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14. Gibt es Quantencomputer im Gehirn?
Wenn schon, wie wir gesehen haben, im Quantengeschehen so viel „natürliche“ Rechenkapazität verborgen ist, drängt sich die Frage geradezu auf, ob nicht im organischen Leben, insbesondere im Gehirn diese Kapazität genutzt wird. Verbergen sich vielleicht so etwas wie Quantengatter in den neuronalen Netzen? Dass es sich beim Gehirn insgesamt nicht um einen Quantencomputer handelt, ergibt sich schon daraus, dass die elektrochemische Signalverarbeitung in Dendriten und Axonen, gesteuert an den Synapsen, ein „klassischer“ Prozess ist, der in mancher Hinsicht Ähnlichkeit mit der Signalverar- beitung in herkömmlichen Computern hat. Aber das schließt ja nicht aus, dass hinter den vielen ungeklärten Auslöse- und Verarbeitungs- mechanismen des Feuerwerks unter der Schädeldecke bisher nicht entdeckte Quantenvorgänge am Werk sind.
Einem ersten konkreten Anhaltspunkt hierfür ist schon seit Anfang
der siebziger Jahre ein amerikanischer Anästhesist und Hirnbiologe,
Stuart Hameroff, auf der Spur. Mit der Entwicklung von Quanten- computern erhält seine – experimentell bisher nicht verifizierte -Theorie einen neuen Schub. Ferner hat der englische Physiker und Mathematiker Roger Penrose etliche Jahre später Verbindung mit Hameroff aufgenommen, ihn unterstützt und mit ihm zusammen eine kontroverse Debatte ausgelöst. In den Büchern „Computerden-
ken“ [1989] und „Schatten des Geistes“ [1994] hat Penrose seine Denkansätze ausführlich dargelegt.
Richten wir zunächst unser Augenmerk auf ein biologisches Detail,
das Hameroff faszinierte und Ausgangspunkt der Diskussion war,
nämlich die sogenannten Mikrotubuli1. Das sind dünne Röhrchen
(etwa fünf Millionstel Millimeter dick) und bestehen aus dem Eiweiß
Tubulin. Sie durchziehen alle Zellen von Organismen zu Tausenden und haben in den Nervenzellen besonders ausgeprägte Eigenschaf- ten. Schon 1974 brachte Hameroff den Gedanken auf, Mikrotubuli könnten „holographische Biocomputer“ sein und auf Quanteneffekten beruhen. Er knüpfte dabei an Überlegungen des theoretischen Physikers Herbert Fröhlich an, der an den Zellmembranen der Neuronen quantenphysikalisch bedingte Wellen beobachtet hatte („Fröhlich-Wellen“2). Hameroff vermutete, dass man solche Wellen
in den Mikrotubuli lokalisieren kann.
Tubulin kommt in zwei Quanten-Grundzuständen vor, die sich überlagern können (schematisch in Figur 14.1 d angedeutet). Hameroff und Penrose nehmen an, dass sich diese Überlagerung auf ganze Reihen benachbarter Eiweißmoleküle ausdehnen und ein geordnetes, orchesterartiges Zusammenspiel der Quantenschwin- gungen, eine „Quantenkohärenz“ bilden können. Das hat Ähnlichkeit mit dem, was in Gattern der Quantencomputer geschieht. Allerdings fehlt die Einrichtung von Messvorgängen, die aus den Quantenpro- zessen Informationen herausholen, wobei jeweils ein „Kollaps“ der Quantenschwingungen in einen Grundzustand geschieht. Das aber
hat Penrose zum Anlass genommen, eine Art inneren Messvorgang in den Nervenzellen zu postulieren, eine „objektive“ Reduktion der Quantenkohärenz auf Grundzustände, die nicht einer Wahrnehmung von außen durch einen Experimentator bedarf. (Penrose verwendet dafür die Abkürzung OR oder im Falle eines Kollapses des orchester- artigen Zusammenspiels der verschränkten Zustände orchOR). Als Auslöser dieses Kollapses sieht Penrose eine Raum-Zeit-Verschrän- kung der Molekülmassen an, die schnell wieder zusammenbricht,
wenn die Anzahl der beteiligten Massen steigt. Das ist eine sehr kühne, nicht voll ausgearbeitete Idee, mit der eine Verbindung zwischen Quantentheorie und Einsteins Relativitätstheorie hergestellt wird. Die Kollapsvorgänge sind notwendig, um die verborgene Infor- mationshandhabung in den Mikrotubuli für die Ausschüttung von Transmittern in den Synapsen anzuwenden und auf diese Weise Quantenprozesse und Vorgänge in den neuronalen Netzen in Beziehung zu setzen.
Es gab Einwendungen gegen die Hameroff-Penrosesche Theorie dahingehend, dass ein orchesterartiges Zusammenspiel von Quantenschwingungen nur in der Nähe des absoluten Nullpunktes möglich sei. Dem hielten Hameroff und Penrose wiederum entgegen, dass in den Hohlräumen der Mikrotubuli-Röhrchen und durch die isolierende Wirkung von geordnet in die Tubuli eingelagerten Wassermolekülen sehr wohl Quantenkohärenzen existieren können. Berechnungen haben ergeben, dass sie bei Zimmertemperatur zwischen einer zehntausendstel und einer hunderttausendstel Sekunde zu bestehen vermögen, lange genug, um auf die Aktivitäten im neuronalen Netz Einfluss zu nehmen (Hagan, Hameroff, Tuscynski). Diese Diskussion hat eine deutliche Parallele in den entsprechenden Problemen beim Bau von Quantencomputern (vgl. Kap 12).
Ein weiterer Einwand gegen die Hameroff-Penrose-Theorie weist darauf hin, dass die Mikrotubuli nicht über die Synapsen hinausfüh- ren, also die in ihnen gespielte „Orchestermusik“ nicht das ganze Gehirn oder größere Teile davon erfassen kann. Die Röhrchen vermögen nur Mini-Wirkungen innerhalb einzelner Nervenzellen auszuüben. - Diese allerdings könnten beträchtlich sein, indem die Tubuli synchron in größeren Gruppen von Neuronen auf die Ausschüttung von Neurotransmittern Einfluss nehmen. Wenn wie vermutet die Mikrotubuli Träger von Quantengattern sind, so ist zu erwarten, dass sie analog den Quantengattern in Quantencomputern beträchtliche Informationsverarbeitung leisten. Wie die isolierten Tubuli-Gatter zusammenwirken wissen wir nicht. Wir wissen jedoch ebenfalls so gut wie nichts über das globale Zusammenspiel der Billionen von Synapsen im Gehirn. Wie wir sahen, gibt es gute Einsichten in das, was in einer einzelnen Synapse vor sich geht, jedoch tappen wir im Dunkeln, was ihre Koordinierung betrifft. Synchronschwingungen spielen im Gehirn vermutlich insgesamt eine große Rolle (von der Malsburg, Singer usw.4).
In einigen Spezialfällen kann man einen bloßen Summationseffekt annehmen. Wenn ich etwa eine Beruhigungstablette einnehme, werden Tausende oder Millionen ähnlich gebaute Synapsen gleich- zeitig hinsichtlich der Weitergabe von bestimmten elektrischen Impulsen gebremst. Die Wirkung summiert sich zu einem psychischen Effekt auf; eine Querverbindung zwischen den Synapsen braucht nicht angenommen zu werden. Entsprechendes dürfte sich bei den Mikrotubuli abspielen, wenn diese durch äußere Reize zu Quanten- prozessen angeregt werden und so als Quantengatter fungieren. Alle führen dieselbe Informationsverarbeitung aus und beeinflussen beispielsweise die Ausschüttung von Botenstoffen an synaptischen Membranen.
Das ist aber ein sehr spezieller Fall. Schon wenn wir fragen, wie die innere Unruhe, derentwegen ich eine Beruhigungstablette nehme, zustandegekommen ist und wie sie sich in den Nervenzellen nieder- schlägt, stehen wir vor einem Rätsel.
Man mag einwenden: Warten wir est einmal ab, bis die klassischen Informationsvorgänge im neuronalen Netz besser erforscht sind, ehe wir neue Probleme hinzufügen, für die es ohnehin keine experimen- tellen Analtspunkte gibt. Das wäre kurzschlüssig gedacht. Es könnte sein, dass umgekehrt über die Entdeckung von Quantenvorgängen im Gehirn – möglicherweise weit über die Mikrotubuli hinaus – neues Licht in die dunkle Welt der Synapsen- und Neuronenverbände fällt.
Größere Skepsis erscheint indessen angebracht, wenn man das ursprüngliche Motiv berücksichtigt, das Hameroff und Penrose bei der Entwicklung ihrer Theorie vor Augen hatten, nämlich einen Beitrag zum Verstehen des menschlichen Bewusstseins zu leisten. Penrose knüpft – als einem von mehreren Aspekten – an die Versuche von Benjamin Libet an (die wir in Kapitel 7 studiert haben). Einer bewussten Entscheidung geht, wie Libet gezeigt hat, eine in der Regel etwa 500 Millisekunden lange unbewusste Hirntätigkeit voraus. Den Übergang vom Unbewussten ins Bewusstsein bringt Penrose mit dem Kollaps der „orchestrierten“ Quantenkohärenz (orchOR) in Verbindung. Dass dieser ebenfalls nach einem Bruchteil einer Sekunde eintritt, gilt Penrose als Bestätigung seiner Vermutung. Allerdings wird diese Bestätigung durch die neuere Feststellung eingeschränkt, die die Überlebensdauer auf nur eine zehntausendstel bis hunderttausendstel Sekunde ansetzt. Vor allem aber bleibt ein Verstehen von „Bewusstsein“ von diesem Indiz völlig unberührt. Die allgemeinen Betrachtungen über Mikrotubuli und ihre auf einzelne Neuronen begrenzte Funktion dürfte für viele Tiere gelten. Penrose selbst weist auf die erstaunlichen Eigenschaften der Härchen von Einzellern, etwa Pantoffeltierchen hin, die durch Mikrotubuli gegeben sind. Dass möglicherweise die Quantenkohärenzen der Mikrotubuli eine fundamentale Rolle in Lebewesen spielen, leuchtet ein. Dafür aber, dass sie zu dem komplexen Phänomen „Bewusstsein“ beim Menschen (und vielleicht wenigen anderen höheren Lebewesen) Wesentliches beitragen, ist kein Anhaltspunkt zu sehen. Indirekt mag ihnen durchaus eine Rolle dabei zukommen, jedoch eher als Beitrag zur Manifestation von Bewusstsein als zu einer Objektivierung desselben.
Gleichwohl rollen die Denkansätze von Hameroff und Penrose die
Frage nach Computermodellen des Gehirns neu auf. Mit der Anders- artigkeit von Quantengesetzen gegenüber den herkömmlichen Regeln von Physik und Mechanik und der Konkretisierung dieser Gesetze in Quantencomputern können diese oder ähnliche Denkansätze erheb- liche Konsequenzen für unser Verständnis von Gehirn und Bewusstsein nach sich ziehen. Das sollte man sich vor Augen halten, auch wenn diese Entwicklung noch in den Anfängen steckt.
Um Computermodelle des Gehirns überhaupt mit menschlichem Denken und Erkennen in angemessene Verbindung zu bringen, wenden wir uns nun erst einmal den naturphilosophischen Grundlagen des Verstehens zu.
(C) by WBG (Wissenschaftliche Buchgesellschaft)
2006, ISBN 978-3-534-19615-9
www.wbg-darmstadt.de
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