- Es wurde bestätigt, dass bereits in frühen Phasen der Gehirnentwicklung vor sensorischen Erfahrungen strukturierte Muster elektrischer Aktivität existieren
- Ein Forschungsteam der UC Santa Cruz beobachtete diese frühe neuronale Aktivität mithilfe von Gehirnorganoiden (brain organoids)
- Die Zellen zeigten auch ohne äußere Reize eine Struktur, in der sie eigenständig Schaltkreise bilden und miteinander interagieren
- Diese Muster bestehen aus zeitbasierten Signalsequenzen, die dem „Default Mode“ des menschlichen Gehirns ähneln
- Diese Entdeckung eröffnet neue Möglichkeiten für die Diagnose und Behandlung von neurologischen Entwicklungsstörungen sowie die Bewertung der Auswirkungen toxischer Substanzen
Selbstorganisierte Aktivität im frühen Gehirn
- Das Forschungsteam untersuchte, wann und wie menschliches Denken beginnt, und beobachtete dabei elektrische Gehirnaktivität vor sensorischen Erfahrungen
- Das Team der UC Santa Cruz nutzte dreidimensionale Gehirnorganoide, die aus menschlichen Stammzellen hergestellt wurden
- Diese Organoide bilden selbstständig Schaltkreise und senden elektrische Signale aus, auch ohne externe sensorische Eingaben
- Professor Tal Sharf erklärte: „Die Zellen interagieren bereits miteinander und bilden Schaltkreise, noch bevor sie Erfahrungen mit der Außenwelt machen.“
- Er verglich dies mit einem „Betriebssystem in einem primitiven Zustand“ und untersucht die Struktur des Gehirns, bevor es durch sensorische Erfahrungen geprägt wird
Forschungsmethode und Technik
- Das Forschungsteam verwendete einen CMOS-basierten Mikroelektroden-Array-Chip, um die elektrische Aktivität einzelner Neuronen innerhalb der Organoide zu messen
- Der Chip enthält Tausende winziger Verstärker und erfasst die Signale vorgebildeter neuronaler Schaltkreise präzise
- Organoide sind 3D-Gewebemodelle, die von menschlichen embryonalen Stammzellen abgeleitet sind, und bieten ethische sowie technische Vorteile für die Erforschung der Gehirnentwicklung
- Die Braingeneers-Gruppe der UC Santa Cruz entwickelte dieses Modell in Zusammenarbeit mit UC San Francisco und UC Santa Barbara
- Das Sharf-Labor entwickelt neue Neurointerface-Technologien, die Physik, Materialwissenschaft und Elektrotechnik verbinden
Musterbildung und der Default Mode des Gehirns
- Das Forschungsteam beobachtete, dass Organoide innerhalb weniger Monate vor dem Erhalt sensorischer Eingaben spontane Muster elektrischer Signale erzeugen
- Diese Signale treten bereits auf, bevor komplexe sensorische Informationen wie visuelle oder auditive Reize verarbeitet werden
- Das Feuern der Neuronen ist nicht zufällig, sondern folgt strukturierten Mustern, die als „Default Mode“ bezeichnet werden
- Dieser Default Mode liefert einen Rahmen möglicher Reaktionsbereiche, mit denen das Gehirn spätere sensorische Reize verarbeiten kann
- Die in den Organoiden beobachteten frühen Muster zeigen zeitbasierte Sequenzen, die dem Default Mode des tatsächlichen menschlichen Gehirns ähneln
- Das deutet auf das Vorhandensein eines genetisch codierten neuronalen Bauplans (blueprint) hin
Evolutionäre und medizinische Bedeutung
- Das Forschungsteam erklärt, dass solche selbstorganisierten Systeme die grundlegende Struktur der Wahrnehmung der Welt bilden könnten
- Es legt nahe, dass das zentrale Nervensystem im Verlauf der Evolution im Voraus eine Karte (map) aufgebaut haben könnte, um die Welt zu erkunden und mit ihr zu interagieren
- Da Organoide die Grundstruktur des echten Gehirns nachbilden, können sie für die Erforschung neurologischer Entwicklungsstörungen und die Analyse der Auswirkungen toxischer Substanzen genutzt werden
- Sharf erwähnte, dass diese komplexen neuronalen Dynamiken zur frühen Erkennung pathologischer Anzeichen und zur Entwicklung von Therapeutika beitragen könnten
- Es besteht Potenzial für die künftige Entwicklung von Arzneimitteln, Geneditierung und Hochdurchsatz-Screening-Technologien
Forschungspartner und beteiligte Institutionen
- An der Studie waren UC Santa Barbara, Washington University in St. Louis, Johns Hopkins University, University Medical Center Hamburg-Eppendorf, ETH Zurich beteiligt
- Das Forschungsteam untersucht mithilfe des Organoid-Modells präzise die frühen Stadien der Entwicklung des menschlichen Gehirns und die Mechanismen der Bildung neuronaler Schaltkreise
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Manche Tiere sind direkt nach der Geburt sofort bereit, sich zu bewegen.
Solche Tiere nennt man precociale Tiere; sie wissen vom ersten Moment an, wie man läuft.
Ein Fohlen steht zum Beispiel innerhalb einer Stunde nach der Geburt auf und kann nach einem Tag bereits mit der Herde mitlaufen.
Das Hinlegen ist jedoch nicht instinktiv vorprogrammiert, daher lassen sie sich anfangs eher unbeholfen fallen, als sich hinzulegen.
Pferde und Nagetiere wie Biber gehören in diese Kategorie, Schweine ebenfalls, Affen jedoch nicht. Mit der evolutionären Abstammung hat das nur wenig zu tun.
Er stammt vom St. Johns Water Dog ab und besitzt an Wasser angepasste Merkmale wie einen otterartigen Schwanz, fettiges Fell und Schwimmhäute.
In manchen Linien können die Tiere von Geburt an gut schwimmen, wissen aber nicht, dass sie schwimmen können.
Deshalb zögern sie am Wasser, beginnen aber sofort zu schwimmen und haben Freude daran, wenn sie zufällig hineinfallen.
Das gilt allerdings nicht für alle Labs; besonders Jagd-Labs brauchen Training zur Wassergewöhnung, weshalb fachkundige Anleitung wichtig ist.
Ein drei Tage altes Pferd läuft, und ein drei Jahre alter Tiger ist bereits Mutter.
Der Mensch zeigt dafür mit etwa sechs Jahren geistige Fähigkeiten, zu denen kein anderes Tier fähig ist.
Wegen mangelnder Beinkraft laufen sie nicht wirklich, aber wenn man sie hochhebt, machen sie Gehbewegungen.
Dieser Instinkt verschwindet nach etwa drei Monaten und wird mit ungefähr einem Jahr wieder „neu gelernt“.
Auf einem Planeten mit deutlich schwächerer Schwerkraft könnten Menschen vermutlich direkt nach der Geburt laufen.
Daher könnte die Vorstellung, dass etwas von Geburt an bereitsteht, in Wirklichkeit eher ein Unterschied im Beginn des Lernens sein als in funktionaler Vorbereitetheit.
Menschliche Babys haben direkt nach der Geburt schließlich auch einen Schwimmreflex, sodass die Unterscheidung zwischen precocial und non-precocial womöglich unscharf ist.
Schon die Jungtiere wussten wenige Tage nach der Geburt, wie sie sich in Mauerspalten gleiten lassen mussten, um Fressfeinden zu entkommen.
Da Tiere jeden Alters dasselbe Verhalten zeigen, ist das eindeutig ein instinktives Verhaltensmuster.
Die unwillkürliche Muskulatur und die Nerven des menschlichen Körpers sind bereits „vorkonfiguriert“.
Das Herz schlägt, ohne dass man es lernen müsste, und die meisten physiologischen Funktionen arbeiten auf diese Weise.
Das zugehörige Paper erschien in Nature Neuroscience 2025:
„Preconfigured neuronal firing sequences in human brain organoids“.
Der Titel des Artikels ist irreführend.
Die eigentliche Studie besagt, dass die Feuermuster von Organoid-Zellen dem Default-Mode-Network des Gehirns ähneln.
Das ist kein Beleg für „Firmware“ oder vorab eingebaute Anweisungen, sondern bedeutet, dass Neuronen durch ihre Wechselwirkungen natürliche Muster bilden.
Es zeigt also, dass sich Organoide womöglich als Modell für die Hirnforschung eignen, aber wie gut sie tatsächlich anwendbar sind, ist noch unklar.
Diese Studie scheint die Theorie zu stützen, dass „Wahrnehmung eine kontrollierte Halluzination“ ist.
Sensorische Eingaben dienen demnach nur dazu, das evolutionär geformte predictive processing zu korrigieren.
Menschliche DNA enthält nur rund 1,5 GB an Information und baut damit Gehirn und gesamten Körper auf.
Es ist schwer zu glauben, dass aus dieser kleinen Informationsmenge komplexe neuronale Netze und Verhalten entstehen.
Eine Erklärung allein über die reine Bitgröße scheint etwas Geheimnisvolles offenzulassen.
DNA funktioniert wie ein Bündel aus Bedingungen, erzeugt Programme selbst und interagiert mit ihnen.
Für Menschen ist es schwer, solche sich selbst konfigurierenden Programme intuitiv zu begreifen.
als Wellen zwischen den Zellen ausbreiten und einen selbsterhaltenden Rhythmus bilden.
Das funktioniert also auch ohne komplexe „Software“ als selbstorganisierte Eigenschaft.
aus denen komplexe Ergebnisse erzeugt werden.
Auch das Universum könnte ein emergentes Phänomen aus solchen einfachen Regeln sein.
Äußere Reize wie Erziehung, Sprache und soziale Interaktion sind unverzichtbar.
Wenn Menschen isoliert aufwachsen, entsteht aus DNA allein kein menschlich geprägtes Denken.
gibt es Beispiele dafür, dass mit sehr wenig Code komplexe Musik und Grafik erzeugt werden.
Etwa 64KB-Demos oder die 64k-scene-Galerie.
Auch die menschliche Entwicklung könnte das Ergebnis solcher komprimierten generativen Regeln sein.
Das Gedankenexperiment, was geschehen würde, wenn sich auf einer Insel nur mit Neugeborenen eine Gesellschaft bilden müsste, ist interessant.
Natürlich könnten menschliche Babys ohne Erwachsene nicht überleben, Küken aber schon.
Küken zeigen direkt nach dem Schlüpfen vollständige Verhaltensmuster.
Man stellt sich unweigerlich vor, wie die Menschheit nach einem „harten Reboot“ aussehen würde.
(Scherzhaft gesagt könnte man die Antwort vielleicht bekommen, wenn man Babys zum Mars schickt und das Ökoexperiment überträgt.)
Ein Kind, das mit Hühnern aufwuchs, soll sich wie ein Huhn verhalten und wie eines gekräht haben.
Das zeigt, wie stark die Umwelt an der Ausbildung menschlichen Verhaltens beteiligt ist.
Beeindruckend war Geoffrey Hintons Beschreibung im Gespräch mit Jon Stewart,
in der er Neuronen als Wesen vergleicht, die Muster erkennen und dann „pingen“.
Es wirkt, als würden Neuronen untereinander nach dem Muster „Ich habe dieses Signal bekommen“ kommunizieren und so Rollen verteilen.
Eine solche vorgelagerte Kommunikationsstruktur könnte schon vor sensorischen Eingaben existieren.
Im Artikel ist nicht nur von einfachem „Ping“ die Rede, sondern von komplexen zeitbasierten Feuermustern, was noch überzeugender wirkt.
Dieses Konzept ist seit Langem durch das No-Free-Lunch-Theorem belegt.
Damit Lernen möglich ist, braucht es nützliches Vorwissen (Prior) über die Welt.
Das Gehirn ist die biologische Umsetzung dieser Voraussetzung.
Menschen sind also von Geburt an mit einer zum Lernen geeigneten Struktur „vorkonfiguriert“.
Welche Annahmen das menschliche Gehirn jedoch tatsächlich in sich trägt, wird noch erforscht,
und bis sich das auf KI anwenden lässt, ist es noch ein weiter Weg.
Es gab auch die Meinung: „Kant hat dieses Konzept bereits formuliert.“
Kant on Reason – Stanford Encyclopedia of Philosophy
„War das nicht schon bei Platon?“
Innateness in Philosophy – Plato to Aristotle
Ein Experiment ist durch seine eigenen Voraussetzungen in seinen Grenzen festgelegt.
Das Gehirn ist ein empirischer Gegenstand; reine Anschauung und Kategorien sind daher a-priorische Strukturen vor der Erfahrung.
Aus der Beobachtung des Gehirns lassen sich folglich keine sicheren Schlussfolgerungen gewinnen,
sondern nur Aussagen über die Erkenntnisbedingungen vor der Erfahrung.