Geo Das Gehirn: Eine Reise durch die Wunderwelt des Denkens

Die Hirnforschung ist eines der spannendsten Felder der Medizin. Über Jahrmillionen der Evolution hat unser Gehirn das Kunststück gemeistert, auf kleinstem Raum und mit minimalem Energieaufwand erstaunliche Denkleistungen zu vollbringen. Dieser Artikel beleuchtet verschiedene Aspekte des Gehirns, von seiner Evolution und Funktionsweise bis hin zu aktuellen Forschungsergebnissen und alltäglichen Phänomenen, die unser Denken beeinflussen.

Die Evolution des Gehirns: Vom Nervenzellknoten zur komplexen Denkmaschine

Vor mehr als einer halben Milliarde Jahren machte die Natur eine geniale Erfindung: Sie schuf Neurone - Zellen, die Reize empfangen, verarbeiten und weiterleiten können. Die Stammesgeschichtlich alten, wirbellosen Quallen haben kein Gehirn. Selbst eine so simple Kreatur wie das Darmbakterium Escherichia coli ist fähig, auf Reize in seiner Umgebung sinnvoll zu reagieren. Werden diese Rezeptoren gereizt, erzeugen sie chemische Signale. Sie veranlassen den Einzeller, sich mit seinen propellerartigen Geißeln in die günstigste Richtung zu bewegen - etwa hin zum Futter oder weg von der Gefahr.

Konsequenterweise führte die Evolution im Verlauf der Entwicklung zwischen Schwämmen und Quallen eine Neuerung ein: die Nervenzellen (Neurone). Ein Schwamm, der weder auf die Jagd geht noch vor Feinden flüchten kann, benötigt keine Signalleitungen - folglich hat er keine Neurone. Die mobilen, räuberischen Quallen hingegen gehören zu den ältesten heute noch existierenden Organismen, die über ein einfaches Nervensystem verfügen.

Diese Konstruktion erprobte die Natur erst bei den Würmern. Im Gegensatz zu radialsymmetrischen Tieren wie Quallen oder Seesternen lassen sich bei ihnen bereits vorn und hinten unterscheiden - und das bedeutete einen gewaltigen Sprung bei der Evolution des Gehirns. Schlägt ein Tier bevorzugt eine Richtung ein, also vorwärts, ist es sinnvoll, wenn sich ein Großteil seiner Nerven und Sinneszellen am vorderen Ende konzentriert. Die Plattwürmer zählen zu den einfachsten Kreaturen, bei denen sich dieser Bauplan beobachten lässt: Vorn sitzt ein Kopf, und darin ruht das Gehirn.

Ursache dieser Entwicklung waren Mutationen - also Veränderungen des Erbguts, die sich als vorteilhaft für den Organismus erwiesen. Eine Schlüsselrolle spielten dabei Erbgutveränderungen, bei denen wichtige Gene doppelt an die nächste Generation weitergegeben wurden. Natürlich konnte das Hinterteil des Wurms nicht ganz auf Nervenzellen verzichten, schließlich musste auch dieses dem Gehirn Signale aus seiner Umwelt melden.

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Etwas weiter entwickelte Tiere wie die Ringelwürmer und die später entstandenen Insekten besitzen in Segmente gegliederte Körper. Jeder Abschnitt hat zwei Nervenknoten (Ganglien), die wie Minihirne das jeweilige Segment steuern. Die Ganglien sind zu einer strickleiterartigen Struktur verknüpft, die in den Kopf führt.

Die ersten Wirbeltiere, die vor etwa 500 Millionen Jahren auftraten, hatten Ähnlichkeit mit den heutigen, fischähnlichen Neunaugen. Sie besaßen bereits eine Schädelkapsel, die das empfindliche Gehirn schützte. Bei allen äußeren Unterschieden ist das Hirn bei Fisch und Vogel, Ratte und Mensch grundsätzlich ähnlich konzipiert: Der Hirnstamm steuert lebenserhaltende Funktionen wie Herzschlag und Atmung, das Kleinhirn koordiniert unter anderem Bewegungen, und das Vorderhirn dient anspruchsvollen Aufgaben wie Planen, Bewerten von Informationen und Entscheiden. Während sich der Hirnstamm im Verlauf der Evolution relativ wenig veränderte, erkor die Baumeisterin Natur das Vorderhirn zu ihrer Lieblingsbaustelle. Viele Vögel besitzen ein massiges Kleinhirn (rosafarben), das ihnen eine präzise Orientierung in der Luft ermöglicht.

Der Fortschritt hin zu immer mehr Leistung, Lernbereitschaft und zu komplexeren Fähigkeiten ist in erster Linie dem Aufblähen einer äußeren Schicht des Vorderhirns, der Großhirnrinde, zu verdanken. Ihr stammesgeschichtlich jüngster Teil wird Neokortex genannt und existiert nur bei Säugetieren. Könnte man die Großhirnwindungen im menschlichen Kopf glätten, würden sie eine Fläche von vier DIN-A4-Blättern bedecken - viermal so groß wie beim Schimpansen. Diese assoziativen Areale ermöglichen Wirbeltieren erst ein flexibles Reagieren.

Kraken etwa stehen in Bezug auf Intelligenz an der Spitze aller wirbellosen Tiere. Das Hirn eines Oktopus ist zwar völlig anders gebaut als das eines Wirbeltieres. Das Denkorgan von Säugern mit höher entwickelten Gehirnen (etwa von Katzen) ist von der zerfurchten Großhirnrinde geprägt.

Erst vor etwa zwei Millionen Jahren beschleunigte sich sein Wachstum rasant: Nahm das Organ des damals lebenden Homo habilis etwa 600 Kubikzentimeter ein, so brachte es der Homo sapiens vor 190 000 Jahren schon auf etwa 1400 Kubikzentimeter. Der Auslöser war möglicherweise ein Klimawandel vor 2,3 Millionen Jahren, der die frühen Menschen vor neue Herausforderungen stellte. Für die Herstellung und Bedienung dieser Hilfsmittel waren erhöhte geistige Fähigkeiten und eine gesteigerte Geschicklichkeit der Hände notwendig. Auch die Entstehung der Sprache und der damit verbundene Nutzen im täglichen Überlebenskampf förderte vermutlich die Entwicklung großer Gehirne.

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Die erhöhte Energiemenge, die dem menschlichen Körper damit zur Verfügung stand, erlaubte es der Evolution, größere Gehirne auszuprobieren. Für die Eltern bedeutet dies, dass sie viel Zeit und Aufwand in ihren Nachwuchs investieren müssen, ihr Fortpflanzungserfolg also zahlenmäßig gering bleibt. Tatsächlich haben die Menschen in den vergangenen 35 000 Jahren sogar an Hirnmasse verloren. 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. Und auch dafür, dass ein einmal erworbenes Hirn wieder verloren gehen kann, kennt die Naturgeschichte Beispiele: Der Bandwurm, ein Nachfahr des ersten Plattwurms mit seinem Nervenknoten im Kopf, klammert sich im menschlichen Darm fest, lebt also in einem komfortablen, sicheren Ökosystem mit reichem Nahrungsangebot.

Die Funktionsweise des Gehirns: Ein komplexes Netzwerk in ständiger Veränderung

Unser Denkorgan ist ein gigantisches Netzwerk, das sich andauernd optimiert. Rund 86 Milliarden Nervenzellen sind über mehr als eine Billion Synapsen miteinander verbunden. Sie sind zu kleinen und größeren Bereichen organisiert, die spezielle Aufgaben übernehmen. Tauschen die einzelnen Regionen untereinander Informationen aus, geschieht das über die Datenautobahnen des Gehirns, die Fasern der Weißen Substanz.

Wollen Forschende das Gehirn simulieren, nutzen sie deshalb gern mathematische Modelle, die Netzwerke beschreiben. Im Computer bündeln sie in solch einem Netzwerk Millionen von Nervenzellen zu Knoten und schreiben ihnen bestimmte Eigenschaften zu. Die Knoten tauschen über Verbindungen Signale aus, regen andere Knoten an oder hemmen sie. So wechselt das virtuelle Gehirn beim "Denken" zwischen verschiedenen Zuständen, genau wie sein lebendes Vorbild. Ob im Rechner oder im Kopf: Bei der Zusammenarbeit der Hirnregionen kommt es gleichermaßen auf ihr Verhalten und ihre Vernetzung an.

Ein wichtiges Merkmal ist das Tempo, in dem sie arbeiten. So müssen Bereiche, die für die Verarbeitung von Seh- und Hörreizen zuständig sind, fast augenblicklich auf eingehende Informationen reagieren. Diese charakteristischen Geschwindigkeiten werden als intrinsische neuronale Zeitskalen bezeichnet. Entscheidend ist dabei die Hemmung der Nervenzellen: Je schneller deren Aktivität wieder ausgelöscht wird, desto schneller können neue Signale folgen. Noch wissen wir wenig darüber, wie das gelingt. Denn das individuelle Tempo der Hirnregionen wurde in Computermodellen meist vernachlässigt.

Unser Gehirn baut sich ständig um. Neurowissenschaftler der Universität Cambridge haben nun fünf wichtige Phasen der neuronalen Vernetzung im Laufe eines Menschenlebens identifiziert. Ende einer Phase und Beginn einer neuen Phase sind gekennzeichnet durch vier wichtige Wendepunkte, in denen die Entwicklung rasante Kurven nimmt und das Gehirn seine Strategie ändert, um sich neu zu konfigurieren. "Rückblickend haben viele von uns das Gefühl, dass unser Leben von verschiedenen Phasen geprägt war. Es stellt sich heraus, dass auch das Gehirn diese Phasen durchläuft", sagt der leitende Autor Duncan Astle, Professor für Neuroinformatik.

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Für seine Untersuchung verglich das Forschungsteam die Gehirne von 3802 Menschen im Alter zwischen null und 90 Jahren. Grundlage waren MRT-Diffusionsscans: Sie bilden die neuronalen Verbindungen ab, indem sie die Bewegung von Wassermolekülen durch das Gehirngewebe verfolgen. "Wir wissen, dass die Verdrahtung des Gehirns für unsere Entwicklung entscheidend ist, aber uns fehlt ein Gesamtbild davon, wie sie sich im Laufe unseres Lebens verändert und warum", sagt die Forscherin Alexa Mousley.

Die (Hirn-)Entwicklung vom Säugling bis zum Kind ist für Außenstehende am verblüffendsten. Das Gehirn lernt so viele neue Dinge wie nie im weiteren Leben. Das Gehirn eines Babys produziert übermäßig Synapsen, also Verbindungen zwischen den Neuronen. In der Kindheit wird diese Fülle reduziert, und nur die aktiveren Synapsen bleiben übrig. Benachbarte Regionen vernetzen sich enger und spezialisieren sich. Das Volumen der grauen und weißen Substanz nimmt rapide zu. Vereinfacht gesagt, bildet die graue Substanz das "Rechenzentrum", während die weiße Substanz die "Verbindungskabel" stellt. Die kortikale Dicke, also der Abstand zwischen der äußeren grauen und der inneren weißen Substanz, erreicht ihren höchsten Wert. Im Durchschnitt findet der erste Wendepunkt der Entwicklung um das neunte Lebensjahr statt.

Der erste Wendepunkt im Alter von neun Jahren fällt nicht zufällig mit dem Beginn der Pubertät zusammen. Diese zweite Phase der Hirnentwicklung erstreckt sich bis kurz nach dem 30. Geburtstag, also bis weit ins frühe Erwachsenenalter. Ein erstaunlich später Zeitpunkt. "Während die Pubertät einen klaren Anfang darstellt, ist das Ende der Adoleszenz wissenschaftlich viel schwieriger zu bestimmen. Rein auf der Grundlage der neuronalen Architektur haben wir festgestellt, dass jugendliche Veränderungen in der Gehirnstruktur mit etwa Anfang 30 enden," sagt Mousley. Um das 30. Lebensjahr herum stabilisiert sich die Gehirnarchitektur.

Mit etwa 32 Jahren schaltet die neuronale Verdrahtung des Gehirns in den Erwachsenenmodus um. Dies ist die längste Phase, die über drei Jahrzehnte andauert. Das Erwachsenenalter des Gehirns beginnt mit dem "stärksten topologischen Wendepunkt" der gesamten Lebensspanne. Im Vergleich zu früheren Phasen stabilisiert sich die Gehirnarchitektur. Das Gehirn arbeitet zwar effizient, die komplexen, schnellen Veränderungen der Jugend sind jedoch vorbei. Ganz starr bleibt das Gehirn in dieser langen Phase jedoch nicht. Die Forschenden konnten beobachten, wie die Hirnregionen langsam stärker voneinander abgegrenzt werden.

Der Wendepunkt im Alter von 66 Jahren ist weitaus milder. "Die Daten deuten darauf hin, dass eine allmähliche Umstrukturierung der Hirnnetze Mitte der Sechziger ihren Höhepunkt erreicht", sagte Mousley. Die weiße Substanz wird zunehmend abgebaut, die topologischen Muster werden einfacher, und das Netzwerk wird ausgedünnt. Zugleich beobachteten die Forschenden eine weitere Zunahme der Trennung und Spezialisierung der einzelnen Regionen - das Gehirn arbeitet modularer.

Der letzte Wendepunkt wird im Alter von etwa 83 Jahren erreicht, die letzte Epoche der Gehirnstruktur beginnt. Dem Netzwerk fällt es zunehmend schwer, über weite Strecken effizient zu kommunizieren. In dieser Phase konnten die Forschenden das Lebensalter der Probanden am schlechtesten an der Gehirnentwicklung festmachen. "Viele neurologische Entwicklungsstörungen, psychische Erkrankungen und neurologische Erkrankungen hängen mit der Verdrahtung des Gehirns zusammen. Die Studie liefert die bislang klarste Einteilung der Gehirnentwicklung in verschiedene Phasen. In zukünftigen Studien wird es interessant sein, die Veränderungen im Gehirn mit Veränderungen der Persönlichkeit, der kognitiven Fähigkeiten und von Krankheitsrisiken genauer in Verbindung zu bringen. "Diese Phasen liefern einen wichtigen Kontext dafür, worin unser Gehirn in verschiedenen Lebensphasen am besten ist oder wofür es anfälliger ist", sagt Mousley.

Aktuelle Forschung und Alltagsphänomene: Ein Blick in die Blackbox

Die Hirnforschung beschäftigt sich mit einer Vielzahl von Fragen, die unser Verständnis des menschlichen Geistes erweitern. Einige Beispiele:

• ADHS und Kreativität: Was macht ADHS-Gehirne so kreativ?
• Gedächtnis und Reisen: Unsere Lebenserinnerungen speisen sich zu einem guten Teil aus Reisen, trotz weniger Urlaubstage im Jahr. Denn das Gedächtnis ist wählerisch. An manche Momente erinnern wir uns ewig, andere Dinge vergessen wir beinahe sofort.
• Fokussierung: Um sich auf Wesentliches fokussieren zu können, muss das Gehirn ständig Informationen filtern.
• Empathie: Oh weh! Der Protagonist bekommt einen Hieb ins Gesicht. Wir zucken zusammen, spüren seinen Schmerz. Aber warum?
• Zufall oder mehr? Das kann kein Zufall sein! Man denkt an jemanden, und genau dann ruft er an. Nur Zufall - oder steckt mehr dahinter?
• Das Ich im Kopf: Wie kommt das Ich in den Kopf? Was lässt in einem Klumpen Materie subjektive Gefühle und Gedanken entstehen?
• Schmerz: Schmerzen, die nicht mehr verschwinden, haben meist eine psychische Ursache, davon geht die Forschung inzwischen aus.
• Telepathie: Gedankenübertragung? Seit Jahrhunderten fasziniert Telepathie - doch was erklärt die Gänsehaut-Momente wirklich?
• Intelligenz: Warum sind manche Köpfe zu Spitzenleistungen fähig, während andere schon bei einfachen Denkaufgaben scheitern?
• Alzheimer: Lecanemab soll bei Alzheimer im Frühstadium helfen. Doch längst nicht alle Patienten profitieren.
• Smartphones und Gedächtnis: Was man nicht im Kopf hat, hat man im Smartphone - Einkaufslisten, Geburtstage, Hauptstadt von XY. Bequem, aber nicht so gut für unsere Gedächtnisleistung.
• Schlaf: Ticken wir wie Fruchtfliegen? Selbst im Tiefschlaf bleibt das Gehirn auf Empfang.
• Lernen im Schlaf? Im Schlaf Vokabeln pauken? Mit Brainfood schneller denken? Möglichst früh den Nachwuchs fördern?
• Tageszeit und Leistung: Der frühe Vogel mag den Wurm fangen - aber eine Prüfung bestehen? Eine Studie aus Italien zeigt: Mittags sind die Chancen am größten.
• Haustiere und geistige Fitness: Hunde und Katzen sind gut für die geistige Fitness. Forschende haben untersucht, ob und welchen Einfluss Haustiere auf das alternde Gehirn haben.
• Motivation: Keine Lust? Gut! Wir verstehen Motivation als Werkzeug, um mehr zu leisten.
• Stimmen hören: Ein Psychiater erforscht, warum Menschen Stimmen hören.
• Schlaganfall: Notfall erkennen: Schlaganfall?
• Psychopathie: Neue Studie: Lässt sich Psychopathie im Gehirn erkennen?
• Autismus, ADHS und Co.: Autismus, ADHS und Co.
• Geschlechterunterschiede: Denken Frauen anders als Männer?
• Realität: Verzerrte Wirklichkeit: Woher weiß ich, was Realität ist?
• Zerstreutheit und Intelligenz: Intelligenz: Je zerstreuter, desto schlauer?
• Künstliche Intelligenz: Was würde Heidegger zu Künstlicher Intelligenz sagen?
• Migräne: Achtung Attacke! Heißhunger, Harndrang, Gähnen: Der Körper warnt uns oft, wenn eine Migräneattacke ansteht. Fachleute sprechen vom "Prodrom".
• Ein gelungenes Leben: Was macht ein gelunges Leben aus? Der Neurowissenschaftler Kenichiro Mogi hat fünf Wege identifiziert, einen glücklichen Seinszustand zu erreichen.
• Meditation: Meditation wird in nahezu jeder Kultur praktiziert. Doch welche Übungsform ist am effektivsten?
• Trauma: Ein Trauma kann sich über Generationen vererben und noch das Leben von Kindern und Enkeln blockieren.
• Namen vergessen: Kaum werden Sie jemandem vorgestellt, schon ist der Name wieder vergessen? Keine Sorge, damit sind Sie nicht allein.
• Schlaf und Konzentration: Falls Sie diese Zeilen mehrfach lesen müssen, war die letzte Nacht wohl nicht erholsam.
• Schädelbohrungen: Die Schädeldecke anzubohren war jahrtausendelang medizinischer Standard.
• Ordnung: Ordnung zu halten ist schwerer, als sie zu schaffen.
• Kreativität: Ohne Kreativität gäbe es keine Elektrizität, keine Kunst und keine Forschung. Doch wie entsteht Ideenreichtum? Und wie lässt er sich trainieren?
• Finanzwissen: Wir verstehen von Finanzen weniger als wir glauben. Davor schützen weder Rechentalent noch Uniabschluss.
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