Bin ich tatsächlich mein Konnektom?

Die Gesamtheit aller Verbindungen im Gehirn, das Konnektom, ist ein heiß diskutiertes Thema in der Hirnforschung, der Philosophie des Bewusstseins, den Bestrebungen, künstliche Intelligenz zu entwickeln, aber auch in der Kryobiologie bzw. der Suche nach dem ewigen Leben. Wohl auch ein Streitpunkt zwischen manchen Hirnforschern und Neuroinformatikern.

“Ich bin mein Konnektom”, sagt der Physiker und Neurowissenschaftler Sebastian Seung in seinem viel beachteten TED-Talks-Video aus dem Jahr 2010.

„Ich bin mehr als meine Jeans“, sagt ein Kommentator auf YouTube zu diesem Video.

Sebastian Seung und sein Kommentator drücken die zwei Streitpunkte über die Bedeutung des menschlichen Konnektoms aus:

Wird mein „Ich“ nur durch das Konnektom definiert, wie Seung glaubt? Bin ich ausschließlich im Netz der neuronalen Leiterbahnen in meinem Gehirn kodiert? Ist die Aktivität meines Gehirns nicht wichtig für mein Bewusstsein? Die elektrischen, aber auch chemischen Signale, die durch das Konnektom geführt werden? Ist es nicht wichtig, was in einzelnen Gehirnzellen (Neuronen) geschieht?

Oder „bin ich mehr als meine Jeans“? Ist das Konnektom ein Leitungssystem für Prozesse, die mein „Ich“ zu einem vielleicht viel größeren Teil ausmachen als mein Konnektom? Auch die sieben Kilometer langen Leitungen der Bier-Pipeline beim Heavy-Metal-Festival auf Wacken würden doch ganz andere Bewusstseinszustände bei den Festivalbesuchern zur Folge haben, wenn durch sie statt Bier Wasser fließen würde.

Wer hat also recht? Sebastian Seung, oder sein Kommentator?

Wie gesagt ist das das Konnektom die Gesamtheit aller Verbindungen in unserem stark vernetzten Gehirn mit etwa 100 Billionen Synapsen, an denen sich die Signalübertragung zwischen den 86 Milliarden Gehirnzellen abspielt – ein unglaublich komplexes aber auch dynamisches Netzwerk, das ständig im Wandel ist.

Unser Konnektom ändert sich im Laufe des Lebens, es gibt nicht DAS Konnektom von mir. Von der Kindheit über die Pubertät bis zum Erwachsenenalter baut das Konnektom sich massiv um. Wenn ich mein Konnektom bin, warum ändere ich mich beim Heranwachsen auch nicht so massiv? Klar ist ein Erwachsener anders, als wenn er ein Kind oder ein Teenager war, hat sich aber sein „Ich“ so grundlegend verändert? Welche Konnektom-Änderungen beeinflussen mein „Ich“ maßgeblich? Warum ist es so schwierig, tiefgehende Traumata aus der Kindheit zu heilen?

Wenig Liebe in unserer amnesischen Kindheit verursacht einen kleineren IQ und beeinträchtigt schwer unsere sozialen und emotionalen Kompetenzen, was zum Beispiel Untersuchungen an Kindern aus rumänischen Kinderheimen gezeigt haben. Diese psychischen Beeinträchtigungen sind später sehr schwer zu therapieren, obwohl das Konnektom nach der frühen Kindheit grundlegend umgebaut wurde.

Bin ich also mein Konnektom von jetzt? Oder aus der Zeit vor 40 Jahren? Vor einer durchzechten Nacht, oder danach?

Die Gehirnaktivitäten ändern sich aber viel schneller als das Konnektom, teils im Sekundentakt: Schon wenn wir schlafen, zeigt unser Gehirn ganz andere Aktivitäten, als wenn wir wachen. Dabei ändert sich die Struktur des Konnektoms im Schlaf nicht entscheidend, obwohl die Synapsen im Schlaf wohl um etwa ein Fünftel schrumpfen.

Manchmal sind wir entspannt, manchmal wütend, entsprechend unserer Gehirnaktivität, nicht aufgrund einer Änderung unseres Konnektoms. Warum verhalte ich mich beim WM-Fußballspiel Deutschland-Schweden ganz anders, als am nächsten Tag auf einem Strand in Griechenland? Als ob ich ein ganz anderer Mensch wäre. Über die Nacht hat sich doch an meinem Konnektom nicht viel getan. Was ist das „Ich“, das ich sein solle?

“Konnektom. Kein Neuron ist eine Insel”,

heißt Sebastian Seungs Artikel im Spektrum der Wissenschaft, ein Auszug aus seinem großartigen Buch Das Konnektom. Erklärt der Schaltplan des Gehirns unser Ich?,

Trotz meiner Skepsis, was Seungs Aussage „Ich bin mein Konnektom“ angeht, kann ich sein Buch wärmstens empfehlen: Ein spannendes und wunderbar geschriebenes Werk für jeden, der sich über das Konnektom umfassend informieren will:

Nur redet der Titel „Kein Neuron ist eine Insel“ etwas klein, woraus das Gehirn am Anfang der Evolution entstanden war: aus einzelnen autonomen und funktionellen Zellen, die sich zu einem komplexeren System zusammenschlossen hatten, das neue emergente Eigenschaften zeigte. Es ist nur schwer vorstellbar, dass einzelne Gehirnzellen, der Ursprung von allem, zu unserem „Ich“ nichts zu melden haben, also „unbedeutende Inseln“ darstellen – ersetzbare Punkte eines neuronalen Netzes, das wir das Konnektom nennen.

Nach dem klassischen Model des natürlichen neuronalen Netzes im Gehirn kommen Signale in ein Neuron über Tausende seiner Fortsätze, die Dendriten. Wenn die Summe dieser eingehenden Signale einen bestimmten Schwellenwert übersteigt, feuert das Neuron: Das Neuron schickt ein elektrisches Signal – einen „Spike“ – durch sein Axon an die Synapsen. Ein Neuron kann bis 100.000 Synapsen haben, aber auch nur sehr wenige, im Schnitt etwa 1.000. An den Synapsen werden Neurotransmitter aus den synaptischen Vesikeln freigesetzt. Die freigesetzten Neurotransmitter binden an die Rezeptoren des benachbarten Neurons und stärken oder auch schwächen wiederum seine Tendenz, einen Spike zu erzeugen und Signale an weitere Neurone zu schicken.

Diagramm eines Neurons. Neurone sind elektrisch erregbare Zellen des Nervensystems (Gehirn, Rückenmark, peripheres Nervensystem), die Informationen verarbeiten und weiterleiten. Quelle: Wikimedia Commons. Autoren: LadyofHats (Englisches Original), NEUROtiker (Deutsche Übersetzung).

Nach diesem Muster sind auch unsere neuen Künstliche-Intelligenz-Programme aufgebaut: künstliche neuronale Netze bzw. tief lernende neuronale Netze (deep learning neural networks). Doch durch die Komplexität der Gesamtheit der einkommenden und auskommenden Signale und der entsprechend komplexen Aktivität jedes einzelnen Neurons kann jedes Neuron eine Unmenge an logischen Operationen ausführen, ist also selbst ein Computer, und noch mehr:

Schon ein einziges Neuron ist wohl ein zweischichtiges neuronales Netz, also etwas, das lernen und das Gelernte auf unbekannte Ereignisse anwenden kann. Das führt ausführlich und ansprechend der Blogger Mark Humphries aus:

„Dein Cortex ist nicht ein neuronales Netzwerk. Dein Cortex ist ein neuronales Netzwerk aus neuronalen Netzwerken.“

Das Wunder Neuron

Wie jede andere Körperzelle hat auch eine Gehirnzelle ihr eigenes Genom. Ununterbrochen werden in der kleinen Gehirnzellfabrik Nukleinsäuren und Proteine hergestellt: Neurotransmitter, Hormone, Enzyme und all die anderen funktionellen Proteine, die einen Einfluss darauf haben, welche Signale zu welchen Neuronen gesendet werden.

Durch Reize aus unserer Umgebung, durch die im Zellgenom kodierten Programme und daraus folgend durch die Stoffe, die in den Gehirnzellen produziert werden, ändert die Gehirnaktivität sich laufend und beeinflusst auch unser Verhalten: Bestimmte Neuronen-Populationen erfüllen bestimmte Aufgaben zusammen, werden von anderen Neuronengruppen gehemmt, bzw. gestärkt. 86 Milliarden Neurone können sich ja zu Abermilliarden kleiner und großer Gruppen schließen. Ihre Neurone feuern, synchron aber auch nicht synchron, und manchmal auch bis ins Chaos hinein. So gibt es eine Menge Dynamik in unserem Konnektom.

„Könnte dieser Schnappschuss sämtlicher Schaltkreise deines Gehirns (dein momentanes Konnektom) tatsächlich ein Bewusstsein haben – dein Bewusstsein?“, fragt David Eagleman in seinem sehr lesbaren Buch The Brain: Die Geschichte von dir und antwortet sich gleich selbst:

„Leider nein, denn ein Schaltplan ist ja nur die Hälfte des lebendigen Gehirns. Die andere Hälfte ist die elektrische und chemische Aktivität zwischen diesen Verbindungen. Die Alchemie des Denkens, Fühlens und Bewusstseins entsteht erst aus den Aberbilliarden von Interaktionen, die sich Sekunde für Sekunde zwischen den Gehirnzellen abspielen: Botenstoffe werden ausgeschüttet, Proteine verändern ihre Form, elektrischer Strom fließt durch die Axone der Gehirnzellen.“

Teufelskreise im Hirn

„Wenn Gehirnstrukturen die Hirnfunktion komplett determinieren würden, wäre das Hirn in endlosen Schleifen von sich wiederholenden Aktivitäten gefangen und würde uns nicht erlauben, zu lernen und sich an neue Situationen anzupassen“, schreibt Alexander Fornito vom Monash Institute of Cognitive and Clinical Neurosciences (Melbourne) in Scientific American: „Statt dessen stellt das Konnektom das Gerüst bereit, in dem diverse Zellenpopulationen ihre Aktivitäten ändern und koordinieren, um unterschiedliche und vorübergehende Koalitionen zu formen.“ Dass eine Koalition nicht ewig währt, wissen wir ja auch. 😊

Selbstverständlich können Neurone in ihren Verbänden nur dann synchron feuern und somit adäquat auf Reize von außen reagieren, wenn es ihnen die Struktur ihres Konnektoms erlaubt. Unwichtig ist das Konnektom nicht. Wohl hängen bestimmte Gehirnkrankheiten wie Schizophrenie auch mit Veränderungen im Konnektom zusammen: Die Bierleitungen auf Wacken müssen ja auch eine bestimmte Struktur haben. Sonst würde das Bier nie den Metal-Fan finden, der damit seinen Bewusstseinszustand ändern will. Durch Tausende beliebig verschraubte Rohre würde das Bier höchstens in Pfützen auf dem Festivalgelände plätschern.

Das lange Warten auf das ewige Leben

Trotzdem will das von MIT-Absolventen gegründete und von MIT-unterstützte StartUp Nectome das menschliche Gehirn wie im Film „Transcendence“ emulieren, das heißt, das Gehirn genau einscannen und sein Konnektom im Computer nachbilden. In einem genug großen Konnektom könne Bewusstsein entstehen, denkt man sich.

„Was wenn wir ihnen sagen, dass wir eine Sicherheitskopie von Ihrem Gehirn machen können?“, tönte Nectome noch im März dieses Jahres von seiner Webseite. Zuerst wollte Nectome das Gehirn von interessierten Sterbenskranken lebendig aber unter Vollnarkose einbalsamieren, also töten, und es so lange in diesem Zustand erhalten, bis unsere Computer mit dieser gewaltigen Menge an Daten überhaupt rechnen können. Was übrigens noch sehr lange dauern kann.

Schon viele Interessierte sollen in der Warteschlange gestanden haben, um irgendwann im Computer aufzuerstehen. Für schlappe 20.000 Dollar ging dein Gehirn ins Gurkenglas. Ja, ich weiß, mit dem Gurkenglas bin ich ungerecht: Doch einem Bild der Erde voller Gurkengläser mit Hirnen der Reichen, die ewig leben wollen, konnte ich nicht widerstehen. An Schweineköpfen hatte Nectome seine Hirnkonservierungs-Technologie bereits getestet.

Die Empörung in den Medien war groß, so zog MIT sich aus dem Projekt heraus, und Nectome ruderte zurück: Die Sicherheitskopie unseres Gehirns wird uns auf der Nectome-Webseite nicht mehr angeboten.

Da ist der Wurm drin

Gleich als die Nectom-Schlagzeilen im März dieses Jahres die Medienmaschine heiß gelaufen hatten, twitterte der Harvard-Neuroinformatiker Sam Gershman:

„Hat ihnen (den Leuten von Nectome) jemand gesagt, dass wir das Konnektom von C. Elegans (Fadenwurm) über eine Dekade kennen, jedoch immer noch nicht wissen, wie wir all seine „Gedächtnisinhalte“ rekonstruieren sollen? Und der Fadenwurm hat nur 7.000 Synapsen, verglichen zu den Billionen Synapsen im menschlichen Gehirn?“

Zwar gibt es mit der Netzinitiative OpenWorm eine breite Gemeinschaft an Programmierern, die das Fadenwurm-Konnektom im Computer nachbilden will. Doch der Fadenwurm will sich nicht auf einem Chip zähmen lassen. Auch wenn das enthusiastische Schlagzeilen manchmal behaupten, wie die im Wiener Standard:

„Forscher dressieren einen im Computer zum Leben erweckten Wurm“.

Tatsächlich haben die Forscher der TU Wien einen virtuellen Fadenwurm so lange dressiert, bis der Wurm einen Stab balancieren konnte – selbstverständlich nur in einem Computerprogramm. Oder besser gesagt: Man hat das Konnektom des Fadenwurms als ein künstliches neuronales Netz programmiert und es so lange nach allen Regeln der heutigen Künstliche-Intelligenz-Kunst trainiert, bis dieser virtuelle Wurm dieses Kunststück auf dem Bildschirm vorführte.

Eine tolle Leistung der Wiener Informatiker, oder? Was sagt es uns aber über die Natur eines Fadenwurms aus? Dass er einen Stab balancieren kann? Einem künstlichen neuronalen Netz mit 302 Neuronen und den 7.000 Verbindungen dazwischen kann man schon eine Menge Sachen antrainieren. Zum Beispiel eben einen Stab balancieren. Einen lebendigen Wurm hat man damit noch lange nicht im Computer nachgebildet. Die Forscher in Wien haben ja nicht simuliert, wie ein echter Fadenwurm auf seine natürliche Umgebung reagiert, sondern nur gezeigt, dass ein künstliches Fadenwurm-Netz etwas lernen kann.

Wie Anthony Movshone von New York University in einer Debatte mit Sebastian Seung an der Columbia University sagte: „Ich denke, es ist fair zu sagen …, dass unser Verständnis des Fadenwurms sich nicht wesentlich dadurch gebessert hat, dass wir sein Konnektom zur Verfügung haben. Wir haben kein umfassendes Modell, wie das Nervensystem eines Fadenwurms sein Verhalten steuert. Was wir haben, ist ein Netz, in dem wir Experimente durchführen können. Doch das Konnektom selbst hat nichts erklärt.“

Bin „Ich“ auch mein Darm?

Der Vagusnerv verbindet das Gehirn mit dem neuronalen Netz des Verdauungssystems. Wissenschaftler der University of Sothern California haben den Vagus-Nerv bei Ratten getrennt und dadurch die Gedächtnisfunktion im Hippocampus der Tiere so beschädigt, dass sie sie keine Information mehr über ihre Umgebung abrufen konnten – die Ratten fanden nicht mehr zu ihrem Futter zurück.

Noch bevor unser Gehirn sich im Laufe der Evolution in seine heutige Form entwickelte, hatte der Vagusnerv dafür gesorgt, dass unsere Vorfahren einen Hirsch finden konnten, den sie am Tag zuvor erlegt hatten. Manchmal waren die Ur-Hominini auch tagelang hinter einer Antilopenherde hergerannt und mussten dann zu ihrem Stamm zurückfinden. Dazu half ihnen auch das Nervensystem in ihrem Darm, das durch den Vagusnerv mit dem Rest da oben kommunizierte. Welches Konnektom war zuerst da? Das am Mund? Oder das am Darm?

Eine ernstere und wichtigere Frage ist aber: Ist unsere Fähigkeit, sich in der Umwelt zurechtzufinden nicht ein wichtiger Teil unseres „Ich“s? Wenn meine Schwester bei einer Waldwanderung eine Pause machen will, findet mein Schwager eine Kneipe im Umkreis von einer Viertelstunde Fußmarsch – egal wo wir uns befinden. Den Bierbrunnen zu finden, ist eine herausragende Fähigkeit seines „Ich“s, die ihn gut charakterisiert. Diese würde er aber ohne das neuronale Netz in seinem Darm nicht haben.

Was soll Nectome jetzt also machen, um das Bewusstsein seiner Kunden im Zeitalter der Quantencomputer auferstehen zu lassen? Den Darm des „Unsterblichen“ in einem zweiten Gurkenglas einlegen?

Die natürliche und die künstliche Intelligenz

Das Konnektom liefert den Stoff, aus dem die Träume vieler KI-Forscher sind, die über allgemeine künstliche Intelligenz nachdenken: Ein künstliches Netz in einem Computer, das klüger ist als der Mensch. Diese Träume können von den heutigen künstlichen neuronalen Netzen sicher nicht erfüllt werde. Jedes moderne noch so spektakuläre künstliche neuronale Netz wird auf eine einzige Aufgabe hintrainiert. Für eine zweite gekoppelte Aufgabe muss man ein zweites neuronales Netz programmieren, trainieren und dem ersten Netz anschließen.

In unserem Gehirn dagegen gibt es Milliarden neuronaler Netzwerke, die zusammen, aber auch gegeneinander arbeiten, die sich verstärken, aber auch hemmen. Dazu gehört nicht nur die richtige Verdrahtung dieser Teilnetzwerke sondern ihre Knoten – die Neurone. Erst wenn bestimmte Neurone synchron feuern, ist ein kleines neuronales Teilnetznetzwerk perfekt – eins der Milliarden Netzwerke in unserem Gehirn.

Doch nicht nur wegen ihrer kleinen Komplexität können sich die künstlichen neuronalen Netze nicht mit dem natürlichen Netz unseres Gehirns messen: Die künstlichen Netze sitzen in einem Käfig ohne Fenster und Türen. Die Neurone unserer Sinneszentren dagegen – wie die des visuellen Cortex oder des Riechkolbens – werden ständig mit frischen Daten aus unserer Umgebung bombardiert – mit allem, was wir sehen, hören, riechen, tasten und fühlen – sie reagieren darauf, setzen diese Reize in Signale um, leiten sie weiter, und wir lernen, vergessen aber auch, um Neues lernen zu können – ununterbrochen.

Das ist ein großer Unterschied zu einem im Computer emulierten Konnektom – ohne Sinne, ohne „Embodiment“ kann keine Intelligenz sich entwickeln und keine bestehen. Denn die Grundeigenschaft einer allgemeinen Intelligenz ist, in der Wechselwirkung mit ihrer Umgebung unablässig zu lernen. Je reichhaltiger die Umgebung, desto klüger die Intelligenz. Deswegen spielt „Embodiment“ zunehmend auch in der Künstliche-Intelligenz-Forschung eine Rolle.

Aufgrund der Reize aus der Umgebung produzieren die Neurone eine gewaltige Schar von verschiedenen Molekülen, die helfen, elektrische aber auch chemische Signale an benachbarte Neurone zu übertragen. Erst wenn die Neurone an ihren Instrumenten, den Leitungen des Konnektoms, richtig Musik spielen und sich zu einem Orchester zusammenschließen, entsteht das wunderbare Konzert des Bewusstseins – ein neues Ganzes, viel mehr als nur die Summe seiner Musiker und abermals mehr als die Ansammlung seiner Instrumente.

Ja! Ich bin mein Konnektom! Ich bin aber auch alle meine Gehirnaktivitäten und alle meine Sinnesorgane, die mein Gehirn ununterbrochen mit Daten versorgen. Ich bin mein ganzer Körper mit all seinen Organen und Gliedern.

Und der Darm gehört auch dazu. Und vielleicht noch etwas mehr.