Das Gehirn, ein sich selbst organisierendes dynamisches System Herausforderungen eines Paradigmenwechsels.

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1 Das Gehirn, ein sich selbst organisierendes dynamisches System Herausforderungen eines Paradigmenwechsels. W. Singer MPI for Brain Research Frankfurt Institut of Advanced Studies (FIAS) Ernst Strüngmann Institute (ESI) Rmn2, Frankfurt, 2015

2 Eine erkenntnistheoretische Warnung Wir können nur erkennen, erdenken, uns vorstellen, was die kognitiven Leistungen unserer Gehirne zu fassen erlauben

3 Eine erkenntnistheoretische Warnung Wir können nur erkennen, erdenken, uns vorstellen, was die kognitiven Leistungen unserer Gehirne zu fassen erlauben Diese kognitiven Leistungen verdanken sich evolutionärer Anpassung an jene Bedingungen der mesoskopischen Welt, die für Überleben wichtig sind

4 Eine erkenntnistheoretische Warnung Wir können nur erkennen, erdenken, uns vorstellen, was die kognitiven Leistungen unserer Gehirne zu fassen erlauben Diese kognitiven Leistungen verdanken sich evolutionärer Anpassung an jene Bedingungen der mesoskopischen Welt, die für Überleben wichtig sind Dies ist, soweit wir wissen, ein winziger Ausschnitt der Welt

5 Eine erkenntnistheoretische Warnung Wir können nur erkennen, erdenken, uns vorstellen, was die kognitiven Leistungen unserer Gehirne zu fassen erlauben Diese kognitiven Leistungen verdanken sich evolutionärer Anpassung an jene Bedingungen der mesoskopischen Welt, die für Überleben wichtig sind Dies ist, soweit wir wissen, ein winziger Ausschnitt der Welt Folglich müssen unsere kognitiven Leistungen begrenzt und eklektisch sein vielleicht auch unsere

6 Was wir gut verstehen *Die Struktur, Chemie und Funktion der Bausteine (Neuronen, kleine Schaltkreise)

7 Was wir gut verstehen *Die Struktur, Chemie und Funktion der Bausteine (Neuronen, kleine Schaltkreise) *Die Architektur der anatomischen Verschaltung

8 Was wir gut verstehen *Die Struktur, Chemie und Funktion der Bausteine (Neuronen, kleine Schaltkreise) *Die Architektur der anatomischen Verschaltung *Die neuronalen Grundlagen einfacher Verhaltensleistungen

9 Was wir gut verstehen *Die Struktur, Chemie und Funktion der Bausteine (Neuronen, kleine Schaltkreise) *Die Architektur der anatomischen Verschaltung *Die neuronalen Grundlagen einfacher Verhaltensleistungen *Welche Strukturen für bestimmte Leistungen zuständig sind

10 Pyramidenzellen in der Großhirnrinde

11 Neuronen im Verbund

12 Das Geflecht von Verbindungen in der Großhirnrinde

13 Die große methodische und intellektuelle Herausforderung. Weitestgehend unverstanden ist: *Wie Information in den Wechselwirkungen zwischen Neuronen kodiert wird.

14 Die große methodische und intellektuelle Herausforderung. Weitestgehend unverstanden ist: *Wie Information in den Wechselwirkungen zwischen Neuronen kodiert wird. *Wie die extrem komplexe Dynamik neuronaler Wechselwirkungen zu höheren kognitiven und exekutiven Funktionen führt.

15 Interaktionen in einem simulierten Netzwerk von nur einigen hundert Neuronen.

16 Die zentralen Probleme Die unvorstellbar große Komplexität der Wechselwirkungen.

17 Die zentralen Probleme Die unvorstellbar große Komplexität der Wechselwirkungen. Die Emergenz von Eigenschaften, die aus der Kenntnis der Komponenten nicht ableitbar sind.

18 Die zentralen Probleme Die unvorstellbar große Komplexität der Wechselwirkungen. Die Emergenz von Eigenschaften, die aus der Kenntnis der Komponenten nicht ableitbar sind. Die Verlagerung des Wesentlichen in die BEZIEHUNGEN. (Relationale, distributive Kodierung)

19 Nicht nur die Hirnforschung hat dieses Problem. Nahezu alle Systeme in unserer Lebenswelt weisen ähnliche Eigenschaften auf. *Komplexe Interaktionsgeflechte *Komplexe Dynamik *EmergenteQualitäten

20 Wechselwirkungen zwischen Proteinen in einer Zelle. Grundlage für Leben

21 Interaktionsnetzwerk zwischen Genen Verantwortlich für die Unterschiede zwischen Spezies

22 Vernetzung von Konzernen.

23 Handelsverbindungen.

24 Die Behauptungen der Neurobiologie Alles Wissen eines Menschen residiert in der funktionellen Architektur des Gehirns

25 Die Behauptungen der Neurobiologie Alles Wissen eines Menschen residiert in der funktionellen Architektur des Gehirns Die Regeln, nach denen dieses Wissen erworben, verhandelt und angewandt wird, residieren ebenfalls in dieser funktionellen Architektur

26 Die Behauptungen der Neurobiologie Alles Wissen eines Menschen residiert in der funktionellen Architektur des Gehirns Die Regeln, nach denen dieses Wissen erworben, verhandelt und angewandt wird, residieren ebenfalls in dieser funktionellen Architektur Alle, auch die höchsten mentalen Funktionen, beruhen auf neuronalen Prozessen

27 Die Behauptungen der Neurobiologie Alles Wissen eines Menschen residiert in der funktionellen Architektur des Gehirns Die Regeln, nach denen dieses Wissen erworben, verhandelt und angewandt wird, residieren ebenfalls in dieser funktionellen Architektur Alle, auch die höchsten mentalen Funktionen, beruhen auf neuronalen Prozessen Neuronale Prozesse gehorchen den Naturgesetzen

28 Was begründet diese Behauptungen? Die enge Korrelation zwischen neuronalen Prozessen und Verhalten. Die konservative Natur der Evolution.

29 Die molekularen Bausteine der Nervenzellen und die Mechanis der Signalübertragung haben sich unverändert erhalten Von der Schnecke Bis zur Hirnrinde

30 Die Großhirnrinde ist die letzte bahnbrechende Erfindung der Evo Alte und neue Areale arbeiten nach den gleichen Prinzipien. Mehr vom Gleichen macht den großen Unterschied!

31 Einfache Gehirne: Kurze Wege zwischen sensorischen und motorischen Rindenfeldern Komplexe Gehirne: Neue Areale, die bereits erarbeitete Ergebnisse erneut bearbeiten und vorwiegend untereinander kommunizieren

32 Bezüge der Hirnforschung zu philosophischen Fragestellungen. Epistemologie (Die Frage nach der Natur von Erkenntnis) Leib-Seele Problem Konstitution des intentionalen Ich Freier Wille und Verantwortung

33 Hirnforschung stützt konstruktivistische Positionen. Wahrnehmen ist wissensbasierte Rekonstruktion. Gilt für Aussen und Innenwahrnehmung. Auch das Selbstbild ist konstruiert!

34 Die Quellen des für Rekonstruktionen notwendigen Vorwissens. Alles Wissen ist in der funktionellen Architektur unserer Gehirne gespeichert.

35 Die Quellen des für Rekonstruktionen notwendigen Vorwissens. Alles Wissen ist in der funktionellen Architektur unserer Gehirne gespeichert. Was also bestimmt diese Architektur?

36 Drei Prozesse bestimmen die funktionelle Architektur des Gehirns

37 Drei Prozesse bestimmen die funktionelle Architektur des Gehirns Die Evolution ( Quelle genetisch tradierten Wissens) implizites Wissen

38 Drei Prozesse bestimmen die funktionelle Architektur des Gehirns Die Evolution ( Quelle genetisch tradierten Wissens) implizites Wissen Erfahrungsabhängige Entwicklung (epigenetisch) implizites Wissen

39 Drei Prozesse bestimmen die funktionelle Architektur des Gehirns Die Evolution ( Quelle genetisch tradierten Wissens) implizites Wissen Erfahrungsabhängige Entwicklung (epigenetisch) implizites Wissen Lebenslange Lernprozesse explizites Wissen

40 Die funktionelle Architektur des Gehirns ist somit durch genetische und epigenetische Faktoren festgelegt. Unterscheidung nur sehr begrenzt möglich!

41 Ein Beispiel für die Konstruktion von Wahrnehmungen

42 A und B sind gleich hell Der Schatten wird berücksichtigt

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44 A und B sind gleich hell Der Schatten wird berücksichtigt

45 Warum nehmen wir nicht wahr was ist, sondern erst das Ergebnis komplizierter wissensbasierter Interpretationen? Um im scheinbar Verschiedenen das Gleiche erkennen zu können. Die Grundlage von Invarianzleistungen.

46 Das unsere Wahrnehmungen bestimmende Vorwissen beruht auch auf kulturspezifischen Prägungen. (Epigenetische Prägung) Diese Prägungen sind meist unbewusst. (Frühkindliche Amnesie)

47 Epigenetische Prägungen weisen hohe interindividuelle Variabilität auf. Dies erklärt die kulturspezifischen Unterschiede in der Wahrnehmung der äußeren und inneren Welt.

48 Konsequenzen für Toleranz Wahrgenommenes erscheint als wahr Kann nicht relativiert werden Kann nicht objektiviert werden Es gibt kein wahr oder falsch Also folgt?

49 Wie konstituieren sich unsere Wahrnehmungen im Gehirn? Ein inneres Auge? Ein Beobachter im Gehirn? Epistemisch ein infiniter Regress!

50 Unsere Intuitionen über die Organisation unserer Gehirne widersprechen neurobiologischen Erkenntnissen!

51 Introspektion und Beobachtung des Gegenüber legen nahe: Im Gehirn regiert eine zentrale autonome Instanz Unser Ich Sie bewertet, nimmt wahr, entscheidet, koordiniert, initiiert, ist kreativ.

52 Fast alle abendländischen Denktraditionen, ob dualistische oder monistische, fordern eine zentrale Instanz

53 Fast alle Modelle zur Simulation kognitiver Prozesse gehen von serieller Verarbeitung in hierarchischen Architekturen aus.

54 Die neurobiologische Sicht:. Es gibt keine übergeordnete Instanz Keinen Beobachter Keinen Beweger Keinen Entscheider Das Gehirn ist ein distributives, sich selbst organisierendes

55 Hirnrinden-Areale weisen eine sehr ähnliche interne Verschaltung arbeiten folglich nach ähnlichen Prinzipien, wenden diese aber a unterschiedliche Informationen an Motorik Körperschema Aufmerksamkeit Raum Planen Moral Sprache Hören Objektidentifikation Sehen

56 Verbindungsarchitektur visueller und motorischer Rindenareale von Primaten From Hilgetag and Kaiser

57 Faserverläufe im Gehirn des Menschen

58 Wenn es im Gehirn kein singuläres, übergeordnetes Zentrum gibt Wie und wo entstehen Wahrnehmungen, Entscheidungen und Pläne? Wie konstituiert sich das wollende Ich?

59 Ein Gedankenexperiment Punkte: Einzelne Kortex Areale Linien:Verbindungsbahnen Emotionale Bewertung Tasten Hören Sehen

60 Die zentrale Frage. Wie wird gebunden was zusammengehört Und Wie wird getrennt gehalten, was semantisch unverbunden?

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62 Welche Flächen gehören zum Hintergrund, welche zu den Figu

63 Ein wahrscheinlicher Mechanismus: Übertragung semantischer Relationen in zeitliche Relationen: *Periodische Strukturierung neuronaler Aktivität *Etablierung präziser Phasenbeziehungen (Synchronisation, Koinzidenz)

64 Synchrone oszillatorische Aktivität von Neuronengruppen in der Sehrinde Feldpotentiale Zellentladungen Vergleichbare Oszillationen finden sich in nahezu allen Hirnstrukture

65 Räumlich getrennte Neuronengruppen können synchron oszilliere Doppelableitung Reizbedingung Korrelationsmuster Wenn Neuronen semantisch verbundene Inhalte repräsentier haben sie die Tendenz, ihre Aktivität zu synchronisieren

66 Kohärente Reizung: Synchronisation Inkohärente Reizung: Keine Synchronisation

67 Eine Hypothese Neurone, die das gleiche Objekt repräsentieren, koordinieren ih Aktivität a und b kohärent c und d kohärent a b c d b und c inkohären

68 Auf jeden Fall gilt: Inhalte werden durch Assemblies kodiert, durch eine ad hoc gebundenen Gruppe weit verteilter Neuronen, von denen jedes einzelne jeweils nur Teilaspekte des zu repräsentierenden Inhaltes kodiert.

69 Störungen neuronaler Kohärenz bei psychischen Erkrankungen Schizophrenie Autismus Alzheimer

70 MEG Ableitungen und Quellenlokalisation von Gamma-Oszillationen bei schizophrenen Patienten

71 Verminderte gamma Oscillationen in schizophrenen Patienten Kontrollen Patienten Time (sec)

72 J. Neuroscience, 2006 Reduzierte Phasensynchronizität bei Patienten Correlation with symptoms Positive.48* Delusions.51* Hallucinations.55** p <.005

73 Topologie der gestörten Phasenbeziehungen J. Neuroscience, 2006

74 Altersabhängigkeit der Erstmanifestation men women age

75 Späte Ausreifung von Gamma Oszillationen PNAS, 2009

76 Vorübergehender Zusammenbruch der Phasensynchronisation Adult Late childhood Late adolescence PNAS, 2009

77 Adoleszenz: Eine kritische Entwicklungsphase Synchrone Oszillationen werden stärker und präziser ABER -- Netzwerke destabilisieren --Synchronisation bricht dabei vorübergehend zusammen --Übergang von globalen zu fokalen Netzwerken Freud s zweite Chance?

78 Wo bleibt die Freiheit, wenn im Gehirn die Naturgesetze gelten? Wahrnehmungen, Gedanken, Gefühle UND Entscheidungen beruhen auf komplexen raum - zeitlichen Erregungsmustern (Ensembles)

79 Wahrnehmen und Entscheiden beruht auf gleichen Prinzipien. Das wahrscheinlichste, an Widersprüchen ärmste Ensemble stabilisiert sich.

80 Das System muss sich für eine Lösung entscheid

81 Dennoch bleibt Raum für Ungewissheit Die Dynamik neuronaler Netzwerke ist hochgradig nichtlinear! (Das Gehirn ist weder Uhrwerk noch Computer) Daraus folgt: Trotz der Determiniertheit von Folgezuständen sind längerfristige Entwicklungstrajektorien grundsätzlich nicht

82 Somit sind folgende Aussagen kompatibel: *Im Augenblick der Entscheidung gab es keine Möglichkeit, sich anders zu entscheiden.

83 Somit sind folgende Aussagen kompatibel: *Im Augenblick der Entscheidung gab es keine Möglichkeit, sich anders zu entscheiden. *Wie sich eine Person entscheiden wird, ist jedoch grundsätzlich nicht festgelegt.

84 Somit sind folgende Aussagen kompatibel: *Im Augenblick der Entscheidung gab es keine Möglichkeit, sich anders zu entscheiden. *Wie sich eine Person entscheiden wird, ist jedoch grundsätzlich nicht festgelegt. *Trotz geltender Kausalität ist Raum für Kreativität und Veränderbarkeit.

85 Ein Versuch, den Konflikt zwischen neuronalem Determinismus und Freiheitserfahrung zu lösen. Gehirne (Personen) als Knoten in einem sozio-kulturellen Netzwerk? Selbstmodell als emergente Eigenschaft dieses komplexen Systems? Freiheit als soziale Realität?

86 Das Wesen sozialer Realitäten. *Immaterielle Phänomene, die in der vorkulturellen Welt nicht vorkommen, *durch soziale Interaktionen entstehen und auf gegenseitiger Spiegelung beruhen, *gemeinhin mit seelischen oder geistigen Dimensionen verbunden werden.

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88 Kognitive Voraussetzungen für die Emergenz sozialer Realitäten Theorie des Geistes Symbolische Kodierung von Erfahrungen Kommunikation abstrakter Inhalte Intransparenz von neuronalen Prozessen

89 Beispiele für soziale Realitäten. Inhalte von: Gelübden, Verpflichtungen, Verabredungen Werte- und Glaubenssystemen Zuschreibungen wie: Intentionalität, Verantwortlichkeit, Schuld, Identität, Autonomie, mentale Verursachung

90 Das Selbst-Modell als soziales Konstrukt, als soziale Realität. Umfasst Erfahrungen von: *Teilhabe an immateriellen Wirklichkeiten *Existenz von Intentionalität und Freiheit *Wirksamkeit mentaler Verursachung

91 Die Konsequenz Freiheitserfahrung läßt sich nicht auf Vorgänge in einzelnen Gehirnen zurückführen. Diese sind lediglich Substrat für die kognitiven Leistungen welche zur Emergenz sozialer Realitäten führten wie z.b. der Erfahrung von Freiheit.

92 Ein Vorschlag *Die immaterielle Konnotation von Freiheit kann nicht auf neuronale Prozesse in individuellen Gehirnen zurückgeführt werden. *Freiheit bleibt aber einer naturalistischen Erklärung zugänglich, sofern man Gehirne als Knoten in einem kulturellen Netz und Freiheit als immaterielles relationales Konstrukt versteht. Die gleiche Deutung gälte dann auch für die immaterielle Dimension des Bewusstseins.

93 Ein Plädoyer Überwindung der Dichotomie zwischen Natur- und Kulturwissenschaften. Interpretation der immateriellen, mentalen, geistigen Dimension des Menschseins als emergente Eigenschaft eines Netzwerkes kognitiver Agenten.