Den Geist fokussieren: Die Evolution des Gehirns

Die großartige Weisheit des menschlichen Gehirns hat die großartige moderne Zivilisation hervorgebracht. Der grundlegendste Grund, warum der Mensch anderen Lebewesen überlegen ist, ist die Entwicklung des Gehirns. In ähnlicher Weise bestimmt auch die Evolution des Gehirns die Gegenwart und Zukunft des Menschen. Das Gehirn hat sich im Laufe eines langen Prozesses der biologischen Evolution entwickelt. Die dominierende Kraft der Evolution ist die natürliche Selektion und das Nervensystem entwickelt sich durch zahlreiche Entwicklungsprozesse der Vererbung und Variation weiter.

Santiago Ramón y Cajal, ein berühmter Neurowissenschaftler und Nobelpreisträger von 1906, sagte einmal: „Solange die Geheimnisse des Gehirns ungelöst bleiben, wird das Universum ein Mysterium bleiben.“ Das menschliche Gehirn enthält etwa 86 Milliarden Neuronen, das ist mehr als das Zehnfache der Weltbevölkerung. Diese große Zahl spezialisierter Zellgruppen stellt die „CPU“ des menschlichen Körpers dar, die äußere Reize empfängt und auch Rückmeldungen zu unserer emotionalen Wahrnehmung liefert. Neuronen übertragen Informationen über ihre spezialisierten Strukturen – synaptische Verbindungen. Das Gehirn enthält etwa eine Billion synaptische Verbindungen, die ein komplexes neuronales Netzwerk bilden. Der Frontallappen, der Parietallappen, der Okzipitallappen und der Temporallappen sind wichtige „Teile“, aus denen das Gehirn besteht. Der Frontallappen ist für kognitive Funktionen höherer Ebene wie Denken, Planen, Entscheiden und Emotionsregulation verantwortlich. der Parietallappen ist für die Integration somatosensorischer Wahrnehmung, des Sehens und räumlicher Informationen verantwortlich; der Temporallappen ist hauptsächlich für die Sprachfunktion und die Hörwahrnehmung verantwortlich und ist am Langzeitgedächtnis und an Emotionen beteiligt; Der Okzipitallappen ist hauptsächlich für die visuelle Wahrnehmung und Verarbeitung verantwortlich. Diese „Teile“ bilden die zentrale Steuerung des menschlichen Körpers. Die menschliche Großhirnrinde macht etwa 80 % der gesamten Gehirnmasse aus. Wie also hat sich das Gehirn entwickelt?

Archäologische Forschungen zeigen, dass der Mensch aus dem Australopithecus hervorgegangen ist, der vor etwa 3,8 bis 2,1 Millionen Jahren in Afrika lebte. Australopithecus war etwa 1,2 Meter groß, wog etwa 30 Kilogramm und hatte ein Gehirnvolumen von etwa 500 Millilitern. Australopithecus hatte einige affenähnliche Merkmale, wie etwa flexible Arme und einen langen Schwanz. Allerdings weisen sie auch einige Ähnlichkeiten mit dem Menschen auf, beispielsweise den aufrechten Gang. Aufgrund von Klima- und Umweltveränderungen entwickelten sich vor etwa 2,5 Millionen Jahren nur wenige Australopithecus zum Homo habilis. Homo habilis hatte ein viel größeres Gehirn als Australopithecus (durchschnittlich 650–800 ml) und war der erste primitive Mensch, der in der Lage war, Werkzeuge (einschließlich Stein, Knochen und Holz) herzustellen und zu verwenden. Gleichzeitig lebt der Homo sapiens in kleinen Gruppen mit komplexen sozialen Beziehungen und kann durch einfache Sprache miteinander kommunizieren. Vor etwa 2 Millionen Jahren entwickelte sich aus Homo habilis der Homo erectus. Das Gehirnvolumen des Homo erectus erreichte etwa 1.000 ml, er verfügte über eine relativ komplexe Sprache und Steinwerkzeuge, konnte Feuer kontrollieren und nutzen und es kam zur ersten groß angelegten Migration von Urmenschen von Afrika nach Europa und Asien. Neandertaler sind Nachkommen des Homo erectus. Die Neandertaler waren die „Vorgänger“ mit der schnellsten Entwicklung der Gehirnkapazität, mit einem Gehirnvolumen von etwa 1500 ml. Sie verwendeten eine komplexe logische Sprache, schufen komplexere Werkzeuge und hatten robustere Körper. Um sich besser an die Umwelt anzupassen und mehr Nahrung zu erhalten, begannen die Neandertaler die zweite große Migration und ihre Fußspuren verbreiteten sich auf der ganzen Welt. Das Gehirnvolumen des modernen Menschen beträgt etwa 1600 ml, also fast das Dreifache des Gehirnvolumens des Australopithecus. Im Laufe der Evolution konnten die menschlichen Vorfahren ihre Hände frei machen und so komplexere und präzisere Bewegungen ausführen, um sich an die Umgebung anzupassen. Infolgedessen erhöhte sich die Gehirnkapazität. Seitdem der Mensch erstmals Steine ​​und Stöcke aufhob und Feuer benutzte, ist seine Gehirnkapazität im Zuge der Anpassung an die Umwelt exponentiell gewachsen und hat damit wichtige Voraussetzungen für die Entstehung höherer Intelligenz geschaffen. Daher ist die Essenz der menschlichen Evolution die Evolution des Gehirns!

Neben der schnellen Ausdehnung der Großhirnrinde ist die Faltung der Großhirnrinde ein weiterer Meilenstein in der Evolution des Säugetiergehirns. Durch die Faltung der Hirnrinde kann mehr Großhirnrinde in der begrenzten Schädelhöhle untergebracht werden. Sie bildet die strukturelle Grundlage für fortgeschrittene Gehirnfunktionen wie Logik, Denken, Wahrnehmung, Emotionen, Feinmotorik, Sprache und Bewusstsein. Gleichzeitig definieren hochdifferenzierte kortikale Sulci und Gyri verschiedene Funktionsbereiche der Großhirnrinde. Vom frühesten Australopithecus bis zum modernen Menschen haben sich die Rillen und Windungen des Gehirns allmählich in eine komplexere Richtung entwickelt. Obwohl der Grad der Faltung der Großhirnrinde stark mit dem Intelligenzniveau korreliert, ist die Sulcus- und Gyrusstruktur kein Alleinstellungsmerkmal von Primaten. Tatsächlich gibt es in allen drei großen Zweigen der Säugetiere – Kloakentiere, Beuteltiere und Plazentatiere – sowohl gyrenzephale (glatthirnige, wie Nagetiere wie Mäuse) als auch gyrenzephale Arten. Daher ist es wahrscheinlich, dass sich die Sulkal- und Gyralstruktur der Großhirnrinde in den drei Zweigen der Säugetiere unabhängig voneinander entwickelt hat. Gleichzeitig ist die Struktur des Sulcus und Gyrus des Gehirns im Laufe der Evolution in erheblichem Maße erhalten geblieben und vielfältig geblieben. Entsprechend seiner Erhaltung und Vielfalt kann die Großhirnrinde in drei Ebenen von Sulci- und Gyrusstrukturen unterteilt werden: Die primären Sulci und Gyrus sind bei allen Arten erhalten; die sekundären Sulci und der Gyrus sind innerhalb derselben Art konserviert, unterscheiden sich jedoch zwischen verschiedenen Arten; und die tertiären Sulci und Gyrus unterscheiden sich zwischen Individuen innerhalb einer Art. Daher ist die enorme Ausdehnung der Großhirnrinde und die Bildung einer komplexen Sulcus- und Gyrusstruktur eine der bedeutendsten Veränderungen in der Evolution des Säugetiergehirns.

Das menschliche Gehirn hat sich weiterentwickelt, aber wird es sich für immer weiterentwickeln? Werden die Menschen intelligenter? Manche Wissenschaftler sind der Ansicht, dass sich das Gehirn weiterentwickeln kann und dass sich im Zuge dieser Entwicklung auch die Gehirnkapazität schrittweise erweitert und sich auch die damit verbundenen Gene weiterentwickeln, wodurch der Mensch immer intelligenter wird. Eine andere Gruppe von Wissenschaftlern ist der Ansicht, dass sich das Gehirn vor allem aufgrund von Umwelt- und Energieeinschränkungen nicht weiterentwickeln kann. Das menschliche Gehirn wiegt nur etwa 2 % des Körpergewichts, verbraucht aber etwa 25 % der Körperenergie: 500 kCal/Tag. Dies bedeutet, dass fast ein Viertel der Körperenergie ins Gehirn fließt, viel mehr als in jedes andere Organ. Je größer die Gehirnkapazität ist, desto mehr Energie wird benötigt, was offensichtlich nicht für das Überleben des Organismus geeignet ist. Studien haben ergeben, dass die Struktur und Kapazität unseres Gehirns fast noch dieselbe ist wie vor Zehntausenden von Jahren, was möglicherweise mit der Energie des menschlichen Körpers zusammenhängt. Die derzeitige Energie des menschlichen Körpers kann nur die derzeitige Größe des Gehirns aufrechterhalten, aber die Neuronen und neuronalen Netzwerke im Gehirn entwickeln sich immer ausgefeilter und auch Denkfähigkeit, Kreativität und Vorstellungskraft verbessern sich allmählich, sodass die Menschen immer intelligenter werden. Da die Jagd- und Kochwerkzeuge immer vielfältiger werden, können die Menschen zudem leichter mehr Energie gewinnen und die menschliche Intelligenz könnte in Zukunft ein Niveau erreichen, das wir uns noch nicht einmal vorstellen können. Die Entstehung des Gehirns ermöglicht es Organismen, sich an die Umwelt anzupassen und Funktionen wie Wahrnehmung, Sprache, Emotionen und Kognition zu entwickeln. Das Verständnis, die Untersuchung und die Erforschung weiterer potenzieller Möglichkeiten des Gehirns ist eine Frage der Menschheitssorge und ein Thema, das in Zukunft langfristige Forschung erfordert.

Autor: Cao Jingli, Institut für Gehirnforschung, Fudan-Universität

Rezensent: Yu Yongchun Fudan University