Das menschliche Gehirn ist ein Wunderwerk der Natur, ein komplexes Organ, das uns zu dem macht, was wir sind. Es ist der Sitz unseres Bewusstseins, unserer Intelligenz, unserer Emotionen und unserer Erinnerungen. Ein Schlüsselaspekt seiner Komplexität ist die schiere Anzahl der darin enthaltenen Zellen.
Die schiere Anzahl der Nervenzellen
Das menschliche Gehirn enthält schätzungsweise 100 Milliarden Nervenzellen, auch Neuronen genannt. Diese Neuronen sind die grundlegenden Informationseinheiten des Gehirns. Sie kommunizieren miteinander über elektrische und chemische Signale und bilden so ein riesiges Netzwerk, das unsere Gedanken, Gefühle und Handlungen steuert. Jedes Neuron besitzt im Durchschnitt 10.000 Synapsen, was zu einer Gesamtzahl von 1 bis 10 Trillionen Synapsen im menschlichen Gehirn führt. Diese unvorstellbar große Zahl verdeutlicht die immense Komplexität des neuronalen Netzwerks.
Die Rolle der Gliazellen
Neben den Neuronen enthält das Gehirn auch eine Vielzahl anderer Zellen, die sogenannten Gliazellen. Lange Zeit ging man davon aus, dass Gliazellen lediglich eine unterstützende Funktion für die Neuronen haben. Neuere Forschungsergebnisse deuten jedoch darauf hin, dass sie eine viel aktivere Rolle bei der Informationsverarbeitung spielen.
Gliazellen machen mehr als die Hälfte der Zellen im menschlichen Gehirn aus. Die häufigsten Gliazellen sind Astrozyten, die die Neuronen mit Nährstoffen versorgen, einen Teil der Blut-Hirn-Schranke bilden, die Synapsen regulieren und die Abwehrzellen unterstützen. Ein kleiner Anteil der Astrozyten ist sogar in der Lage, Nervenzellen und andere Arten von Gehirnzellen hervorzubringen. Diese speziellen Astrozyten werden daher auch als Hirnstammzellen bezeichnet.
Die Großhirnrinde: Zentrum höherer Funktionen
Besonders auffällig ist die zum Endhirn gehörende Großhirnrinde, auch Kortex genannt. Sie ist im Laufe der Evolution so stark gewachsen, dass sie fast das gesamte Gehirn umgibt. Die Großhirnrinde ist der Sitz vieler höherer geistiger Fähigkeiten wie Gedächtnis, Denken und Sprechen. Sie ist nur etwa zwei Millimeter dünn, aber bereits beim pränatalen Wachstum zu zahlreichen Wülsten und Furchen aufgefaltet. Auf jedem Quadratmillimeter ihrer Substanz befinden sich 40.000 bis 60.000 Nervenzellen, von denen jede mit zehn- bis zwanzigtausend anderen verbunden ist.
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Die Plastizität des Gehirns: Lernen und Anpassung
Bis vor wenigen Jahren galt unter Wissenschaftlern als ausgemacht, dass sich das Gehirn eines Erwachsenen nicht mehr verändert. Heute weiß man jedoch, dass das Gehirn bis ins hohe Alter laufend umgebaut wird. Diese Fähigkeit des Gehirns, sich zu verändern und anzupassen, wird als Plastizität bezeichnet.
Lernen ist ein aktiver Prozess, der die Architektur des Gehirns verändert. Neue Erfahrungen und Eindrücke bauen die Wege zwischen den Nervenzellen aus und lassen neue entstehen. Wenn Neuronen häufig gleichzeitig aktiv sind, verstärken sie auf Dauer ihre Kontaktstellen, die Synapsen, und bilden zusätzlich neue. Auch die weiße Substanz, die aus Axonen besteht, ist sehr wandlungsfähig: Beim Lernen bilden sich neue Nervenbahnen, und bestehende werden stärker mit Myelin überzogen - einer Schicht, die für eine erhöhte Leitungsgeschwindigkeit sorgt.
Die Plastizität des Gehirns ermöglicht es uns, ein Leben lang zu lernen und uns an neue Situationen anzupassen. Sie hilft dem Gehirn auch, Schäden zumindest teilweise zu reparieren. Sterben beispielsweise bei einem Schlaganfall Nervenzellen ab, können benachbarte Hirnregionen die Aufgaben des betroffenen Gebiets zum Teil übernehmen.
Künstliche neuronale Netze im Vergleich
Künstliche neuronale Netze (KNN) sind computerbasierte Modelle, die dem menschlichen Gehirn nachempfunden sind. Sie bestehen aus miteinander verbundenen künstlichen Neuronen, die Informationen aufnehmen, modifizieren und als Ergebnis wieder ausgeben. KNN werden für maschinelles Lernen und künstliche Intelligenz eingesetzt und können diverse Problemstellungen lösen, die für uns Menschen fast unmöglich wären.
Obwohl KNN in bestimmten Bereichen wie der Bild- und Spracherkennung beeindruckende Leistungen erbringen, sind sie in ihrer Komplexität und Flexibilität noch weit vom menschlichen Gehirn entfernt. GPT-3, das Sprachmodell, das ChatGPT zugrunde liegt, basiert beispielsweise auf einem neuronalen Netzwerk mit 175 Milliarden Neuronen. Diese Zahl ist zwar höher als die geschätzte Anzahl der Neuronen im menschlichen Gehirn, jedoch sind die Strukturen bei ChatGPT vor allen Dingen auf Sprache optimiert.
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Ein wesentlicher Unterschied besteht auch darin, dass sich die Struktur des menschlichen Gehirns beim Lernen verändert, während die meisten KNN eine feste Architektur haben. Darüber hinaus verfügen Lebewesen über so etwas wie Schmerz, Überlebenswillen und prüfen intern ihr Gelerntes auf logische Konsistenz, was KNN bisher fehlt.
Intelligenz im Tierreich: Hunde und Katzen
Auch im Tierreich gibt es interessante Unterschiede in der Anzahl der Gehirnzellen und den kognitiven Fähigkeiten. Eine Studie ergab, dass Hunde etwa eine halbe Milliarde kortikale Neuronen besitzen, während die Anzahl bei Katzen deutlich geringer ist. Hunde haben dafür eine hohe soziale Intelligenz: Sie sind in der Lage, menschliche Emotionen zu erkennen und darauf zu reagieren. Katzen hingegen sind für ihre Unabhängigkeit und Selbstständigkeit bekannt und brillieren mit der Fähigkeit, die Hunde während ihrer Domestizierung abgegeben haben.
Stammzellenforschung und regenerative Medizin
Die Forschung an Hirnstammzellen eröffnet neue Perspektiven für die regenerative Medizin. Wissenschaftler haben entdeckt, dass normale Astrozyten im gesunden Gehirn keine Nervenzellen bilden, weil ihr Methylierungsmuster sie daran hindert. Durch gezielte Veränderung des Methylierungsprofils könnten neue Neuronen erzeugt und Nervenerkrankungen behandelt werden.
Studien haben gezeigt, dass Durchblutungsmangel, wie er beispielsweise bei Hirnverletzungen oder Schlaganfällen auftritt, die Anzahl der neugeborenen Nervenzellen steigert. Die Forschenden vermuten, dass der Durchblutungsmangel bewirkt, dass Astrozyten in bestimmten Bereichen des Gehirns die Methylmarkierungen auf ihrer DNA so umverteilen, dass ihr Stammzellen-Programm zugänglich wird. Daraufhin beginnen sich die umprogrammierten Zellen zu teilen und Vorläufer für neue Neuronen zu bilden.
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