Jürgen Krüger
Hirnforschung

 

 

letzte Änderung dieser Webseite (Hirnbrief) 21. Juli 2022


Hinweis: Es gibt einen Text vom 3. Aug. 2022 in den "Varia": Mann-Frau

Der Hirnbrief 2, 2022:

Konstanz

Was soll man sich als Hirnforscher denken, wenn man mit der Vielzahl von räumlich oder zeitlich konstanten Erscheinungen zu tun hat? Im räumlichen Bereich gibt es das Schwerefeld an der Erdoberfläche, vielleicht auch noch Magnetfelder, wenn man nur in kleinere Entfernungen schaut, und beispielsweise Steine, Papierblätter oder Drähte, deren Materialeigenschaften (oder zumindest einige) längs dreier, zweier oder einer Dimensionen zwischen ihren Berandungen als konstant angenommen werden. Im zeitlichen Bereich gelten die meisten als "Gegenstände" bezeichneten Dinge, und viele ihrer Eigenschaften, für recht lange Zeiten als konstant. Sogar individuelle Lebewesen können in gewisser Weise als konstant angesehen werden, erkennbar daran, dass sie vielleicht einen Namen haben. Innerhalb dieser konstanten gedanklichen "Hülle" kann es jedoch Variabilitäten geben. In der Physik gelten Himmelskörper weitgehend als konstant, Elementarteilchen wie Elektronen, Neutronen, Mesonen oder andere werden sogar auch dann noch als "Teilchen", d.h. als Gegenstände aufgefasst, wenn sie nach extrem kurzer Zeit wieder zerfallen. Das ist insofern kurios, als niemand bei der Betrachtung eines schwingenden Pendels einen momentanen Bewegungszustand als "zwar extrem kurzzeitig, aber doch konstant während dieser kurzen Zeit" ansehen würde.

Woher kommt die Idee der Konstanz? Da wird ja nicht etwa der ganze räumliche bzw. zeitliche Bereich Punkt für Punkt lückenlos getestet, sondern es werden isolierte Proben genommen, und diese gelten dann für den ganzen konstanten Bereich. Es muss einen Mechanismus geben, der dann auf "Konstanz" schließt, und der dabei eine gewisse Toleranz gelten lässt.

Im räumlichen Bereich ist die Abfolge bei den Tests folgendermaßen: die Ergebnisse punktueller Tests werden unverzüglich wahrgenommen und auch neuronal gespeichert, so dass man sich an sie erinnern kann. Zumeist werden die Tests aus praktischen Gründen nacheinander (an verschiedenen Stellen) durchgeführt, aber im Prinzip könnten auch alle gleichzeitig ausgeführt werden. Dabei muss auf jeden Fall auf Wiederholungen der Tests Wert gelegt werden, um die die Verallgemeinerung auf das gesamte betrachtete Gebiet zu stützen. Diese Ausdehnung wird dann eher als intellektueller Akt angesehen. Bemerkenswert ist, dass auch bei gleichzeitig ausgeführten Tests deren Ergebnisse letztendlich nur nacheinander geprüft werden können, weil schließlich alles bei nur einem Untersucher zusammmenlaufen soll.

Ein Aspekt wird dabei so gut wie niemals erwähnt (außer in meinem Hirnbrief Nr. 3; 2009), dass nämlich an den getesteten Stellen niemals eine neuronale Erregung stattfindet. Denn die getesteten Stellen befinden sich außerhalb des Gehirns des Untersuchers. Deshalb müssen die neuronalen Prozesse, die den Test abzuwickeln ermöglichen, irgendwie die Bedeutung von Ortsangaben erhalten, und noch einiges mehr.

Rein visuelle Tests von konstanten ein- oder zweidimensionalen Objekten laufen anders ab: Neurone können an einer Grenzlinie feststellen "links schwarz, rechts rot". Wenn dann weiter nach rechts hin keine Meldung eines anderen Wechsels kommt, dann gilt "rot" weiter, bis schließlich noch weiter rechts eine andere Grenzlinie signalisiert wird. Das Besondere an diesen Fällen ist, dass der Detektor, also das visuelle System, im Prinzip das ganze betreffende Gebiet im Blick hat, aber wo keine Änderung festgestellt wird, gibt es keine neuronale Reaktion. Nur so kann eine ganze Fläche rot aussehen, obwohl die Neurone nur an den Rändern reagiert haben. Auch hier muss gesagt werden, dass an keiner Stelle im Inneren des tatsächlichen visuellen Reizes eine neuronale Erregung stattfindet, oder genauer gesagt, es mögen vielleicht welche stattfinden, aber sie werden nicht genutzt, und sind für diesen Zweck auch nicht geeignet.

Ein derartiges Verfahren, das von der Oberfläche ausgeht, lässt sich nicht anwenden, wenn man das Innere eines Steines als räumlich konstant erkennen will. Dafür fehlt ein geeigneter Detektor. Diesen gibt es ebensowenig für den gleichzeitigen Nachweis eines Schwerefeldes in einem großen Gebiet. Für das Innere des Steins fehlt er in zweierlei Weise: Erstens müsste man nicht Eigenschaften, sondern Änderungen von Eigenschaften punktuell messen, und zweitens fehlt einem möglichen Detektor ein "röntgenartiger" Überblick über den ganzen Stein. Für das Schwerefeld und das Magnetfeld hat man nur das erstgenannte Problem. Für das Schwerefeld kommt hinzu, dass es kein gutes Beispiel ist, da es praktisch nur einen einzigen Wert gibt.

Im zeitlichen Bereich sieht einiges anders aus. Als erstes fällt auf: es gibt eine riesige Menge von konstanten Objekten oder zumindest von konstanten Eigenschaften, und auch andere konstante Sachverhalte wie beispielsweise den dauerhaften Zusammenhalt von Gegenständen. Eine Apfelsine zwischen Blättern am Baum zu erkennen, ist leichter, wenn man dazu die Farbe heranzieht, weil diese unabhängig ist vom Grad der Verdeckung durch Blätter. Hingegen das Erkennen anhand der Form ist erschwert durch unterschiedliche Verdeckungen.

Was jetzt kommt, ist sprachlich schwierig auszudrücken: Es gilt nämlich zunächst derselbe Satz wie der obige für den Fall räumlicher visueller Analyse von ein- oder zweidimensionalen Objekten: "Der Detektor hat im Prinzip das ganze betreffende Gebiet im Blick, aber wo keine Änderung festgestellt wird, gibt es keine neuronale Reaktion." Nur ist jetzt mit dem "Gebiet" ein zeitlicher Bereich gemeint, und "der Detektor" tastet das "Gebiet" nacheinander ab (wobei aber hier die Besonderheit ist, dass "nicht gewusst" wird, was "nacheinander" heißen soll). Wenn es einen Einschaltvorgang gab, von der Art "erst dunkel, dann rot", dann wird der Reiz, sofern er nicht ausgeschaltet wird, nacheinander in jedem weiteren Moment als "rot" wahrgenommen. In jedem dieser Momente scheint der Reiz in der Wahrnehmung genau nur für jeweils diesen einen Moment auf ("jetzt ist diese Fläche rot"); es gibt keine gleichzeitige Wahrnehmung für ein größeres zeitliches Gebiet. Bestenfalls ist die Wahrnehmung begleitet von einer in jedem Moment verfügbaren Allzweck-Konstanzmeldung, d.h. sie meldet nicht "rot", sondern dass das Wahrgenommene, was auch immer es sei, konstant sei.

Freilich entspringen auch im räumlichen Fall die Meldungen von "Abwesenheit von Änderung" an lauter Einzelpunkten im Gesichtsfeld. Im räumlichen Fall werden sie von vielen Einzelpunkten "zusammengeholt", um im "Ich", von dem es nur eines gibt, den Eindruck zu erzeugen, dass es sich um eine Konstanz in einem größeren Gebiet handelt. Hingegen im zeitlichen Fall werden die Einzelpunkte in unbeeinflussbarer Weise "durch das Ich geschoben" (d.h. indem die Zeit vorangeht). Auf diesem Niveau gibt es noch einen weiteren deutlichen Unterschied zwischen dem räumlichen und dem zeitlichen Fall: im letzteren liegt das "Ich" innerhalb des betreffenden zeitlichen Bereichs, oder vielmehr am "gegenwärtigen" Ende dieses Bereichs: das Licht ist dauerhaft konstant an seit einer Weile bis hin zum gegenwärtigen Moment. Diese Hausmauer ist grau seit langer Zeit, und ist es auch jetzt noch. Hingegen im räumlichen Fall liegt das "Ich" immer außerhalb des betreffenden Bereichs.

Nun sind von anderen Gelehrten viele Texte geschrieben worden über die sogenannte vorhersagende Kodierung ("predictive coding") in Nervensystemen: Das Nervensystem hat einige öfter vorkommende (zumeist Außenwelt-)Reize zu erkennen gelernt (mit Hilfe kleiner neuronaler Prozeduren; manche davon sind auch geerbt), und wenn es zur erneuten Erkennung eines dieser Reize kommt, wird (über eine Rückkopplung) die neuronale Reaktion auf diesen Reiz unterdrückt. Nur wenn es ein anderer als einer der bisher gelernten Reize ist, gibt es eine neuronale Reaktion. So wahnsinnig vorhersagend finde ich das allerdings nicht. Wie auch immer: der hier betrachtete Fall der zeitlichen Konstanz ist der häufigste und auch einfachste Fall einer solchen Kodierung. Da besteht das als häufig vorkommend Gelernte über kommende Reize einfach aus der Idee, dass derselbe Reiz unverändert fortgesetzt wird, woraufhin es entsprechend der vorhersagenden Kodierung keine Reaktion gibt.
Ein Einwand zu dieser Darlegung ist, dass nach dem Prinzip "vorhersagende Kodierung" die Erregung zunächst Moment-für-Moment vorliegen muss, um dann in einem nachfolgenden Prozess weggehemmt zu werden, was Zweifel an der energetischen Sparsamkeit erweckt. Hingegen wird im Fall des Sehens gleich von vornherein nur eine kurzzeitige Erregung produziert, wenn sich etwas geändert hat, und wenn sich nichts ändert, gibt es keine Erregung.

Das eigentliche hier interessierende Problem liegt aber woanders. Es mag ja sein, dass ein Nervensystem aus energetischen Gründen seine Erregungen nur in den allerwichtigsten Fällen zum Einsatz bringt, meinetwegen durch vorhersagende Kodierung, und damit sparsam und effektiv das Verhalten des Lebewesens steuern kann. Nur: wie kommt denn dann die visuelle Wahrnehmung zustande, bei der ja gerade der ganze Reichtum wieder hervorgeholt wird? D.h. die unterdrückten Reize sind komplett zu sehen. Die visuelle Wahrnehmung besteht ja zum allergrößten Teil aus diesen langzeit-konstanten Anteilen. Aus den drei vorangehenden Hirnbriefen, und noch einigen früheren, geht hervor, dass man die Wahrnehmung eines langanhaltenden Reizes auffassen kann als ein zeitliches Integral über den (kurzzeitigen) Erregungsverlauf beim Einschalten. Die Integralbildung muss aber ein irgendwie virtueller nicht-materieller Vorgang sein; auf keinen Fall darf sie eine neuronale Erregung sein, die den ganzen Integrationsprozess begleitet, denn dann wäre das Bemühen um Energie-Ersparnis umsonst.

Wenn es aber so ist, dass das Lebewesen verhaltensmäßig bestens zurechtkommt mit den Ergebnissen von derartiger energiesparender Kodierung, wozu braucht es denn dann die Kenntnis all derer Details, die es gerade neuronal unterdrückt (aber phänomenal behalten) hat? Wozu werden denn die phänomenalen Gehalte des Bewusstseins gebraucht, wo sie doch so verschieden sind von den zugrundeliegenden neuronalen Erregungen? Auf jeden Fall erscheinen mir die Ergebnisse der oben angeführten Tests als phänomenale Gehalte; ich nehme sie bewusst zur Kenntnis. Im Prinzip müssten die dahintersteckenden Erregungen viel sparsamer sein und vor allem keine zeitkonstanten Erregungsverläufe haben. Die zeitlichen Abfolgen von Erregungen im Vergleich zu denen der Wahrnehmungsinhalte sind also das Problem.

Eigentlich müsste man folgern, dass wirklich alles, was das Nervensystem in objektiv feststellbarer Weise leistet, ausschließlich auf der Grundlage dieser Änderungssignale zustandekommt. Dazu würde auch die Produktion strukturierter Luftdruckwellen ("Sprache") gehören, beispielsweise wenn ich über die Langzeit-Konstanz eines bestimmten Hauses rede. Allerdings, was ich da objektiv ("naturwissenschaftlich") feststellen kann, ist nur die physikalische Schallfolge der Äußerung, nicht aber, was diese bedeutet. Man kann sich noch einigermaßen vorstellen, dass sprachliche Bedeutungen durch das Erlernen eines Massen-Konsenses entstehen, d.h. ein(e) jede(r) in einer größeren Gesellschaft lernt, mit welchen objektiv beobachtbaren Situationen bestimmte Schallfolgen zusammenhängen. Das bliebe jedoch weiterhin eine rein neuronale Affäre; "Bedeutungen", die man "weiß", die also im Bewusstsein aufscheinen, kämen nicht vor. Und ebenso bliebe weiterhin unverständlich, dass in der visuellen Wahrnehmung all die neuronal nicht Moment-für-Moment-dargestellten konstanten Dinge erscheinen.

Ich glaube, dass ein wesentlicher Punkt bei diesen Problemen ist, dass auch "das Vorangehen der Zeit" kein im Nervensystem objektiv feststellbarer Vorgang ist, sondern eine phänomenale Erscheinung im Bewusstsein. Es ist schwierig, genau zu beschreiben, was gemeint ist. Auf jeden Fall ist damit nicht gemeint, dass es periodische, oder auch anders zeitabhängige physiologische Vorgänge gibt. Vielmehr, wenn beispielsweise ein Herzschlag passiert, ist die Frage, was es denn bedeuten soll, dass ein weiterer Herzschlag danach kommt, und zwar ohne dass ich schon vorher weiß, was mit "danach" gemeint ist. Freilich sagen die Physiker schnell mal, dass "Zeit" sehr wohl "objektiv" sei, weil man sie ja messen könne, zB. mit einer Pendeluhr. Aber das geht nur, wenn man schon weiß, was es heißen soll, wenn man sagt, dass die Pendelschwingungen "zeitlich nacheinander" kommen.

Das Problem scheint schon angelegt zu sein in der Aussage, dass Neurone nur auf Änderungen reagieren. Zunächst einmal ist da in einem Moment einfach eine Erregung. Diese soll nun also als die Änderung einer anderen Variablen aufgefasst werden. Es ist so, wie wenn neuronale Erregungen zu vergleichen wären mit der Variablen "Geschwindigkeit"; das ganze neuronale System arbeitet nur mit dieser Variablen. Und nun soll auf einmal die Idee entstehen, dass diese Variable aufzufassen sei als "Änderung eines Ortes". Das System "weiß" aber zunächst nicht, was "Ort" ist; es hatte bis dahin niemals damit zu tun. Hinzu kommt, dass sogleich gesagt werden muss, längs welcher Koordinate diese Änderung passieren soll.

So unklar wie diese Geschichte ist, gibt es doch zwei Anmerkungen dazu zu machen. Die eine ist, dass der Übergang von "Erregung" zu "Änderung einer anderen Variablen längs einer neuen Koordinate" die Möglichkeit der Integration umfasst, d.h., wenn ich jetzt mal wieder das Wort "Zeit" statt "neue Koordinate" benutze, dass ich ein Integral über die Zeit bilde, um von der neuronalen Änderungsdarstellung zur Darstellung mit allen konstanten Partien zu kommen. Der Punkt dabei ist, dass man dann auch eine Anfangsbedingung benötigt, die ggf. in grauer Vorzeit liegt, und die unzulänglich bleibt, wenn ich da herangehe mit einem Apparat "Nervensystem", der immer nur in der Gegenwart arbeitet. Ich denke, dass die "Qualia", die notorisch als unzugänglich gelten, Anfangsbedingungen sind. Aber was noch alles zu diesen gehört, bleibt unklar.

Die zweite Anmerkung ist, dass alle für die hier betrachteten Sachverhalte bedeutsamen physikalischen Grundgleichungen "Differentialgleichungen in der Zeit" sind. Die Aufgabe des Wissenschaftlers ist normalerweise, eine dieser Gleichungen zu "lösen" für einen vorliegenden Fall, wobei die Lösung normalerweise ein Integral über die Zeit umfasst. Die Frage nach den dann erforderlichen Anfangsbedingungen wird von den Physikern oftmals pragmatisch beantwortet, nämlich dass die Annahme bestimmter Anfangsbedingungen zu erfolgreichen Lösungen führt.

Vielleicht beruht die gesamte Einrichtung "Bewusstsein" auf solchen pragmatischen (d.h. nicht durch Gesetzmäßigkeiten erzwungenen) Anfangsbedingungen, und genau damit wird mein Nervensystem befähigt, unter anderem die hier vorgebrachten Überlegungen anzustellen, die ja nicht unbewusst durchgeführt werden können. Hier landet man wieder beim gedanklichen Kreisverkehr, auch Circulus Vitiosus oder Rückbezüglichkeitsdilemma genannt, den oder das ich schon oft erwähnt habe, aber zugegebenermaßen gelingt es mir nicht, dieses wirklich genau und scharf zu beschreiben.

Der Plan ist als nächstes, von den Physikern eine formale Beschreibung zu erhalten, wie man von einigen isolierten Tests mit immer wieder gleichen Ergebnissen den Schluss zieht, dass die gemessenen Eigenschaften auch zwischen den Tests vorhanden sind, also eine dauerhafte zeitliche Konstanz vorliegt. Dabei muss ich darauf achten, dass keine Volksweisheiten einfließen wie z.B. "ich weiß doch, was "Zeit" ist, und dass sie vorangeht".

So sieht eines der Hauptprobleme der Hirnforschung aus, aber so manch ein Hirnforscher hat das noch gar nicht bemerkt.