Das Gehirn von Säugetieren ist ein komplexes Organ, das für eine Vielzahl von Funktionen verantwortlich ist, von der Wahrnehmung der Umwelt bis hin zur Steuerung von Verhalten und Kognition. Obwohl es viele Gemeinsamkeiten zwischen den Gehirnen verschiedener Säugetierarten gibt, existieren auch bemerkenswerte Unterschiede, die ihre jeweiligen Fähigkeiten und Anpassungen widerspiegeln. Dieser Artikel beleuchtet die Gemeinsamkeiten und Unterschiede in Bezug auf Gehirnzellen bei Säugetieren, wobei Aspekte wie neuronale Schaltkreise, Energieverbrauch und Gehirnstruktur berücksichtigt werden.
Neuronale Schaltkreise und Informationsverarbeitung
Ein faszinierender Aspekt der Gehirnforschung ist der Vergleich neuronaler Schaltkreise zwischen verschiedenen Tierarten. Obwohl die Augen von Säugetieren und Insekten auf den ersten Blick wenig gemeinsam haben, offenbart ein Vergleich der neuronalen Schaltpläne zur Bewegungserkennung erstaunliche Parallelen.
Bewegungserkennung bei Fliegen und Mäusen: Ein überraschender Vergleich
Das Facettenauge einer Fliege, bestehend aus tausenden Einzelaugen, ermöglicht einen Panoramablick, während das menschliche Auge kleiner und beweglicher ist. Trotz unterschiedlicher Farbspektren und der Fähigkeit des Fliegenhirns, mehr Bilder pro Sekunde zu verarbeiten, haben beide Sehsysteme ein gemeinsames Problem: Einzelne Fotorezeptoren erfassen nur einzelne Pixel des Gesamtbildes. Das Gehirn muss Distanzen, Formen und Bewegungen aus diesen Einzelinformationen errechnen.
Forschungen haben gezeigt, dass es für diese Berechnungen effiziente Grundregeln gibt, die sowohl im Fliegen- als auch im Mäusegehirn Anwendung finden. Obwohl Insekten und Säugetiere durch 550 Millionen Jahre Evolution getrennt sind, gibt es erstaunliche Parallelen in der Verarbeitung visueller Bewegungsinformationen. Dies deutet auf eine robuste Lösung für die neuronale Berechnung von Bewegungsrichtungen hin.
Fotorezeptoren reagieren auf Kontraständerungen und geben ihre Informationen an Zellen weiter, die entweder auf Dunkel-Hell-Änderungen ("Licht an") oder Hell-Dunkel-Änderungen ("Licht aus") reagieren. Diese Aufteilung in ON- und OFF-Kanäle ist auch aus der Wirbeltier-Netzhaut bekannt. In beiden Kanälen wird aus den Informationen verschiedener Fotorezeptoren die Bewegungsrichtung errechnet. Nachdem die Richtung der Bewegung ermittelt wurde, werden die Informationen aus ON- und OFF-Kanälen wieder zusammengeführt und repräsentieren nun vier orthogonale Richtungen: rechts, links, aufwärts oder abwärts.
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Im Mäusegehirn findet die Fusion aus ON- und OFF-Kanälen früh statt. Die Bewegungsinformation stammt aus einem kleinen Bereich des Sehfeldes und wird mit anderen Informationen verknüpft und in höhere Hirnregionen geschickt. In der Fliege hat die errechnete Bewegungsrichtung bereits die Nervenzellen erreicht, die Einfluss auf das Verhalten haben. Die Bewegungsinformation stammt aus einem großen Bereich des Sehfeldes und die Nervenzellen können darauf aufbauend zum Beispiel eine Kurskorrektur durch die Flugmuskulatur auslösen.
Diese Parallelen in der Verarbeitung von Bewegungen könnten auf einen gemeinsamen Vorfahren oder eine unabhängige Entwicklung gleicher Schaltpläne hindeuten. Unabhängig vom Ursprung zeigt ihre Existenz, dass es sich um einen bewährten Verarbeitungsweg handelt, der die bestmögliche Berechnung von Bewegungsrichtungen durch Nervenzellen ermöglicht - mit so wenigen Zellen wie nötig und so energieeffizient wie möglich.
Energieverbrauch des Gehirns
Das Gehirn ist ein energieintensives Organ. Obwohl es nur etwa zwei Prozent des Körpergewichts ausmacht, verbraucht es etwa 20 bis 25 Prozent der Körperenergie. Dies gilt auch für andere Tiere: Die energetischen Kosten begrenzten die Zunahme der Anzahl der Neuronen. Die Gehirnzellen von Vögeln benötigen nur etwa ein Drittel der Energie, die Säugetiere aufwenden müssen, um ihr Gehirn zu versorgen.
Energieeffizienz bei Vögeln
Eine Studie ergab, dass Vögel pro Volumen Hirnmasse zwei- bis dreimal so viele Nervenzellen besitzen wie Säugetiere. Ihre Gehirne sind also viel dichter gepackt. Zudem sind ihre Hirnnervenzellen kleiner. Dank der Positronen-Emissions-Tomografie (PET) konnte man abschätzen, wie viel Glukose die Nervenzellen im Gehirn der Tauben im wachen und im narkotisierten Zustand jeweils verbrauchten. Im Wachzustand benötigt das Gehirn der Taube nur 27 Mikromol Glukose pro 100 Gramm neuronalen Gewebes. „Heruntergebrochen auf die einzelnen Nervenzellen ergibt dies eine dreimal niedrigere Rate als bei einem durchschnittlichen Säugetierneuron.“, so die Forscher.
Der geringere Energieverbrauch könnte mit der höheren Körpertemperatur von Vögeln zusammenhängen, aber wahrscheinlich auch mit zusätzlichen Faktoren, die derzeit noch völlig unbekannt sind. Dies erklärt zum Teil, wie Vögel es schaffen, so schlau zu sein, obwohl ihre Gehirne so viel kleiner sind als die von Säugetieren.
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Neuronendichte und Evolution
Die Dichte der Nervenzellen im Gehirn von Landwirbeltieren stieg viermal sprunghaft an. Zwei dieser Sprünge führten zum Gehirn von Primaten; unabhängig davon entstand das ebenfalls sehr leistungsfähige Gehirn der Landvögel in zwei solchen Schüben. Die beiden ersten Sprünge führten dazu, dass Säugetiere einerseits und Vögel andererseits rund 20-mal so viele Nervenzellen im Gehirn haben wie gleich große Reptilien. Später folgte in Teilen beider Gruppen je ein weiterer, aber kleinerer Anstieg zu noch dichter mit Nervenzellen bestückten Gehirnen. Die höchste Neuronendichte unter allen untersuchten Gruppen haben laut der Analyse Papageien und Singvögel.
Als Hintergrund der ersten großen Entwicklungssprünge bei den Gehirnen von Vögeln und Säugetieren vermuten die Fachleute die Fähigkeit beider Gruppen, eine hohe Körpertemperatur aufrechtzuerhalten. Nervenzellen verbrauchen sehr viel Energie, deswegen sind große Gehirne im Vergleich zum restlichen Körper energetisch sehr teuer. In einem Tier, das ohnehin einen enorm hohen Energieumsatz durch seine konstante Körpertemperatur hat, fielen die zusätzlichen Kosten durch mehr Gehirnzellen weniger ins Gewicht, argumentiert die Arbeitsgruppe.
Gehirnstruktur und Faltung
Die Großhirnrinde (Kortex) des menschlichen Gehirns weist ein charakteristisches Muster von Rillen und Furchen auf. Diese erlauben dem Kortex eine maximale Oberfläche bei minimalem Raumbedarf im Schädel. Nicht alle Säugetiere haben jedoch ein gefaltetes Großhirn. Viele Säugetiere haben eine gefaltete Großhirnrinde. Deren Oberfläche ist im Vergleich zu einem ungefalteten Gehirn um ein Vielfaches größer und erlaubt komplexe geistige Fähigkeiten wie Planen, Assoziieren und Navigieren. Evolutionsbiologen vermuten, dass bereits das vor rund 200 Millionen Jahren lebende Ur-Säugetier ein gefaltetes Gehirn besaß. Erstaunlicherweise haben jedoch einige moderne Säuger die Faltung wieder teilweise oder ganz verloren. So haben Mäuse und Ratten einen komplett glatten Kortex und der von Seekühen und Seidenaffen ist bis auf wenige Furchen glatt.
Faktoren, die die Hirnfaltung beeinflussen
Was zur Ausbildung solch einer glatten Hirnoberfläche führt, ist nicht bekannt. Einen Ansatz gibt das Wanderverhalten junger Nervenzellen: Bei Mäusen wandern diese während der Entwicklung langsam und geordnet zur Großhirnrinde. Dies führt dazu, dass sich die Zellen zu einer gleichmäßigen und glatten Schicht in der Großhirnrinde aufreihen. Der evolutionäre Erfolg der Säugerarten mit glatter Großhirnrinde zeigt, dass ein ungefurchtes Gehirn nicht unbedingt von Nachteil sein muss. Es scheint vielmehr so zu sein, dass die Hirnfaltung für diese Arten keinen Überlebensvorteil darstellte und im Laufe der Evolution wieder verloren ging.
Welche Faktoren eine Hirnfaltung begünstigen oder unterbinden, kann durch die bisherigen Erklärungsansätze nicht ausreichend erklärt werden. Vorherige Studien zeigten, dass es während der embryonalen Entwicklung gefalteter Gehirne zu einer Vermehrung von Vorläuferzellen kommt. Diese produzieren eine größere Anzahl junger Nervenzellen, die zur Großhirnrinde wandern und dort ein gewisses Gedränge verursachen. Der starre Schädelknochen verhindert, dass sich der Kortex - ähnlich wie ein Hefekuchen im Ofen - einfach ausdehnt. Um den Überschuss an Hirnmasse unterzubringen, muss sich die Großhirnrinde deshalb falten, so die bisherige Erklärung. Studien an Mäusen, in denen die Zahl der Nervenzellen künstlich erhöht wurde, zeigten jedoch, dass dieser Prozess nicht ausreicht, um den Kortex zu falten: Die Tiere hatten zwar eine dickere, ansonsten aber immer noch glatte Hirnrinde.
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Die Rolle von FLRT-Molekülen
Bei Mäusen lässt ein Molekül namens FLRT3 Nervenzellen aneinanderhaften und unterstützt so eine geordnete Wanderung in den Kortex. Wurde das FLRT3 Gen während der Gehirnentwicklung entfernt, änderte sich das Verhalten der Zellen: Es kam zur ungleichmäßigen Verteilung der Zellen durch Gruppenbildung während der Wanderung, die etwas an das ungeordnete Wanderverhalten der Zellen in einem gefalteten Gehirn erinnerte. Mäuse, deren Vorläuferzellen weder FLRT3 noch das verwandte FLRT1-Molekül besaßen, entwickelten ein Gehirn, das oftmals deutliche Falten aufwies.
Eine Kombination aus Laboruntersuchungen und Computersimulationen verdeutlichte, wie die Faltenbildung entstanden war: Durch das Fehlen der FLRT-Moleküle hafteten die Nervenzellen nicht mehr so stark aneinander. Sie konnten sich dadurch freier bewegen und teilweise schneller in die Großhirnrinde einwandern. Auch kam es zur Gruppenbildung und zur ungleichen Zellverteilung in der Großhirnrinde. In den Computersimulationen führte dies zu einer hügeligen Oberfläche des Gehirns.
Der Vergleich der Menge der FLRT-Moleküle im Kortex des Menschen und der Maus erbrachte Erstaunliches: Zum Zeitpunkt der Wanderung der Nervenzellen produzieren die menschlichen Zellen nur sehr geringe Mengen an FLRT und ähneln daher den FLRT-Mausmutanten. Auch im Kortex von Frettchen, die natürlicherweise ein gefaltetes Gehirn haben, sind die FLRT-Mengen in den Furchen geringer als in den glatten Bereichen. Die neuen Erkenntnisse deuten auf ein zweistufiges Modell der Hirnfaltung hin: In einem gefalteten Gehirn werden zunächst mehr Vorläuferzellen und daraus mehr Neuronen gebildet. Diese können sich in der zweiten Stufe durch das Fehlen von molekularen Klebstoffen ungeordnet und frei ausbreiten, was zur Faltenbildung führt.
Sensorische Wahrnehmung und Gehirnentwicklung
Säugetiere haben ihr großes Gehirn vermutlich ihrem guten Geruchssinn zu verdanken. Die Verbesserung des Geruchs- und Tastsinns verschaffte den Ur-Säugern wohl den entscheidenden Vorteil im Überlebenskampf.
Der Einfluss des Geruchssinns
Einer Studie zufolge gab die Verbesserung des Geruchssinns bei den Ur-Säugern den Anstoß zu einem kräftigen Entwicklungsschub des Gehirns. Auch die verbesserte Fähigkeit, Berührungen mit den Körperhaaren zu spüren, trug zum Wachstum des Gehirns bei. Die Wissenschaftler untersuchten die fossilen Schädel der Tiere per Computertomographie. Dies erlaubte es ihnen, einen virtuellen Abdruck des inneren Schädels zu erstellen und daraus Größe und Gestalt des Gehirns und der Nasenhöhle zu rekonstruieren, ohne die kostbaren Fossilien zu zerstören.
Es zeigte sich, dass die Ur-Säugetiere ein etwa 50 Prozent größeres Gehirn besaßen als selbst ihre nächsten damals lebenden Verwandten. Das Verhältnis von Gehirn zu Körpergröße entsprach in etwa dem moderner Säugetiere. Die genauere Untersuchung der Hirnabdrücke ergab, dass vor allem die Nasenhöhle und die Regionen des Gehirns zur Wahrnehmung von Gerüchen stark vergrößert waren. Dies deute auf einen stark verbesserten Geruchssinn der Ur-Säuger hin, schreiben die Forscher. Außerdem seien die Hirnregionen, die zur Verarbeitung von Berührungsreizen des Fells genutzt wurden, vergrößert. Ein derart hoch entwickelter Geruchs- und Tastsinn war für das Überleben und Gedeihen der Säuger in der Frühzeit unserer Entwicklung äußerst wichtig gewesen.
Gemeinsamkeiten und Unterschiede im Neokortex
Lange glaubten Hirnforscher, dass wir unsere geistige Leistung der besonderen Bauart unseres Hirns verdanken, die sich im Laufe unserer Evolution vom Tier zum Menschen perfektioniert hat. Moderne Forschung zeigt aber auch, dass Gehirnkomponenten, wie etwa die beim Menschen stark ausgebildete Großhirnrinde, offenbar keine alleinige Grundvoraussetzung für Bewusstsein und intellektuelle Leistungen sind. Das radikal anders aufgebaute Vorderhirn von Vögeln weist im neurobiologischen Detail ganz ähnliche Verhaltensmuster auf wie unser Gehirn.
Konvergenz in der Gehirnorganisation
Unabhängig voneinander entwickelten Vögel und Säugetiere ähnliche Hirnareale, ähnliche Konnektivitäten, ähnliche Schaltkreise. Die evolutionären Freiheitsgrade zur neuronalen Realisierung von kognitiven Leistungen scheinen somit gering zu sein. Neue Erkenntnisse zeigen nun, dass Vogelhirne doch Organisationsprinzipien aufweisen, die jenen von Säugetierhirnen ähnlicher sind als bisher bekannt. In Taubenhirnen etwa entdeckte man erstaunliche Parallelen zu den Strukturen bei nichtmenschlichen Primaten.
Forscher haben verblüffende Ähnlichkeiten zwischen dem Neocortex der Säugetiere und sensorischen Hirnarealen von Vögeln entdeckt: Beide sind in horizontalen Schichten und vertikalen Säulen vernetzt. Mit einer von Jülicher und Düsseldorfer Hirnforschern entwickelten Methode konnten die Forscher drei komplette Taubengehirne in einer Auflösung von 1,3 Millionstel Millimetern analysieren. Jeweils 250 hauchdünne Schnitte wurden dabei hochauflösend gescannt und in 3D rekonstruiert. Das 3D-PLI trägt wesentlich zu einem tieferen Verständnis der Verbindungsstruktur des Gehirns bei und ermöglicht es, über die verschiedenen Spezies hinweg Gemeinsamkeiten und Unterschiede in der Struktur der Netzwerke der Neurone zu erfassen.
Menschliches Gehirn: Besonderheiten
Das menschliche Gehirn unterscheidet sich von dem anderer Säugetiere. Es hat weniger Informationskanäle. Im Gehirn gibt es winzige Kanäle. Diese werden von den Gehirnzellen (Neuronen) genutzt, um Informationen innerhalb des Gehirns zu transportieren. Das ist bei allen Säugetieren gleich. Und je mehr Gehirnzellen (Neuronen) in einem Gehirn sind, desto mehr Kanäle gibt es - normalerweise. Nur beim Menschen gibt es einen Unterschied. Das hört sich zunächst wie ein Nachteil an, ist aber höchstwahrscheinlich von großem Nutzen. Informationen durch Kanäle zu schicken, kostet Energie. Je weniger man also hat, desto weniger verbraucht man davon.
Epiregulin und die Entwicklung des Neokortex
Ein internationales Team hat einen neuen Faktor identifiziert, der zur Expansion des Neokortex beim Menschen beigetragen haben könnte: Epiregulin. Der Neokortex ist die charakteristische gefaltete äußere Schicht des Gehirns, die einer Walnuss ähnelt. Er ist verantwortlich für höhere kognitive Funktionen wie abstraktes Denken, Kunst und Sprache.
Um nach Faktoren zu suchen, die die Gehirnexpansion beeinflussen, verglich die Forschungsgruppe die sich entwickelnden Gehirne von Mäusen und Menschen. Stammzellen in Mäusen teilen sich nicht so oft und produzieren nicht so viele Neuronen wie Primaten. Menschen hingegen haben eine große Anzahl von Stammzellen im sich entwickelnden Gehirn. Dieser stark erweiterte Pool von Stammzellen liegt der Zunahme der Anzahl von Neuronen und der Gehirngröße zugrunde.
Das Team fand einen Faktor, der beim Menschen vorhanden ist, nicht aber bei Mäusen: Epiregulin. Mit Hilfe der 3D-Zellkulturtechnologie testete die Gruppe, ob der neu identifizierte Faktor die Expansion des Neokortex beeinflussen könnte.
Vergleiche der Wirkung von Epiregulin in menschlichen und Gorilla-Hirnorganoiden ergaben, dass die Zugabe von Epiregulin zu Gorilla-Hirnorganoiden die Expansion von Stammzellen weiter fördern kann. Die Zugabe von noch mehr Epiregulin zu menschlichen Hirnorganoiden hatte jedoch nicht den gleichen Effekt. Anders als zuvor identifizierte Faktoren scheint Epiregulin als solches nicht einzigartig für den Menschen zu sein. Stattdessen scheint die Menge des Wachstumsfaktors der entscheidende Regulator für die Unterschiede zwischen den Arten zu sein.
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