Wie kognitive Schaltkreise und nicht die Größe des Gehirns seine Entwicklung vorangetrieben haben

Es ist eines der großen Paradoxien der Evolution. Menschen haben gezeigt, dass große Gehirne der Schlüssel zu unserem evolutionären Erfolg sind, und doch sind solche Gehirne bei anderen Tieren äußerst selten. Die meisten kommen mit winzigen Gehirnen aus und scheinen die zusätzlichen Gehirnzellen (Neuronen) nicht zu vermissen.

Warum? Die meisten Biologen haben sich auf die Antwort geeinigt, dass große Gehirne im Hinblick auf die Energie, die sie zum Betrieb benötigen, teuer sind. Und angesichts der Funktionsweise der natürlichen Selektion auch die Vorteile Überschreiten Sie die Kosten einfach nicht.

Aber ist es nur eine Frage der Größe? Beeinflusst die Art und Weise, wie unser Gehirn aufgebaut ist, auch seine Kosten? Eine neue Studie, veröffentlicht in Wissenschaftliche Fortschrittehat einige interessante Antworten hervorgebracht.

Alle unsere Organe haben laufende Kosten, aber einige sind billig und andere teuer. Knochen zum Beispiel sind relativ günstig. Obwohl sie etwa 15 % Ihres Gewichts ausmachen, verbrauchen sie nur 5 % Ihres Stoffwechsels. Das Gehirn befindet sich am anderen Ende des Spektrums, und bei etwa 2 % des typischen menschlichen Körpergewichts verbraucht sein Betrieb etwa 20 % unseres Stoffwechsels. Und das ohne bewusstes Nachdenken – es passiert sogar, wenn wir schlafen.

Für die meisten Tiere lohnen sich die Vorteile ernsthaften Denkens einfach nicht. Aber aus irgendeinem Grund – vielleicht dem größten Rätsel in der menschlichen Evolution – haben die Menschen Wege gefunden, die Kosten eines größeren Gehirns zu überwinden und die Vorteile zu nutzen.

All dies ist ziemlich bekannt, aber es gibt eine spannendere Frage. Sicherlich muss der Mensch die höheren Kosten für unser Gehirn tragen, weil es so groß ist, aber gibt es aufgrund der besonderen Natur unserer Erkenntnis unterschiedliche Kosten? Kostet Denken, Sprechen, Befangenheit oder Rechnen mehr als typische Alltagsaktivitäten mit Tieren?

Diese Frage ist nicht leicht zu beantworten, aber das Team hinter der neuen Studie unter der Leitung von Valentin Riedl von der Technischen Universität München hat sich der Herausforderung gestellt.

Die Autoren hatten zunächst eine Reihe bekannter Punkte. Der grundlegende Aufbau und die Struktur von Neuronen sind im gesamten Gehirn – und bei allen Arten – weitgehend gleich. Die neuronale Dichte ist auch bei Menschen und anderen Primaten gleich, daher ist es unwahrscheinlich, dass diese der Treiber der Intelligenz sind. Wenn sie es wären, wären einige Tiere mit großen Gehirnen wie Orcas und Elefanten wahrscheinlich schlauer als Menschen.

Sie wussten auch, dass sich der Neocortex – der größte Teil der äußersten Schicht des Gehirns, bekannt als Großhirnrinde – im Laufe der menschlichen Evolution schneller ausgedehnt hat als andere Teile. Diese Region, die den präfrontalen Kortex umfasst, ist für Aufgaben verantwortlich, die Aufmerksamkeit, Denken, Planung, Wahrnehmung und episodisches Gedächtnis betreffen – allesamt für eine höhere kognitive Funktion erforderlich.

Diese beiden Beobachtungen veranlassten sie zu der Untersuchung, ob in verschiedenen Regionen des Gehirns unterschiedliche Signalkosten anfallen.

Das Team scannte die Gehirne von 30 Menschen mit einer Technik, die gleichzeitig den Glukosestoffwechsel (ein Maß für den Energieverbrauch) und die Signalstärke im Kortex messen konnte. Sie könnten dann die Korrelation zwischen diesen beiden Elementen untersuchen und herausfinden, ob verschiedene Teile des Gehirns unterschiedliche Energieniveaus verbrauchen – und wenn ja, wie.

Überraschende Erkenntnisse

Neurobiologen werden sicherlich über die feinen Details der Ergebnisse nachdenken und sie untersuchen, aber aus evolutionärer Sicht regen sie zum Nachdenken an. Sie fanden heraus, dass der Unterschied im Energieverbrauch zwischen verschiedenen Bereichen des Gehirns groß ist. Aus energetischer Sicht sind nicht alle Teile des Gehirns gleich.

Darüber hinaus verursachten die Teile des menschlichen Gehirns, die sich am stärksten ausgedehnt haben, höhere Kosten als erwartet. Tatsächlich benötigte der Neokortex pro Gramm Gewebe rund 67 % mehr Energie als sensomotorische Netzwerke.

Das bedeutet, dass im Laufe der menschlichen Evolution nicht nur die Stoffwechselkosten unseres Gehirns mit zunehmender Größe gestiegen sind, sondern dass sich dies auch noch beschleunigt hat, da sich der Neokortex schneller ausdehnte als der Rest des Gehirns.

Warum sollte das so sein? Ein Neuron ist schließlich ein Neuron. Der Neocortex steht in direktem Zusammenhang mit höheren kognitiven Funktionen.

Die über diesen Bereich gesendeten Signale werden durch Gehirnchemikalien wie Serotonin, Dopamin und Noradrenalin (Neuromodulatoren) vermittelt, die Schaltkreise im Gehirn erzeugen, die dazu beitragen, ein allgemeines Maß an Erregung aufrechtzuerhalten (im neurologischen Sinne des Wortes bedeutet es, wach zu sein, nicht zu haben). Spaß). Diese Schaltkreise, die einige Gehirnbereiche stärker regulieren als andere, steuern und modifizieren die Fähigkeit von Neuronen im gesamten Gehirn, miteinander zu kommunizieren.

Mit anderen Worten: Sie halten das Gehirn für die Gedächtnisspeicherung und das Denken aktiv – ein allgemein höheres Maß an kognitiver Aktivität. Es überrascht vielleicht nicht, dass das höhere Aktivitätsniveau unserer fortgeschrittenen Kognition mit höheren energetischen Kosten verbunden ist.

Letztlich scheint es also so zu sein, dass sich das menschliche Gehirn nicht nur deshalb zu einem derart fortgeschrittenen Erkenntnisniveau entwickelt hat, weil wir große Gehirne haben, auch nicht, weil bestimmte Bereiche unseres Gehirns unverhältnismäßig groß geworden sind, sondern weil – mit Kosten – die Konnektivität verbessert wurde.

Viele Tiere mit großen Gehirnen, wie Elefanten und Orcas, sind hochintelligent. Aber es scheint möglich zu sein, ein großes Gehirn zu haben, ohne die „richtigen“ Schaltkreise für die Wahrnehmung auf menschlicher Ebene zu entwickeln.

Die Ergebnisse helfen uns zu verstehen, warum größere Gehirne so selten sind. Ein größeres Gehirn kann die Entwicklung komplexerer Kognitionen ermöglichen. Dabei geht es jedoch nicht nur darum, Gehirn und Energie gleichermaßen zu vergrößern, sondern auch um die Übernahme zusätzlicher Kosten.

Dies beantwortet nicht wirklich die ultimative Frage: Wie gelang es dem Menschen, die Energiegrenze des Gehirns zu durchbrechen? Wie so oft in der Evolution muss die Antwort in der Ökologie liegen, der ultimativen Energiequelle. Um ein großes Gehirn wachsen und erhalten zu können – egal für welche sozialen, kulturellen, technologischen oder anderen Zwecke es verwendet wird –erfordert eine zuverlässige und hochwertige Ernährung.

Um mehr zu erfahren, müssen wir die letzten Millionen Jahre erforschen, die Zeit, in der sich die Gehirne unserer Vorfahren wirklich vergrößerten, um diese Schnittstelle zwischen Energieverbrauch und Kognition zu untersuchen.

Dieser Artikel wurde erneut veröffentlicht von Die Unterhaltung unter einer Creative Commons-Lizenz. Lies das originaler Artikel.