Bindungsproblem

Das Bindungsproblem (eng. binding problem) ist ein zentrales Thema in den Neurowissenschaften und in der Philosophie des Geistes. Es geht dabei um die Frage, durch welche neuronalen Prozesse die Vielzahl der Sinneseindrücke zu einer einheitlichen Wahrnehmung verbunden werden.

Eine grundlegende sensorische Intergration (eng. sensory processing) verschiedenster Sinneseindrücke findet in den tertiären Assoziationsgebieten des Gyrus angularis und des Gyrus supramarginalis der dominanten Hirnhemisphäre statt. Sie fassen die Daten der sekundären visuellen, auditiven und kinästhetischen Assoziationsgebiete zusammen.. Damit ist aber noch nicht geklärt, wie einzelne Objekte voneinander unterschieden werden (Segmentierung; eng. segregation), wie der konkrete Gesamteindruck eines Objekts entsteht (Gruppierung; eng. combination) und wie und warum dieser ins Bewusstsein gehoben wird.

„Die Struktur von Bindungsproblemen, die in solch distributiv organisierten Systemen gelöst werden müssen, läßt sich auch an scheinbar einfachen Wahrnehmungsakten veranschaulichen. Wenn man eine beliebige Szene betrachtet und sich dabei vergegenwärtigt, daß diese auf der Netzhaut lediglich eine zweidimensionale Helligkeitsverteilung erzeugt, wird deutlich, welch immense Leistung das Sehsystem erbringen muß, um die in der Szene enthaltenen Figuren vom Hintergrund abzugrenzen und zu identifizieren.

Unsere Sehzentren müssen von den vielen Konturen und Helligkeitsunterschieden jene herausfinden, die konstitutiv für eine bestimmte Figur sind, diese perzeptuell binden und dann gemeinsam interpretieren. Es muß also wieder ein Bindungsproblem gelöst werden. Würde dieses Bindungsproblem falsch gelöst, würden z. B. die Konturen von Objekten mit Konturen des Hintergrundes verbunden, wäre es natürlich unmöglich, die Objekte zu erkennen. Die Segmentierung muß folglich dem Erkennungsprozeß vorausgehen. Erst nachdem richtig segmentiert wurde, kann erkannt werden. Dies bedeutet aber, daß der Segmentierungsprozeß sehr allgemeinen Regeln folgen muß, die auf beliebige Szenen gleichermaßen angewandt werden können. Wir gehen heute davon aus, daß die Regeln, denen solche Segmentierungsleistungen gehorchen, zum großen Teil angeboren sind, also auf Wissen beruhen, das im Laufe der Evolution erworben und in den Genen gespeichert wurde; Wissen über zweckmäßige Gruppierungen, das sich in genetisch determinierten Verschaltungsmustern ausdrückt, die ihrerseits das Programm für die Gruppierungsoperationen darstellen. Gruppierungsregeln können natürlich auch gelernt werden, und dies dürfte vor allem für solche zutreffen, die auf komplexen Gestaltkriterien beruhen. Auch dieses durch Erfahrung erworbene Wissen muß aber letztlich über Änderungen der funktionellen Koppelung von Neuronen abgespeichert werden.“ (Lit.: Singer, 76)

Wenn man etwa einen roten Ball wahrnimmt, der sich von rechts nach links bewegt, so kann man zwar feststellen, dass verschiedene, teils weit voneinander entfernte Gehirnzentren aktiv werden, die auf etwas „Rotes“ reagieren, andere auf etwas „Rundes“ und wieder andere auf etwas, das sich „von rechts nach links bewegt“. Diese Prozesse bleiben völlig unbewusst. Ungeklärt ist, wie daraus der bewusste Gesamteindruck eines „von rechts nach links bewegten roten Balles“ entsteht. Das Bindungsproblem steht damit auch in engem Zusammenhang mit der Frage nach dem neuronalen Korrelat des Bewusstseins.

Der US-amerikanischer Philosoph Daniel Dennett (* 1942) wendet sich entschieden gegen alle Homunkulus-Theorien des Geistes. Das sei nämlich immer dann der Fall, wenn man davon ausgehe, dass alle Informationen, die das Gehirn verarbeite, an einem zentralen Ort - dem „Homunkulus“ - zusammengeführt werden müssten, um ins Bewusstsein zu gelangen. Er verwendet dafür die Metapher eines „Cartesianischen Theaters“, in dem die Informationen dem inneren Betrachter präsentiert würden. Das sei aber völlig unnötig: „Wenn eine bestimmte Beobachtung durch einen spezialisierten Teil des Gehirns gemacht wurde, ist der Informationsgehalt gegeben und muss nicht zu einer erneuten Beobachtung zu einem zentralen Beobachter geschickt werden.“ Denett entwickelte entsprechend ein „Modell der verschiedenen Entwürfe“ (multiple drafts model), dem zufolge in verschiedenen Gehirnregionen unterschiedliche Interpretationen der Informationen gebildet würden, die miteinander konkurrieren, ohne jemals an einer zentralen Stelle miteinander verglichen zu werden. Die meisten Kritiker Dennetts sind sich darüber einig, dass es zwar keinen räumlich Ort gebe, an dem alle Informationen zusammengeführt würden, dass es aber doch einen Prozess geben müsse, der alle Information zu einer einheitlichen Wahrnehmung verbinde. Dieses Bindungsproblem sei durch Dennetts multiple drafts nicht gelöst.

Das Gehirn ist nun tatsächlich ein hochgradig verteiltes System, in dem zahlreiche Operationen parallel ausgeführt werden und ein gemeinsames koordinierendes Zentrum fehlt. Einer der Koordinationsmechanismen scheint auf der Synchronisation der neuronaler Aktivität durch selbst erzeugte Netzwerkoszillationen zu beruhen. Nach theoretischen Vorarbeiten von P. M. Milner (1974), S. Grossberg (1976) und Christoph von der Malsburg (1981) gelang mit der Entdeckung synchroner 40 Hertz-Schwingungen eine erste experimentelle Bestätigung im Labor von Wolf Singer. Die synchronisierten Impulse werden in einem engen Zeitfenster im Bereich von Millisekunden übermittelt und verarbeitet und bewirken eine nutzungsabhängige Modifikation der synaptischen Wirksamkeit, die mit der gleichen hohen zeitlichen Auflösung wie der Synchronisationsmechanismus erfolgt.

Ausgehend von der Beobachtung, dass die menschliche Informationsverarbeitung großteils unbewusst abläuft und nur ein Bruchteil der aufgenommenen Informationen tatsächlich ins Bewusstsein gelangt, entwickelte Bernard Baars in seinem 1986 veröffentlichen Buch A cognitive theory of consciousness die Theorie des globalen Arbeitsraums (Global Workspace Theory). Demnach zeichnen sich die bewusst gewordenen Informationen dadurch aus, dass sie dem Menschen in einer besonderen Weise zur Verfügung stehen und gezielt mit Gedächtnis- oder Wahrnehmungsinhalten abgeglichen als Grund für motorische oder sprachliche Aktionen dienen können, was bei unbewusst verarbeiteten Informationen nicht der Fall ist. Stanislas Dehaene hat diesen theoretischen Ansatz aufgegriffen und auf empirischer Basis weiter verfolgt. Er konnte dadurch mehrere neuronale Signaturen bewusster Erlebnisse identifizieren, die sich klar von den neuronalen Korrelaten unbewusster Informationsverarbeitung unterscheiden. Dehaene beschreibt vier verlässliche Signaturen bewussten Erlebens, zu denen auch die Synchronisation hochfrequenter Oszillationen über weite Gehirnbereiche zählt:

„Obwohl ein unterschwelliger Reiz tief in den Kortex eindringen kann, wird diese Gehirnaktivität zunächst erheblich verstärkt, wenn dieser Reiz die Schwelle der Wahrnehmung überschreitet. Er gelangt dann in viele zusätzliche Regionen, was zu einer plötzlichen Zündung parietaler und präfrontaler Schaltkreise führt (Signatur 1). Im Elektroenzephalogramm erscheint bewusster Zugang als späte, langsame Welle namens P3-Welle (Signatur 2). Dieses Ereignis tritt erst eine Drittelsekunde nach dem Reiz auf: Unser Bewusstsein hinkt hinter der Außenwelt her. Verfolgt man die Gehirnaktivität mit tief ins Gehirn eingepflanzten Elektroden, können zwei weitere Signaturen beobachtet werden: eine späte und plötzliche Häufung hochfrequenter Oszillationen (Signatur 3) und eine Synchronisation von Prozessen des Informationsaustauschs über ferne Gehirnregionen hinweg (Signatur 4). All diese Ereignisse liefern verlässliche Hinweise auf bewusste Verarbeitung.“ (Lit.: Dehaene, S. 173)

Typisch für das bewusste Erleben scheinen auch weitreichende Rückkopplungsschleifen zu sein.

Literatur

• Christof Koch, Jorunn Wissmann (Übers.), Monika Niehaus-Osterloh (Übers.): Bewusstsein - ein neurobiologisches Rätsel: Mit einem Vorwort von Francis Crick, Spektrum Akademischer Verlag 2014, ISBN 978-3827431226
• Bernard Baars: A cognitive theory of consciousness, NY: Cambridge University Press 1988, ISBN 0-521-30133-5, eBook ASIN B005A8CUGO
• Wolf Singer: Der Beobachter im Gehirn. Essays zur Hirnforschung. Suhrkamp, Frankfurt am Main 2002, ISBN 3-518-29171-8
• Stanislas Dehaene, Helmut Reuter (Übers.): Denken: Wie das Gehirn Bewusstsein schafft, Albrecht Knaus Verlag 2014, ISBN 978-3813504200, eBook ASIN B00KG66INQ
• Thomas Metzinger: Der Ego-Tunnel: Eine neue Philosophie des Selbst: Von der Hirnforschung zur Bewusstseinsethik, Piper Taschenbuch 2014, ISBN 978-3492305334, eBook ASIN B00GZL6ZT8
• Daniel C. Dennett: Consciousness Explained, Little, Brown & Company 1991, ISBN 978-0316180658, eBook ASIN B06XHKQRWV
• David J. Chalmers: The Conscious Mind: In Search of a Fundamental Theory, Oxford University Press Inc 1996, ISBN 978-0195105537, eBook ASIN B004SL4KI0
• Katherina Lugmair: Sensorische Integration - Raumwahrnehmung unter besonderer Berücksichtigung des Kindesalters, Dissertation an der Medizinischen Fakultät der Ludwig-Maximilians-Universität München 2006 pdf
• Johannes W. Rohen: Funktionelle Neuroanatomie: Lehrbuch und Atlas, Schattauer, F.K. Verlag 2001, ISBN 978-3794521289
• Johannes W. Rohen, Elke Lütjen-Drecoll: Funktionelle Anatomie des Menschen: Lehrbuch der makroskopischen Anatomie nach funktionellen Gesichtspunkten, Schattauer; Auflage: 11., überarb. u. erw. Aufl. (September 2005), ISBN 978-3794524402
• Johannes W. Rohen: Eine funktionelle und spirituelle Anthropologie: unter Einbeziehung der Menschenkunde Rudolf Steiners, 1. Aufl., Verlag Freies Geistesleben, Stuttgart 2009, ISBN 978-3772520983
• Johannes W. Rohen, Chihiro Yokochi, Elke Lütjen-Drecoll: Anatomie - Der fotografische Atlas der systematischen und topografischen Anatomie des Menschen, 8. Aufl., Schattauer, 2015, ISBN 978-3-7945-2981-0 (Print) und ISBN 978-3-7945-6804-8 (eBook PDF) [1]
• Johannes W. Rohen: Morphologie des menschlichen Organismus, 4. Aufl., Verlag Freies Geistesleben, Stuttgart 2016, ISBN 978-3772519987
• Peter Heusser: Anthroposophie und Wissenschaft: Eine Einführung. Erkenntniswissenschaft, Physik, Chemie, Genetik, Biologie, Neurobiologie, Psychologie, Philosophie des Geistes, Anthropologie, Anthroposophie, Medizin, Verlag am Goetheanum, Dornach 2016, ISBN 978-3723515686