Der Neokortex steht als eine erstaunliche Errungenschaft der biologischen Evolution herausstellen. Alle Säugetiere haben diesen Gewebestreifen, der ihr Gehirn bedeckt, und die sechs Schichten dicht gepackter Neuronen darin handhaben die ausgeklügelten Berechnungen und Assoziationen, die kognitive Fähigkeiten hervorbringen. Da außer Säugetieren keine anderen Tiere einen Neocortex haben, haben sich Wissenschaftler gefragt, wie sich eine so komplexe Gehirnregion entwickelt hat.
Die Gehirne von Reptilien schienen einen Hinweis zu geben. Reptilien sind nicht nur die nächsten lebenden Verwandten von Säugetieren, sondern ihre Gehirne haben auch eine dreischichtige Struktur, die als dorsaler Ventrikelkamm oder DVR bezeichnet wird, mit funktionellen Ähnlichkeiten zum Neocortex. Seit mehr als 50 Jahren argumentieren einige evolutionäre Neurowissenschaftler, dass der Neocortex und der DVR beide von einem primitiveren Merkmal eines Vorfahren abstammen, den Säugetiere und Reptilien gemeinsam haben.
Durch die Analyse molekularer Details, die für das menschliche Auge unsichtbar sind, haben Wissenschaftler diese Ansicht jedoch widerlegt. Durch die Untersuchung von Mustern der Genexpression in einzelnen Gehirnzellen zeigten Forscher der Columbia University, dass trotz der anatomischen Ähnlichkeiten der Neokortex bei Säugetieren und der DVR bei Reptilien nicht miteinander verwandt sind. Stattdessen scheinen Säugetiere den Neokortex als eine völlig neue Gehirnregion entwickelt zu haben, die ohne eine Spur von dem, was davor war, aufgebaut wurde. Der Neokortex besteht aus neuen Arten von Neuronen, die bei den angestammten Tieren keinen Präzedenzfall zu haben scheinen.
Das Papier beschreibt diese Arbeit, die von dem Evolutions- und Entwicklungsbiologen geleitet wurde Maria Antonietta Toscheswurde im vergangenen September in veröffentlicht Wissenschaft.
Dieser Prozess der evolutionären Innovation im Gehirn beschränkt sich nicht auf die Schaffung neuer Teile. Weitere Arbeiten von Tosches und ihren Kollegen in derselben Ausgabe von Wissenschaft zeigten, dass sich sogar scheinbar alte Gehirnregionen weiterentwickeln, indem sie mit neuen Zelltypen neu verdrahtet werden. Die Entdeckung, dass die Genexpression solche wichtigen Unterschiede zwischen Neuronen aufdecken kann, veranlasst die Forscher auch, zu überdenken, wie sie einige Gehirnregionen definieren, und zu überdenken, ob einige Tiere möglicherweise komplexere Gehirne haben, als sie dachten.
Aktive Gene in einzelnen Neuronen
Bereits in den 1960er Jahren schlug der einflussreiche Neurowissenschaftler Paul MacLean eine Idee zur Evolution des Gehirns vor, die falsch war, aber dennoch einen nachhaltigen Einfluss auf das Gebiet hatte. Er schlug vor, dass die Basalganglien, eine Gruppierung von Strukturen in der Nähe der Gehirnbasis, ein Überbleibsel eines „Echsengehirns“ seien, das sich in Reptilien entwickelt habe und für Überlebensinstinkte und -verhalten verantwortlich sei. Als sich frühe Säugetiere entwickelten, fügten sie ein limbisches System zur Regulierung von Emotionen über den Basalganglien hinzu. Und als Menschen und andere fortgeschrittene Säugetiere auftauchten, fügten sie laut MacLean einen Neocortex hinzu. Wie eine „Denkmütze“ saß es ganz oben auf dem Stapel und vermittelte höhere Erkenntnis.
Dieses Modell des „dreieinigen Gehirns“ fesselte die öffentliche Vorstellungskraft, nachdem Carl Sagan in seinem 1977 mit dem Pulitzer-Preis ausgezeichneten Buch darüber geschrieben hatte Die Drachen von Eden. Evolutionäre Neurowissenschaftler waren weniger beeindruckt. Studien entlarvten das Modell bald, indem sie schlüssig zeigten, dass sich Gehirnregionen nicht sauber übereinander entwickeln. Stattdessen entwickelt sich das Gehirn als Ganzes, wobei ältere Teile modifiziert werden, um sich an das Hinzufügen neuer Teile anzupassen, erklärt Paul Cisek, ein kognitiver Neurowissenschaftler an der Universität von Montreal. „Es ist nicht wie ein Upgrade Ihres iPhones, bei dem Sie eine neue App laden“, sagte er.
Die am besten unterstützte Erklärung für den Ursprung neuer Gehirnregionen war, dass sie sich hauptsächlich durch Duplizieren und Modifizieren bereits bestehender Strukturen und neuronaler Schaltkreise entwickelten. Für viele Evolutionsbiologen, wie z Harvey Karten von der University of California, San Diego, legten die Ähnlichkeiten zwischen dem Neokortex von Säugetieren und dem DVR von Reptilien nahe, dass sie in evolutionärer Hinsicht homolog sind – dass sie sich beide aus einer Struktur entwickelt haben, die von einem Vorfahren weitergegeben wurde, den Säugetiere und Reptilien gemeinsam haben.
Aber andere Forscher, darunter Luis Puelles der Universität Murcia in Spanien, widersprach. Bei der Entwicklung von Säugetieren und Reptilien sahen sie Anzeichen dafür, dass der Neokortex und der DVR durch völlig unterschiedliche Prozesse Gestalt annahmen. Dies deutete darauf hin, dass sich der Neokortex und der DVR unabhängig voneinander entwickelt haben. Wenn dem so war, hatten ihre Ähnlichkeiten nichts mit Homologie zu tun: Sie waren wahrscheinlich Zufälle, die durch die Funktionen und Einschränkungen der Strukturen diktiert wurden.