Was uns das Gehirn über Dyskalkulie verrät Dr. Karin Kucian Zentrum für MR-Forschung Universitäts-Kinderkliniken Zürich, Schweiz Was läuft im Kopf von Menschen mit Dyskalkulie ab? Sieht das Gehirn von Dyskalkulikern anders aus? Aktivieren Dyskalkuliker andere Gehirnregionen während des Rechnens? Unterscheiden sich die Gehirne in Bezug auf die Verbindungen? Entwickelt sich das Gehirn von Dyskalkulikern anders? Kann ich das Gehirn eines Dyskalkulikers positiv beeinflussen? Sehe ich im Gehirn, ob jemand Dyskalkulie hat oder nicht?
Was läuft im Kopf von Dyskalkulikern ab? Ursache Gehirn Zahlensinn ist schwach vererblich mit 32% Genetik Tosto et al. (2014): Zwillingspaare 837 eineiige 1422 zweieiige Interindividuelle Unterschiede eher durch andere Einflussfaktoren erklärbar mit 68% Dyskalkulie Umgebung Neuronale Entwicklung Was läuft im Kopf von Dyskalkulikern ab?
Was läuft im Kopf von Menschen mit Dyskalkulie ab? Sieht das Gehirn von Dyskalkulikern anders aus? Aktivieren Dyskalkuliker andere Gehirnregionen während des Rechnens? Unterscheiden sich die Gehirne in Bezug auf die Verbindungen? Entwickelt sich das Gehirn von Dyskalkulikern anders? Kann ich das Gehirn eines Dyskalkulikers positiv beeinflussen? Sehe ich im Gehirn, ob jemand Dyskalkulie hat oder nicht? Hirnstruktur GS WS CSF Beruht auf strukturellen Aufnahmen. Statistische Separation: Graue Substanz Weisse Substanz Zerebrospinalflüssigkeit Gruppenvergleich zur Bestimmung morphometrischer Unterschiede
Hirnstruktur Graue Substanz Geringeres Volumen der grauen Substanz bei Dyskalkulikern: Gyrus frontalis medius, bilateral Gyrus frontalis inferior, links Anteriores Cingulum, bilateral IPS, rechts Rotzer & Kucian et al. (2008) Hirnstruktur Volumenunterschiede der grauen Substanz im rechten Parietallappen: neuronales Korrelat zum Rechnen Volumenunterschiede in frontalen Bereichen: Beeinträchtigung des Arbeitsgedächtnisses und der Aufmerksamkeitsleistung negativer Einfluss auf die Entwicklung rechenspezifischer Fähigkeiten (Entwicklung des mentalen Zahlenstrahls) Rotzer & Kucian et al. (2008)
Was läuft im Kopf von Menschen mit Dyskalkulie ab? Sieht das Gehirn von Dyskalkulikern anders aus? Aktivieren Dyskalkuliker andere Gehirnregionen während des Rechnens? Unterscheiden sich die Gehirne in Bezug auf die Verbindungen? Entwickelt sich das Gehirn von Dyskalkulikern anders? Kann ich das Gehirn eines Dyskalkulikers positiv beeinflussen? Sehe ich im Gehirn, ob jemand Dyskalkulie hat oder nicht? Hirnfunktion Dyskalkuliker zeigen oft erhöhte Aktivität in unterstützenden Arealen. Dyskalkuliker zeigen oft reduzierte Aktivität in zentralen Regionen für Zahlenverarbeitung und Rechnen.
Hirnaktivität Nicht-symbolischer Distanzeffekt Kucian et al. (2011) NSF Non-symbolic far distance NSC Non-symbolic close distance Price et al. (2007) Was läuft im Kopf von Menschen mit Dyskalkulie ab? Sieht das Gehirn von Dyskalkulikern anders aus? Aktivieren Dyskalkuliker andere Gehirnregionen während des Rechnens? Unterscheiden sich die Gehirne in Bezug auf die Verbindungen? Entwickelt sich das Gehirn von Dyskalkulikern anders? Kann ich das Gehirn eines Dyskalkulikers positiv beeinflussen? Sehe ich im Gehirn, ob jemand Dyskalkulie hat oder nicht?
Faserverbindungen Faserverbindungen A superior longitudinaler Fasciculus nahe IPS B superior longitudinaler Fasciculus C superior longitudinaler Fasciculus posterior SLF anterior SLF inferior SLF Kucian et al. (2013)
Unterschiede im SLF Kinder mit Dyskalkulie zeigen Unterschiede im SLF, einer Faserverbindung, welche parietale, temporale und frontale Areale verbindet. Unterschiede eher erklärbar durch schlechtere Isolation (Myelinisierung) der Fasern, als durch Reifungsunterschiede. Ein rascher und exakter Austausch zwischen dem Frontal- und Parietallappen ist wichtig für viele höhere kognitive Fähigkeiten. Was läuft im Kopf von Menschen mit Dyskalkulie ab? Sieht das Gehirn von Dyskalkulikern anders aus? Aktivieren Dyskalkuliker andere Gehirnregionen während des Rechnens? Unterscheiden sich die Gehirne in Bezug auf die Verbindungen? Entwickelt sich das Gehirn von Dyskalkulikern anders? Kann ich das Gehirn eines Dyskalkulikers positiv beeinflussen? Sehe ich im Gehirn, ob jemand Dyskalkulie hat oder nicht?
Longitudinale fmri-studie 17 DD 11 TD baseline 4.2 Jahre follow-up fmri data sets 14 DD 11 TD 13 DD 8 TD Alter baseline Alter follow-up Dyskalkuliker Mean (SD) 9.6 (0.8) 13.8 (1.0) Kontrollen Mean (SD) 9.1 (0.9) 13.5 (0.9) P-Wert Geschlecht m/f 3/14 6/5 Longitudinale fmri-studie Allgemeine kognitive Fähigkeiten und Komormiditäten Baseline p-wert Follow-up p-wert Intelligenz HAWIK-III Total.000 HAWIK-IV Total.000 Working memory Aufmerksamkeit Lesen Corsi (supp) Corsi (supp) HAWIK-IV (Zahlen nachsprechen) TAP Alertness TAP GoNoGo SLRT-II Words SLRT-II Pseudowords.039 Gruppen unterscheiden sich im IQ Keine Unterschiede bezüglich Komorbiditäten
Longitudinale fmri-studie Numerische Fähigkeiten Zahlenverarbeitung Baseline p-wert Follow-up p-wert ZAREKI-R HAWIK-III (Arithmetik) Zahlenstrahl 1-100 1-1000 Kontext Arithmetik ACC Addition ACC Subtraktion.000.004 nur Followup.011.015 BASIS MATH KFT Mengenvergleich Effekt Gruppe Effekt Zeit.000.000 Interaktion Gruppe x Zeit.002.000.032.001.000 persistente Defizite in numerischen und arithmetischen Fähigkeiten in DD Paradigma 2 x 4 Blöcke: Reihenfolge: Sind die Zahlen in einer Reihenfolge? Kontrollaufgabe: Ist die Zahl 2 vorhanden?
Longitudinale fmri-studie Developmental increase in DD (baseline vs. follow-up; p < 0.005, cluster-extent corrected) bilateral IPS, left IFG, left Parahippocampal Gyrus, Bilateral Insula, left Thalamus Longitudinale fmri-studie Kontrollkinder Kein Unterschied Bereits entwickeltes neuronales System im Alter von 9 Jahren um diese Aufgabe zu lösen. Dyskalkuliker Zunahme Aktivität in rechenspezifischen Arealen Entwicklung numerischer Areale Aber weniger präzis atypische Entwicklung Zunahme Aktivität in unterstützenden Arealen Höhere kognitive Belastung stabil über Zeit (Aufmerksamkeit / Arbeitsgedächtnis) Kompensation: unterschiedliche Strategien
Was läuft im Kopf von Menschen mit Dyskalkulie ab? Sieht das Gehirn von Dyskalkulikern anders aus? Aktivieren Dyskalkuliker andere Gehirnregionen während des Rechnens? Unterscheiden sich die Gehirne in Bezug auf die Verbindungen? Entwickelt sich das Gehirn von Dyskalkulikern anders? Kann ich das Gehirn eines Dyskalkulikers positiv beeinflussen? Sehe ich im Gehirn, ob jemand Dyskalkulie hat oder nicht? Trainingseffekte Computerbasiertes Zahlenstrahltraining Rette Calcularis Dyskalkuliker & Kontrollkinder 5 Wochen, 5 x pro Woche, 20 min
Trainingseffekte Verhalten * p <.05 ** p <.01 Zahlenstrahltest Addition & Subtraktion Kucian et al. (2011) Trainingseffekte Gehirn Gehirnaktivität: Reduzierte Aktivität Nach dem Training benötigt die Verarbeitung der Aufgabe weniger Unterstützung exekutiver Funktionen, Arbeitsgedächtnis und Aufmerksamkeitsleistung Kucian et al. (2011) Erhöhte Aktivität Zunahme der parietalen Aktivität nach einer 5-wöchigen Konsolidierungsphase.
Was läuft im Kopf von Menschen mit Dyskalkulie ab? Sieht das Gehirn von Dyskalkulikern anders aus? Aktivieren Dyskalkuliker andere Gehirnregionen während des Rechnens? Unterscheiden sich die Gehirne in Bezug auf die Verbindungen? Entwickelt sich das Gehirn von Dyskalkulikern anders? Kann ich das Gehirn eines Dyskalkulikers positiv beeinflussen? Sehe ich im Gehirn, ob jemand Dyskalkulie hat oder nicht? Diagnose anhand von Gehirnaktivität Kontrollen Dyskalkuliker Dinkel et al. (2013)
Diagnose anhand von Gehirnaktivität Diagnose Dyskalkulie Support Vector Analyse Hirnaktivität Cluster Analyse Gesamtes Gehirn ROIs Dinkel et al. (2013) Diagnose anhand von Gehirnaktivität Diagnose Dyskalkulie Support Vector Analyse Hirnaktivität Cluster Analyse Gesamtes Gehirn ROIs 53% 84% Dinkel et al. (2013)
Diagnose anhand von Gehirnaktivität Diagnose Dyskalkulie Support Vector Analyse Hirnaktivität Cluster Analyse Gesamtes Gehirn ROIs 53% 84% Dinkel et al. (2013) Diagnose anhand von Gehirnaktivität Diagnose Dyskalkulie Support Vector Analyse Hirnaktivität Cluster Analyse Gesamtes Gehirn ROIs 53% 84% Dinkel et al. (2013)
Diagnose anhand von Gehirnaktivität Es gibt Unterschiede in der Hirnaktivität, aber evtl. basierend auf gemeinsamen Kompensationsmechanismen Dyskalkulie hat äusserst heterogenes Erscheinungsbild, auf Verhaltens- wie auch neuronaler Ebene Diagnose basierend auf fmri Daten schwierig und deutlich schlechter als spezifische Verhaltenstests Was läuft im Kopf von Menschen mit Dyskalkulie ab? Ja, strukturelle Unterschiede in der grauen Substanz. Nicht andere Areale, aber unterschiedlich stark. Ja, Unterschiede in Faserverbindungen. Ja, Zunahme der Gehirnaktivität feststellbar. Ja, neuroplastische Veränderungen durch gezieltes Training induzierbar. Schwierig bei heutigem Stand der Technik. Sieht das Gehirn von Dyskalkulikern anders aus? Aktivieren Dyskalkuliker andere Gehirnregionen während des Rechnens? Unterscheiden sich die Gehirne in Bezug auf die Verbindungen? Entwickelt sich das Gehirn von Dyskalkulikern anders? Kann ich das Gehirn eines Dyskalkulikers positiv beeinflussen? Sehe ich im Gehirn, ob jemand Dyskalkulie hat oder nicht?
Was verrät uns nun das Gehirn über Dyskalkulie? Es gibt uns Aufschluss über mögliche Ursachen der Dyskalkulie auf neuronaler Ebene. Es ermöglicht uns Einsichten in neuronale Komensationstrategien, obwohl auf Verhaltensebene die Dyskalkuliker vielleicht keine Unterschiede zeigen. Es zeigt uns wie bestimmte Entwicklungsschritte mit oder ohne gezieltes Training stattfinden. Der Einblick ins Gehirn ist aber heute noch zu ungenau um eine klare Diagnose stellen zu können. Universitäts-Kinderspital Zürich Dr. Ruth O Gorman Prof. Ernst Martin Prof. Michael von Aster Dr. Karin Kucian Dr. Stephanie Rotzer Ursina Grond Claudia Schönmann Barbara Henzi Fabienne Plangger Simone Schwizer-Ashkenazi Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! karin.kucian@kispi.uzh.ch http://www.kispi.unizh.ch/mrz