Bewusstsein ist möglicherweise viel wie Kaffee kochen, sagen Wissenschaftler


Wir neigen dazu zu denken, Bewusstsein als eine abrupte Abschalten der unser Bewusstsein von der Welt, wie einen Lichtschalter umlegen zu verlieren. Aber es ist eigentlich mehr ein schrittweiser Prozess. Der beste Weg, es zu verstehen ist, eine Tasse Kaffee zu brauen.

Ein neues theoretisches Modell in Physical Review Letters beschrieben legt nahe, dass der Verlust des Bewusstseins, die Narkose tritt viel aussieht wie Wasser sickert durch Kaffeesatz, zumindest mathematisch gesehen. Diese Feststellungen könnte dazu beitragen, Aufschluss über genau, wie Veränderungen der Hirnaktivität zu Verlust und Wiederauftauchen des Bewusstseins führen können.

Zuerst lassen Sie uns klären, was meinen wir mit "Bewusstsein". Gibt es ein Unterschied zwischen Wachsein/Basic Selbsterfahrung-welche Philosophen Ned Block hat "Zugang Bewußtsein" bezeichnet – und so genannte "phänomenales Bewusstsein," in Bezug auf höhere kognitive Funktionen wie wie wir zum Beispiel die Farbe rot erleben, oder unsere Emotionen. Das Geheimnis hinter dieser – wie eine deutliche, hartnäckig, denken und fühlen der menschlichen Identität ergibt sich aus einer Reihe von Gehirnzellen — ist eine harte Nuss zu knacken. Es ist so hart, dass es bekannt als das "harte"Problem des Bewußtseins.

Aber Neurowissenschaften hat sehr viel gelernt über die ehemaligen in den letzten Jahren, zumindest in groben Zügen. Das Gehirn ist eine große, komplexe Netz der Netze. Es gibt mehrere Regionen, jede mit Milliarden einzelner Nervenzellen, die ständig Verbindungen, bilden durch die Signale (Information) fließen können. Es gibt viele lokale Verbindungen und ein paar wichtige langfristige Verbindungen zwischen die lokalen Regionen zur zentralen Verarbeitung (d. h. der Großhirnrinde).

Diese ständigen Informationsfluss zwischen den miteinander verknüpften Neuronen in einem komplexen Netzwerk gibt Aufstieg ins Bewusstsein. Das macht Bewusstsein eine emergente Eigenschaft, anstatt etwas Grundlegenderes. Betrachten Sie es wie folgt: ein Klumpen Gold hat Eigenschaften wie Härte, Farbe oder Temperatur, aber sie sind nicht in einem der einzelnen Atome, aus denen sich diese Klumpen auf der grundlegenden Ebene gefunden. Nein, sie "entstehen" von den Verbindungen zwischen den Atomen.

Die Nervenzellen im Gehirn funktioniert ähnlich. Die verschiedenen Hirnregionen sind ständig Erhebung und Verarbeitung von eingehenden Signale – selbst, wenn wir unter Narkose sind — aber "wir" sind nicht bewusst diese Signale, bis sie an der Hirnrinde gesendet und zusammen integriert, um die bewusste Erfahrung produzieren. So scheint die Entstehung des Bewusstseins im Zusammenhang mit der Integration von Informationen in großen Netzwerken.

Das ist das große Bild, jedenfalls aber die Details bleiben ziemlich unscharf, wie dies geschieht. Forscher an der University of Pittsburgh School of Medicine gefragt, ob Patienten verlieren Bewußtsein unter dem Einfluss der Narkose das Ergebnis der reduzierten Konnektivität in das neuronale Netz die wäre, dass alle wichtigen sensorischen Informationsfluss behindert. So entwickelte sie ein mathematisches Modell, um zu testen, diese Hypothese, basierend auf der Physik von durchsickern. Und es stellt sich heraus, dass sie auf etwas sein könnte.

Der Brühvorgang ist eine Methode zur Modellierung der Netzwerkkonnektivität über eine Art Phasenübergang. Es ist ein langsamer kontinuierlicher Prozess ähnlich wie frisch gemahlenen Kaffeebohnen Wasser durchläuft. Pro einen Artikel schrieb ich für Quanten im Juli:

Traditionelle mathematische Modelle von durchsickern, die aus den 1940er-Jahren stammen, sehen den Prozess als einen glatten, kontinuierlichen Übergang. "Wir denken von Durchsickern als Wasser fließt durch den Boden", sagte Robert Ziff, ein Physiker an der University of Michigan, Phasenübergänge in den letzten 30 Jahren studiert hat. "Es ist eine Bildung von Long-Range-Konnektivität im System."

Die Bildung von Verbindungen kann als einen Phasenübergang, der Prozess verstanden werden, wobei Wasser gefriert zu Eis oder entfernt in Dampf kocht. Phasenübergänge sind allgegenwärtig in der Natur, und sie bieten auch ein praktisches Modell für wie die einzelnen Knoten in ein zufälliges Netzwerk allmählich zusammen, eins nach dem anderen, über Kurzstrecken-Verbindungen im Laufe der Zeit zu verknüpfen. Wenn die Anzahl der Verbindungen eine kritische Schwelle erreicht, verursacht eine Phasenverschiebung die größte Ansammlung von Knoten schnell zu wachsen und Über-Konnektivität Ergebnisse. (So gesehen, ist die Versickerung-Prozess, der Ihre morgendliche Tasse Kaffee weckt ein Beispiel für einen Phasenübergang. Hot Water durchläuft gerösteten Bohnen und verschiebt Sie in einen neuen Zustand – Kaffee.)

Einschlafen oder aufwachen aus Anästhesie scheint eine ähnliche Flugbahn zu folgen. Diese winzigen Interaktionen zwischen Neuronen zu bauen, bis ein kritischer Punkt erreicht ist, an welcher Stelle eine völlig neue Zustand, Übergang von Bewusstlosigkeit zu Bewusstsein ins Gehirn gelangt. (Insbesondere die Hirnströme von Gamma und Beta-Wellen, verbunden mit dem Bewusstsein zu Alpha-Wellen, die im Zusammenhang mit Schläfrigkeit und Delta-Wellen, die tiefen Schlaf begleiten wechseln.)

Yan Xu und mehrere Kollegen an der University of Pittsburgh School of Medicine gebaut, ein Computer-Modell um die Dynamik eines solchen Systems zu erkunden. Stellen Sie jedes Neuron als Knoten in einem Netzwerk, angeordnet in einem Baum-förmigen Netzwerk vor. Sensorsignale gelangen in den Kofferraum und dann nach außen in den verschiedenen Zweigen im Netzwerk verteilt.

Es ist der Knoten, die entscheiden, welche Signale weitergeleitet werden, und welche getötet werden. Jeder Knoten summiert alle Signale, die es bekommt von den anderen Knoten direkt an, und die Summe dieser Signale wird dann weitergegeben – oder nicht. Wenn heißes Wasser durch abgepackten Kaffeekörner sickert, sucht es nach der praktikabelste Weg. Die vernetzten Routen, die zu öffnen, desto besseren sind die Chancen, die es durch gefiltert werden. Informationsfluss zwischen den Nervenzellen wird ebenfalls verbessert, indem er viele durch Straßen verbunden. Anästhesie scheint viele dieser Strecken, bis es einfach nicht ausreichend Konnektivität für Signale über lokale Hirnregionen Reisen links abgeschnitten. Informationen filtern nicht.

Xu Et al. berechnet die Wahrscheinlichkeit, dass ein Signal erreicht die äußersten Zweige und festgestellt, dass der Informationsfluss in ihrem simulierten Modell mit nur 7381 Knoten schön mit der Aktivität des Gehirns in experimentellen Studien an Patienten unter dem Einfluss der Narkose beobachtet Maschen. Zum Beispiel eine 2011-Studie ergab, dass da die Narkose in Kraft trat, Hirnregionen, die normalerweise kommuniziert und koordiniert miteinander synchron fiel: die Netzwerkverbindungen offline ging. Gab es noch grundlegende Signale registrieren mit dem sensorischen Kortex – die auditive Region weiterhin auf Lärm von draußen, zum Beispiel zu reagieren – aber es keine langreichweitige Kommunikation mit dieser so wichtigen Hirnrinde gab. Also verteilt die Signale nie über lokale Hirnregionen. Dieser Abbruch der Verbindung ist nicht geschehen, wenn Studienteilnehmer wach, oder nur leicht sediert.

Natürlich handelt es sich um ein stark vereinfachtes Modell. "Das Gehirn ist viele Größenordnungen komplexer," Xu Et Al. Schreiben Sie in ihrer Arbeit mit Milliarden von Knoten-wie Neuronen, nicht nur ein paar tausend. Wir sind einen langen Weg aus aus eine vollständige Erläuterung der zugrunde liegenden Mechanismen hinter Bewusstsein. Aber es ist ein nützlicher Hinweis hinzufügen, um Stapel wie Neurowissenschaftler ihren Fall bauen.

Nur etwas zu denken, das nächste Mal Sie sind Ihre morgendliche Tasse Kaffee brauen...

[Über Physical Review Letters]

Top Bild über Kuba Kaffee. Bild unten: Alexis Monnerot-Dumaine, über Wikipedia.org.

Referenzen:

Alkire M.T., Hudetz A.G., Tononi G. (2008) "Bewusstsein und Anästhesie," Science 322:876-880.

Braun, E.N, Lydic, R., und Schiff, N.D. (2010) "Allgemeine Anästhesie, Schlaf und Koma," New England Journal of Medicine 363:2638-2650.

Lewis, Laura D. Et Al. (2012) "schnelle Fragmentierung von neuronalen Netzwerken zu Beginn der Propofol-induzierte Bewusstlosigkeit," Proceedings of the National Academy of Sciences 109(49): E3377 – E3386.

Arbeitstechniken, Giuli. (2008) "Bewußtsein als integrierte Informationen: eine vorläufige Manifest" biologische Bulletin 215:216-242.

Zhou, d.w. Et Al. (2015) "Durchsickern Modell der sensorischen Übertragung" und Verlust des Bewusstseins unter Vollnarkose, Physical Review Letters 115: 108103.

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