Wie hat sich unser Gehirn entwickelt?

Von Amélie Beaudet - Paläoanthropologin (CNRS), Universität Poitiers

Die einzigartige Natur und die außergewöhnlichen Fähigkeiten des menschlichen Gehirns überraschen uns immer wieder. Seine runde Form, seine komplexe Organisation und seine lange Reifezeit unterscheiden es von den Gehirnen anderer heutiger Primaten, insbesondere der Menschenaffen, mit denen wir direkt verwandt sind.


Worauf sind diese Besonderheiten zurückzuführen? Da das Gehirn nicht versteinert, muss die Antwort in den Knochen des Schädels gesucht werden, die auf paläontologischen Fundstellen gefunden wurden, um die Geschichte zurückzuverfolgen. Der Schädelknochen enthält Abdrücke des Gehirns, die wertvolle Daten über die 7 Millionen Jahre der Evolution unseres Gehirns liefern, die uns von unserem ältesten bekannten Vorfahren trennen: Toumaï (Sahelanthropus tchadensis).


Während des Wachstums besteht eine enge Verbindung zwischen dem Gehirn und seinem Behälter, dem Schädel, und durch einen Prozess des Modellierens und Ummodellierens zeichnet der Knochen die Position der Furchen an der Oberfläche des Gehirns auf, die die Lappen und Hirnareale abgrenzen. Aus diesen Abdrücken versuchen Paläoneurologen, die evolutive Geschichte unseres Gehirns zu rekonstruieren (zum Beispiel wann und wie die menschlichen Gehirnspezifitäten entstanden sind) und Hypothesen über die kognitiven Fähigkeiten unserer Vorfahren zu entwickeln (zum Beispiel wann sie anfingen, Werkzeuge herzustellen).

Südafrika spielte eine zentrale Rolle bei der Erforschung und Entdeckung von Hinweisen auf die großen Etappen der Evolution unseres Gehirns. Die paläontologischen Fundstellen im "Wiege der Menschheit", die zum UNESCO-Weltkulturerbe gehören, sind besonders reich an Fossilien, die in uralten Höhlen gefangen waren und deren Ablagerungen heute an der Oberfläche sichtbar sind.


Unter diesen Fossilien gibt es emblematische Exemplare wie "das Kind von Taung" (3-2,6 Millionen Jahre), das allererste Fossil der menschlichen Linie, das auf dem afrikanischen Kontinent entdeckt wurde und zum Ursprung der Gattung Australopithecus führte, oder "Little Foot" (3,7 Millionen Jahre), das vollständigste Skelett eines Australopithecus, das jemals entdeckt wurde (50 % vollständiger als das von "Lucy", das in Äthiopien entdeckt wurde und auf 3,2 Millionen Jahre datiert ist).

Diese außergewöhnlichen Fundstellen führten zur Entdeckung relativ vollständiger Schädel (zum Beispiel "Mrs Ples" datiert auf 3,5-3,4 Millionen Jahre), sowie natürlicher innerer Abgüsse von Schädeln (zum Beispiel der von "dem Kind von Taung"), die Spuren des Gehirns dieser fossilen Individuen bewahrten, die von Experten untersucht wurden und seit Jahrzehnten als Referenz dienen.

Die Technologie im Dienst der Paläoneurologie

Trotz der relativen Fülle und der bemerkenswerten Erhaltung der südafrikanischen Fossilien im Vergleich zu zeitgenössischen ostafrikanischen Fundstellen wird das Studium der Gehirnabdrücke, die sie bewahren, durch die Schwierigkeit eingeschränkt, diese Spuren zu entschlüsseln und zu interpretieren.

Vor diesem Hintergrund hat unser Team aus Paläontologen und Neurowissenschaftlern zunächst versucht, in die Untersuchung der Fossilien die technischen Fähigkeiten zu integrieren, die in der Bildgebung und Informatik entwickelt wurden.

Wir haben daraufhin das Projekt EndoMap ins Leben gerufen, das auf der Zusammenarbeit zwischen französischen und südafrikanischen Forschungsteams basiert und zum Ziel hat, die Erforschung des Gehirns durch den Einsatz virtueller Visualisierungs- und Analysemethoden weiter voranzutreiben.


Anhand von 3D-Digitalmodellen von Fossilien aus der "Wiege der Menschheit" und einer digitalen Referenzsammlung von Schädeln heutiger Primaten haben wir eine einzigartige Datenbank von Kartographien entwickelt und bereitgestellt, um die wichtigsten Unterschiede und Gemeinsamkeiten zwischen den Gehirnen unserer Vorfahren und unseren zu lokalisieren.

Diese Kartographien basieren auf dem in der Neurowissenschaft traditionell verwendeten Atlasprinzip und ermöglichten sowohl eine bessere Kenntnis der Variabilität in der räumlichen Verteilung der Furchen beim heutigen Menschengehirn als auch die Identifizierung von Gehirnmerkmalen bei Fossilien. In der Tat sind einige der größten wissenschaftlichen Meinungsverschiedenheiten in der Disziplin auf unser unzureichendes Wissen über die interindividuelle Variation zurückzuführen, was zu einer Überinterpretation der Unterschiede zwischen Fossilienexemplaren führt.

Die Paläoneurologie von morgen denken

Jedoch steht EndoMap vor einer großen Herausforderung bei der Untersuchung fossiler Überreste: Wie können unvollständige Exemplare oder solche, bei denen bestimmte Gehirnabdrücke fehlen oder unlesbar sind, analysiert werden? Dieses Problem der fehlenden Daten, das in der Informatik bekannt und in vielen wissenschaftlichen Disziplinen verbreitet ist, stellt ein Hindernis für den Fortschritt unserer Forschung zur Evolution des Gehirns dar.

Der technologische Fortschritt in den Bereichen künstliche Intelligenz bietet eine mögliche Lösung. Insbesondere angesichts der begrenzten Anzahl fossiler Exemplare und ihrer Einzigartigkeit können Methoden der künstlichen Vermehrung von Stichproben helfen, das Problem der geringen Stichprobengröße in der Paläontologie zu überwinden. Außerdem stellt die Verwendung des tiefen Lernens anhand kompletterer aktueller Proben eine vielversprechende Möglichkeit dar, Modelle zu entwickeln, die in der Lage sind, die fehlenden Teile unvollständiger Exemplare zu schätzen.

Wir haben deshalb Paläontologen, Geoarchäologen, Neurowissenschaftler und Informatiker der Universität Witwatersrand und der Universität Kapstadt (Südafrika), der Universität Cambridge (Vereinigtes Königreich), der Universität Toulouse, des Nationalmuseums für Naturgeschichte in Paris und der Universität Poitiers nach Johannesburg im Jahr 2023 eingeladen, um unsere Überlegungen zur Zukunft unserer Disziplin im Rahmen der Konferenz "BrAIn Evolution: Palaeosciences, Neuroscience and Artificial Intelligence", die gemeinsam mit dem IFAS-Forschung organisiert wurde, zu bereichern.

Diese Diskussionsrunde hat zur Entstehung der Sonderausgabe der Zeitschrift des IFAS-Forschung, Lesedi geführt, die gerade online erschienen ist und die Ergebnisse dieses interdisziplinären Austauschs zusammenfasst. Nach diesem Treffen erhielt das Projekt finanzielle Unterstützung von der Mission für transversale und interdisziplinäre Initiativen (MITI) des CNRS im Rahmen der Ausschreibung "Digitale Zwillinge: neue Grenzen und zukünftige Entwicklungen" zur Integration der KI in die Paläoneurologie.

Quelle: The Conversation unter Creative-Commons-Lizenz