2.  Bewusstsein, Modell, und Information

2.1.  Bewusstsein

Was ist Bewusstsein? Dies ist eine der schwierigsten Fragen, die sich die Natur– und Geisteswissenschaften stellten und stellen. Sie ist nicht zu eindeutig zu beantworten. Wenn es keine eindeutige Antwort gibt, wieso wird dieser Begriff oder Inhalt hier verwendet? Es ist der Begriff als solcher, der sich erst im Zusammenhang mit den Begriffen und Objekten eines Fachbereichs, z.B. Neurologie oder KNN, erschliesst.

Ich verstehe unter Bewusstsein in Allgemeinen das Zusammenspiel von vielen geistigen Zuständen wie Wahrnehmungen, Empfindungen, internen Vorstellungen, Erleben oder Gedanken. Das menschliche Bewusstsein ist immer mit dem Gehirn verbunden. Mit diesem Organ unseres Körpers sind wir in der Lage unsere Umwelt bewusst zu erleben oder zu gestalten. Das häufig unterschiedlich definierte Phänomen des Bewusstsein hatte schon in der antiken Philosophie eine grosse Bedeutung. Ausserdem hat das Erstellen und Interpretieren von geistigen Bildern eine gewisse Ähnlichkeit mit der Anwendung von Modellen in den Wissenschaften. Je nach Verwendung überschneidet sich der Begriff Bewusstsein mit den Bedeutungen der Begriffe Geist oder Seele. So kann das Bewusstsein eine objektive Tatsache, z.B. die Farbe Rot, erkennen und beschreiben, aber diese Erkenntnis findet immer in einem gedanklichen Umfeld statt, z.B. eingebunden in Gefühle.

Die Betrachtung des Bewusstseins als Zusammenspiel von Ereignissen oder Erleben bezeichnet man auch als phänomenales Bewusstsein. Dies bedeutet, dass ein Lebewesen nicht nur Reize aufnimmt, sondern sie auch erlebt. Diese Art des Bewusstseins setzt eine entwickelte Hirnstruktur voraus. Als Beispiel sei nur das unangenehme Gefühl beim Zahnarzt angeführt, viele Menschen erleben auch den Zahnschmerz. Weiterhin wird Bewusstsein auch durch Gedanken ausgedrückt. Beim Denken oder Planen, z.B. der dargestellten Gedanken in diesem Werk, ist Bewusstein im Spiel. Neben diesen beiden Schwerpunkten einer möglichen Interpretation haben auch noch das Selbstbewusstsein und die Einzigartigkeit eine gewisse Bedeutung. Das heisst, nur ich als Verfasser dieser Gedanken kann Ich sein und es sind meine Gedanken, wobei es natürlich gut wäre, wenn der Leser sich einige dieser Gedanken zu Eigen machen könnte.

Wie kann man den vieldeutigen Begriff Bewusstsein objektiver fassen? Ich werde den Schwerpunkt Informationsfluss verwenden. In der Abbildung 2.1 ist ein Schema dargestellt, wo die äussere Ebene die Realität bzw. Natur repräsentiert. Aus und über die Natur gelangen Informationen durch den Informationsfluss zu dem Gehirn. Der Körper ist ebenfalls eine Realität. Deshalb wurden im Schema verschiedene Ebenen dargestellt. Innerhalb des Körpers werden die Informationen mittels dem Gehirn verarbeitet und wechselwirken wieder mit der Realität. Das man diese Wechselwirkung erlebt ist eine Form des Bewusstseins. Beim Durchdringen der Ebenen entsteht so ein Informationsfluss. Dieser kann unterschiedliche Auswirkungen haben, je nachdem wie die Information interpretiert werden.

Doch noch mal zurück zur Eingangsfrage: Was ist Bewusstsein?. Man kann die Frage auch erweitern: Wie entstehen Objekte, in einem Klumpen organischen Stoffes, die man als Bewusstsein oder Geist bezeichnet? Da in diesem Buch auch die KNN vorkommen werden, die von der Funktion des Gehirn, dieses Klumpens organischer Materie, inspiriert sind, ist natürlich auch noch die Frage relevant, kann ein künstliches Gebilde Bewusstsein haben? Bisher ist es noch keinem realen künstlichen Gebilde gelungen ein Bewusstsein zu realisieren. Aber die Erforschung des Gehirns durch die Neurowissenschaften liefert Fakten zu der Fragestellung des Verhältnisses zwischen Körper und Geist (JPC92; Koc05; FA05). Ausserdem wird der Begriff Bewusstsein hier in allgemeiner Art verstanden, im Unterschied zu dem Bewusstsein als Grad für die Wachheit von Erleben und Verhalten (Vigilanz) in der Psychologie. Diese Art von Bewusstsein ist in der Betrachtung des phänomenalen Bewusstein mit enthalten.

Wie kann man nun den allgmeinen Bewusstseinsbegriff noch weiter sachlicher fassen? Bewusstsein ergibt sich in und aus verschiedenen mentalen Zuständen (geistige Abbildern). Diese Zustände haben häufig eine Ursache und eine Wirkung, sie besitzen eine Kausalität. Dies kann man z.B. durch die Erregungszustände eines Gehirns, genauer von Hirnbereichen, feststellen. Damit sind mentale Zustände an neuronale Zusammenhänge gekoppelt. Dies ist Untersuchungsgegenstand der Neurowissenschaften. Kann man die Zustände beschreiben, so sind sie auch formaliserbar. Dann kann man mit Hilfe von Mathematik und Informatik Modelle entwickeln, z.B. die KNN, um diese Zustände auf einem Computer zu realisieren. Hier findet man die Denkansätze, die in der Forschung zur künstlichen Intelligenz wirken. Für die Naturwissenschaften gibt es somit mehrere Zugänge zum Bewusstsein. Es kann eine Form der Berechnung sein, d.h. die Wahrnehmung beruht auf der Realisierung von Berechnungen oder das Bewusstsein ist eine Eigenschaft von Vorgängen im Gehirn. Diese kann man zwar berechnen, aber die simulierte Berechnung schafft kein Bewusstsein. Man könnte aber auch sagen, dass die bisherigen Methoden zur Beschreibung des Bewusstseins nicht ausreichend sind und man eine neue Wissenschaft benötigt bzw. das Bewusstsein entzieht sich jeglicher wissenschaftlichen Erklärung.

In diesem Buch werden die ersten beiden Interpretationsversuche bevorzugt. Hier wird von der Annahme ausgegangen, dass das Bewusstsein auf gewissen kausalen neuronalen Zuständen beruht. Diese Zustände werden hervorgerufen durch eine Sinneswahrnehmung, dadurch werden eventuell auch neue Zustände erzeugt. Dies bewirkt eine Wechselwirkung mit den Objekten der Sinneswahrnehmung. Ich sehe Qualm, assoziere mit Qualm Feuer und somit Gefahr und mein Verhalten wird eine entsprechende Reaktion, z.B. Löschen oder Flucht, sein. Allgemeiner gesprochen erhalte ich über die Sinnesorgane, z.B. die Augen, eine Information. Diese wird in bestimmten Hirnbereichen verarbeitet und stellt meinen Körper als Gesamtsystem auf die Reaktion ein. Der Informationsfluss ist in Abb. 2.1 bereits schematisch angedeutet. Die Assoziation durch die Information bewirkt mentale Zustände, die man mit Bildern, z.B. einer schönen Frau, verbinden kann. Man wird sich also der “schönen Frau„ durch ein entsprechendes geistiges Bild oder Modell bewusst.

Information und Modell sind zwei wichtige Begriffe, die bei der Beschreibung des Bewusstseins hilfreich sind. Natürlich sind es auch Schlüsselbegriffe bei einer Umsetzung auf künstliche Gebilde, welche als Erklärungsmuster oder eigene Anwendung dienen können. Trotz der aufgeführten Fakten bleibt das Bewusstsein rätselhaft. Weitere Aspekte werden im Teil II „Eine kurze Übersicht zu biologischen und neurologischen Grundlagen“ betrachtet und einige offene philosophische Frage werden im Kapitel 18 behandelt. Gute Literatur zur Frage des Bewusstsein findet unter anderem in (Nør97; Ede93; Kan06; Koc05; vN91) und in (JPC92).

2.2.  Information

Im Vorgängerkapitel, im Abschnitt 1.3, wurde der Begriff der Information bereits eingeführt. Dieser Begriff muss noch genauer belegt werden, da er bei den nachfolgenden Beschreibungen und Erklärungen eine wichtige Rolle spielt. Eigentlich scheint Information ein Allerweltsbegriff zu sein. Dem ist aber nicht so. Man muss genau auf den Zusammenhang bei der Verwendung des Begriffes achten. Man gebe nur einmal einen Begriff in der Internetsuchmaschine GOOGLE ein, um die Vielfalt von Referenzen oder Bedeutungen zu erhalten.

Im Allgemeinen versteht man unter Information soviel wie Auskunft, Nachricht oder Mitteilung. Speziell dient eine Information einer Unterrichtung in oder aus Sachverhalten. Bei der Betrachtung von Information erkennt man, das sie immer an einen Träger gebunden ist. Information besteht somit aus Materie oder Energie bzw. es ist eine Eigenschaft der Materie oder Energie. Die Information, um die es in diesem Buch geht, ist eine Grösse der Kommunikation, entweder des Gehirns mit der Aussenwelt oder der KNN in Einsatz.

Information, wie bereits angeführt, ist also ein Begriff mit unterschiedlichen Bedeutungen. Einerseits kann man jemanden eine Nachricht zukommen lassen, z.B. durch eine SMS. Mit einer Information kann man aber auch den Prozess des Informierens beschreiben, z.B. Lesen eines Buches. Hieraus ergibt sich ein weiterer Aspekt der Information, das Vermindern von Unkenntnis, denn beim Lesen erhält man als Leser mehr oder weniger Wissen über bestimmte Sachverhalte, z.B. das Gehirn oder die KNN.

Damit die Information eine Bedeutung erhalten kann, muss man sie einen Träger besitzen. Ausserdem muss die Information von etwas ausgehen, sie muss übertragen werden und muss von jemanden verstanden werden. Klassisch ist dies in dem Modell Sender, Übertragungskanal und Empfänger enthalten. Diese Art der Information wird mit den Methoden der Informationstechnik behandelt. Die Informationen dieses Buches sind, stark vereinfacht, einem oder mehreren Zeichen im Text zugeordnet. Die Zeichen sind Bestandteil des deutschen Alphabetes und sind in diesem Kontext zu verstehen. Natürlich sind die mathematischen Terme in den Gleichnungen, welche noch folgen werden, auch in einem anderen Sprachkontexten verständlich. Dazu ist aber die Kenntnis der Mathematik unerlässlich. Die Informationen werden durch das Lesen übertragen und vom Leser empfangen.

Abbildung 2.2 zeigt einen realen Informationsfluss, der den abstrakten Informationsfluss aus der Abb. 2.1 deutlicher werden lässt. Angedeutet ist der Vorgang des Lesens. Der Prozess des Lesens wird in diesem Buch noch zu weiteren Erklärungen verwendet. Im Teil II „Eine kurze Übersicht zu biologischen und neurologischen Grundlagen“ werden die Vorgänge im Gehirn beim Lesen erörtert und bei der Darstellung der KNN ist das Lesen als Buchstaben- oder Merkmalserkennung von Bedeutung.

Wurde im Abschnitt 2.1 das Bewusstsein durch die Einführung der Information genauer erfasst, so muss man die Information, z.B. nach (PPK05, S. 70), ebenfalls objektivieren. Jede Information besitzt ein Struktur. Die Struktur ergibt sich aus dem materiellen Bezug einer Information, z.B. einen Text kann auch eine Wand empfangen. Man kann den hintersinnigen Charakter der Aussage
„ I C H   S P R E C H E   G E G E N   E I N E   W A N D. “
erkennen. Eine Information enthält Wissen. Es gibt ein Wissen über das Gehirn und die KNN, dies möchte diese Präsentation gern dem Leser vermitteln. Diese Information setzt denkende Wesen voraus. Information ist eine Nachricht, d.h. das Wissen dieses Buches wird dem Leser durch den Text übertragen. Dabei ist bereits Information verarbeitet worden. Das Wissen wurde in Textform, mittels der Zeichen des Alphabetes, codiert, um dann zum Leser zu gelangen.

Der Text allein macht natürlich keinen Sinn, wenn die Information keine Bedeutung hat. Die Bedeutung ergibt sich aus der Interpretation des Lesers. Einfach gesprochen ist das Verstehen der deutschen Sprache gemeint oder wie in Abb. 2.2 die Wahrnehmung und Gedanken des Lesers. Man kann die Information auch als ein Prozess auffassen. Dieser Prozess umfasst alle Akteure, also den Sender der Information, den Übertragungskanal und den Empfänger der Information. Natürlich ist eine solche Betrachung nicht eineindeutig, eine mögliche Formalisierung der Parameter erfolgt weiter unten im Text. Ist die Information ein Prozess, so hat sie auch eine Wirkung. So kann beim Lesen die Information das Wissen des Lesers erhöhen oder eine unübersichtliche Faktenlage wird deutlicher. Zusammenfassend kann man die Information durch Struktur, Wissen, Nachricht, Bedeutung, Prozess und Wirkung beschreiben. Bei der weiteren Erklärung zu Inhalten dieses Buches kann es recht verwirrend werden, jedesmal die Information so genau zu erläutern. Da jetzt die wichtigsten Zusammenhänge hinsichtlich der Information bekannt sind, soll der Begriff formalisiert werden.

Aus der Informationstheorie sind Möglichkeiten bekannt, sich analytisch mit der Information auseinander zu setzen. Die mathematischen Beschreibungen bieten Lösungsansätze die die Information und ihren Verarbeitungsprozess erklären. Da sich aber dieses Werk in der Hauptsache mit Hirnvorgängen und den KNN beschäftigt, kann die analytische Betrachtungsweise nur oberflächlich angerissen werden, zur weiteren Vertiefung sei auf die Inhalte im Teil  VI  „Weitere Aspekte in Bezug auf die KNN“ verwiesen.

Ein wichtiger Ansatz geht auf Claude Shannon zurück (Nør97). Dort wird die Information als Zufallswert betrachtet. Vereinfacht und bezogen auf das Lesen bedeutet dies, man erwartet ein Zeichen, z.B. einen Buchstaben oder die Grösse x, das deutsche Alphabet besitzt 26 Buchstaben
(ℵ= {a,b,c,…,z}). Es gibt also eine Wahrscheinlichkeit von 1⁄26 für ein bestimmtes Zeichen oder Buchstaben. Der Informationsgehalt des Zeichens ist eine logratithmische Grösse, die angibt wieviel Information im Zeichen oder dem Faktum (auch Nachricht) enthalten ist. Allgemein schreibt man p(x), die Wahrscheinlichkeit p der Grösse, oder des Buchstabens, x. Der Informationsgehalt ist definiert durch:

(2.1)

Die Basis a in Gl.2.1 entspricht der Anzahl von möglichen Zuständen, die der Sender einer Information haben hat. Da der Text dieses Buch auf einem Computer entstanden ist, ist a=2. 2 entspricht den digitalen bzw. binären Zuständen im Computer. Die Gleichung 2.1 wird mit p = p(x) zu

Die Masseinheit für I ist das bit. Da man es hier mit Wahrscheinlichkeiten zu tun hat, muss man berücksichtigen das sich der Informationsgehalt für unhabhängige Ereignisse, z.B. einzelne Zeichen, und abhängige Ereignisse, z.B. dieser Text, unterschiedlich berechnet. Für die genauere Erklärung der Zusammenhänge zwischen un- und abhänigen Ereignissen sei auf die Inhalte im Teil VI verwiesen.

Es gibt also eine gewisse Wahrscheinlichkeit p(x), dass die Unwissenheit bei einem Informationsempfänger, vermindert wird. Wie kann man aber Unwissenheit formal beschreiben? Man wendet hier ein Konzept aus der Physik an, dort wird mit Enropie gearbeitet. Die Entropie H(X) wird als ein Mass für die Unbestimmtheit oder Unordnung einer Zufallsgrösse X in einem System betrachtet. Die Zufallsgrösse X kann diskrete Werte x annehmen, die sich aus einem entsprechend zugeordneten Alphabet ℵ ergeben. Es ergibt sich eine Wahrscheinlichkeit p(x) für alle x ⊂ ℵ, d.h. alle Werte von x sind im Alphabet ℵ enthalten. Dann ist das Maß für die Unbestimmtheit, oder die Entropie H(X), definiert nach (GD96, S. 8) durch

(2.2)

Bei der Verwendung der Entropiebegriffes für die Information durch eine Computer ist die Basis des Logaritmus 2 und Gl. 2.2 wird ähnlich der Gl. 2.1 mit p = p(x) zu:

In der Abb. 2.3 ist der Sachverhalt des Lesen, einer Wissensvermittlung, noch weiter abstrahiert. Das verwendete Modell hat sich verfeinert. Der Sender, der Autor, erzeugt mittels seinem Bewusstsein im Gehirn, V_S, über seine Rezeptoren R_S, z.H. der Hand an der Tastatur eines Computers, eine Information. Der Empfänger, ein Leser, beginnt das Buch lesen, d.h. mittels Wahrnehmungsfunktionen R_E, z.B. Augen. Die Information, analytisch dargestellt durch den Informationsgehalt I(Z₃) und der Entropie H(Z₃), gelangt in sein Gehirn, ihm zu Bewusstsein V_E. Der im Bild angedeutet Kreislauf berücksichtigt nicht die konkreten zeitlichen Abläufe. Zwischen dem Sender und Empfänger existiert ein gemeinsame, meist vorausgesetze, Zeichenmenge Z₃. Es ist im einfachsten Fall das Verständnis des deutschen Alphabetes, beinhaltet häufig auch den Kontext des Lesers.

Die Abbildungen 2.2 und 2.3 sind Vorstellungen, wie die Information dieses Buches zum Leser kommen könnten. Es der Versuch eine Betachtungsweise einzuführen, die die späteren Fakten verständlicher machen soll, wenn die Wirkungsweise und Funktion des Gehirns, bzw. seiner Bereiche und die KNN beschrieben werden. Man kann sie als die ersten Modelle verstehen. Ein genauere Betrachtung des Modellbegriff folgt im Folgeabschnitt. Mehr über die Zusammenhänge zur Information unter Berücksichtigung der Aspekte von Gehirn und KNN  findet man in  (GD96), (PPK05) und (Dev93).

2.3.  Modell

Die Frage –„Was ist ein Modell?“– ist bereits in vielen Definitionen, die in Lehrbüchern, Monographien, Aufsätzen oder Enzyklopädien zu finden sind, aufgegriffen worden. Das Beispiel in der Abb. 2.4, welches sich auf das Vorgängerkapitel bezieht, und die Beschreibung des Informationsaustausches durch das Lesen sind hier eine Antwort auf den hier verwendeten Modellbegriff.

Ein Modell ist eine Abbildung der für wesentlich gehaltenen Elemente eines Untersuchungsgegenstandes, auch Prozesses, die in der eindeutigen Zuordung entsprechender Zeichen zu diesen Elementen besteht, vgl. (Sch91, S.486). In der Abb. 2.4 wird eine Mustererkennug durch ein mehrschichtiges KNN gezeigt. Das Problem ist im Eingang das Bild des Parkes. Aus diesem Bild wird mit einem KNN ein einzelner Baum bestimmt. In der schematischen Darstellung des KNN erkennt man die einzelnen Verarbeitungselemente, die auf eine bestimmte Art und Weise verknüpften künstliche Neuronen, welche die Aufgabe der Bestimmung eines einzelnen Baumes aus dem Eingangsbild durchführen. Das KNN ist das Modell für die Lösung der Aufgabe.

Das Modell enthält somit die wichtigsten Elemente des Verarbeitungsprozesses. Das Modell ist eine Abbildung oder Abstraktion der Wirklichkeit. Das Modell ist eine Gesamtmenge aller Prozesse, die zu einer Erkenntnis oder Wahrnehmung führen und dieses Modell sollte der Realität entsprechen, vgl. auch (JPC92, S. 18). Die Darstellung ausgewählter Eigenschaften eines als Original bezeichneten Objekts, was z.B. ein KNN oder das Gehirn sein kann, ist in der Weise, dass die Beziehungen zwischen den Eigenschaften des Modells die gleichen sind wie die Eigenschaften des Originals (Abbildung). Die mögliche Gleichheit von Modell und Objekt, z.B. Lesevorgang oder Musterverarbeitung durch KNN, bezeichet man auch als Analogie.

Ein Modell besitzt immer eine Stellvertreterfunktion für den Prozess oder einen Gegengstand aus der Realität. Man macht also vom Objekt ein Modell, um es zu beschreiben oder zu erklären. Es wird somit zu einem Subjekt der Betrachtung.

Modell: Subjekt-Objekt Relation Subjekt ↙    ↘ Modell Objekt ANALOGIE Abbildung 2.5: Modell als Stellvertreter der Realität. Durch die Festlegung auf bestimmte Eigenschaften liegt eine Subjekt-Objekt Relation vor.

Ein Modell bestimmt sich im wesentlichen durch drei Eigenschaften, diese machen es im Allgemeinen anwendbar. Erstens ist ein Modell eine Abbildung von etwas, eine Darstellung von natürlichen oder künstlichen Originalen, welche auch selbst Modell sein können. Als Beispiel sei auf das Bild des Gehirns und des Laptops in Abb.  1.1 verwiesen. Als Zweites ist ein Modell ist immer eine Abstraktion, eine Verkürzung dieser Orignale. Es werden nur die wesentlichen Funktionen oder Eigenschaften des realen Objekts modelliert. Zum Beispiel kann der komplexe elektrochemische Vorgang der Erregung einer Neurone, genauere Erklärung im Teil II in einer einfachen mathematischen Funktion, z.B. y = darstellt werden. Dies führt zur dritten Eigenschaft. Ein Modell soll nützlich sein. Es wird auch Pragmatismus genannt. Es ist der Kontext, in dem das Modell gebildet wird. Die Aufgabenstellung, z.B. Mustererkennung oder Vermittlung des Wissens durch dieses Buch, bestimmt den Umfang oder die Mächtigkeit des Modells.

Neben den drei Modellmerkmalen gibt es noch die Arten von Modellen zu erläutern. Es gibt die Modelle, die sich selbst als Modell enthalten, z.B. der Begriff KNN ist ein Modell, der inspiriert ist durch die modellierten Vorstellungen von neuronalen Strukturen. Dies sind implizite Modelle. In diesem Buch sollen Modelle vorgestellt, die einer Erklärung besitzen. Diese Modellart bezeichnet man als explitziten Modelle. Dabei unterscheidet man Beschreibungsmodelle, z.B. der Begriff Bewusstsein wurde sprachlich umschrieben. Dann gibt es formale Modelle, z.B. die Erklärung von Informationsgehalt und Entropie aus den letzten Abschnitt. Dann werden noch Modelle folgen, die einen Vorgang oder Prozess analysieren.

Die eben gemachte Unterscheidung ist nicht die Einzige. Man kann Modelle auch als deterministische Modelle betrachten. Dies bedeutet, dass die Elemete des Modell eindeutig bestimmt sind und ein definierten Verhalten haben. Daneben gibt es die stochastischen Modelle, hier werden Zufallsgrössen die Elemente des Modells bilden. Ein wichtiger Parameter der Beschreibung ist die Zeit. Erklärt die Zeit das Verhalten, so sind es häufig dynamische Modelle, spielt sie keine Rolle so erhält man statische Modelle. Ein weitere Unterteilung von Modellen kann man über die Linearität oder die Kontinuierlichkeit der Grössen erhalten. Auch spielt die analytische oder formale Betrachtung und der Kontext der Parameter als Mikro- oder Makromodell eine Rolle.

Für die Modellbildung zu den Themen dieses Buches sei abschliessend folgendes Zitat angeführt: