Der Neokortex, der evolutionär jüngste Teil der Großhirnrinde, ist ein entscheidender Abschnitt des Gehirns, der für viele höhere kognitive Funktionen verantwortlich ist. Er ermöglicht uns, zu denken, zu planen und Sprache zu nutzen. Er ist ein evolutionär neuer Teil des Gehirns und spielt eine zentrale Rolle im menschlichen Bewusstsein.
Einführung
Im Laufe der menschlichen Evolution vergrößerte sich der Neokortex drastisch, und damit wuchs auch das menschliche Gehirn. Der menschliche Neokortex ist etwa dreimal so groß wie der unseres nächsten lebenden Verwandten, des Schimpansen, und ermöglicht so hoch entwickelte kognitive Fähigkeiten wie logisches Denken und Sprache.
Die Evolution des Neokortex
Die Evolution des Neokortex war ein Meilenstein für Säugetiere und hat speziell bei Primaten und Menschen drastische Veränderungen durchgemacht. Im Vergleich zu anderen Säugetieren ist der menschliche Neokortex stark vergrößert und differenziert. Diese Anpassung ist mit den komplexen sozialen Strukturen und der Nutzung von Werkzeugen und Sprache verbunden.
Forscher des Max-Planck-Instituts für molekulare Zellbiologie und Genetik (MPI-CBG) in Dresden zeigten in früheren Studien, dass im sich entwickelnden Neokortex das menschenspezifische Gen ARHGAP11B die Bildung von mehr neuronalen Vorläuferzellen anregt und folglich so mehr Nervenzellen entstehen. Dementsprechend führte das Einbringen des ARHGAP11B Gens zu einem vergrößerten Neokortex in Embryonen von Mäusen, neugeborenen Frettchen und Föten von Weißbüschelaffen. Dies legt nahe, dass dieses Gen auch eine entscheidende Rolle bei der evolutionären Vergrößerung des menschlichen Neokortex spielte.
Forschungsergebnisse zu ARHGAP11B
Zwei zentrale Fragen waren allerdings noch unbeantwortet: Bleibt die - durch das Einbringen dieses menschenspezifischen Gens verursachte - Vergrößerung des Neokortex von Mausembryonen bis zum Erwachsenenalter erhalten, und sind solche Mäuse mit einem größeren Gehirn tatsächlich intelligenter?
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Lei Xing, Postdoktorand in der Gruppe von Wieland Huttner, konnte zeigen, dass die Vergrößerung des Neokortex und die erhöhte Anzahl von Neuronen in transgenen Mausembryonen, in denen ARHGAP11B aktiv ist, tatsächlich bis ins Erwachsenenalter anhält. Er arbeitete daraufhin mit Forschern des tschechischen Zentrums für Phänogenomik zusammen, um das Verhalten von erwachsenen ARHGAP11B-Mäusen mit ihrem vergrößerten Neokortex zu untersuchen. Speziell testeten die Forscher, ob diese Mäuse bessere kognitive Fähigkeiten haben.
Lei Xing erklärt: „Zusammen mit unseren tschechischen Kollegen haben wir vier separate Verhaltenstests durchgeführt, die verschiedene Arten des Lernens und des Gedächtnisses untersuchen. In einem dieser Tests setzten wir eine Gruppe von Mäusen in ein spezielles Käfigsystem, in dem sich in den Ecken Wasserflaschen befanden. Nach einer Weile begrenzten wir den Wasserzugang für die Mäuse auf nur eine Ecke und änderten die Position der Wasserflasche jeden Tag. Die Mäuse mussten also das Muster erkennen, nach dem sich der Standort der Wasserflasche veränderte. Wir fanden heraus, dass die ARHGAP11B-Mäuse mit ihrem größeren Gehirn weniger Fehler beim Finden der Wasserflasche machten als die Wildtyp-Mäuse mit ihrem normal großen, also kleineren Gehirn.“ Das deutet auf eine größere Flexibilität des Gedächtnisses hin, was wiederum heißt, dass sich die ARHGAP11B-Mäuse besser an eine neue, anspruchsvolle Umgebung anpassen und besser in der Lage sind, den wechselnden Standort der Wasserflasche zu begreifen.
„In einem weiteren Test fanden wir, dass ARHGAP11B-Mäuse sich weniger ängstlich verhalten. Wildtyp-Mäuse zeigten mehr Angst und versuchten, so schnell wie möglich aus dem hell beleuchteten Zentrum der Versuchsanlage in die schützende Randzone zu gelangen, während ARHGAP11B-Mäuse entspannter waren und länger im Zentrum verweilten“, sagt Lei.
„Diese verbesserte Flexibilität des Gedächtnisses deutet höchstwahrscheinlich auf verbesserte kognitive Fähigkeiten der ARHGAP11B-Mäuse mit ihrem größeren Gehirn hin“, fasst Wieland Huttner zusammen.
Aufbau und Funktion des Neokortex
Der Neokortex ist der äußere Teil des Gehirnsäugers, der mit Faltungen überzogen ist. Diese sind als Gyri (Windungen) und Sulci (Furchen) bekannt, die die Oberfläche vergrößern und somit Platz für mehr Nervenzellen schaffen.
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Der Neokortex ist in sechs verschiedene Schichten unterteilt, wobei jede Schicht spezifische Arten von Neuronen und unterschiedliche Funktionen aufweist. Diese Schichten helfen bei:
- Verarbeitung von sensorischen Informationen
- Steuerung motorischer Funktionen
- Integration und Interpretation kognitiver Daten
Die oberen Schichten des Neokortex sind hauptsächlich für die Aufnahme und Verarbeitung von Sinnesreizen verantwortlich, während die tieferen Schichten eher motorische Funktionen steuern.
Die sechs Schichten des Neokortex
Der Neokortex besteht aus sechs Schichten von Neuronen, jede mit spezifischen Funktionen:
- Molekularschicht (Ia): Enthält wenige Zellkörper und ist reich an horizontalen Fasern.
- Äußere Körnerschicht (II): Besteht hauptsächlich aus kleinen Neuronen, die lokale Signale verarbeiten.
- Äußere Pyramidenzellschicht (III): Enthält Pyramidenzellen, die zu anderen Neokortexarealen projizieren.
- Innere Körnerschicht (IV): Hauptempfänger sensorischer Eingaben vom Thalamus.
- Innere Pyramidenzellschicht (V): Enthält große Pyramidenzellen und projiziert zu subkortikalen Strukturen.
- Polymorphe Schicht (VI): Enthält verschiedene Neuronenarten und projiziert zum Thalamus.
Aufgaben des Neokortex
Der Neokortex erfüllt zahlreiche Aufgaben, die das Leben von Menschen beeinflussen:
- Ermöglicht höhere kognitive Fähigkeiten wie Argumentation und Problemlösung
- Ist zentral für das Sprachverständnis
- Verarbeitet sensorische Informationen, wie Sehen und Hören
- Steuert bewusste Bewegungen
Mit seiner Fähigkeit, sich an neue Informationen anzupassen, unterstützt der Neokortex die kontinuierliche Anpassung an Umgebungsänderungen.
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Bedeutung des Neokortex für den Menschen
Der Neokortex ist ein essenzieller Bestandteil des menschlichen Gehirns. Er spielt eine zentrale Rolle in der Verarbeitung von Informationen und der Steuerung komplexer Verhaltensweisen. Seine Struktur und Funktion sind entscheidend für kognitive Prozesse und das menschliche Bewusstsein.
Kognitive Leistungsfähigkeit
Der Neokortex trägt maßgeblich dazu bei, dass Menschen in der Lage sind:
- Sprache zu verstehen und zu verwenden
- Probleme zu lösen und kreative Ideen zu entwickeln
- Entscheidungen aufgrund von rationalem Denken zu treffen
Diese Funktionen machen den Neokortex zu einer Schlüsselkomponente der menschlichen Intelligenz und des sozialen Verhaltens.
Der Neokortex im Vergleich zu anderen Wirbeltieren
Die Gehirne von Vögeln unterscheiden sich in grundlegenden Aspekten ihres Aufbaus von Reptilien- und insbesondere von Säugetiergehirnen. Trotzdem verfügen einige Vogelarten über ähnlich komplexe kognitive Fähigkeiten wie etwa Menschenaffen. Dabei spielt das sogenannte Pallium eine entscheidende Rolle. Dieser im Vorderhirn angesiedelte Bereich besteht beim Menschen hauptsächlich aus der gefalteten Großhirnrinde, ist jedoch in Vögeln ganz anders aufgebaut, obwohl er ähnliche Funktionen erfüllt. Die zelluläre Zusammensetzung und Evolution des Palliums hat das Team um Prof. Kaessmann an Hühnern untersucht.
Die Analysen zeigen, dass sich trotz der unterschiedlichen Gehirnarchitekturen über alle untersuchten Arten hinweg jene Nervenzellen besonders stark ähneln, die die Gehirnaktivität regulieren. Anders die für die Signalübertragung verantwortlichen Neuronen, deren Evolution dynamischer verlaufen ist, wie Dr. Bastienne Zaremba erläutert. Während sich einige von ihnen kaum veränderten, etwa in dem für die Lernfähigkeit und Gedächtnisleistung wichtigen Hippocampus, entwickelten sich andere stark auseinander oder organisierten sich anatomisch neu.
Unerwartet für die Wissenschaftler: „Bestimmte erregende Neuronen besitzen artenübergreifend wahrscheinlich einen gemeinsamen evolutionären Ursprung. Dies betrifft die Nervenzellen in tieferen Schichten des Neokortex, der bei Säugetieren für höhere kognitive Fähigkeiten verantwortlich ist, und die Neuronen im sogenannten Mesopallium der Vögel. Diese Erkenntnis stellt bestehende Annahmen zur Evolution dieser Gehirnregionen infrage“, so die Wissenschaftlerin, die Mitglied in Prof. Auch zum Hyperpallium, einer ausschließlich bei Vögeln vorkommenden Struktur innerhalb des Palliums, liefern die Forschungsarbeiten neue Erkenntnisse. Bislang ging die Wissenschaft davon aus, dass das Hyperpallium vergleichbar ist mit dem Neokortex von Säugetieren. Wie das Heidelberger Forschungsteam nun zeigen konnte, ähneln sich zwar einige Neuronen; andere unterscheiden sich jedoch grundlegend.
„Unsere Ergebnisse widerlegen frühere Theorien, die davon ausgegangen sind, dass sich bestimmte Hirnregionen bei Vögeln und Säugetieren aufgrund ihrer Lage direkt entsprechen“, erklärt Dr. Zaremba. Stattdessen offenbart sich nach den Worten der Wissenschaftlerin ein wesentlich komplexeres evolutionäres Muster aus Erhaltung, Divergenz und Konvergenz. Die Forscherinnen und Forscher fanden zudem heraus, dass bestimmte Nervenzellen in zwei weit voneinander entfernten Regionen des Vogelgehirns große Ähnlichkeit aufweisen, obwohl sie jeweils einen anderen Ursprung im Embryo haben. „Die Vorstellung, dass die Funktion eines Neurons grundsätzlich von seiner Position im embryonalen Gehirn bestimmt wird, müssen wir damit überdenken“, betont Prof. Kaessmann.
Emotionen und der Neokortex
Die Frage, inwieweit Tiere Emotionen empfinden können, ist eng mit der Entwicklung des Neokortex verbunden. Während der Neokortex bei Säugetieren für höhere kognitive Funktionen und das Bewusstsein eine zentrale Rolle spielt, ist seine Rolle bei Emotionen komplexer.
Barbara Schöning, Fachtierärztin für Verhaltenskunde und Tierschutz, erklärt: „Eine Emotion ist ein psycho-physiologischer Prozess. Wir haben also eine psychische Komponente, die für niemanden zugänglich ist - außer für denjenigen, der diese Emotion hat.“ Sie betont, dass Emotionen als Folge von Sinneswahrnehmungen entstehen, wenn äußere Signale verarbeitet und im Gehirn interpretiert werden.
Das limbische System und der Neokortex
Sowohl bei Tieren als auch bei Menschen sind es Teile des limbischen Systems, einer Funktionseinheit des Gehirns, die mit der Entstehung und Verarbeitung von Emotionen in Verbindung gebracht wird. „Darauf aufgesetzt befindet sich der Neocortex, ein Teil der Großhirnrinde, von dem man früher annahm, er würde unser Menschsein ausmachen“, sagt Schöning, „letztendlich ist er lediglich so etwas wie eine riesige Festplatte.“
Insbesondere in der Amygdala (im Mandelkern) des limbischen Systems werden emotionale Zustände kreiert. Mittlerweile geht man davon aus, dass Tiere zwischen Emotionen wie „Angst“ und entsprechenden Gegenspielern wie „Freude“ oder „Wohlgefühl“ unterscheiden können. Bei Gefühlsäußerungen wie Liebe oder Trauer scheiden sich die Geister: Einige Forscher vertreten die Meinung, dies seien zutiefst menschliche Empfindungen, die keine Entsprechung im Tierreich hätten. Andere vermuten, dass diese Emotionen auch bei Tieren vorkämen, jedoch nicht eindeutig zu beweisen seien.
Die Entwicklung des Gehirns und die Rolle des Neokortex
Die Stammesgeschichtlich alten, wirbellosen Quallen haben kein Gehirn. Vielmehr brauchen sie eine Instanz, welche die Informationen aus unterschiedlichen Körperregionen zusammenführt, ein Ergebnis daraus ableitet und die Reaktion steuert. 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.
Im Laufe der Entwicklung zu komplexeren Gehirnen vergrößerte sich bei Wirbeltieren (hier ein Frosch) vor allem das Vorderhirn (grau). 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.
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.
Aktuelle Forschung und zukünftige Perspektiven
Die genaue Dynamik, wie sich der Neokortex entwickelt hat, ist ein fortlaufendes Forschungsgebiet. Studien haben gezeigt, dass er eine bedeutende Rolle in kreativer und analytischer Intelligenz spielt, was Menschen von anderen Spezies unterscheidet und befähigt, auf komplexe Weise zu kommunizieren und Probleme zu lösen.
Wird unser Gehirn nochmals einen Sprung in seiner Entwicklung erfahren? Das stelle ich mir schwierig vor. Es ist kaum vorstellbar, dass sich eine einzige Mutation im Genpool von sechs Milliarden Menschen durchsetzt. Je größer eine Population, desto unwahrscheinlicher ist das. Das haben wir von Darwin gelernt. Die kleinen Populationen auf den Galapagos-Inseln konnten mutieren und neue Charakterzüge ausbilden. Aber wo haben wir noch abgeschiedene bewohnte Inseln ohne Reiseverkehr und Heiratsmigration? Menschen mit besonderen kognitiven Gaben entstehen natürlich andauernd, aber einen Sprung für die intellektuellen Fähigkeiten der gesamten Menschheit sehe ich aktuell eher nicht.
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