Hintergrundinformationen

Viele Tiere stoßen in Gegenwart von Raubtieren oder anderen Gefahren Alarmrufe aus. Dies geschieht häufiger bei Anwesenheit von verwandten oder befreundeten Tieren. Bisher gab es jedoch keine Belege dafür, dass Schimpansen dabei auch den Wissensstand anderer Gruppenmitglieder berücksichtigen. Jetzt haben Forscher am Max-Planck-Institut für evolutionäre Anthropologie in Leipzig und der University of St. Andrews in Großbritannien frei lebende Schimpansen in Uganda beobachtet und dabei herausgefunden, dass diese erkennen, wer über welches Wissen verfügt. Die Schimpansen gaben Alarmrufe zur Warnung vor einer Giftschlange häufiger in Gegenwart von unwissenden als in Gegenwart von bereits informierten Gruppenmitgliedern. Neue Informationen mit anderen zu teilen, ist ein wichtiger Schritt auf dem evolutiven Weg zur Sprache, den der gemeinsame Vorfahre von Mensch und Schimpanse vermutlich bereits vor sechs Millionen Jahren beschritten hat.

Verschiedene Studien zur “Theory of Mind”, dem Wissen um das Bewusstsein anderer, fanden bislang jedoch nur mit Zootieren statt und führten zum Teil zu kontroversen Ergebnissen. Meist war dabei unklar, ob Schimpansen die Aufgabe nicht lösen konnten oder diese nicht verstanden. Ein Problem, das bei frei lebenden Schimpansen in ihrem natürlichen Umfeld nicht besteht.

Catherine Crockford, Roman Wittig und Kollegen beobachten deshalb frei lebende Schimpansen im Budongo Wald in Uganda. Sie konfrontierten die Tiere mit Attrappen gefährlicher Giftschlangen, zwei Gabunvipern und einer Nashornviper. „Diese gut getarnten Schlangen liegen oft wochenlang am selben Fleck. Es lohnt sich also, wenn der Schimpanse, der sie entdeckt, seine Gruppenmitglieder vor der Gefahr warnt”, sagt Catherine Crockford, die an der University of St. Andrews forscht.

Die Forscher beobachteten das Verhalten von 33 verschiedenen Schimpansen, die jeweils eines von drei Schlangenmodellen gesehen hatten. Es zeigte sich, dass Alarmrufe häufiger dann ausgestoßen wurden, wenn der Rufer sich in der Gesellschaft von Gruppenmitgliedern befand, die die Schlange entweder selbst noch nicht gesehen oder frühere Warnrufe nicht gehört haben konnten. „Schimpansen scheinen den Wissensstand anderer zu berücksichtigen und stoßen freiwillig einen Warnruf aus, um die anderen über eine Gefahr zu informieren, von der sie nichts wissen“, sagt Roman Wittig vom Max-Planck-Institut für evolutionäre Anthropologie und der University of St. Andrews. „Gruppenmitglieder, die die Gefahr bereits kannten, wurden seltener informiert“.

Diese Studie belegt erstmals, dass Alarmrufe nicht nur absichtlich, sondern auch häufiger ausgestoßen werden, wenn sich die Zuhörer der Gefahr nicht bewusst sind. „Schimpansen verstehen offenbar, dass sie etwas wissen, was ihr Gegenüber nicht weiß. Sie verstehen ebenfalls, dass sie den anderen informieren können, indem sie eine ganz bestimmte Lautäußerung von sich geben“, so Wittig. Einigen Wissenschaftlern zufolge ist die Fähigkeit zum Bereitstellen von fehlenden Informationen an andere Gruppenmitglieder ein wichtiger Schritt während der Evolution von Sprache: Warum sollte man jemanden über etwas informieren, wenn man nicht vorher erkannt hat, dass derjenige diese Information benötigt? Bisher war nicht klar, wann in der Evolution der Affenartigen (Hominoiden) oder der Menschenartigen (Hominiden) dieser wichtige Schritt gegangen wurde. Der gemeinsame Vorfahre von Mensch und Schimpanse könne diesen Weg möglicherweise vor 6 Millionen Jahren beschritten haben, wie die aktuelle Studie zeigt. (Quelle: idw).

Originalveröffentlichung:
Catherine Crockford, Roman M. Wittig, Roger Mundry, and Klaus Zuberbühler
Wild Chimpanzees Inform Ignorant Group Members of Danger
Current Biology, December 29, 2011

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Synthetisches Bewusstsein: Wie Bewusstsein funktioniert und Roboter damit ausgestattet werden können

Noch nicht gefunden - aber alle Zeichen deuten auf seine Existenz hin: Das Higgs-Teilchen, welches die Physikerinnen und Physiker am CERN, dem Europäischen Laboratorium für Teilchenphysik in Genf jagen, wird eingekreist. Das vermelden die beteiligten Forschungskollaborationen. Aufgrund der Daten, die sie in den 18 Monaten seit dem Start des weltgrössten Teilchenbeschleunigers «Large Hadron Collider» (LHC) gesammelt haben, liegen den Wissenschaftlern Hinweise zur Existenz des im Standardmodell vorhergesagten Teilchens vor. Das Higgs-Feld, das nach dem schottischen Physiker Peter Higgs benannt wird, soll allen Teilchen ihre Masse verleihen. Das macht das Higgs-Teilchen zu einem wichtigen Bestandteil im geltenden Verständnis der Physik und deshalb wird es manchmal auch das «Gottesteilchen» genannt.

Die Analyse der bisherigen Daten zeigt, dass bei einem bestimmten Massenwert (125 Gigaelektronenvolt) «mehr charakteristische Ereignisse auftauchen, als es geben würde, wenn das Higgs-Teilchen nicht existierte», erklärt der am ATLAS-Experiment beteiligte Berner Physiker Hans Peter Beck. Die Wissenschaftler stellen aber klar, dass «es zu früh für Schlussfolgerungen ist»: Es braucht mehr Daten, um den noch offenen Massenbereich von 116 bis 130 Gigaelektronenvolt endgültig abzudecken. Das ist der Bereich, in dem das Higgs-Teilchen sich überhaupt noch tummeln kann, die anderen Bereiche wurden gründlich «abgesucht». Beck rechnet damit, dass bis Ende nächstes Jahr definitiv klar ist, ob das Higgs-Teilchen existiert oder nicht. «Mit etwas Glück gehts sogar schneller.»

Der LHC-Teilchenbeschleuniger und die vier Detektoren

Um in bislang unerreichte Dimensionen im Verständnis der Elementarteilchen vorzudringen, lassen die Physikerinnen und Physiker des CERN im 27 Kilometer langen unterirdischen LHC Protonenstrahlen mit je 3,5 Teraelektronenvolt kreisen und mit beinahe Lichtgeschwindigkeit kollidieren. Bei dieser höchsten jemals künstlich erzeugten Kollisionsenergie simulieren sie den Urknall vor rund 14 Milliarden Jahren - und erhoffen sich ein besseres Verständnis über den Aufbau des Universums. Um das Higgs-Boson - und andere neue Kleinstteilchen - zu entdecken und nachzuweisen, wurden vier riesige Detektoren (ATLAS, CMS, LHCb und ALICE) um die vier Kollisionsstellen am LHC aufgebaut; der grösste würde die Kathedrale Notre-Dame in Paris zur Hälfte füllen, während der schwerste mehr Eisen enthält als der Eiffelturm.
Mit dem ATLAS-Detektor mit seinen sensiblen und ausgeklügelten Spurendetektoren, Kalorimetern, Müon-Spektrometern und hochpotenten Magnetfeldern versucht eine internationale Forschungskollaboration mit Berner Beteiligung den Kleinstteilchen auf die Schliche zu kommen, welche aus den Proton-Proton-Kollisionen entstehen. Das stellt die Wissenschaft schon von Beginn weg vor grosse Herausforderungen: Von den 600 Millionen Proton-Proton-Kollisionen, die pro Sekunde im ATLAS-Detektor stattfinden, sind nur gerade 200 interessant genug, um deren Daten zu analysieren. Bei dieser Datenselektion ist der Physiker Hans Peter Beck federführend, er spielt seit 1997 bei der Systemarchitektur der Ereignisselektion und deren Inbetriebnahme eine führende Rolle. Sigve Haug erstellte in Bern einen grossen Grid-Computer-Cluster (500 CPU cores und 200 Terabytes an Diskspeichern), um die riesige Daten-Menge zu bewältigen. (Quelle: idw)

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Supervereinigung: Wie aus nichts alles entsteht. Ansatz einer großen einheitlichen Feldtheorie

Video: Faszination Bewusstsein

Im Experiment lassen sich zwei anscheinend eng miteinander verwobene Funktionen des Gehirns teilweise entflechten
Im Alltagsleben scheinen Aufmerksamkeit und Bewusstsein zusammenzugehören: Wer seine Aufmerksamkeit auf die Schere rechts auf dem Schreibtisch richtet, wird sich ihrer Eigenschaften, wie etwa der roten Griffe, bewusst. Umgekehrt können die roten Griffe auch dazu führen, dass man auf die Schere aufmerksam wird. Jedoch haben Wissenschaftler aus einer Reihe von Verhaltensbeobachtungen in jüngster Zeit geschlossen, dass Aufmerksamkeit und Bewusstsein zwei grundlegend verschiedene Prozesse im Gehirn darstellen, die nicht notwendigerweise miteinander verbunden sind. Dazu haben jetzt Forscher des Max-Planck-Instituts für biologische Kybernetik zusammen mit japanischen Kollegen eine neue Studie in der Fachzeitschrift Science veröffentlicht. Sie liefern den ersten experimentellen Nachweis, dass die primäre Sehrinde, der Eingangsbereich zur visuellen Informationsverarbeitung in der Großhirnrinde, nur durch Aufmerksamkeit, nicht aber durch das Bewusstsein aktiviert wird. Dieses Ergebnis bekräftigt die Hypothese, dass Nervenzellen unterschiedlich auf Aufmerksamkeit und Bewusstsein reagieren. weiter…

Die Vereinigung der Quantenmechanik mit Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie ist eine wichtige offene Frage der modernen Physik. Die allgemeine Relativitätstheorie, welche die Gravitation, den Raum und die Zeit beschreibt, tritt auf großen Skalen, also bei Sternen und Galaxien, zum Vorschein. Auf der anderen Seite machen sich die fragilen Quanteneffekte bei den kleinsten Teilchen bemerkbar. Deswegen ist es schwer, Effekte zu erforschen, wo beide Theorien zusammenwirken. Theoretische PhysikerInnen unter der Leitung von Časlav Brukner der Universität Wien schlagen ein neuartiges Experiment vor, um genau dies zu tun. Die Ergebnisse erscheinen nun im Journal “Nature Communications”.

Zeit in der allgemeinen Relativitätstheorie

Eine der wichtigsten Vorhersagen von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie ist die Deformierung der Zeit. Die Theorie sagt voraus, dass Uhren in der Nähe eines massiven Objekts langsamer laufen, und dass sie schneller laufen, je weiter sie von der Masse entfernt sind. Dieser Effekt resultiert im sogenannten “Zwillingsparadoxon”: Wenn einer von zwei identischen Zwillingen auf einer höher gelegenen Ebene lebt, so altert er schneller als der andere Zwilling. Dieser Effekt wurde in klassischen Experimenten bestätigt, jedoch nicht im Zusammenhang mit Quanteneffekten, welches das Ziel des neuartigen Experimentes sein soll.

Quanteninterferenz und Komplementarität weiter…

Das vernetzte Gehirn.
Forscher analysieren das Verknüpfungsmuster der Nervenzellen im Gehirn, um dessen Arbeitsweise besser zu verstehen.

Wie das Gehirn unseren Geist hervorbringt ist noch immer ein großes Rätsel. Manche Forscher sehen den Grund dafür in der bisher üblichen separaten Untersuchung einzelner Bereiche und Funktionen, die den Blick auf das große Ganze versperrte. Sie halten es für aussichtsreicher, das Gehirn als riesiges Netzwerk miteinander verknüpfter Nervenzellen zu betrachten, und wollen - wie Spektrum der Wissenschaft in seinem Oktoberheft berichtet - aus dem Muster dieser Verknüpfungen seine Funktionsweise erschließen.

Einer von ihnen ist Dietmar Plenz vom National Institute of Mental Health der USA in Bethesda (Maryland). Er und seine Kollegen züchten Hirngewebestückchen in der Größe von Sesamkörnern in Kulturschalen. Mit 64 Elektroden, die sie hineinstechen, registrieren sie dann das spontane Feuern der Nervenzellen. Was sie dabei aufzeichnen, sind Salven schnell aufeinander folgender elektrischer Entladungen, die man als neuronale Lawinen bezeichnet.

Auf den ersten Blick scheint es so, als handle es sich um ein Zufallsmuster. In diesem Fall müssten jedoch winzige und großräumige Lawinen gleich häufig auftreten. Das ist aber nicht der Fall: Plenz und seine Kollegen beobachten kleine Exemplare viel öfter als große. Zeichnet man die Größenverteilung der Lawinen in einem Diagramm auf, ergibt sich eine glatte, abfallende Kurve. Wissenschaftler kennen diesen Kurvenverlauf aus anderen Zusammenhängen - etwa der Intensitätsverteilung von Erdbeben oder dem Muster der Erkrankungsfälle bei einer Epidemie. Er ist ein Merkmal komplexer Netzwerke, die Verbindungen über kurze und weite Distanzen enthalten. Die konkrete Form der Verteilungskurve erlaubt dabei Rückschlüsse auf das genaue Verknüpfungsmuster.

Plenz und seine Kollegen testeten eine Reihe verschieden konfigurierter Modellnetze im Computer, um herauszufinden, welche davon eine ähnliche Verteilung neuronaler Lawinen erzeugte ihre Hirngewebestücke. Die beste Übereinstimmung ergab eine Architektur mit 60 Neuronengruppen, deren Mitglieder alle direkten Kontakt zueinander hatten. Jeder solche “Cluster” war im Durchschnitt mit zehn weiteren verknüpft. Doch dieser Wert schwankte stark: Einige wenige Cluster waren mit vielen anderen verbunden, die meisten aber nur mit sehr wenigen. Wissenschaftler bezeichnen das als “Kleine-Welt-Netzwerk”. Seine Architektur hat zur Folge, dass eine Erregungswelle zwar überwiegend auf den Ursprungscluster beschränkt bleibt, aber über wenige Zwischenstationen auf jeden beliebigen anderen überschwappen kann.

Inzwischen verfolgen Neurowissenschaftler das Ziel, die geschätzten 100 Billionen Verknüpfungen zwischen allen 100 Milliarden Neuronen im Gehirn zu kartieren. Dazu haben die National Institutes of Health 2010 das mit 30 Millionen Dollar dotierte “Human Connectome Project” ins Leben gerufen. An ihm arbeitet auch Olaf Sporns von der Indiana University in Bloomington (USA) mit. Gemeinsam mit Patric Hagmann und dessen Neuroimaging-Gruppe an der Universität Lausanne (Schweiz) hat er Aufnahmen des menschlichen Gehirns mit einer speziellen Methode angefertigt, welche die Nervenfasern sichtbar macht, die verschiedene Regionen der Hirnrinde miteinander verbinden. Die beiden Wissenschaftler wählten annähernd 1000 Regionen aus und kartierten sämtliche Faserstränge zwischen ihnen. Das Ergebnis ähnelte dem Kleine-Welt-Netzwerk, das Plenz in den kleinen Gewebestückchen entdeckt hatte.

Selbst wenn das Konnektom-Projekt erfolgreich sein sollte, bleibt allerdings fraglich, ob die Resultate wirklich klar machen, wie das menschliche Gehirn funktioniert. Wie schwierig die Aufgabe ist, lehrt die Erfahrung mit dem einfachsten im Detail bekannten Nervensystem: dem des Fadenwurms. Es besteht aus genau 302 Nervenzellen, deren Verknüpfungsmuster schon seit 20 Jahren vollständig bekannt ist. Trotzdem weiß immer noch niemand genau, wie dieses simple Netzwerk die Körperfunktionen und das Verhalten des Wurms steuert. (Quelle: Spektrum der Wissenschaft, Oktober 2011)

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Die Gesetze der Quantenmechanik beherrschen nicht nur die Welt der Atome und Elementarteilchen, sondern liegen in größerem Maßstab auch der Natur zu Grunde. Vielleicht machen sich sogar Pflanzen bei der Fotosynthese oder Zugvögel bei der Orientierung typische Quanteneffekte zu Nutze.
Die Quantenmechanik gilt allgemein als Theorie für mikroskopisch kleine Gegenstände - Moleküle, Atome, sub-atomare Teilchen. Doch viele Physiker glauben heute, diese Theorie treffe auf alles zu, ob groß oder klein. In den letzten Jahren haben mehrere Experimente Quantenphänomene auch in makroskopischen Systemen beobachtet, beispielsweise in Salzkristallen.

Vor allem die so genannte Verschränkung, ein typischer Quanteneffekt, kann auch in großen Systemen auftreten - vielleicht sogar in lebenden Organismen. Kandidaten für makroskopische Verschränkungen sind die Fotosynthese der Pflanzen und die Magnetfeldwahrnehmung von Vögeln. Das berichtet der serbo-britische Quantenphysiker Vlatko Vedral von der Oxford University in der Septemberausgabe von Spektrum der Wissenschaft.

Für die Physiklehrbücher ist die Sache klar: Die Quantenmechanik beschreibt die Gesetze des -Mikrokosmos. Sie liefert die Theorie für Teilchen, Atome und Moleküle - während für Billardkugeln, Menschen und Planeten die klassische Physik gelten soll. Irgendwo zwischen Molekülen und Billardkugeln liegt damit eine Grenze, an der das seltsame Verhalten der Quantenobjekte in die vertraute Alltagsphysik übergeht. Doch wo liegt diese Grenze?

Diese Aufteilung der Welt ist womöglich allzu simpel. Heute glauben nur wenige Physiker, dass die klassische Physik den gleichen Rang wie die Quantenmechanik beanspruchen darf; sie ist nur eine nützliche Näherung für eine Welt, die in allen Größenordnungen Quanteneigenschaften aufweist. Dass Quanteneffekte in der Makrowelt schwieriger zu erkennen sind, hat nichts mit Größe zu tun, sondern mit der Art und Weise, wie Quantensysteme wechselwirken. In den letzten Jahren haben Physiker mehrfach experimentell belegt, dass auch in makroskopischen Größenordnungen Quantenverhalten auftreten kann. weiter…

Video: Was ist Bewusstsein?

Mitte der 1990er Jahre haben die Forscher Stanislas Dehaene und Jean-Pierre Changeux einen theoretischen und experimentellen Ansatz zum Verständnis der biologischen Prozesse des Zugangs zum menschlichen Bewusstsein entwickelt. Ihre auf dem Gebiet der Neurowissenschaften bahnbrechenden Arbeiten ermöglichten es ihnen, die neuronale Aktivität der bewussten Informationsverarbeitung objektiv zu messen.

Versuchsmodell zur Bewusstseinsbildung.

Zur Messung der neuronalen Aktivität bei der Bewusstseinsbildung haben die Forscher ein Versuchsmodell entwickelt, das auf einer einfachen Idee basiert: Der Vergleich der Hirnaktivität bei der bewussten und der unbewussten Informationsverarbeitung. Einem Patienten wurden während einer schnellen Abfolge von Bildern geschriebene Wörter gezeigt. Durch die Variation der Bedingungen der Bilder-Präsentation ist die Versuchsperson in der Lage, oder auch nicht, das geschriebene Wort wiederzugeben. Konnte sie sich erinnern, so ist dies auf eine bewusste Verarbeitung zurückzuführen. Konnte sie es nicht, wurde das Wort nicht bewusst wahrgenommen. Die Forscher konnten aufzeigen, dass das Wort dennoch vom Gehirn verarbeitet wurde, wenn auch nur in unterschwelliger bzw. unbewusster Form. Bei jeder neuen Versuchsanordnung wurde die neuronale Aktivität in unterschiedlichen Hirnregionen des Patienten mit Hilfe verschiedener Verfahren gemessen. So war es möglich, die neuronalen Aktivitäten bei der bewussten und der unbewussten Verarbeitung des gleichen Reizes objektiv zu vergleichen. Durch die Fortsetzung dieser Arbeiten mit neuen Methoden zur Erfassung der Gehirnaktivität war es möglich, die Abfolge der Abläufe im Gehirn während der Bewusstseinsbildung zu erfassen. Die ersten Hirnareale, die sowohl bei der bewussten als auch bei der unbewussten Informationsverarbeitung aktiviert werden, sind der visuelle Kortex und insbesondere die Areale, die bei der Erkennung geschriebener Wörter beansprucht werden. Bei der bewussten Verarbeitung (200 - 400 Millisekunden nach der Präsentation des Wortes) wird ein großes Hirnareal - darunter der präfrontale Kortex - von einer enormen elektrischen Welle überflutet. Nach Angaben der Forscher synchronisiert sich dieses Areal während der Bewusstseinsbildung durch Neuronen, die über lange Axone eng miteinander verbunden sind.

Zugang zum Bewusstsein.

Laut Stanislas Dehaene und Jean-Pierre Changeux bietet dieser letzte Schritt den Zugang zum Bewusstsein. Sie sind davon überzeugt, dass diese Anregung des präfrontalen Netzwerks und die Synchronisierung der Neuronen in diesen Arealen nur ausgelöst werden können, wenn ein Mindestmaß an Aktivität in den vorangegangenen Schritten erreicht wurde.
Bewusstsein wäre demzufolge die Bereitstellung von Informationen in einem “neuronalen Arbeitsbereich”, der es dem Signal ermöglicht, in das Langzeitgedächtnis überzugehen.
Diese Theorien von Jean-Pierre Changeux und Stanislas Dehaene ermöglichen die Interpretation verschiedener klinischer Zustände, bei denen der Zugang zum Bewusstsein verändert oder verhindert wurde, wie zum Beispiel bei einer Vollnarkose, durch Koma oder psychiatrische Erkrankungen wie Schizophrenie. (Quelle: Pressemitteilung der CEA - 31/05/2010 via idw)

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Bewusstsein galt bisher als eines der größten Rätsel der Welt. Ist es eine von Materie unabhängige Geistsubstanz, oder ist es eine Eigenschaft der Materie? Jetzt wurde wohl das Rätsel gelöst und ein synthetisches Bewusstsein erzeugt.

Heute ist es möglich, dem Gehirn praktisch online beim Denken zuzuschauen. Seine Geheimnisse werden Stück für Stück entblättert. Farbige Lichter der aktiven Regionen blitzen auf Beobachtungsschirmen auf, wenn die Versuchspersonen ihre Gedanken schweifen lassen.

Doch gleich, an welcher Stelle die Gedanken ihre Strahlung entfalten, keine der aktiven Regionen kann eindeutig dem Ort des Bewusstseins zugeordnet werden. Bewusstsein zeigt sich nach Überzeugung der meisten Wissenschaftler im Zusammenhang mit der im Gehirn überall stattfindenden Informationsverarbeitung. Und niemand wird heute ernsthaft bestreiten wollen, dass das Gehirn zur Verarbeitung all jener Informationen dient, die zum Input oder Output lebender Systeme gehören.

Information ist bekanntlich übertragbar.

Beispielsweise kann die Information eines elektronisch gespeicherten Emails mit Hilfe eines Druckers auf den Informationsträger Papier übertragen werden. Wenn man nun davon ausgeht, dass das Gehirn ein Trägermedium übertragbarer Information ist, Bewusstsein aber kein solcher Träger, weil es sich an keinem bestimmten Ort lokalisieren lässt, dann muss Bewusst­sein selbst Teil der Informationsverarbeitung, nämlich ein informationsverarbeitender Prozess sein.

Die Software eines informationsverarbeitenden Prozesses kann genauso wie sonstige Information auf andere Trägersysteme übertragen werden und zusammen mit der neuen Hardware wieder einen informationsverarbeitenden Prozess bilden. Das wurde nun ausgenutzt für den Bau eines kleinen Roboters mit synthetischem Bewusstsein. weiter…