Quantenansätze für das Bewußtsein – Harald Atmanspacher, Edward N. Zalta

Quelle: Quantum Approaches to Consciousness (Stanford Encyclopedia of Philosophy)

Es ist weithin anerkannt, dass das Bewusstsein oder, allgemeiner gesagt, die geistige Aktivität in irgendeiner Weise mit dem Verhalten des materiellen Gehirns zusammenhängt. Da die Quantentheorie die grundlegendste Theorie der Materie ist, die derzeit verfügbar ist, ist die Frage legitim, ob die Quantentheorie uns helfen kann, das Bewusstsein zu verstehen. Im Folgenden werden mehrere in den letzten Jahrzehnten vorgeschlagene Ansätze vorgestellt, die diese Frage bejahen. Es gibt drei Grundtypen entsprechender Ansätze: (1) das Bewusstsein ist eine Manifestation von Quantenprozessen im Gehirn, (2) Quantenkonzepte werden verwendet, um das Bewusstsein zu verstehen, ohne sich auf die Gehirnaktivität zu beziehen, und (3) Materie und Bewusstsein werden als duale Aspekte einer einzigen zugrunde liegenden Realität betrachtet. Die wichtigsten zeitgenössischen Varianten dieser von der Quantenwissenschaft inspirierten Ansätze werden diskutiert. Es wird darauf hingewiesen, dass sie von unterschiedlichen erkenntnistheoretischen Annahmen ausgehen und die Quantentheorie auf unterschiedliche Weise nutzen. Für jeden der diskutierten Ansätze werden sowohl problematische als auch vielversprechende Merkmale hervorgehoben.

1. Einführung

Das Problem, wie Geist und Materie zueinander in Beziehung stehen, hat viele Facetten, und es kann von vielen verschiedenen Ausgangspunkten aus angegangen werden. Die historisch führenden Disziplinen in dieser Hinsicht sind die Philosophie und die Psychologie, zu denen später die Verhaltenswissenschaften, die Kognitionswissenschaften und die Neurowissenschaften hinzukamen. Darüber hinaus haben die Physik komplexer Systeme und die Quantenphysik von Anfang an eine anregende Rolle in der Diskussion gespielt.

Was die Frage der Komplexität anbelangt, so ist dies offensichtlich: Das Gehirn ist eines der komplexesten Systeme, die wir kennen. Die Erforschung neuronaler Netze, ihre Beziehung zur Funktionsweise einzelner Neuronen und andere wichtige Themen profitieren in hohem Maße von Ansätzen zur Erklärung komplexer Systeme. Was die Quantenphysik betrifft, so kann es keinen vernünftigen Zweifel daran geben, dass Quantenereignisse im Gehirn wie auch anderswo in der materiellen Welt – einschließlich biologischer Systeme – auftreten und wirksam sind^[1], aber es ist umstritten, ob diese Ereignisse wirksam und relevant für jene Aspekte der Hirnaktivität sind, die mit geistiger Aktivität korreliert sind.

Die ursprüngliche Motivation im frühen 20. Jahrhundert, die Quantentheorie mit dem Bewusstsein in Verbindung zu bringen, war im Wesentlichen philosophischer Natur. Es ist ziemlich plausibel, dass bewusste freie Entscheidungen („freier Wille“) in einer vollkommen deterministischen Welt problematisch sind^[2], so dass der Quantenzufall tatsächlich neue Möglichkeiten für den freien Willen eröffnen könnte. (Andererseits ist der Zufall problematisch für zielgerichteten Willen!)

Mit der Quantentheorie wurde ein Zufallselement eingeführt, das sich von der vorangegangenen deterministischen Weltsicht abhebt, in der der Zufall Ausdruck unserer Unkenntnis einer detaillierteren Beschreibung ist (wie in der statistischen Mechanik). In scharfem Gegensatz zu dieser epistemischen Zufälligkeit wurde die Quantenzufälligkeit in Prozessen wie der spontanen Emission von Licht, dem radioaktiven Zerfall oder anderen Beispielen als ein grundlegendes Merkmal der Natur betrachtet, das unabhängig von unserer Unkenntnis oder unserem Wissen ist. Genauer gesagt, bezieht sich diese Eigenschaft auf einzelne Quantenereignisse, während das Verhalten von Ensembles solcher Ereignisse statistisch bestimmt ist. Der Indeterminismus der einzelnen Quantenereignisse wird durch statistische Gesetze eingeschränkt.

Andere Merkmale der Quantentheorie, die für die Diskussion von Fragen des Bewusstseins interessant wurden, waren die Konzepte der Komplementarität und der Verschränkung. Pioniere der Quantenphysik wie Planck, Bohr, Schrödinger, Pauli (und andere) betonten die verschiedenen möglichen Rollen der Quantentheorie, wenn es darum geht, den alten Konflikt zwischen physikalischem Determinismus und bewusstem freien Willen neu zu überdenken. Für informative Übersichten mit unterschiedlichen Schwerpunkten siehe z. B. Squires (1990), Kane (1996), Butterfield (1998), Suarez und Adams (2013).

2. Annahmen aus dem philosophischen Hintergrund

Die Varianten der Dichotomie zwischen Geist und Materie reichen von ihrer grundlegenden Unterscheidung auf einer primordialen Beschreibungsebene bis hin zur Entstehung des Geistes (Bewusstseins) aus dem Gehirn als einem extrem hoch entwickelten materiellen System. Aufschlussreiche Übersichten finden sich bei Popper und Eccles (1977), Chalmers (1996) und Pauen (2001).

Ein wichtiger Aspekt bei allen Diskussionen über die Beziehung zwischen Geist und Materie ist die Unterscheidung zwischen deskriptiven und erklärenden Ansätzen. So ist beispielsweise Korrelation ein deskriptiver Begriff mit empirischer Relevanz, während Kausalität ein erklärender Begriff ist, der mit theoretischen Versuchen verbunden ist, Korrelationen zu verstehen. Kausalität impliziert Korrelationen zwischen Ursache und Wirkung, was aber nicht immer umgekehrt gilt: Korrelationen zwischen zwei Systemen können sich aus einer gemeinsamen Ursache in ihrer Geschichte ergeben und nicht aus einer direkten kausalen Wechselwirkung.

In den Grundlagenwissenschaften spricht man in der Regel von Kausalbeziehungen im Sinne von Wechselwirkungen. In der Physik gibt es beispielsweise vier grundlegende Arten von Wechselwirkungen (elektromagnetische, schwache, starke und gravitative), die dazu dienen, die in physikalischen Systemen beobachteten Korrelationen zu erklären. Was das Geist-Materie-Problem betrifft, ist die Situation schwieriger. Weit entfernt von einem theoretischen Verständnis in diesem Bereich, besteht das vorhandene Wissen im Wesentlichen aus empirischen Korrelationen zwischen materiellen und mentalen Zuständen. Diese Korrelationen sind deskriptiv, nicht erklärend; sie sind nicht kausal bedingt. Es ist (für einige Zwecke) interessant zu wissen, dass bestimmte Hirnareale während bestimmter geistiger Aktivitäten aktiviert werden; aber das erklärt natürlich nicht, warum dies so ist. Daher wäre es verfrüht, von Geist-Materie-Interaktionen im Sinne von Kausalbeziehungen zu sprechen. Um der terminologischen Klarheit willen wird in diesem Artikel der neutrale Begriff der Beziehungen zwischen Geist und Materie verwendet.

In vielen Diskussionen über materielle [ma] Gehirnzustände und mentale [me] Bewusstseinszustände werden die Beziehungen zwischen ihnen in einer direkten Weise aufgefasst (A):

[ma]←→[me]

Dies veranschaulicht einen minimalen Rahmen für die Untersuchung von Reduktions-, Supervenienz- oder Emergenzbeziehungen (Kim 1998; Stephan 1999), die sowohl monistische als auch dualistische Bilder ergeben können. So gibt es zum Beispiel die einflussreiche Position der starken Reduktion, die besagt, dass alle mentalen Zustände und Eigenschaften auf den materiellen Bereich oder sogar auf die Physik (Physikalismus) reduziert werden können.^[3] Dieser Standpunkt behauptet, dass es sowohl notwendig als auch ausreichend ist, den materiellen Bereich, z. B. das Gehirn, zu erforschen und zu verstehen, um den mentalen Bereich, z. B. das Bewusstsein, zu verstehen. Sie führt zu einem monistischen Bild, in dem die Notwendigkeit, mentale Zustände zu diskutieren, von vornherein entfällt oder zumindest als epiphänomenal betrachtet wird. Während Korrelationen zwischen Geist und Gehirn aus epiphänomenalistischer Sicht noch legitim, wenn auch kausal irrelevant sind, macht der eliminative Materialismus sogar Korrelationen irrelevant.

Viel diskutierte Gegenargumente gegen die Gültigkeit solch stark reduktionistischer Ansätze sind die Qualia-Argumente, die die Unmöglichkeit physikalistischer Darstellungen betonen, die Qualität der subjektiven Erfahrung eines mentalen Zustands, das „wie es ist, in diesem Zustand zu sein“ (Nagel 1974), angemessen zu berücksichtigen. Dies führt zu einer Erklärungslücke zwischen den Darstellungen der dritten Person und der ersten Person, für die Chalmers (1995) den Begriff des „harten Problems des Bewusstseins“ geprägt hat. Ein weiteres, weniger diskutiertes Gegenargument ist, dass der physikalische Bereich selbst nicht kausal geschlossen ist. Jede Lösung der fundamentalen Bewegungsgleichungen (sei es experimentell, numerisch oder analytisch) erfordert die Festlegung von Rand- und Anfangsbedingungen, die nicht durch die fundamentalen Naturgesetze gegeben sind (Primas 2002). Diese kausale Lücke gilt sowohl für die klassische Physik als auch für die Quantenphysik, wo eine grundlegende Unbestimmtheit aufgrund des Kollapses eine noch größere Herausforderung darstellt. Eine dritte Klasse von Gegenargumenten bezieht sich auf die Schwierigkeiten, Begriffe der zeitlichen Gegenwart und des Nichtwissens in eine physikalische Beschreibung einzubeziehen (Franck 2004, 2008; Primas 2017).

Beziehungen zwischen mentalen und materiellen Zuständen können jedoch auch auf nicht-reduktive Weise konzipiert werden, z. B. in Form von Emergenzbeziehungen (Stephan 1999). Mentale Zustände und/oder Eigenschaften können als emergent betrachtet werden, wenn das materielle Gehirn nicht notwendig oder nicht ausreichend ist, um sie zu erforschen und zu verstehen.^[4] Dies führt zu einem dualistischen Bild (weniger radikal und plausibler als der kartesische Dualismus), in dem Residuen bleiben, wenn man versucht, das Mentale auf das Materielle zu reduzieren. Innerhalb eines dualistischen Denkschemas wird es fast unvermeidlich, die Frage des kausalen Einflusses zwischen mentalen und materiellen Zuständen zu diskutieren. Insbesondere die kausale Wirkung mentaler Zustände auf Gehirnzustände („Downward Causation“) stößt in letzter Zeit auf wachsendes Interesse (Velmans, 2002; Ellis et al. 2011).^[5] Die populärsten Ansätze dieser Art in Bezug auf das Quantenverhalten des Gehirns werden in Abschnitt 3 über das „Quantengehirn“ diskutiert.

Es war eine alte Idee von Bohr, dass zentrale konzeptionelle Merkmale der Quantentheorie, wie z. B. die Komplementarität, auch außerhalb des Bereichs der Physik von zentraler Bedeutung sind. Tatsächlich wurde Bohr durch den Psychologen Edgar Rubin und – indirekter – durch William James (Holton 1970) mit der Komplementarität vertraut und erkannte sofort ihr Potenzial für die Quantenphysik. Obwohl Bohr auch von der außerphysikalischen Relevanz der Komplementarität überzeugt war, hat er diese Idee nie konkret ausgearbeitet, und lange Zeit nach ihm tat dies auch niemand sonst. Diese Situation hat sich geändert: Inzwischen gibt es eine Reihe von Forschungsprogrammen, die Schlüsselbegriffe der Quantentheorie so verallgemeinern, dass sie über die Physik hinaus anwendbar sind.

Von besonderem Interesse für die Bewusstseinsforschung sind Ansätze, die entwickelt wurden, um Bohrs Vorschlag im Hinblick auf die Psychologie und die Kognitionswissenschaft aufzugreifen. Die ersten Schritte in diese Richtung wurden von der Gruppe von Aerts in den frühen 1990er Jahren unternommen (Aerts et al. 1993), indem sie nicht-distributive Aussagengitter verwendeten, um quantenähnliches Verhalten in nicht-klassischen Systemen zu untersuchen. Alternative Ansätze wurden von Khrennikov (1999) initiiert, der sich auf nicht-klassische Wahrscheinlichkeiten konzentriert, und von Atmanspacher et al. (2002), die einen algebraischen Rahmen mit nicht-kommutierenden Operationen skizzieren. Die jüngste Entwicklung von Ideen innerhalb dieses Denkrahmens wird in Abschnitt 4 über „Quantum Mind“ behandelt. Weitere Denkansätze gehen auf Primas (2007, 2017) zurück, der Komplementarität mit partiellen booleschen Algebren anspricht, sowie auf Filk und von Müller (2008), die Verbindungen zwischen grundlegenden konzeptionellen Kategorien in der Quantenphysik und der Psychologie aufzeigen.

Als Alternative zu (A) ist es möglich, die Beziehungen zwischen Geist und Materie indirekt (B) über eine dritte Kategorie zu konzipieren:

[ma][me]
↘↖↙↗
[mame]

Diese dritte Kategorie, hier als [mame] bezeichnet, wird oft als neutral in Bezug auf die Unterscheidung zwischen [ma] und [me] betrachtet, d. h. als psychophysisch neutral. In Szenario (B) betreffen Fragen der Reduktion und Emergenz die Beziehung zwischen der ungetrennten „Hintergrundrealität“ [mame] und den unterschiedenen Aspekten [ma] und [me].

Solche „Doppelaspekt“-Denkansätze finden in der zeitgenössischen Diskussion zunehmend Beachtung, und sie haben eine lange Tradition, die bis zu Spinoza zurückreicht. In der Frühzeit der Psychophysik vertraten Fechner (1861) und Wundt (1911) ähnliche Ansichten. Whitehead, der moderne Pionier der Prozessphilosophie, bezog sich auf mentale und physische Pole von „tatsächlichen Ereignissen“, die ihrerseits ihre bipolaren Erscheinungen transzendieren (Whitehead 1978). Viele Ansätze in der Tradition von Feigl (1967) und Smart (1963), die als „Identitätstheorien“ bezeichnet werden, begreifen mentale und materielle Zustände als im Wesentlichen identische „zentrale Zustände“, die jedoch aus unterschiedlichen Perspektiven betrachtet werden. Andere Varianten dieser Idee wurden von Jung und Pauli (1955) [siehe auch Meier (2001)] vorgeschlagen, die Jungs Konzept einer psychophysisch neutralen, archetypischen Ordnung beinhalten, oder von Bohm und Hiley (Bohm 1990; Bohm und Hiley 1993; Hiley 2001), die sich auf eine implizite Ordnung beziehen, die sich in den verschiedenen expliziten Bereichen des Mentalen und des Materiellen entfaltet. Sie werden in Abschnitt 5, „Gehirn und Geist als Doppelaspekte“, ausführlicher behandelt.

Velmans (2002, 2009) hat einen ähnlichen Ansatz entwickelt, der mit empirischem Material aus der Psychologie untermauert wird, und Strawson (2003) hat einen „realen Materialismus“ vorgeschlagen, der ein eng verwandtes Schema verwendet. Ein weiterer Befürworter des Dual-Aspekt-Denkens ist Chalmers (1996), der die Möglichkeit in Betracht zieht, dass die zugrunde liegende, psychophysisch neutrale Beschreibungsebene am besten in Form von Informationen charakterisiert werden könnte.

Bevor wir weiter fortfahren, sollte betont werden, dass viele heutige Ansätze es vorziehen, zwischen den Perspektiven der ersten und dritten Person zu unterscheiden, anstatt zwischen mentalen und materiellen Zuständen. Diese Terminologie dient dazu, die Diskrepanz zwischen unmittelbaren bewussten Erfahrungen („Qualia“) und ihrer Beschreibung, sei sie nun verhaltensbezogen, neuronal oder biophysikalisch, hervorzuheben. Der Begriff des „schwierigen Problems“ der Bewusstseinsforschung bezieht sich auf die Überbrückung der Kluft zwischen der Erfahrung der ersten Person und den Beschreibungen der dritten Person. Im vorliegenden Beitrag wird implizit davon ausgegangen, dass mentale Bewusstseinszustände mit der Erfahrung der ersten Person in Verbindung stehen. Das bedeutet jedoch nicht, dass das Problem der genauen Definition von Bewusstsein als gelöst gilt. Letztlich wird es (mindestens) genauso schwierig sein, einen mentalen Zustand streng zu definieren wie einen materiellen Zustand.

3. Quantengehirn

In diesem Abschnitt werden einige populäre Ansätze zur Anwendung der Quantentheorie auf Gehirnzustände vorgestellt und verglichen – die meisten von ihnen spekulativ, mit unterschiedlichem Grad an Ausarbeitung und Durchführbarkeit. In Abschnitt 3.1 werden drei verschiedene neurophysiologische Beschreibungsebenen angesprochen, auf die sich bestimmte Quantenansätze beziehen. Anschließend werden die einzelnen Ansätze selbst diskutiert – Abschnitt 3.2: Stapp, Abschnitt 3.3: Vitiello und Freeman, Abschnitt 3.4: Beck und Eccles, Abschnitt 3.5: Penrose und Hameroff.

Im Folgenden werden (einige) der bekannteren und teilweise ausgearbeiteten Ansätze, die Konzepte der Quantentheorie für Untersuchungen zur Natur des Bewusstseins nutzen, vorgestellt und diskutiert. Dabei sollen die philosophischen Unterscheidungen A/B (Abschnitt 2) und die in Abschnitt 3.1 angesprochenen neurophysiologischen Unterscheidungen als Leitlinien dienen, um die jeweiligen Quantenansätze systematisch einzuordnen. Dennoch sind einige einleitende Bemerkungen zu den verschiedenen Arten der Anwendung der Quantentheorie angebracht.

Es gibt eine ganze Reihe von Darstellungen, in denen die Quantentheorie im Zusammenhang mit dem Bewusstsein diskutiert wird und die grundlegende Ideen der Quantentheorie auf rein metaphorische Weise übernehmen. Quantentheoretische Begriffe wie Verschränkung, Superposition, Kollaps, Komplementarität und andere werden verwendet, ohne dass genau angegeben wird, wie sie genau definiert sind und wie sie auf bestimmte Situationen anwendbar sind. So wird z. B. postuliert, dass bewusste Handlungen in gewisser Weise analog zu physikalischen Messvorgängen interpretiert werden können, oder es wird postuliert, dass Korrelationen in psychologischen Systemen in gewisser Weise analog zur physikalischen Verschränkung interpretiert werden können. Solche Darstellungen mögen faszinierende Science-Fiction sein, und sie mögen sogar wichtig sein, um Kernideen zu inspirieren, die im Detail ausgearbeitet werden müssen. Solange diese detaillierte Arbeit jedoch nicht über vage Metaphern und Analogien hinausgeht, stellen sie noch keinen wissenschaftlichen Fortschritt dar. Auf Ansätze, die in diese Kategorie fallen, wird in diesem Beitrag nicht eingegangen.

Eine zweite Kategorie umfasst Ansätze, die den Status quo der gegenwärtigen Quantentheorie zur Beschreibung neurophysiologischer und/oder neuropsychologischer Prozesse nutzen. Unter diesen Ansätzen ist derjenige mit der längsten Geschichte der, der in den 1930er Jahren von von Neumann initiiert, später von Wigner aufgegriffen und derzeit von Stapp vertreten wird. Er lässt sich grob als der Vorschlag charakterisieren, intentionale bewusste Handlungen als intrinsisch korreliert mit physischen Zustandsreduktionen zu betrachten. Eine weitere, recht frühe Idee, die auf Ricciardi und Umezawa in den 1960er Jahren zurückgeht, besteht darin, mentale Zustände, insbesondere Gedächtniszustände, als Vakuumzustände von Quantenfeldern zu behandeln. Ein prominenter Verfechter dieses Ansatzes ist derzeit Vitiello. Schließlich gibt es noch die von Beck und Eccles in den 1990er Jahren vorgeschlagene Idee, wonach quantenmechanische Prozesse, die für die Beschreibung der Exozytose am synaptischen Spalt relevant sind, durch mentale Absichten beeinflusst werden können.

Die dritte Kategorie bezieht sich auf Weiterentwicklungen oder Verallgemeinerungen der gegenwärtigen Quantentheorie. Ein offensichtlicher Kandidat in dieser Hinsicht ist der Vorschlag von Penrose, elementare bewusste Handlungen mit gravitationsbedingten Reduktionen von Quantenzuständen zu verbinden. Letztlich erfordert dies den Rahmen einer zukünftigen Theorie der Quantengravitation, die noch lange nicht entwickelt ist. Gemeinsam mit Penrose hat Hameroff argumentiert, dass Mikrotubuli der richtige Ort sein könnten, um nach solchen Zustandsreduktionen zu suchen.

3.1 Neurophysiologische Ebenen der Beschreibung

Ein psychisches System kann sich in vielen verschiedenen bewussten, intentionalen, phänomenalen mentalen Zuständen befinden. In einem hypothetischen Zustandsraum bildet eine Abfolge solcher Zustände eine Verlaufskurve, die oft als Strom des Bewusstseins bezeichnet wird. Da verschiedene Teilmengen des Zustandsraums in der Regel mit unterschiedlichen Stabilitätseigenschaften verbunden sind, kann man davon ausgehen, dass ein mentaler Zustand je nach seiner Position im Zustandsraum mehr oder weniger stabil ist. Stabile Zustände zeichnen sich dadurch aus, dass die Verweildauer an dieser Position länger ist als die von metastabilen oder instabilen Zuständen. Wenn ein mentaler Zustand gegenüber Störungen stabil ist, „aktiviert“ er eine mentale Repräsentation, die einen bewusst wahrgenommenen Inhalt kodiert.

Neuronale Baugruppen

Der Übergang von dieser rein psychologischen oder kognitiven Beschreibung zu ihrem neurophysiologischen Gegenstück führt uns zu der Frage: Was ist das neuronale Korrelat einer mentalen Repräsentation? Nach gängiger Auffassung (vgl. die Diskussion bei Noë und Thompson (2004)) sind mentale Repräsentationen mit der Aktivität neuronaler Verbände korreliert, d. h. mit Ensembles aus mehreren tausend gekoppelten Neuronen. Das neuronale Korrelat einer mentalen Repräsentation lässt sich dadurch charakterisieren, dass die Konnektivitäten oder Kopplungen zwischen diesen Neuronen eine in Bezug auf ihre Umgebung begrenzte Einheit bilden, zu der die Konnektivitäten schwächer sind als innerhalb der Einheit. Das neuronale Korrelat einer mentalen Repräsentation ist aktiviert, wenn die Neuronen, die die Gruppe bilden, aktiver arbeiten, d. h. höhere Feuerungsraten aufweisen, als in ihrem Standardmodus.

Um einen stabilen Betrieb einer aktivierten Neuronengruppe zu erreichen, muss ein subtiles Gleichgewicht zwischen hemmenden und erregenden Verbindungen zwischen den Neuronen bestehen (vgl. Abbildung 1). Wenn die Übertragungsfunktion der einzelnen Neuronen streng monoton ist, d. h. ein steigender Input führt zu einem steigenden Output, lassen sich Verbände nur schwer stabilisieren. Aus diesem Grund sind Ergebnisse, die eine nicht-monotone Übertragungsfunktion mit maximalem Output bei mittlerem Input nachweisen, von großer Bedeutung für die Modellierung neuronaler Verbände (Kuhn et al. 2004). Paradigmatische Beispiele für ein solches Verhalten sind Netzwerkmodelle mit Gittern aus gekoppelten Karten mit quadratischem Maximum (Kaneko und Tsuda 2000). Diese und andere bekannte Modelle neuronaler Verbände (für einen Überblick siehe Anderson und Rosenfeld 1988) sind meist so formuliert, dass sie nicht auf wohldefinierte Elemente der Quantentheorie zurückgreifen. Eine ausdrückliche Ausnahme ist der Ansatz von Umezawa, Vitiello und anderen (siehe Abschnitt 3.3).

Einzelne Neuronen und Synapsen

Die Tatsache, dass neuronale Verbände meist durch klassisches Verhalten beschrieben werden, schließt nicht aus, dass klassisch nicht beschreibbare Quanteneffekte von Bedeutung sein können, wenn man sich auf einzelne Bestandteile von Verbänden konzentriert, d.h. auf einzelne Neuronen oder auf Schnittstellen zwischen ihnen. Diese Schnittstellen, über die sich die Signale zwischen Neuronen ausbreiten, werden Synapsen genannt. Es gibt elektrische und chemische Synapsen, je nachdem, ob sie ein Signal elektrisch oder chemisch weiterleiten.

Bei elektrischen Synapsen fließt der Strom, der durch das Aktionspotenzial des präsynaptischen Neurons erzeugt wird, direkt in die postsynaptische Zelle, die über eine so genannte „Gap Junction“ physisch mit dem präsynaptischen Terminal verbunden ist. Bei chemischen Synapsen gibt es einen Spalt zwischen prä- und postsynaptischer Zelle. Um ein Signal weiterzuleiten, wird am präsynaptischen Terminal ein chemischer Transmitter (Glutamat) freigesetzt. Dieser Freisetzungsprozess wird als Exozytose bezeichnet. Der Transmitter diffundiert durch den synaptischen Spalt und bindet an Rezeptoren an der postsynaptischen Membran, wodurch ein Ionenkanal geöffnet wird (Kandel et al. 2000, Teil III; siehe Abb. 2). Die chemische Übertragung ist langsamer als die elektrische Übertragung.

Ein von Beck und Eccles entwickeltes Modell wendet konkrete quantenmechanische Merkmale an, um Details des Prozesses der Exozytose zu beschreiben. Ihr Modell geht davon aus, dass Quantenprozesse für die Exozytose relevant sind und darüber hinaus in engem Zusammenhang mit Bewusstseinszuständen stehen. Darauf wird in Abschnitt 3.4 noch näher eingegangen.

An dieser Stelle sei ein weiterer, von Flohr (2000) entwickelter Ansatz erwähnt, bei dem chemische Synapsen mit einem bestimmten Rezeptortyp, den so genannten NMDA-Rezeptoren^[6], von herausragender Bedeutung sind. Kurz gesagt stellt Flohr fest, dass die spezifische Plastizität der NMDA-Rezeptoren eine notwendige Bedingung für die Bildung ausgedehnter, stabiler neuronaler Verbände ist, die mit (höherwertigen) mentalen Repräsentationen korrelieren, die er mit bewussten Zuständen identifiziert. Darüber hinaus weist er auf eine Reihe von Mechanismen hin, die durch Narkosemittel hervorgerufen werden, die NMDA-Rezeptoren blockieren und folglich zu einem Bewusstseinsverlust führen. Flohrs Ansatz ist physikalistisch und reduktiv, und er ist völlig unabhängig von spezifischen Quantenvorstellungen.

Mikrotubuli

Die unterste neurophysiologische Ebene, auf der Quantenprozesse als Korrelat zum Bewusstsein vorgeschlagen wurden, ist die Ebene, auf der das Innere einzelner Neuronen betrachtet wird: ihr Zytoskelett. Es besteht aus Proteinnetzwerken, die im Wesentlichen aus zwei Arten von Strukturen bestehen, den Neurofilamenten und den Mikrotubuli (Abb. 3, links), die für verschiedene Transportprozesse innerhalb der Neuronen (und auch anderer Zellen) unerlässlich sind. Mikrotubuli sind lange Polymere, die in der Regel aus 13 länglichen α- und β-Tubulin-Dimeren bestehen, die in einer röhrenförmigen Anordnung mit einem Außendurchmesser von etwa 25 nm angeordnet sind (Abb. 3, rechts). Für weitere Einzelheiten siehe Kandel et al. (2000), Kap. II.4.

Die Tubuline in Mikrotubuli sind das Substrat, das in Hameroffs Vorschlag verwendet wird, um Penroses theoretischen Rahmen neurophysiologisch einzubetten. Wie in Abschnitt 3.5 näher erläutert wird, wird angenommen, dass die Tubulinzustände von Quantenereignissen abhängen, so dass Quantenkohärenz zwischen verschiedenen Tubulinen möglich ist. Eine entscheidende These im Szenario von Penrose und Hameroff ist zudem, dass der (gravitationsbedingte) Kollaps solcher kohärenten Tubulin-Zustände elementaren Bewusstseinsakten entspricht.

3.2 Stapp: Quantenzustandsreduktionen und bewusste Handlungen

Der Akt der Messung ist ein entscheidender Aspekt im Rahmen der Quantentheorie, der seit mehr als acht Jahrzehnten kontrovers diskutiert wird. In seiner Monographie über die mathematischen Grundlagen der Quantenmechanik führte von Neumann (1955, Kap. V.1) ad hoc das Projektionspostulat als mathematisches Werkzeug ein, um die Messung als einen diskontinuierlichen, nicht kausalen, augenblicklichen (irreversiblen) Akt zu beschreiben, der durch (1) den Übergang eines Quantenzustands in einen Eigenzustand b_j der gemessenen Beobachtungsgröße B (mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit) gegeben ist. Dieser Übergang wird oft als Kollaps oder Reduktion der Wellenfunktion bezeichnet, im Gegensatz zu (2) der kontinuierlichen, unitären (reversiblen) Entwicklung eines Systems gemäß der Schrödinger-Gleichung.

In Kapitel VI diskutiert von Neumann (1955) die begriffliche Unterscheidung zwischen beobachtetem und beobachtendem System. In diesem Zusammenhang wandte er (1) und (2) auf die allgemeine Situation eines gemessenen Objektsystems (I), eines Messgeräts (II) und (des Gehirns) eines menschlichen Beobachters (III) an. Er kam zu dem Schluss, dass es für das Ergebnis von Messungen an (I) keinen Unterschied macht, ob die Grenze zwischen beobachtetem und beobachtendem System zwischen I und (II & III) oder zwischen (I & II) und III gesetzt wird. Folglich ist es unerheblich, ob ein Detektor oder das menschliche Gehirn letztlich als „Beobachter“ bezeichnet wird^[7].

Im Gegensatz zu von Neumanns eher vorsichtiger Haltung gingen London und Bauer (1939) weiter und schlugen vor, dass es tatsächlich das menschliche Bewusstsein ist, das den Quantenmessprozess vervollständigt (siehe Jammer (1974, Abschnitt 11.3 oder Shimony (1963) für eine detaillierte Darstellung). Auf diese Weise schrieben sie dem Bewusstsein eine entscheidende Rolle beim Verständnis der Quantenmessung im Sinne einer Aktualisierung des Wissens des Beobachters zu. In den 1960er Jahren radikalisierte Wigner (1967) diesen Vorschlag^[8], indem er eine Auswirkung des Bewusstseins auf den physikalischen Zustand des gemessenen Systems vorschlug, nicht nur eine Auswirkung auf das Wissen des Beobachters. Um die Messung als einen realen dynamischen Prozess zu beschreiben, der irreversible Tatsachen erzeugt, forderte Wigner eine nichtlineare Modifikation von (2), um von Neumanns Projektion (1) zu ersetzen.^[9]

Seit den 1980er Jahren hat Stapp auf dem Hintergrund von von Neumann und Wigner seine eigene Sichtweise entwickelt. Insbesondere versucht er, spezifische Merkmale des Bewusstseins in Bezug auf die Quantentheorie zu verstehen. Inspiriert von von Neumann nutzt Stapp die Freiheit, die Schnittstelle zwischen beobachtetem und beobachtendem System im Gehirn des Beobachters zu verorten. Er schlägt keine formalen Änderungen an der heutigen Quantentheorie vor (insbesondere bleibt er im Wesentlichen bei der „orthodoxen“ Hilbert-Raum-Darstellung), fügt aber wichtige interpretatorische Erweiterungen hinzu, insbesondere im Hinblick auf einen detaillierten ontologischen Rahmen.

In seinen früheren Arbeiten ging Stapp (1993) von Heisenbergs Unterscheidung zwischen dem Potentiellen und dem Tatsächlichen aus (Heisenberg 1958) und machte damit einen entscheidenden Schritt über die operative Kopenhagener Deutung der Quantenmechanik hinaus. Während sich Heisenbergs Begriff des Tatsächlichen auf ein gemessenes Ereignis im Sinne der Kopenhagener Deutung bezieht, bezieht sich sein Begriff des Potentiellen, einer Tendenz, auf die Situation vor der Messung, was die Vorstellung einer von der Messung unabhängigen Realität zum Ausdruck bringt.^[10]

Unmittelbar nach seiner Verwirklichung birgt jedes Ereignis die Tendenz zur bevorstehenden Verwirklichung eines anderen, nachfolgenden tatsächlichen Ereignisses. Daher sind Ereignisse per Definition mehrdeutig. Im Hinblick auf ihren aktualisierten Aspekt besteht Stapps wesentlicher Zug darin, „jedem Heisenbergschen tatsächlichen Ereignis einen Erfahrungsaspekt beizufügen. Letzterer wird als das Gefühl dieses Ereignisses bezeichnet und kann als der Aspekt des tatsächlichen Ereignisses betrachtet werden, der ihm seinen Status als intrinsische Aktualität verleiht“ (Stapp 1993, S. 149).

Im Hinblick auf ihren Tendenzaspekt ist es verlockend, Ereignisse im Sinne des Schemas (B) von Abschnitt 2 zu verstehen. Dies hängt mit Whiteheads Ontologie zusammen, in der mentale und physische Pole sogenannter „tatsächlicher Ereignisse“ als psychologische und physische Aspekte der Realität betrachtet werden. Die potentiellen Vorläufer von tatsächlichen Ereignissen sind psychophysisch neutral und verweisen auf eine Existenzweise, bei der Geist und Materie ungetrennt sind. Dies kommt z.B. in Stapps Begriff einer „hybriden Ontologie“ zum Ausdruck, die „sowohl ideenartige als auch materieartige Qualitäten“ aufweist (Stapp 1999, 159). Ähnlichkeiten mit einem Zwei-Aspekte-Ansatz (B) (vgl. Abschnitt 5) sind offensichtlich.

In einem Interview von 2006 präzisiert Stapp (2006) einige ontologische Merkmale seines Ansatzes in Bezug auf Whiteheads Prozessdenken, bei dem tatsächliche Ereignisse und nicht Materie oder Geist die grundlegenden Elemente der Realität sind. Sie basieren eher auf einer prozessualen als auf einer substantiellen Ontologie (siehe den Eintrag zur Prozessphilosophie). Stapp bringt den grundlegend prozessualen Charakter tatsächlicher Ereignisse sowohl mit dem physischen Akt der Zustandsreduktion als auch mit dem damit verbundenen psychologischen intentionalen Akt in Verbindung.

Ein weiterer wichtiger Aspekt seines Ansatzes ist die Möglichkeit, dass „bewusste Absichten eines Menschen die Aktivitäten seines Gehirns beeinflussen können“ (Stapp 1999, S. 153). Anders als die möglicherweise irreführende Vorstellung einer direkten Interaktion, die eine Interpretation im Sinne des Schemas (A) von Abschnitt 2 nahelegt, beschreibt er dieses Merkmal auf eine subtilere Weise. Die Anforderung, dass die mentalen und materiellen Ergebnisse eines tatsächlichen Ereignisses übereinstimmen, d.h. korreliert sein müssen, wirkt als Beschränkung der Art und Weise, wie diese Ergebnisse innerhalb des tatsächlichen Ereignisses gebildet werden (vgl. Stapp 2006). Der Begriff der Interaktion wird somit durch den Begriff einer Einschränkung ersetzt, die durch die Korrelationen zwischen Geist und Materie gesetzt wird (vgl. auch Stapp 2007).

Auf einer Ebene, auf der bewusste mentale Zustände und materielle Gehirnzustände unterschieden werden, hat nach Stapp (1999, S. 153) jede bewusste Erfahrung als ihr physisches Gegenstück eine Quantenzustandsreduktion, die „das Aktivitätsmuster, das manchmal als neuronales Korrelat dieser bewussten Erfahrung bezeichnet wird“, aktualisiert. Dieses Aktivitätsmuster kann eine Absicht kodieren und somit eine „Handlungsvorlage“ darstellen. Eine bewusste Entscheidung für eine Handlung, die der eigentlichen Handlung vorausgeht, ist in diesem Bild der Schlüssel für so etwas wie freien Willen.

Stapp argumentiert, dass die geistige Anstrengung, d.h. die Aufmerksamkeit, die solchen intentionalen Handlungen gewidmet wird, die Lebensdauer der neuronalen Verbände, die die Handlungsvorlagen darstellen, aufgrund von Quanten-Zeno-Effekten verlängern kann. Was die neurophysiologische Umsetzung dieser Idee angeht, so wird angenommen, dass intentionale mentale Zustände Reduktionen von Überlagerungszuständen neuronaler Baugruppen entsprechen. Weitere Kommentare zu den Konzepten von Aufmerksamkeit und Absicht in Bezug auf James‘ Idee eines ganzheitlichen Bewusstseinsstroms (James 1950 [1890]) wurden von Stapp (1999) gegeben.

Für weitere Fortschritte ist es unerlässlich, einen kohärenten formalen Rahmen für diesen Ansatz zu entwickeln und konkrete Details auszuarbeiten. So ist beispielsweise noch nicht genau geklärt, wie Quantenüberlagerungen und ihre Zusammenbrüche in den neuronalen Korrelaten bewusster Ereignisse auftreten sollen. Einige Hinweise werden von Schwartz et al. (2005) skizziert. Mit diesen Desideraten für zukünftige Arbeiten ist die Gesamtkonzeption insofern konservativ, als der physikalische Formalismus unverändert bleibt.

Aus diesem Grund hat Stapp jahrelang darauf bestanden, dass sein Ansatz nichts an dem ändert, was er als „orthodoxe“ Quantenmechanik bezeichnet, die im Wesentlichen in der statistischen Formulierung von Neumann (1955) verschlüsselt ist. Aus Sicht der heutigen Standard-Quantenphysik ist es jedoch sicherlich unorthodox, den mentalen Zustand der Beobachter in die Theorie einzubeziehen. Es stimmt zwar, dass die Quantenmessung noch nicht endgültig physikalisch verstanden ist, aber die Einführung mentaler Zustände als wesentliches fehlendes Glied ist aus heutiger Sicht höchst spekulativ.

Diese Verbindung ist ein radikaler konzeptioneller Schritt. In einem Ansatz, den Stapp als „semi-orthodox“ bezeichnet (Stapp 2015), schlägt er vor, die Zufälligkeit einzelner Quantenereignisse („nature’s choices“) als „nicht wirklich zufällig, sondern positiv oder negativ verzerrt durch die positiven oder negativen Werte in den Köpfen der Beobachter, die durch ihre (nature’s) choices aktualisiert werden“ (S. 187), zu begreifen. Diese Hypothese führt zu mentalen Einflüssen auf quantenphysikalische Prozesse, die derzeit noch weitgehend unbekanntes Terrain sind.

3.3 Vitiello und Freeman: Quantenfeldtheorie der Gehirnzustände

In den 1960er Jahren schlugen Ricciardi und Umezawa (1967) vor, den Formalismus der Quantenfeldtheorie zur Beschreibung von Gehirnzuständen zu verwenden, wobei sie den Schwerpunkt auf das Gedächtnis legten. Die Grundidee besteht darin, Gedächtniszustände als Zustände von Vielteilchensystemen zu begreifen, als nicht äquivalente Darstellungen von Vakuumzuständen von Quantenfeldern^[11]. Dieser Vorschlag wurde mehrfach verfeinert (z. B. Stuart et al. 1978, 1979; Jibu und Yasue 1995). Größere Fortschritte wurden in jüngster Zeit durch die Einbeziehung von Effekten wie Dissipation, Chaos, Fraktalen und Quantenrauschen erzielt (Vitiello 1995; Pessa und Vitiello 2003; Vitiello 2012). Eine gut lesbare, nichttechnische Darstellung des Ansatzes in seiner heutigen Form, eingebettet in die Quantenfeldtheorie, findet sich in Vitiello (2001, 2002).

Die Quantenfeldtheorie (siehe den Eintrag zur Quantenfeldtheorie) befasst sich mit Systemen mit unendlich vielen Freiheitsgraden. Für solche Systeme lässt die Algebra der Observablen, die sich aus der Einführung kanonischer Kommutationsbeziehungen ergibt, mehrere Hilbert-Raum-Darstellungen zu, die nicht einheitlich äquivalent zueinander sind. Dies unterscheidet sich von dem Fall der Standard-Quantenmechanik, die Systeme mit endlich vielen Freiheitsgraden behandelt. Für solche Systeme lässt die entsprechende Algebra der Observablen einheitlich äquivalente Hilbert-Raum-Darstellungen zu.

Ungleichwertige Darstellungen der Quantenfeldtheorie können durch spontane Symmetriebrechung entstehen (siehe den Eintrag über Symmetrie und Symmetriebrechung), wenn der Grundzustand (oder der Vakuumzustand) eines Systems nicht unter der vollständigen Gruppe von Transformationen invariant ist, die die Erhaltungssätze für das System liefern. Wenn die Symmetrie bricht, werden kollektive Moden erzeugt (so genannte Nambu-Goldstone-Bosonen-Moden), die sich über das System ausbreiten und weitreichende Korrelationen in das System einführen.

Diese Korrelationen sind für das Entstehen von geordneten Mustern verantwortlich. Anders als in thermischen Standardsystemen kann eine große Anzahl von Bosonen in einem geordneten Zustand auf sehr stabile Weise kondensiert werden. Grob gesagt bietet dies eine quantenfeldtheoretische Ableitung von geordneten Zuständen in Vielteilchensystemen, die mit den Mitteln der statistischen Physik beschrieben werden. In dem Vorschlag von Umezawa stellen diese dynamisch geordneten Zustände die kohärente Aktivität in neuronalen Verbänden dar.

Die Aktivierung einer neuronalen Einheit ist notwendig, um den kodierten Inhalt bewusst zugänglich zu machen. Es wird davon ausgegangen, dass diese Aktivierung durch äußere Reize ausgelöst wird. Wird die Einheit nicht aktiviert, bleibt ihr Inhalt unbewusst, ein unzugängliches Gedächtnis. Nach Umezawa werden kohärente neuronale Baugruppen, die mit solchen Gedächtniszuständen korrelieren, als Vakuumzustände betrachtet; ihre Aktivierung führt zu erregten Zuständen und ermöglicht eine bewusste Erinnerung an den im Vakuumzustand (Grundzustand) kodierten Inhalt. Die Stabilität solcher Zustände und die Rolle externer Stimuli wurden von Stuart et al. (1978, 1979) eingehend untersucht.

Ein entscheidender weiterer Schritt in der Entwicklung des Ansatzes wurde durch die Berücksichtigung der Dissipation erreicht. Dissipation ist möglich, wenn die Interaktion eines Systems mit seiner Umwelt berücksichtigt wird. Vitiello (1995) beschreibt, wie die System-Umwelt-Interaktion eine Verdoppelung der kollektiven Moden des Systems in seiner Umgebung bewirkt. Daraus ergeben sich unendlich viele unterschiedlich kodierte Vakuumzustände, die die Möglichkeit vieler Speicherinhalte ohne Überschreibung bieten. Darüber hinaus führt die Dissipation zu endlichen Lebensdauern der Vakuumzustände und stellt somit eher ein zeitlich begrenztes als ein unbegrenztes Gedächtnis dar (Alfinito und Vitiello 2000; Alfinito et al. 2001). Schließlich erzeugt die Dissipation einen echten Zeitpfeil für das System, und seine Interaktion mit der Umgebung führt zu Verschränkung. Pessa und Vitiello (2003) haben sich mit zusätzlichen Auswirkungen von Chaos und Quantenrauschen befasst.

In Umezawas Vorschlag wird das Gehirn als ein System mit vielen Teilchen als Ganzes betrachtet, wobei die „Teilchen“ mehr oder weniger Neuronen sind. In der Sprache von Abschnitt 3.1 bezieht sich dies auf die Ebene der neuronalen Verbände, die direkt mit der geistigen Aktivität korrelieren. Ein weiterer Vorzug des quantenfeldtheoretischen Ansatzes besteht darin, dass er die Beschränkungen der Standard-Quantenmechanik auf formal solide Weise umgeht. Konzeptionell gesehen haben viele der bahnbrechenden Darstellungen des Vorschlags jedoch mentale und materielle Zustände (und deren Eigenschaften) verwechselt. Dies wurde von Freeman und Vitiello (2008) klargestellt: Das Modell „beschreibt das Gehirn, nicht mentale Zustände“.

Für eine entsprechende Beschreibung von Gehirnzuständen untersuchten Freeman und Vitiello 2006, 2008, 2010) neurobiologisch relevante Observablen wie elektrische und magnetische Feldamplituden und Neurotransmitterkonzentrationen. Sie fanden Belege für Nicht-Gleichgewichts-Analoga von Phasenübergängen (Vitiello 2015) und Potenzgesetz-Verteilungen der spektralen Energiedichten von Elektrokortikogrammen (Freeman und Vitiello 2010, Freeman und Quian Quiroga 2013). All diese Observablen sind klassisch, so dass Neuronen, Gliazellen „und andere physiologische Einheiten keine Quantenobjekte im Vielkörper-Modell des Gehirns sind“ (Freeman und Vitiello 2008). Vitiello (2012) weist jedoch auch darauf hin, dass die Entstehung von (selbstähnlichen, fraktalen) Potenzgesetzverteilungen im Allgemeinen eng mit dissipativen kohärenten Quantenzuständen verbunden ist (siehe auch die jüngsten Entwicklungen des Penrose-Hameroff-Szenarios, Abschnitt 3.5).

Die allgemeine Schlussfolgerung ist, dass die Anwendung der Quantenfeldtheorie beschreibt, warum und wie klassisches Verhalten auf der Ebene der betrachteten Hirnaktivität auftritt. Die relevanten Gehirnzustände selbst werden als klassische Zustände betrachtet. Ähnlich wie bei einer klassischen thermodynamischen Beschreibung, die sich aus der statistischen Quantenmechanik ergibt, geht es darum, verschiedene Regime stabilen Verhaltens (Phasen, Attraktoren) und Übergänge zwischen ihnen zu identifizieren. Auf diese Weise liefert die Quantenfeldtheorie formale Elemente, aus denen eine klassische Standardbeschreibung der Gehirnaktivität abgeleitet werden kann, und das ist ihre Hauptrolle in weiten Teilen des Modells. Erst in ihrem letzten gemeinsamen Papier stellen Freeman und Vitiello (2016) eine Möglichkeit vor, wie das Mentale explizit einbezogen werden kann. Für eine aktuelle Übersicht mit technischem Hintergrund siehe Sabbadini und Vitiello (2019).

3.4 Beck und Eccles: Quantenmechanik am synaptischen Spalt

Der wohl konkreteste Vorschlag, wie die Quantenmechanik in ihrer heutigen Form eine Rolle bei Gehirnprozessen spielen kann, stammt von Beck und Eccles (1992), später verfeinert von Beck (2001). Er bezieht sich auf bestimmte Mechanismen der Informationsübertragung am synaptischen Spalt. Auf welche Weise diese Quantenprozesse für die mentale Aktivität relevant sein könnten und wie ihre Wechselwirkungen mit mentalen Zuständen konzipiert sind, ist jedoch bis heute ungeklärt.^[12]

Wie in Abschnitt 3.1 dargestellt, wird der Informationsfluss zwischen Neuronen in chemischen Synapsen durch die Freisetzung von Transmittern im präsynaptischen Terminal eingeleitet. Dieser Prozess wird als Exozytose bezeichnet und durch einen eintreffenden Nervenimpuls mit einer geringen Wahrscheinlichkeit ausgelöst. Um den Auslösemechanismus statistisch zu beschreiben, kann man sich auf die Thermodynamik oder die Quantenmechanik berufen. Ein Blick auf die entsprechenden Energieregime zeigt (Beck und Eccles 1992), dass Quantenprozesse von thermischen Prozessen für Energien über 10^-2 eV (bei Raumtemperatur) unterscheidbar sind. Geht man von einer für biologische Mikrosites typischen Längenskala in der Größenordnung von einigen Nanometern aus, so reicht eine effektive Masse von unter 10 Elektronenmassen aus, um sicherzustellen, dass Quantenprozesse gegenüber thermischen Prozessen überwiegen.

Die obere Grenze der Zeitskala solcher Prozesse im Quantenregime liegt in der Größenordnung von 10^-12 Sekunden. Dies ist deutlich kürzer als die Zeitskala zellulärer Prozesse, die ^10-9 Sekunden und länger beträgt. Der deutliche Unterschied zwischen den beiden Zeitskalen macht es möglich, die entsprechenden Prozesse als voneinander entkoppelt zu betrachten.

Der von Beck und Eccles (1992) vorgeschlagene detaillierte Auslösemechanismus basiert auf dem Quantenkonzept der Quasiteilchen und spiegelt den Teilchenaspekt eines kollektiven Modus wider. Der vorgeschlagene Auslösemechanismus bezieht sich auf Tunnelprozesse von Quasiteilchen mit zwei Zuständen, die zu Zustandszusammenbrüchen führen. Daraus ergibt sich eine Exozytosewahrscheinlichkeit im Bereich zwischen 0 und 0.7, was mit empirischen Beobachtungen übereinstimmt. Mit Hilfe eines früher entwickelten theoretischen Rahmens (Marcus 1956; Jortner 1976) lässt sich der Quanten-Trigger konkret als Elektronentransfer zwischen Biomolekülen verstehen. Es bleibt jedoch die Frage, wie der Auslöser für bewusste mentale Zustände relevant sein kann. Zu dieser Frage gibt es zwei Aspekte.

Die erste bezieht sich auf Eccles‘ Absicht, Quantenprozesse im Gehirn als Ansatzpunkt für mentale Verursachung zu nutzen. Wie in Abschnitt 1 angedeutet, besteht die Idee darin, dass die grundsätzlich indeterministische Natur einzelner Quantenzustandszusammenbrüche Raum für die Beeinflussung von Gehirnzuständen durch mentale Kräfte bietet. Im vorliegenden Bild ist dies so konzipiert, dass „mentale Intention (Volition) neural wirksam wird, indem sie die Wahrscheinlichkeit der Exozytose kurzzeitig erhöht“ (Beck und Eccles 1992, 11360). Eine weitere Begründung für diese Annahme wird nicht gegeben.

Der zweite Aspekt bezieht sich auf das Problem, dass Prozesse an einzelnen Synapsen nicht einfach mit mentaler Aktivität korreliert werden können, deren neuronale Korrelate kohärente Ansammlungen von Neuronen sind. Am plausibelsten ist, dass prima facie unkorrelierte Zufallsprozesse an einzelnen Synapsen zu einem stochastischen Netzwerk von Neuronen führen würden (Hepp 1999). Beck (2001) hat zwar Möglichkeiten aufgezeigt (wie z. B. die quantenstochastische Resonanz), wie man aus grundsätzlich zufälligen synaptischen Prozessen geordnete Muster auf der Ebene von Assemblies erzeugen kann, doch bleibt dies ein ungelöstes Problem.

Mit Ausnahme von Eccles‘ Idee der geistigen Verursachung konzentriert sich der Ansatz von Beck und Eccles im Wesentlichen auf Gehirnzustände und Gehirndynamik. In diesem Zusammenhang stellt Beck (2001, 109f) ausdrücklich fest, dass „die Wissenschaft von Natur aus keine Antwort auf […] Fragen im Zusammenhang mit dem Geist geben kann“. Dennoch kann ihr biophysikalischer Ansatz die Tür zu kontrollierten Spekulationen über die Beziehungen zwischen Geist und Materie öffnen.

Ein neuerer Vorschlag, der auf Exozytoseprozesse am synaptischen Spalt abzielt, stammt von Fisher (2015, 2017). Ähnlich wie bei den Quasiteilchen von Beck und Eccles bezieht sich Fisher auf sogenannte Posner-Moleküle, insbesondere auf Kalziumphosphat, Ca₉(PO₄)₆. Die Kernspins der Phosphat-Ionen dienen als verschränkte Qubits in den Molekülen, die ihre kohärenten Zustände vor schneller Dekohärenz schützen (was zu extremen Dekohärenzzeiten im Bereich von Stunden oder sogar Tagen führt). Wenn die Posner-Moleküle in präsynaptische glutamaterge Neuronen transportiert werden, stimulieren sie die Glutamatfreisetzung und verstärken die postsynaptische Aktivität. Aufgrund von nichtlokalen Quantenkorrelationen kann diese Aktivität über mehrere Neuronen hinweg verstärkt werden (was Hepps Bedenken entspräche).

Dies ist ein ausgeklügelter Mechanismus, der empirische Tests erfordert. Einer davon wäre die Veränderung der Phosphor-Spindynamik innerhalb der Posner-Moleküle. Ersetzt man beispielsweise Ca durch verschiedene Li-Isotope mit unterschiedlichen Kernspins, führt dies zu unterschiedlichen Dekohärenzzeiten, die sich auf die postsynaptische Aktivität auswirken. Entsprechende Nachweise wurden bei Tieren erbracht (Sechzer et al. 1986, Krug et al. 2019). Es ist bekannt, dass Lithium manische Phasen bei Patienten mit bipolarer Störung wirksam abschwächen kann.

3.5 Penrose und Hameroff: Quantengravitation und Mikrotubuli

In dem von Penrose entwickelten und von Hameroff neurophysiologisch erweiterten Szenario wird behauptet, dass die Quantentheorie für das Bewusstsein wirksam ist, aber die Art und Weise, wie dies geschieht, ist recht anspruchsvoll. Es wird argumentiert, dass elementare Bewusstseinsakte nicht-algorithmisch, d.h. nicht berechenbar sind und neurophysiologisch als gravitationsbedingte Reduktionen von kohärenten Überlagerungszuständen in Mikrotubuli realisiert werden.

Im Gegensatz zu den bisher diskutierten Ansätzen, die im Wesentlichen auf (verschiedenen Merkmalen der) Status-quo-Quantentheorie beruhen, bezieht sich der von Penrose vorgeschlagene physikalische Teil des Szenarios auf künftige Entwicklungen der Quantentheorie, um den der Quantenzustandsreduktion zugrunde liegenden physikalischen Prozess richtig zu verstehen. Das umfassendere Bild ist, dass eine vollständige Theorie der Quantengravitation erforderlich ist, um die Quantenmessung zu verstehen (siehe den Eintrag über Quantengravitation).

Dies ist eine weitreichende Annahme. Penrose begründet seine Berufung auf die Zustandsreduktion nicht damit, dass die entsprechende Zufälligkeit Raum für die Wirksamkeit geistiger Verursachung bietet (obwohl dies nicht ausgeschlossen ist). Sein konzeptioneller Ausgangspunkt, den er in zwei Büchern (Penrose 1989, 1994) ausführlich entwickelt hat, ist, dass elementare bewusste Handlungen nicht algorithmisch beschreibbar, also nicht berechenbar sind. Sein diesbezüglicher Hintergrund hat viel mit der Natur der Kreativität, der mathematischen Erkenntnis, den Gödelschen Unvollständigkeitssätzen und der Idee einer platonischen Realität jenseits von Geist und Materie zu tun.

Penrose argumentiert, dass eine gültige Formulierung der Quantenzustandsreduktion, die von Neumanns Projektionspostulat ersetzt, einen objektiven physikalischen Prozess zuverlässig beschreiben muss, den er als objektive Reduktion bezeichnet. Da ein solcher physikalischer Prozess bislang empirisch unbestätigt ist, schlägt Penrose vor, dass Effekte, die derzeit nicht von der Quantentheorie erfasst werden, eine Rolle bei der Zustandsreduktion spielen könnten. Ideale Kandidaten sind für ihn Gravitationseffekte, da die Gravitation die einzige fundamentale Wechselwirkung ist, die bisher nicht in die Quantentheorie integriert ist. Anstatt Elemente der Gravitationstheorie (d.h. der allgemeinen Relativitätstheorie) zu modifizieren, um eine solche Integration zu erreichen, diskutiert Penrose den umgekehrten Weg: dass zu diesem Zweck neue Eigenschaften in die Quantentheorie aufgenommen werden müssen. Auf diese Weise kommt er zu dem Vorschlag der gravitationsbedingten objektiven Zustandsreduktion.

Warum ist eine solche Version der Zustandsreduktion nicht berechenbar? Zunächst könnte man sich die objektive Zustandsreduktion als stochastischen Prozess vorstellen, wie es die meisten aktuellen Vorschläge für solche Mechanismen tun (siehe den Eintrag über Kollaps-Theorien). Dies wäre sicherlich indeterministisch, aber probabilistische und stochastische Prozesse können standardmäßig auf einem Computer implementiert werden, sie sind also definitiv berechenbar. Penrose (1994, Abschnitte 7.8 und 7.10) skizziert einige Ideen zu wirklich nicht berechenbaren, nicht nur zufälligen, Eigenschaften der Quantengravitation. Damit sie zu brauchbaren Kandidaten für die Erklärung der Nicht-Berechenbarkeit der gravitationsinduzierten Zustandsreduktion werden, ist noch ein weiter Weg zu gehen.

Im Hinblick auf die neurophysiologische Umsetzung von Penroses Vorschlag war seine Zusammenarbeit mit Hameroff von entscheidender Bedeutung. Mit seinem Hintergrund als Anästhesist schlug Hameroff vor, Mikrotubuli als eine Option in Betracht zu ziehen, in denen die Reduktion von Quantenzuständen auf effektive Weise stattfinden kann, siehe z.B. Hameroff und Penrose (1996). Die jeweiligen Quantenzustände werden als kohärente Überlagerungen von Tubulin-Zuständen angenommen, die sich letztlich über viele Neuronen erstrecken. Ihr gleichzeitiger gravitationsinduzierter Kollaps wird als individueller elementarer Bewusstseinsakt interpretiert. Der vorgeschlagene Mechanismus, durch den solche Überlagerungen zustande kommen, enthält eine Reihe von Details, die noch zu bestätigen oder zu widerlegen sind.

Die Idee, sich auf Mikrotubuli zu konzentrieren, ist teilweise durch das Argument motiviert, dass besondere Orte erforderlich sind, um sicherzustellen, dass Quantenzustände lange genug leben können, um durch Gravitationseinflüsse und nicht durch Wechselwirkungen mit der warmen und feuchten Umgebung im Gehirn reduziert zu werden. Spekulative Bemerkungen darüber, wie die oben erwähnten nicht berechenbaren Aspekte der erwarteten neuen Physik in diesem Szenario von Bedeutung sein könnten^[13], finden sich in Penrose (1994, Abschnitt 7.7).

Eine einflussreiche Kritik an der Möglichkeit, dass Quantenzustände in der thermischen Umgebung des Gehirns tatsächlich lange genug überleben können, wurde von Tegmark (2000) geäußert. Er schätzt die Dekohärenzzeit von Tubulin-Überlagerungen aufgrund von Wechselwirkungen im Gehirn auf weniger als 10^-12 Sekunden. Verglichen mit typischen Zeitskalen mikrotubulärer Prozesse in der Größenordnung von Millisekunden und mehr, kommt er zu dem Schluss, dass die Lebensdauer von Tubulin-Überlagerungen viel zu kurz ist, um für neurophysiologische Prozesse in den Mikrotubuli von Bedeutung zu sein. Als Reaktion auf diese Kritik zeigten Hagan et al. (2002), dass eine korrigierte Version von Tegmarks Modell Dekohärenzzeiten von bis zu 10 bis 100 μsec ermöglicht, und es wurde argumentiert, dass dies unter bestimmten Annahmen des Szenarios von Penrose und Hameroff auf den neurophysiologisch relevanten Bereich von 10 bis 100 msec ausgedehnt werden kann.

In jüngster Zeit wurde eine neue Idee in diese Debatte eingebracht. Theoretische Studien über wechselwirkende Spins haben gezeigt, dass verschränkte Zustände in verrauschten offenen Quantensystemen bei hohen Temperaturen und weit entfernt vom thermischen Gleichgewicht aufrechterhalten werden können. In diesen Studien wird der Effekt der Dekohärenz durch einen einfachen „Rekohärenz“-Mechanismus kompensiert (Hartmann et al. 2006, Li und Paraoanu 2009). Dies deutet darauf hin, dass die Verschränkung unter bestimmten Umständen auch in heißen und verrauschten Umgebungen wie dem Gehirn fortbestehen kann.

Die Dekohärenz ist jedoch nur ein Teil der Debatte über das von Penrose und Hameroff vorgeschlagene Gesamtbild. Aus einer anderen Perspektive wurde ihr Vorschlag, Mikrotubuli als Quantencomputer zu betrachten, vor kurzem durch Arbeiten des japanischen Labors von Bandyopadhyay unterstützt, die Hinweise auf Schwingungsresonanzen und Leitfähigkeitsmerkmale in Mikrotubuli zeigten, die zu erwarten wären, wenn es sich um makroskopische Quantensysteme handeln würde (Sahu et al. 2013). Die Ergebnisse von Bandyopadhyay haben viel Aufmerksamkeit und Kommentare ausgelöst (siehe Hameroff und Penrose 2014). In einer fundierten eingehenden Analyse äußerte Pitkänen (2014) Bedenken dahingehend, dass die berichteten Ergebnisse allein möglicherweise nicht ausreichen, um den von Hameroff und Penrose vorgeschlagenen Ansatz mit all seinen Verzweigungen zu bestätigen.

In einer anderen Richtung haben Craddock et al. (2015, 2017) detailliert erörtert, wie mikrotubuläre Prozesse (anstelle von oder zusätzlich zu synaptischen Prozessen, siehe Flohr 2000) durch Anästhetika beeinflusst werden und auch für neurodegenerative Gedächtnisstörungen verantwortlich sein könnten. Da der Zusammenhang zwischen Anästhetika und Bewusstsein auf der phänomenologischen Ebene offensichtlich zu sein scheint, ist es interessant, die komplizierten Mechanismen zu kennen, durch die Anästhetika auf das Zytoskelett neuronaler Zellen wirken^[14] und welche Rolle die Quantenmechanik bei diesen Mechanismen spielt. Craddock et al. (2015, 2017) weisen auf eine Reihe möglicher Quanteneffekte hin (einschließlich des von Vitiello angesprochenen Power-Law-Verhaltens, vgl. Abschnitt 3.3), die mit den derzeit verfügbaren Technologien untersucht werden können. Neuere empirische Ergebnisse zu Quantenwechselwirkungen von Anästhetika sind Li et al. (2018) und Burdick et al. (2019) zu verdanken.

Aus philosophischer Sicht hat das Szenario von Penrose und Hameroff gelegentlich deutliche Ablehnung erfahren, siehe z.B. Grush und Churchland (1995) und die Antwort von Penrose und Hameroff (1995). Tatsächlich bündelt ihr Ansatz mehrere Rätsel auf höchster Ebene, darunter die Beziehung zwischen Geist und Materie selbst, die ultimative Vereinheitlichung aller physikalischen Interaktionen, den Ursprung der mathematischen Wahrheit und das Verständnis der Gehirndynamik über hierarchische Ebenen hinweg. Die Kombination solch tiefgreifender und faszinierender Themen bedarf sicherlich weiterer Arbeit, um sie zu untermauern, und sollte weder zu schnell gefeiert noch leichtfertig abgetan werden. Nach mehr als zwei Jahrzehnten seit seinen Anfängen kann eines mit Sicherheit behauptet werden: Der Ansatz hat wichtige innovative Forschungsarbeiten über Quanteneffekte auf das Bewusstsein inspiriert, sowohl theoretisch als auch empirisch.

4. Quantengeist

4.1 Anwendung von Quantenkonzepten auf mentale Systeme

In der Bewusstseinsforschung häufen sich heute die Hinweise darauf, dass Quantenkonzepte wie Komplementarität, Verschränkung, dispersive Zustände und nicht-boolesche Logik bei mentalen Prozessen eine wichtige Rolle spielen. Entsprechende von der Quantenphysik inspirierte Ansätze befassen sich mit rein mentalen (psychologischen) Phänomenen unter Verwendung formaler Merkmale, die auch in der Quantenphysik verwendet werden, ohne jedoch den vollständigen Rahmen der Quantenmechanik oder Quantenfeldtheorie einzubeziehen. Der Begriff „Quantenkognition“ wurde geprägt, um diesen neuen Forschungsbereich zu bezeichnen. Vielleicht wäre eine angemessenere Charakterisierung „nicht-kommutative Strukturen in der Kognition“.

Oberflächlich betrachtet scheint dies zu implizieren, dass die mit diesen mentalen Prozessen korrelierende Gehirnaktivität tatsächlich von der Quantenphysik bestimmt wird. Die in Abschnitt 3 erörterten Ansätze zum Quantengehirn stellen Versuche dar, die in diese Richtung gehen. Aber ist es notwendigerweise wahr, dass Quantenmerkmale in der Psychologie die Quantenphysik im Gehirn implizieren?

Ein formaler Ansatz zur Einbeziehung von Quantenverhalten in psychische Systeme, ohne sich auf die Quantenhirnaktivität zu beziehen, basiert auf einer Zustandsraumbeschreibung psychischer Systeme. Wenn mentale Zustände auf der Grundlage von Zellen einer neuronalen Zustandsraumpartition definiert werden, dann muss diese Partition gut zugeschnitten sein, um zu robust definierten Zuständen zu führen. Ad hoc gewählte Partitionen führen in der Regel zu inkompatiblen Beschreibungen (Atmanspacher und beim Graben 2007) und Zustände können verschränkt werden (beim Graben et al. 2013).

Dies bedeutet, dass die Quantendynamik des Gehirns nicht die einzige mögliche Erklärung für Quantenmerkmale in mentalen Systemen ist. Wenn man davon ausgeht, dass mentale Zustände aus Partitionen neuronaler Zustände in einer Weise entstehen, dass statistische neuronale Zustände mit individuellen mentalen Zuständen koextensiv sind, hängt die Art der mentalen Prozesse stark von der Art der gewählten Partition ab. Wenn die Partition nicht richtig konstruiert ist, ist es wahrscheinlich, dass mentale Zustände und Observablen Merkmale aufweisen, die dem Quantenverhalten ähneln, obwohl die korrelierte Hirnaktivität völlig klassisch ist: Quantengeist ohne Quantenhirn.

Intuitiv ist es nicht schwer zu verstehen, warum nicht-kommutative Operationen oder nicht-boolesche Logik für mentale Systeme, die nichts mit Quantenphysik zu tun haben, relevant, ja sogar unvermeidlich sein sollten. Einfach ausgedrückt bedeutet die Nicht-Kommutativität von Operationen nichts anderes, als dass die Reihenfolge, in der die Operationen angewendet werden, für das Endergebnis von Bedeutung ist. Und die nicht-boolesche Logik bezieht sich auf Aussagen, die unscharfe Wahrheitswerte jenseits von Ja oder Nein haben können, sozusagen Schattierungen von Plausibilität oder Glaubwürdigkeit. Beide Varianten sind in der Psychologie und den Kognitionswissenschaften (und im täglichen Leben) offensichtlich weit verbreitet. Pylkkänen (2015) hat sogar vorgeschlagen, diese intuitive Zugänglichkeit von mentalen Quantenmerkmalen für ein besseres konzeptionelles Verständnis der Quantenphysik zu nutzen.

Die besondere Stärke der Idee, die Quantentheorie über die Quantenphysik hinaus zu verallgemeinern, besteht darin, dass sie einen formalen Rahmen bietet, der sowohl eine transparente, klar definierte Verbindung zur konventionellen Quantenphysik herstellt als auch zur Beschreibung einer Reihe konkreter psychologischer Anwendungen mit überraschend detaillierten theoretischen und empirischen Ergebnissen verwendet wurde. Entsprechende Ansätze fallen unter die in Abschnitt 3 erwähnte dritte Kategorie: Weiterentwicklungen oder Verallgemeinerungen der Quantentheorie.

Eine Begründung für die Fokussierung auf psychologische Phänomene ist, dass deren detaillierte Untersuchung eine notwendige Voraussetzung für weitere Fragen nach ihren neuronalen Korrelaten ist. Daher widersteht die Untersuchung mentaler Quantenmerkmale der Versuchung, sie (im Rahmen von Szenario A) allzu schnell auf neuronale Aktivität zu reduzieren. Es gibt mehrere Arten von psychologischen Phänomenen, die bisher im Sinne von mentalen Quantenmerkmalen untersucht worden sind: (i) Entscheidungsprozesse, (ii) Ordnungseffekte, (iii) bistabile Wahrnehmung, (iv) Lernen, (v) semantische Netzwerke, (vi) Quanten-Agentur und (vii) Superquanten-Verschränkungskorrelationen. Diese Themen werden im folgenden Abschnitt 4.2 etwas ausführlicher behandelt.

Diese Ansätze zeichnen sich dadurch aus, dass sie zu wohldefinierten und spezifischen theoretischen Modellen mit empirischen Konsequenzen und neuartigen Vorhersagen geführt haben. Ein zweiter erwähnenswerter Punkt ist, dass es inzwischen weltweit eine Reihe von Forschergruppen (und keine Einzelkämpfer) gibt, die sich mit Quantenideen in der Kognition befassen, teilweise sogar in Kooperationen. Seit etwa einem Jahrzehnt finden regelmäßig internationale Konferenzen mit Tagungsbänden zum Austausch neuer Ergebnisse und Ideen statt, und Zielartikel, Sonderhefte und Monographien widmen sich grundlegenden Rahmenbedingungen und neuen Entwicklungen (Khrennikov 1999, Atmanspacher et al. 2002, Busemeyer und Bruza 2012, Haven und Khrennikov 2013, Wendt 2015).

4.2 Konkrete Anwendungen

Entscheidungsprozesse

Ein früher Vorläufer der Arbeiten über Entscheidungsprozesse geht auf Aerts und Aerts (1994) zurück. Die erste ausführliche Darstellung erschien jedoch in einer umfassenden Veröffentlichung von Busemeyer et al. (2006). Die Schlüsselidee besteht darin, Wahrscheinlichkeiten für Entscheidungsergebnisse und Entscheidungszeiten in Form von Quantenwahrscheinlichkeitsamplituden zu definieren. Busemeyer et al. fanden eine Übereinstimmung eines geeigneten Hilbert-Raum-Modells (und eine Nichtübereinstimmung mit einer klassischen Alternative) mit empirischen Daten. Außerdem konnten sie das seit langem bestehende Rätsel der sogenannten Konjunktions- und Disjunktionseffekte (Tversky und Shafir 1992) bei der Entscheidungsfindung klären (Pothos und Busemeyer 2009). Eine weitere Anwendung bezieht sich auf die Asymmetrie von Ähnlichkeitsurteilen (Tversky 1977), die durch Quantenansätze adäquat verstanden werden kann (siehe Aerts et al. 2011, Pothos et al. 2013).

Ordnungseffekte

Ordnungseffekte in Umfragen, Erhebungen und Fragebögen sind zwar seit langem bekannt (Schwarz und Sudman 1992), werden aber bis heute nur unzureichend verstanden. Ihre Untersuchung als kontextuelle Quantenmerkmale (Aerts und Aerts 1994, Busemeyer et al. 2011) bietet das Potenzial, viel mehr über solche Effekte zu enthüllen als die bekannte Tatsache, dass sich Antworten drastisch ändern können, wenn Fragen vertauscht werden. Atmanspacher und Römer (2012) schlugen eine vollständige Klassifizierung möglicher Ordnungseffekte vor (einschließlich Unschärferelationen und unabhängig von Hilbert-Raum-Darstellungen), und Wang et al. (2014) entdeckten eine grundlegende Kovarianzbedingung (die sogenannte QQ-Gleichung) für eine breite Klasse von Ordnungseffekten.

Ein wichtiges Thema für Ansätze des Quantengedankens ist die Komplexität oder Parsimonie von Hilbert-Raum-Modellen im Vergleich zu klassischen (Bayes’schen, Markov- usw.) Modellen. Atmanspacher und Römer (2012) sowie Busemeyer und Wang (2018) haben sich mit dieser Frage für Ordnungseffekte befasst – mit dem Ergebnis, dass Quantenansätze im Allgemeinen weniger freie Variablen benötigen als konkurrierende klassische Modelle und somit parsimonischer und stringenter sind als diese. Busemeyer und Wang (2017) untersuchten, wie die sequentielle Messung inkompatibler Observablen zu Unsicherheiten beim zweiten Messergebnis führt.

Bistabile Wahrnehmung

Die Wahrnehmung eines Reizes ist bistabil, wenn der Reiz mehrdeutig ist, wie etwa der Necker-Würfel. Dieses bistabile Verhalten wurde in Analogie zum physikalischen Quanten-Zeno-Effekt modelliert (beachten Sie, dass sich dies vom Quanten-Zeno-Effekt, wie er in Abschnitt 3.2 verwendet wird, unterscheidet.) Das daraus resultierende Necker-Zeno-Modell sagt eine quantitative Beziehung zwischen grundlegenden psychophysikalischen Zeitskalen bei bistabiler Wahrnehmung voraus, die experimentell bestätigt wurde (siehe Atmanspacher und Filk 2013 für eine Übersicht).

Darüber hinaus haben Atmanspacher und Filk (2010) gezeigt, dass das Necker-Zeno-Modell zeitliche Bell-Ungleichheiten für bestimmte unterschiedene Zustände in der bistabilen Wahrnehmung verletzt^[15]. Diese theoretische Vorhersage muss noch experimentell getestet werden und wäre ein Lackmustest für Quantenverhalten in mentalen Systemen. Solche Zustände wurden als zeitlich nichtlokal bezeichnet, da sie nicht scharf (punktuell) entlang der Zeitachse lokalisiert sind, sondern sich über ein ausgedehntes Zeitintervall (eine erweiterte Gegenwart) zu erstrecken scheinen. Innerhalb dieses Intervalls sind Relationen wie „früher“ oder „später“ illegitime Bezeichnungen, und dementsprechend sind kausale Zusammenhänge schlecht definiert.

Lernprozesse

Ein weiterer recht offensichtlicher Bereich für nicht-kommutatives Verhalten ist das Lernverhalten. In theoretischen Studien zeigten Atmanspacher und Filk (2006), dass kleine rekurrente Netze bei einfachen überwachten Lernaufgaben nicht nur die vorgeschriebene Input-Output-Relation lernen, sondern auch die Reihenfolge, in der die Inputs präsentiert wurden. Dies hat zur Folge, dass die Erkennung von Eingaben beeinträchtigt wird, wenn die Reihenfolge der Präsentation geändert wird. In sehr wenigen Ausnahmefällen mit besonderen Eigenschaften, die noch zu erforschen sind, wird diese Beeinträchtigung vermieden.

Semantische Netzwerke

Die schwierige Frage der Bedeutung in natürlichen Sprachen wird häufig anhand von semantischen Netzen untersucht. Gabora und Aerts (2002) beschrieben die Art und Weise, in der Konzepte evoziert, verwendet und kombiniert werden, um je nach Kontext Bedeutung zu erzeugen. Ihre Ideen zur Begriffsassoziation in der Evolution wurden von Gabora und Aerts (2009) weiterentwickelt. Eine besonders spannende Anwendung ist Bruza et al. (2015) zu verdanken, die ein langjähriges Dogma in der Linguistik in Frage stellten, indem sie vorschlugen, dass die Bedeutung von Begriffskombinationen (wie „Apfel-Chip“) nicht eindeutig in die Bedeutungen der kombinierten Begriffe („Apfel“ und „Chip“) zerlegt werden kann. Bruza et al. (2015) beziehen sich auf Bedeutungsbeziehungen im Sinne von Verschränkungsmerkmalen in Quantendarstellungen von Konzepten und berichteten über erste empirische Ergebnisse in dieser Richtung.

Quantenagentur

Ein Quantenansatz zum Verständnis von Fragen im Zusammenhang mit Handlungsfähigkeit, Absicht und anderen kontroversen Themen in der Philosophie des Geistes wurde von Briegel und Müller (2015) vorgeschlagen, siehe auch Müller und Briegel (2018). Dieser Vorschlag basiert auf Arbeiten zu Quantenalgorithmen für das Verstärkungslernen in neuronalen Netzen („projektive Simulation“, Paparo et al. 2012), die als eine Variante des maschinellen Quantenlernens betrachtet werden können (Wittek 2014). Im Kern geht es darum, wie Agenten Handlungsfähigkeit als eine Art Unabhängigkeit von ihrer Umwelt und den sie bestimmenden deterministischen Gesetzen entwickeln können (Briegel 2012). Das Verhalten des Agenten selbst wird als ein nicht-deterministischer Quanten-Zufallsspaziergang in seinem Speicherraum simuliert.

Superquanten-Korrelationen

Die Quantenverschränkung impliziert Korrelationen, die über die klassischen Standardkorrelationen hinausgehen (durch Verletzung der Bell’schen Ungleichungen), aber der so genannten Tsirelson-Schranke gehorchen. Diese Schranke erschöpft jedoch nicht den Bereich, in dem die Bell’schen Korrelationen grundsätzlich verletzt werden können. Popescu und Rohrlich (1994) fanden solche Korrelationen für bestimmte Quantenmessungen, und die Untersuchung solcher Superquanten-Korrelationen ist zu einem lebhaften Forschungsgebiet geworden, wie die Übersicht von Popescu (2014) zeigt.

Ein Problem bei der Bewertung von Superquanten-Korrelationen in psychischen Systemen besteht darin, echte (nicht kausale) Quantenkorrelationen von (kausalen) klassischen Korrelationen abzugrenzen, die zur Signalgebung verwendet werden können. Dzhafarov und Kujala (2013) haben eine kompakte Methode entwickelt, um dies zu tun und klassische Kontexteffekte wie Priming in mentalen Systemen zu subtrahieren, so dass echte Quantenkorrelationen übrig bleiben. Siehe Cervantes und Dzhafarov (2018) für empirische Anwendungen, und Atmanspacher und Filk (2019) für weitere Feinheiten.

5. Geist und Materie als Doppelaspekte

5.1 Kompositionelle und dekompositionelle Ansätze

Duale Ansätze betrachten geistige und materielle Bereiche der Realität als Aspekte oder Erscheinungsformen einer zugrunde liegenden Realität, in der Geist und Materie ungetrennt sind. In einem solchen Rahmen ergibt sich die Unterscheidung zwischen Geist und Materie aus der Anwendung eines grundlegenden Werkzeugs für den epistemischen Zugang zu den getrennten Bereichen und der zugrundeliegenden Realität, d. h. für die Gewinnung von Wissen über diese beiden Bereiche^[16]. Folglich wird der Status des zugrundeliegenden, psychophysisch neutralen Bereichs als ontisch relativ in Bezug auf die Unterscheidung zwischen Geist und Materie betrachtet.

Wie in Abschnitt 2 erwähnt, haben Ansätze mit zwei Aspekten eine lange Geschichte, die im Wesentlichen mit Spinoza als ausgesprochenem Protagonisten beginnt. Die wichtigsten Richtungen im 20. Jahrhundert wurden von Atmanspacher (2014) ausführlich beschrieben und verglichen. Eine wichtige Unterscheidung zwischen zwei Grundklassen des dualen Denkens ist die Art und Weise, wie der psychophysisch neutrale Bereich mit dem Mentalen und dem Physischen in Beziehung gesetzt wird. Für Russell und die Neo-Russellianer entscheiden die kompositorischen Anordnungen der psychophysisch neutralen Elemente darüber, wie sie sich in Bezug auf mentale oder physische Eigenschaften unterscheiden. Infolgedessen sind das Mentale und das Physische auf den neutralen Bereich reduzierbar. Chalmers‘ (1996, Kap. 8) Überlegungen zu „Bewusstsein und Information“ fallen in diese Kategorie. Tononis theoretischer Rahmen der „integrierten Informationstheorie“ (siehe Oizumi et al. 2014, Tononi und Koch 2015) kann als konkrete Umsetzung einer Reihe von Merkmalen von Chalmers‘ Vorschlag betrachtet werden. In dieser Arbeit sind keine Quantenstrukturen involviert.

Die andere Klasse des dualen Denkens ist eher dekompositorisch als kompositorisch. Hier ist die grundlegende Metaphysik des psychophysisch neutralen Bereichs holistisch, und das Mentale und das Physische (die weder aufeinander noch auf das Neutrale reduzierbar sind) entstehen, indem die holistische Symmetrie gebrochen wird oder, mit anderen Worten, indem Unterscheidungen getroffen werden. Dieser Rahmen orientiert sich an der Analogie zum Quantenholismus, und die vorherrschenden Versionen dieses Bildes sind quantentheoretisch inspiriert, wie sie zum Beispiel von Pauli und Jung (Jung und Pauli 1955; Meier 2001) und von Bohm und Hiley (Bohm 1990; Bohm und Hiley 1993; Hiley 2001) vorgeschlagen wurden. Sie beruhen auf Spekulationen, die den Rahmen der heutigen Quantentheorie deutlich überschreiten.

In Bohms und Hileys Ansatz spiegeln die Begriffe der impliziten und expliziten Ordnung die Unterscheidung zwischen ontischen und epistemischen Bereichen wider. Mentale und physische Zustände entstehen durch Explikation oder Entfaltung aus einer letztlich ungeteilten und psychophysisch neutralen impliziten, gefalteten Ordnung. Diese Ordnung wird Holobewegung genannt, weil sie nicht statisch, sondern dynamisch ist, wie in Whiteheads Prozessphilosophie. De Gosson und Hiley (2013) geben eine gute Einführung, wie die Holobewegung von einem formalen (algebraischen) Gesichtspunkt aus betrachtet werden kann.

Auf der Ebene der impliziten Ordnung drückt der Begriff der aktiven Information aus, dass diese Ebene in der Lage ist, die epistemisch unterschiedenen, expliziten Bereiche von Geist und Materie zu „informieren“. Es ist zu betonen, dass der übliche Begriff der Information eindeutig ein epistemischer Begriff ist. Dennoch gibt es eine ganze Reihe von dualen Ansätzen, die sich mit so etwas wie Information auf der ontischen, psychophysisch neutralen Ebene befassen.^[17] Die Verwendung eines informationsähnlichen Konzepts in einer nicht-epistemischen Weise erscheint inkonsistent, wenn man die allgemeine (syntaktische) Bedeutung von Information vom Shannon-Typ meint, die Unterscheidungen erfordert, um Partitionen zu konstruieren, die Alternativen in der Menge der gegebenen Ereignisse bieten. Die meisten informationsbasierten Dual-Aspekt-Ansätze klären ihren Informationsbegriff nicht ausreichend, so dass es leicht zu Missverständnissen kommt.

5.2 Geist-Materie-Korrelationen

Während der Vorschlag von Bohm und Hiley im Wesentlichen einen konzeptionellen Rahmen ohne weitere konkrete Details skizziert, insbesondere in Bezug auf den mentalen Bereich, bietet die Pauli-Jung-Vermutung (Atmanspacher und Fuchs 2014) zum Dual-Aspekt-Monismus etwas mehr Diskussionsstoff. Eine intuitiv ansprechende Art, ihren Ansatz darzustellen, betrachtet die Unterscheidung zwischen epistemischen und ontischen Bereichen der materiellen Realität aufgrund der Quantentheorie parallel zur Unterscheidung zwischen epistemischen und ontischen mentalen Bereichen.

Auf der physikalischen Seite bezieht sich die epistemische/ontische Unterscheidung auf die Unterscheidung zwischen einem „lokalen Realismus“ empirischer Fakten, die mit klassischen Messinstrumenten gewonnen werden, und einem „holistischen Realismus“ verschränkter Systeme (Atmanspacher und Primas 2003). Im Wesentlichen sind diese Bereiche durch den Prozess der Messung verbunden, der bisher als unabhängig von bewussten Beobachtern aufgefasst wurde. Das entsprechende Bild auf der mentalen Seite bezieht sich auf die Unterscheidung zwischen bewussten und unbewussten Bereichen^[18]. In Jungs tiefenpsychologischen Konzeptionen sind diese beiden Bereiche durch das Entstehen bewusster mentaler Zustände aus dem Unbewussten verbunden, analog zur physikalischen Messung.

In Jungs Tiefenpsychologie ist es von entscheidender Bedeutung, dass das Unbewusste eine kollektive Komponente hat, die nicht zwischen Individuen getrennt ist und von sogenannten Archetypen bevölkert wird. Sie gelten als die psychophysisch neutrale Ebene, die sowohl das kollektive Unbewusste als auch die holistische Realität der Quantentheorie umfasst. Gleichzeitig wirken sie als „ordnende Faktoren“, die für die Anordnung ihrer psychischen und physischen Manifestationen in den epistemisch unterschiedenen Bereichen von Geist und Materie verantwortlich sind. Weitere Details zu diesem Bild finden sich in Jung und Pauli (1955), Meier (2001), Atmanspacher und Primas (2009), Atmanspacher und Fach (2013) sowie Atmanspacher und Fuchs (2014).

Dieses Schema ist eindeutig mit Szenario (B) in Abschnitt 2 verwandt und kombiniert einen epistemisch dualistischen mit einem ontisch monistischen Ansatz. Korrelationen zwischen dem Mentalen und dem Physischen werden als nicht-kausal aufgefasst, wodurch die kausale Schließung des Physischen gegenüber dem Mentalen respektiert wird. Zwischen der psychophysisch neutralen, monistischen Ebene und den epistemisch unterschiedenen mentalen und materiellen Bereichen besteht jedoch eine kausale Beziehung (im Sinne einer formalen und nicht effizienten Kausalität). Im Sinne von Pauli und Jung wird diese Art von Kausalität durch die ordnende Wirkung von Archetypen im kollektiven Unbewussten ausgedrückt.

Mit anderen Worten: Dieses Szenario bietet die Möglichkeit, dass die geistigen und materiellen Manifestationen wechselseitige Korrelationen aufweisen können, da sie gemeinsam von der psychophysisch neutralen Ebene verursacht werden. Man könnte sagen, dass solche Korrelationen Überbleibsel sind, die den verlorenen Holismus der zugrunde liegenden Realität widerspiegeln. Sie sind nicht das Ergebnis einer direkten kausalen Interaktion zwischen mentalen und materiellen Bereichen. Daher eignen sie sich nicht für eine Erklärung der direkten effizienten mentalen Verursachung. Ihre Existenz würde eine psychophysikalisch neutrale Aktivität voraussetzen, die Korrelationseffekte mit sich bringt, die als mentale Verursachung physikalischer Ereignisse fehlinterpretiert würden. Unabhängig von der Quantentheorie wurde ein ähnlicher Ansatz von Velmans (2002, 2009) vorgeschlagen. Aber auch ohne mentale Verursachung ist Szenario (B) relevant für allgegenwärtige Korrelationen zwischen bewussten mentalen Zuständen und physischen Gehirnzuständen.

5.3 Weitere Entwicklungen

In der Pauli-Jung-Vermutung werden diese Korrelationen als synchronistisch bezeichnet und wurden auf psychosomatische Beziehungen ausgedehnt (Meier 1975). Eine umfassende Typologie von Geist-Materie-Korrelationen im Anschluss an Paulis und Jungs Dual-Aspekt-Monismus wurde von Atmanspacher und Fach (2013) vorgeschlagen. Sie fanden heraus, dass ein umfangreiches empirisches Material zu mehr als 2000 Fällen von sogenannten „außergewöhnlichen Erfahrungen“ nach ihrer Abweichung vom konventionellen Realitätsmodell eines Subjekts und von den konventionellen Beziehungen zwischen seinen Komponenten klassifiziert werden kann (siehe Atmanspacher und Fach 2019 für weitere Details). Synchronistische Ereignisse im Sinne von Pauli und Jung erscheinen als ein Spezialfall solcher relationaler Abweichungen.

Eine wesentliche Bedingung für synchrone Korrelationen ist, dass sie für diejenigen, die sie erleben, bedeutungsvoll sind. Es ist verlockend, die Verwendung des Begriffs „Bedeutung“ als Versuch zu interpretieren, semantische Informationen als Alternative zu syntaktischen Informationen einzuführen, wie oben beschrieben (man beachte die Parallele zu aktiver Information wie im Ansatz von Bohm und Hiley.) Obwohl dies schwierige Probleme in Bezug auf eine eindeutige Definition und Operationalisierung mit sich bringt, könnte etwas, das der Bedeutung sowohl explizit als auch implizit ähnelt, eine relevante Informationswährung für Geist-Materie-Beziehungen im Rahmen des dekompositionellen dualen Denkens sein (Atmanspacher 2014).

Primas (2003, 2009, 2017) schlug einen dualen Ansatz vor, bei dem die Unterscheidung zwischen mentalen und materiellen Bereichen aus der Unterscheidung zwischen zwei verschiedenen Zeitmodi resultiert: gespannte (mentale) Zeit, einschließlich des Nichtwissens, auf der einen Seite und spannungslose (physikalische) Zeit, die als externer Parameter betrachtet wird, auf der anderen Seite (siehe die Einträge über Zeit und über Sein und Werden in der modernen Physik). Betrachtet man diese beiden Zeitkonzepte als durch einen Symmetriebruch einer zeitlosen, psychophysisch neutralen Realitätsebene impliziert, so stellt Primas die gespannte Zeit des mentalen Bereichs als quantenkorreliert mit dem Parameter Zeit der Physik über „Zeitverschränkung“ vor. Dieses Szenario wurde in einem Hilbert-Raum-Rahmen mit geeigneten Zeitoperatoren formuliert (Primas 2009, 2017), so dass es einen formal ausgearbeiteten Dual-Aspekt-Quantenrahmen für grundlegende Aspekte des Geist-Materie-Problems bietet. Es zeigt eine gewisse Konvergenz mit der Idee zeitlich nichtlokaler mentaler Zustände, wie sie in Abschnitt 4.2 behandelt wird.

Wie in Abschnitt 3.2 angedeutet, enthält auch der Ansatz von Stapp Elemente des Dual-Aspekt-Denkens, obwohl dies von seinem Autor nicht besonders betont wird. Die im vorliegenden Abschnitt diskutierten dualen Quantenansätze konzentrieren sich eher auf die Frage einer verallgemeinerten Geist-Materie-„Verschränkung“ als auf die Zustandsreduktion. Hier geht es in erster Linie darum, Korrelationen zwischen mentalen und materiellen Bereichen zu verstehen und nicht um direkte kausal wirksame Wechselwirkungen zwischen ihnen.

Ein letztes Problem von Dual-Aspekt-Ansätzen im Allgemeinen bezieht sich auf das Problem des Panpsychismus bzw. Panexperientialismus (siehe die Rezension von Skrbina 2003 und den Eintrag über Panpsychismus). Im Grenzfall einer universellen Symmetriebrechung auf der psychophysisch neutralen Ebene hat jedes System sowohl einen mentalen als auch einen materiellen Aspekt. In einer solchen Situation ist es wichtig, „Mentalität“ viel allgemeiner zu verstehen als „Bewusstsein“. Unbewusste oder proto-mentale Akte im Gegensatz zu bewussten mentalen Akten sind Begriffe, die manchmal verwendet werden, um diesen Unterschied zu unterstreichen. Der Sonderfall des menschlichen Bewusstseins im mentalen Bereich kann als ebenso speziell angesehen werden wie sein materielles Korrelat, das Gehirn, im materiellen Bereich.

6. Schlußfolgerungen

Die historische Motivation für die Erforschung der Quantentheorie zum Verständnis des Bewusstseins ergab sich aus der Erkenntnis, dass kollabierende Quantenereignisse ein Element des Zufalls einführen, das primär (ontisch) und nicht auf Unwissenheit oder fehlende Informationen (epistemisch) zurückzuführen ist. Ansätze wie die von Stapp sowie von Beck und Eccles betonen dies (auf unterschiedliche Weise) insofern, als die ontische Zufälligkeit von Quantenereignissen Raum für mentale Verursachung bietet, d. h. die Möglichkeit, dass bewusste mentale Handlungen das Gehirnverhalten beeinflussen können. Der Ansatz von Penrose und Hameroff konzentriert sich ebenfalls auf den Zustandskollaps, allerdings mit einer deutlichen Verschiebung von der mentalen Verursachung zur Nicht-Berechenbarkeit von (bestimmten) bewussten Handlungen.

Jede Diskussion über Zustandskollaps oder Zustandsreduktion (z. B. durch Messung) bezieht sich, zumindest implizit, auf Überlagerungszustände, da dies die Zustände sind, die reduziert werden. Da verschränkte Systeme in einer Quantensuperposition verbleiben, solange keine Messung stattgefunden hat, wird die Verschränkung immer mitbehandelt, wenn von Zustandsreduktion die Rede ist. Im Gegensatz dazu verwenden einige der dualen Quantenansätze das Thema der Verschränkung anders und unabhängig von der Zustandsreduktion. Inspiriert von und analog zu verschränkungsinduzierten nichtlokalen Korrelationen in der Quantenphysik wird die Geist-Materie-Verschränkung als hypothetischer Ursprung von Geist-Materie-Korrelationen konzipiert. Dies zeigt das hochspekulative Bild einer grundlegend holistischen, psychophysikalisch neutralen Realitätsebene, aus der korrelierte mentale und materielle Bereiche hervorgehen.

Jedes der in diesem Überblick diskutierten Beispiele hat sowohl vielversprechende als auch problematische Aspekte. Der Ansatz von Beck und Eccles ist am detailliertesten und konkretesten, was die Anwendung der Standard-Quantenmechanik auf den Prozess der Exozytose betrifft. Er löst jedoch nicht das Problem, wie die Aktivität einzelner Synapsen in die Dynamik neuronaler Verbände eingeht, und lässt die geistige Verursachung von Quantenprozessen als bloße Behauptung stehen. Stapps Ansatz schlägt eine radikal erweiterte ontologische Basis sowohl für den mentalen Bereich als auch für den Status quo der Quantentheorie als Theorie der Materie vor, ohne den Formalismus der Quantentheorie wesentlich zu verändern. Obwohl er mit einem anregenden philosophischen und psychologischen Hintergrund verbunden ist, fehlt ihm noch die empirische Bestätigung. Der Vorschlag von Penrose und Hameroff geht weit über den Bereich der gegenwärtigen Quantentheorie hinaus und ist das spekulativste der diskutierten Beispiele. Es ist nicht leicht zu erkennen, wie das Bild als Ganzes formal ausgearbeitet und empirisch überprüft werden kann.

Der von Umezawa initiierte Ansatz ist in den Rahmen der Quantenfeldtheorie eingebettet, die breiter anwendbar und formal anspruchsvoller ist als die Standard-Quantenmechanik. Er wird verwendet, um die Entstehung klassischer Aktivität in neuronalen Verbänden auf der Grundlage von Symmetriebrüchen in einem quantenfeldtheoretischen Rahmen zu beschreiben. Eine klare konzeptionelle Unterscheidung zwischen Gehirnzuständen und mentalen Zuständen hat oft gefehlt. Ihre Beziehung zu mentalen Zuständen wurde kürzlich im Rahmen eines Dual-Aspekt-Ansatzes aufgezeigt.

Die Dual-Aspekt-Ansätze von Pauli und Jung sowie von Bohm und Hiley sind konzeptionell transparenter und vielversprechender. Obwohl es inzwischen eine Vielzahl empirisch belegter Korrelationen zwischen Geist und Materie gibt, die die Pauli-Jung-Vermutung stützen, fehlt ihr bisher eine detaillierte formale Grundlage. Die Arbeit von Hiley bietet einen algebraischen Rahmen, der zu theoretischen Fortschritten führen könnte. Ein neuartiger Quantenvorschlag von Primas, der auf der Unterscheidung zwischen gespannter mentaler Zeit und spannungsloser physikalischer Zeit beruht, stellt einen bedeutenden Fortschritt dar, insbesondere was einen konsistenten formalen Rahmen betrifft.

Die vielleicht beste Zukunftsprognose unter den in dieser Übersicht beschriebenen Beispielen, zumindest auf absehbaren Zeitskalen, hat die Untersuchung von mentalen Quantenmerkmalen, ohne sich von vornherein auf die damit verbundene Hirnaktivität zu konzentrieren. Es gibt eine Reihe von entsprechenden Ansätzen, die konkrete Modelle für konkrete Situationen beinhalten und zu erfolgreichen empirischen Tests und weiteren Vorhersagen geführt haben. Eine kohärente Theorie, die hinter den einzelnen Modellen steht und die verschiedenen Arten von Ansätzen miteinander in Beziehung setzt, ist hingegen noch nicht im Detail geklärt. Für die wissenschaftliche Praxis besonders vielversprechend ist die sichtbare Bildung einer wissenschaftlichen Gemeinschaft mit Konferenzen, gegenseitigen Kooperationen und einer erkennbaren Anziehungskraft für junge Wissenschaftler.

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Danksagungen

Wir danken Guido Bacciagaluppi, Thomas Filk, Hans Flohr, Stuart Hameroff, Hans Primas, Stefan Rotter, Henry Stapp, Giuseppe Vitiello und Max Velmans für ihre anregenden Diskussionen zu zahlreichen in dieser Arbeit behandelten Themen.