Gibt es eine wissenschaftliche Grundlage für die Annahme, dass der Kopfumfang den IQ bestimmt?

„Sohn mit großem Kopf und Vater mit kleinem Kopf“ ist die Kindheitserinnerung vieler Menschen. Aber kann ein Vater mit einem kleinen Kopf einen Sohn mit einem großen Kopf zur Welt bringen? Sind Menschen mit größeren Köpfen klüger? Wovon hängt die Größe unseres Gehirns ab?

Bevor wir beginnen, schauen wir uns dieses Bild an:

Vergleich dreier unterschiedlicher Gehirngrößen im MRT

Bildquelle: doi:10.31887/DCNS.2018.20.4/gmirzaa

Handelt es sich hier um einen Vergleich der Gehirne eines Affen, eines normalen Babys und eines Superbabys? Oder sind es die Veränderungen im Gehirn während der Evolution vom Affen zum Menschen?

Tatsächlich ist dies alles Teil des modernen menschlichen Gehirns.

Die Person ganz links hat jedoch eine Mikrozephalie (MIC): Ihr Kopfumfang liegt mehr als zwei Standardabweichungen (SD) unter dem Mittelwert für ihr Alter und Geschlecht. Mikrozephalie wird häufig mit Komorbiditäten wie Epilepsie, Autismus und anderen Geburtsfehlern in Verbindung gebracht.

Normalerweise messen wir den Kopfumfang unseres Neugeborenen innerhalb von 24 Stunden nach der Geburt. Bei Jungen beispielsweise beträgt der durchschnittliche Kopfumfang etwa 36 cm, zwei Standardabweichungen darunter etwa 32 cm.

In der Mitte sind normale Menschen.

Bei dem Patienten ganz rechts handelt es sich um einen Patienten mit Megalenzephalie (MEG) : Im Vergleich zum Durchschnittswert ist der Kopfumfang deutlich um mehr als 2,5 SD erhöht (immer noch am Beispiel von Jungen, beträgt er etwa 38,5 cm). Trotz ihres ungewöhnlich großen Gehirns stieg ihr IQ nicht an, sondern sank sogar, und ihre Reaktionszeiten wurden langsamer[1].

Es scheint, dass zwischen Gehirngröße und IQ keine einfache positive Korrelation besteht.

Das ist ein extremer Kontrast. Welche Beziehung besteht also unter normalen Umständen zwischen Gehirngröße und IQ?

Teil 1

Wie stark variiert die Gehirngröße zwischen Menschen unter unterschiedlichen Bedingungen?

Als erstes ist der Standard zur Messung der Gehirngröße zu beachten. Manchmal messen wir es nach Gewicht, manchmal nach Volumen (über MRT-Scans oder Schädelvolumen). In diesem Artikel wird zur Messung der Gehirngröße hauptsächlich das Volumen verwendet.

Außerdem sprechen wir hier nicht über die Größe des Kopfes, sondern über die Größe des Gehirns im Kopf.

Wir sprechen oben über das Gehirn.

(Fotoquelle: Veer Gallery)

Wie groß ist der Unterschied in der Gehirngröße zwischen Menschen aus verschiedenen Regionen, Geschlechtern und Altersgruppen?

Statistisch gesehen gibt es einen kleinen Unterschied in der durchschnittlichen Gehirnkapazität von Ostasiaten, Europäern und Afrikanern, und auch zwischen Männern und Frauen gibt es einen kleinen Unterschied in der Gehirnkapazität.

Vor dreißig Jahren führten amerikanische Wissenschaftler die weltweit größte Untersuchung zur Gehirnkapazität an mehr als 20.000 modernen menschlichen Schädeln aus aller Welt durch. Die Ergebnisse zeigten, dass die durchschnittliche Gehirnkapazität von Ostasiaten 1.415 ccm betrug, während die durchschnittliche Gehirnkapazität von Europäern und Afrikanern 1.362 ccm bzw. 1.268 ccm betrug[2].

Karte des Gehirnvolumens vom 21. August 2014

Bildquelle: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Brain_Size_Map.png

Das durchschnittliche Gehirnvolumen bei Männern beträgt 1273,6 ccm und variiert zwischen 1052,9 ccm und 1498,5 ccm. Das durchschnittliche Gehirnvolumen bei Frauen beträgt 1131,1 ccm und variiert zwischen 974,9 ccm und 1398,1 ccm. Das gesamte Gehirnvolumen von Männern ist 10,8 % größer als das von Frauen, ein Unterschied von 2,1 SD oder 131 ccm[3].

Neben dem geografischen Standort und dem Geschlecht gibt es tatsächlich Unterschiede in der Gehirngröße zwischen Menschen unterschiedlichen Alters.

Das Gehirn eines Neugeborenen entwickelt sich rasch, doch ab dem 35. Lebensjahr beginnt die Gehirnkapazität nachzulassen. Ab dem 35. Lebensjahr können Sie sich zu Recht darüber beschweren, dass Ihr Gehirn von Tag zu Tag schlechter wird.

Das menschliche Gehirn entwickelt sich vor der Geburt, im ersten Lebensjahr und während der gesamten Kindheit rasant.

Bildquelle: https://humanorigins.si.edu/human-characteristics/brains

Bei der Geburt beträgt die durchschnittliche Gehirngröße eines Neugeborenen 341 cm³, im Alter von 90 Tagen sind es 558 cm³.

In drei Monaten wächst das Gehirn eines Neugeborenen von etwa 33 % auf 55 % der durchschnittlichen Gehirngröße eines Erwachsenen.

Während der Kindheit nimmt die Gehirnmasse weiter zu, allerdings langsamer. Im Alter von fünf Jahren erreicht sie 95 % und im Alter von zehn Jahren 98 % der Größe eines Erwachsenen.

Dann verlangsamte sich das Gehirnwachstum weiter. Im jungen Erwachsenenalter, zwischen 18 und 35 Jahren, kann es zu einer weiteren Wachstumswelle kommen.

Ab dem 35. Lebensjahr verringert sich das Gehirnvolumen jährlich um 0,2 %, und ab dem 60. Lebensjahr beschleunigt sich dieser Wert allmählich auf 0,5 % pro Jahr. Bei Menschen über 60 Jahren liegt der stabile Kapazitätsverlust bei über 0,5 % pro Jahr [4, 5].

Insbesondere neigen Kinder mit Autismus dazu, größere Gehirne zu haben (und ein früheres und unverhältnismäßiges Gehirnwachstum) als ihre nicht-autistischen Altersgenossen [6].

Darüber hinaus gibt es genetisch bedingte Extremsituationen. ASPM- wurde erstmals im Jahr 2002 als wichtiges Gen zur Bestimmung der Kopfgröße beschrieben. Es ist ein Schlüsselgen, das die Gehirnentwicklung steuert und für die Funktion der mitotischen Spindel in embryonalen Neuroblasten von entscheidender Bedeutung ist.

Nonsense-Mutationen in ASPM verursachen eine primäre Mikrozephalie, die durch eine 70-prozentige Verringerung der Gehirngröße gekennzeichnet ist und einen Australopithecus-ähnlichen Atavismus hervorruft. Die Häufigkeit der Mikrozephalie ist sehr gering und beträgt durchschnittlich 2 bis 12 Fälle pro 10.000 Neugeborenen.

Phylogenetischer Baum des ASPM-Gens. Die Zahlen geben das Verhältnis der nicht-synonymen Substitutionsrate zur synonymen Substitutionsrate jedes Zweigs des phylogenetischen Baums an, Ka/Ks. Da nicht-synonyme Veränderungen die biochemischen Eigenschaften des Proteinprodukts verändern, unterliegen sie häufig einer Selektion. Ein hohes (oder niedriges) Ka/Ks-Verhältnis bedeutet, dass sich das vom Gen kodierte Protein schnell (oder langsam) entwickelt. Wenn das Verhältnis größer als 1 ist, zeigt dies an, dass die Rate der nicht-synonymen Substitution schneller ist als bei selektiver Neutralität erwartet, möglicherweise aufgrund des Vorhandenseins einer positiven Selektion. Die Primatenlinie, die zum Menschen führt, ist rot dargestellt und wir können sehen, dass das Verhältnis im letzten Selektionsschritt bis zu 1,44 beträgt.

Zitiert nach: doi:10.1038/nrg1634

Insgesamt gibt es in der Bevölkerung zwar Menschen mit relativ großen und relativ kleinen Gehirnen, aber der Unterschied ist nicht so groß.

Teil 2

Warum sind unsere Gehirne heute so groß?

Komplexe Denkfähigkeiten können das Ergebnis schrittweiser Veränderungen der Gehirnfunktion sein. Sobald die Größe und strukturelle Komplexität des Gehirns einen bestimmten Schwellenwert überschreiten, können die kognitiven Fähigkeiten mit der Verbesserung des Gehirns überproportional zunehmen, was zu einer Erleuchtung der menschlichen Intelligenz führt. Darüber hinaus ist die Größe des Gehirns evolutionär stabiler als die jedes anderen Körperorgans[7].

Wie kam es also zu der Entwicklung unseres Gehirns, das heute so groß ist?

Um es einfach auszudrücken: Das Gehirn wuchs während der frühen menschlichen Evolution schnell, trat vor 3 Millionen Jahren in eine Phase explosiven Wachstums ein und stabilisierte sich dann. Während dieses drei Millionen Jahre dauernden Sprints hat sich die Größe des menschlichen Gehirns im Vergleich zu dem, was unsere Vorfahren in den vorangegangenen 60 Millionen Jahren der Primatenevolution erreicht hatten, fast vervierfacht.

Modell der Gehirngröße unserer Vorfahren und des modernen Menschen

Bildquelle: https://www.eurekalert.org

Eine der wichtigsten Möglichkeiten, die Evolution des menschlichen Gehirns nachzuvollziehen, sind Fossilien. Da fossiles Hirngewebe selten ist, ist es zuverlässiger, die anatomischen Merkmale des Schädels zu untersuchen, um Erkenntnisse über die Eigenschaften des Gehirns zu gewinnen. Ein Ansatz besteht darin, Schädelabdrücke zu untersuchen, diese können jedoch keine darunterliegenden Gehirnstrukturen erkennen.

Anzahl und durchschnittliche Gehirngröße verschiedener fossiler Exemplare

Bildquelle: https://www.britannica.com/science/human-evolution/Increasing-brain-size

Durch die Beobachtung der Fossilien kann festgestellt werden, dass die Australopithecus, die vor 3,85 bis 2,95 Millionen Jahren lebten, eine Gehirnkapazität von etwa 300–500 ccm hatten, was mit der Gehirnkapazität heute lebender Schimpansen vergleichbar ist. Als wir in das Zeitalter des Homo sapiens eintraten, nahm die Gehirngröße stetig weiter zu.

Homo habilis, der vor 2,4 bis 1,4 Millionen Jahren lebte, hatte ein Schädelvolumen von etwa 600 ccm, während das Gehirn des moderneren Homo heideibergenesis, der vor etwa 700.000 bis 200.000 Jahren lebte, ein Volumen von etwa 1.290 ccm hatte.

Neandertaler (Homo neanderthalensis) lebten vor 400.000 bis 40.000 Jahren. Ihr Schädelvolumen betrug durchschnittlich 1.500–1.600 cm³, vergleichbar mit dem des modernen Menschen und sogar größer als das des modernen Menschen. Aufgrund ihrer im Verhältnis zur Körpermasse geringen Gehirnmasse waren die Neandertaler jedoch nicht so intelligent wie die modernen Menschen[8,9].

Vor etwa 200.000 Jahren kam das Gehirnwachstum zum Stillstand, als es die physikalische Grenze der Beckengröße erreichte. Die folgende Abbildung vermittelt uns ein intuitives Gefühl.

Basierend auf den Schädeln von Urprimaten und frühen Hominiden

Die menschliche Evolution, wie sie im Abguss dargestellt ist, wobei die horizontale Achse die Jahre und die vertikale Achse die Gehirnkapazität zeigt

Abbildung aus: https://doi.org/10.15761/imm.1000287

Warum hat die Größe des menschlichen Gehirns nicht unbegrenzt zugenommen?

Erstens ist das Gehirn eines der metabolisch aufwendigsten Organe im Körper. Obwohl es nur 2 % des Körpergewichts ausmacht, ist es für etwa 20 % des gesamten Energieverbrauchs im Ruhezustand verantwortlich.

Zweitens führte die erhöhte Schädelkapazität zu Schwierigkeiten bei der Geburt, was direkt zu einem Anstieg der Müttersterblichkeit (0,5 %) führte, die vor dem Aufkommen der modernen Medizin die höchste unter den Säugetieren war. Um die Schwierigkeiten der Geburt auszugleichen, wurde die Beckenöffnung vergrößert und die Effizienz der zweibeinigen Fortbewegung verringert.

Drittens dauert die Reifung größerer Gehirne länger, was die Schwangerschafts- und Kindererziehungszeit erheblich verlängert und somit höhere Anforderungen an die Mutter stellt und die Gesamtzahl der Kinder, die sie gebären kann, verringert.[10]

Deshalb sagen wir immer, dass das moderne menschliche Gehirn das Produkt eines Spiels ist, bei dem Kosten und Nutzen gegeneinander abgewogen werden.

Teil 3

Bedeutet ein größerer Kopf, dass die Menschen intelligenter sind?

Im Jahr 1836 schrieb der deutsche Anatom und Physiologe Friedrich Tiedemann: „Es besteht kein Zweifel daran, dass zwischen der absoluten Größe des Gehirns und der Intelligenz und den geistigen Fähigkeiten ein sehr enger Zusammenhang besteht.“ Dies hat zu heftigen Debatten und Kontroversen geführt und die Gesamtzahl der diesbezüglichen Studien liegt bislang bei Hunderten.

Als ich jedoch die frühere Literatur durchsah, stellte ich fest, dass diese Studien zu umstritten waren und offensichtliche Mängel aufwiesen. So ging es beispielsweise darum, wie Menschen Intelligenz definierten und maßen, ob Körperform, Alter und Geschlecht der Probanden bei der Durchführung relevanter Analysen berücksichtigt wurden und welcher Teil des Gehirns bei der Urteilsbildung beobachtet werden sollte.

In der Vergangenheit wurden drei Hauptmethoden verwendet, um die Gehirngröße abzuschätzen: das Wiegen des feuchten Gehirns bei der Autopsie, das Messen des Volumens eines leeren Schädels mit Ausfüllung und das Messen der Größe des äußeren Kopfes und das Abschätzen des Volumens. In früheren Studien wurden postmortale Gehirne verwendet, allerdings nimmt das Gewicht des Gehirns aufgrund von Ödemen deutlich zu, je länger die Entfernung zurückliegt. Darüber hinaus lässt sich der Intelligenzgrad des Verstorbenen nicht gut messen und kann nur auf Grundlage seines Berufs und seines sozialen Status zu Lebzeiten beurteilt werden.

Nachdem die Bürgerrechtsbewegung in den 1960er Jahren in den USA an Bedeutung gewann, kam die Forschung zu Gehirngröße und Intelligenz sowie zu diesbezüglichen Gruppenunterschieden zum Erliegen und die Literatur dazu wurde heftiger Kritik ausgesetzt.

Das Interesse wurde in den 1990er Jahren neu entfacht, als neue Techniken zur Untersuchung des Gehirns verfügbar wurden, darunter auch ausgefeiltere Technologien wie die Computertomographie (CT) und die Magnetresonanztomographie (MRI), die das Arsenal ergänzten. Gleichzeitig sind auch wirksame Standards zur Intelligenzbewertung sehr wichtig. Einer der am häufigsten genannten ist der G-Faktor.

Der g-Faktor, die allgemeine geistige Fähigkeit, ist der Vorgänger dessen, was wir oft als IQ bezeichnen. Er wurde 1904 von Spearman vorgeschlagen. Später wurde er für die Auswahl des US-Militärs während des Ersten Weltkriegs verwendet und erlangte allmählich weltweite Anerkennung. Die kleinen Quadrate stellen 16 verschiedene Tests der kognitiven Fähigkeiten dar. Die 16 Items werden in fünf Faktoren zusammengefasst: logisches Denken, räumliches Vorstellungsvermögen, Gedächtnis, Verarbeitungsgeschwindigkeit und Wortschatz. Jeder Test verfügt über eine Reihe von Faktoren: Diese Zahlen können als Korrelationen zwischen einzelnen Tests und latenten Merkmalen oder Fähigkeitsbereichen höherer Ordnung betrachtet werden. Alle fünf Domänen korrelierten stark mit dem allgemeinen Intelligenzfaktor (g). Zitiert nach doi:10.1038/nrn2793

Es besteht mittlerweile weitgehend Einigkeit darüber, dass das gesamte Gehirnvolumen (gemessen mittels struktureller MRT) nur mäßig mit der Intelligenz korreliert, wobei der Korrelationskoeffizient etwa 0,30-0,40 beträgt [15,16].

Die neurowissenschaftliche Forschung hat mehrere strukturelle und funktionelle Korrelate individueller Intelligenzunterschiede identifiziert, darunter funktionelle parietofrontale neuronale Netzwerke, neuronale Effizienz und Integrität der weißen Substanz. Auch die allgemeine Entwicklungsstabilität des Gehirns sollte berücksichtigt werden, da erworbene Übung und Erfahrung zu einer Volumenzunahme relevanter Gehirnregionen führen können [18]. Eine Studie aus dem Jahr 2006 ergab, dass der IQ nicht mit der Dicke der Hirnrinde selbst zusammenhängt, sondern mit der Plastizität der Hirnrindendicke während der Kindheit[19]. Diese Faktoren scheinen die Intelligenz abwechselnd zu beeinflussen, was zu einer Heterogenität hinsichtlich des Ausmaßes führt, in dem jeder Faktor zum IQ-Niveau einer Person beiträgt.

Verschiedene neuronale Verhaltensweisen während des Denkprozesses werden von unterschiedlichen Gehirnregionen gesteuert. Unter den Bedingungen des Ruhezustands und Raven Progressive Matrices (RPM, oft verwendet, um die Fähigkeit zum abstrakten Denken zu testen) wurden 29 neuronale Netzwerke getestet: 6 Aufmerksamkeits-Neuralnetzwerke (A1 A6), 6 kognitive neuronale Netzwerke (C1 C6), 6 visuelle neuronale Netzwerke (V1 V6), 6 sensorische motorische neuronale Netzwerke (S1 S6), 3 Standard-Neuralnetzwerke (D1 D3), auditorisches neuronales Netzwerk (AU) und Basalganglien-Neuralnetzwerk (BG). Die räumliche Verteilung und Leistung des neuronalen Netzwerks während der Ruhe im Raven-Test werden als Statistiken dargestellt, wobei warme und kalte Farben Bereiche markieren, in denen die intrinsische Netzwerkkohärenz während der Aufgabe signifikant zunahm bzw. abnahm.

Zitiert nach: http://dx.doi.org/10.1016/j.neuroimage.2014.09.055

Auch wenn die Gehirngröße teilweise für die Beeinflussung des IQ verantwortlich ist, sind weitere Untersuchungen erforderlich, um das Zusammenspiel zwischen Genen, Umwelt, Gehirnanatomie und kognitiver Entwicklung vollständig aufzuklären.

Das Gehirn ist so komplex, dass die Forschung in den Neurowissenschaften und der Kognitionswissenschaft noch in den Kinderschuhen steckt. Vielleicht wird es mit zunehmender Tiefe der Forschung eine klarere Antwort auf diese Frage geben.

Quellen:

[1]Pirozzi F, Nelson B, Mirzaa G. Von der Mikrozephalie zur Megalenzephalie: Determinanten der Gehirngröße. Dialoge Klinische Neurowissenschaften 2018;20(4):267-282. doi:10.31887/DCNS.2018.20.4/gmirzaa

[2]Kenneth L. Beals. Gehirngröße, Schädelmorphologie, Klima und Zeitmaschinen CURRENT ANTHROPOLOGY V01. 25, Nr. 01984

[3]Allen, John S.; Damasio, Hanna; Grabowski, Thomas J. (August 2002). „Normale neuroanatomische Variation im menschlichen Gehirn: Eine MRI-volumetrische Studie“. Amerikanisches Journal für physikalische Anthropologie. 118 (4): 341–358. doi: 10.1002/ajpa.10092. PMID 12124914.

[4]Hedman AM, van Haren NE, Schnack HG, Kahn RS, Hulshoff Pol HE. Veränderungen des menschlichen Gehirns im Laufe des Lebens: eine Überprüfung von 56 longitudinalen Magnetresonanztomographie-Studien. Hum Brain Mapp. 2012;33(8):1987-2002. doi:10.1002/hbm.21334

[5]Rushton JP, Ankney CD. Gehirngröße und kognitive Fähigkeiten: Zusammenhänge mit Alter, Geschlecht, sozialer Schicht und Rasse. Psychon Bull Rev. 1996;3(1):21-36. doi:10.3758/BF03210739

[6] Sacco R, Gabriele S, Persico AM. Kopfumfang und Gehirngröße bei Autismus-Spektrum-Störungen: Eine systematische Überprüfung und Metaanalyse. Psychiatrieforschung. 2015 Nov 30;234(2):239-51. doi: 10.1016/j.pscychresns.2015.08.016. Epub 28. September 2015. PMID: 26456415.

[7]Holden C. Eine evolutionäre Einschränkung der Gehirngröße. Wissenschaft. 30. Juni 2006;312(5782):1867. PMID: 16809505.

[8]http://thealternativehypothesis.org/index.php/2016/04/15/brain-size-and-iq/

[9] Ginneken, VV et al. „Jäger-Beute-Korrelation zwischen den Migrationsrouten afrikanischer Büffel und früher Hominiden: Beweise für die „Out of Africa“-Hypothese.“ Integrative Molekulare Medizin 4 (2017): n. Seite.

[10]Gilbert SL, Dobyns WB, Lahn BT. Genetische Zusammenhänge zwischen Gehirnentwicklung und Gehirnevolution. Nat Rev Genet. 2005;6(7):581-590. doi:10.1038/nrg1634

[11]Bond J, Roberts E, Mochida GH, et al. ASPM ist ein wichtiger Faktor, der die Größe der Großhirnrinde bestimmt. Nat Genet. 2002;32(2):316-320. doi:10.1038/ng995

[12]Zhang J. Evolution des menschlichen ASPM-Gens, ein wichtiger Faktor für die Gehirngröße. Genetik. 2003;165(4):2063-2070.

[13]Van Valen L. Gehirngröße und Intelligenz beim Menschen. Am J Phys Anthropol. 1974;40(3):417-423. doi:10.1002/ajpa.1330400314

[14]Deary IJ, Penke L, Johnson W. Die Neurowissenschaft der Unterschiede zwischen Menschen in der Intelligenz. Nat Rev Neurosci. 2010;11(3):201-211. doi:10.1038/nrn2793

[15]Schoenemann PT, Budinger TF, Sarich VM, Wang WS. Die Gehirngröße lässt nicht auf die allgemeine kognitive Leistungsfähigkeit innerhalb einer Familie schließen. Proc Natl Acad Sci US A. 2000;97(9):4932-4937. doi:10.1073/pnas.97.9.4932

[16] Lee JJ, McGue M, Iacono WG, Michael AM, Chabris CF. Der kausale Einfluss der Gehirngröße auf die menschliche Intelligenz: Belege aus phänotypischen Assoziationen innerhalb der Familie und GWAS-Modellierung. Intelligenz. 2019;75:48-58. doi: 10.1016/j.intell.2019.01.011

[17] Pietschnig J, Penke L, Wicherts JM, Zeiler M, Voracek M. Metaanalyse der Assoziationen zwischen menschlichem Gehirnvolumen und Intelligenzunterschieden: Wie stark sind sie und was bedeuten sie? Neurosci Biobehav Rev. 2015;57:411-432. doi: 10.1016/j.neubiorev.2015.09.017

[18] Pietschnig, J. et al. „Metaanalyse der Assoziationen zwischen menschlichem Gehirnvolumen und Intelligenzunterschieden: Wie stark sind sie und was bedeuten sie?“ Neuroscience & Biobehavioral Reviews 57 (2015): 411-432.

[19]Shaw, P., Greenstein, D., Lerch, J., Clasen, L., Lenroot, R., Gogtay, NEEA, et al., 2006. Intellektuelle Fähigkeiten und kortikale Entwicklung bei Kindern und Jugendlichen. Nature 440, 676–679.

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