Kognitive Belastungen beim Lesen im Internet

Medizin am Abend Berlin Fazit: Was Pupillengröße und Hirnströme verraten können

Seit Jahren thematisieren Experten die Auswirkungen des Internets auf unser tägliches Leben, auf unsere Art zu denken und unser Gehirn. Der allgegenwärtige Zugriff auf die verschiedensten hypermedialen Informationsangebote im Web bietet Vorteile. Andererseits: Leiden wir nicht zunehmend unter der Last der Informationsüberflutung? Wird unser Leseverhalten nicht zwangsläufig immer oberflächlicher?
In einer aktuellen Studie haben Wissenschaftler des Leibniz-Instituts für Wissensmedien (IWM) mit einer neuartigen Methode der kombinierten Hirnstrom- und Blickbewegungsmessung versucht, der kognitiven Belastung beim Lesen von hypermedialen Informationsangeboten besser auf die Spur zu kommen. 

Es ist nicht nur die schiere Menge an Informationen, die beim Lesen in den umfangreichen Hypertexten im Internet Probleme bereitet, gutes digitales Lesen, z. B. in der Wikipedia, setzt zusätzlich auch mehr Eigenaktivitäten voraus als das Lesen in Büchern.

Digitales Lesen verlangt z. B. permanente Überlegungen zur Auswahl von Links, zur Einschätzung ihrer Relevanz und Qualität, aber auch zur Herstellung von inhaltlichen Zusammenhängen zwischen den vernetzten Informationsangeboten.

Was passiert bei derartigen Leseprozessen im Kopf? Wie stark werden wir tatsächlich kognitiv durch sie belastet?

Und vor allem: Wie lässt sich diese Belastung möglichst objektiv erfassen? Zu derartigen Fragen führten Wissenschaftler der Arbeitsgruppe Multimodale Interaktion des IWM unterschiedliche Studien durch. Diese sollten vor allem Belastungen des sogenannten Arbeitsgedächtnisses beim Hypertextlesen nachweisen, jener "Zentrale" im Gehirn, in der neue Informationen mit bekanntem Wissen verknüpft und verarbeitet werden.

Das Arbeitsgedächtnis ist beim Lesen ohnehin schon gefordert, z. B. um einen Text zu verstehen und dabei eigene Schlussfolgerungen zu ziehen. Hypertexte könnten hier eine zusätzliche Belastungsquelle darstellen: Erreicht der Leser einen Hyperlink, so muss er sich entscheiden, ob er diesem folgen soll oder nicht. Dieser Entscheidungsprozess findet im Arbeitsgedächtnis statt.

• Stößt man beim Lesen auf einen Hyperlink, so könnte dies jeweils zu einer besonders hohen kognitiven Belastung führen. 

Um dies nachzuweisen, nutzen Dr. Christian Scharinger, Dr. Yvonne Kammerer und Prof. Dr. Peter Gerjets vom IWM eine innovative Methode in ihrer experimentellen Forschung: Die kombinierte Erhebung von Blickbewegungsdaten und Frequenzenergiedaten des Elektroenzephalogramms (EEG). Die Größe der Pupille sowie die Energie der Hirnströme in bestimmten Frequenzbereichen des EEG zeigen dabei das Ausmaß an kognitiver Belastung an, wie zuvor in einer Arbeitsgedächtnis-Studie mit Laboraufgaben gezeigt werden konnte.

Erstmalig wurde diese Methode nun auf eine freie Lesesituation mit (simulierten) Hyperlinks übertragen. Mit Hilfe der Blickbewegungsmessung konnte für jeden Zeitpunkt bestimmt werden, ob Textbereiche mit bzw. ohne Hyperlinks gelesen wurden.

Auf diese Weise lässt sich vergleichen, ob sich die Größe der Pupille sowie die Energie der Hirnströme in Abhängigkeit davon unterscheiden, ob ein gerade gelesener Satz Hyperlinks enthält oder nicht. 

"Wie vermutet, zeigte sich beim Lesen von Sätzen mit Hyperlinks, dass die an dieser Stelle auftretenden Entscheidungsprozesse im Vergleich zu reinem Lesen tatsächlich zu erhöhter kognitiver Belastung führten,“ so Dr. Christian Scharinger, der die Studie federführend betreut hat. Dies war sowohl in der Energieveränderung der Hirnströme im EEG als auch in einer Vergrößerung der Pupille erkennbar. Die mit dem digitalen Lesen verbundenen kognitiven Anforderungen lassen sich damit bis auf die Ebene von Gehirnprozessen nachweisen.

In zukünftigen Studien möchte die Gruppe um Prof. Gerjets die Methode der kombinierten EEG-Blickbewegungs-Analyse nutzen, um kognitive Belastungen auch bei echten Hypertexten aus dem Internet (z. B. Wikipedia-Artikel) zu analysieren, aber auch um multimediale Lernangebote zu erforschen, die eine Verknüpfung von Text- und Bildinformationen im Arbeitsgedächtnis erfordern.

Ergebnisse dieser Studien könnten dazu beitragen, Hypertexte und multimediale Lernmaterialien möglichst nutzerfreundlich und effektiv zu gestalten, indem unnötige Belastungen des Arbeitsgedächtnisses vermieden werden.

Mehr Informationen:

Link zur Arbeitsgedächtnis-Studie mit Laboraufgaben:

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/psyp.12500/abstract

Link zur Hypertext-Studie: http://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0130608


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Prof. Dr. Peter Gerjets, Leibniz-Institut für Wissensmedien, Schleichstraße 6, 72076 Tübingen, Tel.: 07071/ 979-219, E-Mail: p.gerjets@iwm-tuebingen.de


Das Leibniz-Institut für Wissensmedien
Das Leibniz-Institut für Wissensmedien (IWM) in Tübingen erforscht das Lehren und Lernen mit digitalen Technologien. Rund 80 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus Kognitions-, Verhaltens- und Sozialwissenschaften arbeiten multidisziplinär an Forschungsfragen zum individuellen und kooperativen Wissenserwerb in medialen Umgebungen. Seit 2009 unterhält das IWM gemeinsam mit der Universität Tübingen Deutschlands ersten Leibniz-WissenschaftsCampus zum Thema „Bildung in Informationsumwelten“. Internetadresse: www.iwm-tuebingen.de.

Dr. Evamarie Blattner
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Die Leibniz-Gemeinschaft
Die Leibniz-Gemeinschaft verbindet 88 selbständige Forschungseinrichtungen. Ihre Ausrichtung reicht von den Natur-, Ingenieur- und Umweltwissenschaften über die Wirtschafts-, Raum- und Sozialwissenschaften bis zu den Geisteswissenschaften. Leibniz-Institute widmen sich gesellschaftlich, ökonomisch und ökologisch relevanten Fragen. Sie betreiben erkenntnis- und anwendungsorientierte Forschung, auch in den übergreifenden Leibniz-Forschungsverbünden, sind oder unterhalten wissenschaftliche Infrastrukturen und bieten forschungsbasierte Dienstleistungen an. Die Leibniz-Gemeinschaft setzt Schwerpunkte im Wissenstransfer, vor allem mit den Leibniz-Forschungsmuseen. Sie berät und informiert Politik, Wissenschaft, Wirtschaft und Öffentlichkeit. Leibniz-Einrichtungen pflegen enge Kooperationen mit den Hochschulen u.a. in Form der Leibniz-WissenschaftsCampi, mit der Industrie und anderen Partnern im In- und Ausland. Sie unterliegen einem transparenten und unabhängigen Begutachtungsverfahren. Aufgrund ihrer gesamtstaatlichen Bedeutung fördern Bund und Länder die Institute der Leibniz-Gemeinschaft gemeinsam. Die Leibniz-Institute beschäftigen rund 18.100 Personen, darunter 9.200 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler. Der Gesamtetat der Institute liegt bei mehr als 1,6 Milliarden Euro. www.leibniz-gemeinschaft.de

360°-TOP: Marathon und Ultramarathon Lauf - Gesundheitsschädlich?

Medizin am Abend Berlin Fazit:  Ultramarathon: neue Erkenntnisse zur Belastungssituation von Extremsportlern

Nicht zuletzt die Teilnehmer des alljährlichen Ulmer Einstein-Marathons dürften aufatmen: Extreme Laufbelastungen führen bei durchtrainierten Sportlerinnen und Sportlern zu keinen dauerhaften Schädigungen am Hirn und den Gelenken. Vielmehr zeigte der Knorpel der Fuß- und Sprunggelenke auch während des Laufens ein erstaunliches Regenerationspotential. So lauten die jetzt publizierten Ergebnisse der wissenschaftlichen Begleitforschung zum Transeuropa-Lauf von 2009, der seinerzeit von einem Mediziner- und Forscherteam um Dr. Uwe Schütz aus der Klinik für Diagnostische und Interventionelle Radiologie am Universitätsklinikum Ulm mit einem mobilen Kernspingerät (MRT) begleitet wurde. 
 
Dr. Schütz (links) und Dr. Billich im Jahre 2009 vor dem mobilen MRT-Gerät Foto: Universitätsklinikum Ulm
 
Auf diese Weise konnten einmalige Daten von den teilnehmenden Extremsportlern gewonnen werden, die tiefe Einblicke in die Auswirkungen eines Ultramarathons auf den menschlichen Körper geben.

Wohlgemerkt: Der Vergleich zwischen einem Marathonlauf (42,2 Kilometer) und einem Ultramarathon (in diesem Fall 4.487,7 Kilometer) hinkt zugegebenermaßen, doch die Erkenntnis, dass extremes Laufen überhaupt zu signifikanten Veränderungen im Bereich der grauen Hirnsubstanz führen kann, dürfte wohl ganz besonders intensiv trainierenden Sportfreunden zumindest ein kurzes Stirnrunzeln abringen …

• „Die Auswertung der MRT-Aufnahmen zeigte, dass das Volumen der grauen Hirnsubstanz am Ende der gut zwei Monate dauernden Extrembelastung im Durchschnitt um 6,1 Prozent zurückgegangen war. 

Dabei waren einige Hirnbereiche mehr und andere weniger betroffen“, erläutert Projektleiter Dr. Uwe Schütz. Doch der Wissenschaftler kann beruhigen:

„Nach acht Monaten zeigten erneute MRT-Aufnahmen, dass sich die Hirnsignale der Ultraathleten wieder vollkommen erholt hatten.“

• Zum Vergleich: Im Verlauf natürlicher Alterungsprozesse kommt es durchschnittlich zu einem Rückgang der grauen Hirnsubstanz um 0,2 Prozent pro Jahr. 

Mediziner sprechen in diesem Fall von einer Atrophie des Gehirns, die unumkehrbar ist. 

„Und das ist der große Unterschied zu den Teilnehmerinnen und Teilnehmern des Transeuropa-Laufs“, bilanziert Dr. Schütz.

Es konnten bei den durchtrainierten Extremsportlern keine dauerhaften Hirnschädigungen festgestellt werden. Das beobachtete Phänomen der vorübergehenden Hirnvolumenreduktion kann nach Meinung von Hirnforschern vor allem dadurch erklärt werden, dass durch das ultralaufbedingte überdurchschnittlich hohe Energiedefizit, mit weitgehendem Aufbrauch relevanter Fettreserven des Körpers, auch das Gehirn versucht Energie einzusparen, und daher die während eines solchen wochenlangen Transkontinentallaufes weniger benötigten Hirnareale vorübergehend „abschaltet“.

Lückenlose Dokumentation
Das eigentliche Hauptaugenmerk der Forschung lag auf den Auswirkungen auf die Gelenke der 67 Sportlerinnen und Sportler, von denen 45 die Strecke von der süditalienischen Hafenstadt Bari bis zum Nordkap schafften. Aus wissenschaftlicher Sicht wertvoll war die besondere Möglichkeit, die gesamten Veränderungsprozesse in den Körpern lückenlos feststellen zu können. Normalerweise beschränken sich sportmedizinische Studien nämlich auf einen Vorher-Nachher-Befund.

Störungen im Knorpel
Alle drei bis vier Tage untersuchten die Ulmer Wissenschaftler die Teilnehmer aus zwölf Nationen, die täglich zwischen 44 und 95 Kilometern laufend zurücklegten. „Die MRT-Aufnahmen, die wir in unserem eigens mitgeführten Lkw anfertigten, zeigten schnell, dass die Gelenke auf die Strapazen signifikant reagierten“, erläutert Projektleiter Schütz.

„Es kam auf den ersten 1.500 Kilometern in allen Gelenken zu einer Zunahme der sogenannten T2-gewichteten Signale, darunter ist ein Marker zu verstehen, der eine Störung im Knorpel anzeigt“, so Dr. Schütz weiter. 

Von dieser Beobachtung nimmt er lediglich die Kniescheibe aus, da dieses Teilgelenk des Kniegelenkes beim Laufen auf der Ebene keine relevante Belastung erfährt.

Was bedeutet die T2-Zunahme? Die Forscher gehen davon aus, dass aufgrund der Extrembelastung der Verlauf der oberflächlichen Kollagenfasern gestört wurde und durch teilweise Zerstörung von Knorpelmatrixproteinen der Wassergehalt des Knorpels zugenommen hatte.

„Im Bereich des Sprunggelenks konnten wir einen T2-Anstieg um 20,9 Prozent, im Knöchel um 25,6 Prozent und im Bereich des Mittelfußes um 26,3 Prozent feststellen“, sagt Schütz. Spitzenreiter sei ein Bereich des Kniegelenks (Femorotibialgelenk) mit Werten bis zu 44 Prozent gewesen.

Gelenke erholten sich noch während des Extremlaufs

• Je mehr Kilometer jedoch im Verlauf des „Transeuropa-Laufs“ zurückgelegt wurden, umso mehr erholte sich der Gelenkknorpel, was eine neue und erstaunliche Beobachtung ist.

 Lediglich im Kniegelenk blieben die Werte erhöht. „Wir hatten eigentlich erwartet, dass die Fußgelenke auf Dauer anfälliger sind, denn ihre Gelenkfläche ist kleiner, damit ist auch die Belastung pro Flächeneinheit größer“, führt Studienleiter Schütz aus. 

Darüber hinaus sei interessant, dass sich der Durchmesser der Achillesferse vergrößert habe.

Knöcherne Strukturen insgesamt seien durch die enormen Belastungen tendenziell nicht in Mitleidenschaft gezogen worden, auch wenn es bei zwei Läufern zu Ermüdungsbrüchen im späteren Rennverlauf kam.

Weitere Information:
Der „Transeuropa-Lauf“ fand vom 19. April bis 21. Juni 2009 statt und führte über 4.487,7 Kilometer von Bari bis zum Nordkap. Das Forschungsprojekt der Ulmer Wissenschaftler wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) mit 200.000 Euro gefördert. Das mobile MRT-Gerät inklusive eines separaten Stromaggregats wurde auf einem Sattelzug mit einem Gesamtgewicht von 37 Tonnen durch ganz Europa transportiert. Die Ulmer Wissenschaftler fertigten nicht nur MRT-Aufnahmen an, sondern nahmen täglich Messungen der Temperatur und Hautfaltendicke vor. Hinzu kam die Entnahme von Urin- und Blutproben.

Die Klinik für Diagnostische und Interventionelle Radiologie (Ärztlicher Direktor Prof. Dr. Meinrad Beer) bietet mit ihren drei Standorten auf dem Oberen Eselsberg, dem Michelsberg und in Günzburg ein sehr breites Spektrum an modernen und schonenden Bildgebungsverfahren sowie minimal-invasiven Therapieverfahren an. Neben dem klassischen Röntgen gehören unter anderem CT sowie MRT, Sonographie, Mammographie und Angiographie zum Leistungsangebot.


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Jörg Portius
Universitätsklinikum Ulm
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360° Zika - Viren: In Europa und Deutschland? Mückenart Aedes aegypti: Olympia 2016 in Brasilien

Medizin am Abend Berlin Fazit:  Zika-Viren: Könnten sie bald auch in Europa und Deutschland auftauchen?

In Südamerika, vor allem in Brasilien, breiten sich derzeit die Zika-Viren rasant aus, übertragen von der Mückenart Aedes aegypti. Die Viren stehen im Verdacht, bei Schwangeren das Ungeborene zu schädigen und eine Fehlbildung des Gehirns auszulösen. Einen Impfstoff gibt es bisher nicht; Programme zur Vernichtung der Mücken sind angelaufen. Können die Viren bald auch nach Europa gelangen und wie riskant sind die kommenden Olympischen Spiele in Rio de Janeiro? Ein Experte am Deutschen Zentrum für Infektionsforschung (DZIF), Prof. Dr. Jan Felix Drexler, Universität Bonn, bewertet die Situation und plädiert für mehr Forschung und weniger Panikmache.

Wie groß ist die Gefahr, dass das Zika-Virus bald auch in Europa und dann in Deutschland auftaucht und sich dort ausbreitet?


DZIF-Professor J.-F. Drexler (c) Universität Bonn

J.F. Drexler: Es gibt bereits importierte Fälle in Europa und es wird auch zukünftig Menschen geben, die das Virus nach Europa und Deutschland bringen. Aber die Wahrscheinlichkeit, dass das Virus hier über Mücken weiterverbreitet wird, ist extrem gering.

Die Überträger-Moskitos in Südamerika (Aedes aegypti) gibt es bei uns nicht.

• Ob die Asiatische Tigermücke (Aedes albopictus), die auch in Deutschland vorkommt, das Zika-Virus überträgt, ist noch nicht geklärt. In jedem Fall reicht ihre Häufigkeit nicht aus, um das Zika-Virus in Deutschland anzusiedeln.

Können Schwangere derzeit nach Südamerika reisen? Wie wahrscheinlich ist der Zusammenhang zwischen Zika-Viren und den Fehlbildungen der Neugeborenen?

J.F.Drexler: Der Zusammenhang von Zika-Viren-Infektionen von Schwangeren und einer direkten Schädigung des Ungeborenen ist derzeit noch nicht gesichert. Viele Aspekte sind noch unverstanden. Das Zika-Virus ist seit langer Zeit bekannt und hat in früheren Ausbrüchen keine bemerkenswerten Raten von „Mikrozephalie“ ausgelöst.

Mikrozephalie ist die beobachtete Gehirnveränderung, die jetzt in Zusammenhang mit Zika-Viren mehrfach beobachtet wurde.

Wenn man mündlichen Schilderungen von brasilianischen Kollegen glauben darf, sind nicht alle Bevölkerungsschichten von der Mikrozephalie betroffen. Man sollte daher die Schwangeren informieren, aber wir denken, dass das Risiko, sich bei einer Reise mit Zika-Viren zu infizieren und dann in der Folge ein krankes Kind zu bekommen, gering ist. Nichtsdestotrotz ist die mögliche Schädigung von Ungeborenen ein besonderer Aspekt, der Forschung auf diesem Gebiet notwendig macht.

• Müssen besondere Vorkehrungen für die kommenden Olympischen Sommerspiele im August in Brasilien getroffen werden?

J.F.Drexler: Wir vermuten, dass sich das Problem bis dahin wieder etwas eingrenzen wird. 

• Anders als beim Dengue-Virus kann sich der Mensch nur einmal im Leben mit Zika-Viren infizieren und ist danach immun. 

• Derzeit sieht es so aus, dass wir eine Phase der massiven Virusausbreitung erleben werden, die dann aber eine Bevölkerungsimmunität hinterlässt und dazu führt, dass sich die Epidemie von selbst eindämmt. Man sollte dabei auch nicht vergessen, dass das Zika-Virus kein besonders virulenter Erreger ist. Die Symptome sind nicht lebensbedrohlich.

Wird bereits an Zika-Viren in Deutschland geforscht?

J.F. Drexler: Wir arbeiten in Bonn bereits an Testsystemen und auch an anderen DZIF-Standorten arbeiten Wissenschaftler zum Zika-Virus, so zum Beispiel in Hamburg. Zu den wichtigsten Zielen sollte sicher die Entwicklung eines Impfstoffs gehören. Im DZIF sind wir für diese Forschung zu neu auftretenden Infektionskrankheiten sehr gut aufgestellt.

Hintergrund

Zika-Viren

Das Zika-Virus verursacht Fieber, Hautausschlag, Gelenkschmerzen und Bindehautentzündungen. Bei Schwangeren kann das Virus auf das Ungeborene übertragen werden. Forscher vermuten einen Zusammenhang zwischen der Virusinfektion und Fehlbildungen des Gehirns beim Baby:

In Brasilien wurden seit Oktober mehr als 3500 Fälle von Babys oder Föten mit Mikrozephalie, einem zu kleinen Kopf, registriert. Viele dieser Fälle sind aber noch nicht vollständig untersucht, und nur bei ganz wenigen wurde eine Zika-Infektion bestätigt.

Das Virus wird nach derzeitigem Kenntnisstand von der Mückenart Aedes aegypti übertragen – eine Mückenart, die in Deutschland nicht vorkommt. Die in Deutschland seltene Art Aedes albopictus könnte theoretisch das Virus übertragen – die Häufigkeit dieser Insekten in Deutschland ist allerdings so gering, dass Experten eine Ansiedlung des Virus für äußerst unwahrscheinlich halten.

• Das Virus wurde erstmals vor knapp 40 Jahren in Uganda beschrieben. Es wird vermutet, dass es 2014 mit den vielen Reisenden zur Fußball-WM nach Brasilien gelangt ist.

Viren-Forschung im DZIF

Am DZIF wurden mit dem Schwerpunkt „Neu auftretende Infektionskrankheiten“ beste Voraussetzungen geschaffen, um bei Ausbrüchen neuer Viren schnell Diagnostika und Impfstoffe zu entwickeln und eine weitere Ausbreitung zu verhindern. Die Bonner Forscher um Christian Drosten konnten bereits den weltweit verwendeten Standardtest zum Nachweis des MERS-Erregers entwickeln. DZIF-Wissenschaftler in Marburg und Hamburg sind beteiligt an der Ebola-Forschung.

Weitere Informationen zum Zika-Virus gibt das Robert-Koch-Institut:

http://www.rki.de/DE/Content/InfAZ/Z/Zikaviren/Zikaviren.html

 
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Prof. Jan Felix Drexler
DZIF-Schwerpunkt „Neu auftretende Infektionskrankheiten“
Universität Bonn
T +49-228-287-11697
E-Mail: drexler@virology-bonn.de

DZIF
Karola Neubert und Janna Schmidt
T 0531/6181-1170 und -1154

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Weitere Informationen für international Medizin am Abend Berlin Beteiligte

http://www.dzif.de