Kriege, Klimawandel, Stress und Termindruck - die moderne Welt stellt unser Gehirn vor immense Herausforderungen. Der Neurowissenschaftler Paul Goldsmith erklärt, dass unser Gehirn ursprünglich für eine Umwelt konzipiert wurde, die vor Millionen von Jahren existierte. Doch es gibt Wege, unser uraltes Gehirn optimal zu nutzen, um auch in der heutigen komplexen Welt ein glücklicheres und gesünderes Leben zu führen.
Das schrumpfende Gehirn: Ein evolutionärer Vorteil?
Forscher versuchen, ein weiteres Rätsel des Gehirns zu entschlüsseln: Das menschliche Gehirn ist kleiner geworden, verglichen mit unseren Vorfahren, die vor etwa 1,5 Millionen Jahren lebten. Eine aktuelle Studie von Forschern aus den USA legt nahe, dass dies mit der zunehmenden Komplexität unserer Gesellschaft zusammenhängen könnte. Der letzte Wachstumsschub unseres Gehirns liegt etwa 1,5 Millionen Jahre zurück, während die Abnahme der Masse erst vor etwa 3.000 Jahren begann.
Um diese Frage zu beantworten, zogen die Forscher Ameisen zurate. Die Organisation eines Ameisenstaates ähnelt unseren modernen Gesellschaftsstrukturen mit klarer Aufgabenteilung. Ameisen haben im Verhältnis zu ihrer Körpergröße sehr kleine Gehirne, was auf eine Art kollektive Intelligenz hindeutet. Kleinere Gehirne verbrauchen weniger Energie und könnten in solchen Systemen einen evolutionären Vorteil darstellen. Dieser Mechanismus könnte auch beim Menschen im Laufe der Geschichte in Gang gesetzt worden sein.
Die Studienergebnisse legen nahe, dass sich das menschliche Gehirn im Laufe der Menschheitsgeschichte an immer komplexere Gesellschaftsstrukturen, Hierarchien und Arbeitsteilungen angepasst hat. Die Entwicklung von Schrift und Buchdruck könnte ebenfalls dazu beigetragen haben, da sich die Menschen nicht mehr alles merken mussten. Dies könnte ein Argument für weniger energieaufwendige Hirnstrukturen sein. Ältere Untersuchungen deuten darauf hin, dass die Größe des menschlichen Gehirns bereits seit der Eiszeit abnimmt, was entweder auf eine Umstellung der Ernährung oder als Reaktion auf die allgemeine Verringerung der Körpergröße zurückgeführt wird.
Ernährung und Gehirnwachstum: Der Schlüssel zur menschlichen Intelligenz?
Die Gehirne von Menschen sind dreimal so groß wie die anderer Primatenarten. Eine vielfältige, hochwertige Ernährung und eine lange Kindheit mit ausreichend Zeit zum Erlernen komplexer Fähigkeiten zum Nahrungserwerb gelten als wichtige evolutionäre Faktoren für unsere großen Gehirne. Im Gegensatz zu anderen Primaten zeichnet sich die menschliche Ernährung durch eine große Vielfalt an hochwertigen und schwer zu beschaffenden Nahrungsmitteln aus, wie Fleisch, Fisch, Raupen, unterirdische Knollen und Nüsse. Um diese zu sammeln, bedarf es komplexer Fähigkeiten zur Nahrungssuche, die vermutlich schon im frühen Alter entwickelt werden.
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Um besser zu verstehen, wie der Mensch diese Fähigkeiten erlernt, begleitete ein internationales Forscherteam ein Jahr lang 27 Kinder einer modernen Sammlergesellschaft in der Republik Kongo. Die BaYaka beginnen bereits im Alter von fünf Jahren mit der selbstständigen Nahrungssuche in Gruppen von Gleichaltrigen. Die Ergebnisse zeigten eine früh einsetzende Spezialisierung bei der Nahrungssuche: Gruppen mit mehr Jungen ernährten sich eher von Früchten und Samen, während Gruppen mit mehr Mädchen eher Knollen sammelten. Diese frühe geschlechtsspezifische Spezialisierung der Fähigkeiten zur Nahrungssuche in Verbindung mit dem hohen Grad an Nahrungsaustausch in Jäger- und Sammlergesellschaften ermöglicht der menschlichen Spezies wahrscheinlich eine stabilere Energie- und Nährstoffversorgung, die es uns letztlich ermöglicht hat, uns ein wesentlich größeres Gehirn zu leisten als andere Primaten.
Werkzeuggebrauch und die Evolution des Gehirns
Veränderungen des Großhirns könnten frühe Menschen zum präzisen Einsatz von Werkzeugen befähigt und so die biokulturelle Evolution in Gang gesetzt haben, die zum heutigen Wesen des Menschen führte. Ein Forschungsteam der Universität Tübingen nutzte einen neuen Ansatz, um die Hirnströme von Probanden mithilfe der Elektroenzephalografie aufzuzeichnen, während diese Steinwerkzeuge nutzten, wie sie auch bei frühen Menschen zum Einsatz kamen.
Die Forscher untersuchten zwei verschiedene Arten des Werkzeuggebrauchs: das Knacken von Nüssen mit einem Stein als Hammer und das Schneiden von Mustern in Leder mit scharfkantigen Steinabschlägen. Die Aktivitätsmuster im Gehirn der Probanden wurden parallel in einem Elektroenzephalogramm (EEG) aufgezeichnet. Die Ergebnisse zeigten deutlich unterscheidbare Aktivitätsmuster im Gehirn bei den verschiedenen Verhaltensweisen und Stufen des Werkzeuggebrauchs, ähnlich wie bei frühen Menschen. Der Einsatz der Schneidewerkzeuge führte zu deutlich umfangreicheren Hirnaktivitäten als das Nussknacken, was die kognitiven Leistungen hervorhebt, die bei Präzisionsaufgaben benötigt werden.
Neuronenzahl, Zellteilung und die Einzigartigkeit des menschlichen Gehirns
Bedeutet das Mehr an Neuronen im Menschen auch mehr unterschiedliche Eigenschaften, was erklären könnte, weshalb wir so viele Geistesgaben vom Lesen bis zum vorausschauenden Handeln haben? Die Forschung deutet darauf hin, dass mehr Neurone in der Großhirnrinde, wenn sie denn richtig verschaltet sind, die kognitiven Fähigkeiten potentiell erhöhen. Es könnte aber auch sein, dass das menschliche Neuron etwas macht, was das Schimpansenneuron so nicht kann.
Ein spezifischer Unterschied in der Zellteilung der apikalen Stammzellen an im Labor erzeugten Minigehirnen von Schimpansen und Menschen ist eine Verlängerung der Metaphase der Mitose. In dieser wichtigen Phase der Zellkernteilung lässt sich der Mensch fünfzig Prozent mehr Zeit. Eine mögliche Erklärung dafür ist, dass eine langsamere Zellteilung gründlicher ist und die Fehlerrate bei der Verteilung des Erbmaterials sinkt.
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Die mathematische Modellierung der neuronalen Entstehung in verschiedenen Spezies zeigt, dass das Muster der Stammzellteilungen in der Hirnrinde, die bei uns zu den 16 Milliarden Neuronen führt, auch zur geringeren Zahl an Neuronen in der Hirnrinde von Gorilla und Orang-Utan führen würde. Der Unterschied ist, dass bei uns die Entstehung von Nervenzellen ein paar Tage länger läuft, was für die zwei- bis dreifache Neuronenzahl in der menschlichen Großhirnrinde sorgt. Neben der Mutation in ARGHAP11B ist es also die Verlängerung der Neurogenese, die das menschliche Gehirn hat größer werden lassen.
Die Dauer der Neurogenese geht interessanterweise mit der Dauer der Schwangerschaft einher. Die dauert bei uns 280 Tage und damit länger als beim Schimpansen mit 237 Tagen. Das bedeutet eine längere Phase der Entstehung von Neuronen in der menschlichen Hirnrinde.
Faltung der Hirnrinde: Mehr Platz für mehr Neuronen
Ein Unterschied zwischen menschlichem Gehirn und den Gehirnen anderer Säugetiere liegt auch in der Faltung der Hirnrinde. Die Untersuchung der Gyrifikation von 102 Säugetieren einschließlich des Menschen zeigt, dass es zwei wesentliche Gruppen gibt: eine mit gar nicht oder nur gering gefalteten Gehirnen und eine mit stark gefalteten Gehirnen. Bei den Spezies in der Gruppe mit stark gefalteten Gehirnen entsteht pro Schwangerschaftstag vierzehn Mal mehr Hirnmasse im Föten als in der anderen Gruppe. Diese Arten haben darüber hinaus oft eine verlängerte Phase der Bildung von Nervenzellen.
Es scheint, dass es zwei prinzipielle Faktoren gibt, die die Faltung begünstigen: die Zunahme an Nervenzellen und ein Interagieren der schon gebildeten Nervenzellen untereinander. Da die Großhirnrinde praktisch wie ein dickes Blatt Papier ist, ist es günstiger, wenn sie gefaltet ist, um in den Schädel zu passen, wenn sie viele Neurone umfasst.
Die Zukunft des Gehirns: Evolutionäre Grenzen?
Wird unser Gehirn nochmals einen Sprung in seiner Entwicklung erfahren? Das ist unwahrscheinlich, da es kaum vorstellbar ist, dass sich eine einzige Mutation im Genpool von sechs Milliarden Menschen durchsetzt. Menschen mit besonderen kognitiven Gaben entstehen natürlich andauernd, aber einen Sprung für die intellektuellen Fähigkeiten der gesamten Menschheit sehen die Forscher aktuell eher nicht.
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Genetik und Gehirngröße: Ein menschlicher DNA-Abschnitt als Booster
Mäusen wächst ein größeres Gehirn als gewöhnlich, wenn man ihrem Erbgut ein Stückchen genetischen Code hinzufügt, der nur beim Menschen vorkommt. Der DNA-Abschnitt, der die Expression bestimmter Gene steuert, kurbelt die Produktion von Zellen an, die sich zu Neuronen entwickeln. Dadurch vergrößert sich die äußere Schicht des Mäusehirns.
Frühere Untersuchungen legen bereits nahe, dass so genannte Human accelerated regions (HARs) die Gehirngröße entscheidend beeinflussen. Um sich ein klareres Bild zu verschaffen, haben Forscher einen solchen Genomabschnitt namens HARE5 genauer unter die Lupe genommen. Von Mäusen ist bekannt, dass das DNA-Stück die Expression des Gens Fzd8 verstärkt, das eine Schlüsselrolle bei der Entwicklung und dem Wachstum von Nervenzellen spielt.
Als die Forscher eine menschliche Version von HARE5 an Stelle der eigenen Version in lebende Mäuse einpflanzten, wurde das Gehirn der Tiere bis zum Erwachsenenalter im Schnitt um 6,5 Prozent größer als das der nicht veränderten Mäuse. Der menschliche Hirnbooster war am aktivsten in so genannten radialen Gliazellen, die sich schließlich zu Neuronen und anderen Gehirnzellen entwickeln. Er steigerte die Teilung und Vermehrung der Gliazellen, woraufhin sie mehr Neurone produzierten als unter dem Einfluss der Mausversion von HARE5.
Die Evolution des menschlichen Gehirns: Eine Zusammenfassung
Die Evolution der menschlichen Linie ist untrennbar mit der Evolution des Gehirns verknüpft. Das Gehirnvolumen heute lebender Menschen ist etwa dreimal so groß wie das von Schimpansen. Vor allem in den letzten zwei Millionen Jahren kam es zu einer dramatischen Größenzunahme des menschlichen Gehirns. Für die kognitiven Fähigkeiten ist die innere Struktur des Gehirns wichtiger als dessen Größe. Diese Vernetzung des Gehirns wird in den ersten Lebensjahren angelegt.
Um das menschliche Gehirn besser zu verstehen, muss man sechs Millionen Jahre zurückblicken, zu dem Zeitpunkt, als sich die Schimpansenlinie von der Linie der menschlichen Vorfahren trennte. Vor etwa sechs Millionen Jahren entwickelte sich innerhalb der Linie der Homininen eine für Primaten ungewöhnliche Art der Fortbewegung: der aufrechte Gang. Die Evolution des aufrechten Gangs ging der dramatischen evolutionären Expansion des Gehirnvolumens um bis zu vier Millionen Jahre voraus.
Im Laufe der Evolution der aufrecht gehenden Homininen musste also bei der Geburt ein Baby mit immer größerem Kopf durch den bereits verengten knöchernen Geburtskanal. Die Geburt wurde zu einem immer größeren Risiko für Mutter und Kind und damit auch zu einem evolutionären Risiko für die gesamte Art. Im Vergleich zu Menschenaffen nimmt das Gehirn des Menschen im Laufe der Kindesentwicklung deutlich schneller an Volumen zu und wächst über einen etwas längeren Zeitraum. Relativ gesehen bedeutet das aber eine Verlangsamung der Gehirnentwicklung bei Menschen. Bei Menschen sind zum Zeitpunkt der Geburt zwar alle Nervenzellen bereits angelegt, aber noch kaum miteinander verknüpft. Die ersten Lebensjahre sind entscheidend für die Vernetzung des Gehirns.
Neandertaler und moderne Menschen: Unterschiede in der Gehirnentwicklung
Ob es zwischen Neandertalern und modernen Menschen Unterschiede in geistigen und sozialen Fähigkeiten gab, ist eines der großen Streitthemen in der Anthropologie und Archäologie. Da Neandertaler und moderne Menschen ähnlich große Gehirne hatten, gehen einige Forscher davon aus, dass auch die kognitiven Fähigkeiten dieser Spezies ähnlich gewesen sein mussten. Manche archäologischen Befunde deuten allerdings auf Unterschiede im Verhalten zwischen modernen Menschen und Neandertalern hin.
Wissenschaftler konnten nachweisen, dass sich das Muster der endocranialen Gestaltveränderung direkt nach der Geburt zwischen Neandertalern und modernen Menschen unterscheidet. Zur Zeit der Geburt ist das Gesicht eines Neandertalers bereits größer als das eines modernen Menschenbabys. Die gut dokumentierten Unterschiede in der Gehirngestalt zwischen erwachsenen modernen Menschen und Neandertalern entwickeln sich aber erst nach der Geburt.
Sowohl Neandertaler als auch Homo sapiens haben bei der Geburt längliche Schädel mit etwa gleich großen Gehirnen. Erst im Laufe des ersten Lebensjahres entwickelt sich bei modernen Menschen die charakteristisch runde Schädelform. Da sich die knöcherne Gehirnkapsel an das expandierende Gehirn anpasst, bedeutet das, dass die Gehirne von modernen Menschen und Neandertalern von der Geburt bis etwa zum Durchbrechen der ersten Milchzähne unterschiedlich wachsen.
Diese Entwicklungsunterschiede direkt nach der Geburt könnten Auswirkungen auf die neuronale und synaptische Organisation des Gehirns haben. Genetische Studien ergaben, dass sich der moderne Mensch vom Neandertaler durch einige Gene unterscheidet, die wichtig für die Gehirnentwicklung sind.
Die frühen Anfänge: Neurone und Nervensysteme
Vor mehr als einer halben Milliarde Jahren schuf die Natur Neurone, Zellen, die Reize empfangen, verarbeiten und weiterleiten können. Die Stammesgeschichtlich alten, wirbellosen Quallen haben kein Gehirn. Selbst eine so simple Kreatur wie das Darmbakterium Escherichia coli ist fähig, auf Reize in seiner Umgebung sinnvoll zu reagieren.
Im Verlauf der Evolution führte die Entwicklung zwischen Schwämmen und Quallen eine Neuerung ein: die Nervenzellen (Neurone). Die mobilen, räuberischen Quallen gehören zu den ältesten heute noch existierenden Organismen, die über ein einfaches Nervensystem verfügen. Diese Konstruktion erprobte die Natur erst bei den Würmern. Schlägt ein Tier bevorzugt eine Richtung ein, also vorwärts, ist es sinnvoll, wenn sich ein Großteil seiner Nerven und Sinneszellen am vorderen Ende konzentriert. Die Plattwürmer zählen zu den einfachsten Kreaturen, bei denen sich dieser Bauplan beobachten lässt: Vorn sitzt ein Kopf, und darin ruht das Gehirn.
Vom Wurm zum Menschen: Die Evolution der Gehirnstrukturen
Ursache der Gehirnentwicklung waren Mutationen, die sich als vorteilhaft für den Organismus erwiesen. Eine Schlüsselrolle spielten dabei Erbgutveränderungen, bei denen wichtige Gene doppelt an die nächste Generation weitergegeben wurden. Etwas weiter entwickelte Tiere wie die Ringelwürmer und die später entstandenen Insekten besitzen in Segmente gegliederte Körper. Jeder Abschnitt hat zwei Nervenknoten (Ganglien), die wie Minihirne das jeweilige Segment steuern. Die Ganglien sind zu einer strickleiterartigen Struktur verknüpft, die in den Kopf führt.
Bei allen äußeren Unterschieden ist das Hirn bei Fisch und Vogel, Ratte und Mensch grundsätzlich ähnlich konzipiert: Der Hirnstamm steuert lebenserhaltende Funktionen wie Herzschlag und Atmung, das Kleinhirn koordiniert unter anderem Bewegungen, und das Vorderhirn dient anspruchsvollen Aufgaben wie Planen, Bewerten von Informationen und Entscheiden. Während sich der Hirnstamm im Verlauf der Evolution relativ wenig veränderte, erkor die Baumeisterin Natur das Vorderhirn zu ihrer Lieblingsbaustelle.
Der Fortschritt hin zu immer mehr Leistung, Lernbereitschaft und zu komplexeren Fähigkeiten ist in erster Linie dem Aufblähen einer äußeren Schicht des Vorderhirns, der Großhirnrinde, zu verdanken. Ihr stammesgeschichtlich jüngster Teil wird Neokortex genannt und existiert nur bei Säugetieren. Könnte man die Großhirnwindungen im menschlichen Kopf glätten, würden sie eine Fläche von vier DIN-A4-Blättern bedecken - viermal so groß wie beim Schimpansen.
Klimawandel, Werkzeuge und Sprache: Beschleuniger der Gehirnentwicklung
Erst vor etwa zwei Millionen Jahren beschleunigte sich das Wachstum des menschlichen Gehirns rasant. Der Auslöser war möglicherweise ein Klimawandel vor 2,3 Millionen Jahren, der die frühen Menschen vor neue Herausforderungen stellte. Für die Herstellung und Bedienung von Werkzeugen waren erhöhte geistige Fähigkeiten und eine gesteigerte Geschicklichkeit der Hände notwendig. Auch die Entstehung der Sprache und der damit verbundene Nutzen im täglichen Überlebenskampf förderte vermutlich die Entwicklung großer Gehirne.
Die Kosten der Intelligenz: Energieverbrauch und elterliche Fürsorge
Die erhöhte Energiemenge, die dem menschlichen Körper damit zur Verfügung stand, erlaubte es der Evolution, größere Gehirne auszuprobieren. Für die Eltern bedeutet dies, dass sie viel Zeit und Aufwand in ihren Nachwuchs investieren müssen, ihr Fortpflanzungserfolg also zahlenmäßig gering bleibt. Tatsächlich haben die Menschen in den vergangenen 35 000 Jahren sogar an Hirnmasse verloren.
Die Natur als Architekt baute nicht nur immer neue Zimmer und Säle an ihre Gehirnkomplexe - sie riss ungenutzte Räume auch kompromisslos wieder ab. Und auch dafür, dass ein einmal erworbenes Hirn wieder verloren gehen kann, kennt die Naturgeschichte Beispiele: Der Bandwurm, ein Nachfahr des ersten Plattwurms mit seinem Nervenknoten im Kopf, klammert sich im menschlichen Darm fest, lebt also in einem komfortablen, sicheren Ökosystem mit reichem Nahrungsangebot.