Studie von 2016: Könnte Bewusstsein ein Nebenprodukt der Entropie im Gehirn sein?

Schon die Vorstellung ist erstaunlich genug, dass unser menschliches Gehirn aus demselben „Sternenstaub“ besteht, aus dem auch das Universum entstanden ist. Eine ungewöhnliche Studie aus dem Jahr 2016 legt jedoch nahe, dass Gehirn und Kosmos womöglich noch eine weitere Gemeinsamkeit haben.

Demnach könnte unser Gehirn – ähnlich wie das Universum – darauf „ausgerichtet“ sein, Unordnung zu maximieren, ganz in der Nähe dessen, was man als Entropieprinzip beschreibt. Unser Bewusstsein wäre dann möglicherweise kein eigens „eingebautes“ Ziel, sondern eher ein Nebeneffekt.

Seit Jahrhunderten versuchen Menschen zu verstehen, was Bewusstsein überhaupt ist: die Fähigkeit, sich selbst und die Umgebung wahrzunehmen. Obwohl es zu den zentralen Merkmalen des Menschseins gehört, ringen Forschende weiterhin mit grundlegenden Fragen: Wo entsteht Bewusstsein, wann setzt es ein – und warum gibt es es überhaupt?

Bewusstsein, Gehirn und Entropie: die Idee hinter der Studie

Die 2016 veröffentlichte Arbeit, geleitet von Forschenden aus Frankreich und Kanada, schlägt eine andere Erklärung vor: Was, wenn Bewusstsein ganz natürlich daraus entsteht, dass das Gehirn seinen Informationsgehalt maximiert? Anders gesagt: Was, wenn Bewusstsein ein Nebenprodukt davon ist, dass das Gehirn sich in Richtung eines Zustands höherer Entropie bewegt?

Entropie bezeichnet grob gesagt den Übergang eines Systems von Ordnung zu Unordnung. Man kann sich das an einem Ei klarmachen: Sind Eigelb und Eiweiß sauber getrennt, ist die Entropie niedrig. Wird das Ei verquirlt, ist die Entropie hoch – die Anordnung ist so ungeordnet, wie sie praktisch sein kann.

Viele Physikerinnen und Physiker gehen davon aus, dass sich unser Universum ähnlich verhält. Seit dem Urknall hat es sich schrittweise von einem Zustand niedriger Entropie in Richtung höherer Entropie entwickelt. Weil der zweite Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass die Entropie in einem System nur zunehmen kann, wird dieses Prinzip oft herangezogen, um zu erklären, warum der Zeitpfeil nur in eine Richtung zeigt: nach vorn.

Vor diesem Hintergrund übertrug das Forschungsteam die gleiche Denkweise auf die Verbindungen im Gehirn. Die Frage war, ob sich in der Art, wie sich diese Verknüpfungen in wachem Bewusstsein organisieren, bestimmte Muster erkennen lassen.

So wurde das Netzwerk der Nervenzellen modelliert

Um das zu prüfen, nutzte ein Team der University of Toronto und der Paris-Descartes-Universität eine Wahrscheinlichkeitstheorie aus der Physik: die statistische Mechanik. Damit modellierten sie die neuronalen Netzwerke in den Gehirnen von neun Personen – darunter sieben Menschen mit Epilepsie.

Im Mittelpunkt stand die Synchronisation von Nervenzellen: also ob Neuronen phasengleich schwingen. Aus diesem Grad an Gleichlauf sollte abgeleitet werden, ob Gehirnzellen miteinander gekoppelt sind oder nicht.

Analysiert wurden zwei Datensätze. Erstens verglichen die Forschenden die Muster der Konnektivität, wenn Teilnehmende schliefen, mit denen im Wachzustand. Zweitens betrachteten sie bei fünf der Epilepsie-Patientinnen und -Patienten den Unterschied zwischen Anfällen und einem normalen, „wachen“ Zustand.

In beiden Vergleichssituationen zeigte sich derselbe Verlauf: In einem vollständig bewussten Zustand wiesen die Gehirne der Teilnehmenden eine höhere Entropie auf.

„Wir finden ein überraschend simples Ergebnis: Normale Wachzustände sind durch die größte Zahl möglicher Konfigurationen von Interaktionen zwischen Gehirnnetzwerken gekennzeichnet, was die höchsten Entropiewerte darstellt“, schrieb das Team.

Aus dieser Beobachtung folgerten die Forschenden, Bewusstsein könne schlicht eine „emergente Eigenschaft“ eines Systems sein, das darauf hinausläuft, den Informationsaustausch zu maximieren.

Einschränkungen, Einordnung und nächste Schritte

Bevor man daraus zu viel ableitet, ist die Arbeit mit deutlichen Grenzen behaftet – allen voran durch die geringe Stichprobe. Mit lediglich neun Personen sind belastbare Trends schwer abzusichern, zumal die Gehirne der Teilnehmenden auf die verschiedenen Zustände jeweils etwas unterschiedlich reagierten. Zum jetzigen Zeitpunkt bleibt es daher in weiten Teilen Spekulation.

Der Physiker Peter McClintock von der Lancaster University im Vereinigten Königreich, der nicht an der Studie beteiligt war, sagte damals gegenüber Edwin Cartlidge bei Physics World, die Ergebnisse seien „faszinierend“, müssten aber an deutlich mehr Probandinnen und Probanden überprüft werden. Zudem brauche es Experimente in weiteren Gehirnzuständen, etwa wenn Patientinnen und Patienten unter Narkose stehen.

Trotzdem liefert die Studie einen brauchbaren Ausgangspunkt für weitere Forschung – und deutet eine mögliche neue Hypothese an, warum unser Gehirn überhaupt dazu neigt, bewusst zu sein.

Wir stehen erst am Anfang, zu verstehen, wie die Organisation des Gehirns unser Bewusstsein beeinflussen könnte. Dennoch ist es ein bemerkenswertes Themenfeld – und eine Erinnerung daran, dass wir alle über die Gesetze verbunden sind, die auch das Universum bestimmen.

Die Studie wurde in Physical Review E veröffentlicht.

Eine Version dieses Artikels wurde ursprünglich im Januar 2018 veröffentlicht.