EGL109 Von der Physik zum Bewusstsein: Karl Fristons Free Energy Principle und das Markov Blanket (Bewusstsein 4)

Diese Episode schafft es auf die ZWEI! Im Ranking der Episoden, die zeigen, was Krankheit mit Bewusstsein macht, steht Episode 18, „Schmerz, Rippenbruch und leiblich verankerte Kognition“, immer noch auf Platz eins, gefolgt von der hier vorliegenden Episode. Sie veranschaulicht die Wirkung einer Sommergrippe auf stringentes Denken. Verwunderlich ist nur, dass mir erst beim Schneiden auffällt, wie unzusammenhängend ich mich durch das Thema und den Berliner Norden knödele. Mit dieser Episode schlagen wir eine Brücke zurück zu Mark Solms und Episode 106: „Bewusstsein auf den Kopf gestellt“. Solms beschreibt eine plausible biologische Entwicklung, in der Bewusstsein graduell von der einfachen Selfhood einer Amöbe bis hin zu „uns“ entstanden sein könnte. Gemeinsam mit Karl Friston veröffentlichte er 2018 das Paper How and Why Consciousness Arises: Some Considerations from Physics and Physiology. Aufmerksame Leser:innen werden sofort mit dem Finger auf das Wort „physics“ im Titel zeigen, denn Solms befasst sich doch vor allem mit der „physiology“. Gut erkannt. Karl Friston ist zwar Neurowissenschaftler und arbeitet somit ebenfalls am Übergang von Körper und Geist. Sein Free Energy Principle ergänzt Solms' Modell jedoch kongenial, indem es die graduelle Entwicklung des Bewusstseins nicht nur biologisch, sondern bis zurück in Chemie und Physik nachzeichnet. Anders formuliert: Die Entwicklung verläuft graduell, nicht sprunghaft, und sie bleibt in den Gesetzmäßigkeiten der Natur verankert. Gerade das macht das Bündnis der beiden Ansätze so schlüssig und geschlossen. In dieser Episode versuchen wir, die (in Anführungszeichen) "mathematische, probabilistische Membran" zu erklären, die sich zwischen Organismus und Umwelt spannt: das Markov Blanket. Es beschreibt eine probabilistische Grenze, an der Innen und Außen voneinander getrennt werden. Diese Trennung ist einerseits biologisch gegeben, andererseits mathematisch beschreibbar. Ein System kann niemals unmittelbar auf die Welt zugreifen, sondern sie nur über sensorische Zustände wahrnehmen und über aktive Zustände auf sie einwirken. Alles, was wir Realität nennen, entsteht deshalb hinter dieser Membran als beständig aktualisierte Hypothese. Das Gehirn ist eine Vorhersagemaschine. Doch Fristons Konzept gilt nicht nur für lebendige Selfhood. Seine Ideen lassen sich ebenso auf die Wall Street übertragen, auf Künstliche Intelligenz, Wetterphänomene, Viren oder Einparkhilfen.

• Karl J. Friston auf Wikipedia
• How and why consciousness arises: Some considerations from physics and physiology, Friston & Solms 2018
• Free energy principle auf Wikipedia
• The free energy principle made simpler but not too simple, Karl Friston, Lancelot Da Costa, Noor Sajid, Conor Heins, Kai Ueltzhöffer, Grigorios A. Pavliotis, Thomas Parr
• Is it Possible to Engineer Artificial Consciousness? | Karl Friston & Mark Solms YouTube
• Michael Levin and Karl Friston: How Free Energy Shapes Everything, Podcast Curt Jaimungal

(Episoden Titelbild: „Abb. 14 Entropische Effekte leichter Beschädigungen der Markow-Decke eines selbstorganisierenden Systems.“ in „The Hidden Spring“ von Mark Solms, übersetzt von Elisabeth Vorspohl, erschienen 2023)

Mark Solms, den wir in Episode 106 vorgestellt und zu Wort haben kommen lassen, hat in Karl Friston und seinem „Free Entropy Principle“ weit mehr als ein fehlendes Puzzlestück gefunden. Ich würde den Einfluss von Fristons Gedanken und Theorien auf 50/50 schätzen. So schreib Solms selbst in seinem Buch „The Hidden Spring“ (deutsch 2023, daraus: Kapitel 7, Vorhebungen im Original) über die Zusammenarbeit mit Friston:

„Sofort nach unseren Fachgesprächen auf dem Kongress von 2017 schrieb ich Friston und schlug ihm vor, unsere Erkenntnisse zusammenzuführen und zu versuchen, das Bewusstsein dem Prinzip der freien Energie zu unterstellen. Zu meiner Freude war Friston einverstanden, und wir begannen, unsere sich abzeichnende gemeinsame Sichtweise in einem Artikel zu formulieren.“

In einem kurzen Abstract zusammengefasst: Karl Fristons Free Energy Principle beginnt mit der Frage: Wie gelingt es lebenden Systemen, über lange Zeit ihre Form zu bewahren, obwohl die Welt um sie herum unaufhörlich im Wandel ist? Fristons Antwort lautet: Organismen sind permanent damit beschäftigt, ihre Grenze zur umgebenden Welt aufrechtzuerhalten, indem sie auf diese reagieren. Dabei ist es entscheidend, Überraschungen (surprise) zu minimieren. Jeder Organismus trifft fortlaufend Vorhersagen über seine Umwelt. Diese beruhen auf zwei Schnittstellen zur Welt: Wahrnehmen und Handeln. Wo Vorhersage und Wirklichkeit auseinanderfallen, wird entweder das innere Modell angepasst oder die Welt durch eigenes Handeln so verändert, dass sie den Erwartungen wieder besser entspricht. / Abstract Ende

Die Grundlagen von Fristons Theoriegebäude waren für Solms Erweiterung, Konsolidierung und Erleichterung zugleich.

„diese Gesetze versprachen, die subjektiven Gefühle zu erklären, die Entscheidungen lenken.“

Mit Friston konnte er sein neurophysiologisches Konzept auf die Grundmauern der Physik zurückführen und mit Fristons Gedanken zum Markov-Blanket (Markov Decke) gleichzeitig auf abstraktere Höhen extrapolieren, wie die Psyche. Zusammen publizierten Solms und Friston 2018 das Paper „How and why consciousness arises: Some considerations from physics and physiology“ (verlinkt in den Shownotes).

Im Blogpost zu dieser Episode möchte ich Mark Solms zu Wort kommen lassen, um durch eine Reihe von ausgewählten und kommentierten Zitaten Fristons Theorien darzustellen. Die Essenz zu vermitteln, ist gar nicht so komplex, so lange man nicht die Mathematik anrührt und Fragen aufwirft, die sich beim Durchdenken ergeben. Und genau das möchte ich tun, wie Rotkäppchen auf dem Weg zur Großmutter, werde ich beherzt dem Auftrag der Mutter folgen: komme nicht vom Weg ab.

Wir fangen an mit dem zentralen Fundament: gebaut auf dem mathematischen Fundament der Physik.

Psyche als Teil der Physik

Für Solms ist klar und notwendig: Bewusstsein soll nicht außerhalb der Naturgesetze stehen, sondern denselben Gesetzmäßigkeiten folgen wie alle anderen natürlichen Prozesse. Allerdings geschieht dies nicht deterministisch, sondern probabilistisch:

„Der Mechanismus des Bewusstseins muss genauso wie der Mechanismus der Bewegung der Gestirne und aller übrigen Naturerscheinungen gesetzmäßig erklärbar und deshalb irgendwie, und sei es nur probabilistisch, vorhersagbar sein.“

„Wenn psychische Energie tatsächlich isomorph mit Veränderungen der thermodynamischen freien Energie ist, dann, so meine Idee, müsse sie messbar und auf physikalische Gesetze rückführbar sein.“

Damit wird die Brücke zur Thermodynamik geschlagen. Friston versucht nicht, Psyche zu „materialisieren“, sondern zeigt, dass dieselben mathematischen Prinzipien sowohl physikalische als auch psychische Prozesse beschreiben können.

Selfhood

Selfhood bedeutet eine Grenze zwischen einem Innen (dem Self) und dem Außen. Solms macht die an einem ganz primitiven Beispiel deutlich. Ein Organismus muss ständig Arbeit leisten, um seine eigene Form gegenüber seiner Umgebung aufrechtzuerhalten.

„Das heiße Wasser bleibt vom kalten Wasser in der Wanne nicht getrennt. Ihr Körper aber bleibt getrennt, und damit Sie nicht sterben, darf es auch nicht anders sein. Doch das erfordert Arbeit„

„Die basalste Funktion lebender Organismen besteht darin, der Entropiezunahme Widerstand zu leisten.“

Damit wird Entropie zum eigentlichen Gegenspieler des Lebens. Alles Weitere in Fristons Theorie lässt sich als Konsequenz dieses einen Problems verstehen.

Selbstorganisation

„Friston erklärt, dass biologische Systeme, zum Beispiel Zellen, durch komplexe Versionen desselben Prozesses entstanden sein müssen, der auch einfachere »selbstorganisierende« Systeme hervorgebracht hat, zum Beispiel Kristalle aus Flüssigkeit, denn ihnen ist ein bestimmter Mechanismus gemeinsam. Friston bezeichnet diesen Mechanismus als »Minimierung der freien Energie«“

Friston erweitert den Blick nun über biologische Systeme hinaus. Selbstorganisation ist für ihn kein exklusives Merkmal des Lebens, sondern ein allgemeines Prinzip komplexer Systeme. Lebende Organismen stellen lediglich eine besonders ausgeprägte Form davon dar.

Homöostase und Entropie

„Das Bindeglied zwischen Fristons Arbeit und meiner eigenen ist die Homöostase.“

Hier treffen sich Solms und Friston unmittelbar. Beide sehen in der Homöostase den Schlüssel zum Verständnis des Organismus – Solms eher neurobiologisch, Friston mathematisch.

„Homöostase bedeutet, dass lebende Organismen sich innerhalb eines begrenzten Bereichs physischer Zustände befinden müssen, d.h. in lebensfähigen Zuständen oder wertgeschätzten oder präferierten oder, wie Friston es mit Bezug auf alle oben genannten ausdrückt, in »erwarteten« Zuständen.“

Friston bezeichnet diese Bereiche als „erwartete Zustände“. Erwartet bedeutet hier nicht bewusst vorhergesehen, sondern evolutionär bevorzugt: Zustände, in denen ein Organismus überleben kann.

„Homöostase läuft im Grunde darauf hinaus, sich innerhalb der eigenen evolutionären Nische aufzuhalten, und deshalb muss jede Art bestimmte Fragen stellen, etwa: »Kann ich hier atmen?« Unser Überleben hängt von den Antworten ab, die wir bekommen.“

„Die Homöostase zielt in die entgegengesetzte Richtung. Sie leistet der Entropiezunahme Widerstand. Sie stellt sicher, dass Sie in einem begrenzten Bereich von Zuständen bleiben.“

„Lebende Organismen müssen einem der Grundgesetze der Physik Widerstand leisten, dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik.“

Die Formulierung, dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik „Widerstand zu leisten“, klingt zunächst paradox. Gemeint ist natürlich nicht, dass Organismen Naturgesetze außer Kraft setzen, sondern dass sie lokal Ordnung aufrechterhalten, indem sie ständig Energie mit ihrer Umwelt austauschen.

„Dieser biologische Imperativ weist, wie sich zeigt, eine tiefe Verbindung mit einem der basalsten Erklärungskonzepte der Physik auf, nämlich der Entropie.“

Damit wird Entropie zu weit mehr als einem physikalischen Begriff. Sie beschreibt zugleich den grundlegenden Druck, unter dem jedes lebende System steht.

Entropie als Information

„Die Beziehung zwischen Entropie und Information wurde in einer berühmten Gleichung des Elektroingenieurs und Mathematikers Claude Shannon definiert. Mit diesem Durchbruch führte Shannon im Alleingang »Information« in die Physik ein, wo sie, insbesondere in der Quantenmechanik, zu einem Grundkonzept geworden ist.“

An dieser Stelle wechselt Friston von der klassischen Thermodynamik zur Informationstheorie. Entropie bedeutet nun nicht mehr nur Wärmeverlust, sondern auch Unsicherheit.

„Eine abstrakte, auf die Informationsdynamik abhebende Definition der Entropie ist allgemeiner anwendbar als eine konkrete, auf die Wärmedynamik abhebende. Die Gesetze der Thermodynamik erweisen sich so als ein Sonderfall der tieferen Gesetze der Wahrscheinlichkeit. Dies ist wichtig, weil die Hauptsätze der Thermodynamik nur auf materielle (sichtbare, fassbare) Systeme, beispielsweise Gehirne, anwendbar sind, die Informationsgesetze hingegen auch auf immaterielle (nicht fassbare, unsichtbare) Systeme, beispielsweise die Psyche.“

Das ist vermutlich einer der kühnsten Schritte seiner Theorie. Wenn Information allgemeiner ist als Materie, dann lassen sich dieselben mathematischen Prinzipien sowohl auf Gehirne als auch auf psychische Prozesse anwenden.

„Als lebende Systeme leisten wir der Entropiezunahme durch den Mechanismus der Homöostase Widerstand. Kurzum, wir empfangen Information über unser wahrscheinliches Überleben, indem wir Fragen stellen (d.h. Messungen durchführen) bezüglich unseres biologischen Zustands in Relation zu den sich entfaltenden Ereignissen.“

Wahrnehmen bedeutet aus dieser Sicht immer auch Messen. Der Organismus sammelt kontinuierlich Evidenz darüber, ob seine Erwartungen an die Umwelt noch zutreffen.

„Die Sinnesmodalitäten des Nervensystems generieren »ausstattungsevozierte Antworten« auf die Fragen, die wir ans Universum richten.“

Unsere Sinnesorgane liefern dabei keine objektive Kopie der Welt. Sie liefern Antworten auf genau jene Fragen, die für das Überleben des Organismus relevant sind.

Markov Decke

„Die Markow-Decke ist ein statistisches Konzept, das zwei Zustandsgruppen voneinander trennt. Solche Formationen induzieren eine Aufteilung von Zuständen in innere und äußere, d.h. in ein System und ein Nicht-System, und zwar dergestalt, dass die inneren Zustände von denjenigen, die dem System äußerlich sind, isoliert werden.“

„Die Formation einer Markow-Decke unterteilt also die Zustände eines Systems in vier Typen — innere, aktive, sensorische und äußere –, wobei die äußeren Zustände nicht Teil der selbstorganisierenden Entität sind.“

Die vier Zustandsklassen – innere, sensorische, aktive und äußere Zustände – bilden das Grundgerüst seiner gesamten Theorie. Nahezu alle späteren Begriffe lassen sich auf diese Struktur zurückführen.

Das iterative Lernen der Markov Decke

„Die äußeren Zustände beeinflussen die inneren über die sensorischen Zustände der Decke, während die inneren Zustände an die äußeren durch ihre aktiven Zustände rückkoppeln.“

Entscheidend ist, dass Information niemals direkt von außen nach innen gelangt. Sie muss immer den Umweg über sensorische Zustände nehmen.

„Sensorische Zustände melden die Konsequenzen der Einwirkung auf die äußeren Zustände der aktiven Zustände zurück und adjustieren so die weiteren Aktivitäten des Systems.“

Umgekehrt verändern Handlungen die Umwelt und erzeugen neue Sinneseindrücke. Wahrnehmung und Handlung bilden deshalb einen geschlossenen Regelkreis.

„Sollte dies klingen wie der Wahrnehmungs-Handlungs-Zyklus in lebenden Organismen — und Sie an meine Ausführungen über die zirkuläre Kausalität zwischen retikulärem Aktivierungssystem, Vorderhirn und Entscheidungsdreieck des Mittelhirns erinnern –, so ist dies kein Zufall. Darin besteht der Wert solcher abstrakten Modelle. Sie werfen Licht auf absolut regelmäßige Formalismen, die bei einer ganzen Bandbreite an Substraten wiedererkennbar sind — und es uns ermöglichen, die Struktur lebender Dinge auf neue Weise zu verstehen.“

Genau hier liegt die Verbindung zur Neurobiologie: Das abstrakte mathematische Modell beschreibt dieselbe Schleife, die wir auch als Wahrnehmungs-Handlungs-Zyklus kennen.

„Wenn Sie sich umsehen, finden Sie Markow-Decken überall. Eine Zellmembran hat die Eigenschaften einer Markow-Decke, und Gleiches gilt für die Haut und das muskuloskelettale System des Körpers insgesamt — das ebenfalls aus Zellen besteht. Es trifft auf jede Organelle, jedes Organ und jedes physiologische System zu. Auch das Gehirn (ja, das gesamte Nervensystem) — das die übrigen Körpersysteme reguliert — besitzt daher eine Markow-Decke.

Deshalb versteht Friston das Markov-Blanket nicht nur als Eigenschaft des Gehirns. Für ihn ist es ein universelles Organisationsprinzip lebender Systeme – von der einzelnen Zelle bis hin zum gesamten Organismus.

Zwei Zitate noch:

„Die selbsterhaltende Natur solcher Systeme, ihre Tendenz, sich von ihren Umgebungen zu trennen und dann aktiv eigenständig zu existieren, dient der Selbstheit als elementare Grundlage. Die isolierte Natur solcher Systeme, die Tatsache, dass sie die Nichtselbst-Welt nur durch die sensorischen Zustände ihrer eigenen Decken registrieren können, dient der Subjektivität – dem »Blickwinkel« eines sequestrierten Selbst – als elementare Grundlage.“

Und um noch mal ganz klar zu machen, wie blind wir gegenüber der „Welt“ da drauße wirklich sind, hier noch das abschließende Zitat, das die Welt auf „Spike Trains“ reduziert. Völlig zu recht, auch, wenn es sich für uns so niemals „anfühlt“:

„Sensorische Wahrnehmungsdaten (empfangen in Form der in Ihrem Kopf erzeugten Spike Trains – Milliarden von Einsen und Nullen) sind die einzigen Daten, die wir empfangen können. Aus ihnen müssen wir auf die kausale Struktur der Welt rückschließen. Als Wesen mit Markow-Decken kommen wir nicht umhin, uns auf Dinge wie Wahrscheinlichkeitsverteilungen zu verlassen, statt uns auf absolute Wahrheiten stützen zu können. Aus diesem Grund ist es hilfreich zu wissen, dass die freie Friston-Energie immer größer ist als der Surprisal-Wert; dies ermöglicht unseren Gehirnen, unkennbaren Wahrheiten mithilfe statistischer Berechnungen näherzukommen.“