En formel för medvetandet

Det här är en artikel från 2016.

Giulio Tononi berättar att han bestämde sig för att försöka förstå medvetandet redan när han gick i gymnasiet i den norditalienska staden Trento.

– Det var för att jag var intresserad av etik. Medvetna upplevelser är viktiga i etiska frågor.

Han är klädd helt i svart och ser koncentrerad ut. Vi ses på en konferensanläggning utanför Köpenhamn under ett forskarmöte om hjärnan. Ett skyfall dånar mot glastaket över vip-loungen där vi sitter i orimligt stora fåtöljer.

Giulio Tononi är en av världens ledande sömnforskare. Under det senaste kvartsseklet har han publicerat närmare tvåhundra vetenskapliga rapporter i ämnet. De handlar om allt från den sovande hjärnans övergripande elektriska aktivitet till synapsernas kopplingar hos människor, möss, bananflugor och andra djur. Men hans främsta intresse har hela tiden varit medvetandet – det som försvinner under drömlös sömn för att sedan uppstå på nytt.

Länge var det svårt att få pengar till forskning om subjektiva upplevelser. Ämnet var flumstämplat. Så sömnforskningen blev ett indirekt sätt att studera medvetandet.

– Sömnen har betalat räkningarna, säger Giulio Tononi.

För att vara naturvetare har han ett ovanligt perspektiv på medvetandet. Den vanligaste utgångspunkten är hjärnan. Hur bär den sig åt för att alstra upplevelser som förälskelsens lyckorus eller tandvärk? Varför skulle fysiska processer alls ge upphov till något subjektivt som bara går att förnimma från insidan?

Det är en svår fråga, riktigt svår. I själva verket så svår att den australiensiske filosofen David Chalmers gjort sig ett namn bland medvetandeforskare för att ha utnämnt den till The hard problem.

Segslitna diskussioner om problemet har bidragit till en comeback för en urgammal tanke på att medvetande i någon form finns i själva materien, ungefär som massa och laddning. I så fall behövs ju ingen förklaring till hur det uppstår. Medvetande är helt enkelt inbyggt i universum, enligt den så kallade panpsykismen. Pan är grekiska för ’överallt’, och psyke betyder ’själ’ eller ’medvetande’.

Vissa varianter av panpsykism gränsar till religiös mysticism. Somliga tror att universum som helhet har ett medvetande, en världssjäl. Giulio Tononi värjer sig mot sådana spekulationer. Men hans teori har kallats ”en panpsykism för 2000-talet” och fått många anhängare.

– Den säger att det kan finnas mycket mer medvetande där ute än vad vi någonsin tänkt oss, säger Giulio Tononi.

Han fick idén till sin teori redan när han läste medicin vid universitetet i Pisa på 1980-talet. Vid samma universitet undervisade fysikern och matematikern Galileo Galilei fyrahundra år tidigare. Galileo strävade efter att fånga en objektivt mätbar verklighet i matematiska formler. Hans vetenskapliga metod är en enastående framgångssaga – men den har inget som helst utrymme för subjektiva upplevelser.

– När det gäller medvetandet måste man göra sig av med Galileos ståndpunkt. Du måste börja med medvetandet. Absolut börja från upplevelse, din egen upplevelse, säger Giulio Tononi.

Han delar den franske 1600-talsfilosofen René Descartes uppfattning att det enda man kan vara helt säker på är sitt eget medvetande – vilket är kärnan i filosofins mest berömda one-liner: Cogito ergo sum (Jag tänker, alltså är jag).

Men inte nog med att medvetandet existerar. Det har dessutom vissa bestämda egenskaper. Giulio Tononi tar fram sin telefon ur kavajfickan och knäpper på skärmen, som är full av appar i grälla färger.

– Om du inte är helt färgblind så är det omöjligt för dig att inte se färgerna, säger han.

Det går inte att se apparna i svartvitt, eller färgerna utan appar. Alla delar av en medveten upplevelse hänger samman i en helhet. Enligt Giulio Tononi är det en självklar sanning.

Han har gjort en lista med sammanlagt fem sådana självklara sanningar (se ruta till höger) och anser att de alltid gäller för alla subjektiva upplevelser. Detta är grunden för hela hans teori. I nästa steg använder han listan för att beskriva vilka egenskaper som måste finnas hos ett fysiskt system för att det ska vara medvetet.

Han reser ofta runt och föreläser om sin teori, men gör det numera enbart om han får prata i minst fyra timmar. Teorin är invecklad. Axiom ger upphov till postulat och vidlyftiga matematiska formler. Ingen annan teori om medvetandet är så matematiskt utarbetad.

Ett centralt begrepp är Φ (uttalas ”fi”), som kan beräknas för vilket system som helst. Värdet blir högt om systemet innehåller många sinsemellan olika delar samordnade i en helhet, vilket enligt teorin är samma sak som en hög grad av medvetande.

Det betyder att det borde gå att bygga en apparat som mäter mängden medvetande hos vilket levande väsen eller föremål som helst (även om det i praktiken är extremt komplicerat). En sådan mätare skulle ge olika värden för olika delar av hjärnan.

Storhjärnans bark består av specialiserade enheter med massor av inbördes kopplingar. Enligt Giulio Tononis så kallade integrated information theory (IIT) motsvarar det ett högt värde på Φ, alltså mycket integrerad information, och därmed mycket medvetande. En omfattande skada i storhjärnan kan leda till koma eller andra påtagliga förändringar i medvetandet.

I lillhjärnan är läget annorlunda. Den sitter längst ner i bakhuvudet och innehåller fler nervceller än resten av hjärnan sammanlagt. Lillhjärnan består av specialiserade enheter med få kopplingar mellan sig. Därmed blir värdet på Φ lågt. Den som får en stroke som helt eller delvis förstör lillhjärnan går vingligt, pratar otydligt och har i största allmänhet svårt att samordna sina rörelser. Men medvetandet är kvar.

Denna skillnad mellan stor- och lillhjärnan ligger helt i linje med vad Tononis teori säger om Φ. Den förutsäger också helt korrekt att medvetandet ebbar ut både under ett epileptiskt anfall (när det stormar i hjärnbarkens neuroner), och vid koma (när neuronerna tystnar). Detta räcker förstås inte för att bevisa att teorin stämmer – men väl för att göra den omtalad.

Giulio Tononi har bidragit till att sprida sin teori i litterär form via boken: Φ A voyage from the brain to the soul som kom ut år 2012. Den är starkt influerad av Dante Alighieris stora epos Den gudomliga komedin från början av 1300-talet.

Huvudpersonen i Tononis bok, Galileo Galilei, rör sig via olika prövningar mot insikter i medvetandets sanna natur, enligt IIT. Ledsagare på hans märkliga resa är i tur och ordning Francis Crick, en av dna-spiralens upptäckare, Alan Turing, matematiker och kodknäckare, samt evolutionslärans upphovsman, Charles Darwin.

Ett kapitel berättar om en kung som är orolig för en sammansvärjning bland medborgarna. Han befaller sina murare och snickare att spärra in alla människor i enskilda bås. Följden blir att kungadömet förlorar sin ”själ”. Ett rike av medborgare utan inbördes kontakter blir en metafor för lillhjärnans avgränsade nervkretsar som tillsammans ger ett försumbart Φ.

Senare i boken får Galileo ett mätinstrument som kan registrera subjektiva upplevelser. Han upptäcker att det finns medvetande inte bara i människor, utan även i en mal, ett träd och i små mängder nästan överallt.

Den ovanliga boken blev väl mottagen. Tidningen Wall Street Journal kallade den för ett mästerverk i en recension.

– Den är fantastisk, en häpnadsväckande vetenskaplig fantasi, säger hjärnforskaren Christof Koch, chef för The Allen institute for brain science i Seattle, USA.

Institutet har trehundra anställda och en mångmiljardbudget bekostad av entreprenören Paul Allen, grundare av företaget Microsoft tillsammans med Bill Gates.

Christof Koch har ett starkt intresse för medvetandets koppling till hjärnan. I slutet av 1980-talet började han samarbeta med Francis Crick, som efter sin Nobelprisbelönade dna-forskning satsade all sin tid och energi på att förstå medvetandet. Francis Crick bidrog till att etablera medvetandet som ett respektabelt forskningsfält – men blev inte mycket klokare när det gäller själva mysteriet innan han avled år 2004.

Numera är Christof Koch en varm anhängare av IIT. Han menar att teorin stöder en panpsykistisk världsbild där medvetande är en utbredd egenskap hos en mängd olika komplexa system. Under de senaste sju åren har Christof Koch och Giulio Tononi arbetat tillsammans med att utveckla IIT.

Dess matematiska formler innehåller inte bara ett värde för mängden medvetande i form av Φ. De beskriver dessutom medvetandets innehåll. Christof Koch tar upp frågan i sin bok Consciousness: Confessions of a romantic reductionist. Där förklarar han att teorin kopplar varje tillstånd i hjärnan till en matematisk form, eller kristall, i en rymd med triljontals dimensioner: ”Denna kristall är systemet sett från insidan. Den är rösten i huvudet, ljuset inne i skallen. Det är allt du någonsin kommer att veta om världen. Den är din egen verklighet.”

Det låter poetiskt, men är det vetenskap? Finns det något sätt att testa om de abstrakta kristallerna verkligen existerar?

– Att testa hur en mångdimensionell rymd känns är så klart en utmaning, säger Christof Koch.

Men han arbetar med flera indirekta försök att göra experiment baserade på IIT, bland annat genom att försöka tänja ut människors rumsuppfattning med hjälp av magnetfält riktade mot hjärnan.

Det är lätt att få en uttänjd känsla i huvudet efter en stunds grubbel över IIT. Vad betyder egentligen alla begrepp och ekvationer? Det hårda arbete som krävs för att sätta sig in i teorin kan ha bidragit till att den än så länge fått relativt lite kritik. Men en diskussion pågår.

Den amerikanske matematikern Scott Aaronson har fått rollen som tankebyggets främste skeptiker. Han har räknat ut att ett enkelt nätverk av en viss sorts logiska grindar rent matematiskt kan få enormt höga värden på Φ. Därför menar han att teorin är fel.

– För mig är det lika troligt att det finns medvetande i ett sådant nätverk som i en påse potatischips, säger Scott Aaronson, matematiker och professor i datavetenskap vid University of Texas at Austin, i USA.

På sin blogg skriver han med viss sarkasm att han beundrar Tononi för hans intellektuella mod att följa teorin vart den än leder: ”När hans kritiker påpekar att ’om din teori vore korrekt skulle månen vara gjord av jordnötssmör’, försöker han inte slingra sig ur knipan, utan svarar stolt ’ja, grovmalet jordnötssmör – och du glömde att jorden är gjord av Nutella!’”

Giulio Tononi är road av argumentet. Han anser att ett nätverk av logiska grindar kan vara medvetet. I själva verket tycker han att det är en intressant följd av teorin:

– Det mesta av hjärnan som har någon betydelse för medvetandet är nätverk staplade på varandra. Alltihop är ett nätverk!

Scott Aaronson är fortfarande djupt skeptisk. Trots det anser han att Tononis teori är ett under av klarhet jämfört med tidigare matematiska försök att fånga medvetandet. Det anser även Paavo Pylkkänen, lektor i teoretisk filosofi vid Högskolan i Skövde och Helsingfors universitet.

– Man kan säga att den tar tänkandet om medvetandet till en ny nivå, säger han.

Paavo Pylkkänen har nyligen publicerat en uppsats om hur idéer från kvantmekaniken skulle kunna förbättra IIT genom att sätta ytterligare gränser för vilka system som kan vara medvetna.

Många medvetandeforskare föreställer sig att Φ kan vara en nödvändig förutsättning för medvetande. Betydligt färre håller med Giulio Tononi om att Φ också är en tillräcklig förutsättning. Teorin har genomgått stora förändringar genom åren. Kritiker menar att de uppdaterade versionerna är så inbördes olika att det vore konstigt om samtliga var tillräckliga för att beskriva medvetandet.

Men även om Φ inte skulle vara hela historien om vår inre subjektiva värld så kan begreppet göra praktisk nytta. Giulio Tononi har tillsammans med forskare i Milano utvecklat ett sätt att grovt uppskatta mängden integrerad information i huvudet på folk. De mäter ett slags elektromagnetiskt eko från hjärnan.

– Metoden är helt och hållet inspirerad av Φ, säger Marcello Massimini, neurofysiolog vid Università degli studi di Milano i Italien.

I dag är det mycket svårt att avgöra om en hjärnskadad patient som inte kan kommunicera i själva verket är medveten. Det är känt att enstaka människor i vad som kallas ett vegetativt tillstånd faktiskt har medvetna tankar och känslor.

För drygt tio år sedan beskrev forskare i Storbritannien och Belgien en 23-årig kvinna som blev svårt skadad i en trafikolycka. Fem månader efter olyckan var hon fortfarande okontaktbar. Läkarna slog fast att hon befann sig i ett vegetativt tillstånd.

Vid en undersökning med magnetkamera upptäckte de att hennes hjärna reagerade på tilltal. Med det betyder inte att hon är medveten, bara att vissa språkområden är aktiva.

En av läkarna gav henne två olika uppgifter. Hon skulle antingen föreställa sig att hon spelade tennis, eller att hon gick omkring i sitt hem. De båda uppgifterna ger helt olika mönster av aktivitet i hjärnan. På hjärnkamerans bilder kunde forskarna se att kvinnan förstått instruktionerna. De hade fått kontakt.

Med tekniken blev det möjligt att be tidigare okontaktbara patienter att svara på frågor: tänk på tennis för ja, tänk på ditt hem för nej. Hjärnkameran registrerar skillnaden och ger klart besked om att patienten kan kommunicera.

Men risken är stor att man missar någon som inte förstår uppgiften, eller orkar engagera sig just när undersökningen pågår. Dessutom kräver undersökningen hård träning och en avancerad hjärnkamera som kostar miljoner. Och bara några få procent av alla hittills testade patienter i vegetativt tillstånd har visat sig vara kontaktbara.

Den metod som Marcello Massimini och hans medarbetare har utvecklat är både enklare och billigare. De stimulerar hjärnan med en kort magnetpuls. Pulsen alstrar elektrisk aktivitet som de sedan mäter med vanlig EEG.

– Det påminner om att starta en orkester och höra hur den låter, säger Marcello Massimini.

Om många olika instrument hörs så innehåller signalen mycket information. Om de dessutom är samspelta betyder det att även integrationen är hög.

Mätningen ger upphov till ett värde mellan noll och ett. Tanken är att det ska spegla mängden integrerad information ungefär som Φ. Utvärderingar visar att värdet är lågt under drömlös sömn och tre olika slags narkos. Det är högre under drömsömn och – intressant nog – under narkos med ketamin, ett ämne känt för att alstra livfulla drömmar.

Mätningar på 43 människor i ett vegetativt tillstånd avslöjade att nio hade mätvärden över 0,31, vilket hos friska personer motsvarar medvetenhet. Marcello Massimini och hans medarbetare hoppas att metoden ska göra det möjligt att hitta personer lämpade för en vidare utvärdering med ja- och nej-frågor i en hjärnkamera.

Deras apparat är långt ifrån den universella medvetandemätare som Giulio Tononi drömmer om. Och även om någon i framtiden lyckas bygga en sådan apparat, är det tveksamt om den skulle bringa klarhet i de etiska frågor som var orsaken till att Giulio Tononi från början bestämde sig för att försöka förstå medvetandet.

Han tycker att det vore etiskt acceptabelt att stänga av en robot med försumbart Φ – även om den beter sig exakt som en människa. Däremot kan han inte säga hur mycket omtanke och respekt man bör visa ett nätverk av logiska grindar med superhögt Φ.

– Då måste man använda andra kriterier. Det har upplevelser, okej. Men kan det uppleva smärta? Det kan vi inte utvärdera ännu, men en dag kommer vi att kunna göra det, säger Giulio Tononi.