Wo Neurowissenschaft im Verständnis von Bewusstsein steht

Netzwerkdynamik ist der Schlüssel.

Viele Wissenschaftler, sogar Physiker, behaupten, dass der Heilige Gral der Wissenschaft das menschliche Bewusstsein verstehen soll. Dieser menschliche Zustand ist sogar schwer zu definieren, aber er zeichnet sich durch einen Zustand aus, in dem wir wissen, was wir glauben, wissen und uns vorstellen, wissen, was wir entscheiden und planen, und fühlen, was wir fühlen. Das erklärt nichts.

Quelle: Von Davidboyashi – Eigene Arbeit, CC BY-SA 4.0

Das Problem beim Verständnis besteht nicht nur darin, dass die Mechanismen sicher kompliziert sein müssen, sondern auch, dass wir keine guten nicht-invasiven experimentellen Werkzeuge haben. Es gibt nur zwei nützliche Werkzeuge, einen metabolischen Proxy der neuralen elektrischen Aktivität (funktionelle fMRI) und die Überwachung der elektrischen Aktivität der Kopfhaut (das Elektroenzephalogramm {EEG) oder sein Gegenstück zum Magnetfeld. Zu den Problemen mit der fMRT gehört, dass es nur ein indirektes Maß für die tatsächliche Signalgebung im Gehirn ist, das Gedanken und Gefühle erzeugt und Bewusstsein ermöglicht. Seine Zeitauflösung beträgt etwa eine Sekunde oder mehr, während die Signalgebung im Gehirn im Millisekundenbereich erfolgt. Obwohl das EEG die Aktivität auf der geeigneten Zeitskala überwacht, hat es eine sehr geringe räumliche Auflösung, da Spannungsfelder über verschiedene Kortexregionen sich überlappen, da sich die Spannung in fortschreitend verringerter Amplitude über das gesamte leitende Medium des Gehirns von seiner Erzeugungsquelle zur anderen erstreckt Quellengeneratoren. Obwohl das EEG das entsprechende Ziel (elektrische Aktivität) überwacht, ist diese Aktivität eine Hülle der algebraisch summierten Signale von heterogenen neuronalen Ensembles, bei denen es sich um Nervenimpulse und deren assoziierte postsynaptische Potentiale handelt, die den Sensorelektroden am nächsten liegen.

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Nichtsdestoweniger wissen wir viele nützliche Dinge über die Gehirnfunktion, die sicherlich in das bewusste Funktionieren involviert sind. Neurowissenschaftler haben viel davon bei niederen Tieren durch invasive Verfahren entdeckt, die beim Menschen nicht erlaubt sind. Zusammenfassend können wir die folgenden Gehirnfunktionen auflisten, die für das Bewusstsein relevant sind:

• Das Gehirn ist ein Netzwerk aus miteinander verbundenen Netzwerken.
• Funktionen sind modular. Verschiedene Netzwerke haben unterschiedliche und wechselnde primäre Funktionen, und einige können selektiv rekrutiert werden, wenn ihre Funktion benötigt wird.
• Einige Netzwerke können mehrere Funktionen ausführen, abhängig davon, welche anderen Netzwerke sie in Aktion gesetzt haben.
• Einige Aspekte der funktionalen Konnektivität verschiedener Netzwerke unterscheiden sich in unbewussten und bewussten Zuständen.
• Wachheit und Bewusstsein sind nicht gleich. Wachsamkeit ist notwendig, aber nicht ausreichend für das Bewusstsein.
• Es wurde viel über die neuronalen Mechanismen gelernt, die Wachheit verursachen, aber das hat nicht viel dazu beigetragen, das Bewusstsein zu verstehen.
• Die Nachrichtensignale des Gehirns sind Nervenimpulse und ihre postsynaptischen Neurotransmitterwirkungen.
• Die summierten Spannungen des Messaging haben elektrostatische Effekte, die die Erregbarkeit der Neuronen innerhalb des Spannungsfeldes verändern.
• Die Häufigkeit von Impulsimpulsen und ihre EEG-Hüllkurve verursachen wichtige Auswirkungen auf das Gating und den Durchsatz von Informationen, während sie sich fortpflanzen und über den gesamten globalen Arbeitsbereich von Netzwerken modifiziert werden.
• Es gibt mehrere neuronale Korrelate des Bewusstseins, aber wir haben nicht mit Sicherheit identifiziert, welche für das Bewusstsein notwendig und ausreichend sind.

Es wird angenommen, dass oszillatorische elektrische Aktivität eine Schlüsselrolle beim selektiven Routing von Informationen im Gehirn spielt. Oszillationen scheinen die Erregbarkeit zu modulieren, abhängig von den Phasenbeziehungen verknüpfter neuronaler Ensembles. Zwei prominente Hypothesen wurden als entscheidend für das Bewusstsein entwickelt und schließen sich nicht gegenseitig aus:

• Phase-locked-Aktivität in zwei oder mehr Ensembles (Kohärenz)
• Inhibitorisches Gating, das Pfade für die Ausbreitung innerhalb von Netzwerken lenkt.

Der Schlüssel zur Entdeckung von Mechanismen des Bewusstseins besteht darin, alle neuronalen Korrelate zu identifizieren und dann die Liste für diejenigen zu finden, die für das Bewusstsein notwendig und ausreichend sind. Manchmal tauchen wichtige Entdeckungen auf, wenn Sie das Gegenteil von dem studieren, was Sie studieren möchten. Dieses Prinzip manifestiert sich in Studien zur Hirnfunktion während verschiedener Bewusstseinszustände (wie Anästhesie, Koma oder Nicht-Traumschlaf). Ein kürzlich veröffentlichter Forschungsbericht verglich die neuronalen Korrelate der Bewusstlosigkeit mit denen des Bewusstseins. Die Auswertung zeigte eine gestörte Konnektivität im Gehirn und eine größere Modularität während des unbewussten Zustands, was die effiziente Integration der während des Bewusstseins erforderlichen Informationen verhinderte. Darüber hinaus machte die Überprüfung den entscheidenden Punkt, dass die neuronalen Korrelate des Bewusstseins, die Materie betreffen, diejenigen sind, die im Bewusstsein auftreten, aber nicht in unbewussten Zuständen. Von besonderer Relevanz sind die Korrelate, die mit funktioneller Konnektivität zwischen Netzwerken zusammenhängen, da mehrere Beweislinien zeigen, dass diese Konnektivität während unbewusster Zustände abnimmt und zurückkehrt, wenn das Bewusstsein wieder aufgenommen wird.

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Bei Nagetieren zeigen Multi-Array-Aufzeichnungen im visuellen Kortex, dass die Konnektivitätsmuster während der Anästhesie und im Wachzustand gleich sind. Vielleicht deutet dies darauf hin, dass Nagetiere nicht die erforderliche Netzwerkarchitektur haben, um Bewusstsein zu ermöglichen. Sie können wach, aber nicht bewusst sein. Wach sein ist eindeutig notwendig für das Bewusstsein, aber nicht ausreichend. Außerdem (wenn Sie mir nicht glauben, sehen Sie sich das klassische U-Tube-Basketball-Video zur unaufmerksamen Blindheit an). Zu jedem Zeitpunkt sind uns die spezifischen kognitiven Ziele, an denen wir teilnehmen, bewusst bewusst.

Die statistische Co-Variation der Aktivität in verbundenen Netzwerken ist ein Maß für die funktionale Konnektivität. Die Aktivität in verbundenen Netzwerken kann zu bestimmten Zeitverzögerungen zufällig jittern oder in Phase oder gesperrt sein. Operationell kann die Konnektivität einer Gruppe von Neuronen ermöglichen, in einem anderen für vergangene, gegenwärtige oder zukünftige Operationen zu vermitteln oder zu modulieren. Die zeitliche Dynamik dieser Prozesse unterscheidet sich je nach Bewusstseinszustand.

Eine sehr populäre Sicht des Bewusstseins unter Neurowissenschaftlern heutzutage ist, dass Denken höherer Ordnung, insbesondere bewusstes Denken, durch extrazelluläre Spannungsfelder vermittelt wird, die im Bereich von 12 bis 60 oder mehr Wellen pro Sekunde oszillieren. Es wird angenommen, dass Änderungen der Schwingungsfrequenz und der kohärenten Kopplung der Schwingungen zwischen verschiedenen Neuronenpools die Art und Intensität des Denkens widerspiegeln.

Es stellt sich die Frage, wie diese Spannungen, die üblicherweise als Feldpotentiale bezeichnet werden, die zugrundeliegende Nervenimpulsaktivität beeinflussen können, die die Schwingung an erster Stelle verursacht. Die Gedankenbotschaften sind in Mustern von Nervenimpulsen enthalten, die in neuronalen Netzen fließen. Feldpotentiale signalisieren nicht, zumindest nicht direkt. Sie können indirekt die Nachrichtenübermittlung beeinflussen, indem sie Netze elektrostatisch vorspannen, um mehr oder weniger in der Lage zu sein, Nervenimpulsverkehr zu erzeugen und zu verbreiten.

Neurowissenschaftler legen großen Wert auf die zeitliche Dynamik von EEG-Spannungsfrequenzen. Zum Beispiel glaubten die Neurowissenschaftler einmal, dass 40 / Sek. Synchronie für das Bewusstsein entscheidend sei, aber spätere Studien zeigten, dass diese Synchronie aufrechterhalten und sogar während der Anästhesie verbessert werden kann. Später dachten die Forscher, sie hätten eine entscheidende Rolle für die Gammasynchronität bei höheren Frequenzen gefunden, aber auch das wird jetzt in Frage gestellt. Diese Gammasynchronität kann während der Bewusstlosigkeit vorhanden sein oder sogar verstärkt werden. Die räumliche Ausdehnung der Synchronität kann jedoch das sinnvolle Korrelat des Bewusstseins sein. Die weitverbreitete Synchronität bricht während der Bewusstlosigkeit zusammen, während die lokalisierte Synchronität intakt bleibt oder sogar verstärkt wird.

Zahlreiche Studien zeigen eine Aufschlüsselung funktioneller Konnektivität während verschiedener Bewusstseinszustände. Zum Beispiel zeigen fMRTs kortiko-kortikale und thalamokortikale Diskonnektionen während des Schlafs, der allgemeinen Anästhesie und der pathologischen Zustände. Die EEG-Analyse zeigt ähnliche Konnektivitätsunterbrechungen. Darüber hinaus verringert sich das Repertoire möglicher Konnektivitätskonfigurationen, auf die zugegriffen werden kann, während unbewusster Zustände und wird wiederhergestellt, wenn das Bewusstsein wieder aufgenommen wird. Dies begrenzt offensichtlich die Robustheit der Informationsverarbeitung, die in der Bewusstlosigkeit auftreten kann. Bewusst selektive Aufmerksamkeit erfordert wahrscheinlich ein anderes Repertoire an Konnektivität als unaufmerksames Bewusstsein.

Neurowissenschaftler entdecken auch die Bedeutung nicht nur der Vielflächenkohärenz in einem gegebenen Frequenzband, sondern auch, dass die Phasensynchronität zu zwei verschiedenen Frequenzen auch die Netzwerkkommunikation modulieren kann. Die Kreuzfrequenzkopplung der Alpha- und Beta-Oszillationen mit Gammaschwingungen höherer Frequenz kann den Fluss von Nervenimpulsen in der gesamten Schaltung verstärken, hemmen oder blockieren.

Zukünftige Fortschritte werden sicherlich mehr Gewicht auf die Überwachung der funktionellen Konnektivität haben, wenn sich das Gehirn in verschiedene Bewusstseinszustände und Bewusstseinszustände hinein- und herausbewegt. Ich denke jedoch, dass wir in der Bewusstseinsforschung keinen definitiven Fortschritt machen werden, bis wir Fortschritte in einem Bereich der Theorie und einem anderen der taktischen Methodik gemacht haben.

Die Theoriedefizite liegen in Modellen neuronaler Netze. Computermodelle von künstlichen Netzen liefern interessante Ergebnisse, die jedoch wahrscheinlich nicht relevant sind. Gehirne funktionieren nicht mit den gleichen Prinzipien wie Computer. Darüber hinaus haben Gehirnnetzwerke die intrinsische Plastizität, die von Computern noch nicht dupliziert werden kann.

Der methodische Mangel besteht darin, dass wir keinen nicht-invasiven Weg haben, um die tatsächliche Signalisierung sogar in einem signifikanten Bruchteil aller Neuronen in allen Netzwerken zu überwachen. Selbst wenn wir eine Möglichkeit hätten, einzelne Neuronen nichtinvasiv zu überwachen, wäre es wahrscheinlich notwendig, Neuronen in definierten Schaltungen selektiv zu überwachen. Letztendlich können wir bestätigen, dass einige Dinge einfach nicht erkennbar sind. Sicherlich können wir jedoch mehr lernen als jetzt.

Verweise

Bonnefond, Mathilde et al. (2017). Die Kommunikation zwischen Gehirnbereichen basiert auf verschachtelten Oszillatoren. eNeuro. 10. März. 4 (2) ENEURO.0153-16.2017. doi: https://doi.org/101523/DEURO.0153-16.2017.

Mashour, George A. und Hudetz, Anthony G. (2018). Neuronale Korrelate der Bewusstlosigkeit in großen Gehirnnetzwerken. Trends in den Neurowissenschaften. 41 (3), 150-160.