Einführung
Die Frage nach der Entstehung des Gehirns und der Vielfalt der Nervensysteme, die wir heute in der Tierwelt beobachten, ist eine der faszinierendsten und komplexesten in der Biologie. Die Erforschung der Entwicklungsgeschichte von Nervengewebe und Gehirn kann uns wertvolle Einblicke in die Muster der Evolution und die Entstehung von Bewusstsein liefern. Allerdings gestaltet sich diese Spurensuche schwierig, da Fossilien nur selten Spuren von Nervengewebe aufweisen, anhand derer Forscher die Vergangenheit rekonstruieren könnten.
Die Ursprünge des Nervensystems
Frühe Nervensysteme im Ediacarium und Kambrium
Die ersten Nervensysteme entstanden vermutlich vor 600 bis 700 Millionen Jahren, als urzeitliche Mehrzeller ihre Lebensweise änderten und begannen, ihre Umwelt aktiv zu durchstreifen, anstatt nur an einem Ort zu verharren und auf vorbeischwimmende Nahrung zu warten. Diese Umstellung erforderte eine schnelle und effiziente Informationsübertragung über weite Strecken, was zur Spezialisierung von Zellen und zur Bildung von Nervennetzen führte.
Fossilienfunde aus dem Kambrium (vor etwa 520 Millionen Jahren) belegen, dass es bereits damals Lebewesen mit komplexen Gehirnen gab. Insbesondere der Fund eines Fossils des Gliederfüßers Fuxianhuia mit einem dreiteiligen Gehirn (Vorder-, Mittel- und Hinterhirn) sorgte für Aufsehen, da es Ähnlichkeiten zu heutigen Insekten aufwies.
Nervennetze und Strickleiternervensysteme bei Wirbellosen
Die frühesten Nervensysteme waren vermutlich diffuse Nervennetze auf der Körperoberfläche von Tieren, wie sie heute noch bei Hohltieren (Quallen, Polypen) zu finden sind. Diese Tiere haben radiärsymmetrische Körper und ein einfaches Nervensystem, das gleichmäßig im gesamten Körper verteilt ist. An den Schnittpunkten der Neuronen bestehen synaptische Kontakte, die eine Reizweiterleitung ermöglichen.
Eine Weiterentwicklung des Nervensystems stellt das Strickleiternervensystem dar, das bei Arthropoden (Insekten, Krebse, Spinnentiere) und Ringelwürmern vorkommt. Es besteht aus mehreren Ganglien (Nervenknoten), die über zwei Nervenstränge miteinander verbunden sind. Im Kopfbereich kann es zur Verschmelzung mehrerer Ganglien zu einem Kopfganglion oder Oberschlundganglion kommen. Die Ganglien der einzelnen Segmente sind über Konnektive verbunden, wodurch das Bild einer Strickleiter entsteht. Dieses System ermöglicht eine zunehmend unabhängige Arbeit der Neuronen und eine beginnende Gehirnbildung (Cephalisation).
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Die Evolution des Wirbeltiergehirns
Zentralisierung und Spezialisierung
Im Laufe der Evolution kam es bei den Wirbeltieren zu einer zunehmenden Zentralisierung des Nervensystems in Form einer Schaltzentrale: dem Gehirn. Es fungiert als übergeordnetes System und Verarbeitungsstelle, während das Rückenmark als Leitbahn dient und Reflexbögen und Verschaltungen enthält.
Die ersten Wirbeltiere, die vor etwa 500 Millionen Jahren auftraten, ähnelten den heutigen Neunaugen und besaßen bereits eine Schädelkapsel, die das empfindliche Gehirn schützte. Trotz äußerlicher Unterschiede ist das Gehirn bei Fischen, Vögeln, Ratten und Menschen grundsätzlich ähnlich aufgebaut: Der Hirnstamm steuert lebenserhaltende Funktionen, das Kleinhirn koordiniert Bewegungen, und das Vorderhirn dient anspruchsvollen Aufgaben wie Planen, Bewerten von Informationen und Entscheiden.
Das Vorderhirn als "Baustelle der Evolution"
Während sich der Hirnstamm im Laufe der Evolution relativ wenig veränderte, entwickelte sich das Vorderhirn (insbesondere die Großhirnrinde) stark weiter. Der Fortschritt hin zu mehr Leistung, Lernbereitschaft und komplexeren Fähigkeiten ist vor allem dem Aufblähen der Großhirnrinde zu verdanken. Ihr stammesgeschichtlich jüngster Teil, der Neokortex, existiert nur bei Säugetieren und ermöglicht ein flexibles Reagieren auf die Umwelt.
Die Entwicklung des menschlichen Gehirns
Im Laufe der menschlichen Entwicklungsgeschichte nahm vor allem der stirnnahe Teil der Großhirnrinde zu. Vor etwa zwei Millionen Jahren beschleunigte sich das Wachstum des menschlichen Gehirns rasant, möglicherweise aufgrund von Klimaveränderungen, die neue Herausforderungen an die frühen Menschen stellten. Die Herstellung und Bedienung von Werkzeugen, die Entstehung der Sprache und der damit verbundene Nutzen im Überlebenskampf förderten vermutlich die Entwicklung großer Gehirne.
Das menschliche Gehirn ist im Vergleich zu dem anderer Tiere relativ groß und hochgetunt. Es macht etwa 2,5 Prozent der Körpermasse aus, beansprucht aber beachtliche 20 Prozent des Grundumsatzes. Neben seiner Größe zeichnet sich das menschliche Gehirn durch eine hohe soziale Orientierung aus und ist in Herkunft und Funktion vor allem ein soziales Organ.
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Intelligenz im Tierreich: Kriterien und Vergleiche
Absolute und relative Gehirngröße
Ein auffälliges Kennzeichen eines Gehirns ist seine absolute Größe. Innerhalb einer Tiergruppe garantiert das größte Hirn tendenziell die höchste Intelligenz. Spitzenplätze belegen unter den Insekten die Bienen, bei den Weichtieren die Oktopusse und bei den Vögeln die Papageien, Eulen und Krähen.
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. Bei den Primaten steigt die Gehirngröße jedoch etwa im selben Maße an wie die Körpergröße. Der Mensch setzt noch eins drauf: Wir haben für jedes Kilo des Körpergewichts dreimal so viel Hirn wie ein Schimpanse und achtmal so viel wie eine Katze.
Neuronendichte und Konnektivität
Letztendlich kommt es auf den Inhalt des Gehirns an. Entscheidend ist, wie dicht die Neuronen gepackt sind und wie gut sie miteinander verbunden sind. Vögel und Primaten sind die einzigen Wirbeltiere, bei denen die Neuronendichte in großen wie in kleinen Gehirnen gleich hoch ist. Bei Vögeln ist die Packungsdichte sogar noch höher als bei den Primaten, was erklärt, warum sie trotz ihrer kleinen Gehirne so erfolgreich sind.
Die eigentliche "Musik" spielt sich in den Verbindungen der Nervenzellen ab. Eine größere Zahl an Nervenzellen ermöglicht auch mehr synaptische Verbindungen. Der Mensch übertrifft sämtliche Tiere in der Zahl der Synapsen. Unsere Hirnrinde ist dichter mit Neuronen bepackt als die der Wale und Elefanten, was eine besonders schnelle Kommunikation zwischen den Zellen ermöglicht.
Parzellierung und Modularität
Ein weiteres wichtiges Kriterium für Intelligenz ist die Parzellierung des Gehirns in verschiedene Areale, die unterschiedliche Informationen verarbeiten und zusammenführen. Je stärker diese Parzellierung ist, umso besser. Die menschliche Hirnrinde verfügt über 150 Areale mit 60 Verbindungsstellen, die insgesamt 9000 Areal-Verschaltungen ermöglichen.
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Auch die Pilzkörper des Bienengehirns sind in zahlreiche Module gegliedert, die parallel viele sensorische, motorische, modulatorische und bewertende Informationen entgegennehmen. Je mehr Neuronen in diesen parallel verknüpften Modulen liegen, umso komplexer sind die Leistungen, die sie ermöglichen.
Flugfähigkeit und Gehirnentwicklung
Eine aktuelle Studie untersuchte die Gehirne von Flugsauriern, Vögeln und deren Vorfahren, um die evolutionären Zusammenhänge zwischen Flugfähigkeit und Gehirnentwicklung zu erforschen. Die Ergebnisse zeigen, dass sich die Anatomie des Gehirns der Flugsaurier im Maßstab evolutionärer Zeiträume mit der Ausbildung der Flugfähigkeit sehr schnell entwickelt haben muss. Interessanterweise hatten Flugsaurier viel kleinere Gehirne als Vögel, was beweist, dass man zum Fliegen kein großes Gehirn braucht. Eine besondere Eigenschaft des Flugsauriergehirns war ein vergrößerter Flocculus, der mit der Verarbeitung von Sinnesinformationen von den membranbespannten Flügeln zusammenhängt und den Tieren half, ihre Augen im Flug fest auf ihr Ziel zu richten.
Evolutionäres Menschenbild: Gemeinsamkeiten und Besonderheiten
Der Mensch als kognitiver Spezialist
Ein naturwissenschaftliches Menschenbild basiert auf der Erkenntnis, dass wir fast alle unsere anatomischen, physiologischen und mentalen Eigenschaften mit den anderen Lebewesen teilen. Der Mensch hat 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.
Menschen werden meist fälschlicherweise als ökologische Generalisten beschrieben - tatsächlich sind sie kognitive Spezialisten. Daher ist gegenüber optimistischen Fantasien zur Lösung der Probleme der Welt durch eine weitere Evolution des menschlichen Gehirns Skepsis angebracht.
Die Evolution des menschlichen Gehirns: Von den ersten Nervenzellen zur komplexen Symbolsprache
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.
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.
Zum besonderen Gehirn des Primaten Homo sapiens fehlte nun nur noch ein kleiner Schritt, mit allerdings großen Folgen: die Entwicklung einer komplexen Symbolsprache mit einer universellen menschlichen Grammatik, mit der Babys bereits zur Welt kommen. Die typisch menschliche Sprachfähigkeit entstand, und zwar als soziales Instrument.
Konfliktzonen der menschlichen Natur
Angesichts des in einer Art "Bastlermanier" entstandenen menschlichen Hochleistungsgehirns erahnt man bereits, dass es kein Substrat für glattes, maschinenartiges Funktionieren sein kann. Schließlich integrierte es auch über 600 Millionen Jahre die wichtigsten Treiber der Evolution, die auch heute noch das menschliche Verhalten prägen. Dies sind seit Urzeiten der zwischenartliche Räuber-Beute-Rüstungswettlauf sowie die innerartliche Konkurrenz um den Reproduktionserfolg. Erst in den letzten 150 Millionen Jahren kam bei den Säugetieren und manchen Vögeln die "Liebe" als neuro-humoraler und mentaler Bindungsmechanismus zwischen Müttern bzw. Eltern und ihren Nachkommen in die Welt.
So wurden die Menschen zu den nettesten und kooperativsten Wesen überhaupt. Gleichzeitig aber quälen und töten sie unter bestimmten Bedingungen grausam andere Menschen und Tiere. Menschen sind zweifellos die rationalsten aller Lebewesen, dennoch handeln sie sehr oft irrational und widersprüchlich, getrieben von den alten Überlebens- und Reproduktionsinstinkten, oft im Konflikt mit den stammesgeschichtlich eher jungen sozialen Antrieben.
Die Bedeutung der Kindesentwicklung für die Gehirnentwicklung
Gehirnwachstum und Vernetzung nach der Geburt
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. 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.
Bereits bei der Geburt hat das Gehirn eines menschlichen Babys mit circa 400 ml etwa die Größe eines erwachsenen Schimpansengehirns. 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.
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. Studien haben gezeigt, dass sich das Muster der endocranialen Gestaltveränderung direkt nach der Geburt zwischen Neandertalern und modernen Menschen unterscheidet. Moderne Menschen unterscheiden sich von Neandertalern in einer frühen Phase der Gehirnentwicklung. Diese Entwicklungsunterschiede direkt nach der Geburt könnten Auswirkungen auf die neuronale und synaptische Organisation des Gehirns haben.
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