Die Intelligenz der Tiere

Konnektom im Menschenhirn 
aus Süddeutsche.de, 24. Dezember 2013 15:55

Intelligenz im Tierreich  
Was im Kopf steckt
Keine Frage, Menschen sind intelligenter als alle anderen Tiere dieser Welt. Doch welche Eigenschaften eines Gehirns entscheiden über die Leistungsfähigkeit? Allein um Größe geht es nicht.

Von Monika Offenberger

Schimpansen spielen die Ahnungslosen, wenn sie versteckte Leckerbissen vor Artgenossen verbergen wollen. Krähen biegen Drähte zu Haken, um damit Futter zu angeln. Tintenfische finden spielend aus einem Labyrinth heraus und behalten den Weg mehrere Tage lang im Gedächtnis. Bienen weisen ihren Schwestern vom dunklen Stock aus den Weg zu weit entfernten Nektarquellen. Die Beispiele zeigen: Intelligenz hat viele Erscheinungsformen. Und sie hat sich im Laufe der Evolution mehrmals in verschiedenen Tiergruppen entwickelt.
 
Entsprechend unterschiedlich ist die Architektur der Nervensysteme, denen Insekten, Weichtiere, Vögel oder Primaten ihre besonderen Fähigkeiten verdanken. Doch gibt es ein paar universelle Kriterien, auf denen Intelligenz basiert.
 
Das erste Kriterium klingt trivial: Ein Gehirn braucht Nervenzellen. Dass es sich auch ohne Neuronen gut leben lässt, machen Bakterien und viele andere Organismen vor, die nur aus einer einzigen Zelle bestehen. Auch mehrzellige Tiere wie die Schwämme kommen ganz gut ohne Nervenzellen aus.
Allerdings gehen sie ihren Alltag etwas gemütlicher an als nervöse Zeitgenossen: Bis ein Reiz (etwa eine ungewohnte Berührung) zu einer Reaktion (Zurückzucken) führt, vergehen mehrere Minuten. Weil ihm Übertragungsleitungen fehlen, stellt der Schwammkörper bestimmte Zellen ab, die als Boten von den Sinnes- zu den Bewegungsorganen wandern und dort Bescheid geben, wenn etwas zu tun ist.
Die schnellere Erregungsübermittlung via Nervenzellen hat die Informationsverarbeitung und das Reaktionsvermögen von Tieren um Größenordnungen beschleunigt. Doch erst die Bündelung der Neuronen an einem zentralen Organ, dem Gehirn, ermöglicht komplexe Leistungen.
 
Das auffälligste Kennzeichen eines Gehirns ist seine absolute Größe. Weil diese an die Körpermaße gekoppelt ist, haben große Tiere größere Gehirne als kleine. Innerhalb einer Tiergruppe garantiert das größte Hirn folglich die höchste Intelligenz. Spitzenplätze belegen unter den Insekten die Bienen, bei den Weichtieren die Oktopusse und bei den Vögeln die Papageien, Eulen und Krähen.
 
Besonders deutlich wird der Zusammenhang zwischen absoluter Gehirngröße und Intelligenz bei den Primaten: Lemuren und andere Halbaffen haben ein sehr kleines Gehirn und entsprechend geringere Intelligenz. Die Neu- und Altweltaffen sind mit ihren größeren Gehirnen schon um einiges schlauer. Schimpansen und andere Menschenaffen haben noch größere Gehirne und weiter reichende kognitive Fähigkeiten. Die intelligenteste Spezies mit dem größten Primatenhirn sind zweifellos wir Menschen selbst. Und auch bei den übrigen Säugetieren sind die Klügsten jene mit den größten Gehirnen, nämlich die Elefanten, Wale und Delfine.

 
Jedes Äffchen hat mehr Hirnmasse als ein Hund
 
Doch wer schon einmal ein Kapuzineräffchen beim Lausen, Raufen oder Grimassenschneiden beobachtet und mit einer weidenden Kuh verglichen hat, muss zugeben: Obwohl das Affenhirn deutlich kleiner ist - es misst nur ein Fünftel eines Rinderhirns - leistet es erkennbar mehr.
 
Auch die klugen Meeressäuger und Rüsseltiere schneiden schlecht ab, sobald man sie am Schimpansen oder gar am Menschen misst: Die riesigen Gehirne der Schwertwale (bis 10 Kilogramm) und des Elefanten (4,2 Kilogramm) sind sieben- beziehungsweise dreimal so groß wie das menschliche Denkorgan, die Geistesleistungen reichen jedoch nicht an die vieler Primaten heran.
 
Offensichtlich entscheidet nicht nur die absolute, sondern auch die relative Größe über die Leistungsfähigkeit eines Gehirns. Unter den meisten Wirbeltieren haben die größeren Arten ein relativ kleineres Gehirn als die kleineren. Außer bei den Primaten: Hier steigt die Gehirngröße etwa im selben Maße an wie die Körpergröße. Deshalb hat jedes Äffchen mehr Hirnmasse als ein gleich großer Hund oder Hase. Innerhalb der Primaten setzt der Mensch noch eins drauf: Wir haben für jedes Kilo des Körpergewichts dreimal so viel Hirn wie ein Schimpanse und achtmal so viel wie eine Katze.
 
Dennoch reicht auch die relative Größe eines Gehirns nicht zur Qualitätsbestimmung aus: Es kommt vor allem auf den Inhalt an. "Wale sind ein gutes Beispiel dafür, dass ein größeres Gehirn nicht unbedingt mehr Nervenzellen enthalten muss. Entscheidend ist, wie dicht die Neuronen gepackt sind", erklärt Onur Güntürkün, Biopsychologe an der Uni Bochum.
 
Bei den meisten Wirbeltieren ist es so: Je größer ihr Gehirn, umso geringer ist die Packungsdichte der Neuronen. Deshalb haben Delfine wie der Große Tümmler zwar genauso viel Hirnmasse wie der Mensch, doch enthält diese mit 5,8 Milliarden Nervenzellen wesentlich weniger Neuronen.

 
Wieso die winzigen Vogelhirne erfolgreich sind
 
Vögel und Primaten sind die einzigen Wirbeltiere, bei denen dieses Prinzip nicht gilt. Ihre Neuronen sind in großen wie in kleinen Gehirnen gleich dicht gepackt. "Bei Vögeln ist die Packungsdichte sogar noch höher als bei den Primaten, sie haben also je Gramm Hirngewicht noch mehr Nervenzellen. Das erklärt zumindest zum Teil, warum sie trotz ihrer kleinen Gehirne so erfolgreich sind", so Güntürkün.
Die Familie der Rabenvögel hat besonders einsichtige, lern- und merkfähige Arten hervorgebracht: Krähen setzen oft spontan - also ohne Training oder Abschauen - Werkzeuge ein oder stellen sogar passende Hilfsmittel her. Tannenhäher verstecken im Herbst hunderte Zirbelsamen in der Erde oder in Felsblöcken und finden sie später sogar unter einer meterhohen Schneedecke wieder. Elstern erkennen ihr eigenes Spiegelbild, was sonst nur Menschaffen, Elefanten und Delfinen gelingt.
 
Alle Rabenvögel haben relativ zum Körpergewicht ein größeres Gehirn als beispielsweise Tauben oder Hühner. Ihr überproportionales Denkorgan enthält dementsprechend vermutlich auch absolut gesehen eine höhere Zahl von Nervenzellen - besonders in denjenigen Bereichen, die für Intelligenz zuständig sind. Konkrete Zahlen sind für Vögel bislang nicht bekannt.

 
Der Mensch verarbeitet Informationen viel schneller als das Riesenhirn des Wals
 
Der Hirnforscher Gerhard Roth, Emeritus an der Universität Bremen, schätzt die Zahl der Neuronen im Intelligenzzentrum von Vogelgehirnen je nach Art auf 100-400 Millionen. Bei den Primaten ist dieses Zentrum die Großhirnrinde: Sie fasst beim Menschen 12 bis 15 Milliarden Neuronen (von insgesamt rund 100 Milliarden) und bei den kleineren Affen etwa so viele wie das Pendant im Rabengehirn. Beim Oktopus enthält der Vertikallobus immerhin 24 Millionen Nervenzellen. Und im Gehirn der Honigbiene konzentriert sich rund ein Drittel der insgesamt 960.000 Neuronen in zwei symmetrisch angeordneten Strukturen, den so genannten Pilzkörpern.
 
"Nun wissen wir natürlich: Die eigentliche Musik spielt sich in den Verbindungen der Nervenzellen ab. Und wir können davon ausgehen, dass eine größere Zahl an Nervenzellen auch mehr synaptische Verbindungen ausbildet", sagt Onur Güntürkün. Über die Zahl der Synapsen, die ein Neuron - zum Beispiel in der menschlichen Hirnrinde - formen kann, gibt es unterschiedliche Befunde: Einige Forscher gehen von 1000 bis 10.000 aus, andere von bis zu 30.000.
 
Unstrittig ist jedoch, dass der Mensch sämtliche Tiere auch in der Zahl der Synapsen übertrifft. Unsere Hirnrinde ist mit maximal fünf Millimetern rund viermal so dick und zudem noch doppelt so dicht mit Neuronen bepackt wie die der Wale und Elefanten. Diese vielen, eng benachbarten Zellen können besonders schnell miteinander kommunizieren. "Nach meinen Schätzungen ist die Geschwindigkeit der Informationsverarbeitung im menschlichen Gehirn sechs- bis zehnmal höher als in den sehr viel größeren Gehirnen der Elefanten und Wale", erläutert Gerhard Roth.
 
Eine sehr dichte Neuronenpackung und sehr hohe Erregungsleitungsgeschwindigkeiten kennzeichnen nicht nur die Hirnrinde der Primaten und insbesondere des Menschen, sondern auch die Intelligenzzentren im Gehirn von Vögeln und einigen wirbellosen Tieren. Sie haben die Packungsdichte sogar noch optimiert, so Gerhard Roth: "Oktopusse und Bienen haben in ihren Intelligenzzentren sehr viel kleinere Neuronen als wir. Und auch die Vögel und Primaten haben im Vergleich zu anderen Wirbeltieren sehr kleine Nervenzellen." Deshalb stecken in den kleinen Gehirnen der Tintenfische und insbesondere in den winzigen Insektengehirnen pro Volumen deutlich mehr Neuronen als in den Wirbeltierhirnen. Deshalb können sie Information oft schneller verarbeiten.
 
Vom Gehirn einer Biene oder eines Tintenfischs zu dem eines Raben oder Affen ist es freilich ein sehr großer quantitativer Sprung: Wirbeltiere haben in ihrem Schaltzentrum mehrere Milliarden Nervenzellen, Oktopusse immerhin 42 Millionen, Insekten dagegen nur eine halbe bis eine Million. "Und trotzdem stehen einige dieser kleinen Tiere den großen in vielen Intelligenzleistungen nicht nach. Dazu gehören zum Beispiel Lernen, Gedächtnis, Selbstwahrnehmung, Unterscheidung zwischen dem eigenen Körper und der Außenwelt sowie komplexe soziale Interaktionen zwischen Individuen. Diese Fähigkeit haben auch die kleinen Gehirne", sagt Randolf Menzel, Neurowissenschaftler und Verhaltensbiologe an der FU Berlin.
 
Wie Menzels Forschung zeigt, sind die Pilzköper des Bienengehirns in zahlreiche Module gegliedert, die parallel viele sensorische, motorische, modulatorische und bewertende Informationen entgegennehmen. "Dort werden sie auf eine Vielzahl von internen Neuronen verteilt und dann auf eine geringe Zahl von Ausgangsneuronen verschaltet.
 
Wir haben also zuerst eine Divergenzschaltung und anschließend konvergiert es wieder", erklärt Menzel. Je mehr Neuronen in diesen parallel verknüpften Pilzkörper-Modulen liegen, umso komplexer sind die Leistungen, die sie ermöglichen: Honigbienen haben dort mit etwa 130.000 Neuronen rund 26-mal so viele wie die Taufliege Drosophila.
 
Auch die Hirnrinde im Säugergehirn ist in Parzellen unterteilt, wo die Vielzahl von äußeren Sinneseindrücken und inneren Körperzuständen verarbeitet und zusammengeführt werden. Je stärker diese Parzellierung ist, umso besser: Mäuse und andere kleine Säugetiere haben etwa zehn Areale, die unterschiedliche Informationen aufnehmen und weiterleiten.

Dagegen verfügt die menschliche Hirnrinde über 150 Areale mit 60 Verbindungsstellen, die insgesamt 9000 Areal-Verschaltungen ermöglichen. "Man kann also wirklich sagen: Es gibt ein Grundprinzip für hohe Intelligenz, das man auch als Ingenieur beschreiben könnte", sagt Gerhard Roth und zieht das Fazit: "Das menschliche Gehirn kombiniert einen großen Cortex mit einer relativ dichten Packung, hoher Übertragungsgeschwindigkeit und starker Parzellierung. Daraus resultiert die höchste Informationsverarbeitungskapazität und Intelligenz unter allen Lebewesen".


Bakterien, 0 Neuronen

Bakterien brauchen keine Nervenzellen, geschweige denn ein Nervensystem. Dennoch funktionieren Reizerkennung und Informationsverarbeitung bei den Einzellern nach denselben Prinzipien wie bei komplexeren Organismen: Es gibt Elemente zur Sinneswahrnehmung und solche zum Bewegungsantrieb; die Kommunikation läuft über Signalstoffe innerhalb der Zelle. Das Darmbakterium E. coli trägt in seiner Außenhülle mehr als ein Dutzend Typen von Chemorezeptoren, die nahrhafte von giftigen Substanzen unterscheiden können und fortwährend deren Konzentration melden. Andere Einzeller wie das zu den Archäen zählende Halobacterium salinarum orientieren sich mit Hilfe lichtempfindlicher Pigmente, die jenen der menschlichen Retina ähneln. Ein Kurzzeitgedächtnis von wenigen Sekunden erlaubt es den Mikroben, die Stärke zweier aufeinander folgender Reize zu vergleichen und sich wahlweise zur Reizquelle hin oder von ihr weg zu bewegen. Weder Bakterien noch Archäen können lernen.


Schleimpilze, 0 Neuronen

Schleimpilze sind kernhaltige Einzeller, die als geißelbewehrte Schwärmer oder kriechende Amöben auftreten und je nach Wasserangebot zwischen beiden Lebensformen wechseln. In guten Zeiten vermehren sie sich und verschmelzen milliardenfach zu vielkernigen Riesenzellen, die auf feuchten Oberflächen oft grell gefärbte schleimige Überzüge bilden. Physarum polycephalum bringt es auf bis zu zwei Quadratmeter große Exemplare, die sich einen Zentimeter pro Stunde vorwärts schieben und dabei Hindernisse überwinden können. Dazu nutzen sie dieselben Proteine, mit denen auch Menschen ihre Muskeln in Bewegung setzen. Die Art hat durch ein Experiment in Japan Aufsehen erregt: Der Schleimpilz fand in einem 25 x 35 Zentimeter großen Labyrinth den kürzesten von vier Wegen zwischen zwei Häufchen Haferflocken. In allen Versuchen nahm er den direkten Weg und fiel weder auf Sackgassen noch Umwege herein. Grund genug, dem schleimigen Wesen eine primitive (Körper-)Intelligenz zuzusprechen.


Fadenwurm, 302 Neuronen im Körper

Das beliebte Versuchstier der Genetiker - der Fadenwurm - besitzt ein primitives zentrales Nervensystem: Mehrere Nervenstränge ziehen sich vom Nervenring am Schlund bis zum hinteren Ende und in die Kopfregion. Bei manchen Arten sitzt dort ein Paar mit Sehzellen besetzter Grubenaugen, andere haben einfache Linsen. Besonders gut erforscht ist die Art Caenorhabditis elegans. Der Wurm hat exakt 302 Nervenzellen, die über 6393 chemische Verbindungsstellen und 890 Ionenkanäle vernetzt sind und sich über weitere 1410 Ionenkanäle mit Muskelzellen austauschen. Dieses Netzwerk befähigt C. elegans zu assoziativem Lernen, wie ein Versuch zeigt: Man hält den Wurm in einer Schale voller nahrhafter Bakterien. Sobald er davon frisst, gibt man einen Duftstoff dazu, den das Tier wahrnimmt. In der Folge wirkt der Duft wie die berühmte Glocke auf Pawlows Hund: Der Wurm assoziiert damit Bakterien und macht auch dann Fressversuche, wenn er die Substanz in einer leeren Schale riecht.


Bienen, 960.000 Neuronen im Gehirn

Ihr kleines Gehirn ist nur etwa einen Kubikmillimeter groß, dennoch verfügen Bienen über ein breites Verhaltensrepertoire. Sie lernen schnell eine Fülle von Signalen, wenn sie für die richtige Lösung mit Zuckerwasser belohnt werden: So lassen sie sich etwa darauf dressieren, Farben, Formen oder Gerüche zu unterscheiden und Eigenschaften zu erkennen. Sie können Regeln lernen, bei welchen Verknüpfungen sie eine Belohnung erwarten können. Diese Leistungen speichern sie dauerhaft im Gedächtnis. Es gelingt ihnen, geometrische Formen nach ihrer Ähnlichkeit zu unterscheiden. Sie können die Zahl von bis zu vier Objekten unterscheiden, scheitern aber bei größeren Mengen. Für ihren Alltag ist ihr Navigationsvermögen relevanter: Mit ihrem Schwänzeltanz informieren sie Stockgenossinnen über wichtige Orte im Gelände wie Futterquellen oder Nisthöhlen. Die jeweilige Flugrichtung teilen sie symbolhaft nach dem Sonnenkompass und der mit den Augen gemessenen Entfernung mit.

Oktopus, 42.000.000 Neuronen im Gehirn

 
Oktopusse gehören wie alle Tintenfische, Muscheln und Schnecken zu den Weichtieren. Ihr hoch entwickeltes zentrales Nervensystem, das völlig anders aufgebaut ist als das der Wirbeltiere, befähigt sie zu erstaunlichen Leistungen: Sie finden selbst nach langen Ausflügen auf dem kürzesten Weg nach Hause, auch wenn sie diesen niemals zuvor benutzt haben. Außerdem lernen sie schnell, aus einem Irrgarten zu entkommen - und erinnern sich noch eine Woche später an den einmal entdeckten Ausweg. Sie finden selbst heraus, dass sie Krabben in einem verschlossenen Glasgefäß nur greifen können, wenn sie zuvor den Deckel öffnen. Sie können geometrische Formen wie Würfel oder Kugeln durch Abtasten unterscheiden. Einige Biologen wollen beobachtet haben, dass sie nicht nur aus eigener Erfahrung lernen, sondern auch, indem sie Artgenossen beim Lösen von Aufgaben zusehen. In neueren Untersuchungen konnten diese Befunde allerdings nicht bestätigt werden.


Rabenvögel, 400.000.000 Neuronen im Gehirn

Rabenvögel benutzen Werkzeuge und bringen diese wenn nötig in eine passende Form. Neukaledonien-Krähen rupfen kleine Stücke aus Blättern, um damit Insekten aus Felsritzen herauszufischen. Vor fahrende Autos werfen sie Nüsse und warten auf rotes Ampellicht, um aus den überfahrenen, zerbrochenen Schalen gefahrlos die Kerne aufzulesen. Als besonders erfinderisch erwies sich die zahme Krähe Betty: Um an ein außer Reichweite postiertes Stück Fleisch zu gelangen, bog sie einen herumliegenden Eisendraht spontan zu einem Haken und zog damit den Happen zu sich heran. Krähen sind neben Primaten die einzigen Tiere, die sich mit Hilfe von Werkzeugen andere Werkzeuge besorgen. Im Versuch angelten sich die Vögel mit kurzen Stöcken längere Stöcke, die sie zum Heranholen einer Futterbox benötigten. Ob solches Verhalten auf Einsicht basiert oder durch Probieren entsteht, ist umstritten. Die ebenfalls zu den Rabenvögeln zählenden Elstern erkennen zudem ihr eigenes Spiegelbild.


Elefanten, 11.000.000.000

Sie sind die größten Landtiere der Welt, entsprechend groß ist ihr Gehirn. Mit tiefen Tönen im Infraschall-Bereich verständigen sich Elefanten über Entfernungen von bis zu 20 Kilometern und orten individuelle Gruppenmitglieder ebenso wie Regengüsse oder Wirbelstürme. Dank ihres guten Gedächtnisses und Orientierungsvermögens merken sie sich die Standorte von Wasserquellen im Umkreis von 60 Kilometern. Zur Körperpflege stutzen sie Stöcke und Zweige zu Kratzbürsten und Fliegenpatschen zurecht. Im Experiment begreifen zwei ungeschulte Elefanten, dass sie eine entfernte Futterquelle nicht alleine, sondern nur gemeinsam mittels Seilen zu sich heranziehen können. Die Riesen scheinen sich selbst im Spiegel zu erkennen, verlieren dann aber schnell das Interesse an ihrem Konterfei. Im Gegensatz zu Bienen lernen sie aber nur mühsam oder gar nicht, kleine von großen oder runde von eckigen Objekten zu unterscheiden und entsprechenden Kategorien zuzuordnen.


Zahnwale,5.800.000.000 Neuronen im Gehirn

Sie haben erheblich größere Gehirne als Menschen. Diese benötigen Delfine und andere Zahnwale insbesondere für ihr ausgefeiltes auditorisches System. Es erlaubt ihnen, mit vielerlei Pfeif- und Klickgeräuschen zu kommunizieren und sich via Echoortung zu orientieren. Schwertwale verständigen sich oft auch lautlos, um sich bei der gemeinsamen Jagd nicht zu verraten. Je nach Beuteart setzen sie Fangmethoden ein, die perfektes Teamwork voraussetzen: Sie schlagen koordiniert Wellen, um Robben von Eisschollen zu kippen, Fischschwärme mit Luftblasen zu verwirren und Blauwale zu ertränken. Versuche mit trainierten Delfinen legen nahe, dass sie sich darüber bewusst sind, wenn sie an einer Aufgabe scheitern - etwa wenn sie zwei minimal unterschiedlich hohe Töne nicht auseinander halten können. Dagegen versagen sie bei einfachen Intelligenztests: Sie können unbekannte Gegenstände nicht passenden Kategorien zuordnen - eine Aufgabe, die Affen, Hunde, Tauben und Bienen meistern.


Schimpansen, 6.200.000.000 Neuronen

Schimpansen nutzen und fertigen bis zu 20 verschiedene Werkzeuge - zum Beispiel zum Angeln von Termiten oder Aufsaugen von Wasser - und setzen sie in wechselnden Zusammenhängen ein. Dabei löst jede Gruppe ein Problem auf etwas andere Weise und begründet damit unterschiedliche Traditionen: So haben die Schimpansen in Guinea herausgefunden, wie man Fallen von Wilderern unschädlich macht. Nur Schimpansen gelingt es, aus einem Material verschiedene Werkzeuge oder denselben Werkzeugtyp aus unterschiedlichen Rohstoffen anzufertigen. Sie nutzen mehrere Werkzeuge in Abfolge oder kombinieren sie. Damit beweisen sie ebenso wie Orang-Utans Einsicht in ein Problem. Sie können Handlungen planen und Objekte auswählen, die sie erst später als Werkzeuge brauchen. Schimpansen finden versteckte Objekte, indem sie den Blicken eines Artgenossen oder des Menschen folgen. Sie erkennen, ebenso wie Gorillas, ihr Spiegelbild. Doch sind nicht alle Individuen gleich erfolgreich.