Mittwoch, 30. März 2016

Nervenzelle eine Art Quantencomputer?

Nervenzelle eine Art Quantencomputer?


Penrose gehört zu den berühmtesten Köpfen unter den Mathematikern. Jeder Physiker kennt die Penrose-Muster, in denen Vielecke eine Fläche so parkettieren, dass sich das Muster niemals wiederholt. Auch in der Quantenphysik gilt er als Experte und erhielt zusammen mit dem Astrophysiker Stephen Hawking einen Preis für Arbeiten zum Verständnis des Universums. In den Neurowissenschaften ist er jedoch Autodidakt, und ursprünglich begründete er seine Idee von der Nichtberechenbarkeit geistiger Vorgänge rein mathematisch. Dann aber fand er in dem amerikanischen Anästhesiologen und Zellspezialisten Stuart Hameroff von der Universität in Arizona einen engagierten Mitstreiter vom Fach, mit dem er das Penrose-Hameroff-Modell einer Nervenzelle entwickelte.
In diesem Modell ist bereits jede einzelne Nervenzelle eine Art Quantencomputer, der auf nicht vollständig berechenbare Weise Information verarbeitet. Die Quantenprozesse finden in winzigen, nur wenige millionstel Millimeter feinen Röhrchen aus Eiweißmolekülen statt, den Mikrotubuli. Jede Zelle besitzt eine Gerüststruktur aus einigen Millionen Mikrotubuli. Hameroff stieß auf die möglicherweise wichtige Rolle der Mikrotubuli, als er vor Jahren die Zellstruktur eines Pantoffeltierchens untersuchte. Dieser Einzeller verhält sich so geschickt in seiner Umwelt, dass Hameroff in den Mikrotubuli ein Steuerungssystem vermutete, eine Art von primitiver Informationsverarbeitung.

Denn die Eiweißmoleküle oder Tubuline, aus denen die Röhrchen bestehen, können sich lang ausstrecken oder kontrahieren, und mit diesen beiden Zuständen lässt sich rechnen wie mit Null und Eins bei einem digitalen Computer. Ein Mikrotubuli aus einem Gitter von Tubulin-Molekülen zeigt ein kompliziertes Muster aus ausgestreckten und kontrahierten Eiweißeinheiten, in welchem Informationen verschlüsselt sind.

Die Quantenphysik kommt dadurch ins Spiel, dass sich über einen gewissen Zeitraum die beiden möglichen Zustände eines Tubulin-Moleküls überlagern, das System ist während dieser Zeit unbestimmt. Erst durch den Prozess der so genannten objektiven Reduktion kollabiert das unbestimmte Muster in den Mikrotubuli in eine eindeutige Konfiguration. Nach den Überschlagsrechnungen von Penrose und Hameroff soll dies normalerweise etwa 40 Mal pro Sekunde geschehen und jedes Mal ein bewusstes Erlebnis produzieren.

Das Bewusstsein ist demnach kein Kontinuum, sondern ein Strom aus diskreten Bewusstseinsereignissen, so wie es auch in der Hirnforschung beobachtet wird. Hameroff und Penrose sind davon überzeugt, dass dieses Modell viele offene Fragen lösen kann, die das Bewusstsein umranken.
Penrose und Hameroff betonen, dass ihr Modell den Boden der Naturwissenschaft nicht verlässt, auch wenn noch Weiterentwicklungen der Physik dafür nötig seien. Anders als der Neurophysiologe Sir John Eccles, der als gläubiger Katholik seine religiösen Vorstellungen mit seinem biologischen Expertenwissen stützen wollte, müssen Penrose und Hameroff keinen immateriellen Geist annehmen, der auf nicht erforschbare Weise den materiellen Körper steuert. Das Quantenmodell des Bewusstseins würde auf nachvollziehbare Weise Raum für die Unbestimmtheit lassen, die für einen freien Willen notwendig wäre, meinen Penrose und Hameroff. Tatsächlich biete die Quantentheorie einen echten Ausweg aus einer deterministischen Weltsicht, sagt auch der Frankfurter Physikprofessor Thomas Görnitz.
Die meisten Neurowissenschaftler und sogar die meisten zeitgenössischen Philosophen gehen dagegen zurzeit davon aus, dass wir keinen freien Willen haben, sondern vollständig determiniert handeln. Sie betrachten das Konzept eines freien Willens lediglich als eine sozial nützliche Illusion. Für sie ist das menschliche Bewusstsein kein Rätsel, sondern nur eine nützliche Eigenschaft höherer Organismen, um auf neue Probleme zu reagieren und das vertrackte Sozialleben zu meistern.
Widerspruch ernten Penrose und Hameroff jedoch nicht nur von Neurowissenschaftlern, sondern auch aus den Reihen der Quantenmechanikexperten. So berechnete kürzlich der Quantenphysiker Max Tegmark von der University of Pennsylvania, dass unter den Wärmebedingungen im Gehirn eine Quantenkohärenz, wie sie von Penrose angenommen wird, niemals lange genug aufrechterhalten werden könnte.

Aber, so kontert Hameroff, der Physiker Tegmark habe die biologischen Details des Modells einfach nicht zur Kenntnis genommen, es könne zu Abschirmungen der störenden Außeneffekte in den nanometergroßen Mikrotubuli kommen.
Ob und inwieweit die Quantenphysik in biologischen Systemen eine Rolle spiele, das zähle tatsächlich zu den spannendsten Fragen der nächsten Jahrzehnte, meinte der Wiener Quantenphysiker Anton Zeilinger vor kurzem auf einer Tagung der Berlin-Brandenburgischen Akademie der Wissenschaften in Berlin zum Thema Interdisziplinarität. Weil jedoch die Neurowissenschaftler bisher sehr wenig über Quantenmechanik wissen, die Physiker dagegen fast nichts über Nervenzellen, werden Penrose und Hameroff vermutlich noch länger als exotische Außenseiter weiterfechten. Ob sie Recht haben, wird sich vielleicht in den nächsten 100 Jahren entscheiden. 

Keine Kommentare:

Kommentar veröffentlichen