Arbeitsgedächtnistraining

von Torkel Klingberg, M.D., Ph.D.

Das Arbeitsgedächtnis besitzt eine Schlüsselfunktion und ist für das Lösen von vielen kognitiven Aufgaben von grosser Bedeutung. Es hängt stark mit dem präfrontalen Kortex des Gehirns zusammen. Defizite des Arbeitsgedächtnisses treten bei einigen Störungen auf, bei denen auch der präfrontale Kortex beeinträchtigt ist. Dazu gehören Schlaganfälle, traumatische Gehirnverletzungen und ADHS. Wir konnten zeigen, dass ein systematisches Training das Arbeitsgedächtnis verbessern kann.

Anhand des Trainings können die Aufmerksamkeitsspanne, die Fähigkeit zur Impulshemmung sowie das komplexe Schlussfolgern verbessert werden. Studien mittels bildgebenden Verfahren konnten zeigen, dass das Training die Gehirntätigkeiten im präfrontalen Kortex erhöhen.

Das Arbeitsgedächtnis besitzt eine Schlüsselfunktion, welche für viele kognitive Tätigkeiten von grosser Bedeutung ist
Das Arbeitsgedächtnis ist die Fähigkeit Informationen, während eines kurzen Zeitabschnitts, gewöhnlich einige Sekunden, im Gedächtnis zu behalten. Die Kapazität des Arbeitsgedächtnisses wird in der Testsituation gemessen, indem die Anzahl Ziffern ermittelt wird, die sich eine Versuchsperson nach einmaligem Hören merken kann. Im Alltag benötigen wir das Arbeitsgedächtnis, um uns an Pläne oder Anweisungen zu erinnern, beim Lösen von Problemen sowie beim kontrollieren der Aufmerksamkeit (z.B., sich erinnern, was man beachten muss).

Defizite im Arbeitsgedächtnis werden häufig als „Unaufmerksamkeitsprobleme“ wahrgenommen. Betroffene haben z.B. Mühe, einen Text konzentriert zu lesen, oder `Erinnerungsprobleme’, wie beispielsweise, wenn man von einem Zimmer in das andere geht und dabei vergisst, was man eigentlich tun wollte. Bei Kindern zeigt sich das Problem häufig darin, das sie sich nicht mehr erinnern was als nächstes zu tun ist. Dadurch fällt es ihnen enorm schwer, eine Tätigkeit wie geplant zu beenden.

Seit Jahrzehnten wird die Neurologie des Arbeitsgedächtnisses untersucht. Studien, sowohl mit Menschen als auch mit Tieren, konnten zeigen, dass der präfrontale Kortex sowie der Haushalt des Neurotransmitters Dopamin für eine optimale Leistung des Arbeitsgedächtnisses sehr bedeutsam sind. Weitere wichtige Strukturen sind der parietale Kortex und die Basalganglien.

Defizite des Arbeitsgedächtnisses treten unter verschiedenen Bedingungen auf
Zu Beeinträchtigungen des Arbeitsgedächtnisses kommt es, sobald die Funktionen des frontalen Lappens oder des dopaminergen Systems gestört sind. Ein Schlaganfall oder eine traumatische Gehirnverletzung, welche den frontalen Lappen beeinträchtigt, ist mit Arbeitsgedächtnisdefiziten verbunden (Robertson und Murre, 1999). In diesen Fällen führen die Defizite des Arbeitsgedächtnisses zu Aufmerksamkeitsproblemen und zu Planungsschwierigkeiten. Beim Aufmerksamkeitsdefizitsyndrom mit Hyperaktivität (ADHS) liegen sowohl Funktionsstörungen im frontalen Lappen als auch Beeinträchtigungen im dopaminergen System vor. Infolgedessen muss auch mit Defiziten im Arbeitsgedächtnis gerechnet werden. Mit Störungen des Arbeitsgedächtnisses einher, gehen fast immer schulische Lernstörung. Die Lernstörung kann in diesem Fall nicht auf mangelnde Lerngelegenheiten, eine allgemeine Intelligenzschwäche, körperliche- oder emotionale Störungen zurückgeführt werden, sondern ist eine grundlegende Störung in spezifischen neurobiologischen Prozessen. Die Autoren (Gathercole und Pickering, 2000) konnten zeigen, dass Lernstörungen direkt mit Defiziten des Arbeitsgedächtnisses zusammenhängen.

ADHS ist eine weit verbreitete und ernst zu nehmende Störung
ADHS ist eine Störung, welche massive Probleme bezüglich der Aufmerksamkeit, der Impulsivität und der Hyperaktivität mit sich bringt. 3-5% der Kinder zwischen 6-16 Jahren sind von ADHS betroffen. Sie ist somit eine der am meisten verbreiteten neuropsychiatrische Störung (Socialstyrelsen, 2002). Allein in Schweden sind ungefähr 40.000 Kinder, zwischen 6-16 Jahren, betroffen. Bei ungefähr der Hälfte der Betroffenen nimmt die Hyperaktivität nach der Pubertät ab, die Aufmerksamkeitsprobleme persistieren jedoch und führen häufig zu schulischem und beruflichem Versagen (Socialstyrelsen, 2002). Die genetische Komponente bezüglich des ADHS wird mit einer Erblichkeitswahrscheinlichkeit um 70% eingeschätzt. Anhand anatomischer Studien konnte gezeigt werden, dass der frontale Lappen sowie die Basalganglien bei Kindern mit ADHS kleiner sind als bei Kindern ohne Diagnose.

Defizite des Arbeitsgedächtnisses sind von zentraler Bedeutung für die Erklärung von sowohl Verhaltens- als auch kognitiven Problemen der ADHS- Betroffenen (Barkley, 1997; Castellanos und Tannock, 2002; Rapport et al., 2000; Westerberg et al., 2004). Westerberg et al. (2004) verglichen Aufgaben zum Arbeitsgedächtnis mit anderen Aufgaben und konnten nachweisen, dass Kinder mit ADHS bei den Aufgaben zum Arbeitsgedächtnis deutlich mehr Mühe bekundeten als bei den anderen Aufgaben.

Kann das Arbeitsgedächtnis verbessert werden?
Torkel Klingberg (MD, PhD) erforscht seit etlichen Jahren am Karolinska Institut und an der Stanford Universität die neuronalen Grundlagen des Arbeitsgedächtnisses und deren Defizite bei Kindern. Seit jeher wurde angenommen, dass die Kapazität des Arbeitsgedächtnisses eine fixe Eigenschaft des Individuums ist. Torkel Klingberg hat jedoch vor kurzem zusammen mit Helena Westerberg und weiteren Mitarbeitern der Abteilung für Neuropädiatrie am Astrid Lindgren Krankenhaus für Kinder (KI) begonnen Methoden zur Verbesserung des Arbeitsgedächtnisses zu entwickeln. Befunde aus der Tierforschung bezüglich der Mechanismen der durch Training verursachten Plastizität, beeinflussten die Methodenentwicklung (Buonomano und Merzenich, 1998). Um die technischen Probleme zu lösen und um das Training interessanter zu gestalten wurden professionelle Spielentwickler unter Vertrag genommen. Die Entwicklung wurde gemeinsam mit Jonas Beckeman und David Sjölander vollzogen. Das Training besteht aus bestimmten Aufgaben zum Arbeitsgedächtnis, die am Computer durchgeführt werden. Der Schwierigkeitsgrad der jeweiligen Übung wird entsprechend einem spezifischen Algorithmus angepasst. Während 30-45 Minuten täglich, führen die Kinder eine festgelegte Anzahl von Aufgaben durch. Dies an fünf Tagen pro Woche während fünf Wochen. Während des Trainings wird die Leistung gespeichert und kann für spätere Analysen verwendet werden. Das Programm heisst RoboMemo und wurde von Cogmed Medical Systems AB entwickelt.

Die erste Trainingsstudie mit ADHS: viel versprechende Resultate
In der ersten doppelblinden, Placebo kontrollierten Studie über die klinischen Effekte des Trainings, wurden Kinder im Alter von 7-13 Jahre mit ADHS untersucht. Die Resultate wurden im September 2002 veröffentlicht (Klingberg et al., 2002). Verglichen wurden zwei Gruppen: eine Behandlungsgruppe und eine Kontrollgruppe. In der Behandlungsgruppe übten die Kinder Aufgaben zum Arbeitsgedächtnis, deren Schwierigkeitsgrad an die momentane Kapazität des Arbeitsgedächtnisses angepasst wurde. Mit dieser adaptiven Vorgehensweise wurde versucht die Trainingseffekte zu optimieren. In der Vergleichsgruppe wurden die gleichen Aufgaben verwendet. Die Anzahl der zu erinnernden Elemente wurde jedoch kaum erhöht, um so den Trainingseffekt möglichst gering zu halten. Die Forscher verwendeten zwei ähnliche Trainingsversionen um möglichst viele unspezifische Effekte des Trainingsverfahrens zu kontrollieren. Auf diese Weise konnten sie die Verbesserung des Arbeitsgedächtnisses möglichst genau abschätzen. Beide Gruppen wurden vor und nach dem Training neuropsychologisch getestet. Als die Resultate der beiden Gruppen verglichen wurden, konnte aufzeigt werden, dass sich die Behandlungsgruppe gegenüber der Kontrollgruppe in den Aufgaben signifikant stärker verbessern konnten. Zudem konnten sich die Kinder der Behandlungsgruppe auch in Aufgaben, welche die Impulshemmung messen, verbessern. Ein erfreuliches Resultat, da die Impulshemmung eine grosse Schwierigkeit für Kinder mit ADHS darstellt. Etwas unerwartet ist das Ergebnis, dass sich die Kinder der Behandlungsgruppe auch bei der Aufgabe zum „logischen Schlussfolgern/Denken“ verbessert haben. Diese Aufgaben korrelieren stark mit dem IQ.

Die zweite Trainingsstudie mit ADHS: Der Nachweis mit einem klinikübergreifenden Versuch
Ein bedeutsamer Schwachpunkt der ersten Studie ist sicher die niedrige Anzahl der untersuchten Versuchspersonen (N = 7 in der Behandlungs- und in der Kontrollgruppe). Weitere Mängel sind, dass keine ADHS Symptome erhoben wurden, dass nur eine Klinik an der Untersuchung beteiligt war und dass es keine Nacherhebung der Gruppen gab, um den Umfang und die Aufrechterhaltung der Trainingseffekte abzuschätzen. Infolgedessen wurde eine zweite Studie an vier schwedischen Kliniken durchgeführt, um die Effekte eines Arbeitsgedächtnistraining anhand eines randomisierten, doppelblinden und kontrollierten Designs, zu evaluieren (Klingberg et al., 2003). In dieser klinikübergreifenden Studie wurden, genau wie in der ersten Studie, zwei ähnliche Versionen desselben Trainingsprogramm miteinander verglichen. Des Weiteren wurden die exekutiven Funktionen (Arbeitsgedächtnis, Impulshemmung und logisches Denken) der Versuchspersonen gemessen. Ausserdem schätzten die Eltern und die Lehrpersonen die ADHS Symptome vor, direkt nach dem Training und 3 Monate nach der Studie, ein. Die Resultate waren sehr deutlich. Es zeigte sich ein signifikanter Behandlungseffekt für die nicht trainierten Aufgaben, welche das visuell-räumliche und das verbale Arbeitsgedächtnis, die Impulshemmung und das logische Denken messen. Drei Monate nach der Intervention, konnte durchschnittlich immer noch mehr als 90% des Trainingeffektes in den Aufgaben zum Arbeitsgedächtnis festgestellt werden. Die Elterneinschätzungen zeigten eine signifikante Reduktion bei den Symptomen der Unaufmerksamkeit und der Hyperaktivität/ Impulsivität. Dies sowohl direkt nach dem Training sowie bei der Nachbefragung. Kombinierte Einschätzungen von Lehrpersonen und Eltern zeigten eine signifikante Reduktion der Symptome bezüglich der Unaufmerksamkeit direkt nach der Intervention (1 SD tiefer, 0.9 SD bei der Nachbefragung). Nur 40% der Probanden, die vor der Intervention die Kriterien für ADHS (Typ Unaufmerksamkeit) erfüllten, taten dies noch nach dem Training.

Diese Resultate bestätigten somit die Ergebnisse der ersten Studie. Zudem zeigten die Autoren, dass sehr bedeutsame Symptome des ADHS reduziert werden konnten. Die Resultate wurden für eine Publikation im ‚Journal of the American Association for Child and Adolescent Psychiatry’ angenommen (Klingberg et al., in Druck).

Training des Arbeitsgedächtnisses nach einem Schlaganfall
Nach einem Schlaganfall und/oder einer traumatischen Gehirnverletzung ist häufig auch das Arbeitsgedächtnis betroffen (Robertson und Murre, 1999). Oftmals werden die Defizite von den Betroffenen als Aufmerksamkeits- und Planungsprobleme wahrgenommen. Eine der Hauptgründe, warum Betroffene nach einem Schlaganfall nicht mehr in der Lage sind an ihren Arbeitsplatz zurückzukehren sind ihre kognitiven Probleme. Mittlerweilen gibt es eine Vielzahl an Therapien um Probleme des Bewegungsapparates und der Sprache anzugehen. Eine zufrieden stellende Behandlung der kognitiven Probleme gibt es jedoch zurzeit noch nicht.

Wir wollten deshalb prüfen, ob ein Training des Arbeitsgedächtnisses Personen helfen könnte, welche einen Schlaganfall erlitten hatten (Westerberg et al., 2003). In der Studie wurden achtzehn Personen, im Alter von 34-65 Jahre untersucht. Alle hatten, 1-3 Jahre vor der Studie, einen Schlaganfall erlitten. Die Versuchspersonen wurden zufällig in eine Behandlungsgruppe und eine Kontrollgruppe eingeteilt. Beide Gruppen wurden zweimal, mit einem Fünfwochenabstand, anhand von neuropsychologischen Tests geprüft. Zusätzlich füllten sie einen Fragebogen aus, wo sie ihre kognitiven Probleme im Alltag einschätzten.

Als die Resultate der beiden Gruppen verglichen wurden, konnte gezeigt werden, dass sich die Behandlungsgruppe bezüglich einigen neuropsychologischen Aufgaben, welche das Arbeitsgedächtnis und die Aufmerksamkeit gemessen haben, signifikant verbesserte. Zudem bemerkten die Versuchspersonen der Behandlungsgruppe eine bedeutende Verbesserung bezüglich ihrer kognitiven Probleme. Die Reduktion der Probleme korrelierte mit der Leistungsverbesserung in den neuropsychologischen Aufgaben.

Obwohl der Umfang der Studie eher klein ist und eine Wiederholung erfordert, sind diese Resultate von klinischer und wissenschaftlicher Bedeutung. Offensichtlich scheint das Arbeitsgedächtnistraining eine nützliche Methode in der Rehabilitation von Patienten mit Schlaganfällen zu sein. Zudem wird deutlich, dass nicht nur Kinder davon profitieren, sondern dass das Training von Arbeitsgedächtnisfunktionen zu einem lebenslangen Grundprinzip werden könnte.

Aufgrund der Studienerfahrungen und einigen zusätzlichen Fällen wurde ein spezifisches Trainingsprogramm für Patienten, die einen Schlaganfall erlitten, in Zusammenarbeit mit der Schlaganfallklinik am Danderyd Spital entwickelt.

Konstante Verbesserungen
Ein Teil der gegenwärtigen Forschung beschäftigt sich mit der Beziehung zwischen Lernstörungen und Defiziten des Arbeitsgedächtnisses. Erste Daten suggerieren, dass das Arbeitsgedächtnistraining das Leseverständnis verbessert, wie auch die Fähigkeit mathematische Problemstellungen zu lösen (Die Untersuchungen wurden an der nordischem Konferenz über Dyslexie dargestellt, 2005).

Die Trainingsmethode wird laufend verbessert. Dies geschieht, indem wir Effekte von Veränderungen des gegenwärtigen Trainingsprogramms auswerten. Zudem erweitern wir die vorliegende Datenbank fortlaufend mit allen Daten aus Studien und klinischen Arbeiten. Die Analyse der Datenbank ermöglicht es uns, unser Wissen um effektivere Lernstrategien von Kindern und Erwachsenen zu vertiefen.

Torkel Klingberg ist professor an der Neuropädiatrischen Abteilung des Karolinska Instituts in Stockholm. Er gehört zu den Mitbegründern des Cogmed Systems AB und steht Cogmed als Berater in Forschungs- und Entwicklungsfragen zur Verfügung.

Referenzen
Barkley RA (1997), Behavioral inhibition, sustained attention, and executive functions: constructing a unifying theory of ADHD. Psychol Bull 121:65-94
Buonomano DV, Merzenich MM (1998), Cortical plasticity: from synapses to maps. Ann Rev Neurosci 21:149-186
Castellanos FX, Tannock R (2002), Neuroscience of attention-deficit/hyperactivity disorder: the search for endophenotypes. Nat Rev Neurosci 3:617-628
Gathercole, SE, Pickering, SJ (2000) Working memory deficits in children with low achievement in the national curriculum at 7 years of age. Br J Educ Psychol. Jun;70 ( Pt 2):177-94.
Klingberg T, Fernell E, Olesen P, Johnson M, Gustafsson P, Dahlström K, Gillberg CG, Forssberg H, Westerberg H (2005), Computerized Training of Working Memory in Children with ADHD – a Randomized, Controlled, Trial. J American Academy of Child and Adolescent Psychiatry 44 (2):177-186.
Klingberg T, Forssberg H, Westerberg H (2002), Training of working memory in children with ADHD. J Clin Exp Neuropsych 24:781-791
Olesen P, Westerberg H, Klingberg T (2004), Increased prefrontal and parietal brain activity after training of working memory. Nature Neurosci 7:75-79
Rapport MD, Chung KM, Shore G, Denney CB, Isaacs P (2000), Upgrading the science and technology of assessment and diagnosis: laboratory and clinic-based assessment of children with ADHD. J Clin Child Psych 29:555-568
Robertson I, Murre J (1999), Rehabilitation of brain damage: Brain plasticity and principles of guided recovery. Psychol Bull 125:544-575
Socialstyrelsen (2002), ADHD hos barn och vuxna.
Westerberg H, Jacobaeus H, Hirvikoski T, Clevberger P, Ostensson J, Bartfai A, Forssberg H, Klingberg T (2003), Computerized working memory training – a method of cognitive rehabilitation after stroke. Proceeding from the Conference on Stroke Injury, Stockholm, 2003
Westerberg H, Hirvikoski T, Forssberg H, Klingberg T (2004), Visuo-spatial working memory: a sensitive measurement of cognitive deficits in ADHD. Child Neuropsychology 10 (3) 155-61.