Gehirnsignale können zeigen, wie wach das Gehirn einer Fliege ist

Ein Foto von einer Person, die Tennis spielt Mohamed Nuzrath von Pixabay

Bewusstseinsebenen sind notorisch schwer zu messen. Der Goldstandard besteht darin, funktionelle Magnetresonanzbilder des Gehirns zu untersuchen, während eine Person verschiedene Reize erhält, beispielsweise Anweisungen, an Tennisspielen zu denken. Dadurch werden die Aktivitätsmuster im Gehirn messbar verändert.

Aber fMRT-Geräte sind sperrig und teuer, und die Tests sind schwierig durchzuführen, insbesondere für Patienten im Koma oder in einem Zustand mit minimalem Bewusstsein. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die elektrische Aktivität des Gehirns mithilfe von EEG-Scans zu messen. Das ist einfacher, aber Neurowissenschaftler müssen sich auf einen klaren Bewusstseinsmarker in diesen Signalen einigen.

Daher wird dringend eine bessere Methode benötigt, um das zu messen, was als „bewusste Erregung“ bekannt ist.

Hier Roberto Muñoz von der Monash University in Australien und eine Reihe von Kollegen. Diese Leute haben einen Weg gefunden, den Grad der bewussten Erregung bei Fruchtfliegen zu messen, indem sie die Komplexität der vom Gehirn erzeugten Signale verwenden. Ihre Technik ermöglicht es ihnen, zwischen betäubten und nicht betäubten Fliegen zu unterscheiden, indem sie einfach die Signale betrachten.

Die neue Arbeit bietet eine objektive Möglichkeit, bewusste Erregung zu messen, basierend auf etablierten Ideen aus der Komplexitätstheorie. Es ist möglicherweise auf den Menschen anwendbar. Und es spiegelt ein wachsendes Interesse an neuen Bewusstseinstheorien wider, die experimentell überprüfbar sind.

Zunächst etwas Hintergrund. Einer der wichtigsten Durchbrüche in der Erforschung des Bewusstseins in den letzten Jahren ist eine Idee, die als integrierte Informationstheorie bekannt ist . Die vom Neurowissenschaftler Giulio Tonini entwickelte Idee ist, dass ein bewusstes System zwei spezifische Merkmale aufweisen muss.

Erstens müssen große Mengen an Informationen verarbeitet werden. Zweitens müssen diese Informationen in ein Ganzes integriert werden, das nicht in unabhängige Teile zerlegt werden kann. Dies spiegelt die Erfahrung wider, dass jeder Moment des Bewusstseins ein einheitliches Ganzes ist. Bewusstsein ist also ein Informationsphänomen mit spezifischen Eigenschaften.

Einer der großen Vorteile dieser Theorie ist, dass sie sich für mathematische Analysen eignet. Tatsächlich haben Physiker wie Max Tegmark am MIT mathematische Modelle der integrierten Informationstheorie entwickelt, die überprüfbare Vorhersagen machen und modifiziert werden können, um Beobachtungsdaten zu berücksichtigen.

Zum Beispiel sagt die Theorie voraus, dass die mit bewusster Erregung verbundenen Informationen ein gewisses Maß an Komplexität haben müssen. Und deshalb ist die Komplexität der Informationen, die es produziert, ein Maß für bewusste Erregung.

Es gibt jedoch ein Problem. Die Informationen, die mit bewusster Erregung verbunden sind, sind eindeutig mit vielen verschiedenen Teilen des Gehirns verbunden. Das Messen dieser integrierten Informationen ist eine schwierige Aufgabe.

Aber es gibt einen einfacheren Ansatz. Dabei wird der Informationsstrom von bestimmten Stellen im Gehirn betrachtet und die Komplexität der von ihm produzierten Zeitreihen gemessen. Da diese Zeitreihe mit den Mechanismen korreliert ist, die Informationen im Gehirn integrieren, sollte sie einen Einblick in die dahinter stehende Bewusstseinsebene bieten.

Zumindest ist das die Theorie. Um seinen praktischen Wert herauszufinden, untersuchen Muñoz und Kollegen die Gehirnsignale, die von 13 Fruchtfliegen sowohl im Wachzustand als auch im betäubten Zustand abgegeben werden. Dann untersuchen sie die Signale, um zu sehen, wie komplex sie sind.

Die Ergebnisse sorgen für eine interessante Lektüre. Wir haben festgestellt, dass die statistische Komplexität im Durchschnitt größer ist, wenn eine Fliege wach ist, als wenn dieselbe Fliege betäubt ist, sagen sie.

Das ist wichtig, weil es einen zuverlässigen Weg vorschlägt, den Grad der bewussten Erregung anhand von Daten aus einem einzigen Kanal zu bestimmen, anstatt aus vielen verschiedenen Datenquellen. Es deutet auch darauf hin, dass es einen klaren Marker für bewusste Erregung gibt, der nicht von spezifischen äußeren Reizen abhängt.

Das ist eine interessante Arbeit, die die Möglichkeit für detailliertere Studien eröffnet. Beispielsweise könnten die Daten einzelner Kanäle mehr Einblicke in die Natur des Bewusstseins bieten. Es ist wahrscheinlich, dass die Anwendung einer ähnlichen Analyse auf andere Datensätze, insbesondere menschliche EEG-Daten, zu neuen Entdeckungen in Bezug auf die Beziehung zwischen Bewusstsein und Komplexität führen wird, sagen Muñoz und Co.

Es ist noch gar nicht so lange her, dass Bewusstsein für Forscher ein Tabuthema war, weil man es scheinbar nicht wissenschaftlich angehen konnte. Aber die neue Arbeit spiegelt ein neu entdecktes Interesse und eine Begeisterung für die Erforschung des Bewusstseins mit überprüfbaren Hypothesen und reproduzierbaren Beobachtungen wider. Offensichtlich stehen aufregende Zeiten bevor.

Ref: arxiv.org/abs/1905.13173 : Zustände bewusster Erregung anhand statistischer Komplexität unterscheiden

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