Aktualisiert am Montag, 1. Juli, um 9:25 Uhr ET.
NEW YORK - Die Idee, dass Bewusstsein aus quantenmechanischen Phänomenen im Gehirn entsteht, ist faszinierend, aber es fehlen Beweise, sagen Wissenschaftler.
Der Physiker Roger Penrose von der Universität Oxford und der Anästhesist Stuart Hameroff von der Universität von Arizona schlagen vor, dass das Gehirn als Quantencomputer fungiert - eine Rechenmaschine, die quantenmechanische Phänomene nutzt (wie die Fähigkeit von Teilchen, sich darin zu befinden) zwei Stellen gleichzeitig), um komplexe Berechnungen durchzuführen. Im Gehirn könnten Fasern in Neuronen die Grundeinheiten der Quantenberechnung bilden, erklärten Penrose und Hameroff auf dem Global Future 2045 International Congress, einer futuristischen Konferenz, die hier vom 15. bis 16. Juni stattfand.
Die Idee ist ansprechend, weil die Neurowissenschaften bisher keine zufriedenstellende Erklärung für das Bewusstsein haben - den Zustand, sich selbst bewusst zu sein und sensorische Erfahrungen und Gedanken zu haben. Viele Wissenschaftler sind jedoch skeptisch und führen einen Mangel an experimentellen Beweisen für die Idee an.
Das Orch OR-Modell
Penrose und Hameroff entwickelten ihre Ideen unabhängig voneinander, arbeiteten jedoch Anfang der neunziger Jahre zusammen, um das so genannte Orchestrated Objective Reduction (Orch OR) -Modell zu entwickeln.
Penrose 'Arbeit beruht auf einer Interpretation des Unvollständigkeitssatzes des Mathematikers Kurt Godel, der besagt, dass bestimmte Ergebnisse mit einem Computeralgorithmus nicht bewiesen werden können. Penrose argumentiert, dass menschliche Mathematiker in der Lage sind, sogenannte "Godel-unbeweisbare" Ergebnisse zu beweisen, und daher kann das menschliche Gehirn nicht als typischer Computer bezeichnet werden. Um diese höheren Fähigkeiten zu erreichen, müssten Gehirnprozesse stattdessen auf der Quantenmechanik beruhen.
Die Theorie von Penrose erklärte jedoch nicht, wie dieses Quantencomputing im tatsächlichen Gehirn ablief, nur dass das Phänomen zur Lösung bestimmter mathematischer Gleichungen benötigt würde. Hameroff las Penrose 'Arbeit und schlug vor, dass kleine faserige Strukturen, die den Zellen ihre strukturelle Unterstützung geben - sogenannte Mikrotubuli - Quantenberechnungen durchführen könnten.
Mikrotubuli bestehen aus Einheiten des Proteins Tubulin, das Regionen enthält, in denen Elektronen sehr nahe beieinander herumwirbeln. Hameroff schlug vor, dass diese Elektronen "quantenverschränkt" werden könnten, ein Zustand, in dem zwei Teilchen eine Verbindung behalten und eine auf einen ausgeübte Aktion die andere beeinflusst, selbst wenn die beiden durch einen Abstand voneinander getrennt sind.
Im Orch-OR-Modell werden die mathematischen Wahrscheinlichkeiten, die die Quantenzustände dieser verschränkten Elektronen in Mikrotubuli beschreiben, in der Raumzeit instabil. Diese mathematischen Wahrscheinlichkeiten werden Wellenfunktionen genannt, und in diesem Szenario kollabieren sie und bewegen sich von einem Wahrscheinlichkeitszustand zu einer bestimmten Wirklichkeit. In diesem Zustand könnten die Mikrotubuli in einem Neuron über elektrische Verbindungen, die als Gap Junctions bekannt sind, mit denen in anderen Neuronen verbunden werden. Diese Übergänge würden es den Elektronen ermöglichen, in andere Regionen des Gehirns zu "tunneln", was zu Wellen neuronaler Aktivität führt, die als bewusste Erfahrung wahrgenommen werden.
"Penrose hatte einen Mechanismus für das Bewusstsein und ich hatte eine Struktur", sagte Hameroff gegenüber LiveScience.
Probleme mit dem Modell
Interessanterweise wurde das Orch OR-Modell nicht experimentell getestet, und viele Wissenschaftler lehnen es ab.
Quantencomputer - Computer, die quantenmechanische Effekte nutzen, um extrem schnelle Berechnungen zu erzielen - wurden theoretisiert, aber nur einer (von der Firma D-Wave gebaut) ist im Handel erhältlich, und es wird diskutiert, ob es sich um einen echten Quantencomputer handelt. Solche Computer wären äußerst empfindlich gegenüber Störungen in einem System, die Wissenschaftler als "Rauschen" bezeichnen. Um Geräusche zu minimieren, ist es wichtig, das System zu isolieren und es sehr kalt zu halten (da durch Hitze Partikel schneller werden und Geräusche erzeugen).
Der Bau von Quantencomputern ist selbst unter sorgfältig kontrollierten Bedingungen eine Herausforderung. "Dies zeichnet ein trostloses Bild für die Quantenberechnung im feuchten und warmen Gehirn", schrieben Christof Koch und Klaus Hepp von der Universität Zürich in einem 2006 in der Zeitschrift Nature veröffentlichten Aufsatz.
Ein weiteres Problem mit dem Modell hat mit den Zeitskalen zu tun, die an der Quantenberechnung beteiligt sind. Der MIT-Physiker Max Tegmark hat Quanteneffekte im Gehirn berechnet und festgestellt, dass Quantenzustände im Gehirn viel zu kurz dauern, um zu einer sinnvollen Verarbeitung des Gehirns zu führen. Tegmark nannte das Orch OR-Modell vage und sagte, die einzigen Zahlen, die er für konkretere Modelle gesehen habe, seien weit entfernt.
"Viele Menschen scheinen das Gefühl zu haben, dass Bewusstsein ein Rätsel und Quantenmechanik ein Rätsel ist, daher müssen sie miteinander verwandt sein", sagte Tegmark gegenüber LiveScience.
Das Orch OR-Modell wird auch von Neurowissenschaftlern kritisiert. Das Modell besagt, dass Quantenfluktuationen in Mikrotubuli Bewusstsein erzeugen. Mikrotubuli kommen aber auch in Pflanzenzellen vor, sagte der theoretische Neurowissenschaftler Bernard Baars, CEO der gemeinnützigen Gesellschaft für Mind-Brain-Wissenschaften in Falls Church, VA., Der hinzufügte: "Pflanzen sind nach unserem besten Wissen nicht bewusst."
Diese Kritik schließt ein Quantenbewusstsein im Prinzip nicht aus, aber ohne experimentelle Beweise bleiben viele Wissenschaftler nicht überzeugt.
"Wenn jemand nur ein einziges Experiment macht", um das Quantenbewusstsein zu demonstrieren, sagte Baars, "werde ich meine ganze Skepsis fallen lassen."
Anmerkung der Redaktion: Dieser Artikel wurde am 27. Juni 2013 aktualisiert, um die Aussage zu ändern, dass "keine Quantencomputer ... realisiert wurden". Die Firma D-Wave behauptet, eine geschaffen zu haben, obwohl einige in Frage gestellt haben, ob sie wirklich als Quantencomputer funktioniert.
Nachtrag: (1. Juli 2013)
Als Reaktion auf die in diesem Artikel zitierte Kritik am Orch OR-Modell bietet Stuart Hameroff mehrere Beweisstücke. Als Antwort auf den Einwand, dass das Gehirn für Quantenberechnungen zu warm ist, zitiert Hameroff eine 2013 von Anirban Bandyopadhyay am Nationalen Institut für Materialwissenschaften (NIMS) in Tsukuba, Japan, durchgeführte Studie, in der festgestellt wurde, dass „Mikrotubuli bei Stimulation im Wesentlichen quantenleitend werden bei bestimmten Resonanzfrequenzen “, sagte Hameroff.
Als Antwort auf die Kritik, dass Mikrotubuli auch in (unbewussten) Pflanzenzellen vorkommen, sagte Hameroff, dass Pflanzen nur eine geringe Anzahl von Mikrotubuli haben, wahrscheinlich zu wenige, um die für das Bewusstsein erforderliche Schwelle zu erreichen. Er stellte aber auch fest, dass Gregory Engel von der University of Chicago und Kollegen Quanteneffekte bei der Photosynthese von Pflanzen beobachtet haben. "Wenn eine Tomate oder Rutabaga die Quantenkohärenz bei warmen Temperaturen nutzen kann, warum kann unser Gehirn das nicht?" Sagte Hameroff.
Als Reaktion auf allgemeine Einwände gegen einen Mangel an Beweisen für seine Theorie zitierte Hameroff eine 2013 von Rod Eckenhoff an der Universität von Pennsylvania durchgeführte Studie, die darauf hinweist, dass Anästhetika - die nur die bewusste Gehirnaktivität stoppen - über Mikrotubuli wirken.
Diese Studien unterstützen das Orch OR-Modell. Aber wie bei allen wissenschaftlichen Hypothesen muss das Modell signifikante Beweise sammeln, um eine breite Akzeptanz in der wissenschaftlichen Gemeinschaft zu erreichen.
