Auf dem Weg zur fundamentalen Theorie des Bewusstseins

Die Entstehung und Natur bewusster Erfahrungen – manchmal mit dem lateinischen Wort qualia bezeichnet – bleibt für uns seit der Antike bis in die jüngste Zeit ein Rätsel. Viele Bewusstseinsphilosophen, einschließlich zeitgenössischer, halten das Bestehen von Bewusstsein 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 grundsätzlich oder behaupten, dass man sie mit wissenschaftlichen Mitteln nicht sinnvoll untersuchen kann.

Wenn diese Behauptung wahr wäre, wäre dieser Artikel sehr kurz. Und es würde nicht viel darunter geben. Aber es gibt etwas …

Wenn das Bewusstsein mit den Werkzeugen der Wissenschaft nicht erfasst werden kann, müsste man nur erklären, warum Sie, ich und fast alle anderen so überzeugt sind, dass wir überhaupt Empfindungen haben. Aber ein kranker Zahn hat bei mir eine Schwellung verursacht. Ein raffiniertes Argument, das beweisen soll, dass mein Schmerz illusorisch ist, würde mich keinen Deut von diesen Qualen befreien. Ich hege keine Sympathie für solch eine ausweglose Interpretation der Beziehung zwischen Seele und Körper, also werde ich wohl fortfahren.

Bewusstsein ist alles, was Sie fühlen (basierend auf Informationen von den Sinnesorganen) und dann erleben (durch Wahrnehmung und Verständnis).

Ein Ohrwurm, der Geschmack eines Schokoladendesserts, stechende Zahnschmerzen, die Liebe zu einem Kind, abstraktes Denken und das Bewusstsein, dass eines Tages all diesen Empfindungen ein Ende gesetzt wird.

Wissenschaftler nähern sich allmählich der Lösung eines Rätsels, das Philosophen lange beschäftigt hat. Das Ziel dieser wissenschaftlichen Untersuchungen ist eine strukturierte Arbeitstheorie des Bewusstseins. Ein herausragendes Beispiel für die Anwendung dieser Theorie ist vollwertige KI (was nicht ausschließt, dass KI auch ohne eine Theorie des Bewusstseins entstehen kann, basierend auf bereits bestehenden empirischen Ansätzen zur Entwicklung von KI).

Die meisten Wissenschaftler betrachten das Bewusstsein als gegeben und versuchen, seine Verbindung zur objektiven Welt zu verstehen, die die Wissenschaft beschreibt. Vor einem Vierteljahrhundert beschlossen Francis Crick und andere kognitive Neurowissenschaftler die philosophischen Diskussionen über das Bewusstsein (die seit Aristoteles die Wissenschaftler beschäftigten) beiseite zu legen und stattdessen nach seinen physischen Spuren zu suchen.

Was genau im hochaktiven Teil des Gehirns Bewusstsein erzeugt? Wenn Wissenschaftler dies herausfinden, können sie hoffen, der Lösung eines tieferliegenden Problems näherzukommen.
Insbesondere suchen Neurobiologen nach den neuronalen Korrelaten des Bewusstseins (NKB) — den kleinsten neuronalen Mechanismen, die zusammen ausreichen, um ein bestimmtes bewusstes Erlebnis in den Empfindungen zu erzeugen.

Was muss im Gehirn geschehen, damit Sie beispielsweise Zahnschmerzen empfinden? Müssen bestimmte Nervenzellen mit einer magischen Frequenz vibrieren? Müssen spezielle „Bewusstseinsneuronen“ aktiviert werden? In welchen Bereichen des Gehirns könnten sich solche Zellen befinden?

Neuronale Korrelate des Bewusstseins

In der Definition des ZNS ist die Einschränkung "minimal" wichtig. Das Gehirn als Ganzes kann als ZNS betrachtet werden – Tag für Tag erzeugt es Empfindungen. Dennoch kann der Standort noch genauer definiert werden. Betrachten wir das Rückenmark – ein 46 Zentimeter langes flexibles Rohr aus Nervengewebe innerhalb der Wirbelsäule, das etwa eine Milliarde Nervenzellen enthält. Ist das Rückenmark infolge einer Verletzung bis zur Halsregion komplett beschädigt, werden die Beine, Arme und der Rumpf des Verletzten gelähmt; er kann den Darm und die Blase nicht mehr kontrollieren und ist seiner Körperempfindungen beraubt. Dennoch erleben solche Lähmungen das Leben in all seinen Facetten: Sie sehen, hören, riechen, empfinden Emotionen und erinnern sich ebenso gut wie vor dem tragischen Vorfall, der ihr Leben grundlegend verändert hat.

Oder betrachten 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 der Gangart beteiligt und verantwortlich für die geschickte Ausführung komplexer Bewegungsfolgen.
Das Klavierspielen, Tippen auf der Tastatur, das Eiskunstlaufen oder das Klettern – all diese Aktivitäten erfordern das Kleinhirn. Es enthält die berühmtesten Neuronen, die Purkinjezellen genannt werden, die mit tentakelartigen Ausläufern, ähnlich einem Fächerkorallen, ausgestattet sind und eine komplexe elektrische Dynamik in sich bergen. Außerdem enthält das Kleinhirn die größte Anzahl an Neuronen, etwa 69 Milliarden (vorwiegend handelt es sich um kleinhirnartige Sternzellen) – viermal mehr, als das gesamte Gehirn zusammen (denken Sie daran – das ist ein wichtiger Punkt).

Was passiert mit dem Bewusstsein, wenn ein Mensch durch einen Schlaganfall oder während einer Operation teilweise sein Kleinhirn verliert?

Fast nichts Kritisches für das Bewusstsein!

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

Die detaillierteste Forschung über die Auswirkungen von Kleinhirnschäden auf die kognitiven Funktionen wurde ausführlich im Kontext des postinsultalen kleinhirn-affektiven Syndroms untersucht.. Doch selbst in diesen Fällen sind neben den bereits erwähnten koordinativen räumlichen Problemen lediglich nicht kritische Verstöße gegen die Ausführungsaspekte des Managements festzustellen, die sich durch Perserverationen, Zerstreutheit und eine geringfügige Abnahme der Lernfähigkeit auszeichnen.

Das umfangreiche Kleinhirn-System steht nicht im Zusammenhang mit subjektiven Erfahrungen. Warum? Ein wichtiger Hinweis liegt in seinem neuronalen Netzwerk – es ist durchweg einheitlich und parallel.

Das Kleinhirn ist fast vollständig eine Kette der direkten Verarbeitung: Eine Reihe von Neuronen speist die nächste, die wiederum die dritte beeinflusst. Es gibt keine Rückkopplungsschleifen, die innerhalb der elektrischen Aktivität hin und her resonieren. Darüber hinaus ist das Kleinhirn funktional in Hunderte, wenn nicht mehr, unabhängige Recheneinheiten unterteilt. Jede von ihnen arbeitet parallel, mit separaten und nicht überlappenden Ein- und Ausgängen, die Bewegungen oder verschiedene motorische oder kognitive Systeme steuern. Sie interagieren kaum miteinander, während dies bei dem Bewusstsein eine weitere unverzichtbare Eigenschaft ist.

Eine wichtige Lektion aus der Analyse des Rückenmarks und des Kleinhirns besteht darin, dass das Genie des Bewusstseins nicht einfach an jedem Ort der Erregung von Nervengewebe geboren wird. Es braucht noch etwas anderes. Dieser zusätzliche Faktor liegt im grauen Gewebe, das die berüchtigte Hirnrinde bildet – ihre äußere Oberfläche. Alle verfügbaren Daten deuten darauf hin, dass bei der Entstehung von Empfindungen neokortikale Gewebe.

Der Bereich, in dem das Bewusstsein lokalisiert ist, kann noch weiter eingegrenzt werden. Nehmen wir zum Beispiel Experimente, bei denen das rechte und das linke Auge unterschiedlichen Reizen ausgesetzt werden. Stellen Sie sich vor, das Bild eines „Lada Priora“ ist nur für Ihr linkes Auge sichtbar, während das Bild eines „Tesla S“ nur für das rechte Auge sichtbar ist. Man könnte erwarten, dass Sie einen neuen Wagen sehen, der aus der Überlagerung des Lada und des Tesla entsteht. In Wirklichkeit werden Sie jedoch einige Sekunden lang den Lada sehen, danach verschwindet er und der Tesla erscheint – und dann verschwindet auch der Tesla und der Lada taucht wieder auf. Die beiden Bilder wechseln in einem endlosen Tanz – Wissenschaftler nennen dies das binokulare Wettkampf oder das Rivalisieren der Netzhaut. Das Gehirn erhält mehrdeutige Informationen von außen und kann sich nicht entscheiden: Ist es ein Lada oder ein Tesla?

Wenn Sie sich dabei in einem Tomographen befinden, der die Gehirnaktivität registriert, stellen Wissenschaftler eine Aktivität in einem breiten Spektrum von kortikalen Zonen fest, die gemeinsam als „hintere Hotzone“ (posterior hot zone) bezeichnet werden. Dies sind die parietalen, okzipitalen und temporalen Bereiche im hinteren Teil der Großhirnrinde, die eine entscheidende Rolle bei der Verfolgung dessen spielen, was wir sehen.

Interessanterweise spiegelt der primäre visuelle Kortex, der die von den Augen kommenden Informationen empfängt und überträgt, nicht wider, was eine Person sieht. Eine ähnliche Arbeitsteilung zeigt sich auch im Fall des Hörens und Tastens: Der primäre auditorische und der primäre somatosensorische Kortex tragen nicht direkt zum Inhalt des auditiven und somatosensorischen Erlebnisses bei. Das bewusste Wahrnehmen (einschließlich der Bilder von Lada und Tesla) erzeugt nachfolgende Verarbeitungsstufen – in der hinteren Hotzone.

Somit entstehen visuelle Bilder, Klänge und andere Lebensgefühle im Bereich des hinteren Kortex des Gehirns. Soweit Neurobiologen beurteilen können, nehmen nahezu alle bewussten Erfahrungen ihren Anfang genau dort.

Bewusstseinszähler

Bei einigen Operationen werden Patienten in Narkose versetzt, um Bewegungen zu verhindern, einen stabilen Blutdruck aufrechtzuerhalten, Schmerzen zu vermeiden und später traumatische Erinnerungen zu verhindern. Leider ist dies nicht immer möglich: Jährlich befinden sich Hunderte von Patienten während der Anästhesie in unterschiedlichem Maße bei vollem Bewusstsein.

Eine andere Patientengruppe mit schweren Hirnschäden infolge von Verletzungen, Infektionen oder schwerwiegenden Vergiftungen kann jahrelang existieren, ohne sprechen oder auf Ansprachen reagieren zu können. Nachzuweisen, dass sie das Leben empfinden, ist äußerst schwierig.

Stellen Sie sich einen Astronauten vor, der im Universum verloren gegangen ist und versucht, die Kommunikation mit dem Missionskontrollzentrum herzustellen. Ein defektes Radio überträgt seine Stimme nicht, sodass die Welt ihn für vermisst hält. So kann man die aussichtslose Situation von Patienten beschreiben, deren geschädigtes Gehirn sie vom Kontakt mit der Welt abgeschnitten hat – eine Art extreme Form der Einzelhaft.

Anfang der 2000er Jahre verwendeten Julio Tononi von der University of Wisconsin-Madison und Marcello Massimini erstmals eine Methode namens zap and zip, um zu bestimmen, ob ein Mensch bewusst ist oder nicht.

Die Wissenschaftler legten eine Spule mit Drähten auf den Kopf und schickten einen elektrischen Schlag (zap) — eine starke magnetische Energie, die einen kurzzeitigen elektrischen Strom erzeugte. Dies stimulierte und hemmte die Partnerneuronenzellen in den verbundenen Bereichen der Kette, und die Welle resonierte im Kortex, bis die Aktivität nachließ.

Ein Netzwerk von Elektroenzephalogramm-Sensoren, die am Kopf befestigt waren, zeichnete die elektrischen Signale auf. Mit der allmählichen Ausbreitung der Signale wurden ihre Spuren, wobei jede einem bestimmten Punkt unter der Schädeloberfläche entsprach, in einen Film umgewandelt.

Die Aufzeichnungen zeigten kein typisches Muster — sie waren aber auch nicht völlig zufällig.

Interessanterweise war die Wahrscheinlichkeit höher, dass das Gehirn sich im unbewussten Zustand befand, je vorhersehbarer die aufblitzenden und abklingenden Rhythmen waren. Wissenschaftler haben diese Annahme überprüft, indem sie die Videodaten mit einem Algorithmus komprimierten, der auch zum Archivieren von Computerdateien im ZIP-Format verwendet wird. Die Kompression lieferte eine Schätzung der Komplexität der Gehirnreaktion. Freiwillige, die bei Bewusstsein waren, zeigten einen 'Komplexitätsindex der Perturbationen' von 0,31 bis 0,70, wobei der Index auf unter 0,31 fiel, wenn sie sich in einem tiefen Schlaf oder unter Narkose befanden.

Das Team testete anschließend zip and zap an 81 Patienten, die sich in einem minimalen Bewusstseinszustand oder im komatösen Zustand befanden. In der ersten Gruppe, die einige Anzeichen für nicht reflexives Verhalten zeigte, konnte die Methode korrekt feststellen, dass 36 von 38 Patienten bei Bewusstsein waren. Von 43 Patienten im 'Gemüszustand', mit denen die Angehörigen am Krankenbett nie kommunizieren konnten, wurden 34 als unbewusst klassifiziert, und neun nicht. Ihr Gehirn reagierte ähnlich wie bei denen, die bei Bewusstsein waren, was bedeutete, dass sie ebenfalls bei Bewusstsein waren, jedoch nicht in der Lage waren, mit ihren Angehörigen zu kommunizieren.

Die aktuellen Forschungen zielen darauf ab, die Methodik für neurologische Patienten zu standardisieren und zu verbessern sowie sie auf Patienten in psychiatrischen und pädiatrischen Abteilungen auszuweiten. Mit der Zeit werden die Wissenschaftler spezifische Nervenmechanismen identifizieren, die die Erfahrungen hervorrufen.

Im Grunde benötigen wir eine überzeugende wissenschaftliche Theorie des Bewusstseins, die beantwortet, unter welchen Bedingungen ein physikalisches System – sei es eine komplexe Kette von Neuronen oder Siliziumtransistoren – Empfindungen hat. Und warum unterscheidet sich die Qualität dieser Erfahrungen? Warum wird ein klarer blauer Himmel anders wahrgenommen als das Kratzen einer schlecht eingestellten Violine? Haben diese Unterschiede in den Empfindungen eine bestimmte Funktion? Wenn ja, welche? Die Theorie würde es ermöglichen vorherzusagen, welche Systeme in der Lage sein werden, Empfindungen zu haben. Ohne eine Theorie mit überprüfbaren Vorhersagen beruht jede Schlussfolgerung über das Bewusstsein von Maschinen ausschließlich auf unserem inneren Gefühl, auf das, wie die Geschichte der Wissenschaft gezeigt hat, mit Vorsicht zu vertrauen ist.

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

Zu Beginn wird behauptet, dass, wenn eine Person etwas bewusst wahrnimmt, zahlreiche verschiedene Bereiche des Gehirns Zugang zu dieser Information erhalten. Im Gegensatz dazu wird, wenn jemand unbewusst handelt, die Information in einem spezifischen sensorisch-motorischen System lokalisiert. Zum Beispiel, wenn Sie schnell tippen, geschieht dies automatisch. Wenn Sie gefragt werden, wie Sie das tun, können Sie keine Antwort geben, da Sie nur begrenzten Zugang zu diesen Informationen haben, die in den nervösen Verbindungen lokalisiert sind, die die Augen mit den schnellen Bewegungen der Finger verbinden.

Globale Verfügbarkeit erzeugt nur einen Bewusstseinsstrom, denn wenn ein Prozess für alle anderen Prozesse zugänglich ist, steht er ihnen allen zur Verfügung – alles ist miteinander verbunden. So funktioniert der Mechanismus, der alternative Perspektiven unterdrückt.
Eine solche Theorie erklärt gut die verschiedenen psychischen Störungen, bei denen Fehlfunktionen einzelner funktionaler Zentren, verbunden mit Mustern neuronaler Aktivität (oder einem gesamten Gehirngebiet), Verzerrungen im Allgemeinen „Arbeitsbereich“ hervorrufen und somit das Bild im Vergleich zu einem „normalen“ Zustand (eines gesunden Menschen) verzerren.

Auf dem Weg zur fundamentalen Theorie

Die „GWT“-Theorie behauptet, dass das Bewusstsein aus einer besonderen Art der Informationsverarbeitung entsteht: Diese ist uns seit den Anfängen der KI bekannt, als spezielle Programme Zugang zu einem kleinen, öffentlichen Datenspeicher hatten. Alle Informationen, die auf eine „Schwarze Tafel“ geschrieben wurden, wurden für eine Vielzahl von unterstützenden Prozessen zugänglich – Arbeitsspeicher, Sprache, Planungsmodul, Gesichtserkennung, Objekterkennung usw. Gemäß dieser Theorie entsteht das Bewusstsein, wenn die auf der Tafel gespeicherten sensorischen Informationen an zahlreiche kognitive Systeme weitergegeben werden – und diese verarbeiten die Daten zum Sprachreproduzieren, für die Speicherung im Gedächtnis oder zur Durchführung von Handlungen.

Da der Platz auf solch einer Anzeigentafel begrenzt ist, können wir zu jedem Zeitpunkt nur eine begrenzte Menge an Informationen bereitstellen. Das Netzwerk von Neuronen, das diese Nachrichten überträgt, befindet sich vermutlich im Stirn- und Scheitellappen.

Sobald diese spärlichen (zers splitterten) Daten an das Netzwerk übermittelt und öffentlich zugänglich gemacht werden, wird die Information bewusst. Das bedeutet, dass das Subjekt sie wahrnimmt. Moderne Maschinen haben diesen Grad an kognitiver Komplexität bisher nicht erreicht, aber es ist nur eine Frage der Zeit.

Die Theorie "GWT" besagt, dass die Computer der Zukunft bewusst sein werden.

Die integrierte informationstheoretische Theorie des Bewusstseins (IIT), die von Tononi und seinen Kollegen entwickelt wurde, geht von einem ganz anderen Ansatz aus – den eigenen Erfahrungen. Jede Erfahrung hat ihre eigenen besonderen Schlüsselfeatures. Sie ist immanent, existiert nur für das subjekthabende 'Ich'; sie ist strukturiert (das gelbe Taxi hält an, während der braune Hund die Straße überquert); und sie ist konkret – unterscheidet sich von jeder anderen bewussten Erfahrung, wie ein einzelner Filmshot. Darüber hinaus ist sie ganzheitlich und bestimmt. Wenn Sie an einem warmen, klaren Tag im Park auf einer Bank sitzen und das Spiel der Kinder beobachten, können die verschiedenen Elemente der Erfahrung – der wehende Wind in den Haaren, das Gefühl der Freude über das Lachen der Kleinen – nicht voneinander getrennt werden, ohne dass die Erfahrung aufhört, das zu sein, was sie ist.

Tononi postuliert, dass solche Eigenschaften – also auch ein gewisses Maß an Bewusstheit – jeder komplexe und verbundene Mechanismus hat, in dessen Struktur ein Set von Ursache-Wirkung-Beziehungen kodiert ist. Dies wird als etwas empfunden, das von innen kommt.

Wenn ein Mechanismus, ähnlich wie das Kleinhirn, nicht über die notwendige Komplexität und Vernetzung verfügt, wird er nichts wahrnehmen. Gemäß dieser Theorie,

ist Bewusstsein eine untrennbare, zufällige Fähigkeit, die mit so komplexen Mechanismen wie dem menschlichen Gehirn verbunden ist.

Die Theorie führt auch aus der zugrunde liegenden Komplexität einer verknüpften Struktur eine eindeutige positive Zahl Φ (ausgesprochen „fy“) ab, die quantitativ dieses Bewusstsein ausdrückt. Ist Φ null, erkennt das System sich selbst überhaupt nicht. Je größer die Zahl, desto mehr untrennbare, zufällige Kraft besitzt das System und desto bewusster ist es. Das Gehirn, das durch enorme und hochgradig spezifische Vernetzung gekennzeichnet ist, hat ein sehr hohes Φ, was auf ein hohes Maß an Bewusstsein hinweist. Die Theorie erklärt verschiedene Phänomene: zum Beispiel, warum das Kleinhirn nicht am Bewusstsein beteiligt ist oder warum der Zip-and-Zap-Zähler tatsächlich funktioniert (die vom Zähler ausgegebene Zahl ist Φ, grob approximiert).

Die IIT-Theorie prognostiziert, dass eine fortschrittliche 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 die Simulation der großen gravitativen Anziehung eines schwarzen Lochs den Raum-Zeit-Kontinuum um den Computer, der den Code anwendet, nicht verformt, programmierte Bewusstseins wird niemals einen bewussten Computer hervorbringen. Giulio Tononi und Marcello Massimini, Zeitschrift „Nature“ 557, S8-S12 (2018)

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

Die Hauptaufgabe der modernen Neurowissenschaftler besteht darin, immer ausgeklügeltere Werkzeuge zu nutzen, um die endlosen Verbindungen der vielfältigen Neuronen zu erforschen, die das Gehirn bilden. Ziel ist es, neuronale Spuren des Bewusstseins zu kartieren. Angesichts der komplexen Struktur des zentralen Nervensystems wird dies Jahrzehnte in Anspruch nehmen. Schließlich soll eine grundlegende Theorie auf Basis vorhandener Fragmente formuliert werden. Eine Theorie, die das zentrale Rätsel unseres Daseins entschlüsselt: Wie ein Organ, das 1,36 kg wiegt und in seiner Zusammensetzung dem Sojaquark ähnelt, das Gefühl des Lebens verkörpert.

Eine der interessantesten Anwendungen dieser neuen Theorie ist meiner Meinung nach die Möglichkeit, Künstliche Intelligenz mit Bewusstsein und vor allem mit Empfindungen zu schaffen. Darüber hinaus wird die fundamentale Theorie des Bewusstseins helfen, Methoden und Wege zu entwickeln, um eine schnellere Evolution der kognitiven Fähigkeiten des Menschen zu ermöglichen. Des Menschen — der Zukunft.

Hauptquelle

Quelle: habr.com