Forscher der Karls-Universität in Prag rekonstruierten die Entwicklung der Anzahl von Gehirnneuronen in Amnioten und enthüllten, dass Säugetiere und Vögel eine dramatisch erhöhte Anzahl von Neuronen in Gehirnteilen aufweisen, die mit einer höheren Kognition verbunden sind. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass nur vier große Veränderungen in der Neuronen-Gehirn-Skalierung in über 300 Millionen Jahren Evolution den Weg zur Intelligenz von Vögeln und Säugetieren ebnen.
Die Entwicklung der Verarbeitungskapazität des Gehirns wurde traditionell aus Daten zur Gehirngröße abgeleitet. Allerdings können sich ähnlich große Gehirne entfernt verwandter Arten in der Anzahl und Verteilung der Neuronen, ihrer grundlegenden Recheneinheiten, unterscheiden. Daher müssen wir Gehirne nicht nach Masse, sondern nach Anzahl der Neuronen vergleichen, um die evolutionären Wege zu einer erhöhten kognitiven Kapazität aufzudecken.
Unter Verwendung eines neuen, umfassenden Datensatzes analysierten die Forscher nun die zelluläre Zusammensetzung des Gehirns bei Amnioten. Im Vergleich zu Reptilien haben Säugetiere und Vögel eine dramatisch erhöhte Anzahl von Neuronen im Telencephalon und Cerebellum, die Gehirnteile sind, die mit höherer Kognition verbunden sind. Erstaunlicherweise legt eine phylogenetische Analyse nahe, dass nur vier große Veränderungen in der Neuronen-Gehirn-Skalierung in über 300 Millionen Jahren Evolution den Weg zur Intelligenz bei endothermen Landwirbeltieren ebnen.
„Unter Verwendung des größten Datensatzes seiner Art und einschließlich wesentlicher Daten zu Reptilien rekonstruiert unsere Studie die Evolution des Gehirns über Amnioten hinweg, indem sie die Anzahl der Neuronen direkt analysiert. Die Ergebnisse legen nahe, dass eine Handvoll einzigartiger evolutionärer Ereignisse die Verarbeitungsleistung des Gehirns bei Vögeln und Säugetieren erhöht hat. Daher , ist es nicht verwunderlich, dass hohe Intelligenz eine seltene Fähigkeit ist“, sagt einer der Autoren der Studie Pavel Němec vom Zoologischen Institut der Fakultät für Naturwissenschaften der Karlsuniversität.
Die Forschung zeigt, dass Reptilien nicht nur im Verhältnis zur Körpergröße kleine Gehirne haben, sondern auch eine geringe Neuronendichte, was zu einer durchschnittlichen Neuronenzahl führt, die mehr als 20-mal niedriger ist als bei Vögeln und Säugetieren ähnlicher Körpergröße. Die Evolution des Amniotengehirns ist durch die folgenden vier Hauptverschiebungen in der Neuronen-Gehirn-Skalierung gekennzeichnet.
Die dramatischsten Zunahmen der Gehirnneuronen traten unabhängig voneinander mit dem Erscheinen von Vögeln und Säugetieren auf, was zu einer konvergenten Neuronenskalierung in den beiden endothermen Abstammungslinien führte. Es scheint, dass die Endothermie, eine energetisch kostspielige Lebensweise, diesen bemerkenswerten Gewinn an metabolisch kostspieligen Neuronen ermöglicht hat. Dies unterstreicht energetische Beschränkungen als einen entscheidenden Faktor in der Gehirnentwicklung. Die beiden anderen großen Zunahmen der Anzahl von Neuronen ereigneten sich bei Kernlandvögeln und menschenähnlichen Primaten, zwei Gruppen, die für ihre kognitiven Fähigkeiten bekannt sind.
Interessanterweise „ist die relative Gehirngröße mit der relativen neuronalen Zelldichte bei Reptilien, Vögeln und Primaten verbunden, aber nicht bei anderen Säugetieren. Dies hat wichtige Auswirkungen auf Studien, die die relative Gehirngröße als Proxy verwenden, wenn nach evolutionären Treibern der tierischen Kognition gesucht wird.“ sagt ein anderes Mitglied des Forschungsteams, Kristina Kverková vom Institut für Zoologie, Fakultät für Naturwissenschaften der Karlsuniversität.
Die Entwicklung der Anzahl von Gehirnneuronen in Amnioten, PNAS (2022). DOI: 10.1073/pnas.2121624119