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

Das Forscherteam um Logothethis (1998) fand heraus, dass nur sehr wenige Neuronen weiter unten in der Hierarchie der Großhirnrinde (z. B. in der primären Sehrinde) ihre Aktivität in Abhängigkeit von der angegebenen bewussten Wahrnehmung des Affen veränderten. Diese Neuronen schienen also mehrheitlich die visuellen Stimuli so zu repräsentieren, wie sie auf den Netzhäuten der beiden Augen erschienen, unabhängig davon, welchen der beiden Stimuli die Affen gerade bewusst wahrnahmen. Neuronen weiter oben in der visuellen Hierarchie dagegen veränderten ihre Aktivität je nach bewusster Wahrnehmung mit deutlich höherer Wahrscheinlichkeit. Die ForscherInnen fanden zum Beispiel eine besonders starke Verknüpfung zwischen angegebenem Bewusstseinsinhalt und neuronaler Aktivität in einem bestimmten Gehirnareal des ventralen Pfads, dem Gyrus fusiformis. Neuronen in diesem Areal sind auf Gesichtswahrnehmung spezialisiert, reagieren also besonders stark auf die Präsentation von Gesichtern. Wenn die Affen angaben, den Gesichtsstimulus bewusst wahrzunehmen (im Gegensatz zum Sonnenscheinmuster, das auf das andere Auge projiziert wurde), erhöhten fast alle gemessenen Neuronen im inferioren Temporallappen ihre Aktivität.

Mit Menschen wurden inzwischen sehr ähnliche Studien durchgeführt. Dadurch konnten die ursprünglichen Ergebnisse aus den Affenexperimenten repliziert werden. Tong, Nakayama, Vaughan und Kanwisher (1998) maßen die Gehirnaktivität von menschlichen ProbandInnen mithilfe funktioneller Magnetresonanztomografie ( fMRT). Während eines fMRT-Experiments werden ProbandInnen in einem „Scanner“ positioniert, der eine hohe Magnetfeldstärke aufweist. Wenn sich die Neuronenaktivität in einer bestimmten Gehirnregion erhöht, dann geht dies im Regelfall mit einer Erhöhung des Blutsauerstoffgehalts in dieser Gehirnregion einher. Wenn sich der Blutsauerstoffgehalt verändert, dann verändern sich auch die magnetischen Eigenschaften dieses Blutes, was wiederum eine Signalveränderung in der MRT bewirkt. So lassen sich durch das Messen von Signalcharakteristika im Scanner indirekt Rückschlüsse auf regional spezifische Neuronenaktivitäten ziehen.

Tong und KollegInnen projizierten einen Gesichtsstimulus auf das eine Auge der ProbandInnen und einen Hausstimulus auf das andere. Das visuelle System des Menschen weist spezialisierte Gehirnregionen für die Verarbeitung dieser Stimuli auf: die „Fusiform Face Area“ (FFA) des Gyrus fusiformis für die Verarbeitung von Gesichtsstimuli und die „Parahippocampal Place Area“ (PPA) des Gyrus parahippocampalis für Hausstimuli. Versuchspersonen wurden gebeten während des Versuchs per Knopfdruck anzugeben, welchen der beiden Stimuli sie gerade bewusst wahrnehmen. Die ForscherInnen konnten so herausfinden, dass ein Wechsel des bewussten Wahrnehmungszustands von „Haus“ nach „Gesicht“ mit einer Verringerung der Aktivität in der FFA und einer Erhöhung der Aktivität in der PPA einherging. Ein Wechsel der Wahrnehmung von „Haus“ nach „Gesicht“ dagegen fiel mit einem gegensätzlichen Muster zusammen – mehr Aktivität in der FFA, weniger in der PPA. Dies war der Fall, obgleich die Stimulation der Netzhäute sich im Experiment nicht veränderte.

Zusammengenommen legen die beiden vorgestellten Studien zwei Schlüsse nahe: Erstens gibt es Gehirnareale, deren Aktivität sich mit dem angegebenen Bewusstseinsinhalt verändert. Die Aktivität scheint also bestimmte Bewusstseinsinhalte zu reflektieren. Zweitens ist es vor allem die Aktivität in höheren visuellen Arealen des ventralen Pfads, die mit Bewusstseinsinhalten einherzugehen scheint. Aktivität von Neuronen in hierarchisch niedrigeren Arealen scheinen eher die Netzhautstimulation widerzuspiegeln. Diese Einsicht, dass sich ein Bezug herstellen lässt zwischen bestimmten bewussten Wahrnehmungsinhalten und Aktivität in höheren visuellen Arealen wie beispielsweise in der FFA oder PPA, wurde auch durch neurologische Studien untermauert: Schäden von bestimmten, spezialisierten Gehirnarealen können ganz bestimmte Teile unserer bewussten Wahrnehmung eliminieren: zum Beispiel die von Gesichtern (Damasio,Damasio & Van Hoesen, 1982) oder Bewegung ( Ziel, Cramon & Mai, 1983). WissenschaftlerInnen schließen aus diesen Studien, dass Aktivität beispielsweise in der FFA Teil des „neuronalen Korrelats“ für die bewusste Wahrnehmung von Gesichtern ausmacht, da die Aktivität von Neuronen in diesen Gehirnarealen mit diesem bestimmten Bewusstseinsinhalt korreliert.

Integrierte Informationen – Eine theoretische Rahmenstruktur

Die oben beschriebenen Studien liefern uns ein besseres Verständnis davon, welche Gehirnregionen als Teil der neuronalen Korrelate des Bewusstseins in Frage kommen und welche nicht. Allerdings geben uns diese Studien nur wenig Auskunft darüber, warum dies so ist (Tononi & Koch, 2008). Warum steht die Aktivität von Arealen des ventralen Pfads beispielsweise mit unseren Bewusstseinsinhalten in Zusammenhang, wohingegen Aktivität in anderen Arealen wie der primären Sehrinde nichts mit unseren Bewusstseinsinhalten zu tun haben scheint?

Eine gegenwärtig unter WissenschaftlerInnen Zuspruch findende Theorie, die eine Erklärung der experimentellen Beobachtungen anstrebt, ist die Theorie Integrierter Informationen (TII), entwickelt durch den Arzt und Neurowissenschaftler Giulio Tononi (2012). Die Theorie basiert auf zwei Axiomen. Zum einen postuliert sie, dass Bewusstseinszustände sehr stark differenziert sind, das heißt, dass wir jederzeit in einer Milliarde möglicher Bewusstseinszustände sein könnten: Wir könnten einen Vogel wahrnehmen – einen roten Vogel, einen gelben, einen blauen, einen, der zwitschert, einen, der fliegt; wir könnten aber auch einen Menschen wahrnehmen – einen freudigen, einen traurigen, einen, der schläft; einen Regenschirm, einen Sonnenschirm usw. Tatsächlich befinden wir uns jedoch zu jedem Zeitpunkt in nur einem einzigen Bewusstseinszustand. Dadurch schließen wir eine Milliarde alternativer Bewusstseinszustände aus, was jeden einzelnen unserer tatsächlichen Zustände informationell sehr reichhaltig macht.

Zum anderen ist bewusste Wahrnehmung immer stark integriert. Nie nehmen wir beispielsweise nur die untere Hälfte unseres Sichtfelds wahr, ohne auch die obere wahrzunehmen. Ebenso kommt es gewöhnlich nicht vor, dass sich nicht-integrierte Bewusstseinsfetzen überlappen. Laut der TII geht diese Einheit des Bewusstseins auf kausale Wechselwirkungen zwischen verschiedenen, für das Bewusstsein relevanten Arealen unseres Gehirns zurück.

Studien von Tononis Forscherteam (zusammengefasst in Massimini, Ferrarelli, Sarasso & Tononi, 2012) haben gezeigt, dass die Kommunikation zwischen unterschiedlichen Arealen der Großhirnrinde in bewusstseinslosen Zuständen (wie im traumlosen Schlaf, unter Vollnarkose oder im Koma) abnimmt und kortikale Aktivierungen lokaler sind als im bewussten Wachzustand. Wenn wir einschlafen und unser Bewusstsein dahinschwindet, werden wir laut der TII also ZeugInnen einer Desintegration von Informationen in unserem Gehirn.

Ein bewusstes System wie der Mensch ist laut der TII also ein System, das über ein großes Repertoire möglicher Bewusstseinszustände verfügt und in der Lage ist, Informationen zu integrieren. Um solch ein System zu realisieren, ist eine bestimmte Architektur erforderlich. Eine Architektur, die sowohl einen hohen Grad der Spezialisierung als auch eine selektive Integration ermöglichen kann. Im Großen und Ganzen scheint der Verbund aus Thalamus und Cortex im menschlichen Gehirn diese architektonischen Voraussetzungen zu erfüllen. Wie beschrieben, sind Gehirnareale stark spezialisiert auf unterschiedliche Funktionen (z. B. Gesichtswahrnehmung), was ein großes Repertoire möglicher Bewusstseinszustände erlaubt. Gleichzeitig stellt der Verbund aus Thalamus und Cortex aber auch ein Netzwerk dichter neuronaler Verbindungen dar, was die Integration von Informationen aus spezialisierten Regionen ermöglicht.

Hinsichtlich des Ergebnisses, dass die primäre Sehrinde keine zentrale Rolle für unser Bewusstsein zu spielen scheint, spekuliert die TII, dass V1 eher als ein Zulieferer von Sinnesdaten fungiert (Tononi & Koch, 2008). V1 macht folglich keinen Teil des für Bewusstsein relevanten Komplexes aus. Hierarchisch höhere Regionen des ventralen Pfads dagegen sind Teil dieses Verbunds, was sich zum Beispiel darin zeigt, dass diese Regionen stärker mit einer Vielzahl anderer Regionen vernetzt sind. Dadurch wird es wahrscheinlicher, dass diese Regionen miteinander interagieren und Informationen integrieren, wodurch Bewusstseinsinhalte entstehen können.

Eine kurze Bestandsaufnahme – Erste Einsichten und zukünftige Herausforderungen

Ein wichtiges vorläufiges Ergebnis ist, dass die Aktivität einiger Gehirnregionen unsere Bewusstseinsinhalte zu reflektieren scheint. Dies gilt jedoch nicht für die Aktivität der gesamten Großhirnrinde. Hierarchisch niedrige Areale scheinen eher die Stimulation unserer Sinnesorgane wiederzugeben als unsere Bewusstseinsinhalte. Dagegen findet man in den hierarchisch höheren kortikalen Arealen des ventralen Pfads häufiger eine Übereinstimmung zwischen Aktivitätsmustern und Bewusstseinsinhalten.

In Zukunft wird es für BewusstseinsforscherInnen darauf ankommen, ein grundlegendes Funktionsprinzip auszumachen, das die für das Bewusstsein relevanten und die irrelevanten neuronalen Prozesse im Gehirn voneinander trennt. Ein solches Prinzip könnte die von Tononi vorgeschlagene Integration von Informationen sein, zu der nicht alle Gehirnregionen in der Lage sind. Wissenschaftlich wird es eine Herausforderung werden, die TII zu testen, da deren Vorhersagen die gegenwärtigen rechnerischen und experimentellen Möglichkeiten überschreiten. Beispielsweise haben die bildgebenden Verfahren im Menschen derzeit keine hinreichende zeitliche oder räumliche Auflösung, um die Vorhersagen der TII hinsichtlich Bewusstseinsinhalte im Experiment zu testen. Ungeachtet dieser Herausforderungen sind die ersten gewonnen Einsichten in die neuronalen Korrelate des Bewusstseins faszinierend und wir dürfen viele weitere zukünftige Einsichten erwarten.

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