Die Entstehung einer Welt. Auf der Suche nach den neuronalen Korrelaten des Bewusstseins

Nichts ist uns vertrauter als unsere eigenen bewussten Gedanken, Gefühle und Wahrnehmungen; und doch bereitet „Bewusstsein“ WissenschaftlerInnen Kopfzerbrechen. In unserem gegenwärtigen naturwissenschaftlichen Weltbild ist die Welt eine physikalische Welt. Bewusstsein, mit seinem subjektiven Charakter, scheint nicht in dieses Weltbild zu passen. Die große Frage lautet: Wie können physikalische Vorgänge in unserem Gehirn unsere innere Erfahrungswelt entstehen lassen? Momentan müssen WissenschaftlerInnen kleinere Brötchen backen, als diese Frage direkt beantworten zu können. Sie erforschen, wie unsere bewusste Wahrnehmung mit Gehirnaktivität in Zusammenhang steht. Ziel ist es, die neuronalen Korrelate des Bewusstseins zu finden.

Rätsel Bewusstsein

Wenn wir am Morgen aus tiefem Schlaf erwachen, entsteht ein reiches und buntes Innenleben. Ob wir es wollen oder nicht: In jeder einzelnen Sekunde unseres Wachseins sind wir uns einer bestimmten Sache bewusst; sei es eines Gefühls, eines Gedankens oder eines Objekts in unserer Umgebung. Jeder unserer Bewusstseinszustände geht mit einer ganz eigenen Erfahrung einher. Diese innere Erfahrungswelt, die uns nur im traumlosen Schlaf, im Koma und im Tod verlässt, ist es, was viele WissenschaftlerInnen (z. B. Dehaene, 2014; Tononi, 2012) und PhilosophInnen (Chalmers, 1996; Metzinger, 2009) unter Bewusstsein verstehen.

Wie passt diese subjektive Innenperspektive in unser Weltbild? Wie können physikalische Vorgänge in unserem Gehirn unsere innere Erfahrungswelt entstehen lassen? Sind unsere Gefühle und Gedanken „nichts anderes als ein Verband feuernder Neuronen“ (Crick, 1994, S. 3) in unserem Gehirn? Dies sind Fragen, die sich die Menschheit lange gestellt hat. Eine abschließende Antwort auf diese Fragen scheint auch heute noch außer Reichweite. Das hindert WissenschaftlerInnen jedoch nicht daran, diesen Fragen nachzugehen, um zumindest Hinweise und Teilantworten zu finden. Unter dem Banner „Neuronale Korrelate des Bewusstseins“ (engl. neural correlates of consciousness) forschen WissenschaftlerInnen weltweit, um herauszufinden, wie Bewusstseinszustände mit Gehirnaktivität in verschiedenen Gehirnregionen zusammenhängen. Es geht darum zu verstehen, was die genaue Beziehung zwischen phänomenalen, mentalen Zuständen auf der einen Seite und Gehirnzuständen auf der anderen Seite ist (Chalmers, 2000; Mormann & Koch, 2007).

Ziel dieses Artikels ist es, neugierigen LeserInnen sowohl die Ziele und Herangehensweise als auch erste Einsichten dieses spannenden Forschungsprogramms näherzubringen. Der Schwerpunkt liegt vor allem auf erprobten Methoden aus der Kognitionspsychologie, deren Experimente heute zusammen mit modernen Methoden der Bildgebung kombiniert werden, um Aufschlüsse über die Beziehung zwischen Gehirnaktivität und Bewusstsein zu geben. Zusätzlich wird die Theorie Integrierter Informationen vorgestellt, die anstrebt, die im Experiment gewonnen Einsichten einzuordnen und zu verstehen. Die Beispiele in diesem Artikel beziehen sich vor allem auf die visuelle bewusste Wahrnehmung; die vorgestellten Prinzipien gelten jedoch in der Regel auch für andere Modalitäten (z. B. auditive oder somatosensorische Wahrnehmung).

Welt und Erfahrungswelt

Abbildung 1. Rubins Vasenillusion. Ein und dieselbe Konfiguration von „schwarzen“ und „weißen“ Pixeln kann zu zwei verschiedenen Wahrnehmungen führen: entweder einer Vase (in weiß) oder zweier Gesichter (in schwarz). Bild: Vase <-> face. Painted by Emil 2005 via Wikipedia (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Facevase.png), CC (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/deed.en)

Die Einfachheit und Direktheit, mit der wir die Welt wahrnehmen, wenn wir unsere Augen öffnen, täuscht über die komplexen Prozesse hinweg, die unserer bewussten Wahrnehmung zugrunde liegen. Viele Erkenntnisse der Philosophie des Geistes und der Kognitionspsychologie deuten darauf hin, dass wir die Welt nicht einfach passiv in uns aufnehmen. Stattdessen gestalten wir unsere Wahrnehmung in einem aufwendigen Prozess (dessen wir uns nicht bewusst sind) aktiv mit. Diese zentrale Einsicht lässt sich anhand eines einfachen Beispiels veranschaulichen. Viele LeserInnen werden mit Rubins Vasenillusion (Abbildung 1) vertraut sein. Wenn man sich die Abbildung lange genug anschaut, dann wechseln sich zwei unterschiedliche, bewusste Wahrnehmungen ab: Zum einen sieht man eine Vase (in weiß), zum anderen zwei Gesichter im Profil, die sich gegenseitig anschauen (in schwarz). Dies ist interessant, denn an der physikalischen Zusammensetzung des Bildes ändert sich während des Anschauens nichts. Alle Pixel im Bild behalten ihre Leuchtdichte bei. Das heißt, die „weißen“ Pixel bleiben weiß und die „schwarzen“ Pixel bleiben schwarz. Und dennoch wechselt unsere bewusste Wahrnehmung zwischen Vase und Gesichtern hin und her. Die Illusion der Rubinvase verdeutlicht, dass die Inhalte unserer Erfahrungswelt nicht einfach den rohen Sinnesdaten, wie sie auf das Auge treffen, entsprechen. Stattdessen scheinen diese Sinnesdaten von unserem Gehirn interpretiert zu werden, was im Beispiel mal zur Wahrnehmung einer Vase, mal zu der von Gesichtern führt.

Die neuronalen Korrelate des Bewusstseins – Experimentelle Einsichten

Wie verändert sich die Aktivität in unserem Gehirn, wenn wir die Welt um uns herum bewusst wahrnehmen? Was passiert beispielsweise, wenn wir in Rubins Vasenillusion mal die Vase sehen, mal die Gesichter?

Um Antworten auf diese Fragen zu finden, untersuchte eine Gruppe von WissenschaftlerInnen in Tübingen in einer Reihe von Studien (zusammengefasst in Logothetis, 1998) die Gehirnaktivität von Affen, während diesen verschiedene visuelle Stimuli gezeigt wurden. Das Prinzip war dabei immer wie folgt: Mithilfe von speziellen Spiegeln, vor denen die Affen positioniert wurden, projizierten die WissenschaftlerInnen zwei unterschiedliche visuelle Stimuli auf beide Augen der Affen, zum Beispiel ein Sonnenscheinmuster auf das linke Auge und einen Gesichtsstimulus auf das rechte Auge oder umgekehrt (Abbildung 2). Wenn das visuelle System auf diese besondere Art stimuliert wird (WissenschaftlerInnen sprechen von „Binokularer Rivalität“), nimmt man nicht etwa zwei Gegenstände gleichzeitig bewusst wahr, auch keine Mischung der beiden. Stattdessen nimmt man zeitlich variierend immer nur einen der beiden Stimuli bewusst wahr. Zunächst zum Beispiel das Sonnenscheinmuster, dann nach einigen Sekunden das Gesicht, dann nach wieder einigen Sekunden das Sonnenscheinmuster usw. Affen können so trainiert werden, dass sie angeben können, in welchem von zwei Bewusstseinszuständen sie sich gerade befinden. Durch Elektrodenmessungen im Gehirn der Affen konnten die WissenschaftlerInnen die Aktivität von Neuronengruppen oder sogar von einzelnen Neuronen unter zwei sich jeweils abwechselnden Wahrnehmungsbedingungen bestimmen. Das Elegante an dieser Art von Versuchsanordnung ist, dass sich der Bewusstseinsinhalt mit der Zeit verändert, wohingegen der sensorische Input in beide Augen unverändert bleibt.

Abbildung 2. Vorgehensweise in den Logothetis (1998) Studien. (A) Versuchsaufbau von oben. Die Affen wurden vor einem Spezialspiegel positioniert, der es den WissenschaftlerInnen ermöglichte, unterschiedliche visuelle Stimuli von zwei verschiedenen Bildschirmen auf das rechte und linke Auge des Affen zu projizieren. Hier im Beispiel wurde auf dem linken Auge ein Sonnenscheinmuster präsentiert und auf dem rechten Auge ein Gesichtsstimulus. (B) Diese unterschiedliche Stimulation der beiden Augen führt zu zwei unterschiedlichen Wahrnehmungszuständen, die sich mit der Zeit abwechseln: Mal wird ein Sonnenscheinmuster, mal ein Gesicht wahrgenommen (Graphik von Marian Schneider).

Um die Ergebnisse des Forscherteams besser verstehen zu können, ist ein wenig Hintergrundwissen über das visuelle System hilfreich. Visuelle Informationen werden beim Affen wie beim Menschen von der Netzhaut (Retina) im Auge weitergeleitet über den Thalamus im Zwischenhirn zur äußersten Schicht des Großhirns, welche auch Großhirnrinde oder Cortex genannt wird. Der erste Eingangspunkt visueller Informationen in der Großhirnrinde ist die primäre Sehrinde (auch „V1“ genannt), welche sich im Okzipitallappen (Hinterkopf) befindet. Von dort aus werden die Informationen zunächst an die sekundäre Sehrinde weitergegeben; danach teilt sich die visuelle Verarbeitung in zwei Pfade: einen dorsalen Pfad, der in den Parietallappen führt, und einen ventralen Pfad, der durch den Temporallappen verläuft (Abbildung 3). Beiden Pfaden werden unterschiedliche Funktionen zugeschrieben: Areale des ventralen Pfads sind auf bewusste Wahrnehmung und Objekterkennung spezialisiert, wohingegen die Verarbeitung entlang des dorsalen Pfads motorischen Bewegungen zugrunde liegt (Goodale & Milner, 1992).Abbildung 3. Visuelles System im Menschen. Gezeigt ist ein Gehirn von der Seite; links befinden sich die Augen, rechts der Hinterkopf. Ab der primären und sekundären Sehrinde (hier blau schattiert) teilt sich die visuelle Verarbeitung in zwei Pfade: einen dorsalen Pfad (Pfeil nach oben), der in den Parietallappen führt (grüne Schattierung), und einen ventralen Pfad (Pfeil nach unten), der durch den Temporallappen (violette Schattierung) verläuft. Bild von via Wikipedia ( https://en.wikipedia.org/wiki/Two-streams_hypothesis#/media/File:Ventral-dorsal_streams.svg), CC (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)

Zudem wird angenommen, dass die Verarbeitung visueller Stimuli in der Großhirnrinde hierarchisch organisiert ist, das heißt, dass die Komplexität neuronaler Repräsentationen im visuellen System von Gehirnregion zu Gehirnregion zunimmt (Riesenhuber & Poggio, 1999). Neuronen in der primären Sehrinde beispielsweise reagieren bevorzugt auf die Präsentation einfacher Linien mit einer bestimmten Orientierung wie zum Beispiel Gitterstimuli, wohingegen Neuronen in Arealen des ventralen Pfads bevorzugt auf komplette Objekte wie zum Beispiel Gesichter, Häuser oder Autos reagieren.

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