Das menschliche Gehirn, ein komplexes Netzwerk aus etwa 100 Milliarden Nervenzellen, fasziniert die Wissenschaft seit langem. Die Frage, ob und wie das Gehirn intelligenter werden kann, ist Gegenstand intensiver Forschung. Dieser Artikel beleuchtet aktuelle Forschungsergebnisse, die sich mit den neuronalen Grundlagen der Intelligenz, den Unterschieden zwischen intelligenten und weniger intelligenten Gehirnen sowie den Möglichkeiten zur Verbesserung der kognitiven Fähigkeiten befassen.
Die neuronalen Grundlagen der Intelligenz
Geschwindigkeit und Synchronisation
Eine aktuelle Studie von Forschern des BIH und der Charité - Universitätsmedizin Berlin in Zusammenarbeit mit einem Kollegen aus Barcelona lieferte überraschende Erkenntnisse über die Arbeitsweise intelligenter Gehirne. Entgegen der Erwartung, dass intelligente Menschen Probleme generell schneller lösen, zeigten die Ergebnisse, dass Versuchspersonen mit höheren Punktzahlen in Intelligenztests einfache Aufgaben zwar schneller bewältigten, für komplexe Probleme jedoch mehr Zeit benötigten als Teilnehmer mit niedrigeren Punktzahlen.
Mithilfe personalisierter Gehirnsimulationen der 650 Teilnehmer konnten die Forscher feststellen, dass Gehirne mit verringerter Synchronisation zwischen den Hirnarealen bei Entscheidungen regelrecht "zu voreiligen Schlüssen springen", anstatt abzuwarten, bis vorgeschaltete Gehirnregionen die benötigten Verarbeitungsschritte zur Problemlösung beenden konnten. Tatsächlich benötigten die Gehirnmodelle der Teilnehmer mit höherer Punktzahl auch mehr Zeit für das Lösen komplizierter Aufgaben und machten dabei auch weniger Fehler.
Professorin Dr. Petra Ritter, Direktorin der Sektion Gehirnsimulation am Berlin Institute of Health in der Charité (BIH) und an der Klinik für Neurologie mit Experimenteller Neurologie der Charité - Universitätsmedizin Berlin, simuliert das menschliche Gehirn am Computer. „Wir wollen verstehen, wie das Gehirn Entscheidungen fällt, und warum sie bei verschiedenen Personen unterschiedlich ausfallen“, beschreibt sie das aktuelle Projekt.
Funktionelle Konnektivität und Entscheidungsfindung
Aufnahmen mit funktioneller Magnetresonanztomographie im Ruhezustand zeigten, dass langsamere Testpersonen eine höhere funktionelle Konnektivität, also zeitliche Abstimmung zwischen ihren Gehirnregionen aufwiesen. In personalisierten Gehirnsimulationen der 650 Teilnehmenden konnten die Forscher*innen ermitteln, dass Gehirne mit verringerter funktioneller Konnektivität bei Entscheidungen regelrecht “zu voreiligen Schlüssen springen”, anstatt abzuwarten, bis vorgeschaltete Gehirnregionen die benötigten Verarbeitungsschritte zur Problemlösung beenden konnten.
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Die Teilnehmenden sollten logische Regeln in einer Serie von präsentierten Mustern erkennen. Diese Regeln wurden mit jeder Aufgabe komplexer und somit schwieriger zu erkennen. Übertragen auf eine Alltagssituation wäre eine leichte Aufgabe der schnelle Tritt auf die Bremse an einer roten Ampel, während eine schwere Aufgabe das langsame Erarbeiten einer Route auf einer Straßenkarte wäre. Im Modell findet eine Art Wettlauf zwischen verschiedenen an einer Entscheidung beteiligten Nervengruppen statt, wobei sich die Nervengruppen durchsetzen, für die deutlichere Beweise vorliegen. Im Falle komplexer Entscheidungen sind solche Beweise zur Entscheidungsfindung oft nicht eindeutig genug, wodurch beteiligte Nervengruppen regelrecht gezwungen werden, voreilige Schlüsse zu ziehen.
Die Rolle des Arbeitsgedächtnisses
„Die Synchronisation, also das Bilden funktionaler Netzwerke im Gehirn, verändert die Eigenschaften des Arbeitsgedächtnisses und somit auch die Fähigkeit, längere Zeit ohne Entscheidung „auszuhalten““, erklärt Michael Schirner, Erstautor der der Studie und Wissenschaftler in Ritters Labor, die Beobachtung. „Bei komplizierteren Aufgaben muss man Dinge im Arbeitsgedächtnis behalten, während man weitere Lösungen sucht, und diese dann miteinander in Einklang bringt. Dieses Sammeln von Beweisen für eine bestimmte Lösung dauert manchmal länger, führt dann aber auch zu besseren Ergebnissen. Wir konnten mit dem Modell zeigen, wie die Balance zwischen Anregung und Hemmung auf der groben Ebene des gesamten Gehirnnetzwerks die Entscheidungsfindung und das Arbeitsgedächtnis auf der feinen Ebene einzelner Nervengruppen beeinflusst.“
Unterschiede zwischen intelligenten und weniger intelligenten Gehirnen
Gehirnstruktur und -funktion
„Die Gehirne intelligenterer Menschen unterscheiden sich von denen weniger intelligenter Menschen im Hinblick auf ihre Struktur und ihre Funktion”, sagt Dr. Ulrike Basten von der Goethe-Universität Frankfurt. „Allerdings legt die aktuelle Forschung nahe, dass es nicht einen einzigen Faktor gibt, der die Leistungsfähigkeit bestimmt. Dr. Als ein möglicher Faktor, der intelligente Gehirne ausmacht, galt lange die Größe. Je größer das Gehirn, desto höher die Intelligenz - so lautete überspitzt die gängige Hypothese. Und tatsächlich gibt es einen gewissen Zusammenhang zwischen der Größe des Gehirns und der Intelligenz des Menschen. Allerdings ist dieser wesentlich geringer als gedacht, wie eine im Fachjournal „Neuroscience and Biobehavioral Reviews“ veröffentlichte Meta-Analyse von dem Forscherteam um den Wiener Psychologen Jakob Pietschnig und Lars Penke von der Universität Göttingen zeigt. Eine anschauliche Verdeutlichung, weshalb ein großes Hirn nicht immer auch mit großer Intelligenz in Zusammenhang steht, liefert das Tierreich: 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.“
Neuronale Netzwerke und Konnektivität
Eine weitere wichtige Erkenntnis ist, dass intelligentere Menschen durch zeitlich stabilere Interaktionen in neuronalen Netzwerken zeichnen. Gehirnregionen bei Intelligenteren besser vernetzt sind. Allerdings zeigte eine Studie aus dem Jahr 2017 von Basten und ihren Kollegen, dass intelligentere Personen nicht generell kürzere Verbindungen im ganzen Gehirn haben. Vielmehr konnten die Forscher zeigen, dass bei intelligenteren Menschen zwei bestimmte Regionen über kürzere Pfade mit dem Rest des Gehirns verknüpft waren, während eine andere Region mit dem restlichen Nervennetzwerk schwächer verbunden war. „Die unterschiedlich starke Einbettung der von uns identifizierten Regionen ins Gesamtnetzwerk des Gehirns könnte dafür sorgen, dass intelligentere Menschen besser zwischen wichtigen und unwichtigen Informationen unterscheiden können”, sagt Basten.
Effizienz und Energieverbrauch
Hier galt lange 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. 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.
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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, an der die aktuelle Grundlagenarbeit entstanden ist. 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.
Mutation mit positiven Auswirkungen
Forschende der Universitäten Leipzig und Würzburg haben nachgewiesen, dass eine bestimmte Mutation eines Gens neben einem negativen auch einen positiven Effekt haben kann: Sie bewirkt einen erhöhten IQ beim Menschen. Die Mutation schädigt demnach ein Eiweiß in den Synapsen, den Kontaktstellen, über die Nervenzellen miteinander kommunizieren. Normalerweise führen neuronale Gendefekte zu Störungen des komplexen molekularen Kommunikationsmechanismus von Nervenzellen und münden in mehr oder minder schweren Erkrankungen des Nervensystems. Auch in diesem Fall seien die betroffenen Patienten zunächst aufgefallen, weil sie durch die Genveränderung an der Netzhaut des Auges erkrankten und erblindeten. Die behandelnden Ärzte hätten aber dann gemerkt, dass die Erkrankten zusätzlich überdurchschnittlich intelligent waren. "Es ist sehr selten, dass eine Mutation zu einer Verbesserung statt zu einem Verlust an Funktionen führt", sagte einer der beiden Studienleiter, Professor Tobias Langenhan von der Uni Leipzig.
Können wir unser Gehirn intelligenter machen?
Training und Stimulation
Die Forschungsergebnisse legen nahe, dass die Synchronisation und Konnektivität im Gehirn eine wichtige Rolle für die Intelligenz spielen. Dies eröffnet möglicherweise Wege zur Verbesserung der kognitiven Fähigkeiten durch gezieltes Training und Stimulation.
Personalisierte Behandlungsplanung
Petra Ritter betont die Bedeutung der verbesserten Simulationstechnologie für die personalisierte Planung von chirurgischen oder medikamentösen Eingriffen oder der Gehirnstimulation. Die Herangehensweise der Forschungsgruppe könnte auch bei der Behandlung von Patienten mit neurodegenerativen Erkrankungen wie Demenz oder Parkinson von großem Interesse sein.
Die Rolle der Gene
Die Ergebnisse zeigen aber auch, dass die genetischen Grundlagen der Intelligenz eines Menschen nur bedingt beeinflussbar sein werden.
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