Die Frage, ob es Gemeinsamkeiten zwischen dem menschlichen Gehirn und dem Universum gibt, beschäftigt Wissenschaftler seit langem. Jenseits philosophischer Betrachtungen zeigen aktuelle Forschungsergebnisse verblüffende Parallelen in Struktur und Funktion dieser beiden scheinbar völlig unterschiedlichen Systeme auf. Dieser Artikel beleuchtet diese Gemeinsamkeiten und geht auch auf die Auswirkungen von Weltraumaufenthalten auf das menschliche Gehirn ein.
Die Auswirkungen von Weltraumaufenthalten auf das Gehirn
Längere Aufenthalte im Weltraum haben nachweislich Auswirkungen auf das menschliche Gehirn. Eine Studie der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) in München hat gezeigt, dass diese Veränderungen nicht nur kurzfristig sind, sondern auch ein halbes Jahr nach der Rückkehr von Langzeitmissionen im All noch bestehen.
Veränderungen in grauer und weißer Substanz
Die Forscher führten Scans vor dem Abflug und nach der Rückkehr zur Erde durch, bei einigen Kosmonauten auch etwa sieben Monate später. Dabei stellten sie fest, dass das Volumen der grauen Substanz, also des Teils des Großhirns, der hauptsächlich Nervenzellkörper enthält, nach der Landung geringer war als vorher. Dieser Effekt bildete sich im Laufe des halben Jahres nach der Landung etwas zurück, aber nicht vollständig.
Die weiße Substanz, der Teil des Hirngewebes, der vor allem aus Nervenfasern besteht, blieb unmittelbar nach der Landung zunächst scheinbar unverändert. Nach einem halben Jahr jedoch war sie im Vergleich zu den früheren Untersuchungszeitpunkten geschrumpft. Die Wissenschaftler vermuten, dass während des Weltraumaufenthalts ein Teil des Volumens der weißen Substanz durch das sich ausdehnende Nervenwasser ausgetauscht wird.
Ausdehnung des Nervenwassers
Der mit Liquor, umgangssprachlich auch Nervenwasser genannt, gefüllte Raum dehnte sich im All innerhalb des Großhirns aus. Dieser Vorgang setzte sich nach der Rückkehr auf die Erde dann um das Gehirn herum fort. "Insgesamt deuten unsere Ergebnisse auf eine anhaltende Veränderung der Liquor-Zirkulation auch viele Monate nach einer Rückkehr zur Erde hin", so Professor Peter zu Eulenburg von der LMU.
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Mögliche Ursachen und Folgen
Die Ursache für diese umfassenden strukturellen Veränderungen im Gehirn sind möglicherweise minimale Druckunterschiede der verschiedenen Wassersäulen im Körper des Menschen durch die Schwerelosigkeit, die sich über die Zeit akkumulieren. Dies könnte auch die beobachteten Veränderungen des Sehvermögens bei manchen Raumfahrern erklären, die vermutlich durch den Druck des ausgedehnten Nervenwassers auf die Netzhaut und den Sehnerv entstehen.
Ob die beobachteten großflächigen Veränderungen der grauen und weißen Substanz eine Relevanz für die Kognition der Kosmonauten haben, ist aktuell noch unklar. Weitere und längerfristige Studien sind notwendig, um die Risiken bei Langzeitmissionen zu minimieren.
Forschung auf der ISS
Um die Entwicklung von Nervenzellen in der Schwerelosigkeit zu untersuchen, schicken Wissenschaftler um Florian Kohn von der Universität Hohenheim menschliche Zellen zur Internationalen Raumstation ISS. Dort sollen sie in speziellen Brutkisten zwei Wochen lang zu Neuronen heranreifen, bevor sie chemisch fixiert und zur Erde zurückgebracht werden, wo sie eingehend untersucht werden. Frühere Experimente haben bereits gezeigt, dass sich in der Schwerelosigkeit die Zellmembran verändert, was Auswirkungen auf die elektrischen Eigenschaften von Neuronen haben könnte.
Verblüffende Ähnlichkeiten zwischen Gehirn und Universum
Neben den Auswirkungen des Weltraums auf das Gehirn gibt es auch faszinierende Ähnlichkeiten zwischen der Struktur des Gehirns und der Struktur des Universums. Ein Astrophysiker von der Universität Bologna und ein Neurochirurg von der Universität Verona haben das Netzwerk der Nervenzellen im menschlichen Gehirn mit dem kosmischen Netzwerk der Galaxien verglichen und dabei überraschende Parallelen festgestellt.
Gemeinsamkeiten in Zahlen
Das menschliche Gehirn hat ein Volumen von etwa einem Liter und enthält schätzungsweise 69 Milliarden Neuronen. Das beobachtbare Universum hingegen besitzt ein Volumen von 2,3 Millionen Milliarden Trillionen Kubiklichtjahren und zählt mindestens 100 Milliarden Galaxien. Obwohl sich die Größenordnungen deutlich unterscheiden, gibt es interessante Gemeinsamkeiten in der Organisation und Zusammensetzung.
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Organisation in Netzwerken
In beiden Systemen ordnen sich die Elemente, Neuronen bzw. Galaxien, in langen Fäden oder Knoten zwischen den Fäden an. Nur etwa 30 Prozent der Masse in beiden Systemen besteht aus Galaxien und Neuronen. Der Rest besteht aus anderen Komponenten, wie Wasser im Gehirn und dunkler Materie und Energie im Universum. Beide, Wasser und dunkle Materie, scheinen nur eine indirekte Rolle in den inneren Strukturen von Gehirn und Raum zu spielen.
Quantitative Vergleiche
Die Forscher führten quantitative Vergleiche der beiden Strukturen anhand von Bildern durch. Sie suchten nach Unterschieden in der Dichte der Materieverteilung und fanden heraus, dass sie in beiden Systemen überraschend ähnlich ist. "Wir berechneten die spektrale Dichte beider Systeme. Dies ist eine in der Kosmologie häufig angewandte Technik zur Untersuchung der räumlichen Verteilung von Galaxien", erklärt Franco Vazza.
Die Analyse zeigte, dass die Verteilung neuronaler Netze auf einer Skala von 1 Mikrometer bis 0,1 Millimeter der Verteilung von Materie in einem Raumnetz ähnlich ist, aber natürlich in einem größeren Maßstab, der zwischen 5 Millionen und 500 Millionen Lichtjahren liegt. Auch andere morphologische Merkmale, wie die Anzahl der Verbindungen zwischen wichtigen Knoten in beiden Netzwerken, zeigten Ähnlichkeiten.
Ähnliche physikalische Prinzipien?
"Wieder einmal haben strukturelle Parameter unerwartete Übereinstimmungsgrade identifiziert. Wahrscheinlich entwickelt sich die Konnektivität innerhalb der beiden Netzwerke nach ähnlichen physikalischen Prinzipien, trotz des auffallenden und offensichtlichen Unterschieds zwischen den physikalischen Kräften, die Galaxien und Neuronen regulieren", fügt Alberto Feletti hinzu.
Diese Forschung legt nahe, dass die Gesetze, die die Entwicklung des Gehirns und des Kosmos bestimmen, die gleichen sein könnten. Es bedeutet jedoch nicht, dass das Universum ein riesiges Gehirn oder eine riesige Struktur ist, die in der Lage ist, zu fühlen.
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Boltzmann-Gehirne: Ein philosophisches Gedankenexperiment
Ein weiteres faszinierendes, wenn auch spekulatives Thema im Zusammenhang mit Gehirn und Universum ist das Konzept der "Boltzmann-Gehirne". Dieses Gedankenexperiment, benannt nach dem österreichischen Physiker Ludwig Boltzmann, beschäftigt sich mit der Frage, ob es wahrscheinlicher ist, dass ein komplexes System wie ein Gehirn zufällig aus dem Nichts entsteht als ein ganzes Universum.
Die Idee des Boltzmann-Gehirns
Die Idee basiert auf der Annahme, dass Teilchen sich zufällig zu komplexen Konfigurationen anordnen können, sogar aus der Energie, die im Vakuum steckt. Wenn also nur ausreichend Platz und Zeit vorhanden sind, geschehen auch die unwahrscheinlichsten Dinge. Gemäß dem Standardmodell der modernen Kosmologie könnte ein solches Gehirn wesentlich wahrscheinlicher sein als unser ganzes Universum.
Ein Boltzmann-Gehirn wäre ein nacktes Gehirn, das sich quasi "aus dem Nichts" materialisiert und für einen kurzen Moment ein Universum ringsum imaginiert. Jeder von uns könnte ein solches Gehirn sein, und die gesamte Außenwelt wäre eine kosmische Halluzination.
Ein kosmologisches Paradoxon
Dieses Szenario führt zu einem kosmologischen Paradoxon, da es die Vorstellung in Frage stellt, dass wir typische Beobachter sind. Wenn Boltzmann-Gehirne tatsächlich häufiger vorkommen als "normale" intelligente Beobachter, dann wäre unsere Wahrnehmung der Realität möglicherweise eine Illusion.
Auswege aus dem Paradoxon
Es gibt verschiedene Lösungsansätze für dieses Paradoxon. Eine Möglichkeit ist, dass wir keine typischen Beobachter sind und das All, das wir erforschen, nur eine unwahrscheinliche Ecke im ganzen Kosmos ist. Eine andere Möglichkeit ist die Existenz anderer Universen, in denen lebensfreundliche Bedingungen und typische normale Beobachter häufiger vorkommen als Boltzmann-Gehirne.
Ein weiterer Ansatz ist die Postulierung eines Selbstzerstörungsmechanismus des Universums, der aktiv wird, bevor die Dunkle Energie alles beherrscht und genügend Zeit für die Entstehung von Boltzmann-Gehirnen bleibt.