Wo im Leib die Emotionen wohnen.

aus Die Presse, Wien, 31. 12. 2013

Wo im Leib die Emotionen wohnen 
Wenn uns etwa das Herz bis zum Halse schlägt, dann ist das keine Metapher. Der Körper ist eine Landschaft der Gefühle, und das Gehirn hat eine Landkarte davon.

Von Jürgen Langenbach 

Ob man nun Schmetterlinge im Bauch hat oder einem das Herz bis zum Halse schlägt, ob es einem eiskalt den Rücken hinunterläuft oder man kalte Füße bekommt, oder ob es einem gar, wenn es noch ärger wird, die Kehle zuschnürt – wir ordnen Emotionen ganz automatisch Körperregionen zu, zumindest wenn wir darüber reden. Und manches steckt auch in der Sprache: „Angst“ etwa kommt vom lateinischen „angustia“, „Enge“, und eng kann es nur dort werden, wo es zuvor weit war, in der Brust, rund um das Herz. Das kommt bei Angst auf Touren, und bei vielen anderen Emotionen auch – bei Ärger, Glück und Stolz etwa, dann schwillt die Brust –, in einer Depression hingegen schlägt das Herz nur matt, und auch für Verachtung hat es wenig übrig.

Aber sind das überhaupt alles Emotionen? In der Fachliteratur gelten Emotionen etwa bei Robert Levenson (Berkeley) als „kurzlebige psychologisch-physiologische Phänomene, die der Anpassung an sich wandelnde Umweltbedingungen“ dienen (Ann. N. Y. Acad. Sci 1000, S. 348). Das ist locker definiert, entsprechend unscharf ist es auch, manche Psychologen rechnen zu den Emotionen auch die Triebe, den Hunger etwa, er bringt ja „Hungergefühl“: In diesem Fall ist die Umwelt die Innenwelt des Körpers, sie wird permanent von einer Vielzahl Detektoren überwacht (interozeptiv), diese schlagen etwa bei Hunger Alarm. Dann bereitet sich der Körper auf Nahrung vor, das Gehirn macht es natürlich auch – es lässt Ausschau halten –, und verschaltet wird alles vom zentralen Nervensystem und von Hormonen, mit denen etwa der Darm dem Hirn meldet, ob er gerade voll ist oder leer. 

Den Körper in Gleichgewicht bringen!

Andere Forscher ziehen die Grenzen enger bzw. anders, für Antonio Damasio etwa (University of Southern California) gehört zu den Emotionen nur das, was von der Außenwelt bzw. ihrer Wahrnehmung durch die klassischen Sinnesorgane – die extrorezeptiven – ausgelöst wird; was aus dem Körper selbst komme, Ekel etwa, seien hingegen „Gefühle“ (Nature Reviews Neuroscience, 14, S. 143). Das ist reichlich künstlich – natürlich kommt Ekel von Sinneswahrnehmungen –, aber die ganzen Differenzierungen in den Definitionen kommen doch in einem überein: Es geht bei der Emotion immer darum, dass irgendetwas den Körper aus seinem Gleichgewicht bringt, aus der Homöostase, und dass er sie wieder herstellen will. Wir sehen eine Bedrohung, vielleicht ein gefährliches Tier, das Herz legt los, Stresshormone werden ausgeschüttet, das Gesicht verzerrt sich, das Gehirn konzentriert alle Aufmerksamkeit auf die Gefahr.

Ist sie vorbei, kehrt wieder Ruhe ein, in den Körper (und die Psyche), und zwar nicht nur in unseren: Emotionen sitzen in alten Regionen des Gehirns, viele Tiere haben sie, und sie bilden vermutlich eine der Vorstufen des Bewusstseins: Ein Lebewesen bemerkt, dass etwas in ihm – und/oder der Außenwelt – nicht in Ordnung ist, es fühlt in diesem Sinne sich selbst. Aber fühlt es bzw. fühlen wir endlich auch zu jeder Emotion zugehörige Körperregionen, sind die „Schmetterlinge im Bauch“ mehr als eine Metapher? Lauri Nummenmaa (Aalto, Finnland) hat es getestet: Er hat 761 Probanden ins Psychologenlabor geladen und ihnen auf einem PC die Silhouette eines Menschen gezeigt, sie bzw. er war von Kopf bis Fuß schlicht blau eingefärbt.

Aber die Testpersonen konnten umfärben, sie konnten die Silhouette dort gelb oder gar rot füllen, wo die Emotionen – die der Testpersonen – stark waren und sich auch so anfühlten, oder sie konnten auf Schwarz herunterfahren, wenn sich gar nichts regte. Dann bekamen sie Texte zu lesen oder Filme zu sehen, die mit verschiedensten Emotionen geladen waren – oder mit gar keiner: neutral –, und dann färbten sie auf dem PC, was sie spürten: Bei mangelnder Emotion (neutral) wurde der ganze Körper schwarz gefüllt, sonst kam ein munteres Farbenspiel. Ärger etwa färbte den gesamten Oberkörper, Arme und Kopf eingeschlossen, gelb und rot, Trauer hüllte ihn weithin in Schwarz, mit Ausnahme eines leicht roten Flecks auf der Brust, bei Neid ist es ganz ähnlich, dieser sitzt aber auch noch im Kopf. Er ist zentral, außer bei der Depression ist er immer im Spiel, sowohl mit der Gesichtsmuskulatur wie mit dem Gehirn (Pnas, 30. 12.).

Der Körper ist also eine Landschaft der Emotionen, und das Gehirn hat eine Landkarte davon. Jedes Gehirn: Die Zuschreibungen sind keine Metaphern, sie kommen auch nicht aus der jeweiligen Sprache – sie sind bei Finnen und Schweden die gleichen, obgleich die Sprachen keinerlei Verwandtschaft haben –, sie kommen auch nicht aus den Kulturen, Chinesen aus Taiwan waren mit im Test, sie haben und zeigen das gleiche Bild ihrer Emotionen.

Nur ein Gefühl ist überall: Glück!
 
Und die Zuordnung ist stark, so stark, dass das Ganze auch umgekehrt funktioniert: Führt man den Probanden eingefärbte Körper auf dem PC vor, sehen und benennen sie die Emotion. So wurden sie auch zu Signalen, ob sie nun so gemeint waren oder nicht: Wir können anderen ablesen, wie sie gerade gestimmt sind und was wir von ihnen zu erwarten haben. Und so konnte Nummenmaa seine Probanden mit einer seligen Erinnerung aus dem Labor verabschieden, mit dem Körperbild des Glücks: Es, und nur es, färbt den ganzen Leib, vom Haaransatz bis zu den Zehenspitzen, gelb und rot.

Wenn dem Standardmodell die Stunde schlüge.

aus Die Presse, Wien, 29. 12. 2013
 
Jochen Schieck: 

"Wir tappen im wahrsten Sinn im Dunkel"

2013 war das Jahr, in dem das lange gesuchte Higgs-Teilchen nachgewiesen wurde. Jochen Schieck, neuer Direktor des ÖAW-Instituts für Hochenergiephysik, erklärt, was das bedeutet - und wie es in der Teilchenphysik weitergeht.

von Martin Kugler und Thomas Kramar

In der Physik war 2013 das Jahr des Higgs-Bosons: Laut den CERN-Daten existiert es mit hoher Wahrscheinlichkeit, auch der Nobelpreis ging an die Pioniere dieses Themas. Ist nun alles klar?

Jochen Schieck: Nur fünf Prozent sind klar! Wir wissen aus astrophysikalischen Messungen, dass die Energie und Materie in unserem Universum nur zu circa fünf Prozent aus der Materie besteht, die wir mit dem Standardmodell der Teilchenphysik, zu dem das Higgs gehört, beschreiben können. Der Rest ist dunkel: Dunkle Energie und Dunkle Materie. Da tappen wir noch im wahrsten Sinne des Wortes im Dunkeln. Das werden die ganz großen Aufgaben der Zukunft sein: zu verstehen, was eigentlich die restlichen 95 Prozent sind.

Jetzt haben wir also das letzte Teilchen, das noch im Standardmodell gefehlt hat. Auf Theorien, die darüber hinausgehen – Supersymmetrie, Superstrings etc. – können sich die Theoretiker nicht einigen. Soll man trotzdem weitersuchen?

Selbstverständlich! Das sind alles Theorien. „Grau mein Freund ist alle Theorie, und grün des Lebens goldner Baum“, heißt es im „Faust“. Wir müssen weitermachen, denn nur mit Experimenten können wir die Theorien darauf testen, ob diese auch wirklich fähig sind, für die ausstehenden Probleme Lösungsansätze zu bieten.

Ist es nicht fast schade, wenn das schöne, runde Standardmodell gesprengt wird?

Nein. Das Standardmodell der Teilchenphysik ist ein großartiger Erfolg, aber wir werden später einmal sehen, dass es nur ein Teil einer größeren, umfassenderen Theorie ist. Wir tasten uns langsam weiter. Es gibt keinen Grund, traurig zu sein, wenn das Standardmodell gesprengt wird. Im Gegenteil: Dann haben wir einen Ansatz, wie es weitergeht.

Wird der experimentelle Aufwand nicht zu groß? Und wird die Gesellschaft weiter bereit sein, das zu finanzieren?

Der Large Hadron Collider am CERN wird noch eine Weile unser wichtiges Instrument bleiben. Der experimentelle Aufwand ist groß, sicherlich. Aber ich denke, man muss diese Experimente auch im globalen Kontext sehen. Die Kosten für die Experimente fallen nicht in einem Jahr an und werden auch von der Weltgemeinschaft getragen. An den großen Projekten, wie dem Large Hadron Collider, arbeiten Teilchenphysiker aus der ganzen Welt.

Teilchenphysik ist Grundlagenforschung und meiner festen Überzeugung nach ein essenzieller Bestandteil unserer Kultur. Die Frage nach dem Wohin und dem Woher sind seit jeher Fragen, die sich die Menschheit stellt. Eine moderne Gesellschaft wie die unsere sollte stolz darauf sein, dass wir es uns leisten können, an solchen Fragen zu arbeiten. Im Übrigen: Ich wurde bisher nur sehr selten auf den hohen Aufwand angesprochen. Im Gegenteil: Die Menschen sind sehr froh, etwas über diese Fragen und mögliche Antworten zu erfahren. Die Menschen wissen sehr wohl, wie wichtig Grundlagenforschung für unsere Gesellschaft ist und dass man dafür auch Geld in die Hand nehmen muss.

Um das Higgs-Teilchen wurde eine riesige Propagandamaschinerie aufgebaut – inklusive der sonderbaren Bezeichnung „Gottesteilchen“. Das verstörte viele, die an der Sache interessiert sind. Was denken Sie über diese Art der Vermarktung von Wissenschaft?

Der Ausdruck „Gottesteilchen“ ist sehr unglücklich und weist auch in die falsche Richtung. Außerdem mag ich den Begriff Vermarktung nicht – das passt nicht zu unserer Arbeit, und das machen wir am HEPHY auch nicht. Ich möchte eher die Öffentlichkeitsarbeit in den Blickpunkt bringen, und die liegt mir persönlich sehr am Herzen. Immerhin wird unsere Forschung ausschließlich durch Steuergelder finanziert, der Steuerzahler hat daher ein Anrecht zu erfahren, was damit passiert. Und er will es auch erfahren. Öffentlichkeitsarbeit ist daher ein wichtiger Bestandteil unserer Arbeit.

Recht populär ist auch die Suche nach der Dunklen Materie. Glauben Sie, dass man mit Teilchenbeschleunigern eine Erklärung für sie finden wird?

Ich bin Teilchenphysiker und denke daher, dass die Existenz neuer, bisher unentdeckter Teilchen der vielversprechendste Lösungsansatz für dieses Problem ist. Und wenn es wirklich neue Teilchen sind, dann haben wir auch eine sehr gute Chance, dass wir sie auch in unseren Beschleunigern sehen. Aber es gibt auch Experimente, bei denen ohne Beschleuniger nach der Dunklen Materie gesucht wird. Das ist unsere neue Forschungsrichtung am HEPHY: die direkte Suche nach Dunkler Materie – ohne Beschleuniger.

Auf welche Teilchen würden Sie persönlich setzen?

WIMPs – Weakly Interacting Massive Particles (schwach wechselwirkende massive Teilchen; Anm.): Da habe ich momentan die meisten Aktien. Aber auch hier gilt: Es ist ein theoretisches Modell, das eine Lösung für die Dunkle Materie sein könnte. Es ist sehr gut theoretisch fundiert, aber nur das Experiment kann sagen, ob was dran ist.

Und was denken Sie über die Theorie der Dunklen Energie? Wird man in 20 Jahren noch glauben, dass mindestens zwei Drittel der Energie des Universums so seltsam sind?

Leider gibt es ja keine Theorie, die die Dunkle Energie beschreibt. Ich denke schon, dass wir in 20 Jahren noch glauben, dass zwei Drittel des Energie-Materie-Budgets des Universums aus Dunkler Energie bestehen. Ich hoffe aber noch viel mehr, dass wir verstehen, was eigentlich dahintersteht und dass wir nicht nur wissen, dass es sie gibt.

Was hat Sie eigentlich dazu bewogen, nach Wien zu übersiedeln? Waren es die Arbeitsbedingungen, die geboten werden? Oder die Themen, an denen hier gearbeitet wird?

Beides. Am HEPHY existieren zwei große Arbeitsgruppen, die sich mit den gleichen Themen beschäftigen, an denen ich in den vergangenen Jahren gearbeitet habe. Aber zusätzlich gab es für mich noch die Möglichkeit, eine komplett neue Arbeitsgruppe aufzubauen, die sich mit der direkten Suche nach der Dunklen Materie beschäftigen wird. Das ist eine sehr große Chance: Mit diesen drei Arbeitsgruppen ist das HEPHY exzellent für die Suche nach Physikphänomenen jenseits des Standardmodells aufgestellt. Der Schlüssel für die Beantwortung der offenen Fragen wird in der gemeinsamen Bearbeitung dieser Themen liegen. Ein Experiment allein wird keine schlüssige Antwort liefern können. Wir müssen die Probleme aus allen Blickwinkeln betrachten.

Sie haben lange Zeit in München gearbeitet: Wie wird die österreichische Physik eigentlich im Ausland wahrgenommen?

Ich kann hier nur für die Teilchenphysik sprechen. Als kleines Land ist klar, dass man nicht alles machen kann. Man kann allerdings Schwerpunkte setzen und versuchen, darin führend zu sein. Das ist dem HEPHY gelungen. In Japan etwa entsteht gerade ein neues Experiment, das ebenfalls von einer internationalen Kollaboration aufgebaut wird. Ein zentraler Baustein dieses Experiments wird unter Federführung des HEPHY geplant und gebaut. Ich denke, das sagt viel über den Stellenwert unseres Instituts unter den Kollegen. Und 2015 wird die Teilchenphysikwelt auf Österreich schauen! Die größte Teilchenphysikkonferenz des Jahres wird im Sommer 2015 in Wien stattfinden. Das ist eine tolle Sache!

Es gibt seit vielen Jahren Ausbaupläne für das HEPHY inklusive eines Zusammenrückens mit dem Atominstitut und anderen Instituten: Wie ist der Stand der Dinge?

Es gibt inzwischen sehr detailliert ausgearbeitete Pläne und ich hoffe, dass wir in der ersten Hälfte des nächsten Jahres ein „go“ bekommen. Das wäre super und ein wichtiger Schritt für die Teilchenphysik in Wien.

Lernender Computer.

 

aus New York Times, 29. 12. 2013                                      Kwabena Boahen holding a biologically inspired processor...

Brainlike Computers, Learning From Experience

By JOHN MARKOFF 

PALO ALTO, Calif. — Computers have entered the age when they are able to learn from their own mistakes, a development that is about to turn the digital world on its head.

The first commercial version of the new kind of computer chip is scheduled to be released in 2014. Not only can it automate tasks that now require painstaking programming — for example, moving a robot’s arm smoothly and efficiently — but it can also sidestep and even tolerate errors, potentially making the term “computer crash” obsolete.

The new computing approach, already in use by some large technology companies, is based on the biological nervous system, specifically on how neurons react to stimuli and connect with other neurons to interpret information. It allows computers to absorb new information while carrying out a task, and adjust what they do based on the changing signals.

In coming years, the approach will make possible a new generation of artificial intelligence systems that will perform some functions that humans do with ease: see, speak, listen, navigate, manipulate and control. That can hold enormous consequences for tasks like facial and speech recognition, navigation and planning, which are still in elementary stages and rely heavily on human programming.

Designers say the computing style can clear the way for robots that can safely walk and drive in the physical world, though a thinking or conscious computer, a staple of science fiction, is still far off on the digital horizon.

“We’re moving from engineering computing systems to something that has many of the characteristics of biological computing,” said Larry Smarr, an astrophysicist who directs the California Institute for Telecommunications and Information Technology, one of many research centers devoted to developing these new kinds of computer circuits.

Conventional computers are limited by what they have been programmed to do. Computer vision systems, for example, only “recognize” objects that can be identified by the statistics-oriented algorithms programmed into them. An algorithm is like a recipe, a set of step-by-step instructions to perform a calculation.

But last year, Google researchers were able to get a machine-learning algorithm, known as a neural network, to perform an identification task without supervision. The network scanned a database of 10 million images, and in doing so trained itself to recognize cats.

In June, the company said it had used those neural network techniques to develop a new search service to help customers find specific photos more accurately.

The new approach, used in both hardware and software, is being driven by the explosion of scientific knowledge about the brain. Kwabena Boahen, a computer scientist who leads Stanford’s Brains in Silicon research program, said that is also its limitation, as scientists are far from fully understanding how brains function.

“We have no clue,” he said. “I’m an engineer, and I build things. There are these highfalutin theories, but give me one that will let me build something.”

Until now, the design of computers was dictated by ideas originated by the mathematician John von Neumann about 65 years ago. Microprocessors perform operations at lightning speed, following instructions programmed using long strings of 1s and 0s. They generally store that information separately in what is known, colloquially, as memory, either in the processor itself, in adjacent storage chips or in higher capacity magnetic disk drives.

The data — for instance, temperatures for a climate model or letters for word processing — are shuttled in and out of the processor’s short-term memory while the computer carries out the programmed action. The result is then moved to its main memory.

The new processors consist of electronic components that can be connected by wires that mimic biological synapses. Because they are based on large groups of neuron-like elements, they are known as neuromorphic processors, a term credited to the California Institute of Technology physicist Carver Mead, who pioneered the concept in the late 1980s.

They are not “programmed.” Rather the connections between the circuits are “weighted” according to correlations in data that the processor has already “learned.” Those weights are then altered as data flows in to the chip, causing them to change their values and to “spike.” That generates a signal that travels to other components and, in reaction, changes the neural network, in essence programming the next actions much the same way that information alters human thoughts and actions.

“Instead of bringing data to computation as we do today, we can now bring computation to data,” said Dharmendra Modha, an I.B.M. computer scientist who leads the company’s cognitive computing research effort. “Sensors become the computer, and it opens up a new way to use computer chips that can be everywhere.”

The new computers, which are still based on silicon chips, will not replace today’s computers, but will augment them, at least for now. Many computer designers see them as coprocessors, meaning they can work in tandem with other circuits that can be embedded in smartphones and in the giant centralized computers that make up the cloud. Modern computers already consist of a variety of coprocessors that perform specialized tasks, like producing graphics on your cellphone and converting visual, audio and other data for your laptop.

One great advantage of the new approach is its ability to tolerate glitches. Traditional computers are precise, but they cannot work around the failure of even a single transistor. With the biological designs, the algorithms are ever changing, allowing the system to continuously adapt and work around failures to complete tasks.

Traditional computers are also remarkably energy inefficient, especially when compared to actual brains, which the new neurons are built to mimic.

I.B.M. announced last year that it had built a supercomputer simulation of the brain that encompassed roughly 10 billion neurons — more than 10 percent of a human brain. It ran about 1,500 times more slowly than an actual brain. Further, it required several megawatts of power, compared with just 20 watts of power used by the biological brain.

Running the program, known as Compass, which attempts to simulate a brain, at the speed of a human brain would require a flow of electricity in a conventional computer that is equivalent to what is needed to power both San Francisco and New York, Dr. Modha said.

I.B.M. and Qualcomm, as well as the Stanford research team, have already designed neuromorphic processors, and Qualcomm has said that it is coming out in 2014 with a commercial version, which is expected to be used largely for further development. Moreover, many universities are now focused on this new style of computing. This fall the National Science Foundation financed the Center for Brains, Minds and Machines, a new research center based at the Massachusetts Institute of Technology, with Harvard and Cornell.

The largest class on campus this fall at Stanford was a graduate level machine-learning course covering both statistical and biological approaches, taught by the computer scientist Andrew Ng. More than 760 students enrolled. “That reflects the zeitgeist,” said Terry Sejnowski, a computational neuroscientist at the Salk Institute, who pioneered early biologically inspired algorithms. “Everyone knows there is something big happening, and they’re trying find out what it is.” 

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.


 

Beim Gehirn kommts nicht nur auf die Größe an.

 
aus New York Times, 27. 12. 2013

In the Human Brain, Size Really Isn’t Everything 

There are many things that make humans a unique species, but a couple stand out. One is our mind, the other our brain. 

By CARL ZIMMER

The human mind can carry out cognitive tasks that other animals cannot, like using language, envisioning the distant future and inferring what other people are thinking.

The human brain is exceptional, too. At three pounds, it is gigantic relative to our body size. Our closest living relatives, chimpanzees, have brains that are only a third as big.

Scientists have long suspected that our big brain and powerful mind are intimately connected. Starting about three million years ago, fossils of our ancient relatives record a huge increase in brain size. Once that cranial growth was underway, our forerunners started leaving behind signs of increasingly sophisticated minds, like stone tools and cave paintings.

But scientists have long struggled to understand how a simple increase in size could lead to the evolution of those faculties. Now, two Harvard neuroscientists, Randy L. Buckner and Fenna M. Krienen, have offered a powerful yet simple explanation.

In our smaller-brained ancestors, the researchers argue, neurons were tightly tethered in a relatively simple pattern of connections. When our ancestors’ brains expanded, those tethers ripped apart, enabling our neurons to form new circuits.

Dr. Buckner and Dr. Krienen call their idea the tether hypothesis, and present it in a paper in the December issue of the journal Trends in Cognitive Sciences.

“I think it presents some pretty exciting ideas,” said Chet C. Sherwood, an expert on human brain evolution at George Washington University who was not involved in the research.

Dr. Buckner and Dr. Krienen developed their hypothesis after making detailed maps of the connections in the human brain using f.M.R.I. scanners. When they compared their maps with those of other species’ brains, they saw some striking differences. 

• Bin ich mein Konnektom?

The outer layers of mammal brains are divided into regions called cortices. The visual cortex, for example, occupies the rear of the brain. That is where neurons process signals from the eyes, recognizing edges, shading and other features.

There are cortices for the other senses, too. The sensory cortices relay signals to another set of regions called motor cortices. The motor cortices send out commands. This circuit is good for controlling basic mammal behavior. “You experience something in the world and you respond to it,” Dr. Krienen said.

This relatively simple behavior is reflected in how the neurons are wired. The neurons in one region mostly make short connections to a neighboring region. They carry signals through the brain like a bucket brigade from the sensory cortices to the motor cortices.

The bucket brigade begins to take shape when mammals are still embryos. Different regions of the brain release chemical signals, which attract developing neurons.

“They will tell a neuron, ‘You’re destined to go to the back of the brain and become a visual neuron,’ for example,” Dr. Krienen said.

After mammals are born, their experiences continue to strengthen this wiring. As a mammal sees more of the world, for example, neurons in the visual cortex form more connections to the motor cortices, so that the bucket brigade moves faster and more efficiently.

Human brains are different. As they got bigger, their sensory and motor cortices barely expanded. Instead, it was the regions in between, known as the association cortices, that bloomed.

Our association cortices are crucial for the kinds of thought that we humans excel at. Among other tasks, association cortices are crucial for making decisions, retrieving memories and reflecting on ourselves.

Association cortices are also unusual for their wiring. They are not connected in the relatively simple, bucket-brigade pattern found in other mammal brains. Instead, they link to one another with wild abandon. A map of association cortices looks less like an assembly line and more like the Internet, with each region linked to others near and far.

Dr. Buckner and Dr. Krienen argue that this change occurred because of the way brains develop. In the human brain, some neurons still receive chemical signals that cause them to form a bucket brigade from the sensory cortices to the motor cortices. But because of the brain’s size, some neurons are too far from the signals to follow their commands. “They may have broken off and formed a new circuit,” Dr. Buckner said.

This new wiring may have been crucial to the evolution of the human mind. Our association cortices liberate us from the rapid responses of other mammal brains. These new brain regions can communicate without any input from the outside world, discovering new insights about our environment and ourselves.

Dr. Buckner foresees a number of ways in which the tether hypothesis could be tested. For example, many mammal brains, including chimpanzees’, have yet to be fully mapped. “We’re hoping that in the next 10 or 15 years, that might be possible,” he said.

Dr. Sherwood, the George Washington University expert, praised the hypothesis for being “fairly frugal.” The emergence of the human mind might not have been a result of a vast number of mutations that altered the fine structure of the brain. Instead, a simple increase in the growth of neurons could have untethered them from their evolutionary anchors, creating the opportunity for the human mind to emerge. 

 

Ist das Altern vermeidlich?

aus Der Standard, Wien, 21.12.2013

Forscher machen alte Mäusekörper jung

Möglicher Durchbruch im Kampf gegen das Altern: Die im Mäuseversuch getestete Substanz war so erfolgreich, dass sie bald auch am Menschen erprobt werden soll

von Klaus Taschwer, 

London/Wien - Altern ist, wie so vieles andere im Leben, auch eine Frage der Kommunikation. Ein internationales Forscherteam hat nun einen entscheidenden Signalweg innerhalb der Zellen entschlüsselt, der mit dem Alter schlechter wird. Doch nicht allein das: Sie haben an Mäusen einen Wirkstoff getestet, der diese Kommunikation in den Zellen wieder schlagartig verbessern kann.

Konkret geht es um einen Signalweg zwischen den Mitochondrien, den Kraftwerken der Zelle, und dem Zellkern. Im Laufe der Zeit nimmt eine bestimmte Form der Kommunikation zwischen diesen Bereichen ab - was zur Zellalterung führt, unter anderem zu Muskelgewebsschwund und Entzündungen.

Eine Schlüsselrolle kommt dabei einem Molekül zu, das den komplizierten Namen Nicotinamidadenindinukleotid trägt, eigentlich Nicotinamid-Adenin-Dinukleotid (kurz NAD). Sinkt die Menge von NAD in Zellen ab, verschlechtert sich die Kommunikation zwischen Zellkern und Mitochondrien. Und das bedeutet nichts anderes, als alt zu werden.

Das Team um Harvard-Forscher David Sinclair wollte diesen NAD-Signalweg bei alten Mäusen wieder "verjüngen". Sie injizierten zwei Jahre alten Mäusen - das entspricht in etwa 60-jährigen Menschen - eine Woche lang zweimal täglich eine Substanz namens Nicotinamidadeninmononukleotid (kurz NMD), vor der man weiß, dass sie die Produktion von NAD ankurbelt.

Das Resultat war erstaunlich: Die Mäuse zeigten bei den spezifischen Altersmarkern für Muskelgewebe und Entzündungen plötzlich Werte von sechs Monate alten Tieren. Auf den Menschen umgelegt würde das eine "Verjüngung" von sechzig auf zwanzig Jahre bedeuten.

Die im Fachblatt "Cell" publizierten Versuche waren so Erfolg versprechend, dass daran gedacht ist, die Substanz möglichst bald auch beim Menschen zu testen. Mit dem Beginn klinischer Erprobungen sei spätestens 2015 zu rechnen, da NMD eine natürlich vorkommende Substanz ist und wenig Nebenwirkungen haben sollte.

Ko-Autor Nigel Turner sieht im Interview mit der britischen Tageszeitung The Guardian jedenfalls ein großes Potenzial für den Ansatz, zumal der Signalweg auch bei Krankheiten wie Demenz, Krebs oder Diabetes bedeutsam ist. Das Ziel der Forschung sei es im Übrigen nicht, dass Menschen 200 Jahre alt werden, sondern dass sie länger gesund bleiben.

Dass die "Wunderpille" so bald auf dem Markt kommen wird, glaubt er indes nicht: Im Moment käme eine Tagesration NMD für Menschen auf umgerechnet rund 40.000 Euro.

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Abstract
Cell: "Declining NAD⁺ Induces a Pseudohypoxic State Disrupting Nuclear-Mitochondrial Communication during Aging"

Am Grund der Welt.

aus NZZ, 24. 12. 2013                                                   Bild: Dt. Botschaft in Pakistan, Brunnenloch

Warum die Welt so ist, wie sie ist
Auf der Suche nach einer «letzten» Theorie stehen Physiker vor dem Nichts 

von Eduard Kaeser 

Physiker tun sich schwer damit, unser Universum als Resultat göttlicher Fügung zu begreifen. Lieber postulieren sie, unsere Welt sei nur eine von vielen. Dem Anspruch, kausale Erklärungen zu liefern, werden sie damit aber auch nicht gerecht.

Die Idee, dass das Universum nach dem Entwurf eines Demiurgen geschaffen worden ist, gehört nach herkömmlichem Selbstverständnis der Physik in den Abfallkübel der Geschichte. Man sollte allerdings nicht vergessen, dass sich die Pioniere der neuen Astronomie und Physik intensiv mit der Frage einer «Weltharmonik» abgaben (so hiess Keplers astronomisches Werk, das 1619 publiziert wurde). Und bis Einstein und über ihn hinaus bewegt die Physiker diese tiefe Irritation einer kosmischen Ordnung, die zu erhaben ist, als dass wir sie begreifen könnten. Das schmälerte im Übrigen die Erkenntnisfortschritte der Physik in den letzten drei Jahrhunderten keineswegs. Aber bei aller Betonung und Hochschätzung von Exaktheit, Experiment und Empirie hört man von Physikern immer wieder, dass ihr heimliches Motiv die Suche nach Schönheit und Sinn des Universums sei. Fast scheint es, als sei diese «Schönheit» für viele Physiker eine Art von Religionsersatz geworden.

Was wäre, wenn nicht?

Der Gedanke einer «Harmonie» des Universums mag religiösen Ursprungs sein. Aber man kann auf ihn auch anhand einer kleinen Meditation mit Wahrscheinlichkeiten kommen. Ich nenne sie das «Was-wäre-wenn-nicht-Spiel». Es ist hübsch tückisch. Man beginnt es am besten bei sich selber: Warum gibt es mich? Meine Existenz verdanke ich meinen Eltern. Wenn es sie nicht gäbe, gäbe es auch mich nicht; auch nicht, wenn sie sich nicht zu einem günstigen Zeitpunkt getroffen und Gefallen aneinander gefunden hätten; womöglich auch nicht, wenn ihre Eltern nicht in derselben Stadt gewohnt hätten; auch nicht . . . und so weiter. - Ich kann das Spiel mit allen diesen sich verästelnden Zufällen bis zum existenziellen Schwindelanfall treiben. Auch die Physiker spielen dieses Spiel, allerdings im kosmischen Format.

Alles nur Zufall?

In den letzten Jahrzehnten hat sich dank leistungsfähiger Beobachtungstechnologie nicht nur eine enorme Menge von Daten über das frühe Universum angehäuft, immer mehr wird den Physikern auch bewusst, wie viele günstige Zufälle dazu beigetragen haben, dass es uns überhaupt gibt. Nicht wenige Menschen sehen darin einen Beweis dafür, dass wir von Anfang an «geplant» waren. Aber das ist ein logischer Fehlschluss von der Konsequenz auf die Prämisse.

Physikalische Erklärungen benötigen zweierlei: Gesetze und Anfangs- oder Randbedingungen. Im Labor legt der Experimentator diese Bedingungen selber fest. Wenn ich eine Kugel die Fallrinne hinunterrollen lasse, kann ich dank Fallgesetz bei Kenntnis der wesentlichen Parameter (Neigung der Rinne, Rollreibung usw.) zum Beispiel von der Endgeschwindigkeit der Kugel auf ihre Anfangsgeschwindigkeit schliessen. Das gelingt umso weniger, je mehr Parameter und zufällige Bedingungen am Prozess beteiligt sind. Dann wird das Experiment immer mehr zu einer verwickelten Geschichte, deren Ausgang sich nicht mehr stringent mit ihrem Beginn verknüpfen lässt. So gibt es ja in der Geschichte vom Urknall bis zur Entstehung von Galaxien keine Experimentatoren, und doch müssen zahlreiche zufällige Bedingungen erfüllt sein, damit galaktische Strukturen entstehen: eine sogenannte Feinabstimmung.

Urknall-Modelle schreiben dem Anfangszustand des Universums eine bestimmte Energiedichte und Expansionsrate zu. Wenn nicht schon am Ursprung des Universums ein ganz bestimmtes Verhältnis von Energiedichte und Expansionsrate bestanden hätte, gäbe es keine Galaxien, Sterne und Physiker, die über dieses Verhältnis rätseln.

Was-wäre-wenn-nicht-Fragen richten sich nicht nur auf Anfangsbedingungen, sondern auch auf die Naturkonstanten: etwa Elektronen- und Protonenmasse, Gravitationskonstante, Feinstrukturkonstante, Vakuumlichtgeschwindigkeit, Wirkungsquantum. So sind etwa die Massenverhältnisse der Teilchen innerhalb eines Atoms und die Kräfte, die sie zusammenhalten, genau so abgestimmt, dass das Atom stabil ist und trotzdem mit anderen Atomen interagieren und chemische Verbindungen bilden kann. Nur schon eine geringfügige Änderung ihres Wertes hätte dramatische Folgen: Leben, wie wir es kennen, wäre nicht möglich. Also sind auch Naturkonstanten das Resultat einer primordialen Feinabstimmung.

Viele Physiker schauen jedoch Was-wäre-wenn-nicht-Szenarios scheelen Auges an. Denn Feinabstimmung erklärt eigentlich nichts, sondern schafft bloss weiteren Erklärungsbedarf. Physiker verlangen Erklärungen nach dem Kausalitätsprinzip. Die Frage ist freilich, ob wir denn hier noch mit kausalen Antworten rechnen können.

Argumente für die Feinabstimmung haben etwas Selbstschmeichlerisches. Unsere Fragen entspringen ja dem Bewusstsein, dass es uns gibt, und damit einer aussergewöhnlichen Position. Aber ist sie denn so aussergewöhnlich? Das kosmologische Prinzip besagt doch, dass es im Universum keine privilegierte Position gibt. Man könnte sagen: Nun gut, es braucht ganz bestimmte Anfangsbedingungen dafür, dass ein Universum wie das unsere entsteht. Sie sind nicht wahrscheinlicher als andere. Also gibt es eigentlich nichts zu erklären. Das Universum ist einfach so, wie es ist. Punkt. Aber Leben ist nun einmal etwas ganz Besonderes, nicht nur von einem menschlichen Standpunkt aus gesehen, sondern allein schon aufgrund seiner Komplexität. Ein Krakenhirn ist komplexer als eine leblose Galaxie, also weniger wahrscheinlich. Das genügt, um es als erklärungswürdig anzuschauen.

Aber gibt es denn nicht Kraken und Galaxien, wirft der kritische Laie ein, was bedeutet also die Rede von «weniger wahrscheinlichen» Krakenhirnen? Sie bedeutet allgemein, dass wir eine statistische Betrachtungsweise wählen. Im Besonderen heisst dies, dass die Physiker nicht von der Idee eines Universums ausgehen, sondern von einer grossen Gesamtheit verschiedener, nicht interagierender Universen, jedes mit speziellen Anfangsbedingungen, Gesetzen und Konstanten: einem Multiversum. Unser Universum mit Krakenhirnen wäre darin ein ziemlich unwahrscheinliches. Bei genügend grosser Zahl jedoch wird auch das Unwahrscheinliche wahrscheinlich.

Nach wie vor ist das keine befriedigende Antwort, sondern mutet wie ein Ad-hoc-Manöver an. Denn immer noch stellt sich die Frage: Was oder wer hat gerade unser Universum «ausgewählt»? Unbekannte Gesetze des Multiversums? Zufall? Eine kosmische Intelligenz? Die Kosmologie erreicht hier eine Schwelle, jenseits deren nicht wenige Physiker nur noch eine Spielwiese frivoler Phantastereien erblicken.

Fluktuationen des Vakuums

Und wie steht es mit dem Urknall selbst? Warum gab es gerade diesen, warum gab es ihn überhaupt? Hier stehen die Physiker vor dem Nichts - buchstäblich. Dem klassischen Kausalitätsdenken widerspricht der Gedanke, dass das Universum einfach so «aufpoppt». Für die Quantentheorie bedeutet er hingegen keinen Widerspruch. Sie stellt sich unter dem Nichts einen Grundzustand vor, welcher das Potenzial hat, Teilchen in die Existenz zu entlassen. Entscheidend ist die statistische Denkweise. Den Schlüssel liefert die Heisenbergsche Unschärferelation. Sie besagt grob, dass alle physikalischen Quantitäten «fluktuieren», das heisst sich unvorhersehbar und unverursacht ändern können. Ein statistisches Nichts ist damit nur im Mittel nichts. Deshalb kann in sehr kleinen Zeit- und Raumquanten - in der sogenannten Planck-Zeit und Planck-Länge - eigentlich alles Mögliche wirklich werden: einfach «passieren».

Wenn man nun im Besitze einer lang ersehnten Quantengravitationstheorie wäre, dann läge auch die Erklärung für die Entstehung von Raum und Zeit in Reichweite. Die physikalischen Gesetze würden erlauben, dass Raum, Zeit, Energie, dass das ganze Universum als zufällige Blähung einer Quanten-Fluktuation dem Nichts entspringt. Der Kosmologe Alan Guth, der vor 30 Jahren das Szenario eines «inflationären» Universums entwarf, prägte dafür ein geflügeltes Bonmot: «The Universe is a free lunch» - das Universum ist umsonst zu haben, weil es aus nichts entsteht.

Das Dilemma ist: Wenn das Nichts etwas erklären soll, dann muss es irgendwie qualifiziert (also etwas) sein; und wenn es qualifiziert ist, dann ist das Nichts nicht nichts. Das Quantenvakuum ist eine Antwort auf die Frage nach dem Ursprung des Universums und zugleich eine weitere Frage nach der Natur dieses Vakuums. Wer das Entstehen des Universums aus dem Nichts zu erklären sucht, braucht zumindest Gesetze, seien dies nun die Gesetze der künftigen Quantengravitation oder welcher Theorie auch immer. Aber selbst wenn wir im Besitz einer «letzten» Theorie wären, die erklärt, wie das Universum entstanden ist, wüssten wir immer noch nicht, warum dies so geschah. Wir brauchten Anfangs- oder Randbedingungen.

Für Newton war noch ganz selbstverständlich, dass er zwar die Gesetze der Natur gefunden hatte, die Anfangsbedingungen aber von Gott festgelegt worden waren. Alan Turing drückte das in seinen «Messages from an Unseen World» wunderschön so aus: Wissenschaft, das sind Differenzialgleichungen. Religion, das sind Randbedingungen. Eine «letzte» Theorie des Universums, die keine Feinabstimmung mehr braucht, müsste sowohl Differenzialgleichungen aufstellen wie auch die Randbedingungen festlegen, das heisst im Grunde selbsterklärend sein, will sagen: Gott spielen. Damit bleibt für den Physiker die Option: Gott spielen oder weitermachen im unabschliessbaren Reigen des Fragens und Antwortens - ein Erbe von Sisyphus?