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Die gegenwärtig sehr erfolgreiche Hirnforschung hat als Grundlage die klassische Physik und zeigt angesichts der Fülle noch ungelöster Probleme, vor denen sie steht, wenig Neigung, über diese Grundlage nachzudenken. Die Physik selbst ist aber durch Relativitätstheorie und Quantenmechanik seit hundert Jahren in einem Umbruch ihrer Grundlagen begriffen und ringt um ein angemessenes Verständnis von Materie, Raum und Zeit. So kann es nicht ausbleiben, dass die Frage im Raum steht, ob die Neurobiologie in der Erforschung von Phänomenen wie Bewusstsein, Wille, Geist oder Selbst auf Dauer ohne die Quantenphysik auskommt. Beispielsweise fand eine Tagung “Ist unser Gehirn ein Quantencomputer?” im August 2007 in Luzern statt, auf der Physiker und Neurobiologen quantenphysikalische Denkmodelle in der Hirnforschung diskutierten (vgl. NZZ online 15. 8. 07). Das Ergebnis war allerdings kaum ermutigend und lieferte wenig Motivation, sich mit dem Stand derartiger Forschung näher zu beschäftigen, gäbe es da nicht eine merkwürdige Auslassung: Gerade der m. E. hoffnungsvollste Denkansatz kam nicht zur Sprache, obwohl er sich durch neuere Untersuchungen aufdrängt und schon seit den neunziger Jahren verschiedentlich angeregt worden ist. Wir erörtern ihn hier als vierten Weg, nachdem wir die bekannteren Spuren von Eccles, Hameroff-Penrose und die - in Luzern primär diskutierte - Stappsche Richtung skizziert haben.
Zuvor widmen wir uns kurz der Begriffsklärung. Wir folgen dem amerikanischen Hirnforscher (und langjährigen Mitarbeiter von Francis Crick) Christof Koch, wenn dieser in seinem (auch für Nichtfachleute gut lesbaren) Buch “Bewusstsein - ein neurobiologisches Rätsel” [2005] ausdrücklich feststellt, dass sein Werk von den neurobiologischen Korrelaten des Bewusstseins und nicht vom Bewusstsein selbst handelt. Wir dehnen das auf Begriffe wie “Geist”, “Wille”, “Intelligenz”, “Ich” usw. aus; Hirnforschung betrifft die mit diesen verbundenen neurobiologischen Phänomene und lässt die Begriffe selbst offen. Neuropsychologen versuchen, mit Erfahrungsmerkmalen die genannten Begriffe einigermaßen umgangssprachlich einzugrenzen und so hilfsweise zu “definieren”. Das geschieht den jeweiligen Zwecken entsprechend und man weiß wie verschieden die Begriffsbildungen ausfallen können. Definiert man beispielsweise Bewusstsein als die Fähigkeit, künftige Handlungen in einem inneren Modell der Außenwelt vorher “durchzuspielen”, so kann man leicht Maschinen bauen, die Bewusstsein besitzen. Über menschliches Bewusstsein sagt das wenig. - Viele im Grunde überflüssige Diskussionen über Hirnforschung rühren daher, dass man Begriffe wie Bewusstsein, Wille oder Geist hirnbiologisch - und allgemein wissenschaftlich - nicht wirklich definieren kann und, wenn man es doch versucht, sehr leicht gewünschte Schlussfolgerungen herbeidefiniert.
Was Quantenphysik angeht, so benötigen wir im Wesentlichen die Feststellung, dass ”kleinste” Teilchen wie Photonen, Elektronen, Protonen in Wirklichkeit noch eine Feinstruktur besitzen, bei der ihr “materieller” Charakter sich in Schwingungsvorgänge im energiegefüllten Raum auflöst, was statistisch-mathematisch beschrieben wird, aber anschaulich kaum nachvollziehbar ist. Quanten sind dabei die kleinsten gedachten Schwingungseinheiten. Ferner erwähnen wir gelegentlich die so genannte Nichtlokalität, das ist eine so enge Verkoppelung von Quanten(schwingungs-)zuständen über möglicherweise sehr große Entfernungen hinweg, so dass eine Veränderung des einen Zustandes ohne Zeitverzögerung (also ohne “Rücksicht” auf Einsteins Relativitätstheorie) eine Veränderung des anderen Zustandes zur Folge hat.
1. Wahrscheinlichkeitsfelder der Vesikelöffnung
Der australische Hirnforscher und Nobelpreisträger John C. Eccles hat die Entwicklung der Hirnbiologie im 20. Jahrhundert entscheidend mit geprägt, war gleichwohl wegen seines streng dualistischen Geist-Körper-Verständnisses ein Außenseiter. Für ihn nahm der materieunabhängige Geist Einfluss auf das Hirngeschehen. Die Schwierigkeit, dass “materiefrei” auch “energiefrei” bedeutet und so schwerlich ein physiologischer Prozess in Gang gesetzt werden kann, nahm Eccles sehr ernst. Schließlich sah er eine Lösung in der Tatsache, dass bei der Vesikelöffnung in den Endknöpfchen der Nervenzellen (die bei der Weitergabe eines elektrischen Impulses über die synaptische Schwelle hinweg notwendig ist) Wahrscheinlichkeitsfelder eine Rolle spielen und deren Veränderung energiefrei ist (Eccles [1996], S. 229). - Das ist natürlich ein sehr schwacher Ansatzpunkt. Hinsichtlich einer möglichen Ausarbeitung wird er in einem Beitrag von 2007 einer detaillierten Kritik durch den auf der Luzerner Konferenz als Skeptiker hervorgetretenen Physiker Klaus Hepp und den o. g. Hirnbiologen Christof Koch unterzogen (Koch/Hepp [2007]). Hepp und Koch hatten schon 2006 in Nature (440, 611-612) allgemein auf die Schwierigkeiten quantenphysikalischer Methoden in der Neuroforschung hingewiesen.
An dieser Stelle sei noch erwähnt, dass der Pharmakologe Joseph D. Miller [1996] eine Arbeit “Neuroscience-Net. The Prospekts for a Quantum Neurobiology” vorgelegt hat, die von allen anderen in dieser Übersicht genannten Autoren nicht erwähnt wird. Miller weist insbesondere auf die Möglichkeit hin, dass Calcium, das für das interzelluläre Geschehen eine große Rolle spielt (vgl. etwa Knauf [2007]), ein heißer Kandidat für Beteiligtsein an relevanten Quantenprozessen ist, insbesondere hinsichtlich Vesikelöffnung.
2. Die Hameroff-Penrose-Theorie
Nimmt man Nervenzellen genauer unter die Lupe,so beobachtet man, dass sie von Bündeln feiner, röhrchenförmiger Fasern durchzogen sind, so genannte Mikrotubuli. In ihrer Urform bei Einzellern wie den Pantoffeltierchen spielen die Mikrotubuli als “Härchen” bei der Fortbewegung und Steuerung der Einzeller im Wasser eine entscheidende Rolle. Im Studium der bioelektrischen Vorgänge in den Nervenzellen sind sie kaum von Bedeutung und werden deshalb wenig beachtet. Der amerikanische Hirnbiologe Stuart Hameroff weist in Zusammenarbeit mit dem englischen Physiker Roger Penrose darauf hin, dass hier möglicherweise eine quantenphysikalische Feinstruktur verborgen liegt, die unabsehbare Folgen für das Verstehen von Gehirn und Geist haben wird. In den winzigen Hohlräumen der Mikrotubuli sind so genannte Quantenkohärenzen denkbar - orchesterartige “Zusammenklänge” von Quantenschwingungen - wie man sie experimentell bisher nur bei sehr tiefen Temperaturen nachgewiesen hat (Hameroff/Penrose [1996]). Ob und für wie lange Zeit derartige Quantenkohärenzen in den Mikrotubuli möglich sind, ist sehr strittig - zumal verschienartige Interpretationen der Quantenmechanik ins Spiel kommen - aber keineswegs endgültig entschieden. Die Kritik, die Hepp und Koch [2007] an der Hameroff-Penrose-Theorie üben, setzt auch hauptsächlich an weitergehenden Spekulationen an, etwa an der von Penrose angerissenen, noch nicht entwickelten Quantengravitation und deren neurobiologischer Anwendung. Wenn genügend lang andauernde Quantenkohärenzen existieren, bleiben natürlich noch viele Fragen bestehen, etwa wie sie die Zellgrenzen überbrücken, ob beispielsweise Nichtlokalität beteiligt sein kann, und ferner, was ihr effektiver Bezug zu Bewusstseinskorrelaten ist.
3. Stapps Anwendung des Quanten-Zenon-Effektes
Seit einer Anzahl von Jahren versucht der Physiker Henry Stapp (Berkeley) die in der Quantenphysik viel diskutierte Verflechtung von Beobachter und Beobachtetem bei quantenphysikalischen Messprozessen hirnbiologisch zu konkretisieren. Einen Ansatzpunkt bietet die Einführung des experimentell bestätigten so genannten Quanten-Zenon-Effekts, nach dem die zeitliche Entwicklung eines Quantenprozesses durch schnell und häufig hintereinander ausgeführte Messungen verlangsamt (oder beschleunigt) werden kann. In Kooperation mit dem Neuropsychiater M. Schwarz (UCLA) und dem Neuropsychologen M. Beauregard (Montréal) [2004] wandte Stapp diesen Effekt (theoretisch) auf einen quantentheoretisch beschriebenen visuellen Vorgang an und zeigte, wie dieser sich mit Hilfe konzentrierter bewusster Wahrnehmung “festhalten” lässt. Das Bewusstsein war hierbei durch einen v. Neumannschen Projektionsoperator mathematisch repräsentiert. - An dieser recht willkürlichen Einschränkung von “Bewusstsein” setzt dann auch die Hepp-Kochsche Kritik an und fügt überdies hinzu, wie das beobachtete Phänomen klassisch beschrieben werden kann.
4. Chaostheoretische Methoden
Der Frankfurter Neuroforscher Wolf Singer weist in einem Beitrag “Das Gehirn - ein Orchester ohne Dirigent” [2005] insbesondere darauf hin, dass das Hirngeschehen hauptsächlich deshalb so komplex ist, weil es nichtlinear ist, also nicht durch “lineare” Gleichungen beschrieben werden kann. In diesem meist schwer zu behandelndem Fall - das gilt allgemein in der Naturwissenschaft - ist mit dem Auftreten von “chaotischen Attraktoren” zu rechnen. Singer erwähnt das nicht, gerade hier liegt aber eine entscheidende Konsequenz der Nichtlinearität und steht die Hirnbiologie vor einem weiten, unbearbeiteten Feld. - Was ein chaotischer Attraktor ist, lässt sich gut an dem ersten Beispiel erläutern, auf das man gestoßen ist, und zwar in der Wetterkunde. Der Meteorologe Edward Lorenz stellte unter vereinfachenden Bedingungen ein Gleichungssystem auf, dessen Lösungskurve den zu erwartenden Wetterverlauf theoretisch beschrieb. Zu seiner Überraschung strebte aber die Wetterkurve nicht einem bestimmten Punkt zu, sondern pendelte zwischen zwei Wetterzuständen hin und her, kam diesen zwar immer näher, nahm sie aber nicht an. Eine Wettervorhersage war also auch theoretisch unmöglich, unabhängig von der Zahl vorliegender Messungen. Praktisch konnte ein immer kleinerer äußerer Einfluss zu einem der Wetterzustände führen. Statt zwei möglichen Zielen können es unendlich viele sein, von denen die Lösungskurve eines dynamischen Systems “angezogen” wird. Man nennt diese einen chaotischen (oder “seltsamen”) Attraktor, so auch beim Ablauf eines Hirngeschehens. Das System wird hinsichtlich seines Zielpunktes immer empfindlicher gegen sehr kleine Einflüsse, die nicht zu ihm selbst gehören. Diese große Empfindlichkeit führt bis auf die Quantenebene hinunter und wirft somit grundlegende Fragen der Beeinflussbarkeit bestimmter Hirnvorgänge auf, die quantenphysikalisch zu bearbeiten sind.
Hervorgehoben sei, dass sowohl in der “klassischen” Hirnforschung wie in der quantentheoretischen die chaostheoretischen Methoden noch ihrer Anwendung harren. Das mag mit erklären, warum die quantentheoretischen Ansätze, die versucht wurden, kaum Beachtung gefunden haben. Dabei ist keineswegs sicher, ob es besser ist, zunächst einmal die Chaosprobleme “klassisch” anzugehen. Die quantenmechanische Betrachtungsweise mag den Problemen angemessener sein.
Chris King (Auckland, Australien) hat in den neunziger Jahren mehrere Arbeiten zu den hier aufgeworfenen Fragen publiziert (beispielsweise “Quantum Mechanics, Chaos and tue Conscious Brain” [1996]), von denen jedoch offensichtlich, aus welchen Gründen auch immer, kaum Notiz genommen worden ist. Auch die Quantum Brain Dynamics (QBD) (vgl. etwa Vitiello [2001]) wird von den oben genannten Auoren nicht zitiert, ebenso wie Bemühungen von Ervin Laszlo (vgl. [1997], z. B. S. 222).
Ob in Anknüpfung an diese Arbeiten oder mit neuen Denkmodellen, man kann damit rechnen, dass die anlaufende Erforschung nichtlinearer Hirnvorgänge, insbesondere eine Weiterentwicklung der von Singer und Gray 1987 entdeckten 40 Hertz-Schwingungen im Gehirn über chaostheoretische Probleme oder auch direkt in quantenphysikalische Überlegungen, insbesondere Quantenkohärenz und Nichtlokalität hineinführen werden. Gerade Probleme von Bewusstsein und Geist werden kaum ohne dieses sensible physikalische Instrumentarium angemessen hirnbiologisch diskutiert werden können.
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