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Disput in "Science" / Warum das Gehirn nicht gefaltet ist wie ein zerknülltes Blatt Papier

Brasilianische Forscher haben im Sommer 2015 aufgezeigt, nach welchen mathematischen Gesetzmäßigkeiten die Hirnrinde gefaltet ist. Ihre Berechnungen sahen sie auch als Beleg dafür, dass die Faltung einer fraktalen Form entspricht - vergleichbar zusammengeknülltem Papier. "Die Rechnung ist falsch", sagt jetzt Marc de Lussanet. Der Biologe begründet dies in einem ebenfalls in "Science" erschienenen Kommentar.

Zerknülltes Papier und Romanesco-Blumenkohl haben eines gemeinsam: Sie weisen eine fraktale Form auf. "Wissenschaftler diskutieren schon lange, ob auch die Wölbungen unseres Großhirns eine fraktale Form haben", erklärt Dr. Marc de Lussanet, Forscher an der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster (WWU). Die Experten wollen wissen, wie die Hirnfalten entstehen, um das Gehirn, seine Entwicklung und mögliche Störungen zu verstehen. Vor diesem Hintergrund fand eine im Sommer 2015 im Wissenschaftsmagazin "Science" veröffentlichte Studie zur Faltung des Gehirns in den bundesweiten Medien Beachtung. Die brasilianischen Forscher Bruno Mota und Suzana Herculano-Houzel hatten gezeigt, nach welchen mathematischen Gesetzmäßigkeiten die Hirnrinde gefaltet ist. Ihre Berechnungen sahen sie auch als Beleg dafür, dass die Faltung einer fraktalen Form entspricht. "Die Rechnung ist falsch", sagt jetzt Marc de Lussanet. Der Biologe begründet dies in einem ebenfalls in "Science" erschienenen Kommentar.

Das mathematische Modell der brasilianischen Forscher stellt eine Gesetzmäßigkeit her, nach der die Faltung der Hirnrinde von der Gesamtoberfläche und der Dicke der Hirnrinde abhängt. Demnach, so die Brasilianer, falte sich die Großhirnrinde der Säugetiere nach den gleichen Gesetzen, die zum Tragen kommen, wenn man ein Blatt Papier zusammenknülle. Marc de Lussanet zeigt, weshalb diese Rechnung nicht stimmt. Das mathematische Modell lasse sich auf eine sehr viel einfachere, nicht-fraktale Form reduzieren. Diese einfachere Formel beschreibe die Messdaten sogar besser als das mathematische Modell der brasilianischen Wissenschaftler. Zudem decke eine verbesserte statistische Auswertung systematische Fehler des Modells auf. Somit müsse man die Theorie, nach der das Gehirn wie ein Papierkügelchen gefaltet ist, verwerfen, so Marc de Lussanet.

"Paradoxerweise bedeutet dies jedoch nicht, dass das Gehirn keine fraktale Form hat", sagt Marc de Lussanet. "Denn meine Berechnungen führen zu neuen Ergebnissen, die auf eine von zerknülltem Papier abweichende, aber eindeutig fraktale Struktur der Großhirnrinde hinweisen." Um das Rätsel der Hirnfaltung zu lösen, seien allerdings nun weitere Studien notwendig, die die Vorhersagen des neuen Modells prüfen.

Fraktale haben eine besondere Form: Eines ihrer Merkmale ist die Ähnlichkeit mit sich selbst – die Strukturen, aus denen die Gebilde aufgebaut sind, wiederholen sich in unterschiedlichen Größenordnungen nach einer festen geometrischen Regel.

Dr. Marc de Lussanet ist studierter Biologe und Neurowissenschaftler mit einem Arbeitsschwerpunkt in der Sport- und Bewegungswissenschaft. Er begeistert sich seit Langem für verschiedene Forschungsfragen, beispielsweise für die Koordination von Sehen und Bewegen, und die Evolution und Entwicklung von Körperformen (evolutionäre Entwicklungsbiologie, "Evo-Devo"). Die wissenschaftliche Antwort auf den Science-Artikel hat er in seiner Freizeit verfasst. Marc de Lussanet leitet das Bewegungslabor "OpenLab" am Institut für Sportwissenschaft der WWU. Dort werden biomechanische, physiologische, neuronale und psychologische Grundlagen von Bewegung untersucht.



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De Lussanet M. H. E. (2015): Comment on "Cortical folding scales universally with surface area and thickness, not number of neurons". Science 19 Feb 2016: Vol. 351, Issue 6275, pp. 825; DOI: 10.1126/science.aad0127

Mota B. und Herculano-Houzel S. (2015): Cortical folding scales universally with surface area and thickness, not number of neurons. Science Vol. 349 no. 6243 pp. 74-77; DOI: 10.1126/science.aaa9101
Westfälische Wilhelms-Universität Münster
http://science.sciencemag.org/content/351/6275/825.1

19.02.2016

 

 
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