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Forschungsergebnisse

Dyskalkulie im Fokus der Hirnforschung

Welche neurologischen Besonderheiten zeigen sich bei Schülern mit Dyskalkulie? Neurowissenschaftler haben festgestellt, dass bei Kindern mit Dyskalkulie die Zahlenraum-Vorstellung geringer entwickelt ist.

Forschungsergebnisse: Dyskalkulie im Fokus der Hirnforschung Für einfache Additionen nutzen Kinder Zählstrategien, bis sie die Fakten aus dem Gedächtnis abrufen können © Uwe Annas - Fotolia.com

Der französische Neurowissenschaftler Stanislas Dehaene fand mit seinem „Triple-Code-Modell“ 1992 eine Frage auf die Antwort, wie Erwachsene rechnen: Das Modell unterscheidet drei miteinander verbundene neuronale Netzwerke im Gehirn, die für unser Zahlenverständnis unverzichtbar sind und die Zahlen in unterschiedlichen Kodierungen repräsentieren. Das erste Modul für die gesprochenen Zahlen brauchen wir zum Zählen, für das Einmaleins und zum Kopfrechnen. Das zweite für die geschriebenen arabischen Ziffern nutzen wir zum Umgang mit mehrstelligen Zahlen oder auch, um zu erkennen, ob eine Zahl gerade oder ungerade ist. Das dritte Modul entspricht einem mentalen Zahlenstrahl, mit dessen Hilfe wir Rechnungen überschlagen oder Mengen einschätzen.

Die drei Module liegen in unterschiedlichen Hirnarealen und werden beim Rechnen — je nach Art der Aufgabe und Kodierung (gesprochen oder geschrieben) — aktiviert, wie Dehaene 1999 mit Hilfe der funktionellen Magnet-Resonanz-Therapie, abgekürzt fMRT, zeigen konnte: Offenbar ist der für Schätzaufgaben erforderliche innere Zahlenstrahl in den parietalen Regionen (Scheitellappen) beider Hirnhälften lokalisiert, während bei exakten Rechenaufgaben das Aktivitätsmaximum im Bereich der präfrontalen, sprachverarbeitenden Hirnrinde der linken Hemisphäre liegt. (Dehaene et al., 1999).

Die Zahlen-Raum-Vorstellung entwickelt sich erst

Die Fähigkeit zu rechnen und Zahlen zu verstehen ist nicht angeboren. Doch können schon Säuglinge kleine von großen Mengen unterscheiden. Für den Pädagogen und Hirnforscher Michael von Aster ist diese „angeborene numerische Grundkompetenz“ die Grundlage dafür, dass wir Zahlwörter und Ziffern erlernen (auch nachzuhören in einem Radio-Feature der Bayern-2-Reihe „IQ — Wissenschaft und Forschung“). In seinem Aufsatz „Verstehen, wie sie rechnen“ (Von Aster, 2003, Onlineversion S. 3 ff.) skizziert der Wissenschaftler die Entwicklung mathematischer Fähigkeiten: Mit Beginn der Sprachentwicklung eignen sich Kinder „die Zahlwortsequenz, Zählprinzipien (die Eins-zu-eins-Zuordnung, stabile Reihenfolge, Kardinalität), das Zu- und Wegzählen zum Verändern von Mengen und Begriffe wie  ‚mehr‘  oder ‚weniger‘“ an. Für einfache Additionen und Subtraktionen nutzen die Kinder „immer ökonomischer werdende Zählstrategien (...), bis schließlich einfache Fakten aus dem Gedächtnis abgerufen werden können. Sie sind dann im Langzeitgedächtnis gespeichert, d. h. neuronal repräsentiert.“

Link zum Thema:

Gibt es organische Ursachen für Dyskalkulie? Eine internationale Forschungsgruppe hat eine Region im Gehirn entdeckt, die bei einer Fehlfunktion Dyskalkulie auslösen kann. Wird dieses bestimmte Areal im Großhirn gezielt gestört, löst das eine temporäre Rechenschwäche aus. Details dazu finden Sie hier.

Das Notationssystem mit arabischen Ziffern ist die Grundlage für den schulischen Erwerb komplexer Rechenstrukturen. Und nicht nur das: „Es wird auch (...) zur Umformung der (angeborenen) konkret-analogen Repräsentation für numerische Größe in eine abstrakt-analoge Repräsentation (Zahlenstrahl) benötigt.“ (Von Aster, 2003, Onlineversion S. 5) Der Vergleich zweier Zahlen bedarf dann nicht mehr einer konkreten Vorstellung, z. B. von fünf bzw. zehn Äpfeln, sondern erfolgt durch Imaginieren der „entsprechenden Orte auf dem inneren (arabisch skalierten) Zahlenstrahl“.

Nach und nach entsteht in den ersten Schuljahren eine Zahlen-Raum-Vorstellung, auf deren Basis sich die Hirnfunktionen weiterentwickeln können. In der dritten Klasse benutzen Kinder zum Rechnen bereits dieselben neuronalen Netzwerke wie Erwachsene. Mit wachsender Erfahrung und zunehmendem Alter verstärken sich diese neuronalen Systeme dann noch weiter. (Von Aster, 2003, Onlineversion S. 1)

Atypische Hirnaktivität bei Schülern mit Dyskalkulie

Die Entwicklung der hochkomplexen, für Mathematik erforderlichen Hirnfunktionen erfolgt also stufenweise über viele Jahre. Das erschwert es auch, eindeutige Ursachen für Dyskalkulie festzumachen: „Da können jederzeit überall Störungen auftreten, die sich dann potenzieren. In jedem Fall funktioniert bei Kindern mit Rechenschwäche die Entwicklung von Zahlenraum-Vorstellungen weniger gut“, betont Michael von Aster in „IQ — Wissenschaft und Forschung“.

Das bestätigt auch der Neurowissenschaftler Daniel Ansari von der University of Western Ontario: Bei Menschen mit Rechenstörungen sind die Gehirnregionen atypisch aktiviert — nämlich weniger. Ansari schließt daraus, dass die Dyskalkulie „teilweise durch Störungen in sehr basisnumerischen Fähigkeiten“ wie Schätzen, Vergleichen von Zahlen oder Mengenverständnis begründet ist.

Spielend die Zahlenraumvorstellung verbessern

Am Züricher Zentrum für Kinder- und Jugendpsychiatrie erforschten erforschten Neurowissenschaftler Interventionsmöglichkeiten bei Dyskalkulie mittels fMRT-Technik. Im Juni 2016 veröffentlichten die Forscher ihre Erkenntnisse in einem Fachartikel in englischer Sprache.

Literatur zum Thema:

Der Bundesverband Legasthenie und Dyskalkulie e. V. fasst in einer umfangreichen Broschüre den aktuellen Wissensstand zum Thema Dyskalkulie zusammen. Fokus: Empfehlungen zur Diagnostik und Förderung von Kindern und Jugendlichen mit einer Rechenstörung in der Schule.

Aktuelle Forschungsergebnisse zum Thema „Diagnostik und Intervention bei Rechenstörung“ bringen Liane Kaufmann und Michael von Aster in einem ausführlichen Artikel im Deutschen Ärzteblatt auf den Punkt.

Dehaene, Stanislas: Der Zahlensinn oder warum wir rechnen können. Springer, 1999.

Von Aster, Michael: Verstehen, wie sie rechnen. Pädagogik, 55 (4), S. 36 – 39. 2003. Eine Onlineversion zum Download ist hier erhältlich. (Stand: 21.09.12)

Von Aster, Michael, Kucian, Karin: Entwicklung und Ursachen von Rechenstörungen, o. O., 2005, online hier verfügbar.

Hier ein kurzer Abriss der Ergebnisse: Besonders, wenn ein abstraktes Zahlen- oder Mengenverständnis gefragt ist, zeigen Kinder mit Rechenstörung eine schwächere neuronale Aktivität des intraparietalen Sulcus (Sitz des mentalen Zahlenstrahls). Das bedeutet: Bei Dyskalkulikern haben die Zahlen im Kopf keine Ordnung, sondern schwirren durcheinander. Mit Computerspielen, wie zum Beispiel „Rette Calcularis!“ , können die Kinder daher lernen, die Zahlen auf einem Zahlenstrahl zu ordnen. Nach einigen Wochen Übung verändern sich die Hirnaktivitäten nachhaltig.

Kritik am Einsatz der Hundertertafel

Wie wir den inneren oder mentalen Zahlenstrahl imaginieren, ist individuell verschieden. Experimente haben aber gezeigt, dass die räumliche Zahlenstrahlvorstellung in der Regel eine Links-Rechts-Ausrichtung annimmt und „dass die strukturelle Untergliederung dieser Zahlenstrahlgebilde durch Arabische Zahlen erfolgt und nicht etwa durch immer größer werdende vorgestellte Mengen von konkreten Objekten.“ (Von Aster, 2003, Onlineversion, S. 2)

Aus neurowissenschaftlicher Sicht ist deshalb der Einsatz der Hundertertafel nicht geeignet, um den Zahlenraum von 1 bis 100 zu veranschaulichen: „Der Zahlenraum ist kontinuierlich ausgeprägt und nicht als Hunderterwürfel, wo die Entfernung zwischen 12 und 13 gleich groß ist wie zwischen 12 und 22. Das ist im Grunde genommen eine Einladung zu Fehllernen“, erläutert der Hirnforscher. (vgl. Radio-Feature der Bayern-2-Reihe „IQ – Wissenschaft und Forschung“, Link s. o.).

Der ZAREKI-Test: Früherkennung und Klassifikation von Rechenstörungen

Von Aster testete mit ZAREKI zunächst Kindergartenkinder. Als gute Prädikatoren für die Entwicklung einer späteren Dyskalkulie erwiesen sich dabei insbesondere das Mengen-Schätzen und die Zählfertigkeiten (Von Aster, Kucian, 2005, Onlineversion S. 2 f.). Bei der Anwendung der Tests auf schweizerische und deutsche Schulkinder der 2. bis 4. Primarklasse kristallisierten sich drei verschiedene Subtypen von Rechenstörungen heraus (vgl. Von Aster, 2003, Onlineversion, S. 8 ff.):

  • Beim „tiefgreifenden Subtyp“ zeigen die Kinder Standardabweichungen in fast allen numerischen Fertigkeitsbereichen. Sie sind unfähig, „überhaupt zu verstehen, wie, wann und warum Zahlworte, Arabische Zahlen und arithmetische Prozeduren gebraucht werden“. Vermutlich konnten sie infolge genetischer Dispositionen oder frühkindlich bedingter Hirnfunktionsstörungen bereits die frühen vorsprachlichen numerischen Kompetenzen nicht angemessen entwickeln.
  • Kinder des „sprachlichen Subtyps“ machen häufig Fehler beim Abzählen, zum Beispiel infolge Sprachentwicklungs- oder Aufmerksamkeitsstörungen. Deshalb sind auch ihre Zählstrategien beim Addieren und Subtrahieren unreif, langsam und fehleranfällig, was den Aufbau von Abrufstrategien und Faktenwissen erschwert.
  • Zum „arabischen Subtyp“ zählen Kinder mit Problemen beim Übersetzen von Zahlworten in die arabische Kodierung und umgekehrt. Auffallend häufig fanden sich in dieser Gruppe fremd- oder zweisprachig aufgewachsene Kinder, die mit der Zehner-Einer-Inversion im Deutschen (geschrieben „21“, also „Zwanzig-Eins“; gesprochen „Einundzwanzig“) nicht zurechtkommen.

Die Entwicklung der Zahlen verarbeitenden Hirnfunktionen ist komplex und verläuft dynamisch. Prototypische Muster finden sich deshalb nicht immer in Reinform. Doch in jedem Fall bietet der Test und Michael von Asters Typisierung gute Anhaltspunkte für eine zielgerichtete therapeutische oder unterrichtliche Arbeit.

Zusätzliche Erschwernisse bei Dyskalkulie

Angst, Frustration und ähnliche negative Emotionen blockieren das Arbeitsgedächtnis im präfrontalen Kortex, dessen wachsende Kapazität für die Bildung langfristiger Gedächtnisrepräsentationen und für kognitive Aufgaben (Denken, Verstehen, Schlussfolgern) unerlässlich ist (Von Aster, 2003, Onlineversion, S. 6). Das erschwert es Kindern mit Dyskalkulie noch zusätzlich, den Anschluss zu finden. Deshalb kommt der Früherkennung von Dyskalkulie aus Sicht der Neurowissenschaften eine zentrale Bedeutung zu.

Auch in der Forderung nach einem Unterricht, der Mathematik für Hand und Hirn begreifbar macht, sind sich die beiden Forscher einig (vgl. Von Aster, 2003, Onlineversion S. 12; Daniel Ansari im Interview im oben verlinkten Radio-Beitrag in „IQ – Wissenschaft und Forschung“). Als eher kontraproduktiv erweist sich bei Rechenstörungen das Benotungssystem der Regelschule. Michael von Aster dazu: „Eine einzelfallbezogene Notenbefreiung für Kinder mit Dyskalkulie führt nicht zur Aufhebung, sondern allenfalls zu einer Abmilderung der öffentlichen Herabsetzung. Warum nicht generell zumindest in der Primarschule auf das Benotungssystem verzichten?“ (vgl. Von Aster, 2003, Onlineversion, S. 12).

Martina Niekrawietz

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