Unter phylogenetischem Blickwinkel lässt sich die Großhirnrinde in Neocortex und Allocortex unterteilen. Der phylogenetisch ältere Allocortex nimmt etwa 10% der Grosshirnrinde ein und entwickelt sich im 2. und 3. Monat der Embryonalentwicklung und weist 3 bis 6 Schichten auf. Der Neocortex ist der multisensorische und motorische Teil der Großhirnrinde von Säugetieren, wobei der Cortex die äußere graue Schicht der Großhirnrinde bildet, die die weiße Substanz umgibt.
Der Neocortex entwickelt sich vom 3. zum 7. Monat und ist durch eine typische 6-schichtige Zytoarchitektur charakterisiert, er entsteht zuerst in der Inselgegend und in den Parietallappen und dehnt sich dann in die Frontallappen und die Okzipitallappen aus. Der Neocortex bildet beim Menschen den Großteil der Großhirnrinde, in dem die Repräsentationen der Sinneseindrücke in den sensorischen Arealen, der für Bewegungen zuständigen Motorcortex und die weiträumigen Assoziationszentren liegen. Der Neocortex ist nach Ansicht vieler Experten stammesgeschichtlich relativ jung, auch wenn nach heutigem Wissensstand das Neopallium der Vögel dem der Säugetiere in Komplexität und Leistungsfähigkeit ähnlich ist.
Zum Aufbau des Neocortex, der äußersten Schichten der Großhirnrinde, müssen Stammzellen die Bildung von Milliarden Nervenzellen verschiedenster Art anstoßen, doch wie dieser Prozess in der richtigen zeitlichen Abfolge abläuft, ist noch nicht vollständig geklärt. Bei Studien an Mäusen zeigte sich, dass diese zu unterschiedlichen Zeitpunkten mit anderen genetischen Programmen arbeiten und diese an ihre Tochter-Neuronen weitergeben. Diese Programme ändern sich in ihrer Ausrichtung und werden immer komplexer, denn ist es zunächst vor allem die Steuerung von Prozessen innerhalb der Zellen, kommen mit der Zeit mehr Programme zur Anwendung, die auch Reize von außerhalb der Zellen verarbeiten (Telley et al., 2019).
Die Expansion des Neocortex während der menschlichen Evolution ist eine Grundlage für seine hohen kognitiven Fähigkeiten, wobei die Expression von human-spezifischem ARHGAP11B im embryonalen bzw. fötalen Neocortex von Mäusen, Frettchen und Krallenaffen als förderlich für die Proliferation von basalen Vorläuferzellen gilt, also die Bildung von Neuronen der oberen Schicht und die Expansion des Neocortex während der Entwicklung fördern, also von Eigenschaften, von denen allgemein angenommen wird, dass sie zu erhöhten kognitiven Fähigkeiten beitragen. Offen ist jedoch noch, ob dieser Phänotyp bis ins Erwachsenenalter bestehen bleibt und ob die kognitiven Fähigkeiten tatsächlich gesteigert werden können. Xing et al. (2021) haben eine transgene Mauslinie mit physiologischer ARHGAP11B-Expression gezüchtet, die eine erhöhte neocortikale Größe und eine erhöhte Anzahl von Neuronen der oberen Schicht aufweist, die bis ins Erwachsenenalter bestehen bleibt. Adulte ARHGAP11B-transgene Mäuse zeigten dabei ein verändertes Verhalten, insbesondere bei klassischen Labyrinthtests eine flexiblere Leistung. Diese modifizierten Mäuse mit ihrem größeren Gehirn machten weniger Fehler beim Finden einer Wasserflasche als die Wildtyp-Mäuse, d. h., sie besitzen ein flexibleres Gedächtnis und können sich besser an neue Bedingungen und Regeln anpassen. Dabei hat sich das räumliche Lernen per se bei diesen Mäusen kaum verändert, doch war offenbar die Verarbeitung des Gelernten in der Großhirnrinde optimiert. Wildtyp-Mäuse zeigten mehr Angst und versuchten, so schnell wie möglich aus dem hell beleuchteten Zentrum der Versuchsanlage in die schützende Randzone zu gelangen, während ARHGAP11B-Mäuse entspannter waren und länger im Zentrum verweilten. Diese menschenspezifische Genvariante ARHGAP11B hatte in der Evolution wohl einen entscheidenden Einfluss auf die Gehirnentwicklung und die kognitive Fähigkeiten. Da sich diese Genvariante erst vor rund fünf Millionen Jahren, nach Abtrennung der menschliche Stammeslinie von der der Schimpansen entwickelt hatte, könnte sie dazu beigetragen haben, dass sich die menschlichen Vorfahren kognitiv zunehmend von ihren Primatenverwandten unterschieden.
Im Laufe der Evolution hat sich das menschliche Gehirn immer mehr durch die Faltung der Hirnrindenoberfläche vergrößert, insbesondere im Neocortex, der für höhere kognitive Funktionen wie Sprache, Lernen oder Denken zuständig. Diese Faltung erst ermöglicht es, den vergrößerten Neocortex in dem beengten Schädelraum unterzubringen. Dabei ist die richtige Anzahl und Position der Faltungen während der Entwicklung entscheidend dafür, dass das Gehirn richtig funktionieren kann. Wenn bei diesem Faltungsprozess Fehler unterlaufen, wie es etwa bei der Lissenzephalie (glattes Gehirn) der Fall ist, kann dies zu kognitiven Funktionsstörungen führen.
Obwohl Neandertaler und moderne Menschen ähnlich große Gehirne haben, war bislang wenig darüber bekannt, ob sich die Gehirne darin unterscheiden, wie viele Nervenzellen sie während der Gehirnentwicklung bilden. Ein Forscherteam des Max-Planck-Institut für molekulare Zellbiologie und Genetik in Dresden konnte nun (2022) zeigen, dass die Variante eines Proteins, das moderne Menschen in sich tragen, sich nur um eine einzige Aminosäure von der Neandertaler-Variante unterscheidet, was aber eine entscheidende Rolle bei der Gehirnentwicklung spielt. Durch diese Protein-Variante bildet sich vermehrt ein Typ von Vorläuferzellen im Gehirn von modernen Menschen, die basalen radialen Gliazellen, die den Großteil der Nervenzellen im sich entwickelnden Neocortex produzieren, was bedeutet, dass es aufgrund dieser einzigen menschenspezifischen Veränderung einer Aminosäure zu einer vermehrten Bildung von Nervenzellen im sich entwickelnden Frontallappen des Neocortex von modernen Menschen kommt. Es ist durchaus denkbar, dass dies die kognitiven Fähigkeiten des modernen Menschen, die auf dem Frontallappen beruhen, gefördert hat.
Literatur
Telley, L., Agirman, G., Prados, J., Amberg, N., Fièvre, S., Oberst, P., Bartolini, G., Vitali, I., Cadilhac, C., Hippenmeyer, S., Nguyen, L., Dayer, A. & Jabaudon, D. (2019). Temporal patterning of apical progenitors and their daughter neurons in the developing neocortex. Science, 364, doi:10.1126/science.aav2522.
Xing, Lei, Kubik-Zahorodna, Agnieszka, Namba, Takashi, Pinson, Anneline, Florio, Marta, Prochazka, Jan, Sarov, Mihail, Sedlacek, Radislav & Huttner, Wieland B. (2021). Expression of human-specific ARHGAP11B in mice leads to neocortex expansion and increased memory flexibility. The EMBO Journal, doi:10.15252/embj.2020107093.
https://www.mpg.de/19177059/0906-mozg-moderne-menschen-bilden-mehr-nervenzellen-im-gehirn-als-neandertaler-151300-x (22-09-09)