Das menschliche Gehirn ist eines der komplexesten und faszinierendsten Organe, die die Natur hervorgebracht hat. Seine Fähigkeit, Informationen zu verarbeiten, zu speichern und neue Verbindungen zu knüpfen, ist bis heute unerreicht. Oft wird es mit einem Supercomputer verglichen, doch diese Analogie wird der tatsächlichen Komplexität kaum gerecht. Eine interessante Frage ist, wie sich die Anzahl der Nervenzellen im Gehirn mit der Anzahl der Sterne in einer Galaxie vergleichen lässt. Dieser Artikel beleuchtet diese Frage und betrachtet weitere faszinierende Aspekte des Gehirns und des Universums.
Superzahlen in Biologie und Kosmologie
Wir leben in einer Welt der Superlative, in der extrem große Zahlen allgegenwärtig sind. Der englische Physiker Robert Hooke berechnete im 17. Jahrhundert die "Zahl der Gedanken, die der Mensch fassen und speichern kann" und kam auf 3.155.760.000. Diese Zahl unterschätzte jedoch die tatsächlichen Verhältnisse im menschlichen Gehirn bei Weitem.
Die Biologie liefert uns einige wirklich riesige Zahlen. So enthält unser Denkorgan heute schätzungsweise 86 bis 100 Milliarden Neuronen oder sogar eine Billion. Jedes Neuron ist über Fortsätze (Axone) mit etwa 1000 anderen Neuronen verbunden. Mike Holderness nahm an, dass sich Nervenzellen zu Modulen von je 1000 verbinden, von denen jedes eine separate Aufgabe übernimmt. Die Zahl möglicher Verbindungswege in einem Modul beträgt demnach 10 hoch 7000. Die Zahl der in und zwischen den Modulen möglichen Verdrahtungen soll 10 hoch 70.000.000.000.000 betragen. Dies sei ein Maß für die Anzahl der einem Menschen möglichen Gedanken und Ideen.
Einige andere Superzahlen liefert die Kosmologie. Manche ihrer Vertreter glauben, dass das Universum unendlich ist. In einem unendlichen All aber sollte sich die Geschichte jeder beliebigen Region unendlich oft wiederholen. Diese Idee hat eine bizarre Konsequenz: Es müsste in riesigen Abständen kosmische Blasen geben, die der unseren bis aufs Haar gleichen. Dort existiert also eine wunderschöne Spiralgalaxis, die ein exaktes Abbild unserer Milchstraße ist. Darin leben auf einem blauen Planeten, der um eine kleine, gelbe Sonne kreist, Menschen. Es sind Kopien unserer selbst. Solche identischen Inseln wären statistisch jedoch extrem weit voneinander entfernt, wie der US-Astrophysiker Max Tegmark errechnete. Ein Zwilling eines beliebigen Menschen würde demnach in einer 10 hoch 1025 Kilometer entfernten Galaxis leben.
Ein Doppelgänger-Volumen von 100 Lichtjahren Radius sollte in 10 hoch 1089 Kilometern Distanz liegen, ein mit unserem identisches Insel-Universum fände sich unvorstellbare 10 hoch 10115 Kilometer von uns weg. Der Durchmesser unseres beobachtbaren Universums von 42 Milliarden Lichtjahren beträgt demgegenüber umgerechnet gerade 4 mal 1023 Kilometer. Auf den Doppelgänger-Erden sind aber von der unseren abweichende Geschichten möglich. Womöglich haben die Menschen dort das Rätsel der Naturkonstanten und der mit ihnen verbundenen Riesenzahlen gelöst.
Lesen Sie auch: Entdecke die erstaunliche Komplexität des Gehirns
Die Anzahl der Nervenzellen im Gehirn
Die Vorstellung, dass unser Gehirn etwa 100 Milliarden Nervenzellen hat, ist veraltet. Tatsächlich geht man heute von etwa 86 Milliarden Nervenzellen aus. Die brasilianische Neurowissenschaftlerin Suzana Herculano-Houzel hat diese Zahl mit Kollegen ermittelt und 2009 ihr Ergebnis veröffentlicht. Ihre Untersuchung war weitaus genauer als frühere Berechnungen. Sie entnahm Gehirne von Männerleichen und homogenisierte diese. Dadurch waren sämtliche Hirnstrukturen gleichmäßig miteinander verquirlt. So verfügten die entnommenen Proben über eine durchschnittliche Verteilung von Zellen und Zelldichten und waren damit repräsentativ für das gesamte Gehirn. Dadurch mussten Herculano-Houzel und ihr Team die in den Proben gewonnenen Zellzahlen nur noch aufs gesamte Hirnvolumen hochrechnen. Bei früheren Untersuchungen hat man die Hirnareale nicht vermischt. Stattdessen wurden von jedem Areal, ob Cerebellum oder Cortex, kleine Schnitte entnommen und dort die Zellzahlen ermittelt. Diese wurden auf das Gesamtvolumen des jeweiligen Areals hochgerechnet und mit den Ergebnissen aus den anderen Arealen addiert. Die Methode ist nicht so genau, weil die Zelldichte innerhalb jedes Hirnareals variiert. Wenn man aus einer derart uneinheitlichen Struktur willkürlich Schnitte entnimmt, sind die errechneten Werte also nicht repräsentativ. Vermutlich ist die Zahl von 100 Milliarden Nervenzellen so zustande gekommen. Bis heute weiß man allerdings nicht, auf welchen Forscher sie zurückgeht.
Prof. Dr. Stefan Liebau, Leiter des Instituts für Neuroanatomie und Entwicklungsneurobiologie der Universität Tübingen, erklärt: "Im Moment setzen wir auf die Zahl 86 Milliarden als beste Näherung. Wie auch die vorherige Schätzung von 100 Milliarden kam sie nicht durch eine komplette Zählung aller Nervenzellen im Gehirn zustande. Stattdessen wurden die Nervenzellen in kleineren Abschnitten gezählt und das dann mathematisch auf das ganze Gehirn hochgerechnet."
Es ist wichtig zu beachten, dass diese Zahl nur das Gehirn berücksichtigt. Es gibt noch viel mehr Nervenzellen im Körper, zum Beispiel im enterischen Nervensystem im Darm oder im Rückenmark.
Vergleich mit der Anzahl der Sterne in einer Galaxie
Die Anzahl der Sterne in einer Galaxie variiert stark. Zwerggalaxien können nur wenige Millionen Sterne enthalten, während große elliptische Galaxien Billionen von Sternen enthalten können. Unsere eigene Galaxie, die Milchstraße, enthält schätzungsweise 100 bis 400 Milliarden Sterne.
Vergleicht man die geschätzte Anzahl der Nervenzellen im Gehirn (86 Milliarden) mit der geschätzten Anzahl der Sterne in der Milchstraße (100 bis 400 Milliarden), so zeigt sich, dass die Anzahl der Sterne in unserer Galaxie die Anzahl der Nervenzellen im Gehirn um ein Vielfaches übersteigt.
Lesen Sie auch: Wissenschaftliche Erkenntnisse zur Gehirnkapazität
Das Gehirn als komplexes Netzwerk
Obwohl die Anzahl der Sterne in einer Galaxie die Anzahl der Nervenzellen im Gehirn übertrifft, sollte man die Komplexität des Gehirns nicht unterschätzen. Die 86 Milliarden Nervenzellen sind nicht einfach nur isolierte Einheiten, sondern bilden ein hochkomplexes Netzwerk, in dem jede Zelle mit Tausenden anderer Zellen verbunden ist. Diese Verbindungen ermöglichen die Verarbeitung von Informationen, das Lernen und die Speicherung von Erinnerungen.
Diese enorme Anzahl an Verbindungen führt zu einer schier unvorstellbaren Anzahl an möglichen Schaltkreisen und Mustern, die für die vielfältigen Funktionen des Gehirns verantwortlich sind.
Ähnlichkeiten zwischen Gehirn und Universum
Interessanterweise gibt es auch einige überraschende Ähnlichkeiten zwischen dem Gehirn und dem Universum. Eine Studie hat gezeigt, dass sowohl das Gehirn als auch das Universum ähnliche strukturelle Eigenschaften aufweisen. Beide Systeme bestehen aus Netzwerken, die aus Knoten (Neuronen bzw. Galaxien) bestehen, die durch Filamente verbunden sind. Auch die Masse-/Energie-Verteilung ist ähnlich, da sowohl das Gehirn als auch das Universum ungefähr zu 75 Prozent aus einem scheinbar passiven Material bestehen (Wasser im Gehirn, Dunkle Energie im Universum).
"Wieder einmal haben strukturelle Parameter unerwartete Übereinstimmungsgrade identifiziert. Wahrscheinlich entwickelt sich die Konnektivität innerhalb der beiden Netzwerke nach ähnlichen physikalischen Prinzipien, trotz des auffallenden und offensichtlichen Unterschieds zwischen den physikalischen Kräften, die Galaxien und Neuronen regulieren", sagt Alberto Feletti, einer der Studienautoren.
Die Bedeutung der neuronalen Vielfalt
Gleichzeitig können wir nicht von der Anzahl der Nervenzellen oder von der Größe des Gehirns auf die Intelligenz schließen. Denn es kommt stark auf die jeweiligen Aufgaben der Zellen an. Manche Tiere haben einen sehr guten Geruchssinn oder viele Sinneszellen auf der Haut oder an den Pfoten. Das spiegelt sich im Kopf wider: Bei Mäusen scheint das halbe Gehirn aus dem Geruchssystem zu bestehen. Dort gibt es also sehr viele Nervenzellen, die aber nicht direkt etwas mit Intelligenz zu tun haben. Bei uns Menschen nimmt der Geruchssinn dafür nur einen winzigen Teil des Gehirns ein. Letztendlich ist die reine Anzahl der Nervenzellen also nicht so wichtig, sondern vielmehr die Frage, wofür sie genutzt werden.
Lesen Sie auch: Krämpfe: Ursachen und was hilft?
Die Plastizität des Gehirns
Eine der wichtigsten Eigenschaften des Gehirns ist seine Lernfähigkeit. Das Gehirn ist bis ins hohe Alter lernfähig und passt sich ständig an neue Erfahrungen an. Lernen findet an den Synapsen statt - also den Orten, an denen die elektrischen Signale von einer Nervenzelle zur nächsten übertragen werden. Neurowissenschaftler haben herausgefunden, dass Synapsen die Effektivität der Übertragung variieren können. Man bezeichnet dieses Phänomen auch als synaptische Plastizität. So kann eine Synapse durch einen Vorgang namens Langzeitpotenzierung (LTP) verstärkt werden, indem sie mehr Botenstoff ausschüttet oder mehr Botenstoffrezeptoren bildet. So wissen Neurowissenschaftler heute, dass Synapsen selbst im erwachsenen Gehirn noch komplett neu gebildet oder abgebaut werden können. An wenigen Stellen wie zum Beispiel im Riechsystem können sogar zeitlebens neue Nervenzellen gebildet werden. Es ist also nicht übertrieben, wenn man sagt: Unser Gehirn gleicht zeitlebens einer Baustelle.
Die Erforschung des Gehirns
Die Erforschung des Gehirns ist eine der größten Herausforderungen der Wissenschaft. Neurowissenschaftler arbeiten daran, die komplexen Schaltkreise des Gehirns zu entschlüsseln und zu verstehen, wie diese Schaltkreise für unsere Wahrnehmung, unser Denken, unser Fühlen und unser Handeln verantwortlich sind.
Mit modernen Techniken wie der Magnetresonanztomografie (MRT) können Wissenschaftler die Aktivität des Gehirns sichtbar machen und untersuchen, welche Gehirnregionen bei bestimmten Aufgaben aktiv sind. Sie entwickeln deshalb neue Methoden, mit denen sie das Konnektom entschlüsseln können. Als Modellfälle dienen ihnen dafür Mäuse: Sie haben zum Beispiel die Verschaltung von Bereichen der Netzhaut des Auges sowie der Großhirnrinde aufgeklärt und herausgefunden, dass Nervenzellen im sogenannten entorhinalen Kortex der Großhirnrinde wie ein Transistor organisiert sind: Bevor eine Nervenzelle eine andere Zelle aktivieren kann, kontaktiert sie eine hemmende Zelle und wird so in ihrer eigenen Aktivität behindert. Anhand solcher Schaltpläne wollen Wissenschaftler lernen, wie das Gehirn funktioniert. An Max-Planck-Instituten arbeiten sie bereits heute daran, die Prinzipien der Informationsverarbeitung aufzuklären. Derzeit konzentrieren sie sich auf einfacher aufgebaute Gehirne, die weniger Nervenzellen und -fasern besitzen als das Gehirn des Menschen. Mäuse sind ein solcher Modellfall für Neurowissenschaftler. Sie besitzen als Säugetiere ein ähnlich aufgebautes und funktionierendes Gehirn wie der Mensch.