Folien zur Höllerer-Vorlesung 2011
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Konflikte zwischen Intuition und neurobiologischer Evidenz. Wolf Singer MPI für Hirnforschung Frankfurt Institute of Advanced Studies Ernst Strüngmann Institut für Hirnforschung Berlin, Höllerer Vorlesung, 2011 Die Behauptungen der Neurobiologie • Alles Wissen eines Menschen residiert in der funktionellen Architektur des Gehirns Die Behauptungen der Neurobiologie • Alles Wissen eines Menschen residiert in der funktionellen Architektur des Gehirns • Die Regeln, nach denen dieses Wissen erworben, verhandelt und angewandt wird, residieren ebenfalls in dieser funktionellen Architektur Die Behauptungen der Neurobiologie • Alles Wissen eines Menschen residiert in der funktionellen Architektur des Gehirns • Die Regeln, nach denen dieses Wissen erworben, verhandelt und angewandt wird, residieren ebenfalls in dieser funktionellen Architektur • Alle, auch die höchsten mentalen Funktionen, beruhen auf neuronalen Prozessen Die Behauptungen der Neurobiologie • Alles Wissen eines Menschen residiert in der funktionellen Architektur des Gehirns • Die Regeln, nach denen dieses Wissen erworben, verhandelt und angewandt wird, residieren ebenfalls in dieser funktionellen Architektur • Alle, auch die höchsten mentalen Funktionen, beruhen auf neuronalen Prozessen • Neuronale Prozesse gehorchen den Naturgesetzen Eine plausible, wenn auch epistemisch zirkuläre Vermutung • Wir können nur erkennen, erdenken, uns vorstellen, was die kognitiven Leistungen unserer Gehirne zu fassen erlauben Eine plausible, wenn auch epistemisch zirkuläre Vermutung • Wir können nur erkennen, erdenken, uns vorstellen, was die kognitiven Leistungen unserer Gehirne zu fassen erlauben • Diese kognitiven Leistungen verdanken sich evolutionärer Anpassung an jene Bedingungen der mesoskopischen Welt, die für Überleben wichtig sind Eine plausible, wenn auch epistemisch zirkuläre Vermutung • Wir können nur erkennen, erdenken, uns vorstellen, was die kognitiven Leistungen unserer Gehirne zu fassen erlauben • Diese kognitiven Leistungen verdanken sich evolutionärer Anpassung an jene Bedingungen der mesoskopischen Welt, die für Überleben wichtig sind • Dies ist, soweit wir wissen, ein winziger Ausschnitt der Welt Eine plausible, wenn auch epistemisch zirkuläre Vermutung • Wir können nur erkennen, erdenken, uns vorstellen, was die kognitiven Leistungen unserer Gehirne zu fassen erlauben • Diese kognitiven Leistungen verdanken sich evolutionärer Anpassung an jene Bedingungen der mesoskopischen Welt, die für Überleben wichtig sind • Dies ist, soweit wir wissen, ein winziger Ausschnitt der Welt • Folglich müssen unsere kognitiven Leistungen begrenzt und eklektisch sein – vielleicht auch unsere Denkstrukturen! Implikationen der Hirnforschung für klassische philosophische Fragestellungen Epistemologie (Die Frage nach der Natur von Erkenntnis) Das Leib-Seele Problem Die Konstitution des intentionalen Ich Freier Wille Wahrnehmung aus der Sicht der Hirnforschung Wahrnehmen ist ein aktiver, konstruktiver Prozess. Eine wissensbasierte Interpretation von Sinnessignalen. Die Konstruktion des Wahrgenommenen erfordert Vorwissen Dieses Wissen und die Regeln nach denen Vorwissen mit Sinnessignalen verrechnet wird bestimmen, was und wie wir wahrnehmen. Woher wissen wir, was wir wissen und woher kommen die Regeln, nach denen wir dieses Wissen verarbeiten? Diese Frage reduziert sich auf die Frage nach den Determinanten der funktionellen Architektur. Drei Prozesse bestimmen die funktionelle Architektur des Gehirns Drei Prozesse bestimmen die funktionelle Architektur des Gehirns • Die Evolution ( Quelle genetisch tradierten Wissens) implizites Wissen Drei Prozesse bestimmen die funktionelle Architektur des Gehirns • Die Evolution ( Quelle genetisch tradierten Wissens) implizites Wissen • Erfahrungsabhängige Entwicklung (epigenetisch) implizites Wissen Drei Prozesse bestimmen die funktionelle Architektur des Gehirns • Die Evolution ( Quelle genetisch tradierten Wissens) implizites Wissen • Erfahrungsabhängige Entwicklung (epigenetisch) implizites Wissen • Lebenslange Lernprozesse explizites Wissen Die funktionelle Architektur des Gehirns ist somit durch genetische und epigenetische Faktoren festgelegt. Die Unterscheidung zwischen den beiden Determinanten ist oft schwierig Die molekularen Bausteine der Nervenzellen und die Mechanismen der Signalübertragung haben sich unverändert erhalten Von der Schnecke Bis zur Hirnrinde Die Großhirnrinde, die letzte bahnbrechende „Erfindung“ der Evolution Mehr vom Gleichen macht den großen Unterschied Angepaßte Verarbeitungsstrategien werden konserviert Sie determinieren: Sensorische Kategorien Objektdefinitionen Lernregeln Regeln logischen Schließens Aesthetische Kriterien (Vieles davon teilen wir mit Tieren) Was macht ein Objekt aus? Antworten fand die Gestaltpsychologie Aber Gültig sind diese Regeln nur für die mesoskopische Welt, in der sich Leben manifestiert Die jeweils plausibelsten Lösungen werden wahrgenommen Beispiele für die Mächtigkeit impliziten a priori Wissens Die in der funktionellen Architektur gespeicherten Erwartungen bestimmen unsere Wahrnehmungen Was wir wahrnehmen hängt von Annahmen ab, von deren Existenz wir meist nichts wissen! ( Implizites Wissen) Deshalb lassen wir uns auf keine relativierenden Diskussionen ein! Gilt vermutlich für unser Urteilsvermögen im Allgemeinen A und B sind gleich hell Der Schatten wird berücksichtigt A und B sind gleich hell Der Schatten wird berücksichtigt Wie wir wahrnehmen wird auch durch Wissen bestimmt, das wir durch frühe Prägung erworben haben Wie das evolutionäre Vorwissen ist auch dieses Wissen implizit! Wir wissen nicht, daß wir es haben! Trotz nahezu unveränderter genetischer Anlagen unterscheiden sich unsere Gehirne nachhaltig von denen unserer Höhlen bewohnenden Vorfahren Der Grund: Epigenetische Prägung Anders als das evolutionär erworbene Wissen ist Erfahrungswissen kulturspezifisch Menschen aus unterschiedlichen Kulturen nehmen soziale Realitäten verschieden wahr, aber jeder erlebt das Wahrgenommene als wahr Bei der Wahrnehmung sozialer Realitäten gibt es keine Möglichkeit, zwischen wahr und falsch zu unterscheiden, da die „ Dritte – Person- Perspektive“ fehlt Diese Erkenntnis erfordert eine Erweiterung unseres Verständnisses von Toleranz Wie konstituieren sich unsere Wahrnehmungen im Gehirn? Gibt es einen verortbaren Beobachter? Unsere Intuitionen über die Organisation unserer Gehirne widersprechen neurobiologischen Erkenntnissen Introspektion und Beobachtung des Gegenüber legen nahe Im Gehirn regiert eine zentrale autonome Instanz Unser Ich Sie bewertet, nimmt wahr, entscheidet, koordiniert, initiiert, ist kreativ. Fast alle abendländischen Denktraditionen fordern ein Konvergenzzentrum, ob dualistische oder monistische. Die wissenschaftliche Sicht: Das Gehirn, ein distributives, sich selbst organisierendes System mit nichtlinearer Dynamik. . Es gibt keine übergeordnete Instanz Keinen Beobachter Keinen Beweger Keinen Entscheider Hirnrinden-Areale weisen eine sehr ähnliche interne Verschaltung auf, arbeiten folglich nach gleichen Prinzipien, aber wenden diese auf unterschiedliche Informationen an Motorik Körperschema Aufmerksamkeit Planen Moral Raum Sprache Hören Sehen Objektidentifikation Verbindungsarchitektur visueller und motorischer Rindenareale von Primaten From Hilgetag and Kaiser Die Verbindungsarchitektur des Gehirns ähnelt der von „Small World Networks“ Internet, Soziale Systeme, Flugrouten-Netze Ein Kompromiss zwischen 3 Strategien: Jeder mit jedem – nur Nachbarn – randomisiert Vorteil: Kürzeste Wege zwischen beliebigen Orten Verbindungen zwischen funktionellen Domänen der Hirnrinde. Muresan et al. 2008 Da es im Gehirn kein singuläres, übergeordnetes Zentrum gibt Wie entstehen kohärente Wahrnehmungen? Wo und wie wird entschieden? Wie werden koordinierte Aktionen geplant, initiiert und ausgeführt? Wie konstituiert sich das wollende „ Ich“? Neuronen auf frühen Verarbeitungsstufen reagieren auf elementare Merkmale Neuronen in frühen Verarbeitungsstufen kodieren einfache Merkmale: z.B. die Orientierung einer Kontur Reaktion Keine Reaktion Neuronen auf höheren Verarbeitungsstufen reagieren auf komplexe Konstellationen elementarer Merkmale Neuronen auf höheren Verarbeitungsstufen reagieren auf Kombinationen von einfachen Merkmalen Die Struktur sensorischer Repräsentationen Punkte:Einzelne Areale Linien:Verbindungsbahnen Emotionale Bewertung Tasten Hören Sehen Die zentrale Frage. Wie wird gebunden was zusammengehört (z.B. die Attribute eines Objektes) Und Wie wird getrennt gehalten, was semantisch unverbunden? Welche Flächen gehören zum Hintergrund, welche zu den Figuren? Um Inhalte durch dynamisch konfigurierte Ensembles zu repräsentieren müssen Neuronen zwei unterschiedliche Informationen vermitteln. • 1) Ob das Merkmal, für das sie kodieren, vorhanden ist. • 2.) Mit welchen anderen Neuronen sie sich jeweils verbunden haben, um einen komplexen Inhalt zu repräsentieren. Die Hypothese Aktivitätszunahme signalisiert das Vorhandensein elementarer Merkmale. Synchronisation der Entladungen signalisiert welche Neurone jeweils kooperieren. Der Mechanismus Synchronisierte Aktivität verstärkt die Kopplung zwischen Neuronen. Sie definiert damit Relationen und etabliert Bindungen zwischen räumlich verteilten Neuronen. Komplementarität von Ratenzunahme und Synchronisierung Experimentelle Hinweise für die Bindungsfunktion der Synchronizität Synchrone oszillatorische Aktivität von Neuronengruppen in der Sehrinde Feldpotentiale Zellentladungen Räumlich getrennte Neuronengruppen können synchron oszillieren Doppelableitung Reizbedingung Korrelationsmuster Eine von vielen Voraussagen Die Synchronisationswahrscheinlichkeit sollte die Gestaltkriterien perzeptuellen Gruppierens widerspiegeln Das Gestaltkriterium der Kontinuität und des gemeinsamen Schicksals Elemente werden zu einem Objekt vereint, wenn sie verbunden sind und sich gleichförmig bewegen Kohärente Reizung: Synchronisation Inkohärente Reizung: Keine Synchronisation Welche Konturelemente gehören zu den Pferden? Neuronen,die das gleiche Objekt repräsentieren, entladen synchron a und b synchron c und d synchron a b c d b und c asynchron Also folgt: Repräsentationen bestehen aus Assemblies aus einer ad hoc gebundenen Gruppe weit verteilter Neuronen, von denen jedes einzelne nur Teilaspekte des zu repräsentierenden Inhaltes kodiert Dies gilt für alle Prozesse Also: Alle Wahrnehmungen, Wertungen, Entscheidungen und Aktionen beruhen auf komplexen raum - zeitlichen Erregungsmustern, an denen sich jeweils Myriaden, oft weit verteilter Neuronen beteiligen Polymodale Wahrnehmungen, Entscheidungen etc. beruhen auf transienten, synchronen Aktivitätsmustern Tasten Bei bestimmten Erkrankungen (Schizophrenie, Autismus, Alzheimer) sind die Mechanismen gestört, die synchrone Oszillationen ermöglichen. Hören Dies erklärt viele der kognitiven Störungen und ermöglicht nun die Sehen gezielte Suche nach Ursachen Gestörte Bindungsfunktionen bei der Schizophrenie? Hinweise: Gestörte Merkmalsbindung Gestörtes Arbeitsgedächtnis Die Hypothese: Gestörte Synchronisation von Gamma Oszillationen? Gestaltwahrnehmung und Synchronizität bei schizophrenen Patienten. Quellenlokalisation von Gamma Oszillationen Gestörte Gamma Oszillationen in Schizophrenen Patienten Controls Patients Time (sec) Reduzierte Phasen Synchronisierung Correlation with symptoms Positive .48* Delusions .51* Hallucinations .55** p < .005 J. Neuroscience, 2006 Topographie der Phasensynchronisation 0-100 ms Gesunde Patienten Differenz 100-200 ms 200-300 ms 300-400 ms Schlussfolgerung Die dissoziativen Störungen kognitiver Leistungen bei schizophrenen Patienten könnten auf gestörten Bindungsfunktionen beruhen Altersabhängigkeit der Erstmanifestation der Schizophrenie men women age Späte Reifung der Gamma Oszillationen 5 3 3 2 3 3 1 2 2 4 PNAS, 2009 Transienter Zusammenbruch der Phasen Synchronizität Adult Late childhood Late adolescence PNAS, 2009 Adoleszenz: Eine kritische Entwicklungsphase Synchrone Oszillationen werden stärker und präziser ABER -- Netzwerke destabilisieren --Synchronisation bricht dabei vorübergehend zusammen --Übergang von globalen zu fokalen Netzwerken Freud´s „second chance“? Wie weiß das Gehirn, dass es ein stimmiges Ergebnis erzielt hat ? Hierfür gibt es verteilte Subsysteme, die globale Systemzustände beurteilen. Diese bedürfen keines „Fachwissens“. Sie beenden Suchprozesse und erlauben Lernvorgänge. Das limbische System Die Bewertungssysteme sind distributiv organisiert Schlußfolgerungen Komplexe Systeme mit nichtlinearer Dynamik kommen ohne zentrale Steuerungsinstanz aus. Effizienz, Robustheit und Fehlertoleranz verdanken sich Selbstorganisationsprozessen. Diese bedürfen „intelligenter“ Architekturen und zentraler Bewertungssysteme. Das Problem der Willensfreiheit Auch hier täuscht uns die Intuition! Der je nächste Zustand eines sich selbst organisierenden Systems ist vollständig durch den unmittelbar vorangehenden determiniert Die Konstituierung einer Entscheidung folgt den gleichen Prinzipien wie die Konstituierung der Repräsentation einer Wahrnehmung Es muss sich das stabilste, an Widersprüchen ärmste Ensemble ausbilden Nur selten sind zwei Ergebnisse gleichwahrscheinlich und es . entscheiden zufällige Fluktuationen In der Regel ist der je folgende Zustand des Gehirns durch den vorangehenden determiniert. Dennoch ist die zukünftige Entwicklung nicht festgelegt. Der Grund: Nichtlineare Dynamik des Gehirns. Was meinen wir eigentlich mit Freiheit? Dass wir, als wir entschieden, auch anders hätten entscheiden können? ODER Dass wir Anderes hätten wollen können ODER Dass wir Handlungsspielraum haben? Wäre dann Freiheit ein graduelles Phänomen? Frei wovon? Äusseren Zwängen (Befehlsnotstand,Bedrohungen) Inneren Zwängen (Triebe,Süchte,Traumata) Welche Entscheidungen werden als freie empfunden? Solche, die auf bewußter Deliberation aller relevanten Variablen beruhen und Argumenten zugänglich sind Aber: Auch die bewußte Deliberation beruht auf neuronalen Prozessen Argumente, moralische Bedenken und frühere Erfahrungen beeinflussen als neuronale Erregungsmuster die Entscheidungsprozesse Auch die Regeln für die Deliberation residieren in der funktionellen Architektur des Gehirns Folglich sind auch bewußte Entscheidungen determiniert von: Evolution(Gene) Entwicklung(Prägung) Lernen Zu welchem Ergebnis der Entscheidungsprozess konvergiert hängt nicht nur von den bewußten Argumenten sondern auch von einer Fülle unbewußter Motive ab Welche Argumente im Bewußtsein aufscheinen wird unter anderem von diesen unbewußten Motiven bestimmt. Bewußte und unbewußte Abwägungsprozesse erfolgen parallel Sie gehorchen unterschiedlichen Regeln und müssen nicht kongruent sein! Zudem gilt, daß die bewußten Gründe oft nicht die zutreffenden Motive sind. Post hoc Rationalisierung ist häufig Wann empfinden wir uns frei? Wenn bewußte Deliberation und unbewußte Abwägung konkordant sind UND Der Optionenraum wenig eingeschränkt ist. Schlußfolgerung Das Konstrukt: Freiheit - subjektive Schuld Strafmaß ist fragwürdig. Die Praxis: Verantwortlichkeit der Person Sanktion (Abschreckung, Wiedergutmachung, Schutz ) bleibt unangetastet. In diesen Aspekten ähnelt das Gehirn anderen komplexen Systemen Wirtschaftssystemen Sozialen Systemen Ökologischen Systemen Von all diesen Systemen erwarten wir Effizienz, Stabilität und vor allem Fehlertoleranz Das Gehirn erfüllt diese Anforderngen in optimaler Weise Hierfür sorgten evolutionäre Mechanismen Zwei Fragen Können wir von der Organisation des Gehirns lernen, um unsere lebensweltlichen Systeme zu strukturieren? Lassen sich diese Systeme durch gezielte Eingriffe steuern? Warum fand die Evolution zu dezentralen Lösungen und setzt auf Selbstorganisation? Vermutlich, weil sich auf diese Weise mehrere Vorteile erzielen lassen. Robustheit trotz wachsender Komplexität. Implementierung nicht-linearer Prozesse . Selbstorganisation als Notwendigkeit. Komplexe Systeme mit nicht-linearer Dynamik sind sehr leistungsfähig ABER sie lassen sich nicht zielgerichtet steuern! Eingriffe führen zu Veränderungen, deren langfristige Folgen grundsätzlich nicht voraussagbar sind! Was könnte dies für unsere sozialen, wirtschaftlichen und politischen Systeme bedeuten? Vielleicht sollten wir auch hier zur Optimierung der Systemarchitekturen evolutionäre Prinzipien einsetzen und mehr auf die verteilte „Klugheit“ von Selbstorganisationsprozessen vertrauen Desiderata Selbstorganisierende Architekturen schaffen. Diese Architekturen fortwährend ändern. Zielorientierte Hypothesen für Optimierung und Induktion von Veränderungen formulieren. Auswahl zwischen Optionen durch Würfeln. Systemzustände häufig evaluieren. Sich bewährende Architekturen stabilisieren. Praktische Implikationen Das Gehirn ist ein paradigmatisches Beispiel für komplexe Systeme Grosse Zahl aktiver, reziprok interagierender Komponenten. Ausgeklügelte Architektur der Vernetzung. Nichtlineare Dynamik. Zielorientierte Organisation. Welche Konsequenzen erwachsen aus diesen Erkenntnissen für die Organisation unserer komplexen, lebensweltlichen Systeme? Zwei komplementäre Strategien Bindung durch Konvergenz in hierarchisch strukturierten Netzwerken Bindung durch dynamische Konfiguration von Ensembles kooperierender Neuronen in distributiv organisierten Netzwerken Die Repräsentation kognitiver Objekte durch Ensembles Da es nicht für alle Inhalte spezifische Bindungsneuronen geben kann, bestehen Repräsentationen von Wahrnehmungen, Gedanken, Entscheidungen und Plänen zumeist aus sich selbst organisierenden Ensembles kooperierender Neuronen Ensembles sind dynamisch konfigurierte, relationale Konstrukte, ähnlich wie Sätze. Wie diese bedürfen sie eines Codes, der definiert, wie die Symbole miteinander verbunden sind. MEG Ableitungen und Quellenlokalisation von Gamma-Oszillationen bei schizophrenen Patienten Comparison between medicated and unmedicated ScZ-Patients Gamma Power Age dependent manifestation of Schizophrenia A motivation for developmental studies men women age Late maturation of gamma oscillations 5 3 3 2 3 3 1 2 2 4 PNAS, 2009 Transient disruption of phase locking Adult Late childhood Late adolescence PNAS, 2009 Reduzierte Gamma–Oszillationen bei unbehandelten Schizophrenen Patienten (Erster Schub) gesund behandelt unbehandelt Phasen Synchronizität von Gamma Oszillationen Gesunde p<.005 Patienten Alles Wissen und die Programme für die Interpretation von Sinnessignalen residieren in der Verschaltungsarchitektur des Gehirns Welche Faktoren bestimmen diese Architektur?
