Wirbeltiere weisen eine erstaunliche Vielfalt an Gehirngrößen auf. Bei gleicher Körpergröße kann die Gehirngröße um das Hundertfache variieren. Säugetiere und Vögel haben im Verhältnis zu ihrer Körpergröße in der Regel die größten Gehirne, gefolgt von Haien und Reptilien, während Amphibien und die meisten Fische die kleinsten Gehirne aller Wirbeltiere besitzen.
Energiebedarf des Gehirns
Gehirngewebe benötigt viel Energie, und der Organismus muss in der Lage sein, diese Energie bereitzustellen, um ein größeres Gehirn zu unterstützen. Im Gegensatz zu anderen Organen lässt sich das Gehirn im Schlaf oder in Hungerphasen nicht einfach herunterfahren. Der "Expensive Brain Hypothesis" zufolge kann das Gehirn nur dann wachsen, wenn es die zusätzliche Energie selbst produziert oder wenn es die Überlebenschancen des Organismus so stark verbessert, dass dieser es sich leisten kann, langsamer zu wachsen und sich zu vermehren. Dies erklärt beispielsweise, warum Affenarten, die im Jahresverlauf keine Hungerperioden und damit Energieeinbußen erdulden müssen, größere Gehirne besitzen und warum die Gehirne sesshafter Vögel größer sind als die von Zugvögeln.
Einfluss von Körpertemperatur und Nachkommengröße
Forschende des Max-Planck-Instituts für Verhaltensbiologie in Konstanz haben herausgefunden, dass in allen Wirbeltiergruppen die Körpertemperatur einen wesentlichen Einfluss auf die Gehirngröße hat. Arten, die ihren Körper konstant warm halten, können sich in der Regel größere Gehirne leisten, da diese in warmer Umgebung leistungsfähiger sind. Dies gilt nicht nur für sogenannte warmblütige, sondern auch für kaltblütige Arten, die in wärmeren Bedingungen leben oder diese gezielt wählen.
Die Größe der Nachkommen begrenzt ebenfalls die Gehirngröße im Erwachsenenalter. Da die Kosten eines im Verhältnis zum Gewicht großen Gehirns für Jungtiere besonders hoch sind, zahlt es sich aus, den Wert erstmal niedrig zu halten. Die Gruppen, die es schaffen, sowohl warme Körper zu haben als auch große Jungtiere zu produzieren, haben die größten Gehirne.
Evolutionäre Entwicklung des Gehirns
Eine konstant hohe Körpertemperatur war also die Voraussetzung dafür, dass die Evolution größere Gehirne hervorbringen konnte. Entstanden ist dieses Fähigkeit ursprünglich jedoch aus anderen Gründen - vermutlich, damit Säugetiere nachts aktiv bleiben und Vögel längere Strecken fliegen können. Erst danach stand die Tür für das Gehirnwachstum offen.
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Bereits vor 700 Millionen Jahren verfügten Seeanemonen und Quallen über auf Reizleitung spezialisierte Nervenzellen. Aber erst vor etwa 560 Millionen Jahren begann mit den ersten bilateral-symmetrischen Tieren die gerichtete Fortbewegung. Dazu brauchte es am Vorderpol konzentrierte Sinne und Nervenzellen, womit die ersten Gehirne entstanden.
Im Vergleich zu den Ur-Bilateriern wurden die Gehirne der ersten Wirbeltiere (Fische) vor 500 Millionen Jahren um Versuch-und-Irrtum-Lernen ergänzt. Dieser Lernmechanismus brauchte aber zusätzliche Hardware, um in einer wirklichen Welt im Sinne angepassten Verhaltens zu funktionieren: Es entstanden der Thalamus, die Vorläufer des Kortex, das Mittelhirndach und das Kleinhirn. Sie ermöglichen das ständige Abwägen von Kosten und Nutzen, das Erkennen von Mustern, eine mentale Repräsentation von Raum und Zeit und auch die Neugierde, die bis heute unser Verhalten antreibt.
Ein entscheidender Durchbruch am Weg zum menschlichen Gehirn geschah bei den frühen Säugetieren vor etwa 150 Millionen Jahren. Im Dach des Vorderhirns entstand der Neokortex als vielseitig verwendbare und nahezu beliebig erweiterbare Recheneinheit. Damit konnten sich die Säugetiere die Welt viel besser vorstellen und vorhersagen als ihre reptilienartigen Vorfahren.
Unterschiede im Gehirnbau bei Wirbeltieren
Das Gehirn der Wirbeltiere lässt sich in verschiedene Bereiche unterteilen, die sich in ihrer Struktur und Funktion unterscheiden. Der Hirnstamm ist der älteste und tiefstliegende Teil des Gehirns und steuert lebensnotwendige Funktionen wie Atmung, Herzschlag und Kreislauf. Das Kleinhirn koordiniert Bewegungen und das Vorderhirn ist für anspruchsvolle Aufgaben wie Planen, Bewerten von Informationen und Entscheiden zuständig.
Hirnstamm
Der Hirnstamm ist der älteste und tiefstliegende Teil des menschlichen Gehirns. Er hat sich bereits vor ca. Millionen Jahren im Laufe der Evolution entwickelt. Er besteht aus der Medulla oblongata (verlängertes Mark), der Brücke (Pons) und dem Mittelhirn (Mesencephalon).
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Die Medulla oblongata ist für die Steuerung lebenswichtiger Funktionen wie Atmung, Nahrungsaufnahme und Darmtätigkeit zuständig. Sie enthält eine Region, die Formatio reticularis genannt wird und den ganzen Hirnstamm durchzieht. Von hieraus ziehen Nervenbahnen zu den einzelnen Körperorganen, um die Informationen über die notwendige Regulation weiterzuleiten. Die Medulla ist auch eine wichtige Umschaltstation innerhalb des motorischen Systems.
Die Brücke (Pons) verbindet das Großhirn mit dem Kleinhirn. Nahezu alle Fasern, die diese Bereiche verbinden, laufen durch die Brücke. Auch befinden sich hier zahlreiche Kerngebiete, in denen Nervenbahnen zwischen Groß- und Kleinhirn verschaltet werden.
Das Mittelhirn (Mesencephalon) besteht aus der Vierhügelplatte (Tectum mesencephali) und dem Tegmentum mesencephali (Die Haube des Mittelhirns). Die Vierhügelplatte besteht aus den Colliculi superiores (obere Hügelchen) und den Colliculi inferiores (untere Hügelchen). Darunter liegt das Tegmentum mesencephali, das die Substantia nigra enthält, einen der beiden Ursprungskerne des dopaminergen Systems.
Die Formatio reticularis ist ein netzartiges Gebilde, das sich über das gesamte Tegmentum bis hinunter zum Rückenmark zieht. Sie ist an der Steuerung und Koordination von Atmung, Schluckreflex, Kreislauf, Brechen usw. beteiligt. Darüber hinaus entspringt der Formatio reticularis das sogenannte „Weckzentrum“, das aufsteigende retikuläre Aktivierungssystem (ARAS).
Hirnnerven
Die Hirnnerven entspringen nicht direkt dem Rückenmark, sondern direkt aus dem Gehirn, die meisten aus dem Stammhirn. Eine Ausnahme bildet der 11. Hirnnerv, der sowohl aus dem Gehirn als auch aus dem Rückenmark entspringt und darum mit zu den Hirnnerven gezählt wird. Alle Hirnnerven gehören zum peripheren Nervensystem. Sie haben z.T. sensorische (Wahrnehmung) und z.T. gemischte Funktionen. Bezeichnet werden sie mit römischen Ziffern von I bis XII und lateinischen Namen, die auf ihre Funktion schließen lassen (sollen).
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Das menschliche Gehirn im Vergleich
Menschen entwickelten mit 1.200 bis 1.500 Kubikzentimeter das relativ größte Gehirn der Wirbeltiere. Unser Gehirn macht etwa 2,5 Prozent der Körpermasse aus, beansprucht aber beachtliche 20 Prozent des Grundumsatzes. Im Vergleich zum Gehirn der Schimpansen ist es nicht nur groß, sondern auch hochgetunt; aus dem soliden Boxermotor der Menschenaffen wurde ein Formel 1-Aggregat.
Tatsächlich verfügen Menschen neben diesem Spezialgehirn über die extremste soziale Orientierung; auch das menschliche Gehirn ist in Herkunft und Funktion vor allem ein soziales Organ. Menschen werden meist fälschlicherweise als ökologische Generalisten beschrieben - tatsächlich sind sie kognitive Spezialisten.
Im Laufe der menschlichen Entwicklungsgeschichte nahm vor allem der stirnnahe Teil der Großhirnrinde zu. Die Natur als Architekt baute nicht nur immer neue Zimmer und Säle an ihre Gehirnkomplexe - sie riss ungenutzte Räume auch kompromisslos wieder ab.
Intelligenz und Gehirnstruktur
Das auffälligste Kennzeichen eines Gehirns ist seine absolute Größe. Weil diese an die Körpermaße gekoppelt ist, haben große Tiere größere Gehirne als kleine. Innerhalb einer Tiergruppe garantiert das größte Hirn folglich die höchste Intelligenz. Spitzenplätze belegen unter den Insekten die Bienen, bei den Weichtieren die Oktopusse und bei den Vögeln die Papageien, Eulen und Krähen.
Offensichtlich 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. Außer bei den Primaten: Hier steigt die Gehirngröße etwa im selben Maße an wie die Körpergröße. Deshalb hat jedes Äffchen mehr Hirnmasse als ein gleich großer Hund oder Hase. Innerhalb der Primaten setzt der Mensch noch eins drauf: Wir haben für jedes Kilo des Körpergewichts dreimal so viel Hirn wie ein Schimpanse und achtmal so viel wie eine Katze.
Dennoch reicht auch die relative Größe eines Gehirns nicht zur Qualitätsbestimmung aus: Es kommt vor allem auf den Inhalt an. 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.
Nervensysteme bei Wirbellosen
Auch bei Wirbellosen gibt es eine große Vielfalt an Nervensystemen. Nesseltiere (z.B. Quallen) besitzen ein Nervennetz, bei dem die Neuronen gleichmäßig im gesamten Körper verteilt sind. Arthropoden (z.B. Insekten, Krebse, Spinnentiere) und Ringelwürmer besitzen ein Strickleiternervensystem, das aus mehreren Ganglien besteht, die über zwei Nervenstränge miteinander verbunden sind. Im Kopfbereich zeigt es oft eine Verschmelzung mehrerer Ganglien, das sogenannte Kopfganglion oder Oberschlundganglion.
Weichtiere (z. B. Schnecken, Muscheln und Tintenfische) besitzen ein Zentralnervensystem aus paarigen Ganglien, welche in verschiedenen Körperteilen lokalisiert und durch Kommissuren oder Konnektive miteinander verbunden sind. Den höchsten Grad der Gehirnbildung in dieser Gruppe haben die Cephalopoden erreicht.
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