Vorlesung IX

• Mental Speed

• Nervenleitgeschwindigkeit (NCV, BNCV)

  • EP-Latenzen (EEG; BNCV

• String Length (EEG)

• Individuelle Unterschiede in Intelligenzleistungen bedeutsam durch (zentralnervös bedingte) Informationsverarbeitungsgeschwindigkeit beeinflusst

• Methodischer Zugang über sehr einfache kognitive Aufgaben (elementary cognitive tasks, ECT), die ohne Vorwissen und Strategien bearbeitet werden können und die Zerlegung in verschiedene Speed-Komponenten erlauben

• Mental Speed überlappt mit 10% relativ gering mit Intelligenz

  • Aber: liegt u.a. an der häufigen Verwendung studentischer Stichproben, die ggf. eine eingeschränkte Varianz in Mental Speed u./o. Intelligenz aufweisen (sich also in diesen Merkmalen nicht so stark unterscheiden)

  • bei repräsentativer Stichprobe steigt Korrelation auf .50!

• Zusammenhang von Mental Speed mit Intelligenztestleistung plausibel, da ja Tests mit Zeitbegrenzung durchgeführt werden

Intelligenztests ohne Zeitbegrenzung-> Korrelation mit Intelligenz auch dann feststellbar

• Bei Intelligenztests mit besonders hoher Ladung auf „g“ zeigen sich ebenfalls höhere Zusammenhänge mit mental speed als bei Tests mit geringerer g-Ladung

Fazit: Informationsverarbeitungsgeschwindigkeit (mental speed) steht in einem besonders engen Zusammenhang mit g

• Geschwindigkeit mit der elektrische Impulse entlang einzelner peripherer Nervenfasern und über Synapsen übertragen werden (periphere Nerve Conduction Velocity - NCV)

• Messung: elektrische Stimulation, mittels Oberlächenelektroden appliziert (häufig am Handgelenk)

  • z.B. am Ellenbogen, der Achsel werden die durch die Stimulation ausgelösten Aktionspotentiale mit Ableitelektroden erfasst

  • Auf Basis der Distanz zwischen Stimulations- und Ableitelektrode kann aus den Latenzen die Übertragungsgeschwindigkeit der Nerven berechnet werden (NCV)

• bereits in den 20er/30er Jahren wurden Hinweise auf positive Zusammenhänge zwischen Nervenleitgeschwindigkeit und Intelligenz gefunden

• Erste neuere Untersuchungen (Vernon & Mori, 1989, 1992) erfassten die NCV am Mediannerv des Arms in mehreren Studentenkohorten

  • NCV wurde mit Intelligenztestwerten und Reaktionszeit korreliert

-> Intelligentere Personen wiesen in diesen Experimenten eine höhere Nervenleitgeschwindigkeit und kürzerer Reaktionszeit auf

• für Messung der NCV ist keine kognitive oder sensorische Aktivität erforderlich!

  -> Messung erfolgte am peripheren Nervensystem und nicht am zentralen Nervensystem!

• Tierversuche zeigen genetisch interindividuell variierendes Aufkommen spezifischer Proteine, die am Aufbau und der Impulsübertragung von Neuronen generell beteiligt sind.

  • Aber: bis dato kein direkter Nachweis der Übertragbarkeit dieser Versuche auf den Menschen.

• EPs (Extrazelluläre polymere Substanzen) intelligenterer Personen weisen eine höhere EP-Komplexität auf

  • (d.h. eine größere Anzahl identifizierbarer EP Komponenten)

• String-Length-Hypothese: Menschen mit hohem IQ und damit komplexeren EPs weisen längere „EP-Schnur“ auf.

Geringerer Fehleranfälligkeit der axonalen und synaptischen Informationsübertragung in Gehirnen höher intelligenter Personen (Hendrickson & Hendrickson, 1980)

• Weniger verrauschte und damit stärker ausgeprägte bzw. komplexere EPs

• String-Length-Hypothese: Menschen mit hohem IQ und damit komplexeren EPs weisen längere „EP-Schnur“ auf.

• Aktuell zu heterogene Befundlage für einen bedeutsamen Zusammenhang zwischen String-Length und Intelligenz

Zerebraler Glukosemetabolismus:

• Je stärker Gehirn beansprucht wird, desto größer sein Energieverbrauch.

• Energieverlust muss durch erhöhten Glukose- Stoffwechsel ausgeglichen werden.

• PET-Untersuchung:

  • intravenöse Gabe eine Radiopharmakons (gelangt über Blutkreislauf ins Gehirn - wird dort von Zellen absorbiert und damit wird Energieverbrauch im Gehirn sichtbar)

• Methode: PET-Scan während der Bearbeitung von Ravens Advanced Progressive Matrices (APM)

• Ergebnis: signifikant negative Korrelation zwischen IQ und Glukosemetabolismus (r = -.48 und -.84, je nach Areal)

-> intelligente Menschen verbrauchen bei kognitiver Beanspruchung weniger „Energie“ und weisen eine geringere kortikale Aktivität auf als weniger intelligente Personen

-> weniger leuchten bei der Anzeige

Warum?

• Menschen mit einer höheren Intelligenz können ihr Gehirn effizienter nutzen, indem sie vorrangig nur jene kortikalen Areale aktivieren, die auch aufgabenrelevant sind, was zu einem niedrigeren Energieverbrauch des Gehirns führt

• Geringere kortikale Aktivität = höhere Alpha-Aktivität und fokussiertere Aktivierungsmuster bei höher-intelligenten Personen während der Lösung von Intelligenzaufgaben

• Intelligentere zeigen nicht lediglich schnellere, sondern v.a. effizientere Informationsverarbeitung (d.h. sie benötigen weniger Ressourcen für die gleiche Leistung)

• neurale Effizienz erfassbar mittels psychophysiologischer/bildgebender Methoden (z.B. EEG, PET)

• Neurale Effizienzhypothese gilt insbes. für frontale Bereiche/Areale des Gehirns.

• Bereichsspezifische Erfahrung kann mit effizienter(er) Informationsverarbeitung einhergehen.

-> Neurale Effizienzhypothese gilt insb. bei Aufgaben mit niedrig bis moderatem Schwierigkeitsgrad

• Neural Pruning

• Myelinisierung

• Hirnvolumen

• Neuronale Konnektivität

• Synaptische/neuronale Plastizität

Anzahl der Synapsen über die Lebensspanne ist nicht konstant. Post-mortem-Analysen:

• 1.-3. Lebensjahr: Entstehung vieler neuer Synapsen u. synaptischen Verknüpfungen. Maximale Dichte etwa im 3. Lebensjahr

• Starke Abnahme der synaptischen Dichte bis etwa zum 12. Lebensjahr „neurale Bereinigung“ (neural pruning): redundante Synapsen werden eliminiert.

• ab Beginn der Pubertät bleibt die Synapsenzahl weitgehend konstant, bis sie im höheren Alter (ab ca. 70 Jahren) erneut leicht abnimmt.

-> diese neuronale Bereinigung bezeichnet man als neural pruning

Hypothese: Effektivität des Prunings ist essentiell für die Entwicklung der späteren Intelligenz

• Intelligente Personen: besonders effizientes Pruning, nur notwendige synaptische Verbindungen bleiben erhalten

  -> Geringerer Energieverbrauch, fokussiertere Aktivierung = höhere neurale Effizienz

  -> Je intelligenter ein Mensch ist, desto weniger Dendriten besitzt er in der Großhirnrinde (Genç et al., 2018)

Annahme: „Stärke“ der Myelinisierung des ZNS beeinflusst die individuelle Intelligenz

• höhere Nervenleitungsgeschwindigkeit im Gehirn

• geringere Leitungsverluste

• weniger „cross talk“ („Übersprechen“ zwischen d. Neuronen, geringere Fehlerrate)

• = stünde im Einklang mit der neuralen Effizienz-Hypothese

• bewirkt/erfordert anatomisch „größere“ Gehirne...?

Hohe Intelligenz geht einher mit kurzen RTs in elementaren kognitiven Tests, geringerem Glucose-Metabolismus, sowie geringerer und stärker lokalisierter EEG-Aktivität (insb. im alpha Frequenzband)

• Vermutlich handelt es sich um ein pleiotropes Phänomen: „Gehirnvolumen und Intelligenz werden von gleichen Genen beeinflusst“

• Haier (2005): totales Hirnvolumen klärt etwa 16% in Messwerte der allgemeinen Intelligenz (g) auf.

• Insgesamt kann der Zusammenhang zwischen Hirnvolumen und Intelligenz (g) als weitgehend belegt angesehen werden!

• Aber: Frauen haben kleinere Gehirne als Männer, dennoch bestehen, wenn überhaupt, geringe IQ Unterschiede zwischen den Geschlechtern

Längsschnittstudie zeigt Zunahme der grauen Masse im posterioren Kortex und Hippocampus bei Medizinstudenten, die sich auf eine Prüfung vorbereiteten (MRT Messungen vor, direkt im Anschluss und 3 Monate nach der Prüfung)

• Verbindung zwischen den beiden Hirnhemisphären

• besteht beim Menschen aus rund 250 Millionen Nervenfasern

• besonders ausgeprägt bei Einstein im Vergleich zu Kontrollpersonen

• Individuelles neuronales Konnektivitätsprofil (intrinsic functional architecture, „koordinierte Aktivität zwischen Hirnarealen”)

• insb. Profil in frontalen und parietalen Hirnarealen kann reliabel zwischen Personen differenzieren und korreliert hoch mit Intelligenz (r = 0.5)

• Fähigkeit des Gehirns, sich neuen (Umwelt-) Anforderungen durch Wachstum und Neubildung von synaptischer und dendritischer Verknüpfungen strukturellfunktional (adaptiv) anzupassen.

  • These:

  • Durch qualitativ höherwertige Umweltstimulation hätten sich bei intelligenteren Personen adäquatere („more fine-tuned“) Neuronennetzwerke entwickelt.

potentielle Folge:

• schnellere Verarbeitung von Informationen bzw. größere mentale Geschwindigkeit (siehe kürzere RTs in elementaren kognitiven Aufgaben, ECTs)

• bessere Differenzierung zwischen Inputs, dadurch selektive Aktivierung aufgaben- spezifischer Hirnareale (= siehe neurale Effizienz-Hypothese)

-> Nachweis neuraler Plastizität in verschiedenen Hirnregionen des Menschen erbracht (insb. im Hippocampus (Lernen und Gedächtnis)). Für die Rolle neuraler Plastizität im Rahmen der Intelligenz ist indes weitere Forschung nötig.