Synergetik als Schlüssel zum Gehirn

(nach Haken/Haken-Krell: Erfolgsgeheimnisse der Wahrnehmung)

1. Denken als Selbstorganisationsprozeß

1.1. Die Selbstorganisationsprozesse der unbelebten Materie haben verblüffende Ähnlichkeiten mit Wahrnehmungsprozessen unseres Gehirns.

So wie bei einer allmählichen Veränderung einer Temperaturdifferenz als Kontrollparameter in einer Flüssigkeit ab einer bestimmten Größe turbulente Bewegungen entstehen, die dann schnell zur Selbstorganisation der Benardzellen führen, die durch einen Ordnungsparameter beschrieben werden können, so kann man bei nicht eindeutigen Wahrnehmungen sogenannter Kippbilder ein Umschlagen der Wahrnehmungsinhalte durch Selbstorganisation des Wahrnehmungsbildes feststellen. Der diesen Bildern zuzuschreibende Ordnungsparameter kann zwei unterschiedliche stabile Werte annehmen, zwischen denen er mit einer gewissen Hystereseschleife wechselt.

1.2. Die Gehirnströme im Ruhezustand fluktuieren ganz unregelmäßig. Das Gehirn befindet sich damit in einem Instabilitätspunkt, von dem aus bei bestimmten Anregungen gezielte Aktivitäten in die verschiedensten Richtungen ausgehen können, wie dies bei vielen von der Synergetik untersuchten Selbstorganisationsprozessen typisch ist.

1.3. Die Ergänzung unvollständiger Wahrnehmungen zu einem bekannten Bild ist ein immer wieder auftretender Prozeß der Selbstorganisation, auf dem Erkennen und Erkenntnis ganz wesentlich beruht und der als Grundlage aller Denkprozesse angesehen werden muß.

 

2. Das Gehirn - das materielle Substrat des Denkens

2.1. Neuronen sind einzelne Nervenzellen, die Informationen in Form von elektrischen Impulsen weiterleiten können. Das Prinzip ist bei allen bekannten Tierarten und bei allen Arten von Informationen stets das gleiche und besteht darin, daß durch Pumpvorgänge elektrisch geladene Ionen aus der Nervenfaser nach außen transportiert werden, wodurch ein elektrisches Feld entsteht, das sich längs der Nervenfaser ausbreitet. Das menschliche Gehirn besteht aus 10^11 Neuronen und hat eine Informationskapazität von 10^10 Bit. An den Enden der Nervenbahnen wird die Erregung in den Synapsen durch chemische Trägersubstanzen an die nächste Nervenzelle weitergereicht oder deren Erregung gehemmt.

2.2. Das Gehirn unterteilt sich in einzelne Bereiche, in denen unterschiedliche Wahrnehmungs- bzw. motorische Leistungen erbracht werden. Der über die Sinnesorgane einlaufende Informationsstrom von 10^9 bis 10^11 bit/s wird in den sensorischen Bereichen gefiltert und, gesteuert von der Aufmerksamkeit, im Umfang von 15 bis 20 bit/s in das vom Bewußtsein beherrschte Kurzzeitgedächtnis eingespeichert, in dem etwa 180 bis 200 Bit für 10 bis 20 s verbleiben. Aus dem Kurzzeitgedächtnis werden etwa 0,3 bis 1bit/s in den mittelfristigen Speicher übernommen, der bei einer Kapazität von 10^3 bis 10^4 Bit diese Information über Stunden aufbewahrt. Aus dem mittelfristigen Speicher können etwa 0,03 bis 0,1 bit/s in das Langzeitgedächtnis eingespeichert werden.

2.3. Die kurzfristige Informationsspeicherung erfolgt durch Erregung kreisförmig verschalteter Neuronen, in denen bei länger kreisender Erregung die abgegebene Menge der Trägersubstanzen der aktiven Synapsen ansteigt, so daß der Erregungsstrom längere Zeit erhalten bleibt. Für das Langzeitgedächtnis aber sind biochemische Prozesse verantwortlich, deren genaue Struktur noch nicht bekannt ist, die aber wahrscheinlich darin bestehen, daß bestimmte Synapsenverschaltungen chemisch stabilisiert werden (verfilzen). Umgekehrt degenerieren lange Zeit nicht benutzte Synapsenverbindungen.

2.4. Die Netzhaut des Auges ist bereits ein Teil des Gehirns, in dem die von den Sehzellen gelieferten Informationen differenziert und gegeneinander geschaltet werden, so daß Kontraste verstärkt und Helligkeitsunterschiede ausgeglichen werden. Die Sehnerven liefern nur solche bereits vorverarbeitete Information an das Gehirn, wobei aber das Sehfeld der Netzhaut isomorph, aber nicht maßstabsgerecht in die primäre Sehrinde des Gehirns projiziert wird. Auf dem Wege ins Gehirn werden die Sehnerven derart gekreuzt und verteilt, daß die Information der rechten Gesichtshälfte beider Augen jeweils auf die gleiche Stelle der linken Gehirnhälfte und die Information der linken Gesichtshälfte in die rechte Gehirnhälfte gelangen.

2.5. In den verschiedenen Schichten der Sehrinde findet in spezialisierten Nervenzellen eine Weiterverarbeitung der Informationen aus benachbarten Zellen der primären Sehrinde statt, in deren Folge Hell – Dunkel - Grenzen in den verschiedenen Richtungen und Bewegungen in verschiedenen Richtungen erkannt werden, wobei auch die unterschiedlichen Informationen beider Augen ausgewertet werden. In einer weiteren Stufe der Informationsverflechtung kommt es dann zur Erkennung bestimmter komplizierterer Muster.

2.6. Farbsehen kommt durch die Erregung der Sehzäpfchen mit unterschiedlicher Empfindlichkeit für blaues, grünes und rotes Licht zustande. Die subjektive Farbempfindung ist durch Farbton (Anteil der drei Farben), Farbsättigung (Grauanteil) und Helligkeit bestimmt. Blau - grün und blau - rot werden als Zwischentöne wahrgenommen, während rot + grün die Farbe gelb ergibt. Dies kommt dadurch zustande, daß bereits in der Netzhaut in "Gegenzellen" die Farbe rot gegen die Farbe grün und die Farbe blau gegen Gelb (rot + grün) geschaltet werden und die kombinierten Signale erst in der Sehrinde in "Doppelgegenzellen" ausgewertet werden.

2.7. Normalerweise ist die Stärke der Erregung einer Nervenzelle durch die Frequenzfolge der Nervenimpulse charakterisiert, wobei die Phasenlage statistisch unbestimmt ist. Es ist ein noch nicht geklärtes Phänomen, wie eine Kopplung der Phasenlage der Nervenimpulse ziemlich weit voneinander entfernter Nervenzellen zustande kommt. Spekulativ wird dieser Kopplungsmechanismus als eine Erklärungsgrundlage für das Bewußtsein angesehen.

 

3. Wahrnehmung und Erkennung von Mustern

3.1. Bei der Wahrnehmung komplizierter Muster werden die von den Sinneszellen gelieferten Informationssignale in komplexen Nervenzellen spezifisch so auf- und gegeneinander geschaltet, bis das komplizierte Muster in typische Einzelmuster zerlegt ist, deren Typmerkmale nicht mehr von ihrer Ausrichtung, Bewegungsrichtung und Größe abhängen. Das komplexe Muster ist dann durch eine gewisse Menge gleichzeitig erregter und miteinander verschalteter Nervenzellen charakterisiert, deren Synapsenverbindungen bei längerer Aufrechterhaltung des Erregungszustandes durch Selbstorganisation stabilisiert werden. Das so entstehende Erregungsmuster bildet dann einen stabilen Punkt der synergetischen Ordnungsparameter.

3.2. Bei der Wiedererkennung solcher Muster werden die zunächst unabhängig aus den Sinnesinformationen entstehenden Muster in die ihnen jeweils am ähnlichsten Ordnungsparameter hineingezogen, bis eine Übereinstimmung in einer Mindestmenge von typischen Einzelmustern vorliegt und die eventuell fehlenden zugehörigen Einzelmuster ergänzt werden können. Damit ist das betreffende komplexe Muster erkannt und die Aufmerksamkeit wendet sich von ihm ab. Das bedeutet, daß weitere komplexe Muster mit anderen Ordnungsparametern daraufhin getestet werden, inwieweit sie eine andere Interpretation des Wahrnehmungsinhaltes erlauben (Kippbild) oder es werden andere Teilmengen der angebotenen Sinnesinformationen analysiert und mit den ursprünglichen zu neuen Szenarien zusammengesetzt (Erkennung von Personen- oder Gegenstandsgruppen in spezifischen Umgebungen).

3.3. Mustererkennungsprozesse der vorgenannten Art können weitgehend auf synergetischen Computern simuliert werden. Dabei werden die die typischen Einzelmuster charakterisierenden Eingangsinformationen über eine Kopplungsmatrix mit Gewichtsfunktionen an eine Menge von Speicherzellen übertragen, die diese Informationen aufsummieren. Diese Speicherzellen konkurrieren als Ordnungsparameter miteinander, wobei die Zelle mit der größten Summe das Übergewicht erhält. Von dieser ausgehend wird über eine zweite Kopplungsmatrix die Ausgangsinformation gebildet, die die früher gelernte, die momentan angebotene Eingangsinformation übersteigende Informationsmenge enthält.

2.3.4. Im Gehirn gehen bei der Ergänzung der Eingangsinformationen durch Gedächtnisinhalte auch Emotionen ein, die von Psychologen analysiert werden können.

3.5. Obwohl Haken betont, daß die Analyse der Gehirntätigkeit zeigt, daß solche Gedankenprozesse auch auf ganz anderen Substraten als auf Neuronen ablaufen können, wie Computersimulationen beweisen, will er sich nicht mit einer materialistischen Interpretation identifizieren, die da lauten würde: Hier sehen wir ganz deutlich, daß geistige Leistungen nichts anderes als emergente Eigenschaften der Materie sind.

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