Die Evolution des Nervensystems ist ein faszinierendes Thema, das uns Einblicke in die Entstehung und Entwicklung des komplexen menschlichen Gehirns gibt. Dieser Artikel beleuchtet die wichtigsten Schritte in der Evolution von Nervenzellen, von den einfachsten Nervennetzen bis hin zu den hoch entwickelten Gehirnen von Säugetieren.
Die Anfänge: Nervennetze und bilaterale Symmetrie
Vor mehr als einer halben Milliarde Jahren machte die Natur eine bahnbrechende Erfindung: Neuronen. Zellen, die Reize empfangen, verarbeiten und weiterleiten können. Bereits Einzeller besaßen chemische Rezeptoren, über die sie Signale aus der Umwelt aufnehmen konnten, die wiederum eine Reaktion auslösten. Dieses Prinzip wurde bis heute in der evolutionären Entwicklung beibehalten. Konsequenterweise führte die Evolution im Verlauf der Entwicklung zwischen Schwämmen und Quallen eine Neuerung ein: die Nervenzellen (Neurone).
Die ersten Nervensysteme waren einfache Nervennetze, wie sie noch heute bei Nesseltieren (z.B. Quallen) zu finden sind. Diese Nervennetze sind diffus über den Körper verteilt und ermöglichen es dem Tier, auf Reize aus der Umwelt zu reagieren.
Im Gegensatz zu radiärsymmetrischen Tieren wie Quallen oder Seesternen lassen sich bei ihnen bereits vorn und hinten unterscheiden - und das bedeutete einen gewaltigen Sprung bei der Evolution des Gehirns. 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.
Mit der Entwicklung des zweiseitig (bilateral) gleichartigen (symmetrischen) Körperbaus und der damit zusammenhängenden Kopfausbildung (Cephalisation) fand eine fortschreitende Zentralisation des NS statt. Auch die gerichtete Fortbewegung spielt bei dieser Entwicklung eine wesentliche Rolle. Ein dementsprechend bilateralsymmetrisches NS besteht aus einem peripheren NS (PNS) und einem zentralen NS (ZNS). Das ZNS setzt sich aus dem Gehirn im Kopfteil und einem oder zwei von ihm ausgehenden Marksträngen zusammen. Markstränge sind Bündel von Nervenfasern, die längs am Körper verlaufen. Sie sind die Hauptleitungen für die Übertragung der elektrischen Impulse zwischen Gehirn und PNS.
Lesen Sie auch: Gehirn Evolution
Strickleiternervensystem und Cephalisation
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.
Eine zunehmende Cephalisation findet man bei den Plattwürmern (Plathelminthes). Das NS der niederen Strudelwürmer besteht aus einem diffusen Nervennetz ohne Stränge und Längsverdickungen, aber mit Verstärkungen im vorderen Körperende. Bei höheren Strudelwürmern kommt es zur Zentralisation des NS. Assoziations- und motorische Zellen vereinigen sich zu Längssträngen (Konnektiven), die durch Querstränge (Kommissuren) miteinander verbunden sind. Plattwürmer haben also bereits ein kleines Gehirn ausgebildet, von dem aus die Markstränge durch den Körper ziehen.
Die Entwicklung des Gehirns bei Wirbeltieren
Der nächste große Schritt in der Evolution war das Gehirn der Wirbeltiere. Die Evolution des Gehirns der Wirbeltiere begann mit einer blasenartigen Ausdehnung des Neuralrohrs am vorderen Ende des Körpers, die als Vorderhirn bezeichnet wird. Zwei weitere Zentren, die ebenfalls durch eine blasige Vergrößerung entstanden, schließen sich bezüglich der Lage gesehen daran an (Mittelhirn, Hinterhirn). Aus dem Hinterhirn, an das sich das Rückenmark anschließt, entstand in der weiteren Entwicklung das Kleinhirn. Das Mittelhirn wird auch heute noch als solches bezeichnet. Das Vorderhirn diente ursprünglich zum Riechen, das Mittelhirn zum verarbeitete die Informationen, die es von den Augen erhielt und das Hinterhirn kontrollierte Bewegungen und die räumliche Orientierung.
Der heute als solcher bezeichnete Hirnstamm, bestehend aus dem verlängerten Rückenmark, der Brücke und dem Mittelhirn und ist dafür zuständig, lebenserhaltende Funktionen wie die Atmung und den Herzschlag zu koordinieren. Veränderungen traten vor allem im Vorderhirn auf, das sich zum Zwischen- und Großhirn entwickelte und zum Treffen von Entscheidungen und der Bewertung von Informationen dient. Eine höhere Leistung, die Fähigkeit zu komplexen Handlungen und die Lernbereitschaft verdankt das Gehirn der Wirbeltiere, vor allem der Vergrößerung der äußeren Schicht des Vorderhirns, der Großhirnrinde, die auch als Cortex bezeichnet wird. Damit die immer größer werdende Oberfläche der äußeren Nervenschicht noch in den Schädel der Wirbeltiere passt, kam es zu einer immer stärkeren Auffaltung des Cortexes.
Das menschliche Gehirn: Ein Produkt der Evolution
Die Evolution der menschlichen Linie ist untrennbar mit der Evolution des Gehirns verknüpft. Vor allem in den letzten zwei Millionen Jahren kam es zu einer dramatischen Größenzunahme des menschlichen Gehirns. Das Gehirnvolumen heute lebender Menschen ist etwa dreimal so groß wie das von Schimpansen. 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.
Lesen Sie auch: Evolution des Nervensystems
Der stammesgeschichtlich jüngste Teil der Großhirnrinde ist der Neocortex, der lediglich noch bei Säugetiere zu finden ist. Bei uns Menschen macht er über 90% der Oberfläche des Cortexes aus und besteht aus sensorischen Arealen, dem Motorcortex, der willkürliche Bewegungen steuert und den Assoziationszentren, die aufgenommene Sinneseindrücke mit den entsprechenden Emotionen und Verhaltensmustern verknüpfen. Besonders diese assoziativen Areale sind in der Evolution des menschlichen Gehirns sehr stark angeschwollen und sind bei Affen deutlich weniger stark ausgeprägt.
Nachdem vor ungefähr sieben Millionen Jahren die Entwicklung der Menschen und Affen auseinanderging, vergrößerte sich das menschliche Gehirn zunächst nur langsam. Doch vor etwa 2 Millionen Jahren setzte ein deutlich beschleunigtes Hirnwachstum ein.
Die Rolle der Sprache
Die Sprache ist für die Menschheit von hoher Bedeutung. Biologische Sprachevolution meint dabei die genetische Evolution der menschlichen Sprachfähigkeit. Wohingegen mit der kulturellen Sprachevolution die Entstehung eines menschlichen Kommunikationssystem gleichzusetzen ist. Somit lässt sich durch Evolutionsforschungen abschätzen, wann erstmals mithilfe einer Sprache kommuniziert wurde und ermitteln, welche Unterschiede zwischen den einzelnen Lebewesen bestehen. Dabei ist die Entstehung und Entwicklung der Sprache (genetische Evolution) ein wichtiger Faktor.
Anfangs dachte man ebenfalls, dass Sprache ein erworbenes Merkmal sei (Vgl.: jedes Kind muss erst seine Muttersprache lernen). Man weiß aber nun, dass die Fähigkeit, die Sprache zu lernen, angeboren ist. Die Sprache selbst muss aber erst gelernt werden. Weiterhin konnte man herausfinden, dass Gene bei der Produktion von Sprache aktiv sind. Das konnte man durch die Untersuchung einer Familie mit Sprachstörung 1998 ermitteln. Als verantwortliches Gen für die Produktion der Sprache konnte man das Gen FoxP2 identifizieren.
Der Preis der Intelligenz
Die Evolution des großen menschlichen Gehirns hatte ihren Preis. 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.
Lesen Sie auch: Entwicklung des Gehirns
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.
Neuronale Vielfalt und Spezialisierung
Untersuchungen an der Netzhaut von Mäusen zeigen, dass bisherige Annahmen über Nervenzellen neu überdacht werden müssen: Kleinste Details in den anatomischen Eigenschaften können zu signifikanten Änderungen im Antwortverhalten führen. Eine Zelle, die an einer ganz bestimmten Stelle im Nerven-Netzwerk ihre Arbeit gut erledigt und Signale sinnvoll verarbeitet, könnte an einer anderen Stelle des Netzwerks völlig nutzlos sein, weil ihre anatomischen Eigenschaften dort kein sinnvolles Signalverhalten ermöglichen würde. Die Evolution hat also dazu geführt, dass die Nerven-Netzwerke in unterschiedlichen Bereichen der Mäuse-Netzhaut unterschiedlich sensibel reagieren, obwohl es sich um Zellen desselben Typs handelt. Das bedeutet, dass sich sogar Nervenzellen desselben Zelltyps durch ihre unterschiedlichen anatomischen Details unterschiedlich verhalten - und zwar genau so, wie es ihrer Aufgabe in ihrer lokalen Umgebung entspricht.
Altern des Gehirns
Neue Studien geben Aufschluss darüber, wie unser Gehirn altert. Im Alter merken wir, dass wir nicht mehr so leistungsfähig sind wie bisher. Unsere Gehirnleistung nimmt ab. Bis zum Alter von 25 Jahren reift das Gehirn beständig, wird größer und entwickelt sich. Danach baut es langsam ab.
Die Hirnareale, die sich als letztes entwickeln, bauen sich auch als erstes wieder ab. Dazu gehört vor allem die Region des präfrontalen Kortex.
Umweltverschmutzung, Kultur, sozioökonomische Bedingungen und Ernährung können unser Altern beschleunigen oder hinauszögern. Zum normalen Alterungsprozess kommen neurodegenerative Krankheiten wie Parkinson, die das Altern beschleunigen.
Ungewöhnliche Nervensysteme: Rippenquallen
Die meisten Nervenzellen der Rippenquallen, einer Gruppe durchsichtiger Meerestiere mit typischen irisierenden Streifen am Körper, sind nicht über Synapsen verbunden, sondern zu einer einzelnen, netzartigen Riesenzelle verschmolzen. Wie das Team in »Science« berichtet, ist das Netz über normale Synapsen mit Sinneszellen und Steuerungsneuronen verbunden. Die Entdeckung stützt die Vermutung, dass Rippenquallen ihr Nervensystem unabhängig von anderen Tieren entwickelten.
Das Nervensystem der Rippenquallen hat zwei organisatorische Ebenen. Die im Körper verteilten Zellen des Nervennetzes, das quasi das Zentrum des Systems bildet, haben lange, wie Perlenketten aussehende Fortsätze, die an ihren Enden direkt mit den Fortsätzen anderer Nervenzellen verschmolzen sind. Sie bilden damit ein so genanntes Syncytium, eine Art Riesenzelle, wie man sie zum Beispiel auch von Schleimpilzen kennt.
tags: #evolution #von #nervenzellen