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意識是什么?延續數千年的謎題,正在接近破解

時間:2020-07-24 11:28:44 來源:環球科學 評論:0 點擊:0
  意識就是你的一切體驗。它是在你腦中揮之不去的那個旋律,是巧克力慕斯的香甜,是牙齒的一陣陣疼痛,是你對孩子深切的愛,也是因明白這一切感覺終將消逝而產生的痛苦。

  這些感受來源和本質有時候被稱為感質(qualia),從古至今一直困擾著人類。以塔夫斯大學(Tufts University)的丹尼爾·丹尼特(Daniel Dennett)為代表的很多現代分析哲學家聲稱,意識只是一種幻覺,因為他們認為,意識的存在與他們所堅信的機械的物質宇宙完全無法兼容。換句話說,他們或是認為感質不存在,或是認為這從根本上不是一個可以被科學系統研究的話題。

  假如這種說法是正確的,我就沒必要在這里長篇累牘了。我唯一需要做的就是,解釋為何你、我以及幾乎所有人都如此確信自己擁有感情。可是假如我現在牙腫了,就算有一個無懈可擊的論述能說服我相信我的所有感覺都只是一種臆想,也無法減輕我的半分痛苦。所以,對這種放棄理解意識的態度,我個人實在難以接受,下面我會繼續聊聊我的看法。

  大部分學者均認可意識的存在,并嘗試去理解意識和能被科學描述的客觀世界之間的聯系。數十年前,我和弗朗西斯·克里克(Francis Crick,1962年諾貝爾生理學或醫學獎得主)決定,先把從亞里士多德時代就開始的關于意識問題的哲學討論放在一邊,而是去尋找意識的物理證據。在高度活躍的大腦中,到底是什么產生了意識?一旦我們能夠理解這一點,我們離終極答案就會更近一步。

  我們特別關注的是意識相關神經區(neuronal correlates of consciousness,簡稱NCC),即可以產生任何意識體驗的最小神經機制。例如,牙疼的感覺出現時,你的大腦里有哪些過程是必然要發生的?是不是一定有某些神經細胞要以特殊的頻率放電?是否存在一群特殊的“意識神經元”必定會被激活?這些細胞位于大腦的哪些區域?

  意識相關神經區

  定義意識相關神經區——NCC時,修飾詞“最小”十分重要。畢竟大腦整體就可以視為一個NCC,它每天都產生各種感受。但意識的所在地或許可以被更精確地定位。比如說脊髓,它是脊柱內一束一英尺半(約0.5米)長的神經組織,包含了約10億個神經細胞。當一個人頸部受傷導致脊髓嚴重損壞后,傷者的腿部、手臂和軀干將完全癱瘓,無法控制自己的腸道和膀胱,并失去身體感覺。然而這些癱瘓病人依然能夠體驗生活的方方面面——他們能看、能聽、能聞,擁有情緒和記憶,和受傷之前并沒有區別。

  我們再來看看腦干,即大腦后下方的“小腦”。從演化角度來看,腦干是最古老的腦結構之一,在運動控制、姿態調整、產生連貫動作等方面扮演重要角色。不管是彈鋼琴、打字、滑冰,還是攀巖,這些行為都需要腦干參與其中。腦干中有大腦里最復雜的神經元——浦肯野細胞(Purkinje cell),這種細胞的樹突數量豐富,像扇形珊瑚一樣,而且有著復雜的電活動。小腦也是神經元數量最多的腦結構,約有690億個神經元(以星形的小腦顆粒細胞為主),是大腦其他區域總和的4倍。

  假如腦干由于中風或手術意外遭到部分損毀,人的意識會發生什么變化呢?幾乎沒有變化!盡管腦干受損的患者在生活上有諸多不便,如無法連貫演奏鋼琴或敲鍵盤等,但他們從沒有抱怨過意識受到影響。他們依然可以聽、看和感受一切,擁有自我意識,能回憶和形成記憶。就算是出生時就缺少腦干的殘疾人,其意識體驗和正常人也沒有顯著區別。

  也就是說,腦干的結構雖然復雜,但它的功能和主觀體驗無關。為什么呢?從腦干的回路結構,我們可以得到重要的線索。腦干的回路極度均一和并行,就像一節節并聯的電池一樣。整個腦干幾乎是一個嚴格的前饋回路(feed-forward circuit),一組神經元連向下一組神經元,然后是再下一組神經元。腦干內沒有可讓神經信號來回傳遞的復雜環路(由于意識的產生需要一定時間,大部分理論學家都推斷這與大腦回路中復雜的反饋環路有關)。而且根據功能,腦干可被劃分為數百個甚至更多的獨立計算模塊。所有模塊并行處理信號,各自的輸入和輸出互不影響,控制著對應的不同運動或認知系統。腦干的不同系統之間幾乎沒有交互,而信息交互卻是意識產生必不可少的另一個特征。

  回顧對脊髓和腦干的分析,我們認識到,有神經活動的部位并不一定就是意識的“棲息地”。除了神經活動,要產生意識還需要滿足其他條件。構成大腦皮層的灰質就滿足這些條件。灰質是擁有層狀結構的復雜神經組織,展開后面積與一張14寸的比薩餅(直徑約0.36米)相當。兩片這樣的層狀組織在高度折疊后,與它們的“通信纖維”——白質一起,被包裹在顱骨內。所有已知的證據均顯示,新皮層是感受的源頭。

  我們甚至還能進一步定位。例如,有的實驗讓受試者的左右眼看向不同的圖像。假如你的左眼只能看到唐納德·特朗普(Donald Trump)的照片,而右眼只能看到希拉里·克林頓(Hillary Clinton)的照片,你會看到什么呢?一種猜測是,你會看到特朗普和克林頓的某種奇怪疊加。但事實上,你會看到特朗普幾秒鐘,然后這幅圖像會消失,克林頓的圖像取而代之,再過幾秒,視覺感受又會再次切換。兩張照片會永不停息地相互交替,這個現象被神經科學家稱為“雙眼競爭”(binocular rivalry)。由于你的大腦接受的視覺輸入模棱兩可,它無法判斷這到底是特朗普,還是克林頓?

  假如在做這個實驗的同時,也用磁共振成像儀掃描腦部活動,你會發現此時有一系列腦區被激活了,這些區域統稱為后側熱區(posterior hot zone)。這些腦區位于皮層后側的頂葉、枕葉和顳葉區域,我們最終看到的是什么,與這些腦區的活動顯著相關。有趣的是,接受并傳遞從眼睛而來的視覺信息的視覺初皮層,卻并不體現受試者的主觀所見。類似的結論可以拓展到聽覺和觸覺:聽覺初皮層和觸覺初皮層與聽覺及觸覺感受并不直接相關。反而是這些腦區的下游系統——那些后側熱區,與意識感知對應,例如你看到的是特朗普還是克林頓。

 

  更有啟發意義的是兩類來自臨床的證據:一類是對皮層組織施以電刺激,另一類是對因受傷或患病而使特定腦區受損的病人的研究。比如,在摘除腦腫瘤或是癲癇病灶之前,神經外科醫生會直接對附近的皮層組織施行電刺激,以探測它們的功能。刺激后側熱區,會引起一系列感覺和感受,例如閃光、幾何圖形、變形的面孔、幻聽或幻視、熟悉感或不真實感、移動身體某部分的沖動,等等。刺激前側皮層則不會出現這些現象:大致來說,前側皮層不會誘發直接感受。

  另外一些線索來自20世紀前葉的神經疾病患者。當時的外科醫師為了摘除腫瘤或治療癲癇,有時不得不切掉患者的一大片前額葉皮層。令人稱奇的是,術后,這些患者的生活居然沒有大的變化。雖然缺失一部分前額葉對患者造成了一些不良影響:他們無法抑制一些不好的情感或行為,運動出現障礙,無法自控地重復一些動作或話語。但是一段時間后,他們的性格和智商都慢慢得到了恢復,并且安然地生活了很多年,沒有任何跡象表明,前額葉組織缺失對他們的意識體驗有顯著影響。相反,假如后側熱區被移除,即使面積很小,也會導致患者喪失一些意識功能,如無法辨識人臉,或者無法感知運動、顏色或空間。

  所以,似乎視覺、聽覺等主觀感覺和體驗是后側皮層產生的。事實上,就我們目前所知,所有意識體驗均產自后側皮層。那么,這個區域和前額皮層到底有哪些不同?答案我們還不知道。不過讓人興奮的是,最近的一項發現似乎暗示,神經科學家已經接近答案了。

  意識測量儀

  醫學領域需要一種能可靠檢測受傷或者無行為能力的病人是否擁有意識的儀器。例如,在手術過程中,需要對病人施以麻醉,讓他們無法運動,保持血壓穩定,沒有痛覺和相關記憶。不幸的是,這一目標并不總能實現,在美國,每年都有數百個病人在麻醉時依然有一定程度的知覺。

  另一類對象是那些因事故、感染或中毒導致嚴重腦損傷的患者,他們中的很多人可以生存很多年,但無法說話或是對外界的聲音做出回應。在臨床研究中,探測這些病人的知覺極具挑戰性。想象一個宇航員漂浮在太空中,雖然能聽到發射中心不斷嘗試與自己建立通信,但由于通話系統故障,他卻無法做出回應,仿佛已經不存在于這個世界一般。這種絕望正是那些因大腦受損而無法與外界交流的患者的體驗,像是在孤獨無助的深淵里掙扎。

  21世紀初,威斯康星大學麥迪遜分校的朱利奧·托諾尼(Giulio Tononi)和馬爾切洛·馬西米尼(Marcello Massimini,現任職于米蘭大學)開發了一種叫做“刺激-壓縮”(zap and zip)的技術,用來探測一個人是否有意識。他們把一個裹有保護套的線圈放置在病人頭皮上,穿透顱骨向大腦內輸入一個磁脈沖信號,在所刺激區域的神經元中誘導出電信號。這個擾動信號會影響到所有相連的其他神經元——可能是激活也可能是抑制,并在整個皮層內反復回蕩直到逐漸衰退。研究人員可以在病人顱骨外部用腦電圖(electroencephalogram,簡稱EEG)記錄這個過程中的大腦活動。記錄到不同位置的信號變化后,我們便得到了大腦活動的動態影像。

  這些影像既非有固定模式,也非完全隨機。有趣的是,這些忽高忽低的大腦活動越是單調簡單,大腦就越可能處在無意識狀態。于是研究人員沿著這條思路,嘗試把大腦活動像普通影片一樣通過算法進行“壓縮”,檢驗是否能夠量化對應的“意識程度”。壓縮后得到的“擾動復雜指數”(perturbational complexity index,PCI)能夠對大腦活動整體的復雜程度給出一個估計。研究發現,受試者在清醒狀態下的擾動復雜指數一般在0.31到0.70之間,但是在深度睡眠或者麻醉狀態下,會降至0.31以下。馬西米尼和托諾尼對48名大腦受損但意識清醒,且能對外界作出反應的病人做了同樣的測試,發現每個病人的得分都在清醒狀態的范圍內,與行為觀察一致。

  研究者接著測量了81名處于最小意識狀態或植物人狀態的病人。最小意識狀態的這組病人仍有一些非條件反射的行為。研究顯示,38名最小意識狀態病人中有36名存在意識,另外2名被誤診為無意識。對于43名處于植物人狀態的病人,之前的臨床觀察已經確認無法與他們建立溝通,但是測試結果顯示,只有34名無意識,另外9名患者是有意識的。他們的大腦對擾動刺激的響應模式與清醒對照組相似,這或許說明他們依然存在意識,只是無法和親人交流。

  研究人員正在努力改進這套設備,使之能應用到臨床,并且可以拓展到精神疾病患者和兒童患者。科學家遲早能夠找到所有主觀體驗對應的特定神經機制。盡管這些進展有重要的臨床意義,或許可以幫到患者的家人和朋友,但它并無法回答一些更根本的問題:為什么是這些神經元而非另一些神經元產生了意識?為什么放電頻率是這個值而非其他數值?實際上,真正的謎團在于,具有復雜結構的組織為什么能夠產生意識感覺,以及它是如何做到的?畢竟大腦和心臟、肝臟等器官一樣,也受物理定律支配。那大腦的特殊之處在哪里呢?大腦究竟是通過什么生物物理過程,讓一堆灰質產生美妙旋律和繽紛圖像的?

  一個令人滿意的終極意識理論需要指出,任何一個物理系統(可以是神經元組成的復雜回路,也可以是一塊芯片上的電路)在什么條件下可以產生意識。還要能夠回答,為什么不同的感覺之間存在差異?為什么藍色的天空和音調不準的小提琴給人的感覺不同?不同感覺之間存在差異有意義嗎?如果有的話,意義是什么?終極意識理論應該能夠推斷,哪類系統可以擁有感受。假如理論不能給出可驗證的預測,那任何關于機器意識的討論只能停留在直覺層面,而科學史告訴我們,這通常是不可靠的。

  兩種意識理論

  目前有兩種最主流的意識理論,科學家圍繞著它們展開了激烈的辯論。一個是全局神經工作區(global neuronal workspace,簡稱GNW)理論,由心理學家伯納德·J·巴爾斯(Bernard J。 Baars)和神經科學家斯坦尼斯拉斯·德阿納(Stanislas Dehaene)與讓-皮埃爾·尚熱(Jean-Pierre Changeux)提出。該理論是基于這樣一些實驗觀察,當人對某事物有意識時,大腦中多個不同的區域均會調用該信息。相反,假如人無意識地做一些事,這些信息只會被特定的感官和運動系統調用。例如,當你打字速度很快時,你的手指會無意識地按下不同的鍵。假如有人問你是怎么做到的,你很難回答,因為你幾乎沒有意識到這些信息,它們只存在于從你的眼睛到手指的大腦回路中。

  GNW理論認為,意識源自一類特殊的信息處理過程,其思路與早期的人工智能研究相似,認為不同功能的程序可以共享一個小的信息庫。不管這塊“黑板”上新添了什么數據,后續的一些子過程——如工作記憶、語言、計劃模塊等都可以使用。大腦記錄的感官信息會被多個認知系統使用,如語言、形成或調取記憶、執行動作等。GNW理論認為,就是在數據被廣播至整個大腦的多個認知系統時,意識出現了。

  由于記錄感官信息的“黑板”空間有限,在任意時刻,我們只能意識到很少量信息。該理論猜測,負責傳播信息的神經回路位于額葉和頂葉。當被這個神經網絡廣播后,感官信息就能被全腦的各個系統訪問,進入人的“意識”,即能被主體意識到。盡管現在的計算機還沒有如此復雜的機制,但這僅僅是個時間問題。GNW理論認為,未來的電腦將會擁有意識。

  而由托諾尼和他的同事——包括我在內——提出的信息整合理論(Integrated information theory ,簡稱IIT)有著完全不同的出發點——體驗本身。每個體驗都有一些重要的屬性。首先它是內在的,只對擁有者本人存在;它有一定結構,例如“黃色出租車因棕狗穿越街道而剎車”;而且它還是獨一無二的,與任何其他意識體驗都不同,就像電影里不同幀的畫面一樣。更重要的是,它是統一且具體的。當你在一個陽光明媚的日子,坐在公園的長椅上看孩子們玩耍時,這種體驗的不同部分——吹過頭發的微風,聽到孩子笑聲時的喜悅——都無法被單獨分開。體驗若被拆分,便也不復存在。

  托諾尼猜測,任何擁有內部結構,包含一系列因果關系且相互作用的復雜系統都具有上述特點,也都具備一定程度的意識。感覺是從系統內部產生的某種東西。但假如是像腦干一樣的結構,不具備復雜的整合技能,就不能算是有知覺。IIT理論聲稱,意識是任何復雜系統都擁有的內在因果力(intrinsic causal power),人腦只是一個例子。

  根據內部相互作用結構的復雜性,IIT理論還導出了一個非負數Φ,用于衡量意識水平的高低。Φ為0代表系統不存在任何自我意識。而Φ越大,則意味著系統的內在因果力越強,意識水平也越高。大腦的內部結構十分復雜,擁有數目巨大的特異性連接,因此Φ值很大,具有比較高的意識水平。IIT能解釋很多觀測到的現象,例如,為何腦干對意識影響很小,以及為何“刺激-壓縮”測量是有效的(該方法計算出的數值可以認為是對Φ的粗略估計)。

  IIT理論還預測,用電腦模擬人腦活動是無法產生意識的,即使程序能騙過我們,以無法和真人區分的形式與我們用語言交流。就像用電腦模擬黑洞附近的巨大引力場,并不會真的扭曲電腦周圍的時空一樣,用程序模擬意識并不能產生一臺擁有意識的電腦。意識無法被計算出來,它是系統結構自身的一種屬性。

  未來仍有兩個挑戰需要解決。其一是利用日新月異的新工具,對大腦中數量巨大且功能各異的神經元進行測量,這樣我們才能真正找到意識的神經機制。由于中樞神經系統十分復雜,這可能需要數十年的努力。另一個挑戰是,證明或證偽目前最主流的兩種理論,或者根據兩者各自的合理部分,提出更好的新理論,解釋關于自我存在的最重要問題:為什么一塊像豆腐一樣的三磅重的器官,可以產生意識,讓我們感受到生命的存在?

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