Dein Gehirn hat die Welt noch nie gesehen. Es rät nur sehr gut.

Wissenschaft

Du erlebst gerade eine Simulation. Und du merkst es nicht, weil sie mit einem Softwarefehler kommt. Sie behauptet, sie sei die Realität.

Das ist keine Esoterik, sondern nüchterne Hirnforschung. Keine Matrix, kein Räucherstäbchen, sondern ein einziges Prinzip, und es gilt für dein Gehirn genauso wie für eine einzelne Zelle ohne Nervensystem. In den nächsten sechs Minuten weißt du, warum du auf einer Treppe stolperst, die du seit Jahren kennst, und was das mit einem Plattwurm zu tun hat, den man in vier Teile schneiden kann.

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In deinem Kopf ist es dunkel, still und geruchsfrei

Deine Augen fangen ein paar Photonen ein, deine Ohren ein paar Druckwellen. Daraus baut dein Gehirn eine dreidimensionale, farbige, klingende Welt, alle paar Millisekunden neu. Dass es das aus eigener Kraft kann, siehst du im Traum. Dort liefert kein Auge ein Bild, und trotzdem erlebst du Räume, Stimmen, Gesichter. Deshalb heißt das Modell, das dein Gehirn von der Welt gebaut hat, ein generatives Modell. Es erzeugt reiche Erfahrung aus sehr wenig Information.

Zwischen dir und der Welt liegt eine Grenze, an der beide Seiten sich nur über Signale berühren. Karl Friston, der Neurowissenschaftler hinter dem Prinzip dieses Artikels, nennt sie mit einem Begriff aus Judea Pearls Wahrscheinlichkeits-Netzen die Markov-Decke, die statistische Trennwand zwischen System und Umgebung. Bei einer Zelle ist das die Membran. Durch sie kommen keine Erlebnisse herein, sondern nur rohe Signale, und in die Gegenrichtung gehen nur deine Handlungen hinaus. Aus den Signalen muss dein System rückwärts erschließen, was sie verursacht hat. Du machst damit dasselbe wie eine Ärztin, die nie in dich hineinschauen kann. Sie hat Fieber, Husten und ein paar Blutwerte und muss daraus rückwärts auf die Ursache schließen. Dieses Rückwärtsschließen heißt Inferenz. Sein Ergebnis ist dein Weltmodell, und was du erlebst, ist die Simulation daraus.

Wahrnehmung ist also nicht halb Realität und halb Konstruktion. Sie ist Konstruktion durch und durch, getrieben von einer Realität, die du nie direkt siehst. Diese Architektur hängt übrigens nicht am Gehirn. Sie braucht nur eine Grenze und etwas dahinter, das rät.

Tuschezeichnung einer Zelle zwischen Molekülen, darüber eine Blase mit der vereinfachten Version der Zelle und ihrer Umgebung. — Das Prinzip braucht kein Gehirn. Dieselben Bauteile in einer einzelnen Zelle. Unten die verrauschte Realität, in der Mitte die Membran als Grenze, mit Rezeptoren, die nach außen tasten, und Ionenkanälen, die nach außen zurückwirken. Oben das komprimierte Modell, mit dem die Zelle arbeitet.

Die Treppe, die eine Stufe zu wenig hat

Du gehst die Treppe hoch, die du seit Jahren kennst, schaust auf dein Handy, dein Bein hebt sich, sucht die nächste Stufe und findet keine. Der Fuß knallt aufs Plateau, dein Magen rutscht. In dieser halben Sekunde ist alles passiert, worum es hier geht.

Dein Gehirn arbeitet in Stockwerken. Ganz unten kommen die rohen Sinnesreize an, ganz oben sitzt die Erwartung, was hier gleich passieren wird. Von oben lief eine Vorhersage nach unten, das Gefühl der Stufe, das Gewicht beim Aufkommen, die Verlagerung des Schwerpunkts. Von unten lief ein Fehlersignal nach oben, weil die Sensoren etwas anderes lieferten. Im Fehler-Pfad wird ausgelöscht, was zur Vorhersage passt; nur die Abweichung wird nach oben weitergemeldet. In der Neurowissenschaft heißt dieses Sparprinzip Predictive Coding, und es ist einer der Gründe, warum dein Gehirn mit rund 20 Watt auskommt. Dein Laptop braucht mehr.

Tuschezeichnung einer Pyramide mit fünf Ebenen von Sinnesreiz bis Kontext, links ein Pfeil abwärts für Vorhersagen, rechts ein Pfeil aufwärts für Sinnesdaten. — Wahrnehmung läuft in beide Richtungen zugleich. Von unten steigt das rohe Sinnessignal auf und verdichtet sich über Muster und Merkmale zu Objekten und Kontext. Von oben sinken die Vorhersagen herab, und nur die Differenz zwischen beiden wird nach oben weitergereicht.

Warum kam der Fehler dann so spät durch? Weil dein Gehirn nicht auf eine einzige Stufenhöhe tippt, sondern auf einen Bereich, wie ein Foto, das scharf oder unscharf gestellt sein kann. Scharf heißt, nur ein schmaler Bereich kommt infrage, dein Modell ist sich sehr sicher. Unscharf heißt, vieles wäre möglich. Dieses Maß heißt Schärfe. Deine Treppen-Erwartung saß sehr scharf, und dann gewinnt die Erwartung, während die Sensorik kaum noch geprüft wird. Ein Paketbote, der das Treppenhaus nicht kennt, wäre nicht gestolpert. Er hätte hingeschaut, langsamer und teurer.

Fast der ganze Rest fällt aus dem Verhältnis dieser beiden Schärfen, der deiner Vermutung und der deiner Sinnesmeldung. Ist deine Vermutung weich und die Meldung scharf, gewinnt die Meldung, und du lernst etwas. Trifft eine scharfe Vermutung auf Daten, die sie selbst zu weich rechnet, gewinnt die Vermutung. Das ist der Bestätigungsfehler, und deshalb überzeugt eine wacklige Studie niemanden, der schon eine feste Meinung hat. Und wenn zwei scharfe Gegensätze aufeinandertreffen, passiert eines von zwei Dingen. Entweder kippt dein Modell schlagartig, das ist der Aha-Moment. Oder es hält trotzdem, und dann heißt es Dogma.

Die Rechnung passt in eine Zeile

Bis hierher war das eine Beschreibung. Jetzt die Frage dahinter. Warum muss ein Gehirn überhaupt so gebaut sein, und warum gilt dieselbe Antwort für Dinge ohne Gehirn?

Ein System, das eine Grenze hat und über die Zeit stabil bleibt, muss seine Überraschung im Mittel klein halten, also die Unwahrscheinlichkeit dessen, was hereinkommt, gemessen am eigenen Modell. Grob gesagt der Abstand zwischen Erwartung und Erleben, gewichtet danach, wie sicher sich das Modell war. Nicht in einem einzelnen Moment, sondern gemittelt über den Zeithorizont, der zu ihm passt. Wer dauernd überrascht wird, hört über kurz oder lang auf, ein System zu sein. Friston hat daraus das Free Energy Principle gemacht, das Prinzip der freien Energie. Leben heißt gute Vorhersagen machen.

Diese Überraschung lässt sich sauber hinschreiben und praktisch nicht ausrechnen. Dafür müsste man jede mögliche Welt durchgehen, die genau dieses Signal erzeugt haben könnte, und es sind unendlich viele. Fristons Trick ist eine zweite Größe, die man ausrechnen kann und die nie darunter liegt. Sie heißt freie Energie und wirkt wie eine Fahrzeit mit Reserve. Du weißt nicht, wie lange du wirklich brauchst, also sagst du zu, in spätestens vierzig Minuten da zu sein. Drückst du die Zusage auf dreißig Minuten und hältst sie, bist du irgendwann wirklich schneller geworden, denn die Reserve lässt sich nur so weit wegdrücken, bis die Zusage auf der echten Fahrzeit aufsitzt. Ab da zieht jede weitere Senkung die echte Zeit mit. Die Obergrenze hat zwei Posten.

freie Energie = Modell-Komplexität + Modell-Überraschung

Der erste misst, wie weit ein System seine bisherigen Annahmen verbiegen musste, um die Daten zu erklären. Der zweite misst die Überraschung, die trotz aller Verbiegung übrig bleibt. Ein gutes Modell hält beide klein, ist also sparsam und passt trotzdem.

Senken kannst du die freie Energie auf zwei Wegen. Du änderst dein Modell, bis es zur Welt passt, das ist Wahrnehmung. Oder du änderst die Welt, bis sie zum Modell passt, das ist Handeln. Hungrig und Apfel, kalt und Pullover. Friston nennt den Rahmen, in dem beide Wege zusammenlaufen, Active Inference, übersetzt etwa handelndes Schlussfolgern; der zweite Weg gab ihm den Namen.

Aufhören zu raten heißt aufhören zu existieren.

Tuschezeichnung eines hängenden Pendels neben einem invertierten Pendel auf einem motorisierten Wagen, das von Kugeln angestoßen wird. — Ein Pendel, das hängt, bleibt von allein unten. Es muss nichts dafür tun. Ein Pendel, das auf dem Kopf steht, bleibt nur oben, weil ein Motor es gegen jeden Stoß nachregelt. Die Auslenkung aus dem Lot ist die Überraschung, das Nachregeln ist das Handeln, und Leben ist der Fall rechts. Stabil, aber nur solange gearbeitet wird.

Für die Physiker ein Warnhinweis. Fristons freie Energie und die freie Energie der Thermodynamik sind zwei verschiedene Größen mit demselben Namen; die eine wird in Bits gemessen, die andere in Joule.

Kein Naturgesetz, sondern eine Buchhaltung

Hier ist die Stelle, an der viele Darstellungen schlampen. Ich sage das als Physiker. Der Satz „lebende Systeme minimieren freie Energie“ ist kein Naturgesetz wie Newtons Gravitation. Er folgt aus den zwei Annahmen von eben, Grenze und Stabilität. Gelten beide, folgt der Rest weitgehend mathematisch; wie weitgehend genau, ist unter Physikern noch strittig. Wer einwendet, das sei ein Zirkelschluss, hat auf dieser Ebene recht. Der Satz ist wahr wie „alle Junggesellen sind unverheiratet“. Er folgt aus der Definition, und keine Messung der Welt kann ihn umstoßen. Das Prinzip ist kein Gesetz, das die Welt regiert. Es ist eine Buchhaltung, die aufgeht, solange etwas existiert.

Solche Sätze klingen erst mal nach nichts. Ihr Wert liegt woanders, denn sie sagen dir, wo du suchen musst. Wenn Stabilität und gute Vorhersage dasselbe sind, dann muss alles, was über längere Zeit existiert, irgendwo ein Modell versteckt haben, auch etwas ohne Gehirn. Die zwei Annahmen selbst kann man an jedem konkreten System nachprüfen, und sie können scheitern. Und eine Etage tiefer fallen aus dem Prinzip Vorhersagen, die ebenfalls falsch sein können. Dort fällt erstaunlich viel.

Homöostase ist stille Minimierung. Du erwartest 37 Grad, die Sensorik meldet 38, das System schwitzt, bis es wieder passt.
Emotionen sind kein Beifang. Ihre Färbung hängt daran, ob deine freie Energie gerade sinkt oder steigt. Läuft es besser als erwartet, fühlt sich das gut an. Und Angst lässt sich in diesem Rahmen lesen als die Vorhersage, dass gleich eine Welle Überraschung kommt.
Langeweile ist kein Defekt, sondern das Signal, dass gerade kein Modell-Fortschritt mehr zu holen ist. Wäre Langeweile unabhängig davon, wie viel du bei einer Sache noch dazulernst, wäre diese Erklärung tot.

Ein Plattwurm ohne Gehirn löst dieselbe Aufgabe

Wenn das Prinzip nur eine Grenze und Stabilität verlangt, darf es nicht am Gehirn hängen. Michael Levin erforscht an der Tufts University bei Boston Süßwasser-Plattwürmer, sogenannte Planarien. Schneidest du einen in vier Teile, wachsen vier vollständige Würmer, und niemand muss dem Gewebe sagen, was zu tun ist.

Die naheliegende Erklärung lautet, das Wissen stecke in den Genen. Sie greift zu kurz. Blockiert man im Wasser die elektrische Kopplung zwischen den Zellen, wächst einem Mittelstück an beiden Enden ein Kopf, auch dort, wo eigentlich der Schwanz hingehört, bei völlig unveränderter DNA. Und es bleibt so. Schneidet man diese Würmer später erneut, in reinem Wasser, ohne jede weitere Behandlung, wachsen wieder zweiköpfige Würmer. Das Gewebe hat sich gemerkt, was es sein soll, und die DNA war daran nicht beteiligt. Der Soll-Zustand steckt nicht nur in den Genen, sondern im elektrischen Spannungsmuster, verteilt über das Gewebe.

Das ist dieselbe Mechanik auf einem anderen Substrat. Die Zellmembran ist die Grenze, Rezeptoren tasten nach außen, Ionenkanäle wirken zurück, und weicht das Muster vom Soll ab, handelt das Gewebe, bis es wieder stimmt. Das Gewebe macht keinen Fehler. Es löst korrekt ein Inferenzproblem, nur hat jemand die Frage geändert.

Falls deine Firma nach der nächsten Umstrukturierung plötzlich zwei Chefs hat, beschuldige also nicht die Stellenbeschreibungen. Vermutlich hat jemand an den Spannungen gezogen.

Tuschezeichnung von vier Wurmfragmenten, über denen jeweils der vollständige Wurm als blasses Bild schwebt. — Ein Plattwurm, in vier Stücke geschnitten. Über jedem Fragment schwebt der Soll-Zustand, den es aus sich heraus wieder herstellen wird. Unten ein intakter Wurm, bei dem Soll und Ist übereinstimmen.

Eine Simulation, die du selbst baust, kannst du auch umbauen

Ein Prinzip, das eine Zelle, einen Wurm und ein Gehirn zugleich beschreibt, gilt auch für dich, während du das hier liest. Deine Erwartungen entscheiden mit, was du überhaupt wahrnimmst, und die Schärfe deiner Vermutungen entscheidet, wie leicht die Welt dich noch korrigieren kann.

Der praktische Hebel ist die Schärfe. Immer wenn du dir sehr sicher bist, prüft dein Gehirn die Wirklichkeit kaum noch. Das ist die Stelle, an der du auf der Treppe stolperst, und es ist die Stelle, an der du selbst eingreifen kannst. Nimm einmal am Tag die Sache, bei der du dir am sichersten bist, und frag dich, was dich eigentlich noch vom Gegenteil überzeugen würde. Findest du keine Antwort, war es kein Wissen, sondern ein Dogma.

Genau da wird es praktisch. Eine Überzeugung, die sich wie Wahrheit anfühlt, ist kein Charakterzug, sondern eine sehr scharf gestellte Vermutung, und Schärfe kann man ändern. Genau davon handelt mein Buch Warum alles gut wird: warum sich Pessimismus wie Klarsicht anfühlt, obwohl er ein Vorhersagefehler ist, und wie man eine Überzeugung wieder loswird, die einen seit der Kindheit schützen wollte. Erzählt als Geschichte, nicht als Ratgeber.