Schlauer Kopf!

Was benötigt ein Gehirn für eine besonders hohe Leistungsfähigkeit? Wissenschaftler versuchen, das Geheimnis der Intelligenz zu klären. Die Ergebnisse zeigen: Das Rezept für einen schlauen Kopf besteht vermutlich aus Tausenden von Zutaten.

Es war eine außergewöhnliche Leistung, die Wenzel Grüß an diesem Oktobertag des Jahres 2018 vor den Augen von Millionen von Fernsehzuschauern zeigte: Mehr als 50 Mal köpfte der Schüler aus der Kleinstadt Löningen im Oldenburger Münsterland einen Fußball in die Luft, ohne ihn fallenzulassen oder aufzufangen. Dass die Besucher der russischen TV-Show „Amazing People“ ihm danach so begeistert Applaus zollten, lag aber nur am Rande an Wenzels sportlichem Geschick: Er hatte nämlich während des Ballspielchens so ganz nebenbei auch noch die fünfte Potenz der Zahl 67 berechnet – ein neunstelliges Ergebnis, in nur 60 Sekunden.

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Der heute 17-Jährige verfügt über ein ungewöhnliches Rechen-Talent: Er multipliziert, dividiert, zieht in Sekundenschnelle Wurzeln aus 12-stelligen Zahlen – und zwar ohne Stift, Papier oder sonstige Hilfsmittel. Bei der letzten Kopfrechen-Weltmeisterschaft kam Wenzel so auf den dritten Platz. Besonders komplexe Aufgaben könnten ihn auch schon einmal 50 oder 60 Minuten beschäftigen, sagt er – etwa, wenn er eine 20-stellige Zahl in ihre Primfaktoren zerlege. Was ihm dabei helfe? „Das Kurzzeitgedächtnis ist wohl das wichtigste.“

Wenzels Gehirn hat dem Denkorgan normal begabter Zeitgenossen augenscheinlich etwas voraus, zumindest beim Umgang mit Zahlen. Doch warum sind manche Menschen geistig leistungsfähiger als andere? Diese Frage trieb bereits vor 150 Jahren den britischen Naturforscher Francis Galton um. Dabei fiel ihm auf, dass Intelligenz-Unterschiede oft mit der Herkunft zu tun haben. In seinem Werk „Hereditary Genius“ folgerte er daraus, die menschliche Intelligenz sei vererblich.

Er sollte mit dieser These Recht behalten – zumindest zum Teil. Die US-Psychologen Thomas Bouchard und Matthew McGue etwa analysierten 1981 mehr als 100 veröffentlichte Studien zu Familienähnlichkeiten bei der Intelligenz. Einige der Ergebnisse stammten zum Beispiel von eineiigen Zwillingen, die nach der Geburt getrennt worden waren. Trotzdem schnitten sie bei Kognitions-Tests sehr ähnlich ab. Zwillinge, die gemeinsam aufgewachsen waren, glichen sich hinsichtlich ihrer Geistesgaben allerdings noch deutlich mehr. Das Umfeld schien also ebenfalls einen nicht unerheblichen Einfluss zu haben.

Heute gehen Wissenschaftler davon aus, dass Intelligenz zu etwa 50 bis 60 Prozent erblich ist. Anders gesagt: IQ-Unterschiede zwischen zwei Menschen erklären sich gut zur Hälfte aus der DNA-Austattung, die sie von ihren Eltern mitbekommen haben. Doch die Fahndung nach den verantwortlichen Erbgut-Abschnitten verlief bis vor wenigen Jahren ernüchternd. Zwar fand man eine Handvoll Erbanlagen, die augenscheinlich etwas mit Intelligenz zu tun hatten. Beim näheren Hinsehen löste sich dieser Zusammenhang jedoch regelmäßig in Nichts auf. Es war paradox: Einerseits belegten zahllose Studien eine hohe erbliche Komponente der Intelligenz. Andererseits konnte aber niemand genau sagen, welche Gene dafür verantwortlich waren.

In jüngerer Zeit hat sich das Bild ein wenig gewandelt. Das liegt vor allem am technologischen Fortschritt. Der Bauplan jedes einzelnen Menschen ist in seiner DNA gespeichert – einer Art riesigem Lexikon mit rund sechs Milliarden Buchstaben. Leider ist es in einer Sprache verfasst, die uns weitgehend fremd ist: Wir können zwar die Buchstaben lesen, der Sinn der Lexikon-Einträge erschließt sich uns damit aber nicht. Selbst wenn Forscher die gesamte DNA einer Person sequenzieren, wissen sie also nicht, welche Abschnitte davon für seine Geistesgaben verantwortlich sind.

Menschen sind verschieden, und dementsprechend unterscheidet sich auch der Inhalt ihres DNA-Lexikons. Bei Personen mit einem hohen IQ sollten sich aber zumindest die Passagen gleichen, die etwas mit Intelligenz zu tun haben. Und diese Grundannahme macht die Wissenschaft sich heute zunutze: Indem Forscher die DNA vieler Hunderttausend Studienteilnehmer vergleichen, können sie Erbgut-Regionen identifizieren, die zu einer höheren kognitiven Leistungsfähigkeit beitragen.

In den letzten Jahren sind eine ganze Reihe derartiger Studien erschienen. Die Analysen zeigen ein immer klareres Bild: Geistig besonders aufgeweckt zu sein, ist nicht eine Frage einzelner Erbanlagen, sondern von Tausenden verschiedener Gene. Und jedes einzelne von ihnen leistet nur einen winzigen Beitrag zum Phänomen Intelligenz, manchmal nur wenige hundertstel Prozent. „Man schätzt mittlerweile, dass zwei Drittel aller variablen Gene beim Menschen direkt oder indirekt etwas mit der Gehirnentwicklung zu tun haben und damit potenziell auch mit der Intelligenz“, betont Lars Penke, Professor für Biologische Persönlichkeitspsychologie an der Universität Göttingen.

Bleibt noch ein großes Problem: Man kennt nun zwar Tausende von Stellen im DNA-Lexikon, die mit Intelligenz assoziiert sind. Man versteht in vielen Fällen aber immer noch nicht, was diese Passagen bedeuten. Um dieses Rätsel zu lösen, schauen Intelligenz-Forscher zum Beispiel nach, in welchen Zellen die gefundenen Lexikon-Einträge besonders oft abgelesen werden. Denn das bedeutet ja womöglich, dass diese Zellen irgendetwas mit dem Denkvermögen zu tun haben. Immer wieder stoßen die Wissenschaftler dabei auf eine bestimmte Gruppe von Neuronen, die so genannten Pyramidenzellen. Diese wachsen in der Hirnrinde, jener äußeren Schicht von Groß- und Kleinhirn, die in der Fachsprache auch „Cortex“ genannt wird – oder, aufgrund ihrer Farbe, auch „graue Substanz“.

Möglicherweise kommt den Pyramidenzellen bei der Entstehung von Intelligenz eine Schlüsselrolle zu. In diese Richtung deuten zumindest Ergebnisse der Hirnforscherin Natalia Goriounova. Die Professorin der Universität Amsterdam hat unlängst mit einer interessanten Studie Aufsehen erregt: Darin hat sie Pyramidenzellen von Versuchspersonen unterschiedlicher kognitiver Leistungsfähigkeit miteinander verglichen. Die Gewebeproben stammten größtenteils aus Epilepsie-Operationen. In schweren Fällen versuchen Hirnchirurgen, den Herd der gefährlichen Krampfanfälle chirurgisch zu entfernen. Dabei wird immer auch gesundes Hirnmaterial entnommen. Und genau dieses Gewebe hatte Goriounova untersucht.

Sie testete zunächst, wie sich die darin enthaltenen Pyramidenzellen elektrisch verhielten. Dann zerschnitt sie jede von ihnen in hauchdünne Scheiben, fotografierte diese unter dem Mikroskop und setzte sie schließlich am Rechner wieder zu ihrer dreidimensionalen Gestalt zusammen. So konnte sie beispielsweise feststellen, wie lang die Dendriten ihrer Versuchsobjekte waren – das sind die baumartig verzweigten „Mini-Kabel“, mit denen die Zellen elektrische Signale empfangen. „Dabei haben wir einen Zusammenhang zum IQ der Patienten festgestellt“, erklärt Goriounova. „Je länger und stärker verästelt die Dendriten waren, desto intelligenter waren die Personen, aus denen die Zellen stammten.“

Die Wissenschaftlerin hat dafür auch eine ganz einfache Erklärung: Lange, verästelte Dendriten können mehr Kontakte zu anderen Zellen aufbauen; sie bekommen also mehr Input, mit dem sie rechnen können. Dazu komme aber noch ein weiterer Punkt: „Dank ihrer starken Verzweigung können sie in unterschiedlichen Ästen unterschiedliche Informationen verarbeiten“, betont sie. Durch diese Parallelverarbeitung haben die Zellen einfach mehr Rechenpower – „sie sind schneller und leistungsfähiger“, sagt Goriounova.

So überzeugend diese These klingt – wirklich belegt ist sie noch nicht, wie die Hirnforscherin freimütig einräumt. Denn die von ihr untersuchten Gewebeproben stammen größtenteils aus einem sehr begrenzten Areal, einer kleinen Region im sogenannten Schläfenlappen. Der Grund dafür ist einfach: In diesem Gebiet entstehen meist die epileptischen Anfälle; daher finden epilepsiechirurgische Eingriffe in aller Regel dort statt. „Wie es in anderen Hirnregionen aussieht, können wir noch nicht sagen“, betont Goriounova. „Neue, noch nicht publizierte Ergebnisse unserer Gruppe zeigen aber zum Beispiel, dass der Zusammenhang zwischen Dendritenlänge und Intelligenz in der linken Hirnhälfte stärker ist als in der rechten.“

Generalisieren lassen sich die Amsterdamer Ergebnisse also sicher nicht. Zumal es auch Daten gibt, die eine ganz andere Sprache sprechen. Sie stammen von dem Bochumer Biopsychologen Erhan Genç. Er hat sich kürzlich zusammen mit Kollegen ebenfalls angeschaut, wie sich der Aufbau der grauen Substanz zwischen intelligenteren und weniger intelligenten Menschen unterscheidet. Er kam dabei zu dem Schluss, dass eine starke Verzweigung der Dendriten dem Denkvermögen eher schadet als nützt.

Genç sah sich allerdings nicht einzelne Pyramidenzellen an, sondern schob seine Probanden in den Hirnscanner. Eigentlich sind Magnetresonanz-Tomographen schlecht geeignet, feinste Gewebe-Strukturen zu untersuchen – die Bilder, die sie liefern, sind dazu in der Regel einfach nicht scharf genug. Die Bochumer Forscher nutzten daher stattdessen ein spezielles Verfahren, mit dem sich die Diffusionsrichtung des Gewebswassers sichtbar machen lässt. Dendriten bilden für die Flüssigkeit eine Barriere. Aus den Diffusions-Daten lässt sich daher ablesen, in welche Richtung die Dendriten verlaufen, wie stark sie sich verzweigen und wie eng sie nebeneinander liegen. Ergebnis: Bei intelligenteren Menschen sind die Dendriten der einzelnen Nervenzellen nicht so dicht gepackt und dröseln sich weniger stark in dünne „Käbelchen“ auf. Ein Ergebnis also, das den Beobachtungen der Hirnforscherin Natalia Goriounova diametral widerspricht.

Doch brauchen Pyramidenzellen nicht vielfältigen Input, um im Gehirn ihre Aufgaben erfüllen zu können? Wie lässt sich das mit dem beobachteten geringen Verzweigungsgrad der Nervenzellen vereinbaren? Auch Genç hält Vernetzung für wichtig, nur: gezielt müsse sie sein. „Wenn Sie wollen, dass Bäume mehr Früchte geben, schneiden Sie irrelevante Äste ab“, erklärt er. „So ist es auch mit den synaptischen Verbindungen zwischen Neuronen: Wenn wir auf die Welt kommen, haben wir davon sehr viele. Im Laufe des Lebens dünnen wir sie jedoch aus und behalten nur diejenigen, die für uns relevant sind.“

Vermutlich können wir Informationen so effizienter verarbeiten. Es ist wie beim Kopfrechen-Wunder Wenzel Grüß, der beim Lösen einer Aufgabe alles um sich herum ausblendet: Die Verarbeitung irrelevanter Stimuli wäre für ihn in so einem Moment kontraproduktiv. Tatsächlich haben intelligente Menschen eine fokussiertere Gehirnaktivität als weniger intelligente, wenn sie eine schwierige Aufgabe lösen müssen. Zudem verbraucht ihr Denkorgan auch weniger Energie – zwei Beobachtungen, die zur so genannten „Neuralen Effizienz-Hypothese der Intelligenz“ führten: Entscheidend sei nicht, wie hart das Gehirn arbeite, sondern wie wirkungsvoll.

Genç glaubt, dass seine Befunde diese Theorie stützen: „Wenn Sie einen Dschungel von Verbindungen haben, wo jede ihren Senf zur Lösung einer Aufgabe dazu geben kann, dann stört das mehr als dass es hilft“, sagt er. Es ist, als würde man vor dem Kauf eines Fernsehers alle Freunde um Rat fragen, auch die, die sich gar nicht damit auskennen: Wie soll man sich bei so einer Kakophonie der Meinungen überhaupt orientieren? Daher sei es sinnvoll, die Störeinflüsse – das „Rauschen“ – zu unterdrücken, betont der Bochumer Hirnforscher. Bei intelligenten Menschen scheint das besser zu klappen als bei anderen.

Doch wie passt das mit den Befunden der Amsterdamer Gruppe um Natalia Goriounova zusammen? Erhan Genç verweist in diesem Zusammenhang unter anderem auf die völlig unterschiedliche Messmethodik. Anders als die niederländische Forscherin hat er sich schließlich keine einzelnen Zellen unter dem Mikroskop angesehen, sondern die Bewegung der Wassermoleküle im Gewebe gemessen. Auch er betont zudem, dass der Verzweigungsgrad der Pyramidenzellen an unterschiedlichen Stellen des Gehirns durchaus verschieden sein könne. „Wir stehen vor einem Puzzle, bei dem noch viele Teile fehlen.“

Eindeutiger ist die Befundlage dagegen an einem anderen Punkt: Die Dicke der grauen Substanz hat einen maßgeblichen Einfluss auf die kognitive Leistungsfähigkeit – vermutlich deshalb, weil in einer dicken Hirnrinde mehr Neuronen stecken, sie also insgesamt mehr „Rechenpower“ hat. Dieser Zusammenhang ist inzwischen gut belegt; auch Natalia Goriounova hat ihn in ihrer Arbeit wieder bestätigt. Size matters: Das hat schon vor 180 Jahren der deutsche Anatom Friedrich Tiedemann festgestellt. „Zwischen der Größe des Hirns und der Energie der intellektuellen Vermögen waltet unläugbar eine Beziehung ob“, notierte er 1837. Er hatte für seine Volumen-Messungen Schädel von Toten mit trockenen Hirsekörnern gefüllt; moderne Hirnscanner-Messungen bestätigen diese Beziehung jedoch. Schätzungsweise sechs bis neun Prozent der IQ-Unterschiede lassen sich demnach auf Unterschiede in der Hirngröße zurückführen. Und der Dicke der Hirnrinde scheint hierbei die Hauptbedeutung zuzukommen.

Allerdings wirft auch diese Beobachtung Rätsel auf. Sie gilt zwar für Männer und für Frauen gleichermaßen: Bei beiden Geschlechtern geht ein kleineres Gehirn im Mittel mit einer geringeren Intelligenz einher. Andererseits haben Frauen zwar durchschnittlich 150 Gramm weniger Gehirnmasse, schneiden aber in IQ-Tests im Schnitt dennoch genauso gut ab wie Vertreter des starken Geschlechts. „Gleichzeitig ist jedoch auch die Hirnstruktur von Männern und Frauen unterschiedlich“, erklärt Lars Penke von der Universität Göttingen: „Männer haben mehr graues Hirngewebe, also eine etwas dickere Hirnrinde, Frauen dagegen mehr weiße Hirnsubstanz.“

Und auch die ist augenscheinlich für unsere Fähigkeit, Probleme zu lösen, ausgesprochen wichtig. Dabei ist ihre Rolle auf den ersten Blick weit weniger spektakulär als die der grauen Zellen. Die weiße Substanz besteht zum Großteil aus langen Nervenfasern. Sie können elektrische Signale über weite Strecken transportieren, manchmal zehn Zentimeter oder mehr. Damit sie das schaffen, sind sie hervorragend gegenüber ihrer Umgebung isoliert, und zwar durch eine fettreiche Schicht, das Myelin. Diese Myelinscheide ist auch für die weiße Färbung des Gewebes verantwortlich. Sie verhindert Spannungsverluste durch Kurzschlüsse und beschleunigt zudem die Informationsweiterleitung.

Wenn die Pyramidenzellen die Prozessoren des Gehirns sind, stellt die weiße Substanz den Datenbus dar: Dank ihr können auch weit entfernte Hirnzentren miteinander kommunizieren und bei der Lösung eines Problems Hand in Hand arbeiten. Dennoch wurde sie von der Intelligenzforschung lange Zeit ein wenig links liegen gelassen. Dass sich das inzwischen geändert hat, ist auch Lars Penke zu verdanken. Er konnte vor einigen Jahren zeigen, dass bei weniger intelligenten Menschen die weiße Substanz in einem schlechteren Zustand ist: Bei ihnen liegen die einzelnen Leitungen des Datenbusses oft wirr nebeneinander statt ordentlich parallel, die Myelinschicht ist nicht unbedingt im besten Zustand, und hin und wieder kann es sogar zu Kabelbrüchen kommen. „Wenn sich solche Fehler häufen, dann führt das zu einer langsameren Informationsverarbeitung und letztlich dazu, dass die Betroffenen in kognitiven Leistungstests schlechter abschneiden“, erklärt der Persönlichkeitspsychologe. Rund 10 Prozent der IQ-Variationen gehen vermutlich auf das Konto der weißen Substanz.

Doch noch einmal zurück zum Unterschied zwischen den Geschlechtern: In Studien sei festgestellt worden, dass Frauen Denk-Aufgaben zwar genausogut bewältigten wie Männer, dafür aber ganz andere Gehirnareale nutzten, sagt Penke. Man kann spekulieren, dass der weißen Substanz – dem Kommunikationskanal zwischen den verschiedenen Hirnzentren – bei diesem Unterschied eine wichtige Rolle zukommt. „Auf jeden Fall zeigt dieser Befund sehr schön, dass es nicht nur eine Möglichkeit gibt, Intelligenz zu realisieren“, betont der Göttinger Forscher. „Stattdessen können unterschiedliche Kombinationen von Faktoren zum selben Intelligenzlevel führen.“

Ein kluger Kopf hat also viele Zutaten, und nicht jeder von ihnen unbedingt im selben Mischungsverhältnis: perfomante und gleichzeitig effiziente Prozessoren – die Pyramidenzellen in der grauen Substanz. Ein schnelles und intaktes Bussystem – die weiße Substanz. Ein gut funktionierendes Arbeitsgedächtnis. Und damit sich das alles entwickeln und erhalten kann, noch so Einiges mehr: eine gute Hirndurchblutung, ein schlagkräftiges Immunsystem, einen leistungsfähigen Energiestoffwechsel. Je mehr die Wissenschaft das Phänomen Intelligenz zu fassen versucht, desto klarer wird, dass es sich nicht auf eine Komponente festnageln lässt – übrigens auch nicht auf ein bestimmtes Gehirnzentrum.

Wenn aber alles passt, dann ist das menschliche Gehirn zu erstaunlichen Leistungen fähig. Das zeigt etwa das Beispiel des Südkoreaners Kim Ung-yong, der mit einem IQ von 210 einer der intelligentesten Menschen der Erde sein soll. Bereits mit sieben Jahren löste er in einer japanischen Fernsehshow komplizierte Integralgleichungen. Als Achtjähriger wurde er von der NASA in die USA eingeladen, wo er zehn Jahre lang arbeitete. Allerdings warnt Kim auch immer wieder davor, dem IQ eine zu große Bedeutung beizumessen. So sagte er etwa in einem 2010 erschienenen Artikel im „Korea Herald“, hochintelligente Menschen seien nicht omnipotent. Wie die Weltrekorde von Athleten sei ein hoher IQ nur ein Ausdruck menschlichen Talents. „Wenn es ein breites Spektrum von Begabungen gibt, ist meine lediglich ein Teil davon.“