新理论让意识突破大脑的限制

劳拉·桑德斯

作为一名科学家，朱利奥·托诺尼（Giulio Tononi）目标高远：他想要了解大脑如何产生意识。在他追寻的过程中，他和威斯康星麦迪逊大学的同事，经常使用顶尖的脑扫描仪把潮水般涌流而出的信息倾注到精细复杂的计算机程序中，这些程序描述了大脑功能的方方面面。

但托诺尼最意义深远的洞见，并非发端于这海量的科学数据缓存，相反，源于某个安静沉思的时刻。那时候，他远离了扫描仪器和数据，还有实验室的忙乱，思考——很深入地思考——意识是个什么样子，他有所领悟：每一个意识瞬间，都是一种统一的、整体性的经验，完全不同于之前或之后的任何经验。

从那个看法出发，托诺尼凭直觉提出了一种强大的新的意识理论，该理论以信息流为基础。他和其他人相信数学——具体而言，是描述信息碎片在大脑里如何传递的一套方程——乃是解释头脑是怎样与经验紧密结合在一起的关键。

由于其清晰明了，这种信息的直觉也引起了其他研究人员的共鸣，启发出看待意识问题的新视角。“这种洞见，对我来说是非常重要的，”英国伯明顿苏塞克斯大学赛克勒意识科学中心的阿尼尔·赛斯（Anil Seth） 说，“我认为，这里面有些东西很对路。”

迄今为止，新的方程只以原型的形式存在，就像飞机模型虽然不会飞，但依然有助于阐明大型喷气客机是怎样维持飞行的。不过研究人员相信，这些原型终有一日会成为一种能测量意识的工具，即使意识的符号模糊不明。研究人员已经在人失去意识的时候的大脑上测试这种数学了，这会为这种工具的开发形成支撑。

托诺尼的思想超越了人类自身。通过从神经细胞转向描述它们的数学，他已经把意识理论从生理的大脑中解放出来了。就像是不定型的弹性橡皮泥，方程能适用于任何系统。利用正确的计算，科学家能够测试一场有无数尘埃小微粒一齐盘旋的龙卷风，2050年的 iPhone，或是互联网上迅速累积起来的万亿兆字节的信息是否拥有某种程度的意识。

就像温度计让我们清楚地看到了温度（一壶沸腾的水或是人的身体的温度），同样，意识的码尺最终会使我们对意识自身的本质有更好的理解。因为托诺尼的理论聚焦在意识的本质上，所以神经科学家克里斯托弗·科赫相信，其是“唯一正确的意识理论”。

科学家已经收集了一个清单，内容令人印象深刻，其记录了意识产生或消逝时大脑的变化，科赫说，但这个清单不能对意识经验产生这种神秘的过程做出完整的解释。“为什么是在这个区域，而不在那个区域呢？究竟是什么让这个区域，或是这块大脑，或是这些神经元产生了意识的感觉呢？”科赫说，他是加州理工学院和西雅图艾伦脑科学研究所的科学家。我们需要“为什么？”这种重要的问题的答案。“托诺尼的理论，是唯一一个阐述基本原理的理论。”

关于整合的一切

托诺尼的理论，把意识定位为一种能力，是一个系统——任何系统——连接并使用信息的能力。这个理念依赖两个简单的表述：首先，一瞬间的人类经验，是宇宙之中最具信息含量的事情之一；这个观察是如此简单，以至于常常被人忽略了，托诺尼说。

人们说到信息，经常是作为某种被获取的东西：商业信息广告恳求观众打电话，以了解更多信息，犯罪调查员取得内部信息，间谍收集秘密信息。但严格意义上讲，信息与所失去的东西关系更大。在其专业的职责描述上，信息是一种方法，是量度不确定性被削弱到了何种程度的方法。

在其被锁定之前，任何一个存在的瞬间，都几乎能以无数种方式来发挥作用。可经验一旦定型，就别无他选了，简单的存在——周日上午起床，看午后足球赛的触地得分，或者只是发呆——排除了其他所有可能。

即使是坐在完全黑暗中的人的大脑，也是一个信息的金矿。“当你看到纯粹的黑暗，那是个独特的场景，不同于亿万个其他的特别的场景，” 托诺尼说，“因此这就变得极为有意义。”

对人类大脑中专门的神经细胞群来说，所有细微的区别都是要好好地处理的大事：一群群神经组建了家庭作坊，它们能分辨钴蓝和品蓝，能记住你高中的实验搭档的名字，还能评价巨人队的接球员在接球时是否出界。

但一个系统若只是有大量的信息存储，并孤立地存放于大脑各处，这是远远不够的。那些不同领域的行家必须互相交流，这是托诺尼理论的第二个原则。整合让每一种意识经验成为一个统一的整体。“每种经验都是它本来的样子。你不可能把经验分拆成独立的片段，”托诺尼说，“你不可能经历没有左侧的右侧，没有形状的色彩。”

赛斯说：“信息和整合共同描述了意识到底是什么感觉。相关的大脑机制以某种方式紧密联系在一起，但又以某种方式各行其是，所以你得到了丰富的经验。”。蜂巢里的采集蜂、保育工蜂和女王蜂，都具有专门的能力和知识，但需要共同协作，从而保持蜂巢的繁荣昌盛。意识也可能是类似的情况。

托诺尼用一个数值来衡量信息和整合这两项属性的组合，该数值称为phi。这单个数字表示的信息超越了系统中各个单独片段储存的范围。对人类大脑来说，因为有大量的神经细胞连接群，还有巨大的陈述指令系统（repertoire of states），所以要计算准确的phi值是不可能的；你必须得加上全部有用的数据，就是能自由地在系统里所有连接之间流动的数据，还得减去每个子系统单独拥有的数据。

但是，即便没有准确的phi值，科学家也依然能得到一个大概的想法，有关整合的信息——或是信息缺乏——在人类大脑里会是个什么样子。

发现phi

如果整合对意识来说至关紧要，那么改变人脑内的连接，就会是改变意识。大脑交通最繁忙的连接之一是胼胝体，这是一条由2亿个在大脑左右半球之间传递信息的神经纤维组成的信息高速公路。在某些严重的癫痫病例中，外科医生切断这个连接体，试图阻断通过其上的癫痫信号。

罗杰·斯佩里（Roger Sperry）和迈克尔·加扎尼加（Michael Gazzaniga）在20世纪60年代早期研究了这种裂脑病人。加扎尼加和斯佩里发现，切断胼胝体，人们本质上就有了两种意识经验——左侧空间和右侧空间。举例来说，没有了这个连接体，人就不能轻松叫出放在左边的物体的名字，因为鉴别物体的是右脑半球，没法把它见到的东西，告诉位于左脑半球的言语中枢。

“通过实验我们知道，这一个脑壳的里面有两个有意识的头脑，”科赫说，“一个脑壳，两个心智。”

但把所有东西都连接在一起也是行不通的。在遭受癫痫折磨的时候，人们没有意识，此时神经细胞的行为极度协调，就像迈着整齐的步伐一起进场的数百万个士兵。这个系统是个高度整合好的，但失去了全部的差异性。专门的神经细胞的联合，比如说区分蓝色的色度的联合，都无法发挥其作用了。细胞或者全都反应，或者全无反应，而不是去处理丰富而多变的信息。

迄今为止，托诺尼的理论的最好证据，来自他和别人在不同意识状态下的人身上进行的实验，比如说熟睡、麻醉或是植物人状态。在清醒的人身上，通过一种名为经颅脑刺激，或称TMS的技术，把电击的电流传输到大脑上的一个点，电流四处移动、游走、渐变并位移，大约持续300毫秒。但在意识减弱的状态的人身上，这种TMS信号会快速消退。托诺尼和他的同事认为这种信号代表了大脑整合信息的能力，他们正在研究把这种信号转化成估计的方法，该种估计可以捕捉全面的phi 的一些碎片。

赛克勒中心的赛斯（Seth），试图利用不同的方法来测量脑细胞间进行复杂交流时的整合信息。他的方法是把意识当作一种不断变化的特征，没有把其当成一种任何时刻都是静态的能力来评估。“对我而言，意识是一种过程，是随着时间过去而逐渐展露的系统的动力学特征。”他说。因为赛斯是要测量因果密度值（causal density），依靠了某些初始的假设，得到的是一种均值，而不是某个时间点的精确值，故而其比phi计算起来要容易一些。

在一篇在线发表于1月的PLoS ONE研究报告中，赛斯的团队设法对人类大脑里的因果密度值进行测量。七位健康的志愿者接受药物二丙泊酚麻醉之后，失去了意识。研究人员监测了两个特定脑区的脑电信号，也就是扣带回前区和后区，因为人们已经知道在麻醉状态下，这两个区域会有行为变化。

意外的是，意识溜走的时候，这两个脑区的因果密度值评分升高。赛斯说，局部的升高可能会伴随有整体的信息整合度的降低。

透过 Animat 洞悉意识的本质

虽然探索人类大脑中的信息结构的实验还在初级阶段，但是数学模拟已经表明，事实上也能在别的系统里测量信息整合。托诺尼和他的同事设计了一个很简单的系统，其phi值能计算出来——被称为Aniamt的一个仿生物。依靠探测环境的传感器，可让其移动的制动器，还有学习过程中储存数据的部位，这个Animat自行想办法穿越计算机迷宫。Animat也拥有大多数有机生物体天然就有的能力：在50000代一代代走迷宫的过程中，其能随之进化。

一开始，Animat走迷宫很费劲。但在第14000代附近，就很好了。随着性能表现的提升，Animat的phi成功地在其多个组成部件之间传递的信息量有所上升。不同的片段学会了交流。到了第49000代的时候，Animat的phi值很高，迅速穿过了迷宫。托诺尼和同事在10月的《PLoS计算生物学》（PLoS Computational Biology）发表了该报告。

Animat是个简单的例子。即使其最高级的一代，其phi也不能和人的相比。但高phi值和性能表现之间的联系，可能反映出一种更深刻的真实情况：意识为什么会逐渐变化。通过整合信息，Animat这个小家伙能了解周围的环境，并能预测即将到来的事情。

预测能力可能是意识存在于人类中间的主要原因之一。“如果你看到面前有张桌子和一个电脑显示器，你知道它们为什么在那儿，也知道他们对你意味着什么，还有你能利用它做什么，接下来会发生什么。”托诺尼说，“每一种经验都让人回想起许多不同的联系、记忆和思想。当然，这一切，都是不完整的碎片和颗粒——有关意识为什么有适应性，它为什么是意义非凡的进化的产物。这让我们认识过去，并预测未来。”

人工意识 利用名为Animat的模拟生物，研究人员能够测量整合的信息，也就是phi。Animat经过50000代的演化，其在迷宫巡航（下图）中取得了更好的成绩。随着人工生物表现越来越好，其phi值不断升高。

意识扩展

Animat的例子说明了整合的信息可能不只存在于拥有大脑器官的物体中。这个简单的发现具有深远的意义：如果托诺尼是对的，并且整合的信息实际上就是意识，那么意识本身就不再局限于头颅之内。只要信息格式正确，任何系统，不论是神经细胞、硅晶片，还是光束构成的物质，都能拥有意识。

这种领悟改变了关于意识的对话。在一个有各种方式可把信息快速传播到各处的世界里——章鱼的大脑，树的根系和因特网——讨论某个实体是否有意识可能会失去意义。确切地讲，问题变成了，“意识是怎么回事？”只拥有少量信息的小型系统，可能只有一小段意识，而诸如人类大脑这样的大型系统拥有巨大份的意识。

大脑度量 以简化的神经解剖学为基础进行模拟，结果表明有些大脑系统生成的phi值比其他的高。上图是皮质丘脑系统，下图是小脑系统（用phi来表示子系统和完整的网络）。

拓展意识的内涵把那些没有大脑的系统也纳入进来，这种看法虽受某些古代宗教以及较为现代泛灵论者的拥护，而对很多现在研究者来说，却是种令人不安的延伸。就赛斯来说，他相信意识的数学表述提供了一种有趣的描述，但并不认为所整合的信息就是真正的事物本身。“宇宙中我们所知的唯一的产生意识的系统是生物系统。”他说。

其他人的观念不那么正统。科赫说他可能是错的，但他相信意识就像一个电荷，是现实的构架里固有的一部分，赋予了世界形状、结构和意义。“意识并不是宇宙的现象特征（emergent feature），”他说，“这是个基本性质。”

意识是否被编织进了宇宙的本质，这是个大问题，不过就目前而言，还无法回答，但这并不妨碍人们在有关头脑的其他问题上取得真正的进步。系统性研究和洞见的飞跃，揭示了具有意识的大脑所需的要素，追踪了进入意识之旅的具体视觉，并产生了一大批理论，暗示了意识的真实本性。

“我们朝着有亮光的地方看，取得了一些进步，”科赫说，“但最终，我们必须得看向更深更远的地方。”

理论上，有一天科学家就不会有那种自己是自己研究对象的困惑，从而清楚地了解人的头脑。然后，对于脑壳内部的理解，会启发科学家把目光转向外面，一个全新而神秘的世界正待发掘。

意识学说

虽然新的意识学说依靠的是一般的数学原理，但既有的很多观念（见下）是基于人类大脑的特征提出的。

全局性工作空间学说（Global Workspace） ： 加利福尼亚州拉荷亚神经科学研究所的伯纳德·巴尔斯（Bernard Baars）首次提出，这个理论设想，当处在易接近的大脑系统中心位置的信息被传播到其他脑区时，就会有意识出现。

神经达尔文学说（Neural Darwinism） ： 大量不同种类的神经细胞相互竞争，会让对选择性约束（selective constraints）的响应增强或减弱，这由诺贝尔奖得主杰拉德·埃德尔曼（Gerald Edelman）于1978年首次提出。在头脑能更好地回应其环境时，这种波动产生意识。

会聚/发散区学说（Convergent/Divergent）： 南加州大学的安东尼奥·达马西奥（Antonio Damasio）提出，发送和接收信息的大脑区域帮助头脑形成记忆、情感和其他精神意象。达马西奥也认为意识需要自我感知。

中间层次学说（Intermediate Level） ： 该理论由塔夫茨大学的雷·杰肯道夫（Ray Jackendoff）提出，并得到纽约城市大学的杰西·普林茨（Jesse Prinz）的支持。这种理论说，为了达成意识，数据肯定是在中间的大脑层次得到处理的。只有那些既非特殊也不抽象的信息，才能达成意识。 u6ayQOKbXgiTrhVumNI5pKj/KwJrmJb3mR3kI0U8MxmW6CW2hvllqeYgTo3G7sZE