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INTEGRIERTE INFORMATIONSTHEORIE MATHEMATISIERUNG DES BEWUSSTSEINS


Spektrum der Wissenschaft - epaper ⋅ Ausgabe 8/2021 vom 17.07.2021

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Bildquelle: Spektrum der Wissenschaft, Ausgabe 8/2021

SUBJEKTIVITÄT Eine Schwierigkeit bei der Erforschung des Bewusstseins ist, dass Erlebnisse subjektiver Natur sind. Die Mathematik könnte aber Abhilfe schaffen.

AUF EINEN BLICK GEHEIMNISVOLLE GEISTESZUSTÄNDE

1Um den menschlichen Geist drehen sich zahlreiche Fragen, die teilweise seit Jahrtausenden unbeantwortet sind: Wie entsteht Bewusstsein? Ist es ausschließlich dem Menschen vorbehalten?

2Inzwischen gibt es Ansätze aus unterschiedlichen Disziplinen, um kognitive Prozesse zu beschreiben. In der integrierten Informationstheorie werden mit Hilfe mathematischer Methoden selbst subjektive Erlebnisse von außen greifbar.

3Kritik entzündet sich an den Grundannahmen und an deren Übertragung in mathematische Größen. Wissen wir überhaupt schon genug über bewusstes Erleben, um es in Formeln zu übersetzen?

SERIE Bewusstsein

Teil 1: Juli 2021 Der Geist in der Maschine Patrick Krauß, Andreas Maier

Teil 2: August 2021 Mathematisierung des Bewusstseins Johannes Kleiner

Teil 3: Juli 2021 Das große Experiment Manon Bischoff

Ohne die Sprache der Mathematik ist es unmöglich, ...

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... das Universum zu verstehen. So lautete Anfang des 17. Jahrhunderts die damals gewagte These von Galileo Galilei, der damit die moderne Naturwissenschaft begründete. Heute, mehr als 400 Jahre später, ist seine Aussage allgemein akzeptiert. Mit Mathamatik lassen sich Theorien formulieren, Vorhersagen treffen oder Experimente auswerten. Doch ein Phänomen entzieht sich diesem Formalismus nach wie vor: das Bewusstsein.

Seit Jahrtausenden beschäftigt Menschen auf der ganzen Welt, wie Geist und Materie zusammenhängen. Was genau ist Bewusstsein, und wie entsteht es? Während man derartige Fragen früher mit philosophischen Methoden anging, ermöglichten es die naturwissenschaftlichen Durchbrüche des 20. Jahrhunderts, das Forschungsthema neu zu ergründen.

Unter anderem entstand die Informationstheorie, die nicht nur den Weg zu Computern ebnete, sondern auch erste theoretische Modelle des Gehirns lieferte. Hinzu kamen neue bildgebende Verfahren wie Magnetresonanztomografie (MRT) oder Elektroenzephalografie (EEG), um die neuronale Aktivität von Lebewesen zu untersuchen. Diese Entwicklungen wälzten die bisherigen Vorstellungen von Geist und Materie um: Während sie bis dahin als zwei eigenständige Phänomene galten, ließen sich persönliche Wahrnehmungen plötzlich durch Prozesse im Gehirn erklären. Einige Forscher schöpften die Hoffnung, den menschlichen Geist schon bald vollständig zu verstehen.

Viele Philosophen zeigten sich weniger optimistisch und verliehen einer wichtigen metaphysischen Frage neuen Auftrieb: Ist es überhaupt möglich, das Bewusstsein durch naturwissenschaftliche Methoden zu beschreiben? Die Schwierigkeit sahen sie vor allem in dessen subjektivem Charakter. Niemand kann detailliertnachvollziehen, wie es sich für eine andere Person anfühlt, eine bestimmte Emotion zu erleben. Diese Eigenschaft steht Disziplinen wie der Biologie oder der Physik entgegen, deren Theorien die Natur objektiv beschreiben (siehe »Steine in den Mühlen der Wissenschaft«).

Forschende ließen sich davon jedoch nicht entmutigen. Warum sollte man nicht zumindest versuchen, die neuronalen Aktivitäten, die mit kognitiven Prozessen zusammenhängen, in Gehirnen von Probanden mit bildgebenden Verfahren zu untersuchen, um daraus auf deren Bewusstseinszustand zu schließen?

Anfang der 1990er Jahre gab es Vorstöße aus unterschiedlichen Disziplinen, die sich dem Thema mit einer jeweils eigenen Methodik annahmen. Es entstanden Forschungsprogramme, die den menschlichen Geist auf physikalische Prozesse reduzieren sollten, aber auch »antiphysikalistische« Agendas, um solche Bemühungen zu widerlegen. Heute – knapp 30 Jahre später – umfasst die wissenschaftliche Erforschung des Bewusstseins weltweit hunderte Expertinnen und Experten, die noch immer zahlreiche verschiedene Theorien vertreten.

Steine in den Mühlen der Wissenschaft

Ist das Bewusstsein eine Funktion des Gehirns, ähnlich dem Betriebssystem eines Computers? Oder handelt es sich um etwas Eigenständiges, das über die Physik hinausgeht? Die allgemeinste Position, welche die erste Frage bejaht und die zweite Frage verneint, heißt »Physikalismus«. Laut ihm legen physikalische Tatsachen das bewusst Erlebte vollständig fest. Es gibt keine Änderung im Bewusstsein, wenn das physikalische Substrat, etwa das Gehirn, sich nicht regt.

In den 1970er und 1980er Jahren äußerten Philosophen eine Reihe von Argumenten, die den Physikalismus ins Wanken brachten. Eines der bekanntesten geht auf den Philosophen Thomas Nagel zurück, der 1974 erklärte, der subjektive Charakter von Bewusstsein passe nicht mit der objektiven Methode der Naturwissenschaften zusammen. Laut Nagel besitzen wir nicht einmal die richtigen Konzepte, um den Physikalismus konkret zu formulieren. Die Wissenschaft sei wie ein Kind, das die Äquivalenz von Energie und Masse in Einsteins berühmter Formel E = mc² verstehen soll. So wie sich die Gleichung ohne mathematische Kenntnis nicht nachvollziehen lässt, könne die Wissenschaft nicht erklären, wie Bewusstsein und Physik einander entsprechen. »Physikalismus ist«, so Nagel, »eine Position, die wir nicht verstehen können, weil wir gegenwärtig keine Konzeption davon haben, wie er wahr sein könnte.«

Deutlich weiter geht ein 1982 von Frank Jackson veröffentlichtes Gedankenexperiment: Eine Wissenschaftlerin namens Mary kennt alle existierenden physikalischen Tatsachen, insbesondere ihr eigenes Gehirn betreffend. Allerdings lebt sie bis zu einem gewissen Zeitpunkt ihres Lebens in einem schwarz-weißen Raum und hat niemals eine Farbe wie Rot erblickt. Was passiert, wenn Mary ihr Zimmer verlässt und das erste Mal Farben wahrnimmt? Gemäß Jackson würde sie etwas Neues lernen, nämlich wie es sich anfühlt, rot zu sehen. Der Annahme folgend kennt sie aber schon alle physikalischen Fakten, daher muss die neue Erfahrung zu einer nichtphysikalischen Kategorie zählen.

Ob diese und ähnliche Argumente wirklich Sinn ergeben, hängt von den getroffenen Annahmen ab. Ist Nagels Verständnis von wissenschaftlicher Objektivität wirklich zutreffend? Und wie viel weiß Mary tatsächlich, wenn man voraussetzt, sie kenne alle physikalischen Tatsachen, habe aber nie eine Farbe gesehen? Fragen dieser Art werden bis heute diskutiert. Entsprechend herrscht immer noch keine Einigkeit darüber, ob sich Bewusstsein auf das Physikalische reduzieren lässt.

Einer der wohl populärsten und zugleich polarisierendsten Ansätze ist die so genannte integrierte Informationstheorie (IIT), die der Neurowissenschaftler Giulio Tononi seit 2004 entwickelt. Anders als in der Philosophie üblich betrachtet er das Bewusstsein nicht als rein menschliche Eigenschaft, sondern als graduelles Phänomen, das auch bei Tieren oder gar vernetzten Systemen auftreten kann.

Obwohl die IIT naturwissenschaftlich geprägt ist, setzt sie nicht voraus, dass die Modelle unserer Welt die Realität widerspiegeln: Nur weil die Chemie Moleküle, Atome und Elektronen beschreibt, müssen die Teilchen nicht wirklich existieren. Das Einzige, dessen wir uns wirklich sicher sein können, so Tononi, ist das Vorhandensein unseres eigenen Bewusstseins. »Die Existenz der physikalischen Welt ist eine Schlussfolgerung, obgleich natürlich eine höchst plausible«, so der Neurowissenschaftler. Dennoch spielen die naturwissenschaftlichen Modelle eine wichtige Rolle in der IIT – schließlich nehmen wir unsere Umgebung wahr, womit sie ein Teil unseres Bewusstseins ist.

Das Bewusstsein vermessen

Das Ziel der IIT ist, das subjektive Erleben eines jeden physikalischen Systems – vom einfachen Thermostat über das menschliche Gehirn bis hin zum gesamten Universum – mathematisch zu bemessen. Damit das gelingt, braucht man ein Modell des zu beschreibenden Systems, eine mathematische Darstellung des Bewusstseins sowie eine Verbindung zwischen beiden.

Der erste Punkt stellt meist kein Problem dar: Seit Jahrhunderten modellieren Naturwissenschaftler ihre Umwelt. Möchte man beispielsweise mit IIT herausfinden, ob ein Computer subjektive Erlebnisse besitzt, kann man die elektrischen Schaltkreise der Maschine untersuchen; um hingegen den Bewusstseinszustand eines Menschen zu einem bestimmten Zeitpunkt zu berechnen, braucht man neurowissenschaftliche Beschreibungen des Gehirns.

Interessanter ist die zweite Komponente, eine Mathematik des Bewusstseins. Die IIT legt dazu fünf Eigenschaften fest, so genannte Axiome, die ein bewusstes Erlebnis auszeichnen (siehe »Axiome der integrierten Informationstheorie«), etwa dass sich jede Erfahrung unterscheidet und von einem Subjekt intrinsisch wahrgenommen wird. An­ schließend muss man im betreffenden System nach Strukturen suchen, die ein bewusstes Erleben nach dieser Definition ermöglichen. Daraus wird eine abstrakte Größe berechenbar, die so genannte integrierte Information. So, wie ein physikalisches Objekt mehr oder weniger Energie besitzt, lässt sich diesem eine integrierte Information zuschreiben, die ein Maß für dessen kognitive Fähigkeiten darstellt.

Bewusstsein aus Sicht der IIT

Die integrierte Informationstheorie (IIT) liefert für jedes physikalische System einen mathematischen Raum, der das bewusste Erleben des Systems nicht nur repräsentiert, sondern sogar mit diesem gleichgesetzt wird. Um den Raum für ein System (beispielsweise ein einfaches Thermostat oder das menschliche Gehirn) zu konstruieren, muss man zunächst zwei Eigenschaften kennen: Die Menge aller möglichen Zustände (etwa ein- und ausgeschaltet beim Thermostat oder die Gehirnzustände eines Menschen) sowie die Gleichungen, welche ihre zeitlichen Entwicklungen beschreiben.

Anschließend sucht man für jeden Bestandteil des Systems nach denkbaren Ursachen, die zu einem untersuchten Zustand geführt haben könnten und beschreibt diese mit Wahrscheinlichkeitsverteilungen. Gleichzeitig sagt man voraus, wie die künftige Entwicklung des Systems aussehen könnte. Das führt zu möglichen Wirkungen, die mathematisch gesprochen ebenfalls Wahrscheinlichkeitsverteilungen sind. Damit lässt sich eine dritte Größe berechnen, die integrierte Informati on des Bestandteils.

Der Bewusstseinsraum der IIT besteht aus sehr vielen Bausteinen dieser Art, einem für jedes Teilsystem eines Systems. Dies lässt sich durch eine komplizierte mathematische Abbildung bestimmen, die unter anderem von den verschiedenen Systemzuständen und ihren Zeitentwicklungen abhängt. Im einfachsten Fall, etwa dem eines Thermostats, kann ein Computer die Aufgabe erledigen. Doch das menschliche Gehirn besteht aus Milliarden verschiedener, miteinander verbundener Einheiten. Um eine Aussage über die integrierte Information des gesamten Denkorgans zu treffen, muss man alle möglichen Geisteszustände in Betracht ziehen – was nur approximativ umsetzbar ist.

Je stärker ein System als Ganzes seine unmittelbare Zukunft und Vergangenheit beeinflussen kann, desto mehr integrierte Information besitzt es. Lässt es sich beispielsweise in zwei Teile zerlegen, ohne dass dies Folgen für seine zeitliche Entwicklung hat, dann ist die integrierte Information klein. Das ist bei einem Stein der Fall. Ein stark vernetztes System wie das Gehirn verfügt in der Regel hingegen über einen großen Wert.

Um die Größe konkret zu berechnen, nutzen Mathematiker eine Abbildung, die einem System einen so genannten Bewusstseinsraum mit vielen verschiedenen Zuständen zuordnet. Stellen Sie sich dazu vor, Sie sehen ein rotes Objekt vor sich, etwa einen Ball. Sie könnten ihn sich auch in anderen Farben vorstellen, blau, grün, hellblau, dunkelgrün oder dunkelrot, was jeweils einem anderen Zustand entspricht. Dieser lässt sich durch eine Zahl codieren – die verschiedenen Bewusstseinszustände mit den entsprechenden Werten bilden daher eine Menge.

Möchte man den unterschiedlichen Erlebnissen gerecht werden, genügt es allerdings nicht, sie bloß zu benennen. Zum Beispiel ähneln sich einige Bewusstseinszustände stärker als andere: Vermutlich gleichen sich solche, die zu roten, dunkelroten und rosa Kugeln gehören, mehr als die zu blauen und gelben. Aus mathematischer Sicht lässt sich das durch eine so genannte Metrik ausdrücken (»Spektrum« November 2020, S. 74), eine Funktion, die zwei Zuständen eine Art Distanz zuweist. Für Rot und Dunkelrot ergibt sich wegen ihrer engeren Verwandtschaft ein kleiner Wert, während dieser für Rot und Blau größer ausfällt.

Axiome der integrierten Informationstheorie

Die integrierte Informationstheorie charakterisiert ein bewusstes Erlebnis durch fünf Axiome:

Bewusstes Erleben ist real und existiert intrinsisch für sich – unabhängig von äußeren Beobachtern (A).

Das Bewusstsein ist strukturiert, man kann einzelne Bestandteile eines Erlebnisses differenzieren, etwa die Wahrnehmung eines Buchs, dessen Farbe, Lage, Geruch und so weiter (B).

Jedes Erlebnis ist einzigartig, es unterscheidet sich von anderen möglichen Erlebnissen (C).

Jedes Erlebnis ist eine Einheit. Sieht man ein blaues Buch, kann man diese Erfahrung nicht auf die Wahrnehmung eines farblosen Buchs und der Farbe Blau reduzieren (D).

Eine bewusste Erfahrung ist räumlich und zeitlich begrenzt, man kann nicht alle Details wahrnehmen (E). Damit ein physikalisches System nach dieser Definition ein Bewusstsein besitzt, muss es gewisse Anforderungen erfüllen. Die IIT übersetzt die Axiome in mathematische Eigenschaften, die es besitzen sollte. Untersucht man beispielsweise logische Schaltungen, welche die Werte null oder eins annehmen können, lauten die Axiome:

Damit ein physikalisches System existiert, muss es beeinflussbar sein und beeinflussen können – das heißt, es hat eine so genannte Ursache-Wirkungs-Fähigkeit. Damit es intrinsisch existiert, muss es sich selbst beeinflussen und von sich selbst beeinflusst sein.

Schon einzelne Bestandteile des Systems müssen eine Ursache-Wirkungs-Fähigkeit haben. Hat man etwa drei Schaltungen XYZ, dann können sowohl X, Y, Z separat sowie XY, YZ, XZ oder ganz XYZ einen Mechanismus mit Ursache-Wirkung-Fähigkeit bilden.

Die Ursache-Wirkungs-Struktur des Systems muss für jede Einstellung verschieden sein.

Lässt man Teile des Systems weg, darf sich nicht dasselbe Gesamtbild ergeben. Das hat unter anderem zur Folge, dass jeder Teil des Systems durch den Rest beeinflussbar ist. Ein Maß für diese Eigenschaft liefert die Größe , die angibt, wie sich die Ursache-Wirkungs-Struktur eines Systems ändert, wenn man es partitioniert.

Wenn verschiedene Systeme zum gleichen Wert von führen und sich räumlich überschneiden, dann hat nur dasjenige mit maximalem Bewusstsein. Dasselbe gilt für verschiedene räumlich und zeitlich gemittelte Beschreibungen eines Systems.

Das Bewusstsein als mathematischer Raum

Neben der Ähnlichkeit von Zuständen lassen sich weitere Beziehungen definieren. Man kann einzelnen Farberlebnissen etwa eine emotionale Wertigkeit oder eine Intensität zuschreiben. All solche Eigenschaften können verschiedene Größen erfassen, die zusammengenommen einen abstrakten Bewusstseinsraum aufspannen. Damit könnte man theoretisch für jede Person einen eigenen mathematischen Raum konstruieren, der die individuellen Farberlebnisse widerspiegelt.

Das umzusetzen, ist allerdings gar nicht so einfach. Stellen Sie sich einen Probanden vor, der Bewunderung verspürt, während er sich Monets »Impression, Soleil levant« ansieht. Man könnte den dazugehörigen Bewusstseinszustand beispielsweise durch die Zahl 141 ausdrücken. Um daraus jedoch einen Bewusstseinsraum zu konstruieren oder das Erlebnis mit dem anderer Menschen zu vergleichen, muss man exakt wissen, was die Person dabei fühlt.

Das kann der Proband allerdings nur ungenau umschreiben. Eine zweite Person könnte versuchen, unter den eigenen Erlebnissen diejenigen auszuwählen, die am besten zur Schilderung passen. Dafür wird es höchstwahrscheinlich mehrere Möglichkeiten geben. Die in Frage kommenden Zahlen im Bewusstseinsraum der zweiten Person bilden eine Menge, die mit [141] bezeichnet werden kann. Jede Zahl in [141] passt zur Beschreibung von 141 der ersten Person. Doch das Erlebnis von Proband eins lässt sich nicht eindeutig abgleichen – was nicht weiter überrascht, schließlich ist das Bewusstsein etwas höchst Subjektives.

Weil Zustände wie 141 auf nichts Eindeutiges verweisen, macht es keinen Sinn, sie in einer wissenschaftlichen Theorie zu benutzen. Würde man beispielsweise untersuchen, welche Neurone das Erlebnis anregt, wäre man hinterher nicht schlauer und könnte das Ereignis immer

noch nicht von anderen Zuständen in [141] unterscheiden. Die grundlegenden Elemente einer Theorie des Bewusstseins müssen daher abgleichbare Mengen wie [141] sein, denn nur sie lassen sich empirisch untersuchen. Sie heißen intersubjektiv, also von außen einsehbar.

Mit Hilfe mathematischer Methoden ist eine Operation definierbar, die einen nicht abgleichbaren Zustand, etwa 141, auf die dazugehörige intersubjektive Menge [141] abbildet. Diese Operation lässt sich sogar auf ganze Bestandteile von Theorien anwenden. So ist es möglich, Modelle über den Zusammenhang von Bewusstsein und Physik zu formulieren, die jenseits des äußerlich Zugänglichen liegen (siehe »Mit Mathematik das Unbeschreibbare beschreiben«).

Mit Hilfe von Mathematik kann man also für jedes System einen intersubjektiven Bewusstseinsraum konstruieren. Somit ist es möglich, jedem Zustand (etwa einem aus- oder eingeschalteten Thermostat oder einem Menschen, der ein Gemälde betrachtet) einen Punkt im Bewusstseinsraum zuzuordnen, der beschreibt, was das System im Moment erlebt (siehe »Bewusstsein aus Sicht der IIT«).

Allerdings lässt sich das nur in sehr einfachen Fällen tatsächlich umsetzen. Wollte man die integrierte Information des menschlichen Gehirns berechnen, bräuchte man dafür Tausende von Jahren. Dennoch gibt es für jedes noch so große System – theoretisch sogar für das ganze Universum – eine mathematische Anleitung, um die dazugehörigen Bewusstseinszustände zu bestimmen.

Aus Sicht der IIT hat sich die Mathematik als nützliche Sprache durchgesetzt, mit der man das Problem des Bewusstseins angehen kann. Dennoch warnen Experten wie der Philosoph Thomas Metzinger von der Johannes Gutenberg-Universität in Mainz, der die Association for the Scien­ tific Study of Consciousness mitbegründet hat, vor allzu blindem Vertrauen: »Ein mathematisierter Ansatz als solcher schützt nicht davor, auf Holzwege zu geraten und sich zu verfahren.«

Mit Mathematik das Unbeschreibbare beschreiben

Um das Bewusstsein mathematisch zu beschreiben, kann man Erlebnissen eine Zahl zuordnen, um einen so genannten Bewusstseinsraum zu konstruieren. Betrachtet ein Proband zum Beispiel das Gemälde »Impression, Soleil levant« von Claude Monet, könnte seine dabei empfundene Bewunderung die Zahl 141 tragen. Wenn er einer anderen Person sein Gefühl beschreibt, kann sie versuchen, unter den eigenen Erlebnissen diejenigen auszuwählen, die am besten zur Schilderung passen. Dafür wird es höchstwahrscheinlich mehrere Möglichkeiten geben, die eine Menge bilden und man abkürzend als [141] bezeichnen kann. Weil [141] mehr als einen Zustand enthält, lässt sich das Erlebnis des Probanden nicht genau abgleichen.

Da Zahlen wie 141 rein subjektive Empfindungen widerspiegeln, haben in der Praxis nur »intersubjektive« Größen, wie die Menge [141], Bedeutung. Abhilfe schafft eine mathematische Operation, die Zuständen im Bewusstseinsraum intersubjektive Mengen zuordnet.

Dafür ergänzt man den Raum zunächst so, dass alle abgleichbaren Eigenschaften des Erlebten durch mathematische Strukturen definiert sind. Zum Beispiel führt man eine Metrik ein, welche die Ähnlichkeit von Farben charakterisiert. Eine weitere Struktur, die so genannte Automorphismengruppe des Bewusstseinsraums, identifiziert dann die unabgleichbaren Zustände.

Um nachzuvollziehen, wie das funktioniert, muss man zunächst verstehen, was eine Gruppe ist: eine Sammlung von Elementen, die über eine bestimmte Verknüpfung miteinander in Beziehung stehen und gewisse Eigenschaften erfüllen. Verknüpft man zwei Objekte, ist das Ergebnis wieder Teil der Menge. Zudem gibt es ein neutrales Element, das alle anderen unverändert lässt. Und zuletzt existiert zu jedem Element ein Inverses, ihre Verknüpfung ergibt das neutrale Element. Ein Beispiel für eine Gruppe sind die ganzen Zahlen mit der Addition. Hier ist das neutrale Element die Null, das Inverse einer Zahl ist ihr Negatives. Gruppen können aber auch viel abstraktere Objekte als Zahlen enthalten, etwa Funktionen oder geometrische Figuren.

Die Automorphismengruppe eines Raums besteht aus allen Eins-zu-eins-Abbildungen des Raums auf sich selbst, welche die Struktur des Raums erhalten. Die Verknüpfung zweier Abbildungen f und g ist ihre Hintereinanderausführung f(g(x)), und das Inverse ist deren Umkehrung.

Im Fall des Bewusstseinsraums sind Automorphismen also Abbildungen, die für jeden Bewusstseinszustand genau einen anderen Zustand ausgeben. Dabei müssen sie die mathematische Struktur des Bewusstseinsraums respektieren, das heißt, alle abgleichbaren Merkmale sind nach der Transformation eines Zustands durch die Abbildungen genauso wie zuvor. Ein Automorphismus verändert das Intersubjektive also nicht.

Eine derartige Abbildung bildet daher einen Zustand wie 141 auf einen anderen Zustand ab, der sich intersubjektiv nicht von 141 unterscheidet. Betrachtet man die gesamte Gruppe, also alle möglichen Automorphismen des Bewusstseinsraums, dann bilden sie 141 auf alle möglichen Zustände ab, die sich von einer außenstehenden Person nicht von 141 unterscheiden lassen: Das entspricht der Menge [141]. Die Automorphismengruppe nutzt demnach Beziehungen zwischen Bewusstseinszuständen auf geschickte Art, um das Unwissen über unbeschreibbare Zustände zu reduzieren.

Die Theorie in der Kritik Philosophen kritisieren vor allem die fünf Axiome, die den Ausgangspunkt der IIT bilden. »Es ist fraglich, ob es überhaupt irgendwelche nichttrivialen, aber grundlegenden Eigenschaften der subjektiven Erfahrung gibt, abgesehen von der Tatsache, dass es sich wie irgendetwas anfühlt, in einem speziellen Bewusstseinszustand zu sein«, moniert beispielsweise Tim Bayne von der Monash University in Australien.

Andere akzeptieren zwar die fünf Axiome, stören sich aber an der »Übersetzung« in Mathematik, also an den strukturellen Anforderungen, die man an ein System diesbezüglich stellt. Ließe sich etwa statt der integrierten Information eine andere mathematische Größe wählen, die ebenso gut die Anwesenheit und Ausprägung der Axiome im System bemisst? Die Physikerin Larissa Albantakis, die seit 2012 mit Tononi an der IIT arbeitet, hat darauf eine deutliche Antwort: »Es ist unklar, ob wir jemals genug über das Bewusstsein und die physikalische Welt wissen werden, um eine eindeutige Übersetzung in einen mathematischen Rahmen zu erreichen. Deswegen treffen wir Annahmen, die man experimentell testen muss.«

Dafür braucht man Vorhersagen, die bewusste Erlebnisse von Probanden mit ihrem Geisteszustand verknüpfen. Die Prognosen zu überprüfen, ist alles andere als einfach, denn das menschliche Gehirn ist extrem komplex. Selbst durch die besten Messverfahren sind nur winzige Bruchteile der Information über den Gehirnzustand experimentell zugänglich.

Einfacher ist es deswegen, verschiedene Theorien des Bewusstseins gegenüberzustellen. Aktuell sind mehrere Versuche dieser Art in Planung. So möchte Lucia Melloni vom Max-Planck-Institut für empirische Ästhetik in Frankfurt am Main zusammen mit ihren Kollegen die IIT mit der ebenfalls weit verbreiteten »Global Neuronal Workspace Theory« vergleichen. Diese Theorie postuliert, das Bewusstsein entstehe, wenn neuronale Signale in eine Art Arbeitsspeicher des Gehirns gelangen. Demnach feuern die Neurone in dem Arbeitsspeicher schlagartig, sobald man einen Reiz wahrnimmt. Im Fall anhaltender Stimuli unterscheiden sich die Vorhersagen von denen der IIT – welches der beiden Modelle richtigliegt, lässt sich in einem Experiment herausfinden (siehe Teil 3 der Serie).

Wichtigstes Ziel der nächsten Jahre ist daher die Entwicklung neuer mathematischer Methoden zur Verbindung philosophischer und neurowissenschaftlicher Ansätze. Forschende wollen eine belastbare Grundlage schaffen, die den Naturwissenschaften das Handwerkszeug bereitstellt, um auch die problematischen Eigenschaften des Bewusstseins empirisch zu erforschen. »Die mathematische Untersuchung des Bewusstseins steht erst am Anfang«, betont Stephan Hartmann, Philosoph und Wissenschaftstheoretiker an der Ludwig-Maximilians-Universität München sowie Leiter des Munich Center for Mathematical Philosophy. »Wir müssen nach kreativen Wegen suchen, die verschiedenen Disziplinen zu kombinieren. Es zeigt sich schon jetzt, dass dies nicht ohne großen mathematischen, wissenschaftlichen und philosophischen Sachverstand möglich sein wird.«

QUELLEN

Bayne, T.: On the axiomatic foundations of the integrated information theory of consciousness. Neuroscience of Consciousness 4, 2018

Kleiner, J., Tull, S.: The mathematical structure of integrated information Theory. Frontiers in Applied Mathematics and Statistics, 2020.

Kleiner, J.: Mathematical models of consciousness. Entropy 22, 2020

Oizumi, M. et al.: From the phenomenology to the mechanisms of consciousness: Integrated information theory 3.0. PLOS Computational Biology 10, 2014