Fraktale Hierarchie im Gehirn: Wie Neuronen 40 Prozent bis die Hälfte für Teamwork einsetzen

Das Gehirn ist ein Musterbeispiel an Effizienz: Über Tausende Jahre Evolution wurde es so geformt, dass es sich in einer schnell wandelnden Welt anpassen und behaupten kann. Trotzdem blieb trotz jahrzehntelanger Forschung lange unklar, wie es diese Leistung genau erreicht.

Unsere neue Studie, veröffentlicht in der Fachzeitschrift Cell, zeigt, wie Neuronen – die Zellen, die Ihre Kindheitserinnerungen, Gedanken und Emotionen ermöglichen – ihre Aktivität miteinander abstimmen.

Man kann sich das vorstellen wie die Arbeit in einem sehr erfolgreichen Unternehmen: Entscheidend ist, die eigene Stärke zu entfalten und gleichzeitig als Team zu funktionieren. Aber wie findet man dieses Gleichgewicht?

Die „Geheimzutat“ des Gehirns ist überraschend schlicht: Jede Zelle sollte höchstens die Hälfte (und mindestens 40 Prozent) ihrer Anstrengung in individuelle Aufgaben stecken.

Wohin fliesst der Rest? In Teamwork, das mit der Grösse des Systems mitwachsen kann.

Das Entscheidende: Wir haben exakt dieselbe Organisationsstruktur in den Gehirnen von fünf Arten gefunden – von Fruchtfliegen und Nematoden bis hin zu Zebrafischen, Mäusen und Affen.

Diese Arten gehören zu weit auseinanderliegenden Ästen des Stammbaums des Lebens, getrennt durch mehr als eine Milliarde Jahre Evolution. Das spricht dafür, dass wir ein grundlegendes Prinzip optimierter Informationsverarbeitung aufgedeckt haben – und es liefert zugleich starke Hinweise dafür, wie komplexe Systeme auch heute leistungsfähig bleiben.

Der entscheidende Mittelweg

Unsere Ergebnisse greifen eine alte Debatte der Hirnforschung auf: Verhalten sich Neuronen eher wie Starspieler (hoch spezialisiert und besonders effizient) – oder stellen sie Teamarbeit in den Vordergrund (damit das Gesamtsystem stabil bleibt, selbst wenn einzelne Elemente ausfallen)?

Diese Frage war schwer zu beantworten, weil geeignete Messmethoden fehlten. Bis vor Kurzem konnte man in der Neurowissenschaft entweder die Aktivität nur weniger Zellen erfassen – oder gleich die von mehreren Millionen.

Das ist, als wollte man ein riesiges Unternehmen verstehen, indem man entweder nur eine Handvoll Mitarbeitende befragt oder ausschliesslich grobe Abteilungsberichte erhält. Genau die entscheidende mittlere Ebene fehlte.

Durch Fortschritte in der Kalziumbildgebung können wir heute jedoch Signale von Zehntausenden Zellen gleichzeitig aufzeichnen. Bei der Kalziumbildgebung lässt sich neuronale Aktivität in Echtzeit verfolgen: Fluoreszierende Sensoren leuchten abhängig vom Kalziumspiegel in der Zelle auf.

Indem wir – gestützt auf Erkenntnisse aus meiner Physikausbildung – grosse Datensätze auswerteten, zeigte sich: Hirnaktivität entfaltet sich entlang einer fraktalen Hierarchie.

Neuronen bilden kooperierende Gruppen, aus denen grössere, koordinierte Netzwerke entstehen. Dabei spiegelt jede Ebene der Organisation die darüber- und darunterliegenden Skalen wider.

Damit lässt sich die Debatte auflösen: Das Gehirn macht tatsächlich beides.

Es verbindet Individualleistung und Zusammenarbeit – und zwar auf intelligente Weise. Etwa die Hälfte der „Anstrengung“ entfällt auf die „persönliche“ Leistung, während Neuronen zugleich innerhalb immer grösserer Netzwerke kooperieren.

Das Gehirn kann sich schnell an Veränderungen anpassen

Um zu prüfen, ob diese Struktur besondere Vorteile bietet, führten wir Computersimulationen durch. Sie zeigten, dass diese fraktale Hierarchie den Informationsfluss im Gehirn optimiert.

Sie ermöglicht etwas Zentrales: Anpassungsfähigkeit. Das Gehirn kann effizient arbeiten, Aufgaben mit minimalen Ressourcen erledigen und bleibt zugleich widerstandsfähig, indem es seine Funktion auch dann aufrechterhält, wenn einzelne Neuronen fehlzünden.

Ob Sie sich in unbekanntem Gelände orientieren oder auf eine plötzliche Bedrohung reagieren: Ihr Gehirn verarbeitet neue Informationen und leitet rasch Handlungen daraus ab. Neuronen passen ihre Koordination fortlaufend an – stabil genug für tiefes Nachdenken, aber beweglich genug, um auf neue Herausforderungen zu reagieren.

Die von uns gefundene Organisation über mehrere Skalen hinweg erlaubt es zudem, dass unterschiedliche Strategien – oder „neuronale Codes“ – auf verschiedenen Ebenen funktionieren.

So stellten wir fest, dass die Fortbewegung von Zebrafischen darauf beruht, dass viele Neuronen im Gleichschritt arbeiten. Dieses robuste Design sorgt dafür, dass das Schwimmen auch in schnell wechselnden Umgebungen gleichmässig weiterläuft.

Im Gegensatz dazu passt sich das Sehen bei Mäusen auf der Ebene einzelner Zellen an. Das ermöglicht die Präzision, die nötig ist, um feine Details aus einer Szene herauszulesen. Hier kann bereits das Verpassen wichtiger Informationsanteile durch wenige Neuronen die gesamte Wahrnehmung verschieben – ähnlich wie bei einer optischen Täuschung, die das Gehirn in die Irre führt.

Unsere Ergebnisse zeigen ausserdem, dass diese fraktale Koordination neuronaler Aktivität über eine enorme evolutionäre Spannweite hinweg auftritt: von Wirbeltieren, deren letzter gemeinsamer Vorfahr vor 450 Millionen Jahren lebte, bis zu wirbellosen Tieren, die bis vor eine Milliarde Jahre zurückreichen.

Das deutet darauf hin, dass sich Gehirne so entwickelt haben, dass sie Effizienz und Robustheit ausbalancieren – für optimierte Informationsverarbeitung und Anpassungsfähigkeit an neue Verhaltensanforderungen. Dass dieses Muster evolutionär so beständig ist, spricht dafür, dass wir auf ein grundlegendes Konstruktionsprinzip gestossen sind.

Ein grundlegendes Prinzip?

Es ist eine spannende Zeit: Physik und Neurowissenschaften beeinflussen sich zunehmend gegenseitig, um universelle Gesetzmässigkeiten des Gehirns freizulegen – geprägt durch Äonen natürlicher Selektion. Künftige Arbeiten müssen zeigen, wie sich diese Prinzipien im menschlichen Gehirn wiederfinden.

Unsere Befunde weisen zudem auf etwas Grösseres hin: Diese einfache Regel aus individuellem Fokus und skalierbarer Teamarbeit könnte nicht nur für das Gehirn eine Lösung sein.

Wenn Elemente in gestuften Netzwerken organisiert sind, lassen sich Ressourcen effizient teilen, und das System wird widerstandsfähig gegenüber Störungen.

Die besten Unternehmen funktionieren ähnlich: Entsteht eine neue Herausforderung, können Einzelne reagieren, ohne erst Anweisungen der Führungskraft abzuwarten. So wird das Problem gelöst, während die Organisation weiterhin schnellen Rückhalt bietet.

Möglicherweise ist das ein universelles Prinzip, um in komplexen Systemen zugleich Robustheit und Effizienz zu erreichen.

Anscheinend hatte Basketball-Legende Michael Jordan recht, als er sagte: „Talent gewinnt Spiele, aber Teamwork und Intelligenz gewinnen Meisterschaften“.

Brandon Robert Munn, Postdoktorand (Research Fellow), University of Sydney

Dieser Artikel wurde unter einer Creative-Commons-Lizenz von The Conversation erneut veröffentlicht. Lesen Sie den Originalartikel.