Die Entwicklung des Gehirns im Laufe der Evolution

Die Evolution des menschlichen Gehirns ist ein faszinierendes und komplexes Thema, das Wissenschaftler seit langem beschäftigt. Im Vergleich zu unseren nächsten lebenden Verwandten, den Schimpansen, ist das menschliche Gehirn deutlich größer und komplexer. Dies ermöglicht uns eine Vielzahl kognitiver Fähigkeiten, die uns von anderen Arten unterscheiden.

Die Zunahme des Gehirnvolumens

Das Gehirnvolumen heutiger Menschen ist etwa dreimal so groß wie das von Schimpansen. Die Gehirnvolumina unserer fossilen Vorfahren, wie zum Beispiel der Art Australopithecus afarensis (bekannt durch ihre wohl berühmteste Vertreterin „Lucy“), waren mit denen heute lebender Schimpansen vergleichbar. Vor allem in den letzten zwei Millionen Jahren kam es zu einer dramatischen Größenzunahme des menschlichen Gehirns.

Diskussionen über die kognitiven Fähigkeiten unserer fossilen Vorfahren oder Verwandten drehen sich daher meist um archäologische Funde und Schädelvolumen. Das Volumen allein kann aber die herausragenden Fähigkeiten des menschlichen Gehirns nicht hinreichend erklären. Für die kognitiven Fähigkeiten ist die innere Struktur des Gehirns wichtiger als dessen Größe. Diese Vernetzung des Gehirns wird in den ersten Lebensjahren angelegt. Jüngste Forschungsergebnisse betonen daher die Bedeutung des Wachstumsmusters im Laufe der Kindesentwicklung.

Um das menschliche Gehirn besser zu verstehen, muss man sechs Millionen Jahre zurückblicken, zu dem Zeitpunkt, als die Schimpansenlinie sich von der Linie der menschlichen Vorfahren, der sogenannten Homininen, trennte. Die ersten Stationen dieser Zeitreise nach Afrika haben aber noch nichts mit dem Gehirn zu tun, sondern mit Beinen und Hüfte. Vor etwa sechs Millionen Jahren entwickelte sich innerhalb der Linie der Homininen eine für Primaten ungewöhnliche Art der Fortbewegung: der aufrechte Gang. Da es nur wenige fossile Fragmente aus dieser Zeit gibt, sind viele Details über diesen entscheidenden Schritt noch unklar und umstritten. Sicher ist, dass die Vertreter der Gattung Australopithecus vor 3,6 Millionen Jahren aufrecht gehen konnten. Dieser Zeitpunkt gilt deshalb als gesichert, weil in den 1970er-Jahren die versteinerten Fußspuren von aufrecht gehenden Homininen in Tansania gefunden wurden. Diese Fußabdrücke haben Individuen der Art Australopithecus afarensis in einer Schicht feuchter Vulkanasche hinterlassen, die sich auf exakt 3,6 Millionen Jahre datieren lässt.

Die Evolution des aufrechten Gangs ging also der dramatischen evolutionären Expansion des Gehirnvolumens um bis zu vier Millionen Jahre voraus. Diese Chronologie der Ereignisse ist wichtig, weil die evolutionären Anpassungen an den aufrechten Gang das Skelett dramatisch verändert haben. Unter anderem wurde das Becken schmaler und dadurch der Geburtskanal des knöchernen Beckens kleiner. 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.

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Nestflüchter vs. Nesthocker

Nicht nur bei den Vögeln, sondern im gesamten Tierreich gibt es im Grunde zwei Strategien: Nestflüchter und Nesthocker. Nesthocker sind für einen unterschiedlich langen Zeitraum von der Zuwendung der Eltern abhängig und können sich weder alleine fortbewegen noch ernähren. Primaten sind typischerweise Nestflüchter und bereits nach kurzer Zeit sehr selbstständig. Menschenkinder hingegen sind Nesthocker und weichen damit von der Strategie der Primaten ab. Bereits bei der Geburt hat das Gehirn eines menschlichen Babys mit circa 400 ml etwa die Größe eines erwachsenen Schimpansengehirns. Die Speziesunterschiede sind also bereits pränatal eindeutig: Schon in der 22. Schwangerschaftswoche nimmt die Wachstumsgeschwindigkeit des Gehirns beim Schimpansen ab. Bei Menschen verdreifacht sich das Volumen des Gehirns in den ersten Lebensjahren. Auch bei Schimpansen und anderen Menschenaffen wächst das Gehirn noch nach der Geburt, aber bei Menschen findet ein größerer Anteil des Gehirnwachstums und der Gehirnentwicklung nach der Geburt statt. Im Vergleich zu Menschenaffen nimmt das Gehirn des Menschen im Laufe der Kindesentwicklung also 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. Klinische Studien haben gezeigt, dass in der frühen Kindheit selbst geringfügige Abweichungen im Muster der Gehirnentwicklung die Struktur des Gehirns und damit Kognition und Verhalten beeinflussen. Dieses dynamische Netzwerk ist das Substrat für Kognition und entwickelt sich besonders beim Menschen unter dem Eindruck der Stimuli außerhalb des Mutterleibes.

Untersuchung fossiler Schädel

Da Gehirne nicht versteinern, kann man bei Fossilien nur den Innenabdruck des Gehirns und seiner umgebenden Strukturen im Schädel untersuchen. Zuerst werden mittels Computertomografie (CT) hochauflösende dreidimensionale Röntgenbilder der Schädel aufgenommen. Dann wird am Computer ein virtueller Abdruck des Gehirnschädels erstellt (ein sogenannter Endocast). Diese Abdrücke der inneren Schädelkapsel geben Aufschluss über Größe und Gestalt des Gehirns. Mit modernsten Mess- und Analysemethoden ist es möglich, die Gestaltveränderungen des Endocasts im Laufe der Kindesentwicklung zwischen lebenden und ausgestorbenen Arten zu vergleichen.

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. So konnten Wissenschaftler nachweisen, dass sich das Muster der endocranialen Gestaltveränderung direkt nach der Geburt zwischen Neandertalern und modernen Menschen unterscheidet. Das wichtigste Indiz dafür waren die fossilen Fragmente der Schädel von zwei Neandertalern, die bei der Geburt oder kurz danach verstorben waren. Bereits 1914 hatte ein Team französischer Archäologen in der Dordogne das Skelett eines Neandertalerbabys entdeckt. Die versteinerten Kinderknochen wurden aber kaum beachtet und schließlich vergessen. Erst neunzig Jahre später wurden die verschollenen Knochen im Lager des Museums von Les Eyzies-de-Tayac-Sireuil in Frankreich wiederentdeckt. Die zerbrechlichen Fragmente wurden daraufhin mit einem hochauflösenden µCT-Gerät gescannt und dann an Computern im Max-Planck-Institut für evolutionäre Anthropologie in Leipzig rekonstruiert. Das gleiche Verfahren wendeten die Forscher an den Fragmenten des Neandertalerbabys von Mezmaiskaya im Kaukasus an.

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. Kurz nach der Geburt sind die Schädelknochen sehr dünn und die knöchernen Nähte sind noch weit offen (deutlich zu sehen zum Beispiel an der Fontanelle). 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. Moderne Menschen unterscheiden sich von Neandertalern in einer frühen Phase der Gehirnentwicklung. Sobald die Milchzähne durchgebrochen sind, unterscheiden sich die Wachstumsmuster dieser beiden Menschengruppen allerdings nicht mehr. Diese Entwicklungsunterschiede direkt nach der Geburt könnten Auswirkungen auf die neuronale und synaptische Organisation des Gehirns haben. Erst kürzlich ergaben genetische Studien, dass sich der moderne Mensch vom Neandertaler durch einige Gene unterscheidet, die wichtig für die Gehirnentwicklung sind.

Die "Last-in-First-out"-Hypothese

Ein Forscherteam aus Deutschland und den USA untersuchte MRT-Scans von 189 Schimpansen- und 480 menschlichen Gehirnen. Mit diesen Scans und den daraus gewonnenen Daten wollten sie der sogenannten "Last-in-First-out"-Hypothese auf den Grund gehen. Sie beschreibt die Gehirnentwicklung beim Menschen. Dabei geht es um die Theorie, dass Menschen größere Gehirnkortiken (die Hirnrinde, abgeleitet vom lateinischen Cortex) haben als nicht-menschliche Primaten, da sich der Mensch entwickelt hat, um zusätzliche kognitive Aufgaben auszuführen. Das schließt insbesondere den präfrontalen Kortex (PFC) ein. Der PFC ist für unsere Entscheidungsfindung zuständig, hier planen wir, manche verorten dort unsere Persönlichkeit.

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Und genau das konnten die Forscher nachweisen: "Mit zunehmendem Alter kommt es zu deutlichen Veränderungen in der Morphologie und Organisation des menschlichen Gehirns mit einem ausgeprägten räumlichen Muster, das teilweise auf Zellatrophie im späteren Leben zurückzuführen ist." Zellatrophie, Gewebeschwund in der grauen Hirnsubstanz, tritt auch bei Schimpansen auf, so das Ergebnis, jedoch in viel geringerem Ausmaß. Und Robert Dahnke weist noch auf einen anderen Zusammenhang hin, den die Studie festgestellt hat: Dieser Prozess in der grauen Hirnsubstanz kann durch altersbedingte Erkrankungen wie Alzheimer, Parkinson und andere neurodegenerative Erkrankungen weiter beschleunigt werden. Auch das hätten die Bilder gezeigt, so Dahnke gegenüber MDR WISSEN, "dass wir bei neurodegenerativen Erkrankungen eben eine stärkere und schnellere Atrophie in bestimmten Arealen wie beispielsweise dem Hippocampus sehen können".

Schrumpfende Gehirne?

Das menschliche Gehirn ist kleiner geworden. Zumindest im Vergleich zu unseren Vorfahren, die vor gut 1,5 Millionen Jahren den Planeten bevölkerten. Ausgerechnet Ameisen können Hinweise geben, wieso das so ist. Die Art und Weise, wie sich Individuen in einem Ameisenstaat organisieren, ähnelt unseren modernen Gesellschaftsstrukturen. Die Insekten haben, verglichen mit ihrer Körpergröße, ein Mini-Gehirn. Es ist etwa eine Million Mal kleiner als das eines Menschen - sie können aber Großes leisten. Das Prinzip dahinter ist eine Art kollektive Intelligenz. Nicht jeder muss alles können oder wissen, es gibt eine klare Aufgabenteilung. Wahrscheinlich, so die Forscher, sind kleinere Gehirne in solchen Systemen evolutionär im Vorteil. Im Laufe der Millionen Erdjahre sind auch Ameisengehirne geschrumpft. Denn: Kleinere Hirne verbrauchen weniger Energie. Genau dieser Mechanismus könnte auch bei uns Menschen im Laufe der Geschichte in Gang gesetzt worden sein. Zwar hat sich das Gehirn aller Homo sapiens innerhalb von sechs Millionen Jahre Entstehungsgeschichte im Vergleich zu dem seiner Primatenvorfahren in Sachen Größe etwa vervierfacht. Evolutionsbiologen ist allerdings schon vorher aufgefallen, dass irgendwann seit der letzten Eiszeit der menschliche Denkapparat ein bisschen an Masse eingebüßt hat.

Die Studienergebnisse der Wissenschaftler legen nahe, dass während der Menschheitsgeschichte, in der sich immer komplexere Gesellschaftsstrukturen, Hierarchien und Arbeitsteilung herausgebildet haben, das menschliche Gehirn sich nach und nach angepasst hat. Solch ein Evolutionsprozess dauert lange und kann mehrere Jahrtausende in Anspruch nehmen. „Die Größe des menschlichen Gehirns könnte eine Folge der Einsparungen von Stoffwechselkosten sein“, schreiben sie in ihrer Studie, die im Fachmagazin Frontiers in Ecology and Evolution veröffentlicht wurde. Ein wichtiger Schritt könnte dabei auch die Entwicklung von Schrift und die vereinfachte Weitergabe von Büchern sein. Mit der Erfindung des Buchdrucks im 15. Jahrhundert nach Christus mussten sich die Menschen nicht alles sofort merken, sie konnten es nun nachlesen. Auch das ein Argument für weniger energiefressende Hirnstränge. Ältere Untersuchungen gehen beispielsweise davon aus, dass bereits seit der Eiszeit die Größe des menschlichen Gehirns abnahm, also vor etwa 21.000 Jahren. Sie erklären das entweder mit einer Umstellung der Ernährung oder als Reaktion auf die allgemeine Verringerung der Körpergröße. Das würde aber nicht herleiten, wieso auch die heutigen Menschen kleinere Gehirne als ihre Vorfahren haben. Die Autoren der neuen Studie betonen, dass ihr Erklärungsmodell nicht alle Unterschiede in der menschlichen Hirngröße erklären kann und vor allem auf kulturell-historischen Veränderungen basiere. Sie müsse daher weiter validiert werden.

Die Rolle der Ernährung

Die Gehirne von Menschen sind dreimal so groß wie die anderer Primatenarten. Es wird angenommen, dass eine vielfältige, hochwertige Ernährung und eine lange Kindheit mit ausreichend Zeit zum Erlernen komplexer Fähigkeiten zum Nahrungserwerb wichtige evolutionäre Faktoren für unsere großen Gehirne sind. Im Gegensatz zu anderen Primaten zeichnet sich die menschliche Ernährung durch eine große Vielfalt an hochwertigen und schwer zu beschaffenden Nahrungsmitteln aus, wie etwa Fleisch, Fisch und Raupen sowie unterirdische Knollen oder viele Arten von Nüssen. Um diese zu sammeln zu können, bedarf es komplexer Fähigkeiten zur Nahrungssuche, die vermutlich schon im frühen Alter entwickelt werden. Um besser zu verstehen, wie der Mensch diese Fähigkeiten erlernt, begleitete das internationale 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 Forschenden untersuchten die Methoden der Kinder bei der Nahrungssuche, die Zusammensetzung ihrer Nahrung und ihr Wissen über die Pflanzenwelt auf ihren täglichen Ausflügen. Neben der Beobachtung des Verhaltens führten sie auch Nährwertanalysen der gesammelten Nahrung durch.

Die Feldarbeit ergab einen einzigartigen Datensatz mit 798 Stunden Beobachtung.Die BaYaka-Kinder verbrachten ein Drittel ihrer Zeit mit der Suche und Beschaffung von Nahrung. Die Hälfte davon suchten sie unabhängig von Erwachsenen und zeigten ein hohes Maß an Selbstständigkeit. Die Ergebnisse zeigten eine früh einsetzende Spezialisierung bei der Nahrungssuche. Gruppen mit mehr Jungen ernährten sich eher von Früchten und Samen, was oft riskante Kletterkünste erfordert, 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 - und die könnte es uns letztlich ermöglicht haben, uns ein wesentlich größeres Gehirn zu leisten als andre Primaten.

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Unterschiede in der Gehirnform

Die ältesten Fossilien unserer eigenen Art Homo sapiens aus Jebel Irhoud in Marokko wurden von Forschern der Abteilung für Humanevolution am Max-Planck-Institut für evolutionäre Anthropologie auf ein Alter von etwa 300 000 Jahren datiert. Ihre Gesichtsschädel und Zähne sehen modern aus, doch die länglichen Gehirnschädel erscheinen archaisch und ähneln eher denen von älteren Menschenarten und Neandertalern. Heute lebende Menschen zeichnen sich hingegen durch einen runderen Gehirnschädel aus.

Die Ergebnisse zeigen, dass sich das Gehirn von Homo sapiens allmählich von einer länglichen zu einer runderen Form entwickelt hat. Zu diesem Prozess tragen insbesondere Veränderungen in zwei Gehirnarealen bei: Die Wölbung des Scheitellappens im Großhirn und die Wölbung des Kleinhirns nehmen zu. Hirnareale in dem auch Parietallappen genannten Teil der Großhirnrinde beeinflussen Orientierung, Aufmerksamkeit, Wahrnehmung von Reizen, die sensomotorische Integration von Planungsprozessen, die visuell-räumliche Integration, Selbstwahrnehmung, das Arbeits- und Langzeitgedächtnis, numerische Verarbeitung und Werkzeuggebrauch. Das Kleinhirn steuert nicht nur motorische Funktionen wie die Koordination von Bewegungen und die Balance, sondern steht auch im Zusammenhang mit räumlichen Verarbeitungsprozessen, Arbeitsgedächtnis, Sprache, sozialer Kognition und Verarbeitung von Emotionen.

Je jünger Fossilien von Homo sapiens sind, desto moderner wird die Form ihres Gehirnschädels. Doch erst Fossilien, die jünger als 35 000 Jahre alt sind, besitzen die gleiche runde Form wie Menschen heute. Das bedeutet, dass sich die moderne Gehirnorganisation zwischen 100 000 und 35 000 Jahren herausbildete. Wichtig ist, dass sich diese Formveränderungen unabhängig von der Gehirngröße entwickelten, mit Hirnvolumina von etwa 1.400 Millilitern hatten selbst die ältesten Homo sapiens-Fossilien von Jebel Irhoud schon eine ähnliche Gehirngröße wie heute lebende Menschen.

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