Unser Gehirn, das oft mit einer Walnuss verglichen wird, ist ein komplexes Organ, das etwa 100 Billionen Synapsen beherbergt und uns zu komplexen Denkprozessen und Kommunikation befähigt. Die Forschung hat in den letzten Jahren bedeutende Fortschritte im Verständnis seiner Entwicklung, Struktur und Funktionsweise gemacht. Dieser Artikel beleuchtet die neuesten Erkenntnisse über die Hirnfaltung, die genetischen Grundlagen der Gehirnentwicklung, die Evolution des Gehirns und die Bedeutung des Gehirns für Kognition und Verhalten.
Die Bedeutung der Hirnfaltung
Die Großhirnrinde, der äußere Teil des Gehirns, hat sich im Laufe der Evolution des Menschen vergrößert und ist für unsere höheren kognitiven Fähigkeiten verantwortlich. Ein faszinierendes Merkmal des menschlichen Gehirns ist seine gefaltete Struktur. Würde man die Großhirnwindungen im menschlichen Kopf glätten, würde sich die Gehirnfläche um etwa vier DIN-A4-Blätter vergrößern. Diese Hirnfaltung ist entscheidend für unsere Fähigkeiten.
Rüdiger Klein, Neurobiologe am Max-Planck-Institut für biologische Intelligenz, erklärt: „Die Hirnfaltung erlaubt es unserem Gehirn, eine große Anzahl von Zellen auf vergleichsweise kleinem Raum unterzubringen und miteinander zu verkabeln.“ Die Faltung schafft Kompartimente, in denen Zellen synchron feuern, während Furchen die Zellen eher trennen.
Genetische Steuerung der Hirnfaltung
Die Frage, wie sich die Großhirnrinde faltet, ist ein komplexes Rätsel. Die Forschung hat jedoch Gene identifiziert, die diesen Prozess steuern. In einer Studie wurden Marker in Mäusegehirne gespritzt, um verschiedene Arten von Nervenzellen hervorzuheben. Mäuse haben normalerweise eine glatte Hirnoberfläche.
Wird bei Mäusen das Gen für das Protein Cep83 ausgeschaltet, bilden sich plötzlich Furchen (Sulci) und Erhebungen (Gyri). Ohne Cep83 vermehren sich die Vorläuferzellen der Neuronen während der Hirnentwicklung, was zu einem stärkeren Wachstum des Kortex und einem Zellüberschuss führt. Die Forscher beobachteten, dass der Kortex sich mit dem Wachstum faltet.
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Ein ähnlicher Effekt wurde beobachtet, nachdem das Protein Fgf10 bei Mäusen deaktiviert wurde. Dies führte ebenfalls zu einer größeren Anzahl neuronaler Vorläuferzellen und einer Verdickung des Kortex, jedoch nicht zu einer gefalteten Struktur, was frühere Studien bestätigte.
Seung Hee Chun und ihr Team knüpften an diese Erkenntnisse an und untersuchten die Zelladhäsionsmoleküle Flrt1 und Flrt3, die beeinflussen, wie Nervenzellen aneinanderhaften. Nachdem diese Moleküle ausgeschaltet wurden, wanderten Nervenzellen schneller und trennten sich leichter von Nachbarzellen. Die stärksten Veränderungen der Hirnanatomie traten auf, wenn die Flrt1/3-Gene zusammen mit den Genen, die Cep83 und Fgf10 kodieren, deaktiviert wurden. In diesen Fällen traten bei fast allen genveränderten Tieren Falten im Kortex auf.
Interessanterweise haben Menschen auch die Gene, die Flrt1 und Flrt3 kodieren, jedoch sind diese beim Menschen fünf- bis zehnmal inaktiver. Diese Versuche an Mäusen geben wichtige Einblicke in unser eigenes Gehirn, da Gene, die bei Menschen zu schweren Hirnfehlbildungen führen können, eng mit denen aus den Mausversuchen zusammenhängen.
Klinische Bedeutung der Hirnfaltungsforschung
Das Verständnis der Hirnfaltung kann in Zukunft helfen, Schäden in der Hirnfaltung durch nicht-invasive Bildgebung zu erkennen und in Kombination mit Gentests frühzeitig Hinweise auf Faltungsprobleme zu erhalten.
Evolutionäre Aspekte der Gehirnentwicklung
Die Evolution der menschlichen Linie ist eng mit der Evolution des Gehirns verbunden. Am Max-Planck-Institut für evolutionäre Anthropologie vergleichen Forscher die Schädelknochen moderner Menschen mit denen ihrer engsten lebenden und fossilen Verwandten. Das Gehirnvolumen heute lebender Menschen ist etwa dreimal so groß wie das von Schimpansen.
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Die Gehirnvolumina unserer fossilen Vorfahren, wie Australopithecus afarensis, waren mit denen heute lebender Schimpansen vergleichbar. Vor allem in den letzten zwei Millionen Jahren kam es zu einer dramatischen Größenzunahme des menschlichen Gehirns.
Die Bedeutung der inneren Struktur
Diskussionen über die kognitiven Fähigkeiten unserer Vorfahren drehen sich oft um archäologische Funde und Schädelvolumen. Allerdings kann das Volumen allein 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.
Der aufrechte Gang und seine Folgen
Um das menschliche Gehirn besser zu verstehen, muss man sechs Millionen Jahre zurückblicken, als sich die Schimpansenlinie von der Linie der menschlichen Vorfahren trennte. Vor etwa sechs Millionen Jahren entwickelte sich innerhalb der Homininen eine 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.
Die Anpassungen an den aufrechten Gang veränderten das Skelett dramatisch, insbesondere das Becken, das schmaler wurde und den Geburtskanal verengte. Dies führte zu einem evolutionären Dilemma, da bei der Geburt ein Baby mit immer größerem Kopf durch den bereits verengten Geburtskanal musste.
Nesthocker vs. Nestflüchter
Im Tierreich gibt es zwei Strategien: Nestflüchter und Nesthocker. Primaten sind typischerweise Nestflüchter, während Menschenkinder Nesthocker sind. Bereits bei der Geburt hat das Gehirn eines menschlichen Babys mit circa 400 ml etwa die Größe eines erwachsenen Schimpansengehirns. Bei Menschen verdreifacht sich das Volumen des Gehirns in den ersten Lebensjahren, während bei Schimpansen und anderen Menschenaffen ein geringerer Anteil des Gehirnwachstums nach der Geburt stattfindet.
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Die Entwicklung des Gehirns in der frühen Kindheit
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 Gehirne
Da Gehirne nicht versteinern, kann man bei Fossilien nur den Innenabdruck des Gehirns und seiner umgebenden Strukturen im Schädel untersuchen. Mittels Computertomografie (CT) werden 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.
Unterschiede zwischen Neandertalern und modernen Menschen
Ob es zwischen Neandertalern und modernen Menschen Unterschiede in geistigen und sozialen Fähigkeiten gab, ist ein Streitthema 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.
Allerdings deuten archäologische Befunde auf Unterschiede im Verhalten hin. So konnten Wissenschaftler nachweisen, dass sich das Muster der endocranialen Gestaltveränderung direkt nach der Geburt zwischen Neandertalern und modernen Menschen unterscheidet.
Frühe Entwicklungsunterschiede
Zur Zeit der Geburt ist das Gesicht eines Neandertalers bereits größer als das eines modernen Menschenbabys. Die 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. 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.
Wie einfache Lebewesen lernen und sich anpassen
Auch sehr einfach strukturierte Tiere wie etwa Fadenwürmer können lernen. Das ermöglicht es ihnen, Umweltveränderungen wahrzunehmen und darauf zu reagieren, indem sie ihr späteres Verhalten anpassen. Um lernen zu können, sind die Gene wichtig. Nur mit einem angeborenen Lern-Mechanismus kann sich ein Lebewesen Dinge aneignen. Auch wenn wir Menschen sprechen lernen, sind die Erbanlagen wichtig. Sehr gut untersucht ist das Gen FOX P2.
Das Lernen der Fadenwürmer
Lässt man den Nematoden hungern und „versalzt“ ihm gleichzeitig seine Umgebung, so kombiniert er beide Ereignisse. Fortan meidet der Wurm salzige Gegenden und kriecht lieber woanders hin. Forscher kennen mittlerweile einige der Gene, die der Wurm benötigt, damit seine Neuronen ihre Eigenschaften beim Lernprozess modulieren können.
Angeborene Fähigkeiten und Prägung
Ein Rotkehlchen etwa kann sehr gut navigieren. Die Flugroute und die Umgebung seiner Sommerheimat hat es sich auf dem Hinweg eingeprägt. Das Gehirn des Vogels muss dafür so ausgestattet sein, dass es eine innere Karte speichern kann. Diese Fähigkeit ist Rotkehlchen angeboren. Die exakte Navigation eignen sich die Vögel dagegen erst während des tatsächlichen Fluges an.
Konrad Lorenz untersuchte, wie frisch geschlüpfte Graugänse sich an ihre Mutter binden. Sie folgen vielmehr dem ersten Individuum, das sie nach dem Schlüpfen sehen. Lorenz nannte diese Form des Lernens Prägung. Dabei ist die Art, wie der Vogel das Wissen annimmt, erblich vorprogrammiert. Die „Nachlaufprägung“ findet bei Graugänsen nur in einer sehr kurzen Phase nach dem Schlüpfen statt: in der so genannten sensiblen Phase.
Lernfenster beim Menschen
Nur im Babyalter sind wir in der Lage, eine Sprache optimal zu erlernen - unsere Muttersprache. Demnach gibt es eine sehr frühe sensible Phase, in der Menschenbabys die Laute ihrer Muttersprache erlernen. Untersuchungen deuten sogar darauf hin, dass bereits das Ungeborene im Mutterleib auf die Sprechweise seiner Mama einstellt.
Pädagogen sprechen in diesem Zusammenhang von Lernfenstern, die sich zu einer bestimmten Zeit öffnen. In der Phase vom dritten bis zum neunten Monat lernen Babys beispielsweise, Gesichter zu unterscheiden. Lernbereitschaft und Lernfähigkeit sind demnach auch bei uns Menschen zumindest zum Teil genetisch bestimmt. Wissenschaftler sprechen von angeborenen Lern-Mechanismen, die den Rahmen vorgeben, was, wann und wie gelernt wird.
Simulation einfacher Organismen
Ein Forschungsteam der TU Wien konnte diesen Prozess nun allerdings am Computer simulieren: Man berechnete die physikalische Wechselwirkung zwischen einem ganz einfachen Modell-Organismus und seiner Umgebung. Diese Umgebung ist eine Flüssigkeit mit uneinheitlicher chemischer Zusammensetzung, sie enthält Nahrungsquellen, die ungleichmäßig verteilt sind. Der Organismus wurde mit der Fähigkeit ausgestattet, auf ganz simple Weise Information über Nahrung in seiner Umgebung zu verarbeiten.
Mit Hilfe eines Machine-Learning-Algorithmus wurde die Informationsverarbeitung des virtuellen Wesens dann in vielen Evolutionsschritten verändert und optimiert. Die Computersimulationen und die algorithmischen Konzepte beweisen, dass ein minimaler Komplexitätsgrad des Steuerungsnetzwerkes tatsächlich genügt, um relativ komplex erscheinende Bewegungsmuster umzusetzen.
Intelligenz im Tierreich: Neuronendichte und Vernetzung
Entsprechend unterschiedlich ist die Architektur der Nervensysteme, denen Insekten, Weichtiere, Vögel oder Primaten ihre besonderen Fähigkeiten verdanken. Doch gibt es ein paar universelle Kriterien, auf denen Intelligenz basiert.
Die Rolle der Nervenzellen und des Gehirns
Ein Gehirn braucht Nervenzellen. Die schnellere Erregungsübermittlung via Nervenzellen hat die Informationsverarbeitung und das Reaktionsvermögen von Tieren um Größenordnungen beschleunigt. Doch erst die Bündelung der Neuronen an einem zentralen Organ, dem Gehirn, ermöglicht komplexe Leistungen.
Absolute und relative Gehirngröße
Das auffälligste Kennzeichen eines Gehirns ist seine absolute Größe. Innerhalb einer Tiergruppe garantiert das größte Hirn folglich die höchste Intelligenz. Allerdings entscheidet nicht nur die absolute, sondern auch die relative Größe über die Leistungsfähigkeit eines Gehirns. Unter den meisten Wirbeltieren haben die größeren Arten ein relativ kleineres Gehirn als die kleineren.
Neuronendichte und Informationsverarbeitung
Es kommt vor allem auf den Inhalt an. Wale sind ein gutes Beispiel dafür, dass ein größeres Gehirn nicht unbedingt mehr Nervenzellen enthalten muss. Entscheidend ist, wie dicht die Neuronen gepackt sind. Bei den meisten Wirbeltieren ist es so: Je größer ihr Gehirn, umso geringer ist die Packungsdichte der Neuronen.
Vögel und Primaten sind die einzigen Wirbeltiere, bei denen dieses Prinzip nicht gilt. Ihre Neuronen sind in großen wie in kleinen Gehirnen gleich dicht gepackt. Bei Vögeln ist die Packungsdichte sogar noch höher als bei den Primaten, sie haben also je Gramm Hirngewicht noch mehr Nervenzellen. Das erklärt zumindest zum Teil, warum sie trotz ihrer kleinen Gehirne so erfolgreich sind.
Die Bedeutung der Synapsen
"Nun wissen wir natürlich: Die eigentliche Musik spielt sich in den Verbindungen der Nervenzellen ab. Und wir können davon ausgehen, dass eine größere Zahl an Nervenzellen auch mehr synaptische Verbindungen ausbildet", sagt Onur Güntürkün. Unstrittig ist jedoch, dass der Mensch sämtliche Tiere auch in der Zahl der Synapsen übertrifft.
Parzellierung des Gehirns
Die Hirnrinde im Säugergehirn ist in Parzellen unterteilt, wo die Vielzahl von äußeren Sinneseindrücken und inneren Körperzuständen verarbeitet und zusammengeführt werden. Je stärker diese Parzellierung ist, umso besser. Das menschliche Gehirn kombiniert einen großen Cortex mit einer relativ dichten Packung, hoher Übertragungsgeschwindigkeit und starker Parzellierung.
Humanspezifische Gehirnentwicklung
Seit der Abspaltung des Menschen von dem gemeinsamen Vorfahren mit Schimpansen und anderen Menschenaffen hat sich das menschliche Gehirn dramatisch verändert. Um die Genexpressionsdynamik und die regulatorischen Besonderheiten menschlicher Organoide zu untersuchen, verfolgten Forscher die Entwicklungsprozesse zerebraler Organoide aus menschlichen pluripotenten Stammzellen.
Längere Reifungszeit
„Wir beobachteten eine ausgeprägtere kortikale Neuronenreifung bei Schimpansen- und Makakenorganoiden im Vergleich zu menschlichen Organoiden des gleichen Entwicklungsstandes“, sagt Co-Seniorautorin Barbara Treutlein. Ein erstaunlicher Befund, der begründet, warum Menschen deutlich länger brauchen, um erwachsen zu werden: Das Gehirn „nimmt sich deutlich mehr Zeit“, um zu reifen und dabei deutlich komplexere Strukturen auszubilden.
Darüber hinaus beobachteten die Forscher Gene mit humanspezifischer Expression während des Prozesses der Neurogenese und neuronalen Reifung. Im Vergleich mit Schimpansen- und Makakenorganoiden konnte gezeigt werden, dass viele dieser Veränderungen mit humanspezifischen Unterschieden bei der Chromatinzugänglichkeit in Verbindung stehen.
Kulturelle Prägung
Da der „Reifungsprozess“ des menschlichen Gehirn so lange dauert, bedeutet das auch, dass die kulturelle Prägung einen viel größeren Anteil an der Ausprägung der Persönlichkeit hat. Der Mensch wird quasi erst in diesem Hirnstrukturierungsprozess zum Menschen. Das heißt: Eine kleine genetische Veränderung sorgt dafür, dass der Aufbau des menschlichen Gehirns länger dauert und dabei deutlich komplexer wird.
Das Gehirn als Baukasten: Wiederverwendung kognitiver Komponenten
Eine aktuelle Studie zeigt, wie Gehirne von Primaten - in diesem Fall die von Rhesusaffen - bekannte Fähigkeiten neu kombinieren, ohne jedes Mal bei Null zu starten. "Wir fanden heraus, dass das Gehirn flexibel ist, weil es Komponenten der Kognition in vielen verschiedenen Aufgaben wiederverwenden kann", sagt Timothy Buschman, Seniorautor der Studie.
Wiederkehrende Aktivitätsmuster
Die Forscher analysierten die Aktivität in mehreren Hirnregionen - besonders im präfrontalen Cortex, der für flexible Entscheidungen und Planung wichtig ist. Dort fanden sie tatsächlich wiederkehrende Aktivitätsmuster, die immer dann auftraten, wenn bestimmte Teilaufgaben gefordert waren: Muster für "Farbkategorisierung", Muster für "Formkategorisierung", Muster für bestimmte Augenbewegungen. Es wurde also tatsächlich ein Baukasten-Prinzip nachgewiesen, das auch Menschen das Lernen erleichtert. Die Analyse zeigte außerdem, wie das Gehirn unnötige Bausteine aktiv unterdrückt, um die Aufgabe effizient zu lösen.
Tilly Edinger und die Paläoneurologie
Tilly Edinger beschäftigte sich als Paläontologin mit Gehirnen von Lebewesen längst vergangener Erdzeitalter, mit ihrer Entwicklung und Veränderung. Für ihre Forschungen hatte sie hauptsächlich Fossilien zur Verfügung. Sie untersuchte Gehirne, also Weichteile, die längst verwest sind, anhand von Ausgüssen fossiler Schädel.
Edingers Forschungsmethoden
Edinger untersuchte viele solcher Ausgüsse sehr genau und verglich sie miteinander. Die Gehirnausgüsse, die sie benutzte, waren zum Teil auf natürliche Weise entstanden, wenn der Schädel eines Tieres in bewegtem Wasser gelegen hatte. Sie goss auch vorhandene (fossile) Schädel mit flüssigem Gips aus. War er hart, konnte er aus der Schädelhöhle genommen werden. Form und Oberfläche des Gehirns zeichneten sich auch hier genau ab.
Erkenntnisse über die Evolution des Pferdegehirns
Als Tilly Edinger in den USA lebte, begann sie mit ihrer größten wissenschaftlichen Arbeit, mit der Untersuchung von Pferdegehirnen. Sie kam zu der bahnbrechenden Erkenntnis, dass die Hirngröße nicht gemeinsam mit der Körpergröße zunahm. Edinger konnte aber nachweisen, dass sich die Gräben und Furchen des Gehirns, die für seine Vergrößerung und die Zunahme von Fähigkeiten verantwortlich sind, eigenständig entwickelt hatten. Diese unabhängig voneinander verlaufenen Geschwindigkeiten des Wachstums hat sie „Prinzip der Nichtkorrelation“ genannt.
Bedeutung ihrer Forschung
Mit ihren Untersuchungen an fossilen Pferdegehirnen hat Tilly Edinger eine grundlegend neue Erkenntnis erarbeitet, die bis heute in der Evolutionslehre gilt: Sie hat gezeigt, dass die Gehirne der Tiere sich unabhängig entwickelt haben, dass sie also nicht gleichzeitig mit ihren Körpern gewachsen sind, und dass das Aussterben oder Überleben einer Art nicht unbedingt mit der Gehirngröße zusammenhängt.