Die Frage, was Intelligenz ausmacht und wie sie sich im Gehirn manifestiert, fasziniert Wissenschaftler und Laien gleichermaßen. Unterschiede in kognitiven Leistungen, die sich in Schulerfolg und Karriere widerspiegeln, werden oft auf unterschiedlich ausgeprägte Intelligenz zurückgeführt. Doch wie genau unterscheiden sich die Gehirne intelligenter Menschen von denen weniger intelligenter? Dieser Frage widmen sich zahlreiche Studien, die mithilfe von Hirnscans und anderen bildgebenden Verfahren versuchen, die neuronalen Grundlagen der Intelligenz zu entschlüsseln.
Schlanke und effiziente Vernetzung
Eine Studie der Ruhr-Universität Bochum, veröffentlicht im Magazin "Nature Communications", kommt zu dem überraschenden Ergebnis, dass intelligente Menschen weniger stark vernetzte Nervenzellen in der Großhirnrinde aufweisen. Dieses Resultat mag zunächst paradox erscheinen, da frühere Studien tendenziell größere Gehirne mit höherer Intelligenz in Verbindung brachten. Die Annahme war, dass größere Gehirne mehr Nervenzellen enthalten und somit eine höhere Rechenleistung ermöglichen. Die Bochumer Forscher widerlegen diese Vorstellung jedoch: "Intelligente Gehirne zeichnen sich durch eine schlanke, aber effiziente Vernetzung ihrer Neurone aus", erklärt Biopsychologe Genç. Effizienz ist hier der Schlüsselbegriff.
Die Bochumer Forscher validierten die Erkenntnisse ihrer Untersuchung an 259 Testpersonen durch Analysen des öffentlich zugänglichen Datensatzes Human-Connectom-Projekt. In 500 Stichproben fanden die Autoren den identischen Zusammenhang.
Modulare Organisation und Informationsaustausch
Eine aktuelle Studie von Wissenschaftlern der Goethe-Universität bestätigt die Vermutung, dass die Gehirne intelligenterer Personen anders verschaltet sind. Die Forschergruppe berücksichtigte dabei, dass das menschliche Gehirn modular organisiert ist, ähnlich einem sozialen Netzwerk mit Subnetzwerken. Im Gehirn gibt es Subnetzwerke von Hirnregionen (Module), die untereinander eng vernetzt sind, während sie zum Rest des Netzwerks nur schwache Verbindungen haben.
Die Studie zeigt, dass bei intelligenteren Personen bestimmte Gehirnregionen deutlich stärker am Austausch von Informationen zwischen Subnetzwerken beteiligt sind, so dass bedeutsame Informationen schneller und effizienter kommuniziert werden können. Auf der anderen Seite konnten die Forscher auch Regionen identifizieren, welche bei intelligenteren Personen stärker vom restlichen Netzwerk abgekoppelt sind, wodurch Gedanken möglicherweise besser gegen störende Einflüsse abgeschirmt sind.
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Ulrike Basten von der Goethe-Universität Frankfurt erklärt: "Wir gehen davon aus, dass Netzwerkmerkmale, die wir bei intelligenteren Personen in stärkerer Ausprägung gefunden haben, es den Menschen erleichtern, sich gedanklich auf etwas zu konzentrieren und dabei irrelevante, möglicherweise störende Reize auszublenden."
Fokus auf relevante Informationen
Frühere Studien des Forscherteams der Goethe-Universität hatten bereits gezeigt, dass bei intelligenteren Personen zwei Hirnregionen, die mit der Verarbeitung aufgabenrelevanter Informationen in Verbindung gebracht werden (vorderer insulärer und cingulärer Cortex), über kürzere und somit effizientere Verbindungen mit dem Rest des Hirnnetzwerks verbunden sind. Eine andere Region, die mit dem Ausblenden irrelevanter Informationen in Verbindung gebracht wird (die Übergangsregion zwischen Temporal- und Parietalcortex), ist hingegen weniger stark mit dem Rest des Netzwerks verbunden. Die Forscher gehen deshalb davon aus, dass intelligente Menschen leichter zwischen wichtigen und unwichtigen Informationen unterscheiden können.
Die Rolle des Präfrontalcortex
Bereits in früheren Studien konnte das Forscherteam vom Institut für Psychologie der Universität Frankfurt am Main zeigen, dass bestimmte Hirnregionen wie beispielsweise der sogenannte Präfrontalcortex, der Frontallappen hinter der Stirn, eine Intelligenz-Region darstellen. Der Präfrontalcortex wird seit langem mit höheren kognitiven Funktionen wie Planung, Entscheidungsfindung und Problemlösung in Verbindung gebracht.
Hirngröße und Intelligenz: Ein komplexer Zusammenhang
Lange galt die Größe des Gehirns als ein möglicher Faktor für Intelligenz. Die Hypothese war: Je größer das Gehirn, desto höher die Intelligenz. Tatsächlich gibt es einen gewissen Zusammenhang zwischen der Größe des Gehirns und der Intelligenz des Menschen, allerdings ist dieser wesentlich geringer als gedacht. Eine Meta-Analyse von dem Forscherteam um den Wiener Psychologen Jakob Pietschnig und Lars Penke von der Universität Göttingen zeigte dies.
Das Tierreich liefert eine anschauliche Verdeutlichung, weshalb ein großes Hirn nicht immer auch mit großer Intelligenz in Zusammenhang steht: Absolut gesehen hat der Pottwal das größte Gehirn, aber setzt man die Größe zu der Körpermasse ins Verhältnis müsste die Spitzmaus das intelligenteste Wesen auf Erden sein. "Dieses Beispiel zeigt, dass die Größe nicht der ausschlaggebende anatomische Faktor sein kann", sagt Dr. Jan Gläscher, Neurowissenschaftler vom Universitätsklinikum Hamburg-Eppendorf.
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Das Netzwerk ist entscheidend
Neuere Studien zeigen, dass Intelligenz weder das gesamte Gehirn benötigt, noch eine einzelne Gehirnregion dafür zuständig ist. Vielmehr ist ein klar abgegrenztes, aber weitverzweigtes Netzwerk an Gehirnregionen in Stirn- und Scheitellappen für die Intelligenz entscheidend. Diese Ergebnisse stehen im Einklang mit der sogenannten Parieto-Frontalen-Integrationstheorie (P-FIT), die 2007 von den amerikanischen Intelligenzforschern Richard Haier und Rex Jung aufgestellt wurde.
Auch Ulrike Basten sieht hier den Hauptunterschied: "Das Netzwerk aus Verbindungen zwischen den verschiedenen Gehirnregionen ist bei intelligenteren Menschen anders organisiert als bei weniger intelligenten."
Hirnaktivität und Energieverbrauch
Lange galt das Credo: Intelligentere Menschen benötigen auf das gesamte Gehirn gesehen weniger Hirnaktivierung um kognitive Herausforderungen zu meistern - haben also einen geringeren Energieverbrauch als weniger intelligente. Allerdings zeigte sich bei einer Zusammenstellung aller relevanten Studien der letzten 15 Jahre kein einheitliches Bild. Eine mögliche Variable, die diese Ergebnisse erklären könnte, ist der Schwierigkeitsgrad der Aufgabe. Während intelligentere Menschen bei leichten und mittelschweren Aufgaben weniger Energie verbrauchen, steigt der Energieverbrauch bei schwierigen Aufgaben im Vergleich zu weniger intelligenten Menschen stärker an. "Eine mögliche Erklärung dafür wäre, dass intelligentere Menschen bei diesen Aufgaben länger am Ball bleiben und sich stark auf die Lösung der Aufgabe konzentrieren, während andere früher aufgeben und quasi abschalten, weil sie ohnehin nicht denken, dass sie die Aufgabe lösen können", sagt Basten.
Flexibilität und dynamische Netzwerkorganisation
Die Frage, ob ein Gehirn dann besonders gut funktioniert, wenn es möglichst flexibel ist, ist ein spannendes Forschungsfeld für die Zukunft. Bisher suchten Forscher hauptsächlich in statischen Merkmalen des Gehirns nach Erklärungen für Unterschiede in Intelligenz - beispielsweise in der grundlegenden Netzwerkstruktur. Wir wissen aber, dass sich die Netzwerkorganisation im Gehirn von Sekundenbruchteil zu Sekundenbruchteil verändert, weil unterschiedliche Verbindungen mehr oder weniger genutzt werden.
Genetische Grundlagen der Intelligenz
Die Gehirnleistung ist von Mensch zu Mensch unterschiedlich. Ein Grund für die individuellen Unterschiede liegt in den Genen. Bisher ist allerdings nur wenig über die genetischen Grundlagen der Intelligenz bekannt. "Wir wissen, dass es nicht ein sogenanntes Intelligenzgen gibt, sondern dass viele Gene jeweils kleine Beiträge leisten", erklärt Georg Dechant, Direktor der Gemeinsamen Einrichtung für Neurowissenschaften.
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Die Innsbrucker Forscher/innen haben eine Gruppe von Proteinen im Zellkern erkannt, die für die Regelung der kognitiven Fähigkeiten mitverantwortlich sein dürften. Eine zentrale Rolle spielt dabei das Protein SATB2. Dieses bindet an die Erbsubstanz DNA und bestimmt deren dreidimensionale Auffaltung im Zellkern. Menschen mit einer Mutation dieses Gens haben geistige Beeinträchtigungen sowie Lernbehinderungen.
Die grundlegende Forschungsarbeit trägt dazu bei, die höheren Gehirnfunktionen besser zu verstehen. Die Ergebnisse zeigen aber auch, dass die genetischen Grundlagen der Intelligenz eines Menschen nur bedingt beeinflussbar sein werden.
Simulation des Gehirns
Eine Forschungsgruppe aus Berlin und Barcelona hat virtuelle "Avatare" von 650 echten menschlichen Gehirnen erstellt, um die Unterschiede in der Gehirnaktivität intelligenter und weniger intelligenter Menschen zu untersuchen. Dazu nutzte das Team um Prof. Dr. Petra Ritter, Direktorin der Sektion Gehirnsimulation am Berlin Institute of Health (BIH) und an der Klinik für Neurologie mit Experimenteller Neurologie der Charité Berlin, digitale Daten aus Hirnuntersuchungen wie der Magnetresonanztomografie sowie mathematische Modelle.
Daraus entstand zunächst ein allgemeines menschliches Gehirnmodell. Dieses wurde dann mit individuellen Messwerten der einzelnen Personen präzisiert, auf diese Weise entstanden 650 personalisierte Gehirnmodelle. "Wir können sehr effizient die Aktivität individueller Gehirne reproduzieren", erklärt Petra Ritter.
Eine besonders faszinierende Beobachtung war, dass die "langsameren" Gehirne sowohl im lebenden Menschen als auch im Modell stärker synchronisiert, also zeitlich aufeinander abgestimmt waren. In Alltagssituationen würde dies zum Beispiel bedeuten, dass Menschen mit langsameren Gehirnen schneller auf die Bremse treten könnten, wenn eine Ampel rot wird, aber mehr Zeit benötigen würden, um eine Route auf einer Straßenkarte zu erarbeiten. "Bei komplizierteren Aufgaben muss man Dinge im Arbeitsgedächtnis behalten, während man weitere Lösungen sucht, und diese dann miteinander in Einklang bringt.
Die Herangehensweise der Forschungsgruppe könnte auch bei der Behandlung von Patienten mit neurodegenerativen Erkrankungen wie Demenz oder Parkinson von großem Interesse sein. "Die verbesserte Simulationstechnologie kann auch der personalisierten Planung von chirurgischen oder medikamentösen Eingriffen oder der Gehirnstimulation zugute kommen", betont Petra Ritter.
Anlage und Umwelt: Ein komplexes Wechselspiel
Zwar hat die Umwelt nur einen begrenzten Einfluss darauf, welche Verstandeskraft ein Mensch entwickelt, aber bei allem, was wir über den Einfluss von Anlage und Umwelt auf die Intelligenz wissen, erscheint ein Wechselspiel beider Prozesse am wahrscheinlichsten.