Menschen sind die einzige lebende Homininenart, ein Stamm von Menschenaffen, zu dem auch unsere kleineren, stämmigeren, stärkeren – und ausgestorbenen – Cousins, die Neandertaler, gehören. Diese prähistorischen Verwandten stammen aus Europa, kolonisierten Asien und waren fast 250.000 Jahre lang erfolgreich. Aber innerhalb von 10.000 Jahren nach dem Erscheinen der „anatomisch modernen Menschen“ in Eurasien, nach unserer letzten Auswanderung aus Afrika vor über 50.000 Jahren, waren die Neandertaler verschwunden.
Während die Ursache des Aussterbens umstritten bleibt, glauben viele Wissenschaftler, dass unsere Vorfahren die Neandertaler übertroffen haben, indem sie klüger waren. Archäologische Beweise sagen uns, dass wir Bestattungsrituale, Höhlenkunst und Werkzeuge hatten, die alles übertrafen, was von den Neandertalern geschaffen wurde – alles dank der Fähigkeit zur Innovation. „Wir könnten neuartige Probleme besser lösen“, sagt Prof. Fred Coolidge, Psychologe an der University of Colorado, Colorado Springs, und Co-Autor von How To Think Like A Neandertal .
Leider können wir nicht in die Vergangenheit reisen, um die Neandertaler zu treffen und herauszufinden, was sie zum Ticken gebracht hat. Aber neue Labortechniken ermöglichen es uns, das bisher Unvorstellbare zu tun:den Geist des Neandertalers im Labor nachzubilden. Und es könnte uns die bisher beste Chance geben, herauszufinden, warum Homo sapiens während Homo neanderthalensis überlebte ausgestorben.
Der soziale Affe
Die führende Theorie dafür, warum die natürliche Selektion Intelligenz begünstigt hat, ist die Hypothese des „sozialen Gehirns“:Intelligent zu sein ist eine Anpassung an den Umgang mit den komplexen Interaktionen, die mit dem Leben in Gruppen verbunden sind. Menschen verwalten beispielsweise 150-200 Personen, während die durchschnittliche Gruppengröße bei Schimpansen bei 50 liegt. Diese Zahl kann sich verdoppeln, aber Spannungen führen bald dazu, dass sich die Schimpansen-Truppe auflöst. „Neandertaler konnten keine Gruppen von mehr als 20 bis 30 Personen bewältigen“, sagt Coolidge. Mehr Beziehungen erfordern mehr Gehirnleistung, und bei Säugetieren korreliert die Größe einer sozialen Gruppe mit der Größe der Großhirnrinde – der gefalteten äußeren Schichten des Gehirns, die an höheren Denkprozessen wie Sprache und Entscheidungsfindung beteiligt sind.
Größere Gruppen ermöglichten die Verbreitung von Ideen. „Wir sind in der Lage, zusammenzuarbeiten, zu kooperieren und Technologien auszutauschen, wie es keine andere Spezies getan hat“, sagt Dr. Alysson Muotri von der University of California, San Diego. „Ein Teil davon ist auf die Fähigkeit zurückzuführen, untereinander zu kommunizieren und zu interagieren – und das meiste davon scheint sich von der Vorderseite des Kortex entwickelt zu haben.“
Um mehr über die Gehirne moderner Menschen und Neandertaler herauszufinden, züchtet Muotri organähnliche Strukturen aus Zellen des frontalen Cortex. Könnten diese Organoide oder „Mini-Gehirne“ helfen zu erklären, was Menschen einzigartig macht?
Neue Genetik, alte DNA
Die Züchtung von Organoiden auf der Grundlage einer ausgestorbenen Art ist möglich durch Durchbrüche bei mehreren Techniken:Generierung von Stammzellen, Extraktion von DNA aus versteinerten Knochen und Genbearbeitung. Muotri stellt Organoide durch einen Prozess her, den er „Neanderthalisierung“ nennt. Hier bearbeitet er Gene in menschlichen Zellen, ersetzt einen DNA-Buchstaben durch einen anderen – die genetische Variante, die von Neandertalern getragen wird – und veranlasst diese Zellen dann, sich zu erbsengroßen Kugeln aus Kortexgewebe zu entwickeln. Die Neandertaler-Variante wird identifiziert, indem menschliche DNA mit dem Neandertaler-Genom verglichen wird, das erstmals 2010 von einem Team unter der Leitung von Prof. Svante Pääbo vom Max-Planck-Institut für evolutionäre Anthropologie in Leipzig, Deutschland, sequenziert wurde. Übrigens stellt Pääbos Labor auch Neandertaler-Organoide her.
Eines der ersten von Muotri bearbeiteten menschlichen Gene ist NOVA1, ein „Hauptregulator“, der ein Protein kodiert, das steuert, wann andere Gene ein- oder ausgeschaltet werden. Es ist bekannt, dass NOVA1 an der frühen Entwicklung des Gehirns beteiligt ist, da seine Mutationen mit Autismus und Schizophrenie in Verbindung stehen. Wenn Organoide mit der Neandertaler-Variante von NOVA1 reifen, entwickeln sie Defekte in den synaptischen Verbindungen zwischen Zellen und bringen ihre neuronalen Netzwerke durcheinander. Neandertalisierte Zellen innerhalb des Balls wandern auch auf eine Weise, die am Ende zu einer unerwarteten zusätzlichen Faltung führt, sagt Muotri. „Sie sehen aus wie Popcorn.“
Einige Wissenschaftler sind jedoch skeptisch, dass Organoide viel über unsere ausgestorbenen Cousins enthüllen werden. „Menschliches Verhalten, und ich schließe Neandertaler ein, wird von viel mehr als nur dem Kortex beeinflusst“, sagt Coolidge, der darauf hinweist, dass viele tägliche Aktivitäten wie Gehen und Sprechen mit dem „prozeduralen Gedächtnis“ verbunden sind. Dies beinhaltet unbewusste Prozesse, die in Regionen unterhalb des Kortex ablaufen, wie dem Kleinhirn, das für die Bewegungskoordination verantwortlich ist und auch mit Autismus in Verbindung gebracht wird.
Muotri erkennt die Grenzen der alleinigen Untersuchung des Kortex an und hofft, ein echtes Mini-Gehirn oder „zerebrales Organoid“ züchten zu können. „Vielleicht lernen wir in Zukunft, wie man alle Gehirnregionen herstellt und zusammenfügt“, sagt er. Die Bearbeitung eines einzelnen Gens – NOVA1 – erzeugt technisch „teilweise Neandertaler“-Zellen, also arbeitet er jetzt daran, ein „vollständig Neandertaler“-Organoid herzustellen, das das Ersetzen von DNA-Buchstaben in Tausenden von Genen erfordert. „Wir ersetzen Teile des gesamten Chromosoms in diesen Zellen.“
Das beste Modell, um das menschliche Gehirn zu untersuchen, ist ein lebender Mensch, aber die Gesellschaft hält solche Experimente für unethisch, daher verwenden Wissenschaftler Ersatzstoffe – von ein paar Zellen in einer Petrischale bis hin zur Transplantation von Gewebe auf ein Mausgehirn. Wo also liegen Mini-Gehirne auf der ethischen Skala? Laut Prof. Hank Greely, einem Bioethiker an der Stanford Law School, sind sie derzeit zu klein und einfach, um Anlass zur Sorge zu geben. „Wenn Organoide größer und komplizierter werden, dann denke ich, dass Sie sich viel näher darum kümmern müssen, was in der Schale ist.“
Unabhängig davon, welches Surrogat als Modell für ein lebendes Gehirn verwendet wird – Mensch oder Neandertaler –, sagt Greely, die zentrale ethische Frage sei dieselbe:Hätte es Anspruch auf eine Sonderbehandlung? Die Antwort basiert nicht darauf, ob es „Menschenrechte“ verdient, sondern auf Überlegungen, die bereits für Labortiere gelten, wie die Fähigkeit, Schmerz zu empfinden (wie durch charakteristische Muster neuronaler Aktivität erkannt). Solche Barrieren würden Wissenschaftler wahrscheinlich daran hindern, Mini-Gehirne zu erschaffen, die bewusstseinsfähig sind oder empfindungsfähig werden.
Aber selbst wenn technische Hürden überwunden werden können und die Forschung von einem ethischen Prüfgremium bestanden wird, bietet das Züchten eines ganzen Neandertaler-Gehirns möglicherweise nicht genügend Einblick in das Leben unserer ausgestorbenen Verwandten, da es schwierig wäre, die Verhaltensauswirkungen eines Neandertalers zu verstehen -menschliche DNA-Unterschiede in einem Gehirn, das von seiner Umgebung isoliert ist. Wenn also das Ziel darin besteht, den Geist des Neandertalers zu verstehen, warum lässt man dann nicht auch einen ganzen Körper durch Klonen wachsen?
Das Klonen eines Neandertalers wurde vom renommierten Genetiker Prof. George Church vorgeschlagen. Es würde eine umfangreiche Genbearbeitung erfordern, um einen vollständig Neandertaler-Embryo zu erzeugen, der einer menschlichen Mutter implantiert wird. Ein strampelndes und schreiendes Neandertaler-Baby ins 21. Jahrhundert zu bringen, bedeutet die Auslöschung der Spezies, und Greely sagt, dass die ethischen Implikationen tiefer gehen, da er vermutet, dass die Menschen nicht zivilisiert genug wären, um Klone mit Respekt zu behandeln, was teilweise auf Rassismus zurückzuführen ist, der durch illustriert wird das veraltete Klischee vom „dummen Höhlenmenschen“. „Selbst wenn wir dieses Image nicht hätten, würde das bloße Wissen, dass sie nicht vollständig menschlich sind, zu Diskriminierung führen“, sagt er.
Mentale Kompromisse
Die Ansichten über unsere ausgestorbenen Verwandten haben sich in letzter Zeit geändert. Während diese Verschiebung durch archäologische Funde erklärt werden kann, die eine höher entwickelte Neandertaler-Kultur zeigen als früher angenommen, ist die zynische Erklärung, dass die Verschiebung erst stattgefunden hat, seit die heutigen Europäer entdeckt haben, dass es zu einer Vermischung zwischen den beiden Arten gekommen ist. Heute tragen Nicht-Afrikaner etwa 2 Prozent Neandertaler-DNA in sich.
Das Vermächtnis der Paarung ist immer noch in unserer Anatomie zu hören. „Sogar die kleinen Echos der Neandertaler-DNA, die wir alle in uns tragen, sind bei modernen Menschen sehr aktiv“, sagt Dr. Karen Berman, Leiterin der Abteilung für Neuroimaging am US National Institute of Mental Health. Im Jahr 2017 führten Berman und ihr Kollege Dr. Michael Gregory MRT-Scans an 221 gesunden Menschen durch, um 3D-Modelle ihrer Köpfe zu erstellen. Die Arbeit ergab, dass Menschen mit einer größeren Anzahl alter genetischer Varianten – einem höheren „NeanderScore“ – Schädelformen haben, die eher unseren ausgestorbenen Cousins ähneln, deren Schädel hinten verlängert waren. (Obwohl wir Größe mit Intelligenz assoziieren, war das Gehirn des Neandertalers tatsächlich 10 Prozent größer.)
Nach der Sequenzierung der DNA aus den Blutproben der Teilnehmer fanden Berman und Gregory heraus, dass ein höherer NeanderScore auch bedeutete, dass der Kortex mehr graue Substanz (Gehirnzellen) und weiße Substanz (hauptsächlich verzweigte Fasern von Zellen) hatte. Die Faltung des Kortex war ebenfalls größer und spiegelte Muotris popcornähnliche Organoide wider. Die am stärksten betroffenen Bereiche befanden sich unter dem Hinterkopf:die Okzipital- und Parietallappen der Großhirnrinde – Regionen, die an der Verarbeitung visueller und räumlicher Informationen beteiligt sind.
Das Gehirn verfügt nur über begrenzte Ressourcen, sodass die Zuweisung von mehr zur visuellen und räumlichen Verarbeitung zu Lasten anderer Fähigkeiten geht, was zu einem Kompromiss führt. Diese genetischen Varianten, die beeinflussen, wie die Ressourcen eines Gehirns zugewiesen werden, scheinen den Neandertalern überlegene visuelle und räumliche Fähigkeiten (wahrscheinlich für die Jagd) verliehen zu haben, angetrieben durch den ökologischen Druck, kalorische Nahrung zu finden, um einen energiehungrigen Körper in einem kalten Klima zu versorgen. Bei modernen Menschen hingegen bedeutete der Kompromiss, dass wir mehr Verarbeitungsleistung für soziale Fähigkeiten hatten, was zu unserem evolutionären Erfolg beitrug.
Alte Varianten beeinflussen den Menschen auch heute noch, wie bestimmte psychische Erkrankungen und neurologische Störungen zeigen. Zum Beispiel haben „neurotypische“ Menschen eine Kopie eines Satzes von 25 Genen, die sich auf Chromosom 7 befinden, während eine Person mit der Erkrankung „Dup 7“ eine Duplikation hat, die zwei Kopien jedes Gens erzeugt. Dies verbessert die visuellen und räumlichen Fähigkeiten, macht sie jedoch weniger gesellig – wie bei Autismus. Am anderen Ende des Spektrums resultiert das „Williams-Syndrom“ aus einer Deletion derselben 25 Gene, was zu schlechten visuellen und räumlichen Fähigkeiten, aber Hypersozialität führt, was jemanden mit einem „geselligen Gehirn“ hervorbringt, der den Zwang hat, Gespräche mit ihm aufzunehmen Fremde.
Die Untersuchung der Auswirkungen genetischer Mutationen durch den Vergleich von Organoiden, einschließlich solcher mit alten Varianten, die in Neandertalern gefunden wurden, kann also Einblicke in die Bedingungen geben, die moderne Menschen betreffen. „Dies könnte nicht nur Aufschluss darüber geben, was uns ausmacht und was wir sind, sondern möglicherweise auch den Weg für Behandlungs- und Diagnoseansätze ebnen“, erklärt Berman.
Das ist eigentlich der Hauptgrund, warum Muotri Mini-Gehirne züchtet. Sein Labor enthält Tausende von mutierten Organoiden für verschiedene Krankheiten. Er hat bereits festgestellt, dass „autistische“ Organoide ebenso wie Neandertaler-Strukturen Defekte in ihren neuronalen Netzwerken aufweisen. „Viele Menschen haben den Irrglauben, dass die Untersuchung der Evolution des Gehirns keinen Nutzen für die menschliche Gesundheit bringt“, sagt Muotri, dessen Sohn an Autismus leidet. „Indem wir verstehen, wie sich das soziale Gehirn entwickelt hat, können wir möglicherweise bessere Therapeutika entwickeln.“
„Viele Akademiker glauben, dass unsere Vorfahren die Neandertaler übertroffen haben, weil sie schlauer waren“
Warum werden Mini-Gehirne zur Steuerung von Robotern verwendet?
Der Neurowissenschaftler Alysson Muotri setzt Organoide in vierbeinige, spinnenähnliche Roboter ein. Der Hauptgrund für eine so ungewöhnliche Mind-Machine-Schnittstelle ist, dass sie es dem „Gehirn“ ermöglicht, die Welt um sich herum zu erforschen – über einen künstlichen Körper. „Sie ähneln einem neugeborenen Baby, das versucht, sich daran zu gewöhnen, Dinge zu berühren und andere Empfindungen zu erleben“, erklärt Muotri.
Die elektrische Aktivität steigt mit der Entwicklung eines embryonalen Gehirns an, erreicht jedoch vor der Geburt ein Plateau und benötigt einen externen Input von den Sinnen, damit seine neuronalen Schaltkreise reifen können. In einem Spinnenbot erfassen Elektroden die Aktivität der Zellen des Organoids und teilen die elektrische Leistung zwischen den Gliedmaßen des Roboters auf, die sich dann synchronisieren müssen. „Sehr vereinfacht gesagt ist das genau das, was das menschliche Gehirn tut, wenn ein Baby versucht zu krabbeln oder zu laufen“, sagt Muotri. „Also bringen wir dem Organoid bei, wie man diesen Spinnenroboter laufen lässt, indem wir die Bewegungen der Beine koordinieren.“
Es lernt schon. Das „Gehirn“ kann derzeit seinem Körper sagen, dass er sich vorwärts bewegen soll; Der nächste Schritt besteht darin, ihm beizubringen, rückwärts zu gehen, wenn es auf ein Hindernis trifft, was eine Rückmeldung erfordert, wenn eine Bewegung falsch ist. Dieses Gehirntraining wird auf zwei Arten erreicht. Die erste Methode ist eine Form der „Gedankenkontrolle“ namens Optogenetik, bei der Zellen gentechnisch so verändert werden, dass sie lichtempfindlich sind, sodass ihr Verhalten kontrolliert werden kann. Bei der zweiten Methode werden Zellen mit einer Dosis des Belohnungshormons Dopamin versorgt. Beide Methoden bewirken, dass sich die neuronalen Netzwerke des Organoids neu anordnen, wodurch es sich anpassen kann.
Sobald Organoide lernen können, können sie in Roboterkriegen kämpfen – offensichtlich kein Kampf, sondern ein Geschwindigkeitswettbewerb. Ein Organoid aus Neandertaler-Zellen mit einer NOVA1-Genvariante hat Defekte in den synaptischen Verbindungen zwischen seinen Zellen, die seine neuronalen Netzwerke beeinträchtigen. Würde es sich dadurch im Vergleich zu einem menschlichen Organoid langsamer anpassen? Obwohl spekulativ, könnten die Ergebnisse Hinweise darauf geben, ob unsere menschlichen Vorfahren schneller im Denken waren und ihr Verhalten beeinflussten.
Der Spinnenbot mit seinen mehreren Beinen ermöglicht es Muotris Labor zu beobachten, wie ein einzelnes Organoid die Koordination übernimmt. Ein Folgeexperiment wäre, zu sehen, wie mehrere Organoide mit Kooperation umgehen. Würden sie interagieren, um ein gemeinsames Ziel zu erreichen? Das Design für kooperierende Roboter befindet sich noch in der Planungsphase – es könnte sich um zwei oder drei menschenähnliche Arme handeln, die zusammenarbeiten müssen, um ein Objekt zu heben, oder um Roboterversionen sozialer Insekten wie Ameisen und Bienen. „Das mag wie Science-Fiction klingen“, sagt Muotri, „aber es passiert tatsächlich, und sie haben einen klaren Zweck.“