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Theoretische Hintergründe zum Thema Bewusstsein

Wir sind noch nicht weit gekommen, um das Problem unseres Bewusstseins so zu vertehen, dass wir gemäß dem Anspruch der Künstlichen Intelligenz eine Maschine bauen können, die annähernd Ähnliches leisten kann wie unser Geist (Dartmouth Summer Reseach-Projekt von 1956).

Der nicht gefundene Stein der Weisen ist die fehlende Antwort auf die Frage nach dem Hard Problem of Consciousness (David Chalmers), der Frage, warum und wie physikalische Prozesse im Gehirn subjektives Erleben („Qualia“) erzeugen. Manche Neurowissenschaftler meinen zwar, die physikalischen Vorgänge bei einfachen Problemen (Easy Problems) wie Wahrnehmung, Aufmerksamkeit und Gedächtnis erklären zu können, aber nicht das Erleben des Wahrgenommenen.

Neuronale Korrelate (NNC)

In diesem Zusammenhang ist oft die Rede von Neuronalen Korrelaten (NCC). Mit den NCC sind die teilweise messbaren, mit bildgebenden Verfahren der Neurologie (fMRT- und EEG-Scans) sichtbar machbaren Aktivitätsmuster in bestimmten Hirnarealen gemeint. Sie zeigen, wo Gehirnprozesse bei bewusster Wahrnehmung, beim Nachdenken und bei Gefühlen stattfinden. Sie können aber nicht erklären, warum sie subjektives Erleben erzeugen. Dennoch meinen manche Hirnforscher, dass diese Korrelate in direkter Verbindung mit Bewusstsein stehen und man eines schönen Tages Bewusstsein vollständig durch physikalische Prozessse erklären kann.

Global Neuronal Workplace (GNW)

Nicht ganz so weit geht die Global Neuronal-Workplace-Theorie (GNW). Diese sehr verbreitete Theorie geht auf den französichen Molekulatbiologen Jean-Pierre Changeux und den Neurobiologen Stanislas Dehaene zurück. Sie behauptet, dass Bewusstsein sich aus der Komplexität der Informationsverarbeitung in vernetzten Gehirnregionen ergibt und so das Erleben des Wahrgenommenen ermöglicht. Die in verschiedenen Regionen massiv parallel verarbeiteten und verbreiteten Informationen stünden in einem permanenten Wettbewerb miteinander. Nur wenige, die am stäksten aktivierten Reize gewinnen die Aufmerksamkeit. Sie sind so wichtig, dass sie es in den von dieser Theorie erfundenen "globalen Neuronalen Workspace" schaffen. Jetzt werden sie über das stark vernetzte Netzwerk von Neuronen über verschiedene Gehirnregionen verbreitet und sollen nun für kognitive Prozesse verfügbar sein, also für Sprache, Gedächtnis, Entscheidungsfindung und vor allem bewusste Wahrnehmung.

Bewusstsein ist damit zwar nicht erklärt, auch nicht, wie die Selektion der Informationen nach Wichtigkeit erfolgt. Aber immerhin meinen die Vertreter dieser Theorie, einen Beitrag für die Lösung des Easy Problem of Conciousness geleistet zu haben. Beweis dafür seien die messbaren elektromagnetischen Wellen mit einer Frequenz um 40 Herz, die sog. Gamma-Oszillationen. Diese werden durch synchronisierte Feuer-Muster der massenhaft aktivierten Neurone bei verstärkter Hirnaktivität erzeugt.

Wir sehen: noch reichlich Nebel beim Stapfen durch das Wattenmeer.

Die Integrated Information Theorie (ITT)

Der von dem Psychiatrie-Professor Giulio Tononi entwickelte Theorie liegt die Annahme zugrunde, dass Bewusstsein eine intrinsische Eigenschaft komplexer Informationssysteme sei. Nach dieser Theorie entsteht Bewusstsein nur, wenn Teile eines Systems so miteinander verbunden sind, dass sie nicht unabhängig voneinander existieren können und die in einem System enthaltene Information mehr ist als die Summe seiner einzelnen Teile. Dafür hat Tononi auch gleich eine Metrik entwickelt, die er mit dem griechischen Buchstaben Phi (Φ) bezeichnet hat. Dieses Phi soll den Grad integrierter Information eines Systems angeben, also den Anteil, der über die Summe der Einzelteil-Informationen hinausgeht. Bewusstsein ist nicht ein Attribut, eine Eigenschaft von irgendwas, sondern existiert für sich selbst und ist, so Tononi, nicht an biologische Systeme wie unser Gehirn gebunden. Der integrierte Informationsanteil eines Systems ist dann ein Maß für Bewusstsein. So gibt es Dinge, wie z.B. ein Stein mit sehr geringem oder keinem Φ, eine Ameise mit einem kleinen Φ und damit einem geringen Bewusstsein und das menschliche Gehirn mit einem superhohen Φ.

Die mathematische Formulierbarkeit des Phi lässt natürlich das Herz der Softwareingenieure höher schlagen:

Zusammen mit seinem Kollegen Marcello Massimini (Univ. Mailand) hat Giulio Tononi Anfang der 2000er Jahre eine Methode entwicklet, die seitdem als Goldstandard der Bewusstseinsmessung gilt. Sie funktioniert folgendermaßen:

Das Verfahren ist in der klinischen Praxis verbreitet, z.B. bei der Diagnose von Bewusstseinsstörungen, zur Unterscheidung zwischen vegetativem Zustand, verschiedenen Stufen des wachen Bewusstseins, zur Überwachung der Narkosetiefe und von Koma-Patienten. So konnte man Erfahrungswerte sammeln. Wenn der PCI-Wert unter 0.3 liegt, geht man davon aus, dass es sich um einen unbewussten Zustand handelt. Werte zwischen 0.3 und 0.7 gelten als normale Wachheit.

Was hier gemessen wird, sind allerdings nur durch starke magnetische Impulse (TMS) verursachte elektrische Gehirnaktivitäten, von denen man annimmt, dass ihre Ursache ein aktives Bewusstsein ist. Die Methode sagt nichts über Empfindungen aus und ist nicht zur Beurteilung höherer kognitiver Gehirnfunktionen geeignet. Sie erfasst haupsächlich Zustände der normalen Wachheit, des Schlafs, Traumschlafs, Tiefschlafs oder der Bewusstlosigkeit. Das Hard Problem of Consciousness bleibt weiter ungelöst.

Panpsychismus

Einen gewagten Schritt weiter geht die Theorie des Panpsychismus. Nach dieser Theorie ist Bewusstsein eine grundlegende Eigenschaft der Elemente des Universums, so wie Raum, Zeit, Masse oder elektrische Ladung als Attribute von Materie darstellbar sind. Demnach hätten nicht nur Menschen, Tiere und Pflanzen, sondern auch simple Dinge wie Steine, Moleküle, Atome und Elementarteilchen, sogar das Universum selbst eine Form von Bewusstsein, allerding in sehr unterschiedlichem Ausmaß.

Die Theorie hat den Vorteil, dass sie nicht erklären muss, wie Bewusstsein entsteht, weil sie annimmt, dass Bewusstsein immer schon da ist. Sie kann der Integrated Information Theory bei der Schließung einiger ihrer Erklärungslücken schon mit der Annahme helfen, dass jeder Informationseinheit schon ein Bewusstsein innewohnt. Bewusstsein müsse also nicht mehr entstehen, sondern war schon immer da und müsse nur noch sozusagen organisiert werden, um in Erscheinung zu treten. Dies geschehe vor allem durch die Art, wie mit Information umgegangen wird. Die Frage, wie aus vielen Mini-Bewusstseinen ein großes einheitliches Bewusstsein entstehen kann, bleibt allerdings unbeantwortet.

Unterstützung für panpsychistische Theorien kann man auch in der Quantenphysik finden. Wenn man sich auf die Suche nach den elementarsten Bausteinen des Universums begibt und feststellen muss, dass es nach dem Atom, dem „Unteilbaren“, immer noch weiter geht, bis dann auf einmal nichts mehr da ist, nichts Materielles mehr, bestenfalls Schwingungen, Wahrscheinlichkeiten oder Beziehungen, jedenfalls nichts Greífbares mehr. Man findet nur noch eine nicht-materielle Basis, eigentlich auch keine Basis, denn alles ändert sich ständig. Uns fehlt die Sprache, um zu beschreiben, wo wir hier gelandet sind, jedenfalls etwas, das sich bestenfalls als Information oder als geistige Struktur verstehen lässt. Materie und Geist erscheinen als Aspekte einer tieferen Realität.

Ob quantenphysikalische Prozesse eine Rolle für das Verständnis von Bewusstsein spielen, ist unter Wissenschaftlern umstritten. Die Frage findet aber immer mehr Interesse. Die Proteinstrukturen im Zytoskelett der Neurone, die sog. Neurotubuli haben eine Größenordnung, die Quantenprozesse ermöglichen könnte.

Der umtriebigen Physiker Roger Penrose und sein Kollege Stuart Hameroff haben daraus gleich eine Theorie gemacht, die sie dazu bewog, über eine auf Quantenkohärenz beruhende nicht-klassische Informationsverarbeitung nachzudenken, die sie dann in Zusammenhang mit dem Bewusstsein brachten, die Orchestrated Object Reduction-Theorie (OrchOr). Die Theorie der beiden Wissenschaftler verspricht, einen Einstieg zu bieten, wie quantenphysikalische Prozesse Bewusstseinsprozesse auslösen konnen. Mehr dazu erfordert einen kleinen Ausflug in die Quantenphysik, dafür hier klicken.

Quanteneffekte werden mit imaginären Wahrscheinlichkeitsfunktionen beschrieben und gelten als nicht-deterministisch. Das ist interessant, wenn man eines schönen Tages sich einer wissenschaftlichen Erklärung des freien Willens nähern will.

Panpsychistische Ideen sind nicht neu. Schon Thales von Milet (624-546 v.Chr.) betrachtete das Universum als von Geist durchdrungen. Ähnliche Vorstellungen findet man bei weiteren Philosophen des Altertums und des Mittelalters bis zu zahlreichen Wissenschaftlern in unserer Zeit. Wenn man unbedingt einen Namen nennen will, dann vielleicht David Chalmers, der mit einem vielbeachteten Vortrag auf der Toward a Science of Conciousness Conference 1995 in Arizona mit der Frage nach dem Hard Problem of Conciousness die Bewusstseinsforschung entscheidend angetrieben hat.

Die Theorie der kontrollierten Halluzination

Anil Seth ist Professor für kognitive und computergestützte Neurowissenschaften an der University of Sussex und angesehener Wissenschaftler für die Themen Neurowissenschaften und Kognitionswissenschaften. Nach seiner Theorie ist Wahrnehmung eine Art kontrollierte Halluzination, die sich in ständigem Fluss befindet.

Nach seiner Vorstellung ist das Gehirn kein passiver Empfänger von Sinneseindrücken, sondern macht aktiv Vorhersagen über die Ursachen der sensorischen Signale, die in einer Top-Down-Richtung kaskadiert werden. Die empfangenen sensorischen Bottom-Up-Signale werden mit den Wahrnehmungsvorhersagen verknüpft, wodurch Vorhersagefehler in einem Prozess der permanenten Minimierung solcher Fehler korrigiert werden. Unser Gehirn ist nach dieser Auffassung ständig bemüht, die Erwartungen mit den Wahrnehmungen im Einklang zu halten, sei es durch Änderung der Erwartungen oder durch aktives Handeln, um die sinnliche Wahrnehmung so zu verändern, dass sie besser zu den Erwartungen passt, z.B. durch eine veränderte Lenkung der Aufmerksamkeit, so auch der britische Neurowissenschaftler Karl J. Friston.

Lernen ist Erleben und Erfahren, Wahrnehmung ein interaktiver Prozess mit der Umgebung. Eine Vorahnung über das, was wir sehen, trifft das gesehene Objekt, erfährt in der Rückmeldung eine kleinere oder größere Korrektur, und dieser Prozess wird permanent fortgesetzt. Das subjektive Erleben wird also durch den Inhalt der Top-down-Vorhersagen bestimmt und nicht durch die Bottom-up-Signale der wahrgenommenen Objekte. Wir erleben nur Interpretationen der sensorischen Signale. Tatsächlich nehmen wir eine Top-down-Innen-Außen-Fantasie wahr, die von der Realität laufend korrigiert wird:

„When we agree about our hallucinations, that's what we call reality“. Wenn wir uns über unsere Halluzinationen einig sind, nennen wir das Realität.
Anil Seth: Beeing You

Fazit

Wir gehen wie selbstverständlich von uns aus, von uns als der „Krone der Schöpfung“. Alle in diesem Dokument aufgeführten Bewusstseinstheorien haben eines gemeinsam: Sie verorten das Bewusstsein, dieses unbekannte Etwas, irgendwie in unserem Gehirn. Bei Tieren schon sind sich viele Wissenschaftler nicht einig, ob wir ihnen Bewusstsein zusprechen können. Aber bei Pflanzen: Eher nicht.

Das wirft die Frage auf: Stimmt das überhaupt? Um das näher aufzuklären, lohnt es sich, über Das Bewusstsein der Pflanzen gründlicher nachzudenken.

 

Künstliche Intelligenz

Erst mit den Neuronalen Netzwerken hat die KI-Idee, eine Maschine zu bauen, die wie menschliches Denken funktioniert, einen entscheidenden Schub bekommen. Die dahinter stehende Idee ist keineswegs neu. Schon in der wissenschaftlichen Literatur aus dem vorletzten Jahrhundert findet man erste Vorstellungen, dass menschliches Denken auf Netzwerkstrukturen beruht (z.B. William James 1869). Erste technische Ansätze gab es dann 1949 mit Donald Hebb, dem wir die Hebbsche Regel verdanken. Das erste trainierbare Neuronale Netz war das Perceptron von Frank Rosenblatt (1958).

Dann folgte eine lange Zeit der Stagnation, bis Geoffrey Hinton und andere mit der Einführung des Backpropagation-Algorithmus die Möglichkeit schufen, in mehrstufigen Netzwerken komplexe Muster zu erkennen. Hinton und sein Team legten zu Beginn unseres Jahrhunderts die Grundlagen für trainierbare Deap Learning-Netzwerke.

Danach nahm die Entwicklung einen rasend schnellen Lauf, befördert durch immer leistungsfähigere Rechner und Unmengen verfügbarer Daten (Big Data), bis zu den Large Language Models, die inzwischen multimedial geworden sind und mit den auf ihnen aufsetzenden Chatbots (ChatGPT, Gemini und die chinesische Antwort auf die US-amerikanischen Chatbots, DeepSeek ) buchstäblich die ganze Welt eroberten.

Die heutigen Systeme können im Vergleich mit dem menschlichen Denken Neurone simulieren und eine massive Parallelverarbeitung nachbauen. Die elektrochemischen Prozesse in den Synapsen werden in millionen- bis billionenfach wiederholten Trainingsschritten als Verbindungswerte (auch Parameter genannt) nachgebaut, wodurch die Stärke der Signalübertragung zwischen den Neuronen simuliert wird.

Greift man die Terminologie der Bewusstseinsforschung auf, so kann man gutwillig konstatieren, dass man sich erfolgreich mit dem Easy Problem of Conciousness befasst, aber keinen Schritt auch nur in die Nähe der Lösung des Hard Problem of Conciousnessgeschafft hat.

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Theoretical background on the topic of consciousness

We have not yet come very far in understanding the problem of our consciousness in such a way that we can build a machine that can do something similar to our mind (Dartmouth Summer Reseach project of 1956), in accordance with the claim of artificial intelligence.

The philosopher's stone that has not been found is the lack of an answer to the Hard Problem of Consciousness (David Chalmers), the question of why and how physical processes in the brain generate subjective experience ("qualia"). Some neuroscientists believe that they can explain the physical processes involved in easy problems such as perception, attention and memory, but not the experience of what is perceived.

Neuronal correlates (NNC)

In this context, the term neuronal correlates (NCC) is often used. NCC refers to the partially measurable activity patterns in certain areas of the brain that can be visualised using neurological imaging techniques (fMRI and EEG scans). They show where brain processes take place during conscious perception, thinking and emotions. However, they cannot explain why they generate subjective experiences. Nevertheless, some brain researchers believe that these correlates are directly linked to consciousness and that one day it will be possible to explain consciousness entirely through physical processes.

Global Neural Workplace (GNW)

The Global Neuronal Workplace (GNW) theory does not go quite as far. This very widespread theory goes back to the French molecular biologist Jean-Pierre Changeux and the neurobiologist Stanislas Dehaene. It claims that consciousness results from the complexity of information processing in networked brain regions and thus enables the experience of what is perceived. The information processed and disseminated massively in parallel in different regions is in permanent competition with each other. Only a few, the most strongly activated stimuli attract attention. They are so important that they make it into the "global neuronal workspace" invented by this theory. They are now distributed via the highly interconnected network of neurons across different regions of the brain and should now be available for cognitive processes, i.e. for language, memory, decision-making and, above all, conscious perception.

This does not explain consciousness, nor does it explain how information is selected according to importance. But at least the proponents of this theory believe that they have made a contribution to solving the Easy Problem of Consciousness. Proof of this are the measurable electromagnetic waves with a frequency of around 40 Hz, the so-called gamma oscillations. These are generated by synchronised firing patterns of the massively activated neurons during increased brain activity.

We see: still plenty of fog as we trudge through the Wadden Sea.

The Integrated Information Theory (ITT)

The theory developed by psychiatry professorGiulio Tononiis based on the assumption that consciousness is an intrinsic property of complex information systems. According to this theory, consciousness only arises when parts of a system are connected in such a way that they cannot exist independently of each other and the information contained in a system is more than the sum of its individual parts. Tononi also developed a metric for this, which he labelled with the Greek letter Phi (Φ). This Phi is intended to indicate the degree of integrated information of a system, i.e. the proportion that exceeds the sum of the individual parts' information. Consciousness is not an attribute, a property of something, but exists for itself and, according to Tononi, is not bound to biological systems such as our brain. The integrated information part of a system is then a measure of consciousness. For example, there are things such as a stone with very little or no Φ, an ant with a small Φ and therefore a low level of consciousness, and the human brain with a super-high Φ.

The mathematical formulation of the Phi naturally makes the hearts of software engineers beat faster:

Together with his colleague Marcello Massimini (University of Milan), Giulio Tononi developed a method in the early 2000s that has since become the gold standard for measuring consciousness. It works as follows:

The method is widely used in clinical practice, e.g. in the diagnosis of disorders of consciousness, to differentiate between vegetative state, different stages of consciousness, to monitor the depth of anaesthesia and coma patients. This allowed us to gather empirical values. If the PCI value is below 0.3, it is assumed that the patient is in an unconscious state. Values between 0.3 and 0.7 are considered normal wakefulness.

However, what is measured here is only electrical brain activity caused by strong magnetic impulses (TMS), which is assumed to be caused by active consciousness. The method says nothing about sensations and is not suitable for assessing higher cognitive brain functions. It mainly records states of normal wakefulness, sleep, dream sleep, deep sleep or unconsciousness. The Hard Problem of Consciousness remains unsolved.

Panpsychism

The theory of panpsychism goes a daring step further. According to this theory, consciousness is a fundamental property of the elements of the universe, just as space, time, mass or electrical charge can be represented as attributes of matter. According to this theory, not only humans, animals and plants, but also simple things such as stones, molecules, atoms and elementary particles, even the universe itself, have a form of consciousness, albeit to very different degrees.

The theory has the advantage that it does not have to explain how consciousness arises because it assumes that consciousness is always already there. It can help the Integrated Information Theory to close some of its explanatory gaps by assuming that consciousness is already inherent in every unit of information. Consciousness therefore no longer needs to arise, but has always been there and only needs to be organised, so to speak, in order to appear. This happens above all through the way in which information is handled. However, the question of how a large unified consciousness can emerge from many mini-consciousnesses remains unanswered.

Support for panpsychist theories can also be found in quantum physics. If you go in search of the most elementary building blocks of the universe and realise that after the atom, the "indivisible", it still goes on until suddenly there is nothing left, nothing material, at best vibrations, probabilities or relationships, at any rate nothing tangible. You can only find a non-material basis, actually no basis at all, because everything is constantly changing. We lack the language to describe where we have landed here, at least something that can at best be understood as information or as a mental structure. Matter and spirit appear as aspects of a deeper reality.

Whether quantum physical processes play a role in understanding consciousness is a controversial issue among scientists. However, the question is attracting more and more interest. The protein structures in the cytoskeleton of neurones, the so-called neurotubules, are of a size that could enable quantum processes.

The busy physicist Roger Penrose and his colleague Stuart Hameroff immediately turned this into a theory that led them to think about non-classical information processing based on quantum coherence, which they then linked to consciousness, the Orchestrated Object Reduction theory (OrchOr). The theory of the two scientists promises to provide an introduction to how quantum physical processes can trigger consciousness processes. More on this requires a brief excursion into quantum physics, therefore click here.

Quantum effects are described with imaginary probability functions and are considered non-deterministic. This is interesting if one day you want to approach a scientific explanation of free will.

Panpsychist ideas are not new. Thales of Miletus (624-546 BC) already considered the universe to be imbued with spirit. Similar ideas can be found in other philosophers from antiquity and the Middle Ages to numerous scientists in our time. If there is one name that absolutely must be mentioned, then perhaps it is David Chalmers, who gave a much-noticed lecture at the Toward a Science of Conciousness Conference 1995 in Arizona on the question of the Hard Problem of Consciousness, which has decisively driven consciousness research.

The theory of controlled hallucination

Anil Seth is Professor of Cognitive and Computational Neuroscience at the University of Sussex and a distinguished researcher in neuroscience and cognitive science. According to his theory, perception is a kind of controlled hallucination that is in a constant state of flux.

According to his idea, the brain is not a passive receiver of sensory impressions, but actively makes predictions about the causes of the sensory signals, which are cascaded in a top-down direction. The sensory bottom-up signals received are linked to the perceptual predictions, correcting prediction errors in a process of permanent minimisation of such errors. According to this view, our brain is constantly endeavouring to keep expectations in line with perceptions, whether by changing expectations or by actively acting to alter sensory perception so that it better matches expectations, e.g. by changing the direction of attention, according to the British neuroscientist Karl J. Friston.

Learningis experiencing and experiencing, perception is an interactive process with the environment. A premonition about what we see meets the object we see, undergoes a minor or major correction in the feedback, and this process is permanently continued. The subjective experience is therefore determined by the content of the top-down predictions and not by the bottom-up signals of the perceived objects. We only experience interpretations of the sensory signals. In fact, we perceive a top-down inside-outside fantasy that is constantly being corrected by reality:

"When we agree about our hallucinations, that's what we call reality".
Anil Seth: Beeing You

We take ourselves for granted, as the "crown of creation". All the theories of consciousness listed in this document have one thing in common: they somehow locate consciousness, this unknown something, in our brain. In the case of animals, many scientists do not agree on whether we can attribute consciousness to them. But with plants: Probably not.

This raises the question: Is this even true? In order to clarify this in more detail, it is worth thinking more thoroughly about the consciousness of plants.

Artificial intelligence

It was only with neural networks that the AI idea of building a machine that functions like a human brain received a decisive boost. The idea behind it is by no means new. The first ideas that human thinking is based on network structures can be found in scientific literature from the century before last (e.g. William James 1869). The first technical approaches came in 1949 with Donald Hebb, to whom we owe Hebb's rule. The first trainable neural network was Frank Rosenblatt's perceptron (1958).

This was followed by a long period of stagnation until Geoffrey Hinton and others created the possibility of recognising complex patterns in multi-level networks with the introduction of the backpropagation algorithm. Hinton and his team laid the foundations for trainable deap learning networks at the beginning of our century.

After that, the development took a rapid course, fuelled by increasingly powerful computers and vast amounts of available data (big data), up to the large language models, which have since become multimedia and literally conquered the whole world with the chatbots based on them (ChatGPT, Gemini and the Chinese answer to the US chatbots, DeepSeek ).

Compared to human thinking, today's systems can simulate neurones and recreate massive parallel processing. The electrochemical processes in the synapses are reproduced as connection values (also known as parameters) in training steps that are repeated millions to billions of times, simulating the strength of the signal transmission between the neurons.

If we take up the terminology of consciousness research, we can readily state that the Easy Problem of Consciousness has been successfully addressed, but that we have not even come close to solving the Hard Problem of Consciousness.

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