Bewusstsein – die Orch-OR Theorie

Eine der größten Fragen der Menschen war schon immer, was das Bewusstsein ist. Warum können wir Entscheidungen treffen, etwas fühlen und denken?

Das Bewusstsein faszinierte die Menschen schon immer und doch hat die Wissenschaft noch keine genaue Erklärung für dieses Phänomen. Viele Menschen gehen davon aus, dass bewusstes Denken nicht einfach ein Resultat aus klassischen Reaktionen im Gehirn ist. Neurobiologen verstehen zwar die elektrischen Impulse der Billionen Neuronen im Gehirn, aber Bewusstsein scheint ausserhalb dieses komplexen elektrischen Zusammenspiels zu liegen.

Mit den bekannten Naturgesetzen, die das Leben zu steuern scheinen, erklären wir, was wir wahrnehmen und schaffen beeindruckende Werkzeuge für das menschliche Leben. Für große Objekte wie Planten, Galaxien, aber auch Menschen dominiert Einsteins allgemeine Relativitätstheorie zur Beschreibung ihres Verhaltens mir der Gravitation Wechselwirkung in der Raumzeit. Allerdings dominiert auf kleinster Ebene, wie Neuronen im Gehirn, die Quantenmechanik. In den letzten Jahrzehnten ist sie immer weiter in den Vordergrund gerückt, da sie Phänomene erklärt, die die klassische Mechanik nicht erklären kann. Nun gibt es überall auf der Welt Technologie basierend auf quantenmechanischen Prozessen, selbst in den trivialsten Situationen im Alltag. Unser modernes und fortgeschrittenes Leben ist ohne Anwendung der Quantenmechanik garnicht mehr möglich. Auch, wenn die mikroskopische Welt oft noch von der klassischen Physik dominiert wird, entspricht sie nicht den Messergebnissen auf mikroskopischer Ebene. Widmen wir uns den Bausteinen unserer Materie und experimentieren mit dem Ursprung unserer komplexen Welt, so weist die Quantenmechanik bemerkenswerte Übereinstimmung mit den Ergebnissen auf.

Allerdings basieren aktuelle neurobiologische Erklärungen auf klassischer Physik. Könnte das Bewusstsein durch Anwendung der Quantenmechanik auf unser Gehirn erklärt werden? Wissenschaftler Roger Penrose und später auch Stuart Hameroff postulierten die Orch-OR Theorie, um das Bewusstsein quantenmechanisch zu beschreiben.

Was ist mit Quantenmechanik gemeint?

Laut der Quantenmechanik sind Teilchen nicht genau definierbar, sondern befinden sich in einer Superposition zwischen mehreren Zuständen. Das heisst, dass sie mehrere Zustände gleichzeitig einnehmen und nur noch mit Wahrscheinlichkeiten (Schrödinger Gleichung) beschrieben werden können.

Eine Interpretation der Quantenmechanik ist die Kopenhagener Interpretation. Sie besagt, dass das Übertragen von Informationen eines quantenmechanischen Systems auf die Umwelt diese Superposition kollabiert und das Quantensystem sich klassisch verhält. Das kann zum Beispiel durch eine Messung passieren.

Eine andere Interpretation, die Many-Worlds-Interpretation, besagt, dass bei einer Messung des Systems sich das Universum aufteilt und so die Superposition nicht wirklich kollabiert, sondern der eine Zustand in einem Universum und der andere in einem Paralleluniversum existiert. (7)

Dieses „Kollabieren“ der Superposition beschreibt eine Verhaltensänderung des Systems von quantenmechanischer Unbestimmtheit zu klassischem Verhalten. Insgesamt kann man sagen, dass ein quantenmechanisches System keine Eigenschaften hat, diese werden ihm erst zugewiesen mit der Messung. (5)

Was eintritt, wenn ein System mit seiner Umwelt interagiert, wird Dekohärenz genannt. Es ist das „Kollabieren“ der Superposition, durch externe Messungen verursachst. Physiker nennen dies auch das „Messproblem“, da wir nicht wissen, wieso Messungen klassisches Verhalten bei Quantenobjekten hervorrufen.(6)

Wie wenden Penrose und Hameroff die Quantenmechanik auf das Gehirn an?

Roger Penrose und später Stuart Hameroff erarbeiteten eine Theorie, die das Bewusstsein quantenmechanisch beschriebt, die Orch-OR Theorie. Sie gaben drei Möglichkeiten für den Ursprung des Bewusstseins in ihrer Veröffentlichung der Orch-OR Theorie (1):

1. Wissenschaft/ Materialismus: Bewusstsein ist ein Resultat aus komplexen biologischen Aktivitäten im Gehirn und benötigt keine tiefere Erklärung als das komplexe Zusammenspiel von Neuronen und elektrischen Signalen
2. Dualismus/ Spiritualität: Bewusstsein ist außerhalb der Reichweite von Wissenschaft und gehorcht nicht den Naturgesetzen.
3. Wissenschaft (neue Theorien mit Bezug auf Quantenmechanik):  Naturgesetze, die bisher noch nicht wirklich verstanden sind, können Bewusstsein erklären. Aktivitäten im Gehirn müssen anhand der Quantenmechanik erklärt werden.

Sie widmen sich der 3. Erklärung. Allerdings behauptet Roger Penrose, dass die Quantenmechanik nich vollständig sei, da sie nicht mir der allgemeinen Relativitätstheorie übereinstimmt. Er sieht das größte Problem darin, dass wir zwei unterschiedliche Theorien haben für die mikroskopische und die makroskopische Welt. Die Quantenobjekte scheinen sich auf kleinster Ebene unterschiedlich zu verhalten, als große kosmische Objekte auf großer Ebene. die beiden Theorien lassen sich bisher noch nicht vereinen.

Wie versucht Penrose das die Quantenmechanik mit der Gravitation zu verbinden?

Das Kollabieren der Superposition nennt Penrose Reduktion (R). Er argumentiert, dass dies Reduktion unabhängig von einem Beobachter als objektiver physikalischer Prozess erfolgen muss. Dies nennt er „Objektive Reduktion“ (OR)

Für eine Vereinigung mit der Gravitation schlägt er vor, dass diese objektive Reduktion durch die Gravitation ausgelöst wird.  Dies ist der Diósi-Penrose-Vorschlag (DP/OR). Laut Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie krümmt Masse die Raumzeit, was auch Gravitation genannt wird. Wenn sich ein Quantenobjekte in einer Superposition von zwei Orten befindet, führt dies zu einer Superposition von zwei leicht unterschiedlichen Raumzeit-Geometrie. Penrose behauptet, dass diese instabil sind und spontan kollabieren (Objektive Reduktion), wenn sie Trennung der Raumzeit-Geometrie einen kritischen Betrag erreicht. (1)

Was hat diese OR-Theorie mit Bewusstsein zu tun?

Um diese Theorie auf die Frage zu übertragen, woher Bewusstsein kommt, theoretisiert Penrose, dass jede objektive Reduktion ein Moment des Bewusstseins hervorruft. Stuart Hameroff schrieb daraufhin Penrose an mit einem Vorschlag, diese Theorie auf biologische Strukturen anzuwenden. Er schlug vor, dass die Quantenprozesse in den Mikrotubuli stattfinden, den röhrenförmigen Proteinzylindern der Neuronen (1). Dadurch befindet sich das Neuron in einer Superposition von „Feuern oder nicht“. Da wir ca. 10^11 Neuronen im Gehirn haben wäre diese Superposition äußerst bedeutend. Hameroff trägt also zur Orch-OR Theorie bei, dass die Quantenprozesse nicht chaotisch stattfinden, sondern orchestriert, also organisiert, in Mikrotubuli.

Allerdings war ihnen auch bewusst, dass das Gehirn eine warme, feuchte Substanz ist und so schnell mit ihrer Umgebung interagiert. Das löst Dekohärenz aus und kollabiert die Superposition. Penrose berechnete allerdings, dass dies kein großes Problem darstellt, da die Kohärenz-Zeit bei bis zu einer Sekunde liegen würde, was genug ist, damit Bewusstsein auftritt (1). Sie behaupten, dass Mikrotubuli quantenkohärente Zustände lange genug aufrechthalten können, damit Bewusstsein „entsteht“.

Ist die Orch-OR Theorie realistisch für den herrschenden Umstände des Gehirns?

Als Reaktion auf diese Theorie veröffentlichte Max Tegmark 1999 seine Berechnungen zu dieser Theorie, die andere Ergebnisse der Dekohärenzzeiten zeigte. Tegmark kritisierte an der Orch-OR Theorie, dass sie nur Dekohärenz durch Quantengravitation in Betracht zogen. Tegmark machte allerdings neuer Berechnungen unter Berücksichtigung anderer Interaktionen (2). Er berechnet Dekohärenzzeiten für zwei Hauptsysteme in Neuronen:

• Er betrachtet Ionen, die elektrische Signale im Neuron weiterleiten und deren Superposition von „innerhalb“ und „außerhalb“ des Axonmembrans. Die Superposition-Zustände sind getrennt von der Membrandicke von 10nm (2). Wäre das Neutron in einer Superposition von Feuern oder nicht, wären ca 10^6 Natrium-Ionen in einer Superposition von innerhalb und außerhalb des Membrans (2).
• Elektrische Anregungen in Mikrotubuli. Mikrotubuli können sich in zwei zustände, alpha und beta, ändern, was eine Änderung des elektrischen Dipolmoments entspricht.

Für die Ionen innerhalb oder außerhalb des Membrans berechnet Tegmark Dekohärenzzeiten aufgrund von a) Kollisionen mit anderen Ionen, b) Kollisionen mir Wassermolekülen, und c) Coulomb-Interaktionen mir entfernteren Ionen. Er betont auch, dass dies nur die wichtigsten sind, es aber noch zahlreich mehr gibt.

Er benutzt also das Ion-Poren-Diffusionsmodell (Ion-Pore Diffusion Model), um seine Dekohärenzzeiten zu berechnen. Seine Ergebnisse zeigten, dass die Dekohärenzzeiten zu kurz sind, damit Quantenzustände die Prozesse im Gehirn beeinflussen können. Sie liegen zwischen 10^-13 und 10^-20 Sekunden, wobei kognitive Prozesse ca. 10^-3 Sekunden brauchen. Tegmark kommt zum Schluss, dass Bewusstsein nicht von der Quantennatur kommt.

Was war Hameroffs Antwort?

Hameroff selbst mir Hagen antwortete auf Tegamarks Behauptung und kritisierte, dass Tegamark ein falsches Modell benutzte und die Superposition der Orch-OR Theorie missinterpretierte. Hameroff kommt zum Schluss, dass Tegmark die Fähigkeit des „nassen und lauten“ Umgebung des Gehirns unterschätzt, Quantenzustände zu bilden. (4)

Was sind neue Ideen?

2018 veröffentlichten vier Wissenschaftler ein neues paper, quasi als Antwort auf Tegmarks Ergebnisse und Kritik and Penrose’s und Hameroff’s Orch-OR Theorie. Auch sie kritisieren Tegmarks Vorgehen und behaupten, dass sein Ion-Poren-Diffusionsmodell eine Vereinfachung ist. Daraufhin berechneten sie neue Dekohärenzzeiten.

Genau kritisieren sie, dass Tegmark Selektivitätsfilter nicht berücksichtigt. Ionenkanäle haben einen Selektivitätsfilter, wodurch Ionen wie K+ oder Na+ durchgehen. Sie postulieren nun, dass die Ladungsträger (Kaliumionen) sich in diesem Selektivitätsfilter in einer Superposition befinden. Die Superpositionsdicke beträgt ca. 0.3nm, was deutlich geringer ist, als Tegmarks 10nm.

 Sie haben die Dekohärenz Zeit neu bestimmt, indem sie die durchschnittliche Geschwindigkeit der Ionen gemessen haben und so die Interaktionsrate neu berechnet haben. Ihre Dekohärenz Zeiten liegen im Bereich von 10^-12s, als rund 10^8 mal größer als Tegmarks.  Allerdings sind diese Zeiten immer noch zu klein für kognitive Prozesse. Sie kommen aber trotzdem zu dem Schluss, dass Quantenprozesse wichtig sind.

Fazit und Ausblick

Insgesamt formulierte Penrose eine quantengravitative Lösung des Messproblems, also eine Brücke zwischen der Quantenwelt (Wellenfunktion) und der klassischen Welt (Raumzeit-Geometrie). Damit stellt er zusammen mit Hameroff eine Hypothese zur Entstehung des Bewusstseins auf durch objektive Reduktion in Mikrotubuli.

Mithilfe der MRT geht man nun auf die Suche nach Quantenverschränkungen im menschlichen Gehirn, wobei Hinweise darauf schon gefunden wurden. Auch die Entdeckung der Megahertz-Resonanzen in Mikrotubuli kann Forschung zu dieser Theorie sehr weiter bringen.

Auch wenn immer mehr Forschungen potentielle Quantenprozesse in biologischen Systemen feststellen, muss noch geklärt werden, wie genau kohärente Bewusstseinsmomente erzeugt werden können im Inneren einer Zelle.