Gehirngröße - Brain size

Die Größe des Gehirns ist ein häufiges Studienthema in den Bereichen Anatomie , biologische Anthropologie, Tierwissenschaften und Evolution . Die Gehirngröße wird manchmal nach Gewicht und manchmal nach Volumen (über MRT- Scans oder nach Schädelvolumen ) gemessen . Neuroimaging-Intelligenztests können verwendet werden, um die volumetrischen Messungen des Gehirns zu untersuchen. Eine häufig untersuchte Frage beim „Intelligence Testing“ ist das Verhältnis von Gehirngröße zu Intelligenz . Diese Frage ist sehr umstritten und wird im Abschnitt über Intelligenz weiter behandelt. Das Maß für Gehirngröße und Schädelkapazität ist nicht nur für den Menschen wichtig, sondern für alle Säugetiere.

Menschen

Beim Menschen ist die rechte Großhirnhemisphäre typischerweise größer als die linke, während die Kleinhirnhemisphären typischerweise kleiner sind. Das erwachsene menschliche Gehirn wiegt im Durchschnitt etwa 1,5 kg (3,3 lb). Bei Männern beträgt das Durchschnittsgewicht etwa 1370 g und bei Frauen etwa 1200 g. Das Volumen beträgt etwa 1260 cm 3 bei Männern und 1130 cm 3 bei Frauen, wobei es jedoch erhebliche individuelle Unterschiede gibt. Eine weitere Studie argumentierte, dass das Gehirn eines erwachsenen Menschen 1.300-1.400 g für erwachsene Menschen und 350-400 g für neugeborene Menschen beträgt. Es gibt eine Reihe von Volumen und Gewichten und nicht nur eine Zahl, auf die man sich definitiv verlassen kann, wie bei der Körpermasse. Es ist auch wichtig zu beachten, dass Variationen zwischen Individuen nicht so wichtig sind wie Variationen innerhalb von Arten, da die Unterschiede insgesamt viel geringer sind. Auch die Mechanismen der interspezifischen und intraspezifischen Variation unterscheiden sich.

Gehirngröße

Von frühen Primaten über Hominiden bis hin zum Homo sapiens wird das Gehirn immer größer, mit Ausnahme ausgestorbener Neandertaler, deren Gehirngröße den modernen Homo sapiens übertraf. Das Volumen des menschlichen Gehirns hat mit der Entwicklung des Menschen zugenommen (siehe Homininae ), angefangen bei etwa 600 cm 3 beim Homo habilis bis zu 1680 cm 3 beim Homo neanderthalensis , dem Hominiden mit der größten Gehirngröße. Die Zunahme der Gehirngröße stoppte bei Neandertalern. Seitdem ist die durchschnittliche Gehirngröße in den letzten 28.000 Jahren geschrumpft. Die Schädelkapazität ist bei Männern von ca. 1.550 cm 3 auf ca. 1.440 cm 3 zurückgegangen, während die Schädelkapazität der Frau von ca. 1.500 cm 3 auf ca. 1.240 cm 3 geschrumpft ist . Andere Quellen mit größeren Stichprobengrößen des modernen Homo sapiens finden ungefähr die gleiche Schädelkapazität bei Männern, aber eine höhere Schädelkapazität von etwa 1330 cm 3 bei Frauen.

Homo floresiensis ist ein Hominin von der Insel Flores in Indonesien mit Fossilien aus der Zeit vor 60.000-100.000 Jahren. Trotz seiner relativ abgeleiteten Position in der Stammesgeschichte der Homininenzeigt die CT-Bildgebung seines Schädels, dass sein Gehirnvolumen nur 417 cm 3 betrug, weniger als das des Homo habilis , von dem angenommen wird, dass es viel früher ausgestorben ist (vor etwa 1,65 Millionen Jahren). .). Als Grund für diese Regression der Gehirngröße wird das Inselsyndromangenommen,bei dem die Gehirne von Inselarten aufgrund des verringerten Prädationsrisikos kleiner werden. Dies ist vorteilhaft, da es den Grundumsatz reduziert, ohne das Prädationsrisiko signifikant zu erhöhen.

In den letzten Jahren wurden Experimente durchgeführt, die Rückschlüsse auf die Gehirngröße in Verbindung mit der Genmutation ziehen, die Mikrozephalie verursacht , eine neurale Entwicklungsstörung, die das Hirnrindenvolumen beeinflusst.

Gehirngrößen von Hominiden
Name Gehirngröße (cm 3 )
Homo habilis 550–687
Homo Ergaster 700–900
Homo erectus 600-1250
Homo heidelbergensis 1100–1400
Homo neanderthalensis 1200-1750
Homo sapiens 1400
Homo floresiensis 417

Biogeografische Variation

Bemühungen, rassische oder ethnische Unterschiede in der Gehirngröße zu finden, werden im Allgemeinen als pseudowissenschaftliches Unterfangen angesehen und waren traditionell mit wissenschaftlichem Rassismus und Versuchen verbunden, eine rassische intellektuelle Hierarchie zu demonstrieren.

Die meisten Bemühungen, dies zu demonstrieren, beruhten auf indirekten Daten, die Schädelmessungen im Gegensatz zu direkten Gehirnbeobachtungen bewerteten. Diese gelten als wissenschaftlich diskreditiert.

Eine groß angelegte Studie zur globalen Variation von Schädeln aus dem Jahr 1984 kam zu dem Schluss, dass die Variation der Schädel- und Kopfgrößen nicht mit der Rasse zusammenhängt, sondern eher mit der Erhaltung der klimatischen Hitze paläontologische Extreme im Laufe der Zeit). Rassentaxonomien, die Schädelkapazität, Kopfform oder andere Merkmale umfassen, die durch klimabedingte ökotypische und phyletische Ursachen beeinflusst werden. Für pleistozäne Hominiden bezweifeln wir, dass das Volumen des Gehirngehäuses taxonomisch „wertvoller“ ist als alle anderen andere Eigenschaft."

Sex

Durchschnittliches Gehirngewicht für Männer und Frauen über die Lebensspanne. Aus der Studie Veränderungen des Gehirngewichts im Laufe des menschlichen Lebens.

Insgesamt gibt es einen ähnlichen Hintergrund zwischen den Gehirnvolumenmessungen von Menschen unterschiedlichen Alters und Geschlechts. Dennoch existieren zugrundeliegende strukturelle Asymmetrien. Es gibt Unterschiede in der kindlichen Entwicklung in der Größe der verschiedenen Gehirnstrukturen zwischen Individuen und Geschlechtern. Das Gehirn eines menschlichen Babys hat bei der Geburt durchschnittlich 369 cm 3 und wächst im ersten Lebensjahr auf etwa 961 cm 3 an , danach nimmt die Wachstumsrate ab. Das Gehirnvolumen erreicht seinen Höhepunkt im Teenageralter, und nach dem 40. Lebensjahr beginnt es mit 5% pro Jahrzehnt abzunehmen und beschleunigt sich um 70. Das durchschnittliche Gehirngewicht eines erwachsenen Mannes beträgt 1.345 Gramm, während eine erwachsene Frau ein durchschnittliches Gehirngewicht von 1.222 Gramm hat. Es wurde festgestellt, dass Männer im Durchschnitt größere Hirn-, Kleinhirn- und Hirnrindenlappenvolumina aufweisen, außer möglicherweise links parietal. Die geschlechtsspezifischen Größenunterschiede variieren durch spezifischere Hirnregionen. Studien haben gezeigt, dass Männer eine relativ größere Amygdala und einen größeren Hypothalamus haben , während Frauen einen relativ größeren Schwanz und Hippocampi haben . Bei Kovariation für intrakranielles Volumen , Größe und Gewicht zeigt Kelly (2007) an, dass Frauen einen höheren Anteil an grauer Substanz haben , während Männer einen höheren Anteil an weißer Substanz und Liquor haben . In diesen Studien gibt es jedoch eine hohe Variabilität zwischen den einzelnen Personen.

Yaki (2011) fand jedoch für die meisten Altersgruppen (nach Jahrzehnt gruppiert ) keine statistisch signifikanten Geschlechterunterschiede im Verhältnis der grauen Substanz, außer in der 3. und 6. Lebensdekade in der Stichprobe von 758 Frauen und 702 Männern im Alter von 20–69 Jahren. Der durchschnittliche Mann im dritten Lebensjahrzehnt (Alter 20–29) hatte einen signifikant höheren Anteil der grauen Substanz als die durchschnittliche Frau der gleichen Altersgruppe. Im Gegensatz dazu hatte die durchschnittliche Frau unter den Probanden im sechsten Lebensjahrzehnt einen signifikant größeren Anteil der grauen Substanz, obwohl kein signifikanter Unterschied bei denjenigen im 7. Lebensjahrzehnt gefunden wurde.

Das Gesamtvolumen der zerebralen und grauen Substanz erreicht ihren Höhepunkt im Alter von 10–20 Jahren (bei Mädchen früher als bei Jungen), während das Volumen der weißen Substanz und der ventrikulären Substanz zunehmen. Es gibt ein allgemeines Muster in der neuralen Entwicklung von Höhepunkten im Kindesalter, gefolgt von Rückgängen im Jugendalter (z . B. synaptische Beschneidung ). In Übereinstimmung mit den Befunden von Erwachsenen ist das durchschnittliche Hirnvolumen bei Jungen etwa 10 % größer als bei Mädchen. Solche Unterschiede sollten jedoch nicht so interpretiert werden, dass sie irgendeinen funktionalen Vor- oder Nachteil mit sich bringen; grobstrukturelle Messungen spiegeln möglicherweise nicht funktionell relevante Faktoren wie neuronale Konnektivität und Rezeptordichte wider, und bemerkenswert ist die hohe Variabilität der Gehirngröße selbst in eng definierten Gruppen, z Gesamtvolumen des Gehirns. Junge Mädchen haben im Durchschnitt ein relativ größeres Hippocampusvolumen , während die Amygdalae bei Jungen größer sind. Mehrere Studien haben jedoch eine höhere synaptische Dichte bei Männern festgestellt: Eine Studie aus dem Jahr 2008 berichtete, dass Männer eine signifikant höhere durchschnittliche synaptische Dichte von 12,9 × 108 pro Kubikmillimeter hatten, während sie bei Frauen 8,6 × 108 pro Kubikmillimeter betrug, ein Unterschied von 33 % . Andere Studien haben durchschnittlich 4 Milliarden weitere Neuronen im männlichen Gehirn gefunden, was diesen Unterschied bestätigt, da jedes Neuron durchschnittlich 7.000 synaptische Verbindungen zu anderen Neuronen hat.

Bedeutende dynamische Veränderungen in der Gehirnstruktur finden während des Erwachsenenalters und des Alterns statt, mit erheblichen Unterschieden zwischen den einzelnen Personen. In späteren Jahrzehnten zeigen Männer einen größeren Volumenverlust im gesamten Hirnvolumen und in den Frontallappen und Schläfenlappen , während bei Frauen ein erhöhter Volumenverlust in den Hippocampi und Parietallappen auftritt . Männer zeigen einen stärkeren Rückgang des globalen Volumens der grauen Substanz, obwohl es bei beiden Geschlechtern je nach Region variiert, wobei einige Gebiete kaum oder keinen Alterseffekt aufweisen. Das Gesamtvolumen der weißen Substanz scheint mit dem Alter nicht abzunehmen, obwohl es Unterschiede zwischen den Gehirnregionen gibt.

Genetischer Beitrag

Zwillingsstudien bei Erwachsenen haben hohe Schätzungen der Heritabilität für die Gesamthirngröße im Erwachsenenalter ergeben (zwischen 66 % und 97 %). Der Effekt variiert jedoch regional innerhalb des Gehirns mit hoher Heritabilität des Frontallappenvolumens (90-95%), moderaten Schätzungen in den Hippocampi (40-69%) und Umweltfaktoren, die mehrere mediale Hirnareale beeinflussen. Darüber hinaus scheint das laterale Ventrikelvolumen hauptsächlich durch Umweltfaktoren zu erklären, was darauf hindeutet, dass solche Faktoren auch im umgebenden Hirngewebe eine Rolle spielen. Gene können den Zusammenhang zwischen Gehirnstruktur und kognitiven Funktionen verursachen, oder letztere können erstere im Laufe des Lebens beeinflussen. Eine Reihe von Kandidatengenen wurde identifiziert oder vorgeschlagen, aber sie warten auf ihre Replikation.

Intelligenz

Studien belegen eine Korrelation zwischen Gehirngröße und Intelligenz, wobei größere Gehirne eine höhere Intelligenz vorhersagen. Es ist jedoch nicht klar, ob der Zusammenhang kausal ist. Die Mehrheit der MRT-Studien berichtet von moderaten Korrelationen von etwa 0,3 bis 0,4 zwischen Hirnvolumen und Intelligenz. Die konsistentesten Assoziationen werden innerhalb des Frontal-, Temporal- und Parietallappens, des Hippocampus und des Kleinhirns beobachtet, erklären jedoch nur eine relativ geringe Varianz des IQ, was darauf hindeutet, dass die Gehirngröße zwar mit der menschlichen Intelligenz zusammenhängt, andere Faktoren spielen auch eine Rolle. Außerdem korrelieren die Hirnvolumina nicht stark mit anderen und spezifischeren kognitiven Maßen. Bei Männern korreliert der IQ eher mit dem Volumen der grauen Substanz im Frontallappen und Parietallappen , der grob an der sensorischen Integration und Aufmerksamkeit beteiligt ist, während er bei Frauen mit dem Volumen der grauen Substanz im Frontallappen und Broca-Areal korreliert , der an der Sprache beteiligt ist .

Forschungen zur Messung des Hirnvolumens, der akustisch evozierten P300-Potenziale und der Intelligenz zeigen eine Dissoziation, so dass sowohl das Hirnvolumen als auch die Geschwindigkeit von P300 mit gemessenen Aspekten der Intelligenz korrelieren, aber nicht miteinander. Evidenzkonflikte bei der Frage, ob die Variation der Gehirngröße auch die Intelligenz zwischen Geschwistern vorhersagt, da einige Studien mäßige Korrelationen finden und andere keine. Eine aktuelle Übersicht von Nesbitt, Flynn et al. (2012) weisen darauf hin, dass die grobe Gehirngröße wahrscheinlich kein gutes Maß für den IQ ist, zum Beispiel unterscheidet sich die Gehirngröße auch zwischen Männern und Frauen, jedoch ohne gut dokumentierte Unterschiede im IQ.

Eine Entdeckung der letzten Jahre ist, dass sich die Struktur des erwachsenen menschlichen Gehirns verändert, wenn eine neue kognitive oder motorische Fähigkeit, einschließlich Wortschatz, erlernt wird. Strukturelle Neuroplastizität (erhöhtes Volumen der grauen Substanz ) wurde bei Erwachsenen nach dreimonatigem Training der visuell-motorischen Fähigkeiten nachgewiesen, da die qualitative Veränderung (dh das Erlernen einer neuen Aufgabe) für das Gehirn kritischer erscheint, um seine Struktur zu ändern als kontinuierliches Training einer bereits erlernten Aufgabe. Solche Änderungen (z. B. Überarbeitungen für ärztliche Prüfungen) dauern nachweislich mindestens 3 Monate ohne weitere Ausübung; andere Beispiele sind das Erlernen neuer Sprachlaute, musikalische Fähigkeiten, Navigationsfähigkeiten und das Erlernen des Lesens von spiegelreflexiven Wörtern.

Andere Tiere

Die größten Gehirne sind die von Pottwalen mit einem Gewicht von etwa 8 kg. Das Gehirn eines Elefanten wiegt etwas mehr als 5 kg, das eines Tümmlers 1,5 bis 1,7 kg (3,3 bis 3,7 lb), während das menschliche Gehirn etwa 1,3 bis 1,5 kg (2,9 bis 3,3 lb) wiegt. Gehirngröße neigt entsprechend variieren Körpergröße . Die Beziehung ist jedoch nicht proportional: Das Verhältnis von Gehirn zu Körpermasse variiert. Das größte gefundene Verhältnis ist bei der Spitzmaus . Das durchschnittliche Gehirngewicht über alle Ordnungen von Säugetieren folgt einem Potenzgesetz mit einem Exponenten von etwa 0,75. Es gibt gute Gründe, ein Potenzgesetz zu erwarten: Zum Beispiel folgt die Beziehung von Körpergröße zu Körperlänge einem Potenzgesetz mit einem Exponenten von 0,33 und die Beziehung von Körpergröße zu Oberfläche folgt einem Potenzgesetz mit einem Exponenten von 0,67. Die Erklärung für einen Exponenten von 0,75 ist nicht offensichtlich; Es ist jedoch erwähnenswert, dass mehrere physiologische Variablen mit ungefähr dem gleichen Exponenten mit der Körpergröße zusammenhängen – zum Beispiel der Grundumsatz .

Diese Potenzgesetzformel gilt für das „durchschnittliche“ Gehirn von Säugetieren als Ganzes, aber jede Familie (Katzen, Nagetiere, Primaten usw.) Verhalten . Primaten haben bei einer gegebenen Körpergröße Gehirne, die 5 bis 10 mal so groß sind, wie die Formel vorhersagt. Raubtiere haben in der Regel ein relativ größeres Gehirn als die Tiere, die sie erbeuten; Plazenta- Säugetiere (die große Mehrheit) haben relativ größere Gehirne als Beuteltiere wie das Opossum. Ein Standardmaß zur Beurteilung der Gehirngröße eines Tieres im Vergleich zu dem, was von seiner Körpergröße erwartet wird, ist als Enzephalisationsquotient bekannt . Der Enzephalisationsquotient für den Menschen liegt zwischen 7,4 und 7,8.

Wenn das Gehirn von Säugetieren an Größe zunimmt, nehmen nicht alle Teile gleich schnell zu. Je größer das Gehirn einer Spezies ist, desto größer ist insbesondere der Anteil, der von der Rinde aufgenommen wird . So ist bei den Arten mit den größten Gehirnen der größte Teil ihres Volumens mit Kortex gefüllt: Dies gilt nicht nur für den Menschen, sondern auch für Tiere wie Delfine, Wale oder Elefanten. Die Entwicklung des Homo sapiens in den letzten zwei Millionen Jahren war durch eine stetige Zunahme der Gehirngröße gekennzeichnet, aber ein Großteil davon kann durch entsprechende Zunahmen der Körpergröße erklärt werden. Es gibt jedoch viele Abweichungen vom Trend, die sich nur schwer systematisch erklären lassen: Insbesondere das Erscheinen des modernen Menschen vor etwa 100.000 Jahren war geprägt von einer gleichzeitigen Abnahme der Körpergröße und einer Zunahme der Gehirngröße . Trotzdem ist es bemerkenswert, dass der vor etwa 40.000 Jahren ausgestorbene Neandertaler ein größeres Gehirn hatte als der moderne Homo sapiens .

Nicht alle Forscher sind mit der Aufmerksamkeit zufrieden, die der Gehirngröße geschenkt wurde. Roth und Dicke haben beispielsweise argumentiert, dass andere Faktoren als die Größe stärker mit der Intelligenz korrelieren, wie die Anzahl der kortikalen Neuronen und die Geschwindigkeit ihrer Verbindungen. Darüber hinaus weisen sie darauf hin, dass Intelligenz nicht nur von der Menge des Hirngewebes abhängt, sondern auch von den Details seiner Struktur. Es ist auch bekannt, dass Krähen , Raben und Graupapageien ziemlich intelligent sind, obwohl sie ein kleines Gehirn haben.

Während der Mensch den größten Enzephalisationsquotienten von lebenden Tieren hat, ist er für einen Primaten nicht fehl am Platz. Einige andere anatomische Trends sind im menschlichen Evolutionspfad mit der Gehirngröße korreliert: Das Basicranium wird mit zunehmender Gehirngröße relativ zur Basicraniallänge gebeugt.

Schädelkapazität

Die Schädelkapazität ist ein Maß für das Volumen des Schädelinneren von Wirbeltieren , die ein Gehirn haben . Die am häufigsten verwendete Maßeinheit ist der Kubikzentimeter (cm 3 ). Das Volumen des Schädels wird als grober Indikator für die Größe des Gehirns verwendet, und dies wiederum wird als grober Indikator für die potenzielle Intelligenz des Organismus verwendet. Die Schädelkapazität wird oft durch Füllen der Schädelhöhle mit Glasperlen und Messen ihres Volumens oder durch CT- Bildgebung getestet . Eine genauere Methode zur Messung der Schädelkapazität besteht darin, einen endokranialen Gipsverband zu machen und die Wassermenge zu messen, die der Gipsverband verdrängt. In der Vergangenheit wurden Dutzende von Studien durchgeführt, um die Schädelkapazität von Schädeln abzuschätzen. Die meisten dieser Studien wurden am trockenen Schädel mit linearen Abmessungen, Packungsmethoden oder gelegentlich radiologischen Methoden durchgeführt.

Die Kenntnis des Volumens der Schädelhöhle kann wichtige Informationen für das Studium verschiedener Populationen mit unterschiedlichen Unterschieden wie geografischer, rassischer oder ethnischer Herkunft sein. Andere Dinge können auch die Schädelkapazität beeinflussen, wie die Ernährung. Es wird auch verwendet, um die Korrelation zwischen der Schädelkapazität mit anderen Schädelmessungen zu untersuchen und Schädel von verschiedenen Wesen zu vergleichen. Es wird häufig verwendet, um Anomalien der Schädelgröße und -form oder Aspekte des Wachstums und der Entwicklung des Gehirnvolumens zu untersuchen. Die Schädelkapazität ist ein indirekter Ansatz, um die Größe des Gehirns zu testen. Einige Studien zur Schädelkapazität wurden an Lebewesen durch lineare Dimensionen durchgeführt.

Eine größere Schädelkapazität ist jedoch nicht immer ein Hinweis auf einen intelligenteren Organismus, da größere Kapazitäten erforderlich sind, um einen größeren Körper zu kontrollieren, oder in vielen Fällen ein Anpassungsmerkmal für das Leben in einer kälteren Umgebung sind. Zum Beispiel haben die nördlichen Populationen des modernen Homo sapiens einen um 20% größeren visuellen Kortex als die Populationen der südlichen Breiten, und dies erklärt möglicherweise die Populationsunterschiede in der menschlichen Gehirngröße (und ungefähr der Schädelkapazität). Neurologische Funktionen werden eher durch die Organisation des Gehirns als durch das Volumen bestimmt. Die individuelle Variabilität ist auch bei der Betrachtung der Schädelkapazität wichtig, zum Beispiel betrug die durchschnittliche Schädelkapazität der Neandertaler bei Frauen 1300 cm 3 und bei Männern 1600 cm 3 . Neandertaler hatten im Verhältnis zu ihrer Körpergröße größere Augen und Körper, daher war ein unverhältnismäßig großer Bereich ihres Gehirns der somatischen und visuellen Verarbeitung gewidmet, Funktionen, die normalerweise nicht mit Intelligenz in Verbindung gebracht werden. Als diese Bereiche an anatomisch moderne menschliche Proportionen angepasst wurden, stellte sich heraus, dass Neandertaler Gehirne um 15-22% kleiner als bei AMH hatten. Wenn die Neandertaler-Version des NOVA1-Gens in Stammzellen eingefügt wird, entstehen Neuronen mit weniger Synapsen als Stammzellen, die die menschliche Version enthalten.

In einem Versuch, die Schädelkapazität als objektiven Indikator für die Gehirngröße zu verwenden, wurde 1973 von Harry Jerison der Enzephalisationsquotient (EQ) entwickelt. Es vergleicht die Größe des Gehirns der Probe mit der erwarteten Gehirngröße von Tieren mit ungefähr gleichem Gewicht. Auf diese Weise kann die Schädelkapazität eines einzelnen Tieres objektiver beurteilt werden. Holloway hat eine große wissenschaftliche Sammlung von Hirn-Endocasts und Messungen der Schädelkapazität zusammengestellt.

Beispiele für die Schädelkapazität

Affen

Frühe Hominiden

Siehe auch

Verweise

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