Evolution des Primas Gehirn: Größe ist nur ein Anfang

Von der präfrontalen weißen Substanz bis hin zu kleinen Oberflächenrillen zeichnet sich unser Gehirn aus.

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Im letzten Beitrag haben wir aufgehört zu wissen, dass menschliche Gehirne länger im Vergleich zum Schimpansengehirn erwachsen werden. Aber warum sollte das wichtig sein? Es stellt sich heraus, dass diese Zeit die Entwicklung von Strukturen und Geweben ermöglicht, die unseren einzigartigen menschlichen Merkmalen zugrunde liegen können.

Beginnen wir mit dem präfrontalen Kortex.

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Unser präfrontaler Kortex ist die Region unseres Gehirns, die sich direkt hinter unserer Stirn befindet und an kognitiven Funktionen höherer Ordnung beteiligt ist, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Entscheidungen, Planung, Feinmotorik und abstraktes Denken.

Phineas Gage: Eine Fallstudie zum Hirntrauma

Vielleicht haben Sie durch die Geschichte von Phineas Gage, einem Eisenbahnmeister, der 1848 ein Stampfeisen besaß, von der präfrontalen Kortikalis erfahren, eine lange Stange, mit der er Sprengpulver in ein etwa drei Meter langes, etwa einen Zoll langes Loch packte im Durchmesser – drang durch seine linke Wange und durch seinen Schädel heraus und durch seinen präfrontalen Kortex.

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Gage war auf seinem linken Auge geblendet, überlebte jedoch. Seine Persönlichkeit änderte sich jedoch dramatisch. Diejenigen, die ihn kannten, berichteten von einer fast sofortigen Verschiebung seiner emotionalen Stabilität. Er fing an, mangelndes Selbstbewusstsein zu zeigen, Schimpfwörter zu schreien und diejenigen zu vertreiben, die ihn kannten. Er war bei der Arbeit nicht mehr zuverlässig und konnte keine Arbeit mehr ausüben. Er starb elf Jahre nach dem Unfall im Alter von 36 Jahren an einem epileptischen Anfall, nachdem er eine Reihe von Gelegenheitsjobs innerhalb und außerhalb der Vereinigten Staaten übernommen hatte.

Dieses Ereignis war zwar unglücklich, gab jedoch einen Einblick in die Bedeutung der verschiedenen Gehirnregionen und unterstützte die (damals umstrittene) Theorie, dass verschiedene Regionen des Gehirns unterschiedliche Funktionen erfüllen.

Der immer faszinierende präfrontale Kortex

Seit Jahren ist die zugrunde liegende Bedeutung des präfrontalen Kortex für das Verhalten von Menschen gegenüber nichtmenschlichen Primaten ein Thema für Debatten. Im Jahr 2002 verwendeten Forscher der University of California, San Diego, Magnetresonanztomographie (MRI) von Menschen, Menschenaffen und Affen, um Unterschiede im Volumen des frontalen Kortex sowie grobe anatomische Unterschiede zu untersuchen. Sie fanden heraus, dass weniger Affen wie Gibbons und Affen einen kleineren frontalen Kortex hatten als Menschen, aber dass Menschenaffen wie Menschen eine frontale Kortexvergrößerung aufwiesen.

15 Jahre später untersuchte eine separate Gruppe von Forschern das Wachstum des präfrontalen Cortex über verschiedene Primatenarten und stellte fest, dass der präfrontale Cortex von Menschenaffen und Menschen keinem allometrischen Wachstumsmuster folgte – der zeitliche Ablauf und der Grad des präfrontalen Cortex verschob sich Wachstum, das nicht mit dem übereinstimmte, was man bei anderen Primaten gesehen hatte. Wenn sich ein Organismus von einem gemeinsamen allometrischen Wachstumsmuster entfernt, kann dies ein Indikator für die evolutionäre genetische Verschiebung sein. In diesem Fall wurde vermutet, dass genetische Veränderungen, die zu einer kognitiven Funktion höherer Ordnung führten, vor etwa 15 Millionen Jahren zu Beginn der Linie der Menschenaffen auftraten.

Wenn also der Grad der präfrontalen Kortexexpansion nicht auffallend unterschiedlich ist, was könnte dann der kognitiven Variabilität zwischen Menschen und Affen zugrunde liegen? Die Antwort kann (teilweise) in Volumen der grauen und weißen Substanz liegen.

Wirbeltiergehirne enthalten sowohl graue als auch weiße Substanz. Vor kurzem berichtete eine Gruppe von Forschern, dass die Gesamtmenge sowohl der grauen als auch der weißen Substanz im präfrontalen Kortex des Menschen im Vergleich zu nichtmenschlichen Primaten überproportional größer war. Aber was könnte das für die menschliche Erkenntnis bedeuten? Soziale Fähigkeiten?

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Graue Substanz besteht aus lokalen Neuronennetzwerken, die Dendriten (Nervenzellzweige, die Signale an den Zellkörper übertragen) und nicht-myelinisierte Axone umfassen. Es hat sich gezeigt, dass eine erhöhte graue Substanz in Regionen des präfrontalen Kortex positiv mit der Selbstkontrolle korreliert, einem Merkmal, das für den Menschen etwas spezifisch ist.

Weiße Substanz besteht hauptsächlich aus myelinisierten Axonen mit großer Reichweite (Axone, die mit einer schützenden Myelinscheide bedeckt sind) und hat aufgrund des hohen Lipidgehalts von Myelin ein weißliches Aussehen. Die weiße Substanz wurde zunächst als ein Gewebe von geringer Bedeutung betrachtet, hat sich jedoch seither als wesentlich für die kognitive Funktion erwiesen und die Kommunikation zwischen den Gehirnregionen gesteuert.

Im Jahr 2011 untersuchte eine Gruppe von Forschern das Volumen der weißen Substanz bei Schimpansen und Menschen. Die Entwicklung der weißen Substanz bei Rhesus-Makaken , einer bekannten Spezies des Alten Weltaffen, hat sich bereits von der beim Menschen unterschieden. Die weiße Substanz erreicht das Volumen der Erwachsenen in Makaken viel früher als beim Menschen. Um das Wachstum des präfrontalen Cortex mit weißer Substanz über Jahre hinweg bei Schimpansen zu untersuchen, sammelte das Forschungsteam MRI-Scans. Sie fanden heraus, dass bei Schimpansen das Volumen der präfrontalen weißen Substanz bis zum Erwachsenenalter unreif blieb, ein Entwicklungsmerkmal, das auch beim Menschen zu beobachten ist.

Wenn sie die weiße Substanz des Schimpansen mit der weißen Substanz des Menschen verglichen, stieg das Volumen der weißen Substanz des Schimpansen jedoch im Säuglingsalter langsamer an. Obwohl es nicht unglaublich gut verstanden wird, wird vermutet, dass dieser schnelle Anstieg einer erhöhten neuronalen Konnektivität zugrunde liegt und damit die Entwicklung komplexerer sozialer Interaktionen und Fähigkeiten beim Menschen.

Menschen zeigen eine erhöhte Flexibilität in der Gehirnentwicklung

Viel Gehirnforschung, die Menschen mit ihren Primaten verwandte, konzentrierte sich auf die Erweiterung des Kortex und die relative Zunahme der Gehirngröße. Die Flexibilität der Gehirnentwicklung wurde jedoch weit weniger untersucht. Im Jahr 2015 entwickelten die Forscher ein System zur Abschätzung der genetischen Basis der Gehirngröße sowie der Kortexorganisation bei Menschen und Schimpansen. Zu diesem Zweck untersuchten sie das Gehirn von 218 Menschen und 206 Schimpansen mithilfe von MRI-Scans und verglichen die phänotypischen Ähnlichkeiten zwischen verwandten Personen. Sie maßen nicht nur Unterschiede in der Größe des Gehirns, sondern auch in Form und Ort der Sulci (Rillen, die oft als “Schnörkel” auf der Oberfläche des Gehirns bezeichnet werden). Sulci vergrößert die Oberfläche des Gehirns und ermöglicht so weiteres Wachstum, ein Zeichen für erhöhte Plastizität. Es hat sich gezeigt, dass die Plastizität des Gehirns oder die Fähigkeit des Gehirns, seine Schaltkreise als Reaktion auf Umwelteinflüsse zu reorganisieren, Veränderungen des Gedächtnisses und des Verhaltens zugrunde liegt.

Obwohl die Gehirngröße zwischen verwandten Individuen nicht signifikant schwankte, zeigten eng verwandte Menschen, zum Beispiel Brüder, erheblich mehr Variationen in Form und Platzierung ihrer Sulci als eng verwandte Schimpansen. Sie fanden heraus, dass Kortexorganisation und Gehirngröße bei Schimpansen hoch vererbbar sind, beim Menschen waren diese Merkmale jedoch weniger vererbbar. Dies zeigte eine erhöhte Plastizität in der menschlichen Gehirnentwicklung an.

Mit anderen Worten, der Mensch könnte sich besser an seine Umwelt anpassen, ein wichtiges Merkmal, das zum Teil darauf zurückzuführen ist, dass Menschen unter so unterschiedlichen Umständen im Laufe der Zeit gedeihen konnten.