Neurowissenschaft und Intelligenz

GehirnvolumenBearbeiten

Eine der wichtigsten Methoden, um eine Beziehung zwischen Intelligenz und Gehirn herzustellen, ist die Messung des Gehirnvolumens. Die ersten Versuche zur Schätzung des Gehirnvolumens erfolgten anhand äußerer Parameter des Kopfes, wie z. B. des Kopfumfangs als Näherungswert für die Gehirngröße. Zu den neueren Methoden, die zur Untersuchung dieses Zusammenhangs eingesetzt werden, gehören postmortale Messungen von Gehirngewicht und -volumen. Diese haben ihre eigenen Grenzen und Stärken. Mit dem Aufkommen der MRT als nicht-invasiver, hochpräziser Messmethode für die Struktur und Funktion des lebenden Gehirns (unter Verwendung der fMRT) wurde diese Methode zur vorherrschenden und bevorzugten Methode für die Messung des Gehirnvolumens.

Gesamt gesehen wird eine größere Größe und ein größeres Volumen des Gehirns mit besseren kognitiven Funktionen und höherer Intelligenz in Verbindung gebracht. Die spezifischen Regionen, die die stärkste Korrelation zwischen Volumen und Intelligenz zeigen, sind die Frontal-, Temporal- und Parietallappen des Gehirns. In zahlreichen Studien wurden durchweg positive Korrelationen festgestellt, was zu der allgemein sicheren Schlussfolgerung führt, dass größere Gehirne eine höhere Intelligenz voraussagen. Bei gesunden Erwachsenen liegt die Korrelation zwischen dem Gesamthirnvolumen und dem IQ bei etwa 0,4, wenn qualitativ hochwertige Tests verwendet werden. Eine groß angelegte Studie (n = 29k) unter Verwendung der UK Biobank ergab eine Korrelation von .275. Die Stärke dieser Beziehung hing nicht vom Geschlecht ab, was im Widerspruch zu einigen früheren Studien steht. Eine Studie mit einem Geschwisterdesign in zwei mittelgroßen Stichproben ergab Hinweise auf Kausalität mit einer Effektgröße von .19. Dieses Studiendesign schließt Störfaktoren aus, die zwischen den Familien variieren, nicht aber solche, die innerhalb der Familien variieren.

Weniger bekannt ist die Variation auf Skalen, die kleiner sind als das Gesamthirnvolumen. Eine Meta-Analyse von McDaniel ergab, dass die Korrelation zwischen Intelligenz und In-vivo-Gehirngröße bei Frauen (0,40) größer war als bei Männern (0,25). In derselben Studie wurde auch festgestellt, dass die Korrelation zwischen Gehirngröße und Intelligenz mit dem Alter zunimmt, wobei die Korrelationen bei Kindern geringer sind. Es wurde vermutet, dass der Zusammenhang zwischen größeren Gehirnvolumina und höherer Intelligenz mit den Unterschieden in bestimmten Gehirnregionen zusammenhängt: Eine Messung des gesamten Gehirns würde diese Zusammenhänge unterbewerten. Bei Funktionen, die spezifischer sind als die allgemeine Intelligenz, könnten regionale Effekte wichtiger sein. So gibt es beispielsweise Hinweise darauf, dass bei Jugendlichen, die neue Wörter lernen, der Wortschatzzuwachs mit der Dichte der grauen Substanz in den bilateralen posterioren supramarginalen Gyri zusammenhängt. Kleine Studien haben gezeigt, dass vorübergehende Veränderungen der grauen Substanz im Zusammenhang mit der Entwicklung einer neuen körperlichen Fähigkeit (Jonglieren) im okzipito-temporalen Kortex auftreten

Das Hirnvolumen ist keine perfekte Erklärung für die Intelligenz: Die Beziehung erklärt einen bescheidenen Anteil der Varianz der Intelligenz – 12 % bis 36 % der Varianz. Der Anteil der Varianz, der durch das Hirnvolumen erklärt wird, kann auch von der Art der gemessenen Intelligenz abhängen. Bis zu 36 % der Varianz der verbalen Intelligenz kann durch das Hirnvolumen erklärt werden, während nur etwa 10 % der Varianz der visuell-räumlichen Intelligenz durch das Hirnvolumen erklärt werden kann. Eine Studie des Forschers Stuart J. Ritchie aus dem Jahr 2015 ergab, dass die Gehirngröße 12 % der Varianz in der Intelligenz von Personen erklärt. Diese Vorbehalte deuten darauf hin, dass es neben der Gehirngröße noch andere wichtige Faktoren gibt, die die Intelligenz eines Menschen beeinflussen. In einer großen Metaanalyse, die 88 Studien umfasste, schätzten Pietschnig et al. (2015) den Zusammenhang zwischen Gehirnvolumen und Intelligenz auf einen Korrelationskoeffizienten von 0,24, was einer Varianz von 6 % entspricht. Unter Berücksichtigung der Messqualität, des Stichprobentyps und des IQ-Bereichs scheint die meta-analytische Assoziation von Hirnvolumen und Intelligenz bei normalen Erwachsenen bei ~ .4 zu liegen. Der Forscher Jakob Pietschnig vertrat die Ansicht, dass die Stärke des positiven Zusammenhangs zwischen Hirnvolumen und IQ nach wie vor robust ist, in der Literatur jedoch überschätzt wird. Er erklärte: „Es ist verlockend, diese Assoziation im Zusammenhang mit der kognitiven Evolution des Menschen und den Unterschieden zwischen den Arten in Bezug auf die Gehirngröße und die kognitiven Fähigkeiten zu interpretieren, aber wir zeigen, dass es nicht gerechtfertigt ist, die Gehirngröße als isomorphen Stellvertreter für die Unterschiede in der menschlichen Intelligenz zu interpretieren“.

Graue SubstanzBearbeiten

Die graue Substanz wurde als mögliche biologische Grundlage für Intelligenzunterschiede untersucht. Ähnlich wie das Hirnvolumen ist auch das Volumen der grauen Substanz positiv mit der Intelligenz assoziiert. Insbesondere wurde eine höhere Intelligenz mit einer größeren kortikalen grauen Substanz im präfrontalen und posterioren temporalen Kortex bei Erwachsenen in Verbindung gebracht. Darüber hinaus hat sich gezeigt, dass sowohl die verbale als auch die nonverbale Intelligenz bei jungen gesunden Erwachsenen positiv mit dem Volumen der grauen Substanz im Parietal-, Temporal- und Okzipitallappen korreliert ist, was bedeutet, dass Intelligenz mit einer Vielzahl von Strukturen im Gehirn verbunden ist.

Es scheint geschlechtsspezifische Unterschiede zwischen dem Verhältnis von grauer Substanz und Intelligenz bei Männern und Frauen zu geben. Männer scheinen mehr Korrelationen zwischen Intelligenz und grauer Substanz in den Frontal- und Parietallappen aufzuweisen, während die stärksten Korrelationen zwischen Intelligenz und grauer Substanz bei Frauen in den Frontallappen und dem Broca-Areal zu finden sind. Diese Unterschiede scheinen sich jedoch nicht auf die Gesamtintelligenz auszuwirken, was darauf hindeutet, dass die gleichen kognitiven Fähigkeiten auf unterschiedliche Weise erreicht werden können.

Eine spezielle Methode zur Untersuchung der Korrelate der grauen Substanz mit der Intelligenz in bestimmten Hirnregionen ist die sogenannte voxelbasierte Morphometrie (VBM). Die VBM ermöglicht es den Forschern, die interessierenden Bereiche mit hoher räumlicher Auflösung zu spezifizieren, was die Untersuchung der mit der Intelligenz korrelierten Bereiche der grauen Substanz mit einer höheren speziellen Auflösung ermöglicht. Mit VBM wurde bei gesunden Erwachsenen eine positive Korrelation zwischen grauer Substanz und Intelligenz in den Frontal-, Temporal-, Parietal- und Okzipitallappen festgestellt. Mit VBM konnte auch gezeigt werden, dass das Volumen der grauen Substanz in der medialen Region des präfrontalen Kortex und des dorsomedialen präfrontalen Kortex bei einer Gruppe von 55 gesunden Erwachsenen positiv mit der Intelligenz korreliert. VBM wurde auch erfolgreich eingesetzt, um eine positive Korrelation zwischen dem Volumen der grauen Substanz im anterioren Cingulum und der Intelligenz bei Kindern im Alter von 5 bis 18 Jahren festzustellen.

Die graue Substanz korreliert ebenfalls positiv mit der Intelligenz bei Kindern. Reis und Kollegen haben herausgefunden, dass die graue Substanz im präfrontalen Kortex am stärksten zur Varianz der Intelligenz bei Kindern zwischen 5 und 17 Jahren beiträgt, während die subkortikale graue Substanz in geringerem Maße mit der Intelligenz zusammenhängt. Frangou und Kollegen untersuchten den Zusammenhang zwischen grauer Substanz und Intelligenz bei Kindern und jungen Erwachsenen im Alter von 12 bis 21 Jahren und stellten fest, dass die graue Substanz im orbitofrontalen Kortex, im cingulären Gyrus, im Kleinhirn und im Thalamus positiv mit der Intelligenz korreliert, während die graue Substanz im Nucleus caudatus negativ mit der Intelligenz korreliert ist. Der Zusammenhang zwischen dem Volumen der grauen Substanz und der Intelligenz entwickelt sich jedoch erst im Laufe der Zeit, da bei Kindern unter 11 Jahren kein signifikanter positiver Zusammenhang zwischen dem Volumen der grauen Substanz und der Intelligenz gefunden werden kann.

Ein grundlegender Vorbehalt bei der Erforschung des Zusammenhangs zwischen dem Volumen der grauen Substanz und der Intelligenz wird durch die Hypothese der neuronalen Effizienz belegt. Der Befund, dass intelligentere Menschen ihre Neuronen effizienter nutzen, könnte darauf hindeuten, dass die Korrelation zwischen grauer Substanz und Intelligenz die selektive Eliminierung ungenutzter Synapsen und damit eine bessere Verschaltung des Gehirns widerspiegelt.

Weiße SubstanzBearbeiten

Ähnlich wie bei der grauen Substanz wurde auch bei der weißen Substanz eine positive Korrelation mit der Intelligenz des Menschen nachgewiesen. Die weiße Substanz besteht hauptsächlich aus myelinisierten neuronalen Axonen, die für die Weiterleitung von Signalen zwischen Neuronen verantwortlich sind. Die rosa-weiße Farbe der weißen Substanz ist das Ergebnis dieser Myelinscheiden, die die Neuronen, die Signale an andere Neuronen weiterleiten, elektrisch isolieren. Die weiße Substanz verbindet verschiedene Regionen der grauen Substanz im Großhirn miteinander. Diese Verbindungen sorgen für einen reibungsloseren Transport und ermöglichen es uns, Aufgaben leichter zu bewältigen. Es wurde ein signifikanter Zusammenhang zwischen Intelligenz und dem Corpus callosum festgestellt, da größere Bereiche des Corpus callosum positiv mit kognitiven Leistungen korreliert sind. Es scheint jedoch Unterschiede in der Bedeutung der weißen Substanz zwischen verbaler und nonverbaler Intelligenz zu geben, denn obwohl sowohl verbale als auch nonverbale Intelligenzmaße positiv mit der Größe des Corpus callosum korrelieren, war die Korrelation zwischen Intelligenz und der Größe des Corpus callosum für nonverbale Maße größer (.47) als für verbale Maße (.18). Anatomische netzbasierte geometrische Modellierung hat ebenfalls positive Korrelationen zwischen der Dicke des Corpus callosum und der Intelligenz bei gesunden Erwachsenen gezeigt.

Die Integrität der weißen Substanz wurde ebenfalls mit der Intelligenz in Verbindung gebracht. Die Integrität der weißen Substanz ist wichtig für die Geschwindigkeit der Informationsverarbeitung, weshalb eine geringere Integrität der weißen Substanz mit einer geringeren Intelligenz zusammenhängt. Der Effekt der Integrität der weißen Substanz wird ausschließlich durch die Informationsverarbeitungsgeschwindigkeit vermittelt. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass das Gehirn strukturell vernetzt ist und dass axonale Fasern für eine schnelle Informationsverarbeitung und damit für die allgemeine Intelligenz von entscheidender Bedeutung sind.

Im Gegensatz zu den oben beschriebenen Ergebnissen konnte die VBM bei gesunden Erwachsenen keinen Zusammenhang zwischen dem Corpus callosum und der Intelligenz feststellen. Dieser Widerspruch kann als Zeichen dafür gewertet werden, dass die Beziehung zwischen dem Volumen der weißen Substanz und der Intelligenz nicht so stabil ist wie die zwischen der grauen Substanz und der Intelligenz.

Kortikale Dicke

Die kortikale Dicke korreliert ebenfalls positiv mit der Intelligenz des Menschen. Die Wachstumsrate der kortikalen Dicke ist jedoch auch mit der Intelligenz verbunden. In der frühen Kindheit zeigt die kortikale Dicke eine negative Korrelation mit der Intelligenz, während sich diese Korrelation in der späten Kindheit ins Positive verlagert. Bei intelligenteren Kindern wurde festgestellt, dass sich die Kortikalisdicke gleichmäßiger und über längere Zeiträume hinweg entwickelt als bei weniger intelligenten Kindern. Studien haben ergeben, dass die kortikale Dicke 5 % der Varianz der Intelligenz von Individuen erklärt. In einer Studie, die durchgeführt wurde, um Zusammenhänge zwischen der kortikalen Dicke und der allgemeinen Intelligenz verschiedener Personengruppen zu finden, spielte das Geschlecht keine Rolle für die Intelligenz. Obwohl es aufgrund unterschiedlicher sozioökonomischer Umstände und Bildungsniveaus schwierig ist, die Intelligenz anhand der kortikalen Dicke am Alter festzumachen, wiesen ältere Probanden (17 – 24) tendenziell eine geringere Varianz in Bezug auf die Intelligenz auf als jüngere Probanden (19 – 17).

Kortikale FaltungBearbeiten

Die kortikale Faltung hat die Faltung der Gehirnoberfläche im Laufe der menschlichen Evolution verstärkt. Es wurde die Hypothese aufgestellt, dass der hohe Grad der kortikalen Faltung ein neurologisches Substrat sein könnte, das einige der ausgeprägtesten kognitiven Fähigkeiten des menschlichen Gehirns unterstützt. Folglich könnte die individuelle Intelligenz innerhalb der menschlichen Spezies durch den Grad der kortikalen Faltung moduliert werden.

Eine im Jahr 2019 veröffentlichte Analyse ergab, dass die Konturen der Gehirne von 677 Kindern und Jugendlichen (Durchschnittsalter 12.72 Jahre) eine genetische Korrelation von fast 1 zwischen dem IQ und der Fläche des supramarginalen Gyrus auf der linken Seite des Gehirns.

Neurale Effizienz

Die Hypothese der neuralen Effizienz postuliert, dass intelligentere Personen während kognitiver Aufgaben eine geringere Aktivierung im Gehirn aufweisen, die durch den Glukosestoffwechsel gemessen wird. Eine kleine Stichprobe von Teilnehmern (N=8) zeigte negative Korrelationen zwischen Intelligenz und absoluten regionalen Stoffwechselraten zwischen -0,48 und -0,84, gemessen durch PET-Scans, was darauf hindeutet, dass intelligentere Personen Informationen effektiver verarbeiten können, da sie weniger Energie verbrauchen. Nach einer ausführlichen Übersichtsarbeit von Neubauer & Fink hat eine große Anzahl von Studien (N=27) diesen Befund unter Verwendung von Methoden wie PET-Scans, EEG und fMRI bestätigt.

fMRI- und EEG-Studien haben gezeigt, dass die Schwierigkeit der Aufgabe ein wichtiger Faktor für die neuronale Effizienz ist. Intelligentere Personen zeigen nur dann neuronale Effizienz, wenn sie mit subjektiv leichten bis mittelschweren Aufgaben konfrontiert werden, während bei schwierigen Aufgaben keine neuronale Effizienz zu finden ist. In der Tat scheinen intelligentere Personen mehr kortikale Ressourcen in Aufgaben mit hohem Schwierigkeitsgrad zu investieren. Dies scheint insbesondere für den präfrontalen Kortex zu gelten, da Personen mit höherer Intelligenz bei schwierigen Aufgaben eine stärkere Aktivierung dieses Bereichs aufweisen als Personen mit geringerer Intelligenz. Es wurde vorgeschlagen, dass der Hauptgrund für das Phänomen der neuronalen Effizienz darin liegen könnte, dass Personen mit hoher Intelligenz besser in der Lage sind, störende Informationen auszublenden, als Personen mit niedriger Intelligenz.

Weitere Forschung

Einige Wissenschaftler ziehen es vor, eher qualitative Variablen zu betrachten, die sich auf die Größe messbarer Regionen mit bekannter Funktion beziehen, z. B. die Größe des primären visuellen Kortex auf seine entsprechenden Funktionen, die der Sehleistung.

In einer Studie über das Kopfwachstum von 633 termingeborenen Kindern aus der Avon Longitudinal Study of Parents and Children-Kohorte wurde gezeigt, dass das pränatale Wachstum und das Wachstum im Säuglingsalter mit dem späteren IQ in Verbindung stehen. Die Studie kam zu dem Schluss, dass das Gehirnvolumen, das ein Kind bis zum Alter von 1 Jahr erreicht, die spätere Intelligenz mitbestimmt. Ein Wachstum des Gehirnvolumens nach dem Säuglingsalter kann ein schlechteres früheres Wachstum nicht ausgleichen.

Es besteht ein Zusammenhang zwischen IQ und Kurzsichtigkeit. Eine vorgeschlagene Erklärung ist, dass ein oder mehrere pleiotrope Gene die Größe des Neokortexteils des Gehirns und der Augen gleichzeitig beeinflussen.

Parieto-frontale IntegrationstheorieBearbeiten

Im Jahr 2007 veröffentlichte die Zeitschrift Behavioral and Brain Sciences einen Zielartikel, in dem ein biologisches Modell der Intelligenz auf der Grundlage von 37 von Experten begutachteten Neuroimaging-Studien vorgestellt wurde (Jung & Haier, 2007). Ihre Überprüfung einer Fülle von Daten aus der funktionellen Bildgebung (funktionelle Magnetresonanztomographie und Positronenemissionstomographie) und der strukturellen Bildgebung (Diffusions-MRT, voxelbasierte Morphometrie, In-vivo-Magnetresonanzspektroskopie) ergibt, dass die menschliche Intelligenz aus einem verteilten und integrierten neuronalen Netzwerk entsteht, das Gehirnregionen im Frontal- und Parietallappen umfasst.

Eine kürzlich von Barbey und Kollegen durchgeführte Läsionskartierungsstudie liefert Belege für die P-FIT-Theorie der Intelligenz.

Hirnverletzungen im frühen Alter, die auf eine Seite des Gehirns beschränkt sind, führen in der Regel zu relativ verschonten intellektuellen Funktionen und einem IQ im normalen Bereich.