Makaken, die zu den Primaten zählen, haben weniger Synapsen pro Neuron als Mäuse, obwohl sie als intelligenter gelten. Warum ist das so?
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Die fiktive Labormaus Brain, die mit ihrem Artgenossen Pinky in der nach ihnen benannten Zeichentrickserie die Weltherrschaft an sich reißen will, hat es wahrscheinlich schon immer gewusst: Mäuse haben verhältnismäßig mehr Gehirnsynapsen, also Verbindungen zwischen Nervenzellen, als Primaten (zu denen etwa Affen und Menschen gehören). So lautet die Erkenntnis einer US-amerikanischen Studie, die im Fachjournal "Cell Reports" veröffentlicht wurde.

In der allgemeinen Bevölkerung ist heute zumeist bekannt: Es kommt nicht auf die absolute Gehirngröße an. Sonst wäre ein Pottwal mit seiner durchschnittlichen Gehirnmasse von knapp acht Kilogramm per se intelligenter als Menschen, deren Hirnmasse eher bei 1,3 bis 1,4 Kilogramm liegt. In der Biologie wird zum Vergleich zwischen verschiedenen Arten ein bestimmtes Verhältnis der Gehirn- zur Körpermasse oder zur "erwarteten Gehirnmasse" berechnet.

Cleverer, aber weniger synapsendicht

Allerdings geht man auch davon aus, dass ein Organismus umso schlauer ist, je mehr neuronale Verknüpfungen (also Synapsen) er besitzt. Dies lässt sich nicht so einfach messen wie die Gehirnmasse. Als das Forschungsteam sich dieser Aufgabe nun aber annahm, kam es zu dem erstaunlichen Ergebnis, dass Mäuse pro Neuron (Nervenzelle) auf mehr Synapsen kommen als Affen – obwohl letztere als wesentlich cleverer gelten und freilich enger mit uns Menschen verwandt sind.

Das überraschte auch den an der Studie beteiligten Neurobiologen Gregg Wildenberg vom Argonne National Laboratory bei Chicago, wo unter anderem Grundlagenforschung betrieben wird. "Diese Arbeit zeigt deutlich, dass es im Primatengehirn zwar insgesamt mehr Verbindungen gibt, weil es mehr Neuronen gibt. Aber wenn man sich die Verbindungen pro Neuron ansieht, haben Primaten tatsächlich weniger Synapsen", sagt Wildenberg. Gleichzeitig sei aber bekannt, dass Gehirn und Nervenzellen von Primaten zu Leistungen fähig sind, an die jene der Mäuse nicht herankommen.

Zwei- bis fünfmal weniger Verbindungen

Mit seiner Forschungsgruppe verglich der Forscher bei den beiden untersuchten Arten Nervenzellen aus einem bestimmten Bereich des primären visuellen Kortex, der zur Sehrinde gehört. Sie befindet sich am Hinterkopf und ermöglicht, wie der Name sagt, das Sehen. Die dort liegenden Neuronen haben einen bestimmten Aufbau, der bei ausgewachsenen Primaten und Mäusen ähnlich ist – deshalb eignen sie sich gut zum Vergleich.

Per Elektronenmikroskop vermaßen die Forschenden 107 Makaken- und 81 Maus-Nervenzellen. Insgesamt kamen sie auf fast 6.000 Synapsen (also Verbindungsstellen) bei den Affen und mehr als 9.700 Maussynapsen. Beim Vergleichen der Datensätze stellte sich heraus, dass die Nervenzellen von Primaten etwa zwei- bis fünfmal weniger Verbindungen aufweisen als vergleichbare Mausneuronen.

Teures Gehirn

"Wir haben schon seit Ewigkeiten diese Erwartung, dass die Synapsendichte bei Primaten ähnlich hoch ist wie bei Nagetieren oder vielleicht sogar höher, weil das Primatengehirn mehr Platz und mehr Neuronen bietet", sagt Matt Rosen, Informatiker mit Biologieschwerpunkt an der Universität Chicago. Er und sein Team kamen ins Spiel, als die überraschende Synapsenberechnung abgeschlossen war und die Forschenden nach einer Erklärung dafür suchten.

Wahrscheinlich spielte dabei die Evolution eine Schlüsselrolle, genauer: die energetischen Kosten, die für die Aufrechterhaltung eines Gehirns notwendig sind. "Das Gehirn macht nur etwa 2,5 Prozent unserer gesamten Körpermasse aus, benötigt aber etwa 20 Prozent der gesamten Energie des Körpers", sagt Wildenberg.

Energiebilanz und Größe

Daher entwickelten Rosen und seine Gruppe künstliche Modelle neuronaler Netze. Die künstlichen Netzwerke wurden mit Aufgaben trainiert, bekamen aber auch gewisse Einschränkungen, durch die die nicht unendlich verfügbare Energie berücksichtigt wurde. Das Modell enthält zwei mögliche Stoffwechselkosten: Einerseits sind das die energetisch teuren elektrischen Signale, mit denen Neuronen miteinander kommunizieren und die als Aktionspotenziale bezeichnet werden. Andererseits benötigen auch der Aufbau der Nervenverbindungen und deren Aufrechterhalten Energie.

Basierend auf diesem Modell konnte das Forschungsteam zeigen: Wird das Gehirn größer und enthält mehr Neuronen, dann muss der Körper aufgrund der Energiebilanz Kompromisse eingehen. Für das Netzwerk wurde es nämlich immer schwieriger, die Synapsen – also die Verbindungen zwischen den Zellen – herzustellen und aufrechtzuerhalten. Die Folge war eine geringere Synapsendichte – wie sie auch im Vergleich der Primaten mit Mäusen beobachtet wurde.

Was uns einzigartig macht

"Diese grundlegenden Beobachtungen der anatomischen Unterschiede zwischen den beiden (Arten) können es uns möglich machen, allgemeine Prinzipien abzuleiten, die über Spezies hinweg gültig sind", sagt Rosen. Es ließe sich durch solche Forschungsarbeiten aber ebenso herausfinden, was bestimmte Tierarten – und auch den Menschen – einzigartig macht.

Gleichzeitig liefert die Studie eine Grundlage für die Übertragung solcher Modelle auf den Menschen. Denn die Forschenden haben außerdem etwa herausgefunden, dass das Verhältnis von erregenden zu hemmenden Nervenverbindungen bei Primaten und Mäusen unterschiedlich ist. Dieses Verhältnis könnte auch bei der Untersuchung von neurologischen Krankheiten wie Parkinson aufschlussreich sein. (sic, 15.9.2021)