Integrierte Informationstheorie

Grundidee und Ziel

Die Integrierte Informationstheorie (Integrated Information Theory, IIT) ist ein mathematisches Modell des Bewusstseins. Sie wurde 2004 vom Neurowissenschaftler Giulio Tononi vorgeschlagen. Die Theorie soll erklären, welche physikalischen Systeme bewusst sind, wie stark ihr Bewusstsein ausgeprägt ist und welche konkrete Erfahrung sie haben. Das Symbol Φ (großes Phi) steht dabei für integrierte Information beziehungsweise die Menge des Bewusstseins.

IIT nimmt an, dass sich subjektives Erleben durch die kausalen Eigenschaften eines Systems mathematisch beschreiben lässt. Die vollständigen kausalen Wirkkräfte eines Systems sollen also erklären, warum es sich in einem bestimmten Zustand auf eine bestimmte Weise anfühlt. Anders als Ansätze, die von Naturgesetzen ausgehen und daraus Bewusstsein ableiten wollen, beginnt IIT mit der als sicher angenommenen Tatsache, dass bewusstes Erleben existiert. Von dessen Eigenschaften schließt sie auf die Eigenschaften, die ein physikalisches Substrat des Bewusstseins besitzen müsste.

Damit reagiert IIT auf das von David Chalmers formulierte „harte Problem des Bewusstseins“: die Schwierigkeit, aus rein physikalischen Vorgängen die notwendige Existenz subjektiven Erlebens abzuleiten. Eine zentrale Annahme lautet, dass die formalen Eigenschaften einer Erfahrung und die Eigenschaften ihres physikalischen Systems einander erklären müssen. Ob Bewusstsein auf einem Kontinuum liegt, ist offen; Untersuchungen an Split-Brain-Patienten und wachen Patienten mit stark reduzierter Hirnmasse werden als Hinweise auf diese Möglichkeit genannt.

Grundannahmen, Axiome und Postulate

IIT stützt sich auf drei ontologische Grundannahmen:

• Realismus: Die Welt existiert unabhängig von unserem bewussten Erleben.

• Operationaler Physikalismus: Physikalische Existenz zeigt sich in der Fähigkeit, Unterschiede zu machen und auf Unterschiede zu reagieren, also kausal wirksam zu sein.

• Atomismus: Kausale Wirksamkeit lässt sich grundsätzlich auf Wechselwirkungen zwischen minimalen Einheiten zurückführen.

Ausgehend vom nullten Axiom „Erfahrung existiert“ beschreibt IIT fünf wesentliche Eigenschaften bewusster Erfahrung und ordnet ihnen physikalische Postulate zu:

• Intrinsikalität: Erfahrung existiert für sich selbst. Entsprechend muss ein bewusstes System intrinsische Ursache-Wirkung-Macht besitzen.

• Information: Jede Erfahrung ist spezifisch. Das System muss daher einen bestimmten Ursachen- und Wirkungszustand durch intrinsische Information festlegen.

• Integration: Erfahrung ist einheitlich. Das System muss als unteilbares Ganzes wirken; seine Unreduzierbarkeit wird durch kleines Phi, φ, gemessen.

• Exklusion: Erfahrung ist eindeutig. Bewusst ist nur das maximal irreduzible Substrat, das als Komplex bezeichnet wird.

• Komposition: Erfahrung ist strukturiert. Die Teilmengen des Komplexes müssen strukturierte Unterscheidungen und Relationen festlegen, die gemeinsam eine Φ-Struktur bilden.

Mathematisches Modell

Ein System wird durch seine Übergangsmatrix beschrieben: T_U = p(u′ | u). Sie gibt die Wahrscheinlichkeit an, dass das System vom Zustand u in den Zustand u′ übergeht.

Die intrinsische Information ii eines aktuellen Zustands s in Bezug auf einen möglichen Ursachen- oder Wirkungszustand s̃ ist definiert als:

ii(s, s̃) = p(s̃ | s) log₂[p(s̃ | s) / p(s̃)].

Die integrierte Information φ misst, wie stark die Ursache-Wirkungs-Struktur eines Systems irreduzibel ist, also wie viel Information verloren geht, wenn man das System zerlegt. Dazu wird die Minimalinformationszerlegung, englisch Minimum Information Partition (MIP), gesucht:

φ = min_θ [ii(s, s̃) − ii_θ(s, s̃)].

Komplexe sind Teilmengen von Einheiten, die lokal ein Maximum von φ erreichen. Die in einem Komplex enthaltenen Unterscheidungen und Relationen ergeben seine Φ-Struktur. Für diese gilt:

Φ = Σ(Unterscheidungen, Relationen) φ.

Nach IIT entspricht Φ der Menge des Bewusstseins. Die konkrete Anordnung der Unterscheidungen und Relationen bestimmt dagegen dessen Qualität, also wie die jeweilige Erfahrung beschaffen ist. Die Theorie formuliert deshalb eine „erklärende Identität“: Die Struktur einer bewussten Erfahrung ist identisch mit der mathematisch beschriebenen Ursache-Wirkungs-Struktur, die ein Komplex in seinem aktuellen Zustand entfaltet. Dies soll mehr als eine bloße Korrelation zwischen Gehirnvorgängen und Erleben sein.

Berechnung und experimentelle Befunde

Die Berechnung von Φ oder ΦMax ist für große Systeme sehr aufwendig. Um die Minimalinformationszerlegung zu finden, müssen grundsätzlich alle möglichen Zerlegungen eines Netzwerks untersucht werden. Der Rechenaufwand wächst laut Max Tegmark mit dem Informationsgehalt des Systems super-exponentiell. Heuristiken und Näherungsverfahren liefern deshalb meist nur Schätzwerte und können zu stark voneinander abweichenden Ergebnissen führen. Daniel Toker und Friedrich T. Sommer zeigten, dass die Spektralzerlegung der Korrelationsmatrix der Systemdynamik eine schnelle und robuste Näherung für die MIP sein kann.

Angus Leung und Kollegen wandten 2021 den mathematischen Formalismus direkt auf die Aktivität kleiner Neuronenpopulationen bei Fliegen an. Für diese kleineren Datensätze ließ sich Φ berechnen; unter Vollnarkose war es signifikant reduziert. Andere, rechnerisch weniger aufwendige Näherungsmaße für ΦMax konnten zwischen Wachzustand, Schlaf mit oder ohne Träume, Narkose sowie verschiedenen Zuständen nach schweren Bewusstseinsstörungen unterscheiden: vegetativem Zustand, minimal bewusstem Zustand und Locked-in-Syndrom.

Eine praktische Anwendung ist der Perturbational Complexity Index (PCI). Dieses klinisch-neurologische Maß verwendet TMS-EEG-Aufzeichnungen, um die Fähigkeit des Gehirns zur integrierten Information zu quantifizieren und das Bewusstseinsniveau von Patienten zu beurteilen.

IIT bietet außerdem eine Erklärung dafür, warum das Kleinhirn trotz seiner Größe und funktionalen Bedeutung offenbar wenig zum bewussten Erleben beiträgt: Seine Verschaltungen seien weitgehend modular und unabhängig, sodass sie nur wenig kausale Integration und damit wenig Φ erzeugten.

Offene Fragen und Kritik

IIT ist stark umstritten. Ein Grundproblem besteht darin, dass präzise Φ-Berechnungen für interessante große Systeme oft praktisch unmöglich sind und Bewusstsein zugleich experimentell schwer zuverlässig zu erfassen ist. Dadurch lassen sich viele Vorhersagen nur eingeschränkt prüfen.

Kritiker bestreiten außerdem, dass Integration und Differenzierung hinreichende Bedingungen für Bewusstsein sind. Björn Merker, David Rudrauf und Kenneth Williford argumentieren, Φ könne eher die Effizienz globaler Informationsverarbeitung als Bewusstsein selbst messen. Die Korrelationen mit Wachheit, Träumen, traumlosem Schlaf, Anästhesie, epileptischen Anfällen und Koma könnten daher die Leistungsfähigkeit neuronaler Netzwerkinteraktionen widerspiegeln.

Scott Aaronson zeigte, dass nach der IIT eine passend verschaltete, aber inaktive Anordnung von Logikgattern bewusst und sogar „unbegrenzt bewusster als Menschen“ sein könnte. Tononi akzeptiert diese Folgerung und betrachtet sie als Stärke, nicht als Widerlegung. John Searle kritisierte die daraus folgende Nähe zum Panpsychismus; andere Philosophen warfen ihm jedoch vor, IIT missverstanden zu haben. Tim Bayne bezweifelt, dass die sogenannten Axiome echte Axiome sind. Weitere Kritiker halten zentrale Behauptungen für unklar, metaphysisch, nicht falsifizierbar oder wissenschaftlich nicht ausreichend überprüfbar.

Am 15. September 2023 forderten 124 Wissenschaftler in einem offenen Brief, IIT als Pseudowissenschaft einzustufen, solange sie nicht empirisch überprüfbar sei. Befürworter verteidigten dagegen ihren wissenschaftlichen Wert. In einem vorab vereinbarten Vergleich mit der Global Neuronal Workspace Theory erfüllten die ersten, im Juni 2023 veröffentlichten Ergebnisse zwei von drei IIT-Vorhersagen gemäß der festgelegten Signifikanzschwelle; keine Vorhersage der konkurrierenden Theorie erfüllte ihre Kriterien. Die endgültigen begutachteten Ergebnisse erschienen am 30. April 2025 in Nature. Der Streit darüber, ob IIT eine wissenschaftliche Theorie, ein noch unvollständiges Forschungsprogramm oder eine nicht überprüfbare metaphysische Position ist, bleibt damit offen.