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Der Hirnbrief 2, 2026    

Synapsen
Üblicherweise hofft man, eine Leistung des Gehirns zu verstehen, indem man Neurone als die zentralen Elemente ansieht, die für eine bestimmte Hirnfunktion in bestimmter Weise zusammenwirken müssen. Theoretiker untersuchen Netzwerke aus idealisierten Neuronen, die über Synapsen miteinander verbunden sind. Dabei wird die Übertragungsfähigkeit der Synapsen als variabel angesehen, während die Eigenschaften der Neurone ansonsten als konstant angenommen werden. Von weiteren Einflüssen (Blutversorgung, Gliazellen, Diffusion von Substanzen) versucht man, zu abstrahieren. Die übliche Rede geht dann so: Beim Sehen sind Neurone in visuellen, bei muskulären Bewegungen in motorischen Hirngebieten tätig, d.h. die Erregungen der Neurone sind für die Funktion verantwortlich. All dies ist im Einklang mit der Naturwissenschaft.

Nun ist in den vorliegenden Hirnbriefen vor allem vom Bewusstsein die Rede, das nicht von der Naturwissenschaft erfasst wird. Was man am Bewusstsein nicht verstünde, so ist eine häufige Meinung, seien die Qualia, und dass man nicht weiß, wie diese zustandekommen. Das Musterbeispiel dafür ist, dass man den neuronalen Erregungen beim Anblick einer roten Fläche nicht entnehmen kann, wie daraus das Quale "rot" entsteht, das man wahrnimmt. Ebenso entstehen nach einer Verletzung allerlei nützliche neuronale Erregungen, bei denen unverständlich bleibt, wieso sie zu einer bestimmten Schmerzwahrnehung führen. Naturwissenschaftlich gesehen würde es ja genügen, dass die neuronalen Erregungen für alles Denkbare sorgen, was nach dem Erscheinen eines roten Reizes oder nach einer Verletzung erforderlich ist. Das Problem sind also nicht nur die einzelnen unverstandenen Qualia, sondern generell die Tatsache ihres Aufscheinens im Bewusstsein, d.h. dass man die Qualia empfindet, oder bei sensorischen Vorgängen, dass man sie wahrnimmt. Damit das möglich wird, muss ja auch eine Entität "Ich" entstehen, die scheinbar die Rolle eines "Männchens im Gehirn" spielt. Aus der menschlichen bewussten Innensicht sieht es so aus, als ob eine Verletzung zuerst eine Schmerzempfindung nach Art einer Wahrnehmung (in dem Fall eines Leidens) auslöst, von der ausgehend dann Schreien, Blasswerden, diverse Hand- und Körperbewegungen etc. angeordnet werden. Hingegen aus der Sicht der Naturwissenschaft löst die Verletzung direkt eine Reihe von physiologischen, u.a. auch neuronalen Prozessen aus, die dann alle diejenigen Folgen haben, denen man unterstellt, dass sie erst nach dem Bewusstwerden beschlossen worden seien. Dabei kommt gar kein Bewusstsein vor.

Dennoch werden naturwissenschaftliche Erkärungen zumeist als die einzig möglichen auch für Bewusstseinsinhalte (auch phänomenale Gehalte genannt) angesehen. Irgendwie hätte man doch gern einen neuronalen Mechanismus, der mit Hilfe einiger Nebenbedingungen auch die Besonderheiten des Bewusstseins erklärt. Diese sind zum einen die Subjektivität der Bewusstseinsinhalte, mitsamt der Tatsache, dass diese überhaupt in mir "aufscheinen". Nochmals in anderen Worten gesagt: Für den Fall visueller Bewusstseinsinhalte, d.h. Wahrnehmungen, ist es die Frage, warum Wahrnehmungen überhaupt existieren, und wozu sie dienen. Naturwissenschaftlich gesehen würde es ja genügen, dass absolut alles, was mit einer Flut von neuronalen visuellen Eingangssignalen im Gehirn geschehen kann, in bestmögicher Weise durch gewöhnliche neuronale Verarbeitungsprozesse geleistet wird. Das können Weiterverarbeitungen bis hin zu motorischen Reaktionen sein, aber auch Lernvorgänge oder direkte Abspeicherungen. Wozu sollte es denn darüberhinaus noch die Erscheinung "Ich" geben, die dadurch gekennzeichnet ist, dass in ihr phänomenale Gehalte, insbesondere visuelle Wahrnehmungen oder ein Leiden bei Verletzungen aufscheinen. Wenn es keine Wahrnehmungen gäbe, würde man sich zwar blind fühlen, aber alle visuell gesteuerten Vorgänge fänden in bestmöglicher Weise statt, so dass ein externer Beobachter an meinem Verhalten nicht bemerken könnte, dass ich nichts wahrnehme.

Es gibt noch einen zweiten unverständlichen, weniger beachteten Punkt, nämlich die Wahrnehmung von Langzeit-Blickzielen. Dieses eher verdrängte Problem ist, dass die stundenlange unaufmerksame Wahrnehmung eines Zimmermobiliars nicht signalisiert werden kann durch stundenlange neuronale Erregungen. Das wäre ein gewaltiges energetisches Problem. Allein schon die Tatsache ist bemerkenswert, dass man immer etwas wahrnimmt, so lange es hell ist, auch wenn man an den Wahrnehmungsinhalten nicht interessiert ist. Das meiste davon sind konstant erscheinende visuelle Objekte mit hohem Detailreichtum.

Im Hirnbrief 1;2022 "Zwei Gedankenstränge" hatte ich keinen Weg gesehen, das Problem der Langzeit-Wahrnehmungen irgendwie gedanklich zu vereinigen mit den übrigen Fragen, die das
Bewusstsein aufwirft. Deshalb soll hier eine Hypothese diskutiert werden, die die beiden Stränge zusammenbringt: Synapsen sollen als die fundamentalen Bauelemente des Gehirns angesehen werden, Neurone hingegen als sekundär, nämlich als deren Signal-Lieferanten (wie Sinnesorgane, oder generell andere Neurone) und deren Ausführungsorgane (wie Muskeln). Es ist eine für Neurowissenschaftler eher ungewöhnliche Perspektive, die allein schon dadurch behindert wird, dass es kein Verfahren gibt, wie man die Dynamik der in einer einzelnen Synapse ablaufenden Prozesse beobachten könnte. Hingegen kann man mit Mikroelektroden die Aktivität von Neuronen beobachten und registrieren. Die Ausnahme sind Registrierungen an riesigen Synapsen in bestimmten primitiven Tieren, in deren einfachen Nervensystemen es von manchen Synapsentypen überhaupt nur eine abzählbar geringe Anzahl gibt.

Folgende Argumente sprechen für die hier vorgestellte Hypothese:

(1) der zentrale Punkt der Hypothese ist, dass synaptische Übertragungskapazitäten (auch einfach Synapsenstärken genannt) direkt die Grundlage von Bewusstseinsinhalten und ihrer sensorischen Komponente "Wahrnehmung" sind. Ein Grund für diesen Vorschlag ist, dass synaptische Zustände keine direkten kausalen Auswirkungen auf die Außenwelt haben, d.h. sie können nur auf Neurone einwirken (die mit weiteren Neuronen vernetzt sein können), und erst diese können sowohl sensorische als auch motorische Kontakte zur Außenwelt herstellen. Damit entsteht eine (freilich nicht allzu überzeugende) Möglichkeit, die bislang naturwissenschaftlich nicht erfassbaren Bewusstseinsinhalte doch mit der Naturwissenschaft zu verknüpfen, indem man die weiterhin bestehende Unverständlichkeit auf praktische Beobachtungsschwierigkeiten schiebt. Ein weiterer Grund betrifft Wissenschaftler-Gewohnheiten: Wenn man gewohnt ist, alle denkbaren Leistungen des Gehirns mit neuronalen Erregungen zu erklären, dann will man auch das Bewusstsein in dieses Schema einbeziehen. Wenn nun aber das Bewusstsein von vornherein von naturwissenschaftlichen Überlegungen ausgeschlossen ist, sind sowohl neuronale Erregungen als auch Synapsenstärken als Ausgangspunkte für Erklärungen gleichermaßen unbegründet, so dass die hier vorgelegte Hypothese nicht von vornherein als unsinnig eingestuft werden kann.

(2) Der Hauptgrund für die Hypothese betrifft die Stoffwechsel-Energie im Fall von Langzeitvorgängen: die visuelle Wahrnehmung in ihrer unaufmerksamen Form verlöscht nie, so lange es hell ist. Die meisten Strukturen werden oft über mehrere Stunden als zeitkonstant wahrgenommen, z.B. das Zimmermobiliar, während man sich mit jemandem unterhält. Dieser Typ von Wahrnehmung liefert eine Szene, die als Ganzes ebenso detailreich erscheint wie wenn man ein einzelnes Detail aufmerksam inspizieren würde. Der Eindruck vom Bücherregal vor meinem Schreibtisch ist, dass alle Bücher mit hoher Bildschärfe stundenlang konstant erscheinen. Nur wenn ich im Regal ein bestimmtes Buch suche und es herausnehmen will, muss ich, deutlich spürbar, Aufmerksamkeit aufwenden. Wollte man die gesamte unaufmerksame Wahrnehmung auf entsprechende neuronale Erregungen zurückführen, müsste man fordern, dass alle Neurone, die an der Analyse der wahrgenommenen Szene beteiligt sind, stundenlang konstant aktiv sind. Niemand hat jemals eine derartige neuronale Massenaktivität beobachtet. Vor allem wäre es eine totale energetische Überforderung. Hingegen kurze neuronale Erregungen ("Aufmerksamkeit") können Änderungen synaptischer Übertragungskapazitäten bewirken, die dann dauerhaft bestehen bleiben. Diese würde man dann, gemäß der Hypothese, direkt und dauerhaft wahrnehmen. Dadurch könnte die Langzeit-Wahrnehmbarkeit von zeitkonstanten visuellen Objekten verständlich werden. Diese Wahrnehmung in Form eines synaptischen Zustands kann dann auch mitten in einer solchen zeitkonstanten Periode neuronale Erregungen steuern, mit denen auf das Objekt reagiert werden kann. Dieser Punkt kann nur deswegen Bestand haben, weil es ohnehin keine naturwissenschaftliche Begründung gibt für das Phänomen des Aufscheinens von Wahrnehmungs- und Bewusstseinsinhalten.

(3) Man verstünde auch die "Versickerungs-Natur" der unaufmerksamen Wahrnehmung: wozu sollte ich auf dem Weg zur Arbeit täglich den reichen Zierat an vielen älteren Gebäuden neuronal analysieren, wenn ich doch den Detailreichtum dieser Wahrnehmungen nicht nutze, und kleinere Veränderungen an diesen Details noch nicht einmal bemerke? Dieser Typ von Wahrnehmung dient neuronal nur meinem Orientierungsvermögen, für das nur wenig Detail erforderlich ist. Eine Versickerung all der überflüssigen neuronalen Erregungen wäre eine eher sperrige Vorstellung. Hingegen könnten einmal erhaltene Analyseergebnisse synaptisch ohne Energiekosten aufbewahrt werden. Wenn ein synaptischer Zustand eine Erregung steuert, dann muss diese "von anderswo herkommen" und kann nur moduliert werden, denn Synapsen können keine Erregungen generieren. Es ist natürlich nicht zutreffend, dass Synapsen keine Energie verbrauchen. Vielmehr verbrauchen sie Energie in dem Ausmaß, wie alles lebende Gewebe, um das Leben aufrecht zu erhalten, ein Minimum an Stoffwechselenergie benötigt. Hingegen eine neuronale Erregung kann man ja in gewisser Weise auffassen als eine Zerstörung der Zellmembran und daraufhin ihre sehr schnelle Reparatur, wobei ein solcher Zyklus in rascher Abfolge hintereinanderweg erfolgen kann. Dass ein solcher Vorgang viel Stoffwechselenergie verbraucht, leuchtet auch ohne allzuviel Sachkenntnis ein.

(4) Das Bewusstsein wird üblicherweise mit dem episodischen Gedächtnis in Zusammenhang gebracht, weil Vorgänge nur dann als bewusst erlebt gelten, wenn man sich wenigstens für kurze Zeit an sie erinnern kann. Wenn ich den Autoschlüssel nicht finde, dann bin ich der Ansicht, ihn unbewusst irgendwo abgelegt zu haben. Diese Aussage wird nun dadurch plausibel, weil synaptische Übertragungskapazitäten die Träger des Gedächtnisses sind.

(5) Die hier gemachte Hypothese passt besser zu einer anderen Hypothese (Hirnbrief 2; 2015), dass nämlich eine bestimmte Form des Gedächtnisses, nämlich das episodische ("sich erinnern", Punkt 4) insofern die Grundlage der menschlichen Intelligenz sei, als mit Hilfe dieses Gedächtnisses unterbrochene Prozeduren wieder aneinandergeflickt werden können, so dass dadurch der Weg frei wird für die Entwicklung von Prozeduren von quasi unendlich langer Dauer. Ohne ein solches Management ist eine Unterbrechung immer ein Abbruch; die Entwicklung längerdauernder Prozeduren wird durch irgendwelche dringenden, sich dazwischenschiebenden anderen Prozeduren immer wieder verhindert. Der große Entwicklungsfortschritt liegt darin, dass länger laufende Prozeduren komplexer sein können. Man kann ein solches Verfahren auch umgekehrt als eine Möglichkeit sehen, kleinere Prozeduren (mit Pausen dazwischen) aneinanderzuketten. Hiermit wird die immer wieder implizit gemachte Annahme verständlich, dass es einen Zusammenhang zwischen menschlicher Intelligenz und dem Bewusstsein gibt. (Diese Annahme wird verstärkt, indem unbewusste neuronale Prozesse als "automatisch" abqualifiziert werden).

(6) Das Hebb'sche Prinzip besagt, dass eine Synapse ihre Übertragungskapazität ändert, wenn sowohl an der präsynaptischen als auch der postsynaptischen Seite eine Erregung vorliegt. Hier ist der zeitliche Aspekt von Interesse: die genannten gemeinsamen Erregungen können kurzzeitig sein, aber die Wirkung kann eine Langzeitveränderung der Synapse sein. Damit entspricht dieser Vorgang einer mathematischen Integration über die Zeit. Bei diesem Manöver sind ganz allgemein Anfangsbedingungen erforderlich. Diese werden oftmals irgendwie aus dem Nichts geschöpft, d.h. man kann nicht sagen, wo sie herkommen. Im Fall des gesamten Gehirns treten sie als Qualia auf.

(7) Zu beachten ist weiterhin, dass alle hier relevanten Naturgesetze Differentialgleichungen in der Zeit sind, d.h. es bestehen Beziehungen zwischen Variablen und auch zeitlichen Ableitungen von Variablen. Aber all dieses gilt immer nur innerhalb eines gegenwärtigen Moments und seiner infinitesimalen zeitlichen Umgebung. Das heißt, dass es in keiner dieser Gleichungen Beziehungen gibt zwischen einer Variablen zur Zeit t1 und einer anderen zur Zeit t2, die 1/4 Stunde später ist. Wie kommt denn dann die Vorstellung einer Pendelbewegung zustande, die sich über eine oder sogar mehrere Pendelperioden erstreckt? Als Wissenschaftler versucht man normalerweise, eine "Lösung" der Gleichung für einen gegebenen Fall zu finden. Die hauptsächliche Maßnahme ist dabei eine "Integration über die Zeit". Man erhält dann eine ganze Pendelschwingung auf einmal und wenn man die Lösung als Zeichnung darstellt, dann ergibt sich eine Wellenkurve, und unten drunter ist eine Zeitachse.

(8) Der Hintergrund der vorliegenden Hypothese ist auch, dass z.B. ein Stein (oder ein Elektron, oder eine Synapse) innerhalb von beispielsweise einer Viertelstunde unverändert bleiben kann. Es ist eine Besonderheit der Naturwissenschaft, dass für Entitäten, die man immer wieder als unveränderlich erkennt, kein großes Interesse besteht, herauszufinden, warum diese Konstanz besteht. Vielmehr wird die Naturwissenschaft auf diesen konstanten Entitäten aufgebaut, denn man will ja Gesetzmäßigkeiten erhalten, die dann ebenfalls konstant bleiben sollen, also mit Regeln, die sich mit der Zeit nicht verändern. Man kann also nicht mit Hilfe der Naturwissenschaft danach suchen, wieso in einem isolierten System die Gesamtenergie konstant ist, oder warum der Atomkern eines Heliumatoms "jetzt" ebenso schwer ist wie 10 Minuten später. Alle möglichen Antworten schiebt man dann immer auf die Konstanz anderer Entitäten, und auch auf die Konstanz der einzelnen Gesetze innerhalb der Naturwissenschaft. Nun hat sich aber die Zeitkonstanz von Synapsen über das Hebb'sche Prinzip in eine fertige Naturwissenschaft hineingedrängt. Zwar glaubt niemand, dass die Eigenschaften einer Synapse über längere Zeit in einem mathematischen Sinne exakt konstant bleiben kann. Dennoch braucht man diese Idee, um die weitgehende Konstanz der meisten visuell wahrgenommenen Strukturen zu verstehen. Ich habe den Verdacht, dass bei der Jahrhunderte dauernden Erstellung der Naturwissenschaft versäumt wurde, diese Idee mit einzubeziehen. Das ist kein Vorwurf, denn man hatte keine Daten für diese Erkenntnis. Aber nun rächt sich dieses Versäumnis: die Naturwissenschaft scheint unvollständig zu sein ohne die Einbeziehung des Bewusstseins. Es fehlt eine Regel, warum die Fähigkeit der Synapsen, zeitkonstant bleiben zu können, irgendwie mit dem Bewusstsein zusammenhängt.

(9) Die Idee "Neurokosmos" passt in gewisser Weise besser auf die Synapsen als auf die Neurone. Diese Idee (Hirnbrief 21,2009) beruht darauf, dass (idealisierte) Neurone die einzigen Zelltypen im biologischen Bereich sind, die mit Konvergenz (viele an eine) und Divergenz (eine an viele) ein völlig abgeschlossenes Netzwerk bilden könnten (den "Neurokosmos"). Aber man muss dann sozusagen eine kleine Anzapfstelle an den Neurokosmos anbringen, um neuronale "Spontanaktivität" hereinzulassen: das ist dann die Welt. Im physikalischen Sinn ist solch ein gedachtes System natürlich nicht abgeschlossen, wegen der Blutversorgung. Zwar kann man für die Synapsen keine ähnliche Aussage über deren Zusammenschaltbarkeit machen. Dennoch wären sie eher eine Art Kosmos, weil sie keinen direkten Kontakt zur Außenwelt haben. Sie sind sozusagen nur mit sich selbst beschäftigt. Damit kommen sie der Idee "Subjektivität" viel näher als Betrachtungen auf der Basis von Neuronen, bei denen man ja in vielen Fällen klare naturwissenschaftlich erfassbare Zusammenhänge mit Außenweltvorgängen findet (Erregungen von Sinnesrezeptoren, Außenwelt-Auswirkungen von Muskelbewegungen). Genau diese Zusammenhänge werden ja als eigentliche Zweckbestimmung des Gehirns angesehen. Damit liegt keine Subjektivität vor, d.h. andere Gehirne als das eigene können davon erfahren.

Das ganze Szenario muss man sich genauer anschauen. Unter Neurowissenschaftlern zirkuliert die Ansicht, dass Neurone im Wesentlichen nur auf Änderungen reagieren, und damit sind "Änderungen von Einflüssen anderer Neurone" gemeint, oder vor allem im Fall von Sinnessignalen "Änderungen von Außenweltreizen". Also: erst Änderungen in der Welt, dann neuronale Reaktionen. Wohlgemerkt wird diese Feststellung von einem externen Beobachter gemacht, der die beobachteten Vorgänge nicht beeinflusst ("Dritte-Person-Perspektive"). Ohne Bewusstsein kann ich selbst diese Feststellung nicht machen. Im Rahmen der hier gemachten Hypothese sieht das anders aus: egal was die Neurone machen, die Synapsenstärken haben immer einen Wert, so dass im Bewusstsein immer etwas aufscheint. Ein großer Teil davon ist das, was ich als die Außenwelt ansehe. Manche Teile davon sind schon älter, d.h. zugehörige Synapsen sind schon seit einer Weile konstant. Wenn jetzt Erregungen von Sinnesneuronen kommen, die die relevanten Synapsen verändern, dann ist das für mich genau in diesem Moment eine Änderung in der Außenwelt. Wenn die Erregungen nur kurzzeitig sind, dann bleibt danach mein Weltbild im Bewusstsein konstant auf dem soeben abgeänderten Niveau.

Es ist bemerkenswert, dass der in der vorliegenden Hypothese gemachte Zusammenhang zwischen Synapsenstärken und Bewusstseins-Inhalten offenbar nur im Bereich des visuellen Systems funktioniert. Wenn ich unter dem Tisch eine unsichtbare Holzleiste abtaste (Hirnbrief 1; 2018 "Zeit und Identität"), wobei ich mehrfach nacheinander mit den Fingern dieselben Teile der Leiste berühre, dann entsteht erstaunlicherweise der phänomenale Eindruck eines dauerhaften zeitkonstanten Objekts. Bemerkenswert ist, dass dieser Eindruck nicht in einem reinen Tastsinn-Format entsteht. Vielmehr entsteht dabei, ohne dass ich hinschaue, so gut es geht, ein visueller Eindruck dieser Holzleiste. Mit dem Sinn des Hörens ist es ähnlich: wenn ich im Stockdunklen eine Kokosnuss vom Baum fallen höre, entsteht kein dadurch abgeändertes dauerhaftes "auditives Weltbild" in der Form eines Ensembles von reinen Hör-Eindrücken (d.h. ich höre nicht die weiterhin dort liegende Kokosnuss). Vielmehr entsteht ein visuelles Bild, das das Fallgeräusch klar überdauert: "Irgendwo dort liegt die Kokosnuss".
Wie man sieht, ist es nicht damit getan, Riechen, Schmecken, Hören, Tasten, Sehen als "die fünf Sinne" aufzuzählen. Kurzzeitig (so lange wie die relevanten Erregungen dauern) haben alle Sinne Zugang zum Bewusstsein. Aber das Sehen ist viel mehr. Es hängt mit dem Umgang mit ausgedehnten Zeitbereichen zusammen, und kann sogar den anderen Sinnen zu einem Langzeit-Zugang zum Bewusstsein verhelfen. Ich höre ein Knacken eines durchbrechenden trockenen Astes; den Vorgang nehme ich als Hör-Eindruck wahr. Aber wenn das Geräusch aufhört, kann es nur noch einen visuellen Bewusstseinsinhalt von einem nun dauerhaft durchgebrochenen Ast geben.

Die schwergewichtigen Fragen sind mit diesem Text natürlich nicht geklärt, vor allem die Frage nach der Natur des "Aufscheinens im Bewusstsein". Immerhin könnte ein Punkt sein, dass es in der Naturwissenschaft schwerlich Vorgänge gibt, bei denen keine Energie umgesetzt wird. Das sind dann eher "Zustände". Zwei andere Fragen sind (Hirnbrief 4; 2025 "Affe ohne Zeit zu Mensch mit Zeit"), was denn die Lebewesen auf dem Entwicklungsstand von Affen einerseits nicht hatten im Vergleich zu Menschen, andererseits welche Voraussetzungen es denn sind, die die früheren Primaten boten für die Entwicklung zum Menschen, im Gegensatz zu Lebewesen, die anderen Entwicklungslinien folgten.
Es gibt jedenfalls noch genug zu tun.