Neurobiologie der Hochbegabung

Neurobiologie der Hochbegabung
Aljoscha C. Neubauer
Vortrag auf der Tagung
10 Jahre „Forum Hochbegabung“
Hof
8.10.2010
Institut für Psychologie
Universität Graz
Differentielle Psychologie
http://psyserver.uni-graz.at/diff/
Testen Sie Ihre Intelligenz
•
http://www.testedich.de
Quiz 11
(1)
(2)
(3)
(4)
X
(5)
www.testedich.de/quiz11/quizpu.php?testid=1104094593&katname=Intelligenztests%20IQ%20Test
Testen Sie Ihre Intelligenz
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Testen Sie Ihre Intelligenz
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(1)
http://www.testedich.de
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X
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www.testedich.de/quiz11/quizpu.php?testid=1104094593&katname=Intelligenztests%20IQ%20Test
Übersicht:
• Was ist Hochbegabung?
• Das hochbegabte Gehirn: Strukturelle und funktionale
Korrelate der Intelligenz
• Intelligenz und Wissen: Kann man sein Gehirn ‚trainieren„?
• Die Erweiterung des Begabungsbegriffs: Die
Neurobiologie des kreativen Denkens
Übersicht:
• Was ist Hochbegabung?
• Das hochbegabte Gehirn: Strukturelle und funktionale
Korrelate der Intelligenz
• Intelligenz und Wissen: Kann man sein Gehirn ‚trainieren„?
• Die Erweiterung des Begabungsbegriffs: Die
Neurobiologie des kreativen Denkens
Hochbegabung = sehr hohe Intelligenz
Was ist Intelligenz ?
INTELLIGENZ IST LERNFÄHIGKEIT.
Intelligentere
lernen schneller,
können Wissen flexibler einsetzen
können besser abstrakte Konzepte verstehen
INTELLIGENZ IST NICHT MESSBAR OHNE SCHULBESUCH /
LERNEN / WISSENSERWERB:
•
„Kinder werden mit zunehmendem Alter … nicht intelligenter, weil sie
älter werden, sondern weil sie länger durch Schulunterricht gefördert
werden“ (Rindermann, 2003)
•
„In einer Gesellschaft, in der es keine Schule, keine Schrift und keine
Mathematik gibt, kann sich keine Intelligenz entwickeln“ (Neubauer &
Stern, 2007)
Welche Intelligenzkomponenten gibt es?
g
allgemeine Intelligenz
?
soziale Intelligenz
emotionale Intelligenz
sprachliche
Intelligenz
mathem.rechnerische
Intelligenz
figuralräumliche
Intelligenz
praktische Intelligenz
.
.
.
.
Welche Intelligenzkomponenten gibt es?
g
allgemeine Intelligenz
?
soziale Kompetenz
sprachliche
Intelligenz
mathem.rechnerische
Intelligenz
figuralräumliche
Intelligenz
emotionale Kompetenz
praktische Kompetenz
.
.
.
.
Aufgaben in Intelligenztests
verbale Aufgaben, z.B.
• Wortschatz:
Was bedeutet anonym?
• Analogien:
Gramm : Gewicht = Stunde : ?
numerische Aufgaben, z.B.
• Zahlenreihen:
57 60 30 34 17 22 11 ?
Figural-räumliche Tests
Beispiel:
IQ * Schulerfolg: r = .50
Erfolg
Was messen Intelligenztests? - Validität
Intelligenz
Die Altersentwicklung der Intelligenz
Übersicht:
• Was ist Hochbegabung?
• Das hochbegabte Gehirn: Strukturelle und funktionale
Korrelate der Intelligenz
• Intelligenz und Wissen: Kann man sein Gehirn ‚trainieren„?
• Die Erweiterung des Begabungsbegriffs: Die
Neurobiologie des kreativen Denkens
Neuronen (Nervenzellen) im
Cortex:
- bis zu 100 Milliarden Neuronen
mit
- bis zu 100 Billionen (1014)
Verbindungen
Das menschliche Gehirn
Gewicht: 1,400 Gramm
Oberfläche: ca. 2000 cm²
(ca. eine Doppelseite einer großformatigen Tageszeitung)
Bildgebende Verfahren der
Gehirnforschung
EEG = Electroencephalography
Positron Emission Tomography (PET)
(funktionelle) Magnet Resonanz Tomographie – (f)MRT
MEG =
Magnetoencephalography
Lokalisation psychischer Funktionen
aus: Nichols & Newsome, 1999; Nature
Intelligenz und Gehirngröße
Korrelieren moderat positiv: r = .3 to .4, (McDaniel, 2005), vor allem in
-
Präfrontalem Kortex
Temporallappen
Corpus Callosum (Faserbündel zwischen den Hirn-Hemisphären)
Wie hängt Intelligenz mit Grauer Substanz
versus Weißer Substanz zusammen?
•
r GM x Intelligenz ≈ .27 (.14 to .41)
Grey Matter: Nervenzellen, Synapsen,
Dendriten
•
r WM x Intelligenz ≈ .31 (.08 to .51)
White Matter: Myelinisierte Axone
Geschlechtsunterschiede:
- bei Frauen korreliert WM höher,
- bei Männern GM
(Gignac et al., 2003; Mittel aus 7 Studien)
Parieto-Frontale Integrations Theorie
Jung & Haier (2007)
Parietaler Kortex:
symbolische
Verarbeitung,
Abstraktion,
Elaboration,
Wissensspeicherung
Präfrontaler Cortex:
Handlungsplanung,
Entscheiden,
Arbeitsgedächtnis
Brodmann Areale (BA) korreliert mit Intelligenz: dunkle
Kreise = LH, helle Kreise = RH; weißer Pfeil = arcuate
fasciculus.
Myelin-Hypothese der Intelligenz (Miller, 1994)
„Intelligentere Menschen haben stärker myelinisierte
Gehirne (Axone).“
mehr Myelin bewirkt:
• eine höhere Leitungsgeschwindigkeit im Gehirn (höhere
Verarbeitungsgeschwindigkeit  kürzere RZen)
• geringere Leitungsverluste (weniger Energieverbrauch  weniger
Glukosemetabolismus via PET gemessen)
• höhere neurale Effizienz (beim Problemlösen eher fokale
Aktivierung des Kortex)
• weniger ‚Fehler„ in der Informationsübertragung,
• Ontogenetische Entwicklung der Myelinisierung parallel zu
Altersentwicklung der Intelligenz
Gehirnvolumen, Gene und Intelligenz
Zwischenfazit
• Intelligenz (und damit mutmaßlich auch Hochbegabung) ist zu 50 –
80% genetisch bedingt, weil
• Auch die Gehirnstruktur im Frontalhirn, (und vermutlich die
Myelinisierung) stark genetisch bedingt sind (im Präfrontalkortex bis
85%);
• Hochbegabte haben ein (genetisch bedingt) gut ausgeprägtes
Frontalhirn; dieses bewirkt eine hohe Arbeitsgedächtniskapazität (als
eine zentrale Grundlage der Intelligenz bzw. Fähigkeit, schnell und
effizient zu lernen)
• Conclusio: Das ‚hochbegabte Gehirn‘ muss gefördert werden, da die
Struktur des Parietalkortex (Abstraktion, Elaboration, Wissensabruf)
eher umweltgesteuert ist (genetischer Einfluss 20 – 30%)
HARDWARE (Gehirnstruktur) oder
SOFTWARE (Gehirnnutzung/-aktivierung
Intelligenz und Gehirnnutzung –
Die neurale Effizienz-Hypothese
Haier et al. (1988): Intelligenz und Glucose-Metabolismus (PET)
r(RAPM x GMR) = -.44 bis -.84
NEURAL EFFICIENCY
„Intelligence is not a function of how hard
the brain works but rather how efficiently
it works. ... This efficiency may derive
from the disuse of many brain areas
irrelevant for good task performance as
well as the more focused use of specific
task-relevant areas.“
(Haier et al., 1992)
IQ low
IQ high
IQ Lower
IQ Higher
Neubauer, Freudenthaler, Pfurtscheller, 1995, Intelligence
Neural Efficiency: Pro vs. Contra
Neubauer & Fink, 2009 (Neuroscience & Biobehav. Rev.)
Pro: Intelligentere zeigen weniger Gehirnaktivierung (29/54 Studien
•
PET: Haier et al. (1988, 1992, 1995, etc.)
•
SPECT:
•
fMRI: Reichle et al. (2000); Ruff et al. (2003); Rypma et al. (2002)
•
EEG: Jausovec (1998, 2000 etc.); Lamm et al. (1999);
Charlot et al. (1992)
Neubauer et al. (1995, 2002 etc.)
Modifikationen:
•
Nur für leichte bis mittelschwere Aufgaben
•
Abhängig von Geschlecht und Aufgabentyp: NE bei
Frauen nur für verbale, bei Männern für räumliche Aufgaben
•
Neurale Effizienz nur für frontale Areale, nicht posterior
•
Abhängig von Lernen / Vertrautheit mit Aufgabe
Hochbegabte
• müssen ihr (präfrontales) Gehirn bei gleichen
Denkaufgaben weniger aktivieren
• Wenn sie leichte bis mittelschwierige Aufgaben
bewältigen
• Hypothese: das lässt Ihnen mehr ‚Spielraum„
(Energiereserven) für schwierige Aufgaben
Übersicht:
• Was ist Hochbegabung?
• Das hochbegabte Gehirn: Strukturelle und funktionale
Korrelate der Intelligenz
• Intelligenz und Wissen: Kann man sein Gehirn
‚trainieren‘?
• Die Erweiterung des Begabungsbegriffs: Die
Neurobiologie des kreativen Denkens
Gehirnstruktur ist auch veränderbar
GM-Veränderungen nach Jongliertraining (Draganski et al., 2004, Nature)
•
Mehr hippocampales GM-Volumen in Taxifahrern mit mehr Berufs- bzw.
Navigationserfahrung
time as taxi driver (months)
0
50 100 150 200 250 300 350 400
6
(Maguire et al., 2000, PNAS)
posterior
hippocampus
•
• GM Zunahmen in posterioren Cortex Arealen und
Hippocampus in Medizinstudenten die sich für eine große
Prüfung vorbereiteten von t1 (3 mo vor) zu t2 (nach
Prüfung), und teilweise (nur Hippocampus) zu t3 (3 Monate
nach Prüfung; Draganski et al., 2006)
4
2
0
-2
-4
-6
Kann neurale Effizienz ‚erworben‘ werden?
Vergleich von Experten (Taxifahrer) mit höherer vs. niedriger Intelligenz im
Hinblick auf Gehirnaktivierung (neurale Effizienz) während der
Bearbeitung einer
a) einer vertrauten, expertise-bezogenen Aufgabe (räumliche Orientierung in
Graz)
b) einer neuartigen, intelligenztestartigen Aufgabe (räumliche Orientierung
allgemein)
(Grabner, Stern, Neubauer, 2003, Int.J.Psychophysiol.)
Results
Intelligence Task
>
r with IQ = .50**
IQ lower
IQ higher
Expertise Task
=
r with IQ = .10
Grabner, et al., 2003, Int. J. Psychophysiol
Die Schach-Studie
Grabner, Neubauer, Stern (Brain Research Bulletin, 2006)
•
•
•
•
N = 47 Turnierschachspieler
Alter: 18-65 Jahre (M = 37.45, SD = 13.16)
Spielstärke (ELO): 1325 – 2338 (M = 1893, SD = 227)
Untersuchung von intelligenteren vs. weniger intelligenten
Schachspielern mit
• höherer vs. niedrigerer Expertise (ELO-Zahl)
• im Hinblick auf Gehirnaktivierung während
• schachspezifischer vs.
• schachunspezifischer Aufgaben
• (Speed, KZG, Reasoning)
Effekte der Intelligenz
Schachunspezifische Aufgabe
Non-representative Demands
40
40
35
35
30
30
25
25
%ERD
%ERD
Representative Demands
Schachaufgabe
20
15
20
15
10
10
5
5
0
0
-5
-5
AF
F
FC
TC
CP
PT
PO
F
FC
TC
CP
Topographic Area
Topographic Area
IQf low er
AF
IQf niedriger
IQf higher
IQf low er
IQf höher
IQf higher
PT
PO
Effekte der Expertise
Geschwindigkeitsaufgabe
40
35
30
%ERD
25
20
15
10
5
0
-5
AF
F
FC
TC
CP
PT
PO
Topographic Area
AUFGABE:
Zählen Sie die Anzahl der
Läufer und Pferde
so schnell wie möglich
Expertise low er
weniger erfolgreich
Expertise higher
erfolgreichere
%ERD
• Gehirnaktivierung:
• Unabhängige Effekte von Expertise und Intelligenz
• Intelligenzeffekte sind eher global: höhere neurale Effizienz
über dem gesamten Kortex bei Intelligenteren
• Expertiseeffekte: Höhere Expertise → stärker posteriore,
weniger frontale Aktivierung
• Effiziente Gehirnaktivierung ist nicht nur eine Frage von
Intelligenz, sondern auch von domänenspezifischer
Kompetenz
Grabner, Neubauer, Stern (Brain Research Bulletin, 2006)
Übersicht:
• Was ist Hochbegabung?
• Das hochbegabte Gehirn: Strukturelle und funktionale
Korrelate der Intelligenz
• Intelligenz und Wissen: Kann man sein Gehirn ‚trainieren„?
• Die Erweiterung des Begabungsbegriffs: Die
Neurobiologie des kreativen Denkens
W AS IST K REATIVITÄT ?
„Kreativität ist die Fähigkeit etwas Neues zu schaffen“ (Barron,
1965)
„Ein kreatives Produkt ist ein neues Produkt, das von einer Gruppe
zu irgendeinem Zeitpunkt als brauchbar oder befriedigend
angesehen werden kann“ (Stein, 1953; 1973)
“Creativity can be defined as an idea or product that is original,
valued, and implemented” (Csikszentmihalyi & Wolfe, 2000)
MESSUNG VON KREATIVITÄT
Konvergentes vs. divergentes Denken

Joy P. Guilford (1967)

KONVERGENT: z.B. Analogien
klein : groß = kurz : ?
a.) lang b.) weit c.) breit d.) ausgedehnt e.) schmal

DIVERGENT: z.B. Utopische Situationen
Was würde alles passieren, wenn plötzlich eine Eiszeit
hereinbrechen würde?
MESSUNG VON KREATIVITÄT
Verwendungsmöglichkeiten
Bsp.: Ziegelsteine verwendet man üblicherweise um
Häuser und Mauern zu bauen.
Wozu könnte man sie noch verwenden?!?
Etwas anderes bauen (z.B. Regal oder Treppe) (50)
Als Unterlage (17)
Wurfgeschoss (16)
…
Karateübungen (5)
Buchstütze (1)
Originelle Visitenkarte (1)

Ideenflüssigkeit, Ideenflexibilität, Ideenoriginalität
D ER KREATIVE P ROZESS

Problemidentifikation

Vorbereitungsphase: Sammeln von Informationen, Lernen, Auseinandersetzung mit

Inkubation: „Ausbrüten“, „Tüfteln“, „Grübeln“

Illumination, Geistesblitz: Lösung tritt ins Bewusstsein

Bewertung: ist die Idee auch sinnvoll und brauchbar?

Verifikation

Kommunikation

Validierung
einer Frage oder einem Problem
(Wallach, 1926; Urban & Cropley, 2002)
konvergente Phase
divergente Phase
K REATIVITÄT: W AS PASSIERT IM G EHIRN ?
LOW-AROUSAL:
Bei frei-assoziativen, divergenten Problemstellungen, bei denen
möglichst vielfältige oder ungewöhnliche (kreative) Lösungen
gefunden werden müssen, scheint eine schwache, aber
gleichmäßige (d.h. nicht fokussierte) Aktivität mehrerer Areale des
Kortex dazu beizutragen, weit auseinander liegende Elemente zu
verknüpfen (Martindale, 1999)
T YPISCHER U NTERSUCHUNGSABLAUF
Z.B.: Finden Sie Erklärungsmöglichkeiten für folgende Situation:
Ein Leuchten in der Dunkelheit
Aufgabe:
+
R
IDEE
Stimulus onset
IDEE
A
A
IDEE
A
Nächste Aufgabe
2500 – 12500 ms
Ruhephase 15s
1250 – 250 ms
pre IDEA
1250 – 250 ms
pre IDEA
1250 – 250 ms
pre IDEA
Antwortintervall 3min
Aktivierungsmaß: Aufgabenbezogene Veränderung der EEGAlpha-Aktivität
Task-related Power TRP = Pow activation – Pow reference
(Pfurtscheller, 1999)
G EHIRNAKTIVIERUNG WÄHREND DER
P RODUKTION KREATIVER I DEEN
•
Stärkere Alphaaktivität in
frontalen als in posterioren
Gehirnregionen
0.20
0.15
0.10
0.05
0.00
•
Bei originelleren Ideen zeigt
sich (im Vergleich zu weniger
originellen Einfällen) eine
stärkere Alphaaktivität in
zentroparietalen (sowie
anteriofrontalen) Regionen
Fink & Neubauer (2006),in International Journal of Psychophysiology
V ERGLEICH KREATIVER VS . WENIGER
KREATIVER P ERSONEN
Kreativere Personen
Ungewöhnliche
Verwendungsmöglichkeiten:
Left hemisphere
Right hemisphere
0,1
0,05
0
-0,05
AF
F
FC
CT
CP
PT
PO
Weniger kreative Personen
0,15
Alpha power changes
„…Nennen Sie ungewöhnliche,
originelle Verwendungen für …
Versuchen Sie Lösungen zu
finden an die sonst keiner
denkt…“
Alpha power changes
0,15
Left hemisphere
Right hemisphere
0,1
0,05
0
-0,05
AF
FC
F
CT
CP
PT
PO
AF: anteriofrontal; F: frontal; FC: frontozentral; CT: zentrotemporal; CP: zentroparietal; PT:
parietotemporal; PO: parietookzipital
Fink et al. (2009), in Human Brain Mapping
K REATIVES D ENKTRAINING
AM
PC
Das Training:
Übungsaufgaben: Erfinden von Namen,
Slogans, Produktverbesserungen etc.
Die Trainingsstudie (n = 30):
1.) Vortest (EEG)
2.) Training
0,26
0,24
0,22
TRP
Dauer: ~ zwei Wochen
(30 min. Trainingssitzung pro Tag)
0,28
0,2
0,18
0,16
0,14
0,12
0,1
AF
F
FC
CT
CP
PT
PO
3.) Nachtest (EEG)
Ergebnisse:
 Höhere Originalität der Ideen
 Zunahme der Alphasynchronisation in
frontalen Arealen des Gehirns
Kontrollgruppe
Trainingsgruppe
Benedek, Fink, Neubauer (2006). in Creativity Res. J.
Fink, .. Neubauer (2006) in European Journal of Neuroscience
Zwischenfazit – Kreativität & Gehirn
•
Diffuse Alphasynchronisation in posterior parietalen Regionen der
rechten Hemisphäre  (Re-) Kombination von gedanklich weit auseinander
liegender (semantischer) Information
•
Alphasynchronisation im frontalen Kortex  Zustand, in dem frontale
Gehirnregionen nicht von ablenkenden (aufgabenirrelevanten) kognitiven Prozessen
beeinflusst werden; dadurch reibungsloser Ablauf der kreativen Ideenproduktion (in
parietalen Hirnregionen) gewährleistet (Inhibitorische Top-Down-Kontrolle; Klimesch et al., 2007)
Fazit
I) Es gibt (eher genetisch angelegte) Potentiale (Präfrontalhirn =
Arbeitsgedächtniskapazität), die aber nicht in kognitive Leistungen
transferieren, wenn nicht die Umwelt (An-)Reize bereitstellt, die
II) den vorwiegend lern- und wissensabhängigen parietalen Kortex mit
entsprechendem Input ‚versorgen„.
III) Beim kreativen (vs. konvergenten) Denken zeigen Frontal- und
Parietalkortex Alpha-Synchronisation, die aber nicht als Deaktivation,
sondern als (aktive) Hemmung störender (externer) Prozesse gedeutet
wird
Danke für die
Aufmerksamkeit
Institut für Psychologie
Differentielle Psychologie
Universität Graz
E-mail: [email protected]
http://psyserver.uni-graz.at/diff/
ERD UPPER ALPHA; 250-125ms before response:
ERS
-10
0
20
10
30
40
Verbal
ERD
60
50
Spatial
IQ
Lower
25
31
40
27
23
24
IQ
Higher
19
MALE
9
FEMALE
MALE
Neubauer, Fink, Schrausser, 2002; Intelligence; Replikation & Erweiterung: Neubauer et al., 2005; CBR)
FEMALE