Sprechens einen Teil seiner Aufmerksamkeit auf das Hören zu richten, wie das Lesen im Chor und das Schattensprechen, Derartige Sprechübungen könnten, wenn sie über längere Zeit (mindestens einige Wochen lang) regelmäßig durchgeführt werden, die Myelinisierung der Fasern zwischen dem oberen Temporalkortex und den frontalen Sprachregionen verbessern.

Torsten


Scholz, J., Klein, M. C., Behrens, T. E. J., & Johansen-Berg, H. (2009). Training induces changes in white matter architecture. Nature Neuroscience, 12, 1370–1371.

Wake, H., Lee, P. R., & Fields, R. D. (2011). Control of local protein synthesis and initial events in myelination by action potentials. Science, 333, 1647–1651.
www.stottertheorie.de

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Weiße Fasern und Training

Beitrag von Torsten » 25. August 2014 11:16

Hallo,

in meinem letzten Beitrag hier hatte ich u.a. die Studie von Scholz und Koll. (2009) vorgestellt, in der nachgewiesen wurde, dass durch ein Jonglier-Training über sechs Wochen die Dichte der Faserverbindungen zwischen den Gehirnregionen verbessert werden kann, die die Bewegungen beim Jonglieren steuern.

Heute habe ich mir ein Video mit einem Vortrag von Martin Sommer angesehen, den er letzten Herbst bei den „Kamingesprächen“ der IVS gehalten hat. Dabei ging es auch um die weißen Fasern, und Martin Sommer hat über eine Studie berichtet, in der ebenfalls gezeigt wurde, dass durch Training die Myelinisierung der weißen Fasern deutlich verbessert werden kann. Diesmal wurde aber nicht Jonglieren, sondern Lesen trainiert. Ich stelle die Studie hier kurz vor:

Timothy A. Keller und Marcel Adam Just:

Die kortikale Verknüpfung ändern: mittels Förderunterricht herbeigeführte Veränderung der weißen Hirnmasse von schlechten Lesern

47 Kinder zwischen 11 und 12 Jahren mit Leseschwäche wurden nach dem Zufallsprinzip zwei Gruppen zugeteilt: Eine Gruppe von 35 Kindern erhielt 100 Stunden intensiven und systematischen Förderunterricht im Lesen – die andere Gruppe (12 Kinder) erhielt normalen Schulunterricht. Außerdem gab es eine Kontrollgruppe von 25 Kindern gleichen Alters ohne Leseschwäche.

Es war schon vor der Untersuchung bekannt, dass Kinder mit Leseschwäche – als Gruppe, im Durchschnitt, verglichen mit Kindern ohne Leseschwäche – ein strukturelles Defizit in weißen Fasern aufweisen, die unter dem mittleren Bereich der oberen Windung des linken Frontallappens verlaufen. Die Defizite liegen also in einem anderen Bereich des Gehirns als die, die bei Stotterern gefunden wurden – die betroffenen Fasern haben mit dem Lesen, mit der Verknüpfung von Schrift und Sprache zu tun.

In allen drei Gruppen wurde zweimal die fraktionelle Anisotropie – als Maß für die Faserdichte – in der fraglichen Gehirnregion bestimmt: zum ersten Mal zu Beginn der Untersuchung, und noch einmal, nachdem die größere Gruppe der leseschwachen Kinder die 100 Stunden Förderunterricht absolviert hatte, d.h. nach ca. 6 Monaten.
Die Erhöhung der fraktionellen Anisotropie bedeutet mit hoher Wahrscheinlichkeit, dass sich die Myelinisierung der Fasern verbessert hat. Gleichzeitig hatte sich durch das systematische Üben die Lesefähigkeit der Kinder (im Durchschnitt) deutlich verbessert. Mit dieser Untersuchung konnte also nachgewiesen werden, dass sich durch intensives Üben über einen längeren Zeitraum Gehirnstrukturen verändern und Defizite beheben oder zumindest abmildern lassen. Das sollte uns als Stotterer optimistisch stimmen.

Torsten

Quelle:
Keller, T. A. & Just, M. A. (2009). Altering cortical connectivity: remediation-induced changes in the white matter of poor readers. Neuron, 5, 624–631.

Das Video von Martin Sommer: "Stand der Wissenschaft zu neurologischen Korrelaten des Stotterns und seiner Therapie" (2014) kann vom Demosthenes-Verlag bezogen werden.
www.stottertheorie.de

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