Wetenschappers beginnen een mysterie te ontsluieren waar filosofen zich al eeuwenlang het hoofd over breken.
Bewustzijn is alles wat je ervaart. Het is het deuntje dat je niet uit je hoofd krijgt, de zoete smaak van chocolademousse, een genadeloos kloppende tandpijn, de vurige liefde voor je kind en het bittere besef dat alle gevoel ooit ophoudt.
Hoe laat een orgaan van nog geen anderhalve kilo met de dichtheid van tofoe ons de wereld in al zijn geuren en kleuren beleven?
De oorsprong en aard van zulke qualia, zoals die ervaringen in de filosofie ook wel worden genoemd, stellen de mens al sinds de oudheid voor een raadsel. Voor veel moderne analytische filosofen die zich over de materie buigen, met Daniel Dennett van Tufts University als vaandeldrager, is het bestaan van het bewustzijn zo’n ondraaglijke onregelmatigheid in een voor hen betekenisloos universum van materie en leegte dat ze het als een illusie afdoen. Ze ontkennen dat qualia bestaan, of betogen dat de wetenschap er niets bij te winnen heeft ze te bestuderen.
Mocht dat zo zijn, dan zou dit een bijzonder kort essay worden. Dan restte mij alleen uit te leggen waarom jij en ik en de rest van de wereld er toch van overtuigd zijn dat we gevoelens hebben. Maar iemand die door een tandabces gekweld wordt, zal weinig verlichting vinden in hoogdravende redeneringen over waarom hij zich die helse pijnscheuten inbeeldt. Het mag duidelijk zijn: ik loop niet hoog op met die wanhoopspoging om het lichaam-geest-probleem op te lossen. Tijd om het over een andere boeg te gooien.
De meeste wetenschappers beschouwen het bewustzijn als een gegeven, en proberen te begrijpen hoe het zich verhoudt tot de objectieve, wetenschappelijk beschreven werkelijkheid. Ruim een kwarteeuw geleden besloten Francis Crick en ik om alle filosofische overwegingen ter zake opzij te schuiven. (Aristoteles brak er zich het hoofd al over, en we zijn er nog steeds niet uit.) Wat ons interesseert, is de fysieke voetafdruk van het bewustzijn. Hoe leidt een stukje gevoelige hersenstof tot bewustzijn? Het antwoord op die vraag zou ons dichter bij de kern van de zaak moeten brengen - of zo hopen we althans.
We zijn op zoek naar de neurale correlaten van bewustzijn (NCB), de combinatie van hersenmechanismen die minimaal nodig zijn voor bewuste ervaring. Wat moet er bijvoorbeeld gebeuren in je brein opdat je tandpijn voelt? Moeten bepaalde zenuwcellen trillen op een magische frequentie? Moeten er speciale ‘bewustzijnsneuronen’ aangeschakeld worden? En in welke hersengebieden bevinden die zich dan?
Neurale correlaten van bewustzijn
In de definitie van correlaten is het woord ‘minimaal’ van cruciaal belang. Het brein als geheel kan immers ook als een NCB beschouwd worden: het reikt ons voortdurend ervaringen aan. Maar het zenuwcentrum van de bewuste ervaring laat zich scherper afbakenen. In het ruggenmerg zit het alvast niet. Die buis met zenuwweefsel in onze ruggengraat is nog geen halve meter lang, maar hij bevat ongeveer een miljard zenuwcellen. Een dwarslaesie aan de nek verlamt armen, benen en romp. Patiënten verliezen de controle over darmen en blaas, en voelen niets meer onder de nek. Toch blijven ze het leven in al zijn rijkdom ervaren: ze zien, horen, ruiken, voelen emoties en koesteren herinneringen, net zoals voor het trauma dat hun leven zo dramatisch veranderde.
Het lijkt er op dat alles wat we zien, horen en op andere manieren beleven, achter in de hersenschors versleuteld ligt
Het zit ook niet in het cerebellum. De kleine hersenen onder en achter in het brein zijn evolutionair gezien een van de oudste hersennetwerken. Ze spelen een rol in onder meer onze motoriek en lichaamshouding, en bij de vloeiende uitvoering van complexe fysieke handelingen. Piano spelen, computertekst typen, ijsdansen en rotsklimmen - zonder het cerebellum lukt het niet. Het gebied herbergt de meest magnifieke neuronen: de purkinjecellen. Hun dendrieten spreiden zich uit als een waaierkoraal, en de elektrische dynamiek is bijzonder complex. In het cerebellum huizen ook met voorsprong de meeste zenuwcellen. Met 69 miljard exemplaren, waarvan het merendeel stervormige korrelcellen, zijn het er vier keer meer dan in alle andere hersengebieden samen.
Toch gebeurt er verbijsterend weinig met het bewustzijn als iemand na een beroerte of een operatie een deel van het cerebellum verliest. Patiënten die er schade aan oplopen, merken wel dat ze bijvoorbeeld minder vlot piano spelen of typen, maar bewustzijnsproblemen hebben ze niet. Ze horen, zien en voelen niet anders dan een ander. Hun zelfbesef, herinneringen en toekomstprojecties blijven overeind. Zelfs als iemand geboren wordt zonder cerebellum hoeft zijn of haar bewustzijn daar niet merkbaar onder te lijden.
De hele machinerie van de kleine hersenen speelt dus geen rol in de subjectieve ervaring. Hoe kan dat? Er liggen belangrijke aanwijzingen in het cerebellaire zenuwcircuit. Dat werkt zo uniform en parallel (net zoals je batterijen parallel kunt schakelen) dat het bijna uitsluitend een feedforward-netwerk is: een eerste groep neuronen draagt informatie over aan een volgende groep, die op zijn beurt weer een derde groep beïnvloedt. Er is geen complexe terugschakeling; er gonst geen elektrische activiteit heen en weer. (Het duurt wat langer voor we bewust waarnemen, dus de meeste theoretici gaan ervan uit dat terugkoppeling daarbij essentieel is.) Bovendien zijn de kleine hersenen naar functie opgedeeld in honderden of meer onafhankelijke verwerkingsmodules, die naast elkaar elk hun eigen taak uitvoeren. Elke module heeft zijn eigen input en output, en stuurt andere motorische en cognitieve systemen aan. Wisselwerking is er nauwelijks - en dat is nu net een cruciaal aspect van bewustzijn.
Die inzichten in het ruggenmerg en de kleine hersenen reiken ons al een belangrijk stuk van de puzzel aan: niet elke zenuwprikkel roept bewustzijn op. Er is meer nodig om het uit de fles te toveren. Daarvoor moeten we kijken naar de grijze stof in de hersenschors, de gevierde buitenste laag van het brein. Dat ingenieuze systeem van verweven zenuwcellen heeft zowat het formaat van een dubbele grote pizzabodem. De twee vellen liggen in plooien gevouwen in onze schedel gepropt, om de honderden miljoenen verbindingskabeltjes van de witte stof heen. Alles wijst erop dat gevoelens ontstaan in het weefsel van de neocortex.
Vooralsnog zijn computers daar nog niet toe in staat, maar het is een kwestie van tijd voor ze een bewustzijn zullen hebben
We kunnen nog beter. Stel dat je verschillende prikkels krijgt in het rechter en het linker oog. Met links zie je bijvoorbeeld een foto van Donald Trump, en met rechts een van Hillary Clinton. Je zou kunnen denken dat je dan een bevreemdende superpositie van beiden zou zien. Dat is niet het geval. Je ziet eerst een paar seconden Trump, die plaatst ruimt voor Clinton, die op haar beurt weer wijkt voor Trump. De twee beelden wisselen elkaar af in een eeuwigdurende dans. Dat komt door wat neurowetenschappers binoculaire rivaliteit noemen. Je hersenen krijgen ambigue informatie binnen, en raken er niet aan uit: is het nu Trump, of Clinton?
Als je MRI-scans zou maken van wat er op dat moment gebeurt in je hersenen, dan zou te zien zijn hoe achter in de hersenschors een heel aantal gebieden oplicht. De pariëtale, occipitale en temporale zones [zie inzet op de volgende bladzijde], die collectief de posterior hot zone zijn gedoopt, hebben het grootste aandeel in wat we zien. De primaire visuele cortex krijgt wel de informatie van de ogen binnen en speelt die verder door, maar vreemd genoeg signaleert die niet wat we zien. Ook bij wat we horen en voelen blijken de taken zo verdeeld. De primaire gehoorschors en de somatosensorische cortex dragen niet rechtstreeks bij tot de inhoud van de zintuigelijke ervaring. Het is in de volgende fasen van de verwerking - in de hot zone - dat de bewuste waarneming ontstaat, en dus ook het beeld van Trump en Clinton.
Dat blijkt ook uit klinisch bewijsmateriaal. Wanneer chirurgen een hersentumor of een epilepsiehaard weghalen, brengen ze tijdens de ingreep de hersenfuncties in kaart. Daartoe stimuleren ze het nabijgelegen weefsel met elektroden. In de hot zone lokken die prikkels een scala van sensaties en gevoelens uit: lichtflitsen, geometrische figuren, vervormde gezichten, auditieve en visuele hallucinaties, een gevoel van vertrouwdheid of onwerkelijkheid, de drang om een arm of been te bewegen, en ga zo maar door. Heel anders is het effect in het voorste deel van de hersenschors: over het algemeen wekt een prikkel daar geen rechtstreekse ervaring op.
Ook hersenpatiënten die in de eerste helft van de 20ste eeuw onder het mes gingen, geven ons bijzonder waardevolle inzichten in het bewustzijn. Bij sommigen van hen moest een groot stuk van de prefrontale cortex weggesneden worden, maar de negatieve gevolgen voor de patiënten zijn verrassend beperkt gebleken. Sommigen verloren hun remmingen voor ongepaste gevoelens of handelingen; anderen kregen last van motorische problemen en onbedwingbaar repetitief gedrag.
Anderzijds gingen hun persoonlijkheid en IQ erop vooruit, en ze leefden hun verdere leven zonder iets van het ontbrekende hersenweefsel te merken in hun bewuste ervaring. Wanneer er in de achterste hersenschors wordt gesneden, waar de hot zone zit, blijken de gevolgen veel groter. Zelfs als maar een klein stukje wordt weggehaald, kunnen complete klassen bewuste inhoud weggevaagd worden. Patiënten herkennen niet langer gezichten, of zien niet langer beweging, kleur of ruimte.
Het lijkt er dus op dat alles wat we zien, horen en op andere manieren beleven, achter in de hersenschors versleuteld ligt. Voor zover we weten, is dat het zenuwcentrum van alle bewuste ervaring. We weten nog niet wat dat gebied zo anders maakt dan de prefrontale cortex, die niet rechtstreeks bijdraagt tot subjectieve inhoud. Maar een recente ontdekking toont aan dat we misschien dichter in de buurt komen.
Bewustzijnsmeter
Artsen hebben nog steeds geen instrument ter beschikking om het bewustzijn te meten. Zo’n toestel zou nochtans bijzonder welkom zijn, bijvoorbeeld in de operatiekamer. Patiënten worden verdoofd zodat ze tijdens de ingreep niet bewegen en zodat hun bloeddruk stabiel blijft, maar ook om hen te sparen van pijn en traumatische herinneringen. Helaas is dat niet altijd het geval. Elk jaar blijven honderden patiënten ook onder verdoving in zekere mate bij bewustzijn.
Ook bij mensen die na een ongeluk, een infectie of alcoholvergiftiging soms jarenlang niet kunnen praten of communiceren met de buitenwereld, is het bijzonder moeilijk om het bewustzijn in te schatten. Je zou de patiënt kunnen vergelijken met een astronaut die door de ruimte zweeft, en hoort hoe het controlecentrum hem probeert te contacteren. Omdat zijn radio is beschadigd wordt hij niet gehoord, en hij lijkt verloren voor de wereld. In die troosteloze situatie bevinden sommige patiënten zich ook. Hun beschadigde brein maakt elke vorm van communicatie onmogelijk, en veroordeelt hen tot een extreme vorm van eenzame opsluiting.
Voor zulke patiënten lijkt er licht te gloren aan het eind van de tunnel. Aan het begin van deze eeuw hebben Giulio Tononi (University of Wisconsin-Madison) en Marcello Massimini (nu aan de universiteit van Milaan) een revolutionaire techniek ontwikkeld om bewustzijn te meten: de zap-en-zipmethode. Met korte, krachtige magneetpulsen op de schedel - ‘zappen’ - wordt in de onderliggende neuronen elektrische stroom opgewekt. Die schakelt in een kettingreactie steeds andere cellen aan in verwante hersengebieden, en trekt in een kortstondige golf door de hersenschors. Op de schedel detecteert een netwerk van eeg-sensoren de elektrische activiteit. Zo ontrolt zich als het ware een film van de hersenrespons.
Foto boven: Bewuste ervaring speelt zich af in de hersenschors, een vernuftig gevouwen en sterk verweven laag zenuwweefsel. Elke ervaring berust op het minimale samenspel van zenuwcellen: de neurale correlaten van bewustzijn. Het zenuwcentrum daarvan, de zogeheten posterior hot zone, ligt achter in de hersenschors, in de pariëtale, de occipitale en de temporale kwab. De complexiteit van de zenuwprikkels uitgelokt door een magnetische stroomstoot laat zich vertalen in een cijferwaarde, die aangeeft in welke mate iemand bij bewustzijn is.
Het resulterende patroon is nooit stereotiep of compleet willekeurig. Hoe voorspelbaarder het ritme van de golfbeweging, hoe kleiner vreemd genoeg de kans op bewustzijn. Met behulp van een algoritme om computerbestanden te comprimeren - ‘zippen’ - vertalen de onderzoekers die elektrische gegevens in een bewustzijnsindex: de Perturbational Complexity Index (PCI). Die geeft aan hoe complex de hersenrespons is. Bij wakkere proefpersonen ligt de waarde tussen 0,31 en 0,70. In diepe slaap en onder verdoving zakt de PCI onder de bewustzijnsdrempel van 0,31. Toen Massimini en Tononi hun zap-en-zipmethode testten bij 48 patiënten met een hersenletsel die wakker en responsief waren, strookten de meetresultaten met de bevindingen uit gedragsonderzoek.
Daarna maakten de wetenschappers eeg’s bij 81 patiënten in een vegetatieve toestand of bij minimaal bewustzijn. Bij die laatste groep, die tekenen vertoonde van niet-reflexief gedrag, schatte de methode correct in dat 36 van de 38 patiënten bij bewustzijn waren. Twee patiënten werden foutief als buiten bewustzijn gediagnosticeerd. Bij de groep in vegetatieve toestand, bij wie elk contact zinloos leek, gaf de PCI aan dat 34 van de 43 patiënten buiten bewustzijn waren. De negen overige patiënten vertoonden dezelfde hersenrespons als proefpersonen bij bewustzijn. Dat zou betekenen dat ze bij bewustzijn waren, maar niet in staat waren dat kenbaar te maken aan de wereld.
Nu wordt onderzocht hoe de methode gestandaardiseerd en verfijnd kan worden, en hoe ze niet alleen bij hersenpatiënten maar ook in de psychiatrie en de pediatrie kan worden ingezet. Vroeg of laat zal een specifieke combinatie van neurale mechanismen ontdekt worden die aan de basis ligt van elke ervaring. Dat zal een hemelsbreed verschil maken voor artsen en patiënten. Toch blijven dan nog steeds een aantal fundamentele vragen onbeantwoord. Waarom deze neuronen en niet die? Waarom deze precieze frequentie en niet die? Het eeuwige raadsel is hoe en waarom een sterk georganiseerd stukje actieve stof tot bewuste waarneming leidt. Het brein is toch een orgaan als alle andere, onderhevig aan dezelfde natuurwetten als het hart en de lever? Wat schuilt er in de biofysica van een homp prikkelgevoelige hersenstof dat een grijze brij omtovert in het schitterende schouwspel dat ons leven klank en kleur geeft?
We moeten naar een wetenschappelijke theorie van het bewustzijn, die voorspelt in welke omstandigheden een fysiek systeem ervaringen beleeft - of dat nu een complex netwerk van zenuwcellen is, of een van silicium halfgeleiders - en die verklaart waarom de kwaliteit van die ervaringen varieert. Waarom ervaren we een helder blauwe lucht anders dan het kattengejank van een slecht gestemde viool? Zo’n theorie kan ons helpen af te leiden welke systemen in staat zijn tot bewuste ervaring. Zonder theorie met toetsbare voorspellingen is elke speculatie over machinebewustzijn enkel gebaseerd op onze intuïtie, en die is door de geschiedenis van de wetenschap heen niet de meest betrouwbare gids gebleken.
Naar een fundamentele theorie
Twee populaire theorieën van het bewustzijn zijn voer voor debat op het scherp van de snee: de theorie van de globale neurale werkruimte, en de geïntegreerde-informatietheorie. Bij de eerste theorie, kortweg bekend als GNW (global neuronal workspace) gaan psycholoog Bernard Baars en neurowetenschappers Stanislas Dehaene en Jean-Pierre Changeux uit van de vaststelling dat heel veel verschillende hersennetwerken toegang hebben tot informatie waar je je bewust van bent. Als je onbewust handelt, zit de informatie alleen in dat kleine stukje van het zintuiglijk-motorische systeem dat bij die handeling betrokken is. Als je bijvoorbeeld snel typt, dan doe je dat automatisch. Mocht iemand je vragen hoe je dat doet, dan zou je het antwoord schuldig moeten blijven. Je bent er nauwelijks bewust mee bezig. De informatie zit enkel in de hersennetwerken die de brug slaan tussen je ogen en vingervlugge beweging.
Bewustzijn, zo stelt de theorie, ontstaat bij een specifiek soort informatieverwerking, die we ook kennen uit de beginjaren van de kunstmatige intelligentie. Gespecialiseerde programma’s putten toen uit een gemeenschappelijk prikbord met een beperkte hoeveelheid informatie. Die stond ter beschikking van uiteenlopende deelprocessen van kunstmatige intelligentie: werkgeheugen, taal, planningsmodule, enzovoort. Zo gaat het ook met ons bewustzijn, aldus de theorie. Zintuiglijke informatie op een prikbord in onze hersenen wordt globaal verspreid. Uiteenlopende cognitieve systemen verwerken die gegevens tot spraak, slaan ze op, roepen een herinnering op of voeren een handeling uit.
Er is maar weinig plaats op dat prikbord. Daarom kunnen we ons maar van een klein beetje informatie tegelijk bewust zijn. Het netwerk van zenuwcellen dat die boodschappen uitzendt, zou zich bevinden in de frontale kwab en de pariëtale kwab. Zodra zo’n stukje informatie op het netwerk zit en door het hele brein verspreid raakt, wordt het bewust - of, beter, gezegd, worden wij er ons van bewust. Vooralsnog zijn computers daar nog niet toe in staat, maar het is een kwestie van tijd voor ze dat niveau van cognitief raffinement bereiken. De computer van de toekomst is een bewuste machine, zo stelt GNW.
De geïntegreerde-informatietheorie (IIT) van Tononi en al wie met hem meewerkte (ook ikzelf) heeft een heel ander vertrekpunt: de ervaring zelf. Elke ervaring heeft een aantal essentiële kenmerken. Ze is intrinsiek: ze bestaat enkel voor de individuele ‘eigenaar’ ervan. Ze is gestructureerd (een taxi die remt voor een bruine hond die de straat oversteekt). En ze is specifiek: ze is anders dan eender welke andere bewuste ervaring, net zoals in een film elk frame anders is. Het gaat ook telkens om een duidelijk geheel. Wanneer je op een warme dag in het park op een bankje in de zon zit te kijken naar je spelende kinderen, dan kunnen alle afzonderlijke elementen - de bries door je haar, het genoegen om de kleuterlach - niet uit elkaar getrokken worden zonder dat ook de ervaring verandert.
Tononi stelt dat elk complex en gekoppeld mechanisme waarvan de structuur codeert voor oorzakelijke verbanden, diezelfde eigenschappen bezit en dus een zekere mate van bewustzijn heeft. Het voelt als iets dat van binnenuit komt. Bij mechanismen die niet geïntegreerd of complex zijn, zoals de kleine hersenen, is dat niet het geval. Bewustzijn, zo stelt de theorie, is de krachtige intrinsieke oorzakelijke dynamiek die uitgaat van complexe mechanismen zoals het menselijke brein.
Uit de complexiteit van de onderliggende netwerkstructuur leidt de theorie ook een waarde af: een niet-negatief getal Φ (phi) dat aangeeft in welke mate een systeem bewust is. Als Φ gelijk is aan nul, heeft het systeem geen enkel gevoel van zelfbesef. Hoe hoger Φ, hoe sterker de intrinsieke oorzakelijke dynamiek van het systeem, en hoe groter het bewustzijn. De hersenen hebben een buitengewoon grote en specifieke verwevenheid, en dus ook een erg hoge Φ-waarde en een hoge mate van bewustzijn.
De geïntegreerde-informatietheorie biedt een verklaring voor een aantal vaststellingen, zoals waarom de kleine hersenen niet bijdragen aan het bewustzijn, en waarom de zap-en-zip-meter werkt. (PCI ligt ruwweg in de buurt van Φ.) ITT voorspelt ook dat zelfs de meest geavanceerde computersimulatie van het menselijke brein nooit bewust kan zijn, hoezeer die computer ook klinkt als een mens - net zo min als een simulatie van de gigantische gravitationele aantrekkingskracht van een zwart gat de ruimtetijd kan vervormen rondom de computer die de astrofysische code uitvoert. Bewustzijn laat zich niet programmeren. Het moet geworteld zitten in de structuur van het systeem.
Er staan ons twee grote uitdagingen te wachten. We hebben steeds geavanceerdere technieken tot onze beschikking om de brede coalities van heterogene neuronen in onze hersenen te observeren en te bestuderen. Daarmee kunnen we de neurale voetafdruk van het bewustzijn verder afbakenen. Het centrale zenuwstelsel is zo’n kluwen dat dat makkelijk decennia in beslag zal nemen. Daarnaast moeten we de twee theorieën die vandaag het debat beheersen, weten te bekrachtigen of ontkrachten. Of misschien moeten we stukjes van beide theorieën in elkaar puzzelen om het centrale vraagstuk van ons bestaan te ontraadselen: hoe een orgaan van nog geen anderhalve kilo met de dichtheid van tofoe ons de wereld in al zijn geuren en kleuren laat beleven.
