Was ist das Besondere an der Anatomie des menschlichen Gehirns?

Als Teenager wusste Chet Sherwood, ein biologischer Anthropologe an der George Washington University, nicht, dass er Wissenschaftler werden sollte.

Als Teenager wusste Chet Sherwood, ein biologischer Anthropologe an der George Washington University, nicht, dass er Wissenschaftler werden sollte. „Ich war nicht der Typ, der abgeholt wurde National Geographic oder angeschaut Nova," er sagt. Mitte der 1990er Jahre war Sherwood Mitglied von Speedking, einer Brooklyn-Punkgruppe, die von AllMusic.com als "eine intensive Post-Hardcore-Band mit Thrash-Gitarre, treibenden Synthies und Vocals zwischen allen drei Mitgliedern beschrieben wird."

Seine Faszination für die Feinheiten der menschlichen Anatomie des Gehirns - und letztendlich, wie das menschliche Organ mit dem anderer Tiere verglichen wird - kam nach einem Grundstudium an der Columbia University bei dem angesehenen physischen Anthropologen Ralph Holloway, einer Zeit, als er noch in intensive Rituale verstrickt war von Punk Sherwood promovierte später bei Holloway und Co-Berater Patrick Hof von der Mount Sinai School of Medicine.

Nun widmet er sich der Erforschung, welche Eigenschaften das menschliche Gehirn besonders machen. "Als ich angefangen habe, gab es außerordentlich wenige Wissenschaftler, die es als ihr Hauptforschungsgebiet betrachteten", sagt er. „Es schien ein wirklich günstiges Thema zu sein, denn es gibt vieles, was wir noch nicht wissen. Sie können bedeutende Entdeckungen machen, indem Sie einfach etwas Ellenbogenschmiermittel hineingeben. “Sherwood sprach mit mir darüber, was wir auf verschiedenen Ebenen vom menschlichen Organ gelernt haben, vom molekularen bis zum gesamten Gehirn. Die bearbeitete Abschrift folgt:

Gibt es eine allgemeine Aussage über die Unterschiede zwischen Menschen und anderen Tieren?

Die Gesamtgröße der menschlichen Großhirnrinde ist aus irgendeinem Grund extrem umfangreich geworden. Es ist drei oder vier Mal so groß, wie man es von einem Primaten unserer Körpergröße erwarten würde

Die primären sensorischen und motorischen Bereiche, die für die anfängliche Verarbeitung eingehender Eingaben für Sehen, Berühren und Hören sowie für die motorische Steuerung wichtig sind, nehmen im menschlichen Gehirn in der Weise zu, dass sie mit der Körpergröße Schritt halten, wie Sie es erwarten würden. Aber in der menschlichen Großhirnrinde gibt es darüber hinaus noch viel extra Nervengewebe.

Der zusätzliche Raum besteht aus Assoziationskortexregionen, die an komplexen kognitiven Operationen beteiligt sind. Im Vergleich zu anderen Spezies gibt es beim Menschen mehr Neuronen, die Recheneinheiten, im Assoziationskortex und mehr Verbindungen zwischen diesen Neuronen.

Was ist los im zellulare Ebene?

Wenn Sie sich die zell- und mikrostrukturelle Zusammensetzung eines Neokortexstücks beim Menschen im Vergleich zu anderen Säugetieren anschauen, so sehen Sie insgesamt eine außergewöhnliche Ähnlichkeit. Es gibt ähnliche Arten von Neuronen, die in einem gemeinsamen Muster in Schichten angeordnet sind. Die subtilen Unterschiede auf zellulärer Ebene zwischen Menschen und anderen Spezies sind jedoch in Bezug auf Darwins „Abstieg mit Modifikation“ sinnvoll. Der Aufbau unserer Großhirnrinde ähnelt am ehesten dem unserer nächsten Verwandten, den Menschenaffen und anderen Primaten und so weiter .

Menschen und Schimpansen teilen die Innervation mit hoher Dichte für die Neurotransmitter Serotonin und Dopaminacetylcholin im präfrontalen Kortex. Wir teilen mit den Menschenaffen molekulare Spezialisierungen für die erhöhte Expression von exzitatorischen Signalen unter Verwendung des Neurotransmitters Glutamat und verwandte molekulare Veränderungen im Neokortex, um die Produktion von aerober Energie zu unterstützen.

Darüber hinaus haben Menschen, Schimpansen und andere Menschenaffen eine höhere Dichte von sogenannten Von Economo-Neuronen in der anterioren cingulate Kortex und anterioren insularen Kortex. Von Economo-Neuronen haben eine langgestreckte Spindelform und sehr dicke Axone, mit denen sie Hochgeschwindigkeitsprojektionen für andere Teile des Gehirns durchführen können.

Bei Menschen und Menschenaffen konzentrieren sie sich auf Teile der Großhirnrinde, die an der Überwachung von Körperzuständen und der Integration dieser Informationen in Entscheidungen im Zusammenhang mit sozialen Interaktionen beteiligt sind.

In einem populären Wissenschaftsmagazin gab es eine Geschichte darüber, wie diese Neuronen uns zu Menschen machen. Das ist einfach falsch. Dies vermittelt die Idee, dass es eine einzigartige magische Kugel im Gehirn gibt, die erklärt, was uns zu Menschen macht.

Von Economo-Neuronen wurden inzwischen in Elefanten und Walen sowie in vielen anderen Arten gefunden. Die Von Economo-Neuronen stellen eine faszinierende Frage in der vergleichenden Neuroanatomie dar, und wir haben gerade erst die Oberfläche gekratzt.

Stimmt es nicht, dass wir oft glauben, wir hätten etwas gefunden, das beim Menschen einzigartig erscheint, aber diese Erkenntnisse werden später widerlegt?

Absolut. Die zweite Ausgabe von Darwins Abstammung des Menschen spiegelte die großen Debatten zu dieser Zeit wider, die zwischen Richard Owen und T.H stattfanden. Huxley darüber, ob es bestimmte Teile des menschlichen Gehirns gibt, die es uns erlauben würden, als eine andere Ordnung von Säugetieren, als Menschen, zu unterscheiden. Das war das Argument von Owen.

Aber T.H. Huxley hatte vorsichtige Dissektionen der Gehirne von Menschen und Affen vorgenommen und sagte, die Unterschiede seien eher gradueller als allgemeiner Art. Charles Darwin glaubte, dass dies ein Paradebeispiel für den graduellen Fortschritt in der Evolution sei, und so hatte er T.H. Huxley schreibt in einem Anhang alles über Vergleiche von menschlichen Gehirnen mit Affengehirnen in der zweiten Auflage von Abstammung des Menschen. Huxley schlussfolgert, dass das menschliche Gehirn zwar groß ist, aber was es definiert, sind graduelle Unterschiede zum Gehirn der Affen und nicht irgendeine individuelle Spezialisierung. Huxley benutzte Werkzeuge der groben Dissektion. Aber auch die modernen Instrumente der Zellbiologie und Genomik tragen dieser Beobachtung heute Rechnung

Ist nicht etwas von dem, was den Menschen auszeichnet, in Beziehung zu den Verbindungen zwischen den Gehirnzellen.

Aus einer Reihe verschiedener Labore beginnt sich eine interessante Geschichte zu entwickeln, die besagt, dass das, was sich in der Evolution des menschlichen Gehirns am wichtigsten verändert hat, nicht die Verteilung verschiedener Zelltypen oder sogar die Expression von Neurotransmittern ist, sondern eher die Fernkonnektivität.

Es ist das Verdrahtungsschema der Verbindungen, das am deutlichsten modifiziert zu sein scheint - zum Beispiel der Bogenfasciculus, der ein wichtiger Pfad in der menschlichen Sprache ist. Im menschlichen Gehirn gibt es im Vergleich zu anderen Primaten keine neuen, großen Bahnen für weiße Materie. [Weiße Materie ist das isolierende Material, das die drahtförmigen Erweiterungen von Neuronen umgibt, die sich darauf beziehen, wie schnell sich Signale zwischen Neuronen bewegen.] Aber was gezeigt wurde, ist das menschliche Gehirne haben eine promiskuitivere Verbindung entlang von Wegen, die auch in unseren nahen Verwandten vorhanden sind. Diese Bahnen beim Menschen reichen weiter und verbinden weitere Bereiche. Das bedeutet, dass letztendlich die übermittelten Informationen einen größeren dynamischen Eingabebereich aufnehmen und diese synthetisieren.

Was meinst du mit Dynamikbereich?

Alle wichtigen Autobahnen im Gehirn des Menschen sind mit Menschenaffen und Affen gemeinsam. Denken Sie jedoch an eine Autobahn zwischen Washington und Boston. Was die Menschen anscheinend getan haben, ist das Hinzufügen weiterer Rampen. In Philadelphia können Sie die Autobahn erreichen. In New York kann man weitermachen. Der Verkehr, der nach Boston gelangt, stammt letztlich aus einer größeren Vielfalt von Quellen. In menschlichen Gehirnen könnte dies bedeuten, dass Assoziationsregionen in unserer Großhirnrinde das Potenzial haben, Informationen auf neue Weise zu integrieren und zu kombinieren, die bei anderen Primaten nicht möglich sind.

Was ist mit den Unterschieden auf genetischer Ebene?

Viele der berichteten genetischen Veränderungen zeigen, dass die Dynamik des Zellzyklus modifiziert wurde, wodurch die Proliferation von Neuronen früh im Leben ermöglicht werden kann, was zu einer großen Gehirngröße führt. Auch die molekulare Maschinerie, die dem Gehirn Energie zuführt, hat sich verändert.

Wie verbindet sich all diese Neuroanatomie mit der Vorstellung, dass wir eine sehr soziale Spezies sind?

Ich denke, die Antwort muss Informationen darüber enthalten, wie sich unser Gehirn anders entwickelt als andere Spezies. Was Mensch sein soll, entfaltet sich in Entwicklungsstadien, in denen Interaktionen mit anderen Menschen und der Umwelt möglich sind, die als Gerüst für die Entwicklung von Erkenntnissen durch die Verwendung von Sprache dienen.

Wenn Sie sich die Entwicklung des menschlichen Gehirns allgemein ansehen, dauert dies länger und langsamer als bei anderen Primaten. Wir sind mit einem relativ unterentwickelten Gehirn geboren. Und so bleiben sie während der gesamten Kindheit plastisch und durch soziale und ökologische Faktoren verformbar, wahrscheinlich auch andere Arten, einschließlich Schimpansen.

Einiges davon ist wahrscheinlich angeboren, vielleicht um uns zu veranlassen, sich mehr in die Augen zu schauen, toleranter zu sein, nicht aggressiv zu sein und enge soziale Interaktionen zuzulassen, um ein hochplastisches Gehirn zu formen die wundervolle Vielfalt, die der Mensch in kulturellen Eigenschaften, in Gewohnheiten, Essen und Musik findet. All dies ist wirklich ein Beweis für die Plastizität, die unsere Spezies durch diese unterschiedliche Entwicklung der Gehirnentwicklung definiert

Was passiert physiologisch während der Entwicklung?

Wir wissen, dass beim Menschen eine fortschreitende Reifung der weißen Substanz in der Großhirnrinde stattfindet, eine fortschreitende Verfeinerung der Verbindungen, die sich in der Adoleszenz abspielten, die das Denken beeinflussen. Wir wissen auch, dass beim Menschen die Impulskontrolle und die Entscheidungsfindung in der Adoleszenz verbessert werden. Diese lange Phase der kognitiven Entwicklung kann für das Erlernen sehr komplizierter Fähigkeiten wichtig sein. Bei nichtmenschlichen Primaten wissen wir, dass sich die weiße Substanz nach der Geschlechtsreife nicht weiter entwickelt. Dies deutet darauf hin, dass eine längere Reifung der weitreichenden Assoziationsverbindungen im Gehirn ein charakteristischer Aspekt der Entwicklung des menschlichen Gehirns ist. .

Interessant ist jedoch, dass durch das Verständnis der Besonderheiten des menschlichen Gehirns auch die Verletzbarkeit für neurodegenerative und neuropsychiatrische Störungen beleuchtet werden kann. Die Adoleszenz ist die Zeit des Auftretens von Schizophrenie und bipolaren Störungen, die durch Pathologien in der weißen Substanz gekennzeichnet sind.

Bildquelle: George Washington University

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