Der Mensch zeichnet sich durch seine bemerkenswerten kognitiven Fähigkeiten aus. Die Evolution des Gehirns, des Organs, das diese Fähigkeiten ermöglicht, ist jedoch ein komplexer und noch nicht vollständig verstandener Prozess. Jüngste Forschungsergebnisse liefern neue Einblicke in diesen Prozess und werfen die Frage auf, warum unsere Gehirne schrumpfen und welche Faktoren die Entwicklung unserer Denkorgane beeinflusst haben.
Frühe Hinweise aus fossilen Funden
Ein 20 Millionen Jahre alter Primatenschädel des Chilecebus carrascoensis, eines frühen Neuweltaffen, bietet wertvolle Informationen über die Gehirnentwicklung. Die Analyse dieses Fossils ergab, dass das Gehirn dieses Primaten zwar relativ klein war, aber bereits überraschend komplex war. Es verfügte über gefaltete Hirnwindungen, die typisch für moderne Affen sind, und eine entwickelte Oberflächenstruktur mit mindestens sieben Hirnfurchen-Paaren.
Interessanterweise zeigten die Proportionen bestimmter Hirnregionen bei Chilecebus keine negative Korrelation zwischen der Größe des visuellen und des olfaktorischen Zentrums, wie sie bei heutigen Primaten beobachtet wird. Dies deutet darauf hin, dass sich das olfaktorische und das visuelle System während der Evolution des Gehirns möglicherweise unabhängiger voneinander entwickelt haben.
Vergleiche mit Schädeln anderer früher Affen bestätigen diese unabhängige Entwicklung einzelner Hirnbereiche. Einzelne Gehirnregionen wuchsen nicht gleichmäßig mit dem größer werdenden Gehirn, sondern veränderten sich mosaikartig. Viele dieser Veränderungen könnten sich bei Neuweltaffen und Altweltaffen unabhängig voneinander entwickelt haben. Auch die Vergrößerung des Gehirns insgesamt scheint im Laufe der Evolution der Affen mehrmals stattgefunden zu haben.
Diese Erkenntnisse deuten darauf hin, dass die Evolution des Gehirns ein komplexer und weniger linearer Prozess war als bisher angenommen.
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Der Trend zur Verkleinerung des Gehirns beim modernen Menschen
Während die Gehirne von Menschen über Millionen von Jahren immer größer geworden sind, beobachten US-Forschende seit etwa 3.000 Jahren einen gegenläufigen Trend: Unsere Gehirne werden kleiner. Andere Forschende vermuten, dass dieser Prozess bereits vor 10.000 oder sogar 30.000 Jahren begann. Es gibt jedoch keinen Grund zur Sorge, da diese Verkleinerung nicht mit einem Intelligenzverlust einhergeht.
Die Ursachen für die Verkleinerung des Gehirns werden in der sozialen Struktur und Interaktion des Menschen vermutet. Menschen organisieren sich ähnlich wie Ameisen in Staaten, teilen Aufgaben auf und entwickeln eine kollektive Intelligenz. Die Reduzierung der Gehirnmasse tritt ab dem Zeitpunkt auf, an dem Menschen in größeren Gemeinschaften zusammenleben, da die Aufgabenverteilung und die kollektive Intelligenz es dem Einzelnen ermöglichen, Energie zu sparen.
Diese Veränderung setzte sich durch, ohne dass die intellektuelle Leistung nachgelassen hat. Die Menschheit profitierte sogar davon, da die Aufgabenverteilung und das Wissen jedes Einzelnen zu einer regelrechten Wissensexplosion führten.
Der Verlust eines Gens und die Expansion des Gehirns
Interessanterweise verlor der Mensch zu dem Zeitpunkt, als sein Gehirn zu wachsen begann, das Gen für die Produktion der Sialinsäure Neu5Gc. Während jedes andere Säugetier über dieses Gen verfügt, fehlt es dem Menschen.
Forschungen haben ergeben, dass der Mensch die Fähigkeit zur Neu5Gc-Produktion vor etwa 2,7 bis 2,8 Millionen Jahren verlor. Bemerkenswert ist, dass das menschliche Gehirn zu dieser Zeit noch nicht größer war als das eines Schimpansen. Wenig später änderte sich dies jedoch, und das menschliche Gehirn legte kräftig an Volumen zu.
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Die Forscher vermuten, dass die Sialinsäure Neu5Gc, deren Bedeutung nicht gänzlich verstanden ist, diese Entwicklung gestört haben könnte. Irgendwie habe das Gen wohl die Expansion des Gehirns verhindert.
Die allmähliche Entwicklung der modernen Gehirnform
Die ältesten Fossilien unserer eigenen Art Homo sapiens aus Jebel Irhoud in Marokko sind etwa 300.000 Jahre alt. 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.
Forschungen haben gezeigt, 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.
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. Selbst die ältesten Homo sapiens-Fossilien von Jebel Irhoud hatten bereits eine ähnliche Gehirngröße wie heute lebende Menschen.
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Die Forscher vermuten daher, dass evolutionäre Veränderungen der frühen Hirnentwicklung entscheidend für die Evolution komplexer Denkprozesse beim Menschen sind.
Genetische Veränderungen und die Entwicklung des Neokortex
Nachdem sich die Vorfahren des modernen Menschen von denen der Neandertaler und Denisovaner trennten, veränderten sich beim modernen Menschen etwa hundert Aminosäuren, die Bausteine von Proteinen in Zellen und Geweben.
Um die Auswirkungen dieser Veränderungen auf die Entwicklung des Neokortex zu untersuchen, brachten die Wissenschaftler zunächst die modernen menschlichen Varianten in Mäuse ein. Sie fanden heraus, dass drei Aminosäure-Veränderungen des modernen Menschen in zwei Proteinen, nämlich in KIF18a und KNL1, eine längere Metaphase verursachen, eine Phase, in der die Chromosomen für die Zellteilung vorbereitet werden. Dies führt zu weniger Fehlern bei der Verteilung der Chromosomen auf die Tochterzellen der neuralen Stammzellen, genau wie beim modernen Menschen.
Um zu überprüfen, ob die Neandertaler-Aminosäuren den entgegengesetzten Effekt haben würden, konvertierten die Forschenden die drei moderne-Menschen-Aminosäuren zurück in den Neandertaler-Zustand, und zwar in sogenannten menschlichen Hirnorganoiden. In diesem Fall verkürzte sich die Metaphase und es wurden mehr Fehler bei der Chromosomenverteilung gefunden.
Laut den Forschern zeigt dies, dass diese drei Aminosäureveränderungen in den Proteinen KIF18a und KNL1 dafür verantwortlich sind, dass beim modernen Menschen weniger Chromosomenverteilungsfehler auftreten als bei Neandertalern und Schimpansen. Fehler in der Chromosomenzahl sind für die Zellen in der Regel ungünstig, was sich bei Erkrankungen wie Trisomien und Krebs zeigt.
Die Studie deutet darauf hin, dass einige Aspekte bei der Entwicklung und Funktion des Gehirns moderner Menschen unabhängig von der Gehirngröße sind, da Neandertaler und moderne Menschen ein ähnlich großes Gehirn haben. Die Ergebnisse lassen auch vermuten, dass die Gehirnfunktion der Neandertaler stärker von Chromosomenfehlern beeinflusst wurde als die des modernen Menschen.
Die Bedeutung der Gehirnstruktur und -entwicklung in der Kindheit
Das Gehirnvolumen heute lebender Menschen ist etwa dreimal so groß wie das von Schimpansen. Vor allem in den letzten zwei Millionen Jahren kam es zu einer dramatischen Größenzunahme des menschlichen Gehirns.
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.
Im Vergleich zu Menschenaffen nimmt das Gehirn des Menschen im Laufe der Kindesentwicklung 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.
Unterschiede in der Gehirnentwicklung zwischen Neandertalern und modernen Menschen
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.
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. 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.
Weitere Theorien zur Verkleinerung des Gehirns
Neben den oben genannten Faktoren gibt es noch weitere Theorien, die die Verkleinerung des menschlichen Gehirns erklären könnten:
- Wärmeres Klima: Manche Forscher glauben, dass das Gehirn schrumpfte, weil auch unsere Körper an Masse leicht abgenommen haben. Dies könnte mit den milderen klimatischen Bedingungen zusammenhängen, die sich vor 10.000 Jahren auf der Erde ausbreiteten.
- Externe Speicher: Eine andere Theorie besagt, dass das menschliche Gehirn mit dem Aufkommen von externen Informationsspeichern schrumpfte. Anfangs waren das Höhlenmalereien, später Schrift und in moderner Zeit schließlich digitale Speichermedien.
- Selbstdomestizierung: Die These der "Selbstdomestizierung" ist eine alternative Erklärung für die schrumpfenden Gehirne. Laut ihr sind kleinere Gehirne ein körperlicher Nebeneffekt, der eigentlich aus einer natürlichen Auslese von bestimmtem Verhalten hervorgeht.
Die Schattenseiten der Evolution des Gehirns
Im Austausch für mehr geistige Kapazität und größere Hirnrinde sind die Menschen möglicherweise anfälliger für den altersbedingten Verlust der grauen Substanz geworden. Dies deute "auf einen Zusammenhang zwischen der evolutionären Entwicklung bestimmter kortikaler Areale beim Menschen und einer erhöhten Anfälligkeit für neurodegenerative Prozesse hin", schreiben Forscher.
Zellatrophie, Gewebeschwund in der grauen Hirnsubstanz, tritt auch bei Schimpansen auf, jedoch in viel geringerem Ausmaß. Dieser Prozess in der grauen Hirnsubstanz kann durch altersbedingte Erkrankungen wie Alzheimer, Parkinson und andere neurodegenerative Erkrankungen weiter beschleunigt werden.