Der Einfluss der Circadianen Rhythmik auf die Aufmerksamkeit und Konzentrationsfähigkeit im Schulalltag

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1 PROJECT N 42 Der Einfluss der Circadianen Rhythmik auf die Aufmerksamkeit und Konzentrationsfähigkeit im Schulalltag Gesa Höhn, Natascha Melsen, Sarah Rother European School Frankfurt am Main Praunheimer Weg 126, Frankfurt am Main, Germany S5 DE Abstract Unser Ziel war es herauszufinden, zu welcher Tageszeit wir am aufmerksamsten und lernfähigsten sind, auch in Bezug auf den Schulalltag. Dafür haben wir über einen bestimmten Zeitraum Probanden (Mitschüler) sowohl morgens (8:10-8:30 Uhr) als auch mittags (12:00-13:30 Uhr) getestet. Wir nutzten dafür zwei Tests: zum einen den Stroop Test, bei dem die Testperson die Farbe in der ein Wort geschrieben ist benennen soll. Hierbei ist eine hohe Konzentrationsfähigkeit gefragt. Der andere Test den wir benutzt haben war der Quatember Maly Test, auch Vigilanz Test genannt, welcher die Aufmerksamkeit in monotonen Situationen testet. Unsere Auswertung hat ergeben, dass die Probanden mittags jeweils aufmerksamer und konzentrierter waren. Allerdings gab es nur kleine Unterschiede zwischen den Ergebnissen, der am Mittag durchgeführten Tests, und denen der morgens durchgeführten Tests. Dieses Ergebnis konnten wir anhand des circadianen Rhythmus, der die Leistungsfähigkeit zu verschiedenen Tageszeiten beschreibt, bestätigen. Dies wird auch Innere Uhr genannt, welche die Leistungsfähigkeit steuert. Physiologischer Hintergrund ist der Spiegel des Transmitters Melatonin, welcher nachts höher ist als tagsüber und den Wachzustand maßgeblich beeinflusst. Eine Hirnregion Namens Suprachiasmatischer Nucleus ist bei der Kontrolle des Melatoninspiegels ausschlaggebend. Zu unseren zwei Testzeiten, welche wir zunächst im Schulalltag nehmen mussten, verfügt man offensichtlich etwa über die selbe Leistungsfähigkeit, was auch dem Melatoninspiegel im Tagesverlauf etwa entspricht. 1

2 1. Einleitung Wir wollten die Aufmerksamkeit und Konzentrationsfähigkeit eines Schülers/ einer Schülerin zu verschiedenen Tageszeiten testen, um herauszufinden, wann wir am lernfähigsten sind. Als Schüler sind wir sehr daran interessiert wie und wann wir am besten lernen können und unter welchen Bedingungen wir am konzentriertesten sind. Daher haben wir uns nach Tests umgesehen, die einerseits deutliche Ergebnisse zeigen, aber auch die Funktionsweise unseres Gehirns weiter erläutern. Das Gehirn als eines der komplexesten Bestandteile des menschlichen Körpers, wurde noch nicht vollständig erforscht. Um bessere Leistungen erzielen zu können, müssen wir nicht nur die Arbeitsbedingungen optimieren, sondern auch das Gehirn besser verstehen. Uns war bekannt, dass wir morgens am motiviertesten sind und im Gegensatz dazu nachmittags eher weniger gute schulische Leistungen erbringen können, aus Gründen mangelnder Konzentrationsfähigkeit. Woran das aber genau liegt, wussten wir noch nicht. Was wir herausgefunden haben zeigen die folgenden Ergebnisse. Die circadiane Rhythmik ist die biologische Grundlage (unsere innere Uhr) für die unterschiedliche Leistungsfähigkeit zu verschiedenen Tageszeiten. Dies hat sowohl etwas mit dem Tag-, Nachtrhythmus zu tun, als auch mit der Erholsamkeit des Schlafes. Jedes Lebewesen hat eine Innere Uhr, welche die Vorgänge im Körper regelt. Diese sind nicht nur die Konzentration sondern auch alle anderen Funktionen im Körper. Früh morgens um sechs Uhr wird der Melatoninspiegel im Blut gesenkt. Die Folgen sind ein steigender Blutdruck, Puls und Körpertemperatur. Danach nimmt die Konzentrationsfähigkeit stetig zu. Gegen Mittag ist der Körper optimal mit Sauerstoff versorgt. Am Nachmittag ist die Atemfrequenz am höchsten und die Reflexe schneller als sonst. Gegen 18 Uhr beginnt der Körper mit der Regeneration und der Harnfluss ist am stärksten. Zur Nacht hin steigt die Schmerzempfindlichkeit und ca. zwei Stunden vor dem Einschlafen gibt der Suprachiasmatische Nucleus der Zirbeldrüse den Befehl den Melatoninspiegel wieder anzuheben. (Quelle: Internet) 2

3 Der suprachiasmatische Nucleus, oder kurz SCN, gilt als innere Uhr, welche die tagesperiodischen Körperfunktionen steuert, indem er die Zirbeldrüse anregt. Diese sind dann zum Beispiel die Tätigkeit von Magen und Darm, aber, für uns interessant, vor allem der Wach- und Schlafrhythmus sowie die Leistungs- und Konzentrationsfähigkeit. Die Zirbeldrüse bzw. Epiphyse (Teil des Circadianen Steuerungssystems), eine kleine kieferzapfenförmige Drüse im Zentrum des Gehirn, welche das am Tage gebildete Serotonin, ein Glückshormon mit entspannender und stimmungsaufhellender Wirkung, in der Nacht in Melatonin umwandelt. Melatonin Der Suprachiasmatische Nucleus (Kleine Hirnregion hinter den Augen, im Bereich des Chiasma Optikum, wo sich die beiden Sehnerven kreuzen) selbst funktioniert über Lichtsignale, welche von speziellen Zellen auf der Netzhaut aufgenommen werden, sogenannte retinale Ganglienzellen. Diese sind unabhängig von den anderen Lichtsinneszelltypen (Stäbchen und Zapfen), weshalb die innere Uhr auch bei Blinden funktioniert. Die retinalen Ganglienzellen wandeln, mithilfe eines spezifischen Fotopigmentes namens Melanopsin, Lichtsignale in elektrische Impulse um, welche dann ans Gehirn weitergeleitet werden, und so die Funktion der Zirbeldrüse regelt. Funktionsweise des Suprachiasmatischen Nucleus 3

4 Um den Vorgang des circadianen Rhythmusses auch im Schulalltag zu beobachten, haben wir zwei verschiedene Tests an unseren Probanden (Mitschülern) durchgeführt. Zum einen haben wir den Stroop-Test (nach John Ridley Stroop) durchgeführt, zum anderen haben wir den Quatember Maly, oder auch Vigilanztest, den wir nach unseren Anforderungen modifiziert haben, indem wir statt 25 Minuten nur 5 Minuten getestet haben, weil uns nur eine beschränkte Zeit zur Verfügung stand. (auch in der Forschung gibt es modifizierte Formen des Tests, was wir der Literatur entnehmen konnten) 2. Material und Methoden Wir als Gruppe haben uns für den Stroop Test und einen Vigilanz Test, den Quatember Maly Test, entschieden. Beide Tests haben wir an verschiedenen Personen aus unserer Schule, der Europäischen Schule Frankfurt, getestet. Den Quatember Maly Test konnten wir mit Hilfe einer auf das Smartphone geladenen App gut überall durchführen. Bei dem Stroop Test haben wir der Testperson einen selbst erstelltes Testblatt gegeben und dabei die Zeit gestoppt, die sie brauchte, um den Test zu absolvieren. Außerdem wurde dabei auf die Anzahl der Fehler der jeweiligen Person geachtet. Stroop sowie Quatember Maly Test wurden beide jeweils einmal morgens (8 Uhr bis 8:30 Uhr) und mittags (12 Uhr bis 13:30 Uhr) getestet. Sobald eine der Testpersonen morgens sowie mittags getestet wurde, testeten wir dieselbe Person noch einmal morgens und mittags, um einen eventuellen Unterschied feststellen zu können. Der Quatember Maly Test testet die Aufmerksamkeit in monotonen Situationen, da die jeweilige Testperson für unsere 5 Minuten festgelegte Zeit vor einem Handy sitzt und einen schwarzen Punkt 4

5 beobachtet, der um einen Schritt im Kreis weiterwandert. In unregelmäßigen Abständen vollzieht der Punkt nun eine sogenannten Doppelsprung, was so viel bedeutet wie, dass er ein Schritt überspringt. Dieser Doppelsprung sollte nun von der Testperson realisiert werden und durch einen Klick auf den Touchscreen dokumentiert werden. Außerdem wird in dem Test, je nachdem wie lange man ihn testen lässt, die Fähigkeit in reizarmen Situationen die Aufmerksamkeit beziehungsweise anhaltende Wachsamkeit zu erhalten, getestet. Man kann die schwindende Konzentration gut mit einer Überforderung durch Unterforderung beschreiben, da einem während des Testes schnell langweilig werden kann. Hier sieht man den Aufbau eines Quatember Maly Tests, ähnlich zu dem Test, den wir benutzten: Der Stroop Test ist ein Test, bei dem die Testpersonen die Farbe, in der ein bestimmtes Wort geschrieben ist, erkennen sollten und diese uns nennen sollten. Die Wörter sind verschiedene Farben, jedoch nicht in der richtigen Farbe geschrieben und somit wird das Ganze zu einer Aufgabe, bei der viel Konzentration gefragt ist. Während des Testes tritt der sogenannte Stroop-Effekt auf: Falls Farbe nicht mit dem Farbwort übereinstimmt, steigt Reaktionszeit und Fehlerzahl. Der Stroop Test kommt von einem Mann namens John Ridley Stroop, der 1935 die Arbeiten von anderen Wissenschaftlern überarbeitete und somit feststellen konnte, das Menschen schneller darin sind, Wörter zu lesen als die zugehörigen Objekte beziehungsweise Eigenschaften dieser Objekte (zum Beispiel Farbe) zu 5

6 benennen. Seitdem spielt der Stroop-Effekt vor allem in der klinischen Neuropsychologie eine wichtige Rolle. Außerdem gibt es inzwischen ein paar ähnliche Tests, die auch auf dem Stroop-Effekt basieren, jedoch nicht mit Farbe und Farbwort in Verbindung stehen. Hier sieht man einen Stroop Test, wie wir ihn dann auch selbst, unseren Anforderungen entsprechend, gestalteten: Wir benutzten den klassischen Stroop-Test und den Quatember Maly Test. Bei dem Quatember Maly Test gaben wir eine zeitliche Einschränkung von 5 Minuten vor, während wir bei dem Stroop Test die Zeit, die benötigt wurde, stoppten, um diese vergleichen zu können. Wir testeten Personen aus verschiedenen Altersgruppen und Klassen und an verschiedenen Tageszeiten. Am Am Anfang unserer Testphase wollten wir mit 2 Minuten Testzeit für den Quatember Maly Test arbeiten, jedoch erhöhten wir schnell auf 5 Minuten, da 2 Minuten eine eher kurze Zeitspanne sind in der noch nicht allzu viele Fehler auftreten. 6

7 3. Ergebnisse Stroop-Test Ergebnisse pro Fehler +2 sekunden Proband und Klassenstufe Dauer Tageszeit (min) Fehler Durchschnitt Dauer (min) Durchschnitt Fehler Philipp morgens 00: morgens 00: S5 00: mittags 00: mittags 00: : Duncan morgens 00: morgens 00: S5 mittags 00: mittags 00: Florian morgens 00: morgens 00: S5 00: mittags 00: mittags 00: : Simon morgens 00: morgens 00: S5 00: mittags 00: mittags 00: : Maike morgens 00: morgens 00: S4 00: mittags 00: mittags 00: : Dominic morgens 01: morgens 01: S3 01: mittags 00: mittags 00: : Linus morgens 01: morgens 01: S3 01: mittags 01: mittags 01: : Yasmine morgens 01: morgens 00: S3 00: mittags 00: mittags 00: : Carlotta morgens 00: morgens 00: S3 00: mittags 00: mittags 00:

8 Alina morgens 00: morgens 00: S5 00: mittags 00: mittags 00: : Kim morgens 00: morgens 00: S5 00: mittags 00: mittags 00: : : Aufmerksamkeit Mittags aufmerksamer 6 Personen 55% 45% 55% Morgens Aufmerksamer 5 Personen 45% 8

9 Vigilanztest-Ergebnisse Proband und Klassenstufe Dauer Tageszeit (min) Quote Durchschnitt Phillip morgens 5 75% morgens 76.15% S % mittags 5 80% mittags 84.45% % Duncan morgens % morgens 83.34% S % % mittags 5 50% mittags 50% Florian morgens % morgens 73.4% S5 mittags % mittags 77.78% 5 100% Simon morgens % morgens 66.67% S % mittags 5 100% mittags 99.15% % Dominic morgens % morgens 76.19% S mittags 5 100% mittags 87.5% 5 75% Linus morgens 5 40% morgens 27.15% S % mittags 5 0% mittags 40% 5 80% Yasmine morgens % morgens 16.67% S3 mittags 5 0% mittags 37.5% 5 75% Carlotta morgens 5 20% morgens 20% S3 mittags 5 50% mittags 50% Alina morgens 5 98% morgens 99% S % mittags % mittags 95.83% 5 100% 5 100% Kim morgens 5 100% morgens 99% S5 5 98% mittags % mittags 77.09% % Maike morgens 5 98% morgens 98% 9

10 S4 mittags 5 100% mittags 100% Aufmerksamkeit 27% 73% Mittags aufmerksamer 8 Personen 73% Morgens aufmerksamer 3 Personen 27% 4. Diskussion Die Ergebnisse unserer Tests zur Aufmerksamkeit der Probanden von etwa 8:10 bis 8:30 Uhr und von 12:00 bis 13:30 Uhr zeigen, dass die Mehrheit der Schüler zwar in der Mittagszeit bessere Leistungen erbracht hat, jedoch waren bei vielen der Testpersonen nur minimalste Unterschiede zu erkennen. Dieses Ergebnis ist erneut mithilfe der circadianen Rhythmik zu erklären: kurz nach dem Aufstehen befindet sich die Leistungsfähigkeit der meisten Menschen im Mittelfeld, jedoch steigt sie im Laufe des Tages immer weiter. Bis die Schüler um etwa 8:10 Uhr an der Schule eintreffen ist sie schon relativ hoch gestiegen und erreicht bald darauf, um etwa 10 Uhr, ihren Tageshöchststand. Nachdem dies geschehen ist beginnt sie wieder zu fallen und befindet sich um 12 Uhr erneut auf der etwa gleichen 10

11 Höhe wie um 8 Uhr. Dies erklärt den sehr kleinen Unterschied den wir zwischen Morgen und Mittag testen konnten. Da wir unsere Tests jeweils kurz nach diesen Zeitpunkten durchgeführt haben, befand sich die Leistungsfähigkeit unserer Probanden auch etwa der gleichen Höhe. Somit bestätigten sich die Aussagen der Diagramme. (Quelle: Internet) Eine unserer Fragen war auch wann und wie wir am aufmerksamsten sind und somit am effektievsten lernen können. Auch dies lässt sich mit Hilfe der circadianen Rhythmik zeigen. Unsere Leistungsbereitschaft ist um etwa 10 Uhr am größten, jeweils zwei Stunden davor und danach aber auch noch sehr groß. Danach fällt sie relativ tief und erreicht um etwa 14 Uhr den niedrigsten Stand während eines Schultages. Bis 17 Uhr steigt sie wieder an. Auf unseren Schulalltag bezogen heißt das: von der ersten Stunde, die um 8:30 Uhr beginnt, steigt unsere Leistungsbereitschaft, bis sie am Ende der zweiten Stunde (9:20 Uhr bis 10:05 Uhr) ihren höchsten Punkt bei 132% erreicht. In der dritten Stunde (10:10-10:55 Uhr) fällt unsere Konzentration und Aufmerksamkeit immer weiter und auch in der Frühstückspause (10:55-11:10 Uhr) und der vierten Stunde (11:15-12:00) bleibt dies so. Dennoch ist sie in dieser Zeit als hoch eingestuft. Nach der Mittagspause, für uns meist die fünfte Stunde, also 12:05-12:50 Uhr, ist unsere Leistungsbereitschaft nur noch mittel und läuft auf das Mittags-Tief zu. Dieses wird dann bei nur noch etwa 100% Leistung um etwa 14:00 Uhr erreicht. Es liegt also schulisch gesehen ungünstig, in unserer siebten Unterrichtsstunde (13:35-14:20 Uhr). Für die letzten Beiden, beziehungsweise drei Unterrichtsstunden (14:25-15:10 Uhr;15:15-16:00 Uhr und 16:05-16:50 Uhr) steigt unsere Leistung noch einmal ein wenig an. Man sollte also darauf achten, dass beispielsweise Tests oder Arbeiten im besten Falle in der zweiten oder dritten Stunde geschrieben werden, um eine möglichst hohe Aufmerksamkeit und Konzentrationsfähigkeit, und somit auch eine bessere Leistung der Schüler zu garantieren. 11

12 Diese Anpassung ist schulisch nicht immer möglich. Auch für die Durchführung unserer Tests war es schwierig Zeitpunkte zu finden, da man sie vor der Schule und in den Mittagspausen unterbringen musste, welche, was erschwerend hinzukam, nicht immer zur gleichen Zeit stattfindet. Auch war anfangs geplant nach Unterrichtsschluss noch Probanden zu testen. Dies erwies sich jedoch im Laufe der Zeit als äußerst schlecht durchführbar wegen verschiedener Endzeiten und fehlenden Freiwilligen. Das war auch eines der größten Probleme: Mitschüler zu finden, die gewillt waren, Teile ihrer Mittagspause zu opfern und gegebenenfalls früher zur Schule zu kommen, um an unseren Tests teilzunehmen. Insbesondere der am Smartphone durchgeführte Quatember Maly Test erschien den Probanden sehr langwierig. Eine Verbesserung wäre es ihn interessanter zu gestalten oder nach attraktiveren Testmöglichkeiten zu suchen. Doch auch dies brachte uns zu einer weiteren Erkenntnis die auf die Schule und den Unterricht angewendet werden kann: Jugendliche in dieser Zeit sind oft mit einem Smartphone in der Hand anzutreffen und beschäftigen sich gerne mit diesem. Doch obwohl der Quatember Maly Test an einem Smartphone durchgeführt wurde, gefiel er den meisten Schülern nicht. Selbst etwas normalerweise positives kann also unter bestimmten Voraussetzungen negativ werden. Bezieht man dies auf den Unterricht so kann man sagen, dass selbst spannende Themen die Schüler normalerweise interessant finden, durch falsche Unterrichtsmethoden langweilig gemacht werden können. Wird ein Thema über einen verhältnismäßig langen Zeitraum so monoton und eintönig vermittelt, wie es der Quatember Maly Test ist, so finden Schüler nicht viel Freude daran und lernen den Stoff folglich auch schwerer. Wird der Unterricht hingegen spannend, abwechslungsreich und farbenfroh gestaltet, wie der Stroop Test, so ist das für die Schüler deutlich attraktiver. Ein weiteres Problem bestand in der Findung eines geeigneten, für Schüler unserer Jahrgangsstufe zugänglichen, Ort. Aus diesem Grund mussten wir öfters an Orten testen wo Ruhe und Ungestörtheit nicht immer garantiert war. Selbstverständlich kann man unsere Versuche noch verbessern. In einer zweiten Versuchsreihe könnte man weitere Aufmerksamkeits- aber auch Geschicklichkeitstests an den Probanden durchführen. Des weiteren sollte man für noch genauere und aussagekräftigere Ergebnisse mehr Testpersonen haben und diese über einen noch längeren Zeitraum öfter testen. Optimal wäre es die Probanden zu noch anderen Uhrzeiten zu testen, allerdings scheint dies im Augenblick, aufgrund verschiedener Stundenpläne, kaum durchführbar. Für weitere Tests und bessere Ergebnisse wäre es nötig einen Ort an der Schule zu finden der wirklich ruhig und ungestört ist. Das Hauptproblem aber sind bei dieser Art von Test, wie wir feststellen mussten, die Probanden. Sie wollten oftmals nicht mehr Zeit in ihrer Pause benutzen oder ein wenig früher in der Schule sein um sich testen zu lassen. Für eine weitere 12

13 Testreihe wären daher also klare Abmachungen mit den Testpersonen nützlich, wo sie sich freiwillig verpflichten auch mehrmals an den Tests zu den festgeschriebenen Uhrzeiten teilzunehmen. Proband beim lösen des Stroop Tests Proband während des Quatember Maly Tests 5. Zusammenfassung Die Ergebnisse im Rahmen von Tests (Quartember Maly und Stropp Test) haben gezeigt, dass zu den Testzeiten morgens ( Uhr) und Mittags ( Uhr) nur geringe Unterschiede bei den Ergebnissen zu verzeichnen waren. Dies deckt sich mit unseren Recherchen zum Thema Circadiane Rhythmik und Höhe des dies beieinflussenden Melatoninspiegels. 6. Danksagung Wir denken allen Schülerinnen und Schülern der Klassen S3, S4 und S5, die uns als Probanden unterstützt haben ganz besonders. Stephan Plendl unser Biologielehrer, hat uns während des gesamten Projekts vor allem bei der Planung unterstützt und hat uns viele Fragen beantwortet. Ursula Stoff hat uns einmal vom Deutschunterricht befreit um an diesem Projekt zu arbeiten 13

14 7. Quellen G. Schuhfried.Schuhfried.VIGIL Vigilanz. 15/02/2017;16/02/2017 Boshomi.Wikipedia-Stroop Effekt. 15/02/2017;16/02/2017 Jochen Mai.karriere bibel.stroop-effekt: Chaos im Hirn enttarnt Spione. Biosphäre Neurobiologie, Cornelsen 2016, Joachim Becker 14