Für Nicholas Strausfeld ist ein winziges Gehirn eine wunderschöne Sache. In seiner 35-jährigen Karriere hat der Neurobiologe von der University of Arizona in Tucson die winzigen Hirnstrukturen von Schaben, Wasserwanzen, Samtwürmern, Salinenkrebsen und Dutzenden anderer wirbelloser Tiere untersucht. Mit Mikroskopen, Pinzetten und selbstgebauter Elektronik zerlegen er und seine Doktoranden – ganz behutsam – Zelle für Zelle die Funktionsweise von Gehirnstrukturen, die so groß sind wie einige Salzkörner. Aus dieser mühsamen Analyse zieht Strausfeld den Schluss, dass Insekten „die ausgeklügeltsten Gehirne auf diesem Planeten“ besitzen.

Strausfeld und seine Studenten sind mit ihrer Hingabe nicht allein. Bruno van Swinderen, Forscher am Neurosciences Institute (NSI) in San Diego, findet Hinweise auf höhere kognitive Funktionen bei Insekten – Hinweise auf das, was eine wissenschaftliche Zeitschrift als „die fernen Wurzeln des Bewusstseins“ bezeichnete.

„Viele Leute würden die Vorstellung, dass Insekten Gehirne haben, die in irgendeiner Weise mit denen von Primaten vergleichbar sind, abtun“, fügt Strausfeld hinzu. „Aber man muss an die Prinzipien denken, nach denen ein Gehirn aufgebaut ist, und diese Prinzipien sind wahrscheinlich universell.“

Die Ergebnisse sind umstritten. „Die Beweise, die ich bisher gesehen habe, haben mich nicht überzeugt“, sagt Gilles Laurent, ein Neurowissenschaftler am Caltech. Aber einige Forscher ziehen Möglichkeiten in Betracht, die die meisten Laienbeobachter schockieren würden. „Wir haben buchstäblich keine Ahnung, auf welcher Ebene der Gehirnkomplexität das Bewusstsein aufhört“, sagt Christof Koch, ein weiterer Neurowissenschaftler am Caltech. „Die meisten Leute sagen: ‚Um Himmels willen, ein Käfer hat kein Bewusstsein‘. Aber woher wissen wir das? Wir sind uns nicht mehr sicher. Ich töte keine Käfer mehr unnötig.“

Heinrich Reichert von der Universität Basel in der Schweiz interessiert sich immer mehr für „die Verwandtschaft aller Gehirne“. Reicherts eigene Studien über den Ursprung des Gehirns führen zu einem wenig bekannten Vorfahren, einem bescheidenen Lebewesen namens Urbilateria, das sich vor fast einer Milliarde Jahren schlängelte und schwamm. Als Großvater aller zweiseitig symmetrischen Tiere ist Urbilateria der Vorfahre von Spinnen, Schnecken, Insekten, Amphibien, Fischen, Würmern, Vögeln, Reptilien, Säugetieren, Krebsen, Muscheln – und ja, auch des Menschen.

Es gibt natürlich gute Gründe, Insektengehirne als primitiv zu betrachten – zumindest quantitativ gesehen. Der Mensch verfügt über 100.000.000.000 Gehirnzellen. Eine Kakerlake hat fast 1.000.000 Gehirnzellen, eine Fruchtfliege nur 250.000. Dennoch verfügen die Insekten über ein beeindruckendes Informationsmanagement: Sie packen Neuronen 10 Mal dichter in ihr Gehirn als Säugetiere. Außerdem nutzen sie jede Gehirnzelle flexibler als Säugetiere. Mehrere weit verzweigte Ranken eines einzigen Neurons können jeweils unabhängig voneinander agieren, was die Rechenleistung erhöht, ohne die Anzahl der Zellen zu erhöhen. Dank dieser Schaltkreise kann sich eine Honigbiene mit kaum einer Million Neuronen an Bord sechs Meilen von ihrem Bienenstock entfernen, Nahrung finden und auf direktem Weg nach Hause fliegen. Nur wenige Menschen könnten das Gleiche tun, selbst wenn sie eine Karte und einen Kompass hätten.

Oberflächlich betrachtet sehen die Gehirne von Insekten und Säugetieren überhaupt nicht gleich aus. Erst wenn man die Verbindungen von Zelle zu Zelle untersucht, wird die verblüffende Ähnlichkeit deutlich. An einem Nachmittag zeigt mir Christopher Theall, einer von Strausfelds Doktoranden, seinen eigenen Versuchsaufbau, um einen Teil des Kakerlakengehirns anzuzapfen, der als Pilzkörper bekannt ist. Man nimmt an, dass diese pilzförmige Hirnstruktur dem Hippocampus der Säugetiere entspricht, einer Hirnkomponente, die an der Bildung von Erinnerungen an Orte beteiligt ist.

„Wir versuchen“, sagt Theall, als wir ein enges Labor betreten, „die Techniken, die bei Ratten- und Primatengehirnen angewandt wurden, zu verkleinern – auf ein Gehirn, das ein Tausendstel so groß ist.“

Thealls Versuchsapparat ruht auf einem Tisch, der auf vibrationsabsorbierender Druckluft schwebt. Selbst ein rasselnder Wagen im Flur könnte das Experiment stören. Da Theall Nervenimpulse aufzeichnen muss, die nur ein ^1/10.0000 eines Volt betragen, ist der Tisch von einem Käfig umgeben, der elektromagnetische Störungen durch die Beleuchtung des Raums abschirmt. Unter dem Mikroskop, mit einer Pinzette, ruhigen Händen und angehaltenem Atem formt Theall Kupferdraht, der nur den doppelten Durchmesser eines roten Blutkörperchens hat, zu Elektroden, die er in das Gehirn der Kakerlake einführen wird.

„Sie sind zerbrechlich“, sagt er. „Selbst ein Luftzug von einer sich öffnenden Tür kann ein paar Stunden Arbeit zunichte machen.“

Gepaarte Strukturen, so genannte Pilzkörper, im Gehirn einer Schabe spielen eine Schlüsselrolle bei der Navigation.

Nach 20 Stunden Vorbereitung ist Theall bereit, das Experiment durchzuführen. Während er in das Mikroskop blickt, dreht er an einem Knopf und versenkt die Elektrode im Gehirn der Schabe, bis sie in einem der Pilzkörper sitzt. Während des Experiments trainiert Theall die Kakerlake darauf, sich eine Belohnung zu verdienen: Wenn das Insekt seine Antenne auf bestimmte Orientierungspunkte richtet, erhält es einen aufregenden Hauch von Erdnussbuttergeruch. Theall will die Neuronen abhören, um festzustellen, wie sie zum Erlernen der Lage dieser Orientierungspunkte beitragen.

Der letzte Schritt des Experiments – das Sezieren des Pilzkörpers – ermöglicht es Theall, die zwei oder drei Zellen zu sehen, die er überwacht hat. Da die Zellen das von der Elektrode freigesetzte Kupfer absorbiert haben, kann er sie von den 200.000 anderen Gehirnzellen im Pilzkörper unterscheiden. Dann zeichnet Theall die Struktur jeder Zelle mit Stift, Papier und einem Lichtkasten nach. Das ist so, als würde man eine knorrige Eiche bis auf den letzten Zweig zeichnen, und die Rekonstruktion einer einzigen Zelle kann zwei Tage dauern. Theall, ein typischer Student in Strausfelds Labor, wird Hunderte solcher Experimente durchführen, bevor er seinen Doktortitel erlangt.

Theall und Strausfeld wissen nie, welche der Zehntausenden von Zellen sie treffen werden, wenn sie den Pilzkörper einer Schabe anzapfen. Indem sie das Experiment immer wieder wiederholen, können sie sich jedoch ein Bild davon machen, welche Zelltypen es gibt, wie diese Zellen bei Aufgaben des Ortsgedächtnisses funktionieren und welche Verbindungen sie mit anderen Zellen bilden. Zelle für Zelle hoffen sie, die Schaltkreise der Struktur zusammensetzen zu können.

Bei einem Gespräch in seinem Büro skizziert Strausfeld einen Pilzkörper und weist auf mehrere Parallelen zum Hippocampus hin, dem Gehirnzentrum, das bei Säugetieren für Gedächtnis und Ortsbestimmung zuständig ist. Die Basis besteht aus Tausenden von parallelen Nervenfasern, die wie die Maserung eines Holzstücks zusammenlaufen. Weiter oben von der Basis aus senden die Fasern Verbindungen in Schleifen aus, die wie die Griffe eines Autobahnkreuzes aussehen; diese Form hat diesem Teil des Gehirns den Namen „Pilzkörper“ eingebracht. Die Verbindungen treffen weiter oben, in der Nähe des Kopfes, wieder auf die Fasern. Strausfeld vermutet, dass diese verschlungenen Pfade zusammenhängende Informationen zusammenführen, so wie die Sehenswürdigkeiten und Gerüche verschiedener Orte, denen eine Kakerlake auf ihrem Weg von und zu ihrem Zuhause nacheinander begegnet.

„Die Geometrie der Struktur“, sagt er, „erinnert so seltsam an den Hippocampus.“ Strausfeld und andere suchen nach Hinweisen darauf, ob die Ähnlichkeiten auf eine tiefe und uralte Verwandtschaft zurückzuführen sind oder einfach auf analoge Lösungen, die sich unabhängig voneinander entwickelt haben, um das Überleben zu sichern.

In seinem unterirdischen Labor am Neurosciences Institute beobachtet van Swinderen eine Fliege, die in einem Miniatur-IMAX-Kino hängt. Damit soll der Fokus der Aufmerksamkeit im Gehirn der Fliege überwacht werden. Ein LED-Bildschirm wird um die Fliege gewickelt und zeigt eine Folge von blinkenden Objekten vor ihren Augen an, jeweils zwei Objekte auf einmal. Im Moment sind es ein X und ein Quadrat. Das X flackert 12 Mal pro Sekunde und das Quadrat 15 Mal pro Sekunde.

Van Swinderen hat eine Elektrode in das Gehirn der Fliege eingeführt, um ihre neuronale Aktivität zu überwachen. Die zackigen Hirnströme, die durch die Elektrode fließen, laufen über einen Computerbildschirm. Tief im Gewirr der zerklüfteten Spitzen befinden sich zwei winzige Signale: eine Welle, die 12-mal pro Sekunde ansteigt und abfällt, und eine andere, die 15-mal pro Sekunde ansteigt und abfällt. Diese beiden Wellen werden von Tausenden von Gehirnzellen erzeugt, die auf die beiden flackernden Objekte reagieren. Je mehr Zellen gleichzeitig auf ein bestimmtes Objekt feuern, desto höher ist die entsprechende Welle. Indem er feststellt, welche Welle höher ist, kann van Swinderen feststellen, auf welches Ziel die Fliege mehr Aufmerksamkeit richtet.

Van Swinderen zieht es vor, es „Aufmerksamkeit“ statt „Aufmerksamkeit“ zu nennen, weil er nicht andeuten will, dass Fliegen bewusst sind. Aber wie auch immer dieser Wahrnehmungsfokus genannt wird, seine Entdeckung bei der Fliege hat große Auswirkungen auf das Verständnis der Wurzeln des Bewusstseins beim Menschen. Jede Sekunde werden wir von sensorischen Informationen aus unseren Augen, Ohren, der Nase und jedem Zentimeter unserer Haut überflutet. Der umherschweifende Scheinwerfer der Aufmerksamkeit – unser geistiges Auge – bestimmt, welchen winzigen Bruchteil dieses Zustroms wir tatsächlich in unser Bewusstsein aufnehmen und möglicherweise als Erinnerung abspeichern.

Van Swinderen zeichnet häufig Gehirnströme gleichzeitig an drei Stellen in einer großen Insektenhirnregion namens mediales Protocerebrum auf. Auf den ersten Blick scheinen die zusammengewürfelten Wellen aus diesen Bereichen so unterschiedlich zu sein wie die Klänge von Mozart, den Sex Pistols und tuwinischem Kehlkopfgesang. Solange die Fliege jedoch aufmerksam ist und sich mit etwas beschäftigt, gibt es innerhalb dieses Durcheinanders einen Chor von Neuronen, die dasselbe Wellenmuster in allen drei Bereichen gemeinsam erklingen lassen. Dieses Wellenmuster steht für die Sache, mit der sich die Fliege beschäftigt, und wenn sich ihre Aufmerksamkeit von einer Sache zu einer anderen verschiebt, ändert sich auch das Wellenmuster. Van Swinderen kann den Refrain erkennen, weil er sein Experiment mit seinem kleinen IMAX-Kino sorgfältig konzipiert hat, um zu bestimmen, worauf die Fliege ihre Aufmerksamkeit richtet. Es ist eine schöne Illustration der Aufmerksamkeit: jedes Neuron singt das gleiche Lied – das Lied des Quadrats.

„Aufmerksamkeit“, sagt van Swinderen, „ist ein Phänomen des ganzen Gehirns. Eine Sache ist nicht rein visuell, nicht rein olfaktorisch. Es ist eine Verbindung von verschiedenen Teilen, die für uns eine Sache bedeuten. Warum kann der Mechanismus der Fliege nicht auf eine Abfolge von Erinnerungen ausgerichtet sein?“, fragt er. „Das ist für mich nur einen Katzensprung von dem entfernt, was Bewusstsein sein könnte.“ Der Unterschied zwischen den Erinnerungen einer Fliege und eines Menschen könnte eine Frage des Grades sein. Der Mensch kann viel mehr Erinnerungen speichern und daher eine ausgefeiltere persönliche Erzählung über seine Vergangenheit und Gegenwart aufrechterhalten. Aber van Swinderen glaubt, dass „es genau derselbe Mechanismus in einer Fliege und einem Menschen sein könnte“. Obwohl es noch keine Beweise für eine der beiden Möglichkeiten gibt, könnte das Ergebnis Bewusstsein sein.

„Wahrscheinlich ist das, was Bewusstsein erfordert“, sagt Koch vom Caltech, „ein ausreichend kompliziertes System mit massiven Rückkopplungen. Insekten haben das. Wenn man sich die Pilzkörper ansieht, sind sie massiv parallel und haben Rückkopplung.“

Chemische Hinweise bestätigen, dass zumindest einige grundlegende Gehirnprozesse bei Menschen und Insekten gleich sind. Van Swinderen und Rozi Andretic, ein Neurowissenschaftler am NSI, haben herausgefunden, dass mutierte Fliegen, die zu wenig des Neurotransmitters Dopamin produzieren, eine gestörte Aufmerksamkeitsreaktion aufweisen. Füttert man die mutierten Fliegen mit Methamphetamin – einer Chemikalie, die mit Medikamenten zur Behandlung der Aufmerksamkeitsdefizit-/Hyperaktivitätsstörung verwandt ist – wird der Dopaminmangel behoben und die Aufmerksamkeit der Fliegen normalisiert sich. Gibt man jedoch einer normalen Fliege Methamphetamin, kann sie nicht so gut aufpassen. „Ähnliche Mechanismen gibt es bei Wirbeltieren und Fliegen“, erklärte Andretic. „Sie brauchen optimale Dopaminkonzentrationen, und wenn sie zu wenig oder zu viel davon haben, sind sie beeinträchtigt.“ Sowohl beim Menschen als auch bei der Fliege können Dopamin freisetzende Zellen dabei helfen, weit entfernte Hirnregionen zu koordinieren, die am Phänomen der Aufmerksamkeit beteiligt sind.

Wenn man bedenkt, dass die Neuronen selbst im gesamten Tierreich auffallend ähnlich sind, beginnt das Ganze Sinn zu machen. „Man hat die gleichen Grundbausteine für Wirbeltiere und Wirbellose“, sagt Strausfeld, „und es gibt bestimmte Möglichkeiten, diese Bausteine zusammenzusetzen.“ Als es also darum ging, ein Gehirnzentrum wie den Hippocampus zu bauen, das Orte erkennen kann, gab es vielleicht nur eine Möglichkeit, diese eigenartigen Neuronen so zu verdrahten, dass sie ihre Aufgabe erfüllen konnten – und die Evolution kam mehrmals unabhängig voneinander zu dieser Lösung, genauso wie sich die genetischen Anweisungen für Flügel mehrmals in verschiedenen Abstammungslinien entwickelten.

Die noch verblüffendere Möglichkeit ist, dass sich das Gehirn nur einmal in der Geschichte des Lebens entwickelt haben könnte. Entfernte Cousins – Kakerlaken und Menschen – könnten den grundlegenden Bauplan von einem gemeinsamen Vorfahren geerbt haben, dem Urbilateria, dem letzten gemeinsamen Urahn aller zweiseitig symmetrischen Tiere. Es sind keine Fossilien dieses Lebewesens bekannt, aber anhand von Schätzungen, wie lange es dauerte, bis die DNA-Sequenzen von Fliegen und Mäusen voneinander abwichen, schätzen Genetiker, dass Urbilateria vor 600 Millionen bis 1 Milliarde Jahren lebte.

In Analogie zu den heutigen wirbellosen Meerestieren glauben einige Wissenschaftler, dass Urbilateria sich als Erwachsener auf dem Meeresboden eingegraben hat und als Larve schwamm, mit einfachen Augen wie bei vielen lebenden Meereslarven.

Anhaltspunkte für den Bauplan des Gehirns von Urbilateria stammen aus der Untersuchung der Embryonalentwicklung von heute lebenden Kreaturen. Detlev Arendt, Evolutionsbiologe am Europäischen Laboratorium für Molekularbiologie in Heidelberg, hat bei Embryonen von Mäusen und Fruchtfliegen festgestellt, dass sich die Zellen, die an der Bildung des Gehirns und des Nervenstrangs beteiligt sind, in drei Zellsäulen teilen. Zumindest einige der Gene, die die Spaltenbildung steuern, sind bei Fliegen und Mäusen identisch. „Dieses Muster ist so spezifisch“, sagt Arendt, „dass der letzte gemeinsame Vorfahre diese drei Spalten gehabt haben muss.“

Heinrich Reichert von der Universität Basel hat eine weitere auffällige Ähnlichkeit entdeckt. Während des Embryonalwachstums löst ein Gen, das sowohl bei Fliegen als auch bei Mäusen (und damit auch beim Menschen) ähnlich ist, die Teilung des Gehirns in ein vorderes, mittleres und hinteres Segment aus. Mäuse, denen das Gen fehlt, entwickeln schwere Hirnanomalien. Wenn man jedoch die Fliegenversion des Gens in diese mutierten Mäuse einpflanzt, werden die meisten dieser Anomalien korrigiert. „Dies zeigt“, so Reichert, „eine tiefe Verwandtschaft der Gehirne von Fliegen, Fischen, Mäusen und Menschen, die man bei einer oberflächlichen Betrachtung der Anatomie sicher nicht erwartet hätte.“

Natürlich wirken diese Gene schon früh, während der Embryo noch primitiv ist. So könnte Urbilateria sie besessen haben und trotzdem fast kein Gehirn gehabt haben. Die endgültige Antwort wird sich aus der Identifizierung und dem Vergleich Dutzender weiterer Insekten- und Säugetiergene ergeben. Von besonderem Interesse sind diejenigen, die an der Bildung komplexer Strukturen beteiligt sind, die eine ähnliche Rolle spielen, wie Pilzkörper und der Hippocampus.

„Die Millionen-Dollar-Frage“, sagt Strausfeld, „wäre, ob die Gene, die an der Entwicklung dieser Strukturen beteiligt sind, von Maus und Fliege gemeinsam genutzt werden. Das wäre natürlich aufregend.“