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Stress im Unterricht messen – was der Takt des Herzens verrät

Stress ist ein allgegenwärtiges Phänomen in unserem täglichen Leben, das sowohl kurz- als auch langfristige Auswirkungen auf unsere körperliche und psychische Gesundheit haben kann. Während wir unsere Stressreaktionen ursprünglich als überlebenswichtige Reaktion auf Gefahren entwickelten, führen die ständigen Anforderungen des modernen Lebens oft zu chronischem Stress, der mit einer Vielzahl von Gesundheitsproblemen verbunden ist. Ein tiefes Verständnis von Stress und seinen biologischen Grundlagen ist daher entscheidend für eine effektive Bewältigung.

Ein Beitrag von Dr. Niklas Kramer und Prof. Dr. Claas Wegner

Schülerin ist gestresst bei den Hausaufgaben
Viele Schüler:innen fühlen sich in ihrem schulischen Alltag gestresst | © watchwater – Freepik

Gerade im schulischen Kontext ist Stress für viele Jugendliche eine alltägliche Erfahrung. Klassenarbeiten, Leistungsdruck und soziale Dynamiken wirken sich unmittelbar auf das vegetative Nervensystem aus. Besonders nachhaltig lernen Schüler:innen, wenn sie physiologische Prozesse am eigenen Körper erleben und über (medizinische) Messverfahren untersuchen können. Aufgrund der hohen Kosten sind entsprechende professionelle Geräte jedoch häufig nicht in ausreichender Menge an Schulen verfügbar. Die Messung der Herzratenvariabilität stellt eine erschwingliche und zugleich faszinierende Methode dar, die es ermöglicht, Einblicke in das vegetative Nervensystem und den aktuellen Stresszustand des Körpers zu gewinnen.

Was das Herz über Stress verrät

Das Herz ist ein zentrales Organ im menschlichen Körper, dessen Funktion weit über das bloße Pumpen von Blut hinausgeht. Es steht in enger Verbindung mit dem autonomen Nervensystem, zu dem der sympathische (Stress) und parasympathische Zweig (Entspannung) gehören. Diese beiden Teile des Nervensystems regeln die körperliche Reaktion auf Stress und Entspannung und geben Signale an das Herz, um sich im Falle einer Stressreaktion auf eine „Flucht“ vorzubereiten oder zu entspannen.

Neben dem Puls und dem Blutdruck gibt die Herzratenvariabilität (HRV) einen schnellen und genauen Einblick in die Aktivität des vegetativen Nervensystems. Die HRV misst die zeitlichen Schwankungen zwischen den Herzschlägen. Diese Schwankungen sind ein Indikator dafür, wie unser Körper auf Stress reagiert: Je variabler die Herzrate ist, desto besser ist in der Regel auch die Anpassungsfähigkeit des Körpers an Stressoren. Im Vergleich zu subjektiven Stressbewertungsmaßnahmen liefert die HRV objektive und messbare Daten, um den Stresslevel zu beurteilen. Dies erlaubt eine kontinuierliche und verlässliche Analyse über einen längeren Zeitraum und eröffnet zudem experimentelle Möglichkeiten im Biologieunterricht.

Wie lässt sich die HRV messen?

Die präziseste Art, die HRV zu erheben, stellt das Elektrokardiogramm (EKG) dar, da es die elektrischen Impulse des Herzens genau aufzeichnet. Der zeitliche Abstand zwischen den R-Zacken ist exakt bestimmbar. Anhand dieser Daten können verschiedene Parameter wie der RMSSD-Wert (Root Mean Square of Successive Differences; mittlere Abweichung der RR-Intervalle) und der SDNN-Wert (Standard Deviation of Normal-to-Normal intervals) abgeleitet werden, die als wichtige Indikatoren für körperliche Stressreaktionen dienen. Dieser Goldstandard ist in Schulen jedoch aufgrund mangelnder Geräte meist nicht umsetzbar.

Ein weiteres Verfahren stellt die Photoplethysmographie (PPG) dar. PPG-Sensoren, wie sie in vielen tragbaren Geräten (etwa Smartphones, Tablets) verwendet werden, können die Pulswellen kontinuierlich aufzeichnen. Ein typisches PPG-Gerät besteht aus einer LED, die Licht auf die Haut abstrahlt (Taschenlampe beim Smartphone), und einem Fotodetektor (Kamera beim Smartphone), der das reflektierte oder durchgelassene Licht misst. Wenn das Herz Blut durch die Blutgefäße pumpt, ändert sich die Menge des reflektierten Lichts aufgrund der veränderten Blutmenge im Gewebe. Diese Veränderungen werden vom PPG-Sensor erfasst und in ein elektrisches Signal umgewandelt, das die Pulswellenform widerspiegelt. Durch die Analyse der Pulswellen ist es ebenfalls möglich, die Zeitabstände zwischen den Herzschlägen zu erfassen und die HRV zu berechnen.

Obwohl das EKG präzisere Daten liefert, bietet die PPG eine praktikable Lösung für den schulischen Einsatz und wird zum Teil auch für klinische Studien genutzt. Die Erfassung der Daten und die Berechnung der HRV übernehmen kostenlose Apps wie „Varia – Measure Pulse & HRV“. Hierdurch können Schüler:innen mit ihrem Smartphone oder ihrem Tablet Einblicke in den Stresszustand ihres Körpers erhalten.

Herzkurve eines EKGs
Schematische Darstellung einer HRV-Messung anhand eines Elektrokardiogramms (EKG). Die P-Welle zeigt die Erregungsausbreitung in den Vorhöfen; die drei Ausschläge Q, R und S zeigen die Erregung der Herzkammern; die T-Welle zeigt die Erregungsrückbildung der Herzkammern. Bei der HRV wird meist der Abstand zwischen zwei R-Zacken gemessen (RR-Intervall). | © Dr. Niklas Kramer

Hinweise zur Durchführung der HRV-Analyse

Die Messgenauigkeit der HRV über ein PPG-Verfahren hängt stark von der korrekten Handhabung des Geräts ab. Die Schüler:innen sollten daher genau lernen, wie der Finger über die Kamera und die Taschenlampe zu legen ist. Zudem sollte der Finger ganz ruhig auf dem Sensor (also etwa der Kamera) liegen und die Position sollte über den Zeitraum der Messung (ca. 1 Minute) nicht verändert werden. Die meisten Apps geben im Nachgang auch einen Hinweis zur Messgenauigkeit der durchgeführten Untersuchung aus.

Problemorientierter Unterricht

Das Messverfahren lässt sich gewinnbringend in einen problemorientierten und fächerübergreifenden Unterricht zum Thema Stress integrieren. Die hohe Stressbelastung bei Schüler:innen gerade in der Schule bietet einen lebensnahen Einstieg in das Thema rund um das vegetative Nervensystem und mündet in der Problemfrage: Wie lässt sich negativer Stress reduzieren?

Neben der Erarbeitung des biologischen Hintergrunds kann das vorgestellte Messverfahren dazu genutzt werden, um den Stressstatus zu erfassen und gleichzeitig die Effektivität potenzieller Bewältigungsstrategien wie Yoga, Meditation oder Atemtechniken zu untersuchen. Da sich die HRV schnell an äußere Reize anpasst, können die Schüler:innen eigene kleine Studien planen, durchführen und im Anschluss dem Plenum präsentieren.  

Zeichnung eines Smartphones mit Vergrößerung der Kamera und einer Kapillare
Für die Photoplethysmographie (PPG) werden lediglich ein Smartphone und eine entsprechende App benötigt | © Dr. Niklas Kramer

Die Autoren

Dr. Niklas Kramer und Prof. Dr. Claas Wegner vom Osthushenrich-Zentrum für Hochbegabungsforschung an der Fakultät für Biologie (OZHB) an der Universität Bielefeld:

Dr. Niklas Kramer ist wissenschaftlicher Mitarbeiter und beschäftigt sich in seiner Forschung mit fächerübergreifendem Unterricht in der Fächerkombination Biologie und Sport.

Prof. Dr. Claas Wegner ist Professor an der Universität Bielefeld in der Biologiedidaktik – Begabungsforschung und darüber hinaus Leiter des OZHB.

© Headerbild | watchwater – Freepik

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