c't 11/2017
S. 48
News
Forschung

Hirn-Synchronizität im Unterricht

Über ein solches mobiles EEG-Headset haben Neurowissenschaftler die Gehirnströme von Schülern im realen Unterricht erfasst.

Schulunterricht ist oft produktiv – aber häufig reicht bereits ein einziger Störer, um eine ganze Klasse aus dem Lern-Gleichgewicht zu bringen. Besser funktioniert Lernen im Klassenverbund, wenn alle – Schüler und Lehrer – auf der gleichen „Wellenlänge“ schwimmen. Ein internationales Team von Neurowissenschaftlern hat jetzt nachgewiesen, dass das Engagement von Schülern im Unterricht und damit auch der Lernerfolg tatsächlich stark mit der Synchronizität von Gehirnströmen innerhalb einer Klassengemeinschaft korreliert.

Die Wissenschaftler begleiteten dazu in New York eine Gruppe von zwölf High-School-Schülern im Alter von 17 und 18 Jahren sowie ihre Lehrer über drei Monate und erfassten deren Hirnaktivität im Biologieunterricht mithilfe mobiler EEG-Technik. An insgesamt elf Tagen trugen die Probanden jeweils für 50 Minuten ein kabelloses 14-Kanal-EEG-Headset. Aufgezeichnet wurden die Signale während unterschiedlicher Unterrichtsformen: lautes Vorlesen durch den Lehrer, Abspielen eines Videos, Fachvortrag, Gruppendiskussion.

Das Ergebnis: Je stärker die Hirnströme eines Schülers mit denen in der Klasse insgesamt übereinstimmten, desto wahrscheinlicher gab der Schüler eine positive Bewertung für den Unterricht ab. Und je größer die Synchronizität zwischen einzelnen Schülern und ihren Mitschülern war, umso größer war auch die Wahrscheinlichkeit, dass sie den Lehrstil des Lehrers positiv beurteilten. Die Wissenschaftler fanden zudem heraus, dass Schüler, die sich einander näherstanden und direkt vor dem Unterricht persönlich miteinander zu tun hatten, während des Unterrichts eine stärkere Hirn-Synchronizität aufwiesen.

„Wie stark unsere Gehirnströme mit denen einer anderen Person synchronisiert sind, scheint ein guter Prädiktor dafür zu sein, wie gut wir miteinander auskommen und wie stark wir uns engagieren“, erläutert Neurowissenschaftlerin Suzanne Dikker. Die im Fachjournal Current Biology veröffentlichte Studie „Brain-to-Brain Synchrony Tracks Real-World Dynamic Group Interactions in the Classroom“ kann über den Link abgerufen werden. (pmz@ct.de)

Blick aus dem Weltall: Viel Licht, mehr Reichtum

Man kennt die Aufnahmen: Satelliten fotografieren nachts die Erde und zeigen so unter anderem auf, wo die Lichtverschmutzung auf dem Globus am größten ist. Politikwissenschaftler der Universität Konstanz nutzen solche Satellitenbilder inzwischen, um daraus auch Prognosen über die Verteilung von Wohlstand insbesondere in Entwicklungsländern abzuleiten – heruntergebrochen bis auf kleine geografische Einheiten wie zum Beispiel Dörfer oder einzelne Ansiedlungen.

Dazu bedienen sich die Wissenschaftler aus zwei öffentlich zugänglichen Datenquellen: Zum einen nutzen sie Nachtlicht-Daten des „Defense Meteorological Satellite Program“ (DMSP), einem Wettersatellitenprogramm der US-Streitkräfte. Diese Datensätze umfassen jeweils einjährige Beobachtungszeiträume, was eventuelle Verfälschungen etwa durch Wolken oder Waldbrände weitgehend ausschließt. Verknüpft werden die Nachtlicht-Daten mit georeferenzierten Umfragen aus den sogenannten „Demographic and Health Surveys“ (DHS), die bislang für rund 100 Schwellen- und Entwicklungsländer erstellt wurden.

Das Ergebnis ist laut den Wissenschaftlern eindeutig: Mehr Licht korreliert mit mehr Wohlstand. Der Zusammenhang zwischen Wohlstand und Nachtlichtern sei in den meisten der untersuchten Länder „sehr stark“, erklärt Dr. Sebastian Schutte von der Uni Konstanz. „Wir können zum Beispiel mit sehr hoher Genauigkeit vorhersagen, in welcher Rangordnung befragte Haushalte zueinander stehen.“ Sei bekannt, wo in einem Land sich diese Haushalte befinden, lasse sich die Methode auch für Regionen außerhalb der untersuchten Stichprobe einsetzen.

Interessant sind die gewonnenen Informationen unter anderem für die Friedensforschung: Je genauer die Datenlage, erklärt die Uni Konstanz, desto präziser könne beispielsweise geschätzt werden, inwieweit Wohlstand und Wohlstandsunterschiede Konfliktrisiken beeinflussen, oder wie hoch der wirtschaftliche Schaden durch Gewalt in einer bestimmten Region ist. Die Ergebnisse der Wissenschaftler sind in einer Sonderausgabe des „Journal of Peace Research“ zum Thema „Prognose in der Friedensforschung“ erschienen. (pmz@ct.de)

Internet aus der Stratosphäre

Das solarelektrische Ultraleichtflugzeug Elektra-2 (hier beim Erstflug) soll in der Stratosphäre kreisen, um einzelne Erdregionen mit Internet zu versorgen. Bild: DLR

Gleich mehrere Unternehmen wie Airbus, OneWeb, SpaceX und Google arbeiten derzeit daran, Hunderte von Kleinsatelliten in Serie zu konstruieren, die in den kommenden Jahren auf niedrigen Erdumlaufbahnen positioniert werden sollen, um den gesamten Globus mit schnellem Internet aus dem All zu versorgen. Andere Firmen konzentrieren sich auf den Bau sogenannter fliegender Höhenplattformen, die einige Etagen tiefer in der Stratosphäre unterwegs sind, die eines Tages aber ebenfalls einzelne Erdregionen mit Breitband-Internet versorgen sollen.

Bei diesen fliegenden Stratosphären-Plattformen handelt es sich in der Regel um Leichtbauflugzeuge, die mit Solarstrom betrieben werden, ein autonomes Steuerungssystem an Bord haben, Höhen von 20 bis 25 Kilometer erreichen und dort ihre Kreise ziehen. Mit dem Motorsegler Elektra-2 hat Anfang Mai jetzt das bislang größte solarelektrische Ultraleichtflugzeug seinen Erstflug erfolgreich absolviert, das künftig als eine solche fliegende Höhenplattform dienen soll. Elektra-2 weist eine Flügelspannweite von 25 Meter auf, hat ein Eigengewicht von 420 Kilogramm und soll später autonom bis zu 100 Kilogramm Nutzlast in über 20 Kilometer Höhe transportieren.

Gebaut wurde Elektra-2 von der bayerischen Firma Elektra-Solar, einer Ausgründung des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR), das auch für die autonome Flugsteuerung des Motorseglers verantwortlich zeichnet. Firmenangaben zufolge werden zunächst jedoch Flüge mit einem Piloten an Bord und bis zu 50 Kilogramm Nutzlast anvisiert. Bei den Forschungsexperimenten wird der Pilot von der autonomen Steuerung unterstützt und soll die Mission nur noch überwachen. Die nächste Version der Elektra-2, die sich bereits im Aufbau befindet, soll dann ganz ohne Piloten längere Missionen in der Stratosphäre fliegen. (pmz@ct.de)

Nanoskopie auf dem Chip

Physiker der Uni Bielefeld und der norwegischen Universität Tromsø haben einen photonischen Wellenleiter-Chip entwickelt, der die sogenannte Nanoskopie (eine sehr hoch auflösende Lichtmikroskopie) auch mit herkömmlichen Mikroskopen ermöglicht. Bei der Nanoskopie, für deren Erfindung der deutsche Biophysiker Stefan W. Hell im Jahr 2014 gemeinsam mit zwei US-Forschern den Chemie-Nobelpreis verliehen bekam, lassen sich die Positionen einzelner fluoreszierender Moleküle mit einer Genauigkeit von wenigen Nanometern bestimmen. Aus den Informationen können dann Bilder mit einer Auflösung von etwa 20 bis 30 Nanometern berechnet werden – zehn Mal schärfer als bei der herkömmlichen Lichtmikroskopie.

Beim neuen „Nanoskopie auf dem Chip“-Verfahren werden die Proben nicht auf einem durchsichtigen Objektträger platziert, sondern direkt auf dem optischen Chip, der mehrere Wellenleiter zur Fluoreszenz-Anregung der Moleküle enthält. Spezielle Interferenzmuster sorgen außerdem für Variationen bei den Fluoreszenzintensitäten. Das Signal wird senkrecht dazu mit einem Objektiv und einer Kamera erfasst. Die gewonnenen Daten lassen sich schließlich als super-aufgelöste Bilder rekonstruieren.

Während die etablierte Nanoskopie lediglich in der Lage sei, Bruchteile von Zellen bis hin zu wenigen Zellen simultan sichtbar zu machen, ließen sich mit den neuen photonischen Chips nun mehr als 50 Zellen super-aufgelöst in einer Aufnahme abbilden, erklärt die Universität Bielefeld. Ihre zum Patent angemeldete Technik haben die Wissenschaftler unter dem Titel „Chip-based wide field-of-view nanoscopy“ im Fachmagazin Nature Photonics veröffentlicht. (pmz@ct.de)

Kommentieren