Das Nervensystem ist eine der komplexesten und faszinierendsten Strukturen im Tierreich. Es ermöglicht uns, die Welt um uns herum wahrzunehmen, zu denken, zu fühlen und zu handeln. Die Evolution des Nervensystems ist eine lange und verschlungene Geschichte, die bis zu den frühesten Mehrzellern zurückreicht.
Die Anfänge: Nervennetze und Strickleitern
Vor mehr als einer halben Milliarde Jahren schuf die Natur Neurone, Zellen, die Reize empfangen, verarbeiten und weiterleiten können. Die ersten Nervensysteme waren einfach und bestanden aus einem diffusen Nervennetz, wie es noch heute bei Nesseltieren wie Quallen zu finden ist. Diese Nervennetze sind über den gesamten Körper verteilt und ermöglichen es dem Tier, auf Reize aus seiner Umgebung zu reagieren.
Bei bilateralsymmetrisch gebauten Tieren, wie Plattwürmern, entwickelte sich eine fortschreitende Zentralisation des Nervensystems. Diese Tiere haben bereits ein kleines Gehirn, von dem aus Markstränge durch den Körper ziehen. Ringelwürmer und Gliederfüßer besitzen ein Strickleiternervensystem, das aus mehreren Ganglien besteht, die über zwei Nervenstränge miteinander verbunden sind.
Die Entwicklung des Gehirns bei Wirbeltieren
Bei Wirbeltieren kommt es zu einer zunehmenden Zentralisierung in Form einer Schaltzentrale: dem Gehirn. Es fungiert als übergeordnetes System und Verarbeitungsstelle. Das Rückenmark arbeitet dabei als Leitbahn und enthält Reflexbögen und Verschaltungen.
Die ersten Wirbeltiere, die vor etwa 500 Millionen Jahren auftraten, hatten Ähnlichkeit mit den heutigen, fischähnlichen Neunaugen. Sie besaßen bereits eine Schädelkapsel, die das empfindliche Gehirn schützte. 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.
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Das Großhirn: Ein evolutionärer Höhepunkt
Das Großhirn ist der am höchsten entwickelte Teil des menschlichen Nervensystems. Es formt unsere Persönlichkeit, ist Voraussetzung für die Entstehung von Kunst und Musik, Literatur und Technologien. Nun haben Wissenschaftler im Gehirn eines Meeresringelwurms Nervenstrukturen entdeckt, die unserem Großhirn ähneln. Neben dem Menschen besitzen auch andere Wirbeltiere ein Großhirn - so viel ist schon länger bekannt. Bisher war allerdings noch weitgehend unklar, wie sich die menschlichen Hirnregionen im Laufe der Evolution aus den Weichtieren entwickelt hat.
Eine Forschergruppe um Detlev Arendt vom Europäischen Laboratorium für Molekularbiologie in Heidelberg wurde beim Meeresringelwurm Platynereis dumerilii fündig und entdeckte ein Pendant zu unserem Großhirn. Das Ergebnis überrascht: Der Meeresringelwurm - ein entfernter Verwandter des Regenwurms - befindet sich im Stammbaum weit weg von den Wirbeltieren. Sein Entwicklungsweg trennte sich bereits vor etwa 600 Millionen Jahren von dem des Menschen.
Die Wissenschaftler entwickelten eine neue Technologie, mit deren Hilfe sie den molekularen Aufbau des Ringelwurmgehirns genau untersuchen konnten. Dabei konzentrierten sie sich vor allem auf eine Hirnregion, die für die Verarbeitung von Geruchs- und anderen Sinnesreizen zuständig ist: den sogenannten Pilzkörper. Als sie dessen molekularen Fingerabdruck mit dem der Großhirne verschiedener Wirbeltiere verglichen, entdeckten die Forscher erstaunliche Ähnlichkeiten.
Arendt sagt: "Erstens, das Großhirn ist wesentlich älter als man sich bisher vorstellen konnte, wahrscheinlich genauso alt wie die höheren Tiere selbst." Zudem sei nun klar, dass sich die besonderen Nervenstrukturen in Anpassung an das Leben in den Meeren des Präkambriums entwickelt haben - dem Zeitalter der Erdgeschichte vor etwa 4,6 Milliarden bis 540 Millionen Jahren.
Plastizität und Lernen: Die Anpassungsfähigkeit des Gehirns
Das menschliche Gehirn ist das komplizierteste Organ, das die Natur je hervorgebracht hat: 100 Milliarden Nervenzellen und ein Vielfaches davon an Kontaktpunkten verleihen ihm Fähigkeiten, an die kein Supercomputer bis heute heranreicht. Eine der wichtigsten Eigenschaften ist seine Lernfähigkeit.
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Die Vorstellung, dass das Gehirn ein Leben lang lernfähig bleibt, ist aus wissenschaftlicher Sicht unbestritten. Anders hätte der Mensch die vielfältigen Herausforderungen, denen er im Laufe eines Lebens begegnet, auch gar nicht bewältigen können. So können wir bis ins hohe Alter eine Fremdsprache und Yoga lernen, uns Gesicht und Stimme eines neuen Arbeitskollegen merken oder den Weg zu einer neuen Pizzeria.
Lernen findet an den Synapsen statt - also den Orten, an denen die elektrischen Signale von einer Nervenzelle zur nächsten übertragen werden. Neurowissenschaftler haben herausgefunden, dass Synapsen die Effektivität der Übertragung variieren können. Man bezeichnet dieses Phänomen auch als synaptische Plastizität. So kann eine Synapse durch einen Vorgang namens Langzeitpotenzierung (LTP) verstärkt werden, indem sie mehr Botenstoff ausschüttet oder mehr Botenstoffrezeptoren bildet. So wissen Neurowissenschaftler heute, dass Synapsen selbst im erwachsenen Gehirn noch komplett neu gebildet oder abgebaut werden können.
Seine Plastizität hilft dem Gehirn zudem, Schäden zumindest teilweise zu reparieren. Sterben beispielsweise bei einem Schlaganfall Nervenzellen ab, können benachbarte Hirnregionen die Aufgaben des betroffenen Gebiets zum Teil übernehmen.
Die Verschaltung des Gehirns: Ein komplexes Netzwerk
Das menschliche Gehirn lässt sich nach verschiedenen Kriterien untergliedern. Entwicklungsgeschichtlich beispielsweise besteht es wie das aller Wirbeltiere aus dem End-, Zwischen-, Mittel-, Hinter- und Markhirn, auch als Tel-, Di-, Mes-, Met- und Myelencephalon bezeichnet. Anatomisch fallen besonders die Bereiche ins Auge, die als Groß-, Zwischen- und Kleinhirn (Cerebellum) bezeichnet werden, sowie der Hirnstamm.
Besonders auffällig ist die zum Endhirn gehörende sogenannte Großhirnrinde, der sogenannte Kortex. Sie ist im Laufe der Evolution so stark gewachsen, dass sie fast das gesamte Gehirn umgibt. Die Großhirnrinde ist Sitz vieler höherer geistiger Fähigkeiten. Einzelne Bereiche haben dabei unterschiedliche Aufgaben. So sind manche Areale darauf spezialisiert, Sprache zu verstehen, Gesichter zu erkennen oder Erinnerungen abzuspeichern. In der Regel ist aber keine Region allein für eine bestimmte Fähigkeit verantwortlich, sondern nur im Zusammenspiel mit anderen.
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Wissenschaftler untersuchen mithilfe der sogenannten Magnetresonanztomografie (MRT), welche Gehirngebiete miteinander verbunden sind. Mit dieser Technik können sie die zu Fasersträngen gebündelten Fortsätze von Nervenzellen sichtbar machen, die die Areale der Großhirnrinde miteinander verbinden.
Die Rolle des Mikrobioms: Eine neue Perspektive
Ein Forschungsteam der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) gelang es am Beispiel des Süßwasserpolypen Hydra erstmals zu belegen, dass stammesgeschichtlich alte Neuronen und Bakterien tatsächlich direkt miteinander kommunizieren. Überraschenderweise stellten die Forschenden fest, dass sich die Nervenzellen über Immunrezeptoren, also gewissermaßen mithilfe der Mechanismen des Immunsystems, mit den Mikroorganismen austauschen. Auf dieser Grundlage formulierten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des CAU-Sonderforschungsbereichs (SFB) 1182 „Entstehen und Funktionieren von Metaorganismen“ die Hypothese, dass das Nervensystem bereits von Beginn der Evolution an nicht nur sensorische und motorische Funktionen übernimmt, sondern auch für die Kommunikation mit den Mikroben mitverantwortlich ist.
Die Erkenntnisse des Kieler Forschungsteams liefern damit Hinweise, dass das Nervensystem vermutlich von Beginn an eng mit symbiotischen Mikroorganismen verknüpft war. „Womöglich müssen wir die Evolution des Immun- und Nervensystems neu denken“, betont Professor Thomas Bosch, Leiter der Kieler Zell- und Entwicklungsbiologie und Sprecher des SFB 1182. „Die Untersuchungen an Hydra zeigen, dass schon die evolutionär ältesten Nervensysteme in der Natur mit Mikroorganismen interagierten. Möglicherweise war es so, dass Nervenzellen erfunden wurden, um die Kommunikation mit den für den Körper so wichtigen Mikroben überhaupt erst zu ermöglichen“, so Bosch weiter.
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