Auf dem Weg zu einer grundlegenden Theorie des Bewusstseins

Der Ursprung und die Natur bewusster Erfahrungen – manchmal werden sie mit dem lateinischen Wort qualia bezeichnet – waren für uns ein Rätsel seit der frühen Antike bis in die jüngste Zeit. Viele Bewusstseinsphilosophen, darunter auch moderne, halten die Existenz des Bewusstseins für einen unzulässigen Widerspruch zu dem, was ihrer Meinung nach die Welt aus Materie und Leere ist, und erklären es zur Illusion. Mit anderen Worten, sie leugnen entweder die Existenz von qualia im Prinzip oder behaupten, dass man sie mit wissenschaftlichen Mitteln nicht sinnvoll untersuchen kann.

Wäre diese Aussage wahr – dieser Artikel wäre sehr kurz. Und unterhalb des Beitrags wäre nichts. Aber dort gibt es etwas...

Wenn das Bewusstsein mit wissenschaftlichen Mitteln nicht zu verstehen wäre, müsste man nur erklären, warum Sie, ich und fast alle anderen so überzeugt sind, dass wir überhaupt Gefühle haben. Ein schmerzender Zahn hat jedoch bei mir eine Schwellung verursacht. Ein ausgeklügeltes Argument, das bezweckt, mich davon zu überzeugen, dass mein Schmerz illusorisch ist, wird mich kein Stück von diesen Qualen befreien. Ich habe kein Mitleid mit einer solchen aussichtslosen Deutung der Beziehung zwischen Geist und Körper, weshalb ich wohl fortfahren werde.

Bewusstsein ist alles, was du fühlst (auf der Grundlage von Informationen von den Sinnesorganen) und dann erlebst (durch Wahrnehmung und Verständnis).

Eine Melodie, die im Kopf feststeckt, der Geschmack eines Schokoladendesserts, bohrende Zahnschmerzen, die Liebe zu einem Kind, abstraktes Denken und das Bewusstsein, dass einmal allen Empfindungen ein Ende gesetzt wird.

Wissenschaftler nähern sich allmählich der Lösung des Rätsels, das Philosophen lange beschäftigt hat. Der Höhepunkt dieser wissenschaftlichen Forschungen wird eine strukturierte Arbeitstheorie des Bewusstseins sein. Das auffälligste Beispiel für die Anwendung dieser Theorie ist vollwertige KI (dies schließt die Möglichkeit aus, dass KI ohne Bewusstseinstheorie entwickelt wird, basierend auf bereits vorhandenen empirischen Ansätzen in der KI-Entwicklung)

Die meisten Wissenschaftler betrachten das Bewusstsein als Gegebenheit und streben danach, seine Beziehung zur objektiven Welt zu verstehen, die von der Wissenschaft beschrieben wird. Vor einem Vierteljahrhundert beschlossen Francis Crick und andere kognitive Neurowissenschaftler philosophische Diskussionen über das Bewusstsein (die die Wissenschaftler mindestens seit der Zeit Aristoteles beschäftigt haben) beiseite zu legen und stattdessen die physischen Spuren seiner Existenz zu suchen.

Was genau in dem äußerst erregbaren Teil der Gehirnsubstanz erzeugt Bewusstsein? Wenn Wissenschaftler dies herausfinden, können sie hoffen, einer grundlegenderen Frage näher zu kommen.
Insbesondere suchen Neurobiologen nach neuronalen Korrelaten des Bewusstseins (NKB) — den kleinsten neuronalen Mechanismen, die zusammen ausreichen, um irgendeine spezifische bewusste Erfahrung in den Empfindungen zu erzeugen.

Was muss im Gehirn passieren, damit Sie beispielsweise Zahnschmerzen verspüren? Müssen sich bestimmte Nervenzellen mit einer gewissen magischen Frequenz bewegen? Müssen spezielle „Bewusstseinsneuronen“ aktiviert werden? Wo im Gehirn könnten sich solche Zellen befinden?

Neuronale Korrelate des Bewusstseins

Im Begriff NKB ist die Einschränkung „minimal“ wichtig. Denn das Gehirn als Ganzes kann als NKB betrachtet werden — es erzeugt Tag für Tag Empfindungen. Und das genaue Areal lässt sich noch präziser bezeichnen. Nehmen wir das Rückenmark — ein 46 cm langer flexibler Schlauch aus Nervengewebe im Inneren der Wirbelsäule, der etwa eine Milliarde Nervenzellen enthält. Wenn das Rückenmark durch eine Verletzung bis zum Hals vollständig beschädigt wird, sind die Beine, Arme und der Rumpf des Verletzten gelähmt, er kann seinen Darm und die Blase nicht kontrollieren und ist seiner körperlichen Empfindungen beraubt. Dennoch nehmen solche Gelähmten das Leben in seiner ganzen Vielfalt wahr: Sie sehen, hören, riechen, empfinden Emotionen und erinnern sich so gut wie vor dem tragischen Vorfall, der ihr Leben grundlegend verändert hat.

Oder nehmen wir das Kleinhirn — das „kleine Gehirn“ im hinteren Teil des Gehirns. Dieses Gehirnsystem, eines der ältesten im evolutionären Sinne, ist an der Kontrolle der Motorik, der Körperhaltung und des Gehens beteiligt und verantwortlich für das geschickte Ausführen komplexer Bewegungsfolgen.
Klavier spielen, auf einer Tastatur tippen, Eiskunstlauf oder Klettern — bei all diesen Aktivitäten wird das Kleinhirn beansprucht. Es enthält die bekanntesten Neuronen, die Purkinje-Zellen, die Tentakel haben, die sich wie ein Meeresfächer bewegen, und eine komplexe elektrische Dynamik in sich tragen. Außerdem enthält das Kleinhirn die größte Anzahl von Neuronen, etwa 69 Milliarden (hauptsächlich handelt es sich um sternförmige Kleinhirn-Labrozyten) — viermal mehr, als wäre das gesamte Gehirn zusammengefasst (merken Sie sich das - es ist ein wichtiger Punkt).

Was passiert mit dem Bewusstsein, wenn eine Person infolge eines Schlaganfalls oder unter dem Messer eines Chirurgen teilweise das Kleinhirn verliert?

Eigentlich nichts Kritisches für das Bewusstsein!

Patienten mit einer solchen Schädigung klagen über einige Probleme, wie weniger flüssiges Klavierspielen oder weniger geschicktes Tippen auf der Tastatur, aber niemals über den vollständigen Verlust eines Aspekts ihres Bewusstseins.

Die detaillierteste Untersuchung zu den Auswirkungen von Kleinhirnschäden auf die kognitiven Funktionen wurde umfassend im Kontext von dem postinsultiven Kleinhirn-affektiven Syndromstudiert. Doch selbst in diesen Fällen wurden neben den oben genannten koordinativen und räumlichen Problemen nur nicht-kritische Störungen der exekutiven Aspekte der Kontrolle festgestellt, die sich durch Perseverationen, Ablenkbarkeit und eine leicht reduzierte Lernfähigkeit charakterisieren.

Der umfangreiche Kleinhirnapparat hat nichts mit subjektiven Erfahrungen zu tun. Warum? Ein wichtiger Hinweis ist sein neuronales Netzwerk - es ist durchweg einheitlich und parallel.

Das Kleinhirn ist praktisch eine vollständig direkte Verteilungsschaltung: Eine Reihe von Neuronen speist die nächste, die wiederum die dritte beeinflusst. Es gibt keine Rückkopplungsschleifen, die innerhalb der elektrischen Aktivität hin und her schwingen würden. Darüber hinaus ist das Kleinhirn funktional in Hunderten, wenn nicht mehr, unabhängiger Rechenmodule unterteilt. Jedes von ihnen arbeitet parallel mit separatem und nicht überlappendem Eingangs- und Ausgangssystem, das Bewegungen oder verschiedene motorische oder kognitive Systeme steuert. Sie interagieren kaum miteinander, während es im Fall des Bewusstseins eine weitere unverzichtbare Eigenschaft ist.

Eine wichtige Lehre, die aus der Analyse des Rückenmarks und des Kleinhirns gezogen werden kann, ist, dass das Genie des Bewusstseins nicht einfach an irgendeinem Ort der Erregung von Nervengewebe entsteht. Etwas anderes ist notwendig. Dieser zusätzliche Faktor liegt in der grauen Substanz, die die berüchtigte Großhirnrinde bildet - ihre äußere Oberfläche. Alle verfügbaren Daten deuten darauf hin, dass an der Entstehung von Empfindungen neokortikale Gewebe beteiligt sind.

Man kann den Bereich der Lage des Bewusstseins noch stärker eingrenzen. Nehmen wir zum Beispiel Experimente, bei denen das rechte und das linke Auge verschiedenen Reizen ausgesetzt werden. Stellen Sie sich vor, dass das Foto eines „Lada Priora“ nur für Ihr linkes Auge sichtbar ist, während das Bild eines „Tesla S“ nur für das rechte. Man könnte annehmen, dass Sie ein neues Auto sehen, das durch die Überlagerung von Lada und Tesla entsteht. In Wirklichkeit werden Sie jedoch für einige Sekunden den Lada sehen, dann wird er verschwinden und der Tesla wird erscheinen — und dann wird er verschwinden, und der Lada wird erneut erscheinen. Die beiden Bilder werden in einem endlosen Tanz miteinander wechseln — Wissenschaftler nennen das binokulares Wettstreit oder Wettbewerb der Netze. Das Gehirn erhält mehrdeutige Informationen von außen und kann sich nicht entscheiden: Ist es ein Lada oder ein Tesla?

Wenn Sie dabei in einem Tomographen liegen, der die Gehirnaktivität registriert, bestätigen die Wissenschaftler die Aktivität in einem breiten Spektrum corticaler Zonen, die gemeinsam als „hintere heiße Zone“ (posterior hot zone) bezeichnet werden. Dies sind die Scheitel-, Hinterhaupt- und Schläfenbereiche des hinteren Teils der Hirnrinde, die eine äußerst wichtige Rolle bei der Verfolgung dessen spielen, was wir sehen.

Interessanterweise reflektiert der primäre visuelle Kortex, der die von den Augen empfangenen Informationen erhält und überträgt, nicht das, was die Person sieht. Eine ähnliche Arbeitsteilung zeigt sich auch im Fall von Hören und Fühlen: Der primäre Hör- und primäre somatosensorische Kortex trägt nicht direkt zum Gehalt des hörbaren und somatosensorischen Erlebens bei. Das bewusste Wahrnehmen (einschließlich der Bilder von Lada und Tesla) erzeugt die nachfolgenden Verarbeitungsstufen — in der hinteren heißen Zone.

Es zeigt sich, dass visuelle Bilder, Geräusche und andere Lebensgefühle im Bereich der hinteren Hirnrinde entstehen. Soweit Neurobiologen urteilen können, haben fast alle bewussten Erfahrungen ihren Ursprung genau dort.

Bewusstseinszähler

Für Operationen werden beispielsweise Patienten narkotisiert, damit sie sich nicht bewegen, stabilen Blutdruck halten, keine Schmerzen empfinden und später keine traumatischen Erinnerungen haben. Leider gelingt es nicht immer, dies zu erreichen: Jedes Jahr befinden sich Hunderte von Patienten unter Narkose in einem mehr oder weniger bewussten Zustand.

Eine andere Kategorie von Patienten mit schweren Hirnschäden aufgrund von Trauma, Infektionen oder schwerer Vergiftung kann jahrelang bestehen, ohne die Möglichkeit zu haben, zu sprechen oder auf Ansprache zu reagieren. Zu beweisen, dass sie das Leben empfinden, ist eine äußerst schwierige Aufgabe.

Stellen Sie sich einen im Universum verloren gegangenen Astronauten vor, der den Versuchen der Flugleitstelle zuhört, mit ihm in Kontakt zu treten. Das defekte Radio überträgt seine Stimme nicht, weshalb die Welt ihn für vermisst hält. So könnte man die ausweglose Situation von Patienten beschreiben, deren geschädigtes Gehirn sie vom Kontakt zur Welt abgeschnitten hat – eine Art extremste Form der Einzelhaft.

Anfang der 2000er Jahre wandten Julio Tononi von der Universität Wisconsin-Madison und Marcello Massimini erstmals eine Methode an, die zap and zip, um festzustellen, ob ein Mensch bewusst ist oder nicht.

Die Wissenschaftler legten eine Spule mit Drähten auf den Kopf und schickten einen Schlag Strom (zap) – eine starke Ladung magnetischer Energie, die einen kurzfristigen elektrischen Strom verursachte. Dies aktivierte und hemmte die Partnerzellen der Neuronen in den verbundenen Bereichen der Schaltkreise, und die Welle resonierte über die Hirnoberfläche, bis die Aktivität abebbte.

Ein Netzwerk von am Kopf befestigten Elektroenzephalografie-Sensoren zeichnete elektrische Signale auf. Mit der allmählichen Verbreitung der Signale wurden ihre Spuren, von denen jede einem bestimmten Punkt unter der Schädeloberfläche entsprach, in einen Film umgewandelt.

Die Aufzeichnungen zeigten kein typisches Muster – waren jedoch auch nicht völlig zufällig.

Interessanterweise war der höhere Vorhersagbarkeitsgrad der aufblitzenden und abklingenden Rhythmen mit einer höheren Wahrscheinlichkeit verbunden, dass das Gehirn sich in einem unbewussten Zustand befand. Die Wissenschaftler quantifizierten diese Hypothese, indem sie die Videodaten mithilfe eines Algorithmus komprimierten, mit dem computerdateien im ZIP-Format archiviert werden. Die Kompression ergab eine Schätzung der Komplexität der Gehirnreaktionen. Freiwillige, die bei Bewusstsein waren, zeigten einen "Komplexitätsindex der Störungen" von 0,31 bis 0,70, wobei der Index unter 0,31 fiel, wenn sie sich im Tiefschlaf oder unter Narkose befanden.

Dann testete das Team zip and zap an 81 Patienten, die sich in minimalem Bewusstsein oder für nicht zurechnungsfähig hielten (im Koma). In der ersten Gruppe, die einige Anzeichen von reflexlosem Verhalten zeigte, zeigte die Methode korrekt, dass 36 von 38 bei Bewusstsein waren. Von 43 Patienten im "Gemüszustand", mit denen Angehörige am Krankenbett nie kommunizieren konnten, wurden 34 in die Kategorie der Bewusstlosen eingestuft, und neun nicht. Ihr Gehirn reagierte ähnlich wie das von denen, die bei Bewusstsein waren, was bedeutete, dass sie ebenfalls bei Bewusstsein waren, aber nicht in der Lage, mit ihren Angehörigen zu kommunizieren.

Aktuelle Studien zielen darauf ab, die Methodik für neurologische Patienten zu standardisieren und zu verbessern sowie diese auf Patienten in psychiatrischen und pädiatrischen Abteilungen auszudehnen. Im Laufe der Zeit werden die Wissenschaftler einen spezifischen Satz von neuronalen Mechanismen identifizieren, die Erfahrungen hervorrufen.

Im Großen und Ganzen benötigen wir eine überzeugende wissenschaftliche Theorie des Bewusstseins, die die Frage beantwortet, unter welchen Bedingungen ein bestimmtes physikalisches System - sei es ein komplexer Neuronenverbund oder Siliziumtransistoren - Empfindungen hat. Und warum unterscheidet sich die Qualität der Erfahrungen? Warum fühlt sich ein reiner blauer Himmel anders an als das Kratzen einer schlecht eingestellten Geige? Gibt es für diese Unterschiede in den Empfindungen eine bestimmte Funktion? Wenn ja, welche? Die Theorie würde es ermöglichen, vorherzusagen, welche Systeme in der Lage sein werden, etwas zu fühlen. In Ermangelung einer Theorie mit überprüfbaren Vorhersagen basiert jede Schlussfolgerung über das Bewusstsein von Maschinen ausschließlich auf unserem inneren Gefühl, auf das, wie die Geschichte der Wissenschaft gezeigt hat, man vorsichtig vertrauen sollte.

Eine der Haupttheorien des Bewusstseins ist die Theorie des globalen neuronalen Arbeitsraums (GWT), die vom Psychologen Bernard Baars und den Neurowissenschaftlern Stanislas Dehaene und Jean-Pierre Changeux aufgestellt wurde.

Zunächst behaupten sie, dass, wenn ein Mensch etwas bewusst wahrnimmt, auf diese Informationen verschiedene Bereiche des Gehirns zugreifen. Während, wenn eine Person unbewusst handelt, die Informationen in einem bestimmten sensorisch-motorischen System lokalisiert werden. Zum Beispiel, wenn Sie schnell tippen, tun Sie dies automatisiert. Wenn Sie gefragt werden, wie Sie das tun, werden Sie nicht in der Lage sein, zu antworten, da Ihr Zugang zu diesen Informationen begrenzt ist, was in den Nervenbahnen lokalisiert ist, die die Augen mit den schnellen Fingerbewegungen verbinden.

Die globale Zugänglichkeit erzeugt nur einen einzigen Bewusstseinsstrom, denn wenn ein Prozess allen anderen Prozessen zugänglich ist, dann ist er für sie alle zugänglich – alles steht in Beziehung zueinander. So wird der Mechanismus zur Unterdrückung alternativer Bilder umgesetzt.
Eine solche Theorie erklärt gut verschiedene psychische Störungen, bei denen Störungen einzelner funktionaler Zentren, verbunden mit Mustern neuronaler Aktivität (oder einer ganzen Gehirnregion), Verzerrungen im allgemeinen Fluss des „Arbeitsraums“ verursachen, wodurch das Bild im Vergleich zu einem „normalen“ Zustand (einer gesunden Person) verzerrt wird.

Auf dem Weg zu einer fundamentalen Theorie

Die Theorie des „GWT“ behauptet, dass das Bewusstsein aus einer speziellen Art der Informationsverarbeitung entsteht: sie ist uns seit der Geburt der KI bekannt, als spezielle Programme Zugang zu einem kleinen öffentlich zugänglichen Datenspeicher hatten. Alle Informationen, die auf dem „Schwarzen Brett“ aufgezeichnet wurden, wurden für eine ganze Reihe von unterstützenden Prozessen verfügbar – Arbeitsspeicher, Sprache, Planungsmodul, Mustererkennung von Gesichtern, Objekten usw. Laut dieser Theorie entsteht Bewusstsein, wenn die auf dem Brett aufgezeichnete eingehende sensorische Information an viele kognitive Systeme weitergeleitet wird – und diese verarbeiten die Daten für die Sprachreproduktion, die Speicherung im Gedächtnis oder die Durchführung von Aktionen.

Da der Platz auf einem solchen Schwarzen Brett begrenzt ist, können wir in jedem bestimmten Moment nur über ein geringes Volumen an Informationen verfügen. Das Netzwerk von Neuronen, das diese Botschaften überträgt, befindet sich vermutlich in den Stirn- und Scheitellappen.

Sobald diese spärlichen (stückhaften) Daten über das Netzwerk übertragen und öffentlich zugänglich gemacht werden, wird die Information bewusst. Das heißt, das Subjekt erkennt sie. Moderne Maschinen haben noch nicht ein solches Niveau kognitiver Komplexität erreicht, aber das ist nur eine Frage der Zeit.

Die Theorie der „GWT“ besagt, dass zukünftige Computer bewusst sein werden.

Die allgemeine Informationstheorie des Bewusstseins (IIT), entwickelt von Tononi und seinen Mitarbeitern, nutzt einen ganz anderen Ausgangspunkt – die Erfahrungen selbst. Jedes Erlebnis hat seine besonderen Schlüsselmerkmale. Es ist immanente, existiert nur für das Subjekt als 'Besitzer'; es ist strukturiert (ein gelbes Taxi bremst, während ein brauner Hund die Straße überquert); und es ist konkret – unterscheidet sich von jedem anderen bewussten Erlebnis, wie ein einzelner Frame im Film. Darüber hinaus ist es ganzheitlich und bestimmt. Wenn Sie an einem warmen, klaren Tag im Park auf einer Bank sitzen und den Kindern beim Spielen zuschauen, können verschiedene Elemente des Erlebnisses – der wehende Wind, das Gefühl der Freude über das Lachen der kleinen Kinder – nicht voneinander getrennt werden, ohne dass das Erlebnis aufhört, das zu sein, was es ist.

Tononi postuliert, dass solche Eigenschaften – das heißt, ein bestimmtes Niveau des Bewusstseins – jeder komplexen und verbundenen Maschine eigen ist, in deren Struktur eine Reihe von kausalen Zusammenhängen codiert ist. Dies wird als etwas empfunden, das aus dem Inneren kommt.

Wenn jedoch, ähnlich wie beim Kleinhirn, der Mechanismus an Komplexität und Verbindung fehlt, wird er nichts erkennen. Laut dieser Theorie,

ist das Bewusstsein eine unverzichtbare zufällige Fähigkeit, die mit solch komplexen Mechanismen wie dem menschlichen Gehirn verbunden ist.

Die Theorie führt aus der Komplexität, die der vernetzten Struktur zugrunde liegt, eine einzige nicht-negative Zahl Φ (ausgesprochen „fy“) ab, die dieses Bewusstsein quantitativ ausdrückt. Wenn Φ null ist, hat das System überhaupt kein Bewusstsein. Im Gegensatz dazu gilt: Je größer die Zahl, desto mehr inhärente zufällige Kraft hat das System und desto bewusster ist es. Das Gehirn, das eine kolossale und hochspezifische Konnektivität besitzt, hat ein sehr hohes Φ, was einen hohen Grad an Bewusstheit impliziert. Die Theorie erklärt verschiedene Fakten: zum Beispiel, warum das Kleinhirn nicht am Bewusstsein beteiligt ist oder warum der Zip-and-Zap-Zähler tatsächlich funktioniert (die vom Zähler ausgegebenen Zahlen sind Φ in grober Näherung).

Die Theorie „IIT“ prognostiziert, dass eine fortgeschrittene Simulation des menschlichen Gehirns auf Basis eines digitalen Computers kein Bewusstsein haben kann – selbst wenn ihre Sprache nicht von der menschlichen zu unterscheiden ist. Ähnlich wie eine Simulation der großräumigen Gravitation eines schwarzen Lochs den Raum-Zeit-Kontinuum um den anwendenden Computercode nicht verformt, programmierte Bewusstsein wird niemals einen bewussten Computer hervorbringen. Giulio Tononi und Marcello Massimini, Zeitschrift „Nature“ 557, S8-S12 (2018)

Laut IIT kann Bewusstsein nicht berechnet und erfasst werden: Es muss in die Struktur des Systems eingebaut sein.

Die Hauptaufgabe der modernen Neurobiologen besteht darin, alle immer ausgeklügelteren Werkzeuge zu nutzen, um die unendlichen Verbindungen verschiedener Neuronen, die das Gehirn bilden, zu untersuchen, um neuronale Spuren des Bewusstseins weiter zu skizzieren. Angesichts der verwobenen Struktur des ZNS wird dies Jahrzehnte in Anspruch nehmen. Und schließlich muss eine grundlegende Theorie auf der Basis bestehender Fragmente formuliert werden. Eine Theorie, die das grundlegende Rätsel unserer Existenz erklärt: wie ein Organ, das 1,36 kg wiegt und in seiner Zusammensetzung einem Sojatofu ähnelt, das Gefühl des Lebens verkörpert.

Eine der interessantesten Anwendungen dieser neuen Theorie ist, meiner Meinung nach, die Möglichkeit, KI zu schaffen, die über Bewusstsein und vor allem über Empfindungen verfügt. Darüber hinaus wird die fundamentale Theorie des Bewusstseins es ermöglichen, Methoden und Wege zur Umsetzung einer schnelleren Evolution der kognitiven Fähigkeiten des Menschen zu entwickeln. Des Menschen – der Zukunft.

Hauptquelle

Quelle: habr.com