Was macht uns schlauer als andere Tiere im menschlichen Gehirn? Neue Forschungsergebnisse geben eine interessante Antwort

Menschen sind im Bereich der Erkenntnis beispiellos. Schließlich hat keine andere Spezies Tentakel zu anderen Planeten geschickt, lebensrettende Impfstoffe hergestellt oder Haare erfunden. Wie Informationen im menschlichen Gehirn verarbeitet werden, um dies zu ermöglichen, ist eine Frage, die endlose Faszination auf sich gezogen hat, aber es gibt keine endgültigen Antworten.

Unser Verständnis der Gehirnfunktion hat sich im Laufe der Jahre verändert. Aktuelle theoretische Modelle beschreiben das Gehirn jedoch als „verteiltes Informationsverarbeitungssystem“. Dies bedeutet, dass es unterschiedliche Komponenten enthält, die über Gehirndrähte eng miteinander verbunden sind. Um miteinander zu interagieren, tauschen die Regionen Informationen über ein System von Ein- und Ausgangssignalen aus.

Dies ist jedoch nur ein kleiner Teil eines komplexeren Bildes. In einer in Nature Neuroscience veröffentlichten Studie haben wir unter Verwendung von Beweisen aus verschiedenen Arten und mehreren Disziplinen der Neurowissenschaften gezeigt, dass es nicht nur eine Art der Informationsverarbeitung im Gehirn gibt. Die Art und Weise, wie wir Informationen verarbeiten, unterscheidet sich auch zwischen Menschen und anderen Primaten, was erklären könnte, warum unsere Spezies über überlegene kognitive Fähigkeiten verfügt.

Wir haben Konzepte aus dem sogenannten mathematischen Rahmen der Informationstheorie entlehnt – dem Studium der Messung, Speicherung und Übermittlung digitaler Informationen, die für Technologien wie das Internet und künstliche Intelligenz unerlässlich sind – um zu verfolgen, wie das Gehirn Informationen verarbeitet. Wir fanden heraus, dass verschiedene Gehirnregionen tatsächlich unterschiedliche Strategien verwenden, um miteinander zu interagieren.

Einige Bereiche des Gehirns tauschen Informationen mit anderen auf sehr modulare Weise aus, indem sie Ein- und Ausgänge verwenden. Dadurch wird sichergestellt, dass die Signale wiederholbar und zuverlässig passieren. Dies gilt für Bereiche, die auf sensorische und motorische Funktionen spezialisiert sind (z. B. Verarbeitung von Ton-, Bild- und Bewegungsinformationen).

Nehmen Sie zum Beispiel die Augen, die Signale zur Verarbeitung an die Rückseite des Gehirns senden. Die Mehrheit der gesendeten Informationen ist doppelt vorhanden, sie werden von jedem Auge bereitgestellt. Mit anderen Worten, die Hälfte dieser Informationen ist nicht erforderlich. Daher nennen wir diese Art der Verarbeitung von Ein- und Ausgabeinformationen „redundant“.

Aber Redundanz sorgt für Langlebigkeit und Zuverlässigkeit – was es uns ermöglicht, weiterhin mit nur einem Auge zu sehen. Diese Fähigkeit ist überlebenswichtig. Tatsächlich ist es entscheidend, dass die Verbindungen zwischen diesen Gehirnregionen im Gehirn anatomisch miteinander verbunden sind, wie bei einem Festnetztelefon.

Allerdings sind nicht alle Informationen, die die Augen liefern, redundant. Die Kombination von Informationen aus beiden Augen ermöglicht es dem Gehirn schließlich, Tiefe und Entfernung zwischen Objekten zu verarbeiten. Dies ist die Grundlage für viele Arten von 3D-Brillen im Kino.

Dies ist ein Beispiel für eine radikal andere Art der Informationsverarbeitung, die mehr ist als die Summe ihrer Teile. Wir nennen diese Art der Informationsverarbeitung – wenn komplexe Signale aus verschiedenen Gehirnnetzwerken integriert werden – „synergistisch“.

Synergistische Verarbeitung ist häufiger in Bereichen des Gehirns, die eine breite Palette komplexerer kognitiver Funktionen unterstützen, wie z. B. Aufmerksamkeit, Lernen, Arbeitsgedächtnis sowie soziale und numerische Kognition. Es ist nicht in dem Sinne festgelegt, dass es sich als Reaktion auf unsere Erfahrungen ändern kann und verschiedene Netzwerke auf unterschiedliche Weise verbindet. Dies erleichtert das Sammeln von Informationen.

Das menschliche Gehirn ist sehr komplex.
Aktienkampf

Solche Bereiche, in denen viele Synergien auftreten – oft in der vorderen und mittleren Hirnrinde (der äußeren Schicht des Gehirns) – integrieren verschiedene Informationsquellen aus dem gesamten Gehirn. Sie sind daher breiter und effizienter mit dem Rest des Gehirns verbunden als die Bereiche, die sich mit primären sensorischen Informationen und damit verbundenen Bewegungen befassen.

Bereiche mit hoher Synergie, die die Informationsintegration unterstützen, enthalten normalerweise viele Synapsen, die mikroskopischen Verbindungen, die Neuronen die Kommunikation ermöglichen.

Ist Synergie das, was uns ausmacht?

Wir wollten sehen, ob sich diese Fähigkeit, Informationen über komplexe Netzwerke im Gehirn zu sammeln und aufzubauen, zwischen Menschen und anderen Primaten unterscheidet, die uns evolutionär nahe stehen.

Um das herauszufinden, haben wir uns Bildgebungsdaten des Gehirns und genetische Analysen verschiedener Arten angesehen. Wir fanden heraus, dass synergistische Interaktionen im menschlichen Gehirn für einen höheren Anteil des gesamten Informationsflusses verantwortlich sind als im Gehirn von Makaken. Im Gegensatz dazu sind die Gehirne beider Arten in Bezug darauf, wie abhängig sie von redundanten Informationen sind, gleich.

Wir haben uns jedoch auch speziell mit dem präfrontalen Kortex befasst, einem Bereich im vorderen Teil des Gehirns, der fortgeschrittenere kognitive Funktionen unterstützt. Bei Makaken ist die redundante Informationsverarbeitung in dieser Region stärker verbreitet, während es sich beim Menschen um eine hochgradig synergistische Region handelt.

Der präfrontale Cortex hat mit der Entwicklung ebenfalls eine signifikante Expansion erfahren. Als wir Daten von Schimpansengehirnen untersuchten, stellten wir fest, dass je größer eine Region des menschlichen Gehirns während der Evolution im Vergleich zu ihrem Gegenstück beim Schimpansen war, desto mehr war diese Region auf Synergie angewiesen.

Ein Bild von Rhesusaffen im Swayambhunath-Tempel hoch über Kathmandu.
Rhesusaffen im Swayambhunath-Tempel in Nepal.
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Wir haben auch genetische Analysen von menschlichen Spendern berücksichtigt. Dies zeigte, dass Gehirnregionen, die mit synergistischer Informationsverarbeitung in Verbindung stehen, eher Gene exprimieren, die einzigartig menschlich sind und mit der Entwicklung und Funktion des Gehirns, wie z. B. Intelligenz, zusammenhängen.

Dies führte uns zu dem Schluss, dass zusätzliches menschliches Gehirngewebe, das als Ergebnis der Evolution erworben wurde, hauptsächlich der Synergie gewidmet sein könnte. Im Gegensatz dazu ist es verlockend zu spekulieren, dass die Vorteile einer größeren Synergie teilweise die zusätzlichen kognitiven Fähigkeiten unserer Spezies erklären könnten. Synergie könnte dem Puzzle der Evolution des menschlichen Gehirns ein wichtiges Stück hinzufügen, das bisher fehlte.

Letztendlich zeigt unsere Arbeit, wie das menschliche Gehirn den Kompromiss zwischen Zuverlässigkeit und Informationsintegrität navigiert – wir brauchen beides. Wichtig ist, dass der von uns entwickelte Rahmen wichtige neue Erkenntnisse für ein breites Spektrum neurowissenschaftlicher Fragen verspricht, von Fragen der allgemeinen Kognition bis hin zu Störungen.

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