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Wenn Sie dies gerade lesen, sind Sie entweder ein bewusstes Wesen oder ein Internet-Bot. (Oder beides.) Das ist ziemlich offensichtlich, aber was nicht offensichtlich ist, ist, was Sie bewusst macht. Bewusstsein ist definiert als das Wissen und Verstehen, dass etwas geschieht oder existiert. Es ermöglicht uns, uns unserer Umgebung und unseres eigenen mentalen, physischen und emotionalen Zustands bewusst zu sein. Trotz der Tatsache, dass wir das Bewusstsein täglich erleben, verstehen wir es nicht vollständig. Die Wissenschaftler sind sich immer noch nicht sicher, wo genau das Bewusstsein entsteht. Ist es im Gehirn? Können Pflanzen, Pilze oder Bakterien ein Bewusstsein haben? Was ist mit KI? Ich denke, das Dilemma, das das Bewusstsein umgibt, wird durch dieses Zitat aus Scientific American gut zusammengefasst:

„Was wir letztendlich brauchen, ist eine befriedigende wissenschaftliche Theorie des Bewusstseins, die vorhersagt, unter welchen Bedingungen ein bestimmtes physikalisches System – sei es ein komplexer Schaltkreis von Neuronen oder Siliziumtransistoren – Erfahrungen macht. Außerdem: Warum ist die Qualität dieser Erfahrungen unterschiedlich? Warum fühlt sich ein klarer blauer Himmel so anders an als das Kreischen einer schlecht gestimmten Geige? Haben diese Unterschiede in der Empfindung eine Funktion, und wenn ja, welche ist es? Eine solche Theorie wird es uns ermöglichen, darauf zu schließen, welche Systeme etwas erleben werden. In Ermangelung einer Theorie mit überprüfbaren Vorhersagen basieren alle Spekulationen über maschinelles Bewusstsein allein auf unserer Intuition, die, wie die Geschichte der Wissenschaft gezeigt hat, kein verlässlicher Leitfaden ist.“

Ein großer Teil der Forschung ist in die Kartierung der Interaktionen von Neuronen im Gehirn geflossen, um herauszufinden, wie, wie es der oben zitierte Artikel ausdrückt, „ein drei Pfund schweres Organ mit der Konsistenz von Tofu das Gefühl von Leben ausstrahlt.“ Zwei wichtige Theorien sind der globale neuronale Arbeitsraum (GNW) und die integrierte Informationstheorie (IIT). Die GNW behauptet, dass Bewusstsein entsteht, wenn ein ganzes physisches System Zugang zu Informationen hat und diese auf eine bestimmte Weise verarbeitet. In der GNW hängt das bewusste Erleben allein von der Art und Weise ab, wie Informationen verarbeitet werden. Nach dieser Logik könnte ein Computerprogramm Bewusstsein erlangen, obwohl es keinen greifbaren Körper hat. IIT widerspricht dieser Idee und behauptet, dass Bewusstsein aus bewussten Erfahrungen und Ursache-Wirkungs-Beziehungen entsteht. Es behauptet, dass die Ereignisse in der Welt uns dazu bringen, bewusste Erfahrungen zu machen. Laut IIT erfordert das Bewusstsein spezielle physische Strukturen, die mit der Welt interagieren. Daher kann das Bewusstsein nicht berechnet werden. Stellen Sie sich das so vor, als ob die Simulation eines schwarzen Lochs nicht in der Lage wäre, eine reale Anziehungskraft zu erzeugen. Für beide Theorien gibt es einige experimentelle Beweise, die sie stützen, aber keine von ihnen wurde bestätigt. Es ist möglich, dass die Antwort auf die Frage, woher das Bewusstsein kommt, ein Mittelweg zwischen den beiden Theorien ist oder etwas ganz anderes. Und es ist wichtig für die Zukunft der Psychiatrie und der künstlichen Intelligenz, dass wir so viel wie möglich über das Bewusstsein lernen.

Wenn wir etwas über die Grundlagen des Bewusstseins erfahren wollen, sollten wir uns vielleicht die fundamentalen Gesetze ansehen, die unser Universum regieren: die Quantenphysik. Bestimmte Theorien legen nahe, dass das Bewusstsein als Ergebnis der Quantenmechanik entsteht, aber um diese Idee richtig zu bewerten, müssen wir auflisten, was wir bereits über das Bewusstsein wissen.

Bewusstsein ist etwas anderes als Intelligenz, aber die beiden scheinen miteinander verwandt zu sein und beide scheinen ausschließlich für Lebewesen zu gelten. Einige Panpsychisten glauben, dass unbelebte Objekte wie Felsen Bewusstsein haben, aber da ein Felsen keine äußeren Anzeichen von Bewusstsein zeigt, können wir weder beweisen noch widerlegen, dass sie es besitzen. Wenn Bewusstsein ausschließlich Organismen vorbehalten ist, haben sie es wahrscheinlich entwickelt, um zu überleben. Bewusstsein ist für viele Dinge nützlich, einschließlich, aber nicht beschränkt auf: das Auffinden von Nährstoffen, das Auffinden von Partnern, das Überwachen des eigenen inneren Zustands, das Reagieren auf Bedrohungen und das Kommunizieren und Sozialisieren mit anderen Organismen. In Kombination mit Intelligenz können bewusste Organismen neue Überlebensstrategien entwickeln und sogar Eigenschaften wie Kreativität und Vorstellungskraft entwickeln. Es gibt ein großartiges Video von Kurzgesagt über die Evolution des Bewusstseins.

Wie das Leben selbst, scheinen Bewusstsein und Intelligenz emergente Eigenschaften zu sein. Emergente Eigenschaften sind Qualitäten, die eine Gruppe von Dingen besitzt, aber nicht jedes Ding einzeln. Leben ist eine emergente Eigenschaft. Ein einzelnes Atom ist nicht lebendig, aber viele Atome zusammen können es sein. Genauso scheint eine einzelne Gehirnzelle nicht intelligent oder selbstbewusst zu sein, aber viele von ihnen, die zusammenarbeiten, können es definitiv sein. Intelligenz und Selbstbewusstsein sind komplexe Phänomene, die aus einfacheren Prozessen, wie dem Feuern von Neuronen, entstehen. Die Frage „Ist das Bewusstsein ein Quantenphänomen?“ könnte also zwei Antworten haben. Wir brauchen unser Gehirn, um bewusst zu sein, und das Gehirn besteht aus unzähligen subatomaren Teilchen, die alle nach der Quantenfeldtheorie funktionieren. Daher könnte man argumentieren, dass das Bewusstsein aus der Quantenmechanik entstehen muss. Aber das ist eine indirekte Verbindung zwischen Bewusstsein und Quantenmechanik. Was wir wissen wollen, ist, ob das Bewusstsein selbst Quanteneigenschaften aufweist. Dazu müssen wir sehen, wie die Quantenmechanik aussieht, wenn sie auf der Skala von Neuronen und Gehirnen auftaucht.

Das Bekannteste an der Quantenphysik ist, dass Teilchen nicht nur an einem Ort zur gleichen Zeit existieren. Die Wahrscheinlichkeit, dass ein Teilchen an einem bestimmten Ort beobachtet wird, wird durch seine Wellenfunktion bestimmt. Wellenfunktionen sind mathematische Werkzeuge, mit denen sowohl einzelne Teilchen als auch Gruppen von Teilchen beschrieben werden können. Wenn ein Teilchen oder eine Gruppe von Teilchen beobachtet wird, kollabiert seine Wellenfunktion auf einen einzigen Punkt. Es ist ein weit verbreiteter Irrglaube, dass das Bewusstsein jemandem erlaubt, diese Wellenfunktion mit seinem Verstand zu kollabieren. Was tatsächlich dazu führt, dass Wellenfunktionen kollabieren, hat damit zu tun, was wir meinen, wenn wir sagen, ein Teilchen wird beobachtet. Ein Teilchen zu beobachten bedeutet in Wirklichkeit, seine Eigenschaften auf irgendeine Weise zu messen, was eine physikalische Wechselwirkung zwischen dem Teilchen und dem Messgerät erfordert. Wenn dies geschieht, wird der Quantenzustand des Teilchens mit den Quantenzuständen der Teilchen verschränkt, die das Messgerät bilden oder von ihm emittiert werden. Wenn mehr Teilchen miteinander verschränkt werden, kommt es zu einem Prozess, der Dekohärenz genannt wird. Es gibt eine großartige dreiteilige Videoserie über Dekohärenz von PBS Spacetime.

Die Dekohärenz ist für den Zusammenbruch der Wellenfunktion verantwortlich, und sie wird von den physikalischen Wechselwirkungen zwischen den Teilchen bestimmt. Die einzige bekannte Möglichkeit für ein bewusstes Wesen, eine Wellenfunktion zu kollabieren, besteht darin, auf irgendeine Art und Weise physikalisch mit ihr zu interagieren. Man kann also eine Wellenfunktion mit dem Verstand kollabieren lassen, aber das ist dasselbe wie Objekte mit dem Verstand zu bewegen. Wenn ich mein Telefon in die Hand nehme, sagt mein Geist meiner Hand, dass sie es greifen soll. Wenn ein Beobachter absichtlich die Wellenfunktion eines Teilchens kollabiert, sagt sein Verstand seinem Körper, dass er auf irgendeine Weise mit ihm interagieren soll. Das kann so einfach sein wie die Berührung des Teilchens oder so präzise wie die Bedienung eines Teilchendetektors. Teilchen interagieren ständig miteinander, so dass das gesamte Universum seine eigene, unglaublich komplizierte Wellenfunktion hat. Das ist der Grund, warum wir, wenn wir eine große Gruppe von Teilchen wie eine Person betrachten, kein Quantenrauschen der Unbestimmtheit sehen. Große Systeme von Teilchen zerfallen, also zeigen sie nicht die gleichen Quanteneigenschaften wie die Teilchen, aus denen sie bestehen. Aber es gibt einige spezielle Quantenphänomene, die auf relativ großen Skalen auftreten, einschließlich der Skalen von Lebewesen.

Ich habe über einige dieser Phänomene in früheren Beiträgen gesprochen. Eines, das sehr populär ist, ist das Quantencomputing, bei dem die Unbestimmtheit der Zustände von Teilchen genutzt wird, um mehr Informationen auf einmal zu verarbeiten als Transistoren. Theoretisch kann man mit einem Quantencomputer eine künstliche Intelligenz erschaffen. Wenn eine KI, die auf einem Quantencomputer läuft, selbstbewusst wird, würde ihr Bewusstsein von Quanteneffekten abhängen. Das passt zu der integrierten Informationstheorie, dass das Bewusstsein von der physikalischen Natur eines Systems abhängt. Allerdings würde eine selbstbewusste Quanten-KI nicht beweisen, dass Bewusstsein makroskopische Quanteneffekte benötigt, um aufzutreten. Nach der Theorie des globalen neuronalen Arbeitsraums könnte eine KI selbstbewusst werden, auch wenn sie auf klassischen Computern läuft. Was uns interessiert, ist der Beweis, dass Bewusstsein inhärent quantenhaft ist. Dafür schauen wir dorthin, wo wir wissen, dass Bewusstsein entsteht: in unseren eigenen Gehirnen.

In früheren Beiträgen, habe ich auch die Quantenbiologie besprochen, also das Auftauchen der Quantenphysik in Prozessen, die für Lebewesen essentiell sind. Die Chloroplasten von Pflanzen nutzen möglicherweise die wellenartigen Eigenschaften von Teilchen, um die Photosynthese zu optimieren. Vögel haben möglicherweise spezialisierte Proteine in ihren Augen, die es ihnen ermöglichen, das Magnetfeld der Erde über Quantenverschränkung zu erkennen. Und Quanten-Tunneling könnte eine wichtige Rolle in der Evolution spielen, da es das Auftreten von Mutationen in der DNA ermöglichen könnte. All dies bedeutet, dass die Forschung immer mehr Beweise dafür liefert, dass spezialisierte Quanteneffekte in der warmen, chaotischen Welt der Zellen und Proteine auftreten können. Wie sieht es also in Neuronen aus?

Wenn wir makroskopische Quanteneffekte finden, die für die neuronale Aktivität essentiell sind, wäre das ein Indikator dafür, dass die integrierte Informationstheorie korrekt ist und die Quantenmechanik eine der wesentlichen Eigenschaften ist, die ein physikalisches System nutzen muss, um bewusst zu werden. Kurz gesagt, es würde darauf hindeuten, dass die großräumige Quantenmechanik essentiell für die Entwicklung von Bewusstsein ist. Und was finden wir? Nun, die Forschung hat drei ziemlich interessante Quanteneffekte aufgedeckt, die für die Gehirnfunktion wesentlich sein könnten.

Damit Informationen durch das Gehirn wandern können, müssen müssen sich Chemikalien, Neurotransmitter genannt, zwischen den Neuronen bewegen. Diese Neurotransmitter bewegen sich über die Synapse zwischen den Neuronen, wenn ein Signal im Gehirn ausgelöst wird. Damit Neurotransmitter gesendet werden können, müssen sich Kalziumionen zwischen den Neuronen bewegen. Jedes Neuron verfügt über Ionenkanäle, durch die Kalziumionen wandern können. Diese Kanäle sind sehr klein, etwa so groß wie ein Kalziumatom. Die geringe Größe führt zu einer Quantenunsicherheit darüber, ob ein Kalzium-Ion in ein Neuron eindringen kann. Theoretisch erzeugt diese Quantenunsicherheit, die in Billionen von Neuronen gleichzeitig auftritt, eine Quantenmischung von Zuständen im gesamten Gehirn. Diese Mischung von Quantenzuständen könnte die notwendige Eigenschaft sein, die ein physikalisches System benötigt, um Bewusstsein zu erfahren.

2) Quantencomputer in Mikrotubuli

Die Neuronen im Gehirn schwingen in ihrer Aktivität in einem kohärenten Muster während bestimmter Denkprozesse. Diese synchrone Oszillation ist möglicherweise das, was die Kommunikation zwischen verschiedenen Regionen des Gehirns ermöglicht und das Gedächtnis etabliert. Unterschiedliche Frequenzoszillationen treten an den gleichen Stellen im Gehirn auf, um den Informationsverkehr bei der Kommunikation mit anderen Hirnregionen zu vermeiden. Die Quantenmechanik könnte erklären, wie so viele verschiedene Teilmengen von oszillierenden Verbindungen im Gehirn auf einmal erzeugt werden können.

Eine Möglichkeit, wie diese Oszillationen entstehen können, ist, dass die Mikrotubuli innerhalb der Neuronen wie Quantencomputer aufgebaut sind. Mikrotubuli sind so etwas wie das Gehirn einer Gehirnzelle. Sie sind schnell veränderliche Strukturmoleküle, die sofort auf mentale Ereignisse reagieren, indem sie die Struktur von Dendriten und Axonen, den Eingangs- und Ausgangszweigen des Neurons, neu konfigurieren. Die Anordnung der Mikrotubuli im Gehirn könnte einen Quanteneffekt aufweisen, ähnlich dem in Quantencomputern. Insbesondere könnten sich die Tubulinmoleküle in den Mikrotubuli in einer Überlagerung von Quantenzuständen befinden, die für Quantencomputeroperationen genutzt werden können. Kritiker argumentieren, dass diese Überlagerung von Quantenzuständen aufgrund von Dekohärenz in weniger als 1/10¹² Sekunden kollabieren sollte, was viel kürzer ist als die Millisekunden, die für mikrotubuläre Prozesse im Neuron benötigt werden. Der Physiker Robert Penrose schlug einen hypothetischen Quantengravitationsprozess vor, der die Lebensdauer dieser Überlagerungen auf 10 bis 100 Millisekunden verlängern könnte. Diese verlängerten Überlagerungen würden lange genug andauern, um die Funktionen der Mikrotubuli sinnvoll zu beeinflussen und Quantencomputing in Neuronen zu ermöglichen. Eine Studie aus einem japanischen Labor fand Hinweise darauf, dass, wenn sich Mikrotubuli wie Quantencomputer verhalten, wir die gleichen Schwingungsresonanzen und Leitfähigkeitsmerkmale erwarten sollten, die wir in Neuronen beobachten. Die Forschung hat auch gezeigt, dass verschränkte Spin-Zustände in der heißen, verrauschten Umgebung des Gehirns aufrechterhalten werden können. Andere Forschungen haben die Fähigkeit von Anästhetika, das Bewusstsein zu hemmen, mit der chemischen Unterbrechung von Quantenprozessen in Verbindung gebracht.

Wenn Quantencomputing ein wesentlicher Bestandteil der neuronalen Funktion ist, könnte es eine grundlegende Voraussetzung für jedes bewusste System sein und die integrierte Informationstheorie bestätigen. Ergo, eine KI auf einem Quantencomputer könnte selbstbewusst werden, eine KI auf einem klassischen Computer jedoch nicht.

3) Neuronale Synchronisation und Phasenverriegelung

Eine andere Erklärung für die synchronen Oszillationen im Gehirn ist das neuronale Phase-Lock. Von Phasenverriegelung spricht man, wenn Synapsen zur gleichen Zeit feuern. Dies kann als Ergebnis von Quantenkohärenz zwischen den Neuronen geschehen. Von Quantenkohärenz spricht man, wenn es eine erkennbare Beziehung zwischen der Phase der Wellenfunktionen verschiedener Teilchen gibt. Die Phasenbeziehung wird typischerweise immer weniger bekannt, je mehr Teilchen miteinander verschränkt werden, so dass es schwierig ist, sie in der Größenordnung eines Gehirns aufrechtzuerhalten. Kohärenz wäre auch in Mikrotubuli erforderlich, damit sie als Quantencomputer fungieren können. Wie wir besprochen haben, deuten immer mehr Forschungsergebnisse darauf hin, dass Kohärenz für biologische Systeme erreichbar ist, so dass es nicht der größte Sprung in der Logik ist, zu denken, dass das Gehirn sie bewahren könnte.

Nun, da wir wissen, dass Bewusstsein im Gehirn auf verschiedene Weise von Quantenphänomenen abhängen könnte, was sind die Auswirkungen? Neben der Selbstwahrnehmung könnte die Quantenmechanik das sein, was bewussten Wesen einen freien Willen verleiht. Für die längste Zeit war unser Verständnis der Physik deterministisch. Determinismus bedeutet, dass alles über ein System durch den Zustand des Systems in der Vergangenheit vorbestimmt ist. Wenn man alles über ein System zu einem bestimmten Zeitpunkt weiß, dann kann man seinen exakten Zustand zu allen anderen Zeitpunkten, ob in der Vergangenheit oder der Zukunft, ableiten. Die Entdeckung der Quantenmechanik hat jedoch gezeigt, dass das Verhalten von subatomaren Teilchen grundsätzlich zufällig ist. Bestimmte Ereignisse haben eine höhere Wahrscheinlichkeit zu passieren als andere, aber kein Ereignis ist jemals zu 100% garantiert. Wenn unser bewusstes Erleben aus diesen grundlegend zufälligen Prozessen resultiert, bedeutet das, dass man nicht mit vollkommener Sicherheit vorhersagen kann, was ein bewusstes Wesen tun wird. Auf diese Weise kann die Quantenphysik unserem Verstand eine gewisse Unabhängigkeit von der Welt um uns herum verschaffen. Der Philosoph Platon stellte sich eine Welt der Ideen und Konzepte vor, die von der physischen Welt getrennt ist. Diese platonische Welt könnte bald eine tatsächliche Grundlage in der fundamentalen Physik haben.

Mehr über die Natur von Determinismus vs. Zufall und was sie uns über die Existenz des freien Willens sagt, erfahren Sie hier:

Zusammengefasst, erwarten wir, dass sich das Bewusstsein als eine Möglichkeit für Organismen entwickelt hat, sich besser zu erhalten. Theorien sind sich uneinig darüber, ob Bewusstsein nur davon abhängt, wie ein Geist Informationen verarbeitet, oder ob es physikalische Eigenschaften gibt, die ein System braucht, um sich selbst bewusst zu werden. Makroskopische Quanteneffekte sind als mögliche Voraussetzung für bewusste Systeme vorgeschlagen worden, und es gibt mehrere Möglichkeiten, wie sie zwischen Neuronen im Gehirn auftreten könnten. Die Quantenbiologie könnte nicht nur das Selbstbewusstsein erklären, sie könnte sogar erklären, warum wir einen freien Willen haben. Da es sich um ein sehr tiefes und faszinierendes Thema handelt, empfehle ich Ihnen, etwas mehr darüber zu lesen:

In meinen nächsten drei Beiträgen werde ich in weitere Konzepte rund um die Quantenmechanik und den Geist eintauchen. Ich werde diskutieren, ob eine Teleportationsmaschine tödlich wäre, ob Bewusstsein ohne einen Körper aus Atomen und Zellen existieren kann und ob Quantenunsterblichkeit ein simuliertes Universum vor dem Aus bewahren könnte. See you there!

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