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大脑是如何产生意识的?可能是靠“猜”

时间: 2016年11月29日 | 作者: Anil K. Seth | 来源: Aeon
我们的大脑可能是把自己的预测与感知到的信息结合到一起,形成了感知意识

怎样才能更好地理解意识呢?笛卡尔之后的很长时间内,哲学家们一直在争论意识是否可以分为“精神”和“物质”两部分。然而,现代神经科学的崛起已经能为解决这个争端提供更加切实可行的方法——以哲学为指导,但不用哲学的方法寻找答案。这其中的关键在于,你要认识到,要揭示意识的物质基础,即建立一个连接主观感性现象与客观可测量现象的解释性“桥梁”,并不需要解释意识为什么会存在。

 

我的工作地点是布莱顿萨塞克斯大学赛克勒意识科学中心,在那里,我与认知科学家、神经学家、精神病学家、脑成像专家、虚拟现实奇才、数学家以及哲学家一起共同努力,为的就是解决上面所说的问题。通过和其他实验室合作,我们获得了关于意识的崭新发现,这些发现对医学有重大作用,但是反过来也带来了新的智力和伦理方面的挑战。在我的研究中,一个新的想法就是认为意识经验在大脑与身体的有机统一中起到了关键作用,我们都是有意识的“兽性机器”,下面我就来给大家慢慢说明其中原因。

 

让我们从当代哲学家戴维·查默斯(David Chalmers)影响深远的观点——“简单问题”与“困难问题”的区别讲起。这个观点继承自笛卡尔,把理解人类意识的问题分为“简单问题”和“困难问题”:“简单问题”是指理解大脑(和身体)怎么产生知觉、认知、学习活动和行为活动,“困难问题”是理解这些为什么会和意识相联系,以及它们是如何联系的,即为什么我们不是没有意识的简单机器人,或是“哲学僵尸”?我们很容易就能认识到,解决“简单问题”(不管这意味着什么)对我们解决“困难问题”没有任何帮助,这就导致了意识的脑生理基础成为了一个永远的秘密。

 

译者注:在哲学领域中,哲学僵尸(Philosophical Zombie or P-Zombie)是一种被假设出来的形象,它们外表和一般人类无法区分,但缺乏意识经验、感受和知觉。

 

然而,还有另一个我称之为“真正问题”的问题:怎么解释不同意识的生物学基础。这个问题不像“简单问题”那样直接假设意识不存在,也不像“困难问题”那样在把大部分精力放在了解释意识的存在性问题上。如果你熟悉所谓的“神经现象学”(neurophenomenology),可能会觉得这听起来跟神经现象学有些相似之处,不过,也有很多不同点,我接下来会讲到它们。

 

历史上出现过一些从类似的角度研究意识的方法,尤其是在研究生命现象的过程中。曾经,生化学家怀疑过“活着的”生命特性究竟能否用生物学机制来解释,但如今,虽然我们对生命的理解虽然仍不够全面,但是对其中奥秘的最初探寻已经取得突破。生物学家在解释生命系统的各种特性上取得了很大成功,例如代谢机制、内环境稳态、繁殖等等,而我们从中学到的重要经验就是生命不是简单的“一件事”,而是可以分为许多方面来研究的。

 

同样,要解决意识的“真正问题”,就需要把意识的不同侧面区分开来,并分别把它们的神经生物学特性(个人对意识体验的主观描述)定位到基础性生物机能上去。一个很好的出发点是区分意识层次、意识内容和意识自身。意识层次和意识状态相关,指的是在无梦睡眠(或者全身麻醉)和完全清醒有意识之间的区别。意识内容是你在清醒时的意识体验:视觉、听觉、味觉、心情、思想和信仰等组成你内心世界的东西。在这些意识内容中,最特殊的一部分就是使你成为你自己的这部分体验,这就是自我意识(conscious self),可能是意识研究中最重要的方面 

 

让我们产生意识的基础脑机制是什么呢?很重要的一点是,意识层次并不等同于“醒着”,因为当你做梦时仍然会有意识体验。在一些病理学案例中,例如一些植物人,他们几乎没有意识,但是仍然会有规律地睡觉和醒来。

 

那么什么造成了意识的特殊性呢,它与只是“醒着”的状态截然不同吗?我们知道,它们之间的区别不仅是涉及到的神经元数目这么简单。小脑拥有的神经元数目大概是其他脑结构的4倍,但小脑却很少有意识层次的功能。意识的特殊性也不能完全用神经元活性来解释,你的大脑活跃度在无梦睡眠状态和清醒状态相差无几。不过,意识的产生似乎与不同脑区之间产生的特殊联系有关。

 

来自米兰大学的神经科学家马塞洛·马斯米尼(Marcello Massimini)通过一系列实验找到了上述观点的有力证据。在实验中,他通过经颅磁刺激技术(TMS)给大脑施加短时电脉冲刺激,然后用脑电图(EEG)记录脑区响应结果。在无意识睡眠者和植物人中,这些响应结果非常简单,就像把石头扔进池塘激起的涟漪一般,但是在有意识状态下,大脑皮层上出现了一种典型的响应——以一种复杂的模式出现并消失。令人兴奋的是,通过研究这些信息是怎么被压缩的(类似于把数字图片压缩成JPEG图片的方法),我们现在已经可以量化这些响应的复杂度了。量化响应标志着我们在意识测量道路上迈出的第一步,它不仅实用,而且有理论依据。

 

意识复杂度测量法已经被用于追踪睡眠和麻醉状态变化情况,它们甚至还可以用来检查脑损伤后的意识存留情况,因为基于病人行为的诊断有时候会有误导性。在赛克勒中心,我们正根据神经元自发性活动(一种不需要刺激就能持续进行的神经活动)计算“大脑复杂性”,以此来提高测量的实用性。在18世纪,科学家了解到热量的本质其实是分子的平均动能,并由此制造出第一个可靠的温度计,而如今,科学家也希望能够借着对意识的更深一步了解,得以测量意识,量化意识的输入输出。热力学定律的开创者之一开尔文爵士曾说:“在自然科学中,研究任何对象的首要步骤就是找出与它相关的特性,明确对这些特性进行数据估算的原则,并找到可靠的测量手段。”简而言之,“知道怎么测就知道了一切”。

 

然而,研究大脑复杂性需要测量的是哪些特性呢?这就是关于意识的新理论发挥作用的地方了。这些新理论诞生于20世纪90年代后期,当时杰拉德·爱德曼(Gerald Edelman,他是我之前在美国圣地亚哥神经科学研究所时的导师)和现任职于美国威斯康星大学麦迪逊分校的朱利奥·托诺尼(Giulio Tononi)认为,意识体验之所以特殊,在于它同时拥有“高信息量”和“高整合度”。

 

意识之所以具有高信息量,是因为每次经验都不同于你以往的经验或以往可能会有的经验。当我的视线越过我面前的桌子看往窗玻璃,我看到的咖啡杯、电脑的倒影和云朵的外形都与以往不同。这说明当结合其他的观念、心情和思想的刺激时,你的体验会更加突出。每个意识体验都包含着很大程度的“不确定性衰减”——每当经历了一件事情,我们就排除了很多可能发生的其他事情——而这种“不确定性衰减”就是我们数学上讲的“信息”。

 

意识具有高整合度,是因为每个意识体验都是以一个统一的场景出现的,我们不会只感知到颜色看不到它们的形状,或是只看到物体却看不到背景。在我刚刚提到的意识体验中,许多不同元素,包括电脑、咖啡杯,加上巴赫的轻柔音乐还有我对接下来该写什么的担心,似乎都在深层次里交织在一起成为意识的一个包罗万象的体现。

 

这说明,抓取信息与整合的数学方法就是测量大脑复杂性所需要的方法。这种方法的快速出现不是“瞎猫碰上死耗子”,而是对“真正问题”策略的实际应用。我们正在获取意识的主观经验,并把它定位到客观描述的脑机制当中去。

 

一些研究者把“真正问题”的概念进一步拓展,以此来解决“困难问题”。托诺尼是这种方法的先驱者,他认为意识完全就是简单的信息整合。这是一个有趣而强大的想法,但是它有一个前提条件——承认意识可以存在于任何地方的任何事物身上(而不仅仅是人类),用哲学的术语叫做“泛心论”(panpsychism)。这种外加的数学修正意味着:实际上,对于任何现实复杂系统而言整合信息是不可能的。我在前面说过,试图解决“困难问题”而非“真正问题”,会减缓甚至阻滞实验进程,托诺尼的这一想法就是一个活生生的例子。

 

当我们“有意识”的时候,我们肯定意识到了某些事物。那么,是大脑中的什么东西决定了意识内容呢?标准的方法是寻找所谓的“意识相关神经区”(neural correlates of consciousness ,NCC)。20世纪90年代,弗朗西斯·克里克(Francis Crick)和克里斯多夫·柯克(Christof Koch)把NCC定义为“形成一段特定意识感知所需的神经活动与机制的最小集合”。这个定义在过去的25年间得到广泛认可,因为它可以直接指导实验。利用脑电图(EEG)和功能核磁共振(fMRI),我们就可以比较有意识知觉和无意识知觉下大脑活动的区别。这方面的实验有很多,其中非常流行的一个就是双眼竞争实验。人的两只眼睛均有独立的视神经,双眼竞争中知觉体验的交替速率可能反映了人的清醒程度。在这个实验中,实验者给受试者的双眼看不同的图像,这样的话,意识知觉就会不停转换;另一种方法是遮挡法,在快速闪过一张图片后紧跟着展示一张无意义图片,这种情况下,第一张图片是否仍可以被感知到取决于图像和遮蔽物之间的延迟长短。

 

这些实验确定了一些和视觉、听觉及其他刺激分别密切相关的意识体验脑区。最新的研究正在试图区分大脑中汇报意识感知对象(例如“我看到了一张脸!”)和真正产生意识对象的区域。然而,虽说这个实验非常有说服力,但是它的落脚点依旧不在意识的“真正问题”上。看到某个脑区在意识体验中被激活并不能解释为什么这个区域的激活和意识有关系。因此,我们需要一个一般性的理论来描述大脑干了什么而不是它的什么位置被激活了。

 

19世纪的时候,德国生物物理学家赫尔曼·冯·赫姆霍兹曾预言说:大脑不过是一台预测机器,我们的所见、所听、所感不过是它对输入信号的最佳猜测罢了。如果这样想的话,大脑就像被禁锢在颅骨内,所接收的都只是与客观世界间接相关的,模糊不清充满噪音的感觉信号。因此感知一定是一个推理的过程——通过把模糊不清的感觉信号与先前的预测或者对客观世界的已有“信念”结合起来,来形成对输入信号的最佳预测,比如我们对上面例子中的咖啡杯、电脑、白云等的感知。我们所看到的只是大脑对外在世界的“最佳猜测”。

 

在实验室和日常生活中都很容易找到预测性感知的例子。在一个浓雾弥漫的清晨,如果我们要在公交站约见一位朋友,我们可能以为自己看到他在那儿,走近一看却发现是另一个陌生人。如果我们想听到一些单词,哪怕是在嘈杂的噪音中也能“听到”它们。甚至感知所需的最基本元素都是我们视觉系统编码的无意识信念塑造的。我们的大脑已经进化出假设光照来自上方的能力,这会影响到我们对阴影中形状的预测。

 

经典的感知观点认为大脑是以自下而上、由外到内的方向加工感觉信号的:感觉信号通过接收器(例如,视网膜等)进入大脑,之后的每一步都伴随着越来越复杂和抽象的加工过程。这种观点认为,这种感知“起重机制”(指由简单外界信号变成复杂感觉的机制)是通过从低级到高级的许多连接完成的。然而,亥姆霍兹的观点颠覆了上面的观点,他认为大脑从外界得到的信号,不过是大脑预期与实际状态之间的误差。感知是自上而下、由内向外的,由大脑内部的预期驱动,再到感觉表层,感觉是通过对大脑不同感觉系统获得信息的加工,不断更新大脑预期来最小化预测误差完成的。这种观点被称为“预先编码”或者“预先加工”,认为感觉只是一种可控的幻觉,大脑的预测一直受到来自外界世界和自身身体的感觉信号调控。正如心理学家克里斯·弗里思(Chris Frith)在2007年的《创造大脑》(Making Up the Mind)一书中所说,这是一种“与现实完全相同的幻觉”。

 

了解了这些有关感知的理论,我们可以转过头来思考意识的问题了。当务之急不是探寻哪个脑区与意识感知有关,而是应该思考:预测性感知的哪个方面和意识有关?现在一系列的实验表明:意识更多依赖于感知预测而不是感知误差。在2001年,哈佛医学院的阿尔瓦罗·帕斯夸尔-里昂(Alvaro Pascual-Leone)和文森特·沃尔什(Vincent Walsh)在实验中让受试者看到由一系列小圆点组成的“云朵”,并汇报他们看到的该云朵的移动方向(也被称为随机点动态图实验)。他们利用经颅磁刺激仪特异性地干扰自上而下的视皮层,而自下而上的过程未受干扰,发现受试者对云朵移动的感知消失了,这支持了被亥姆霍兹“推翻”的预测性感知机制。

 

最近,我们实验室正在研究关于意识感知预测机制的更多细节。利用上面提到的双眼竞争方法所做的几个实验均表明,人们看到的是他们想看到的东西,而不是违反他们预期的东西。同时,我们发现大脑做出感知预测的脑波基本都属于α节律(alpha rhythm)。α节律是一种10Hz左右的脑电波,它在大脑视觉区域表现的尤为明显。这是令人兴奋的结果,它告诉我们大脑是怎样影响感知预期的。虽然α节律是一种众所周知的脑活动,但是它的功能仍不明确,这个实验结果为研究α节律找到了新思路。

 

“预先加工”也能够帮助我们理解诸如精神错乱、致幻剂引起的幻觉等不正常的视觉体验。一般认为,当大脑忽视了外在输入信号时,感知能力就会受到大脑主观臆断的非正常控制,从而导致了幻觉的产生。从简单的线条、图形、纹理等几何错觉到事物和人等复杂幻觉都可以解释为不同脑皮层对“预先加工”预测的过度加强导致。由于它搞清楚了许多精神病症状的内在机理,这个研究有巨大的临床意义。它不是像止痛药那样只缓解症状,而是像抗生素一样,“治标更治本”。

 

在我们内心世界众多的特殊感受中,有一项是非常特殊的,那就是你能够感受到“你”的存在。我们对自我意识习以为常,因为它一直存在,并且我们通常可以感受到这种主观存在(除非全身麻醉的时候)。然而,就像意识不是单个的一件事一样,自我意识最好也要从大脑产生的一系列复杂机制方面去理解。

 

身体自我意识指的是拥有一个特定身体的体验,观点自我意识指的是从一个特定的第一人称视角感知世界的体验,意志自我意识指的是激励自己做某件事或者促成某件事的体验,而在更高的层面上还有叙事性自我意识和社会性自我意识:叙事性自我意识是自我意识形成的根源,它指的是一个独一无二的人随时间形成丰富的自我记忆的体验,社会性自我意识指的是通过他人的感知反馈和特殊的社会环境所带来的自我体验。

 

在日常生活中,区别上面所提到的自我意识的各个维度是非常困难的。我们来到这个世界时就是一个统一整体,我们的身体体验和我们过去的记忆以及自我意志紧密地结合在一起,所以心理学常用的“内省法” introspection,又称自我观察法,通常要求被试者把自己的心理活动报告出来,然后通过分析报告资料得出某种心理学结论)可能是一个无用的实验手段。许多实验和神经心理学案例研究表明,大脑一直在积极主动地控制和协调自我体验的各个方面。

 

让我们举个关于躯体自我感知的例子。在非常著名的“橡胶手错觉”实验中,受试者被要求把精力放在假的橡胶手上,这时你的真手是看不到的。如果实验人员持续用软毛刷轻轻地刷你看不见的真手和假手,你会很神奇地感受到似乎假手就是你身体的一部分。这表明我们躯体自我感知有着令人惊奇的可重塑性,但也引发了新的思考:大脑怎么判断客观物质世界中哪个部分是自己的身体,哪个不是呢?

 

 

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橡胶手实验。

 

为了回答这个问题,我们可以借鉴其他感知形式类似的形成过程。像其他经典的视觉、触觉等知觉一样,首先大脑会基于事先的信念或者期待,以及已有的知觉数据做出“最佳预测”,在这个例子中,相关的知觉数据就包括作用于躯体的多种感觉,包括像视觉、触觉这样的经典知觉,以及躯体空间定位信号和血压、胃张力、心跳等相关的身体内部感受信号。自我意识的体验依赖于根据经典知觉以及与身体相关的内部感受器和本体(空间)感受器所做出的预测。因此,我们能够感受到自己存在和拥有身体是一种非常特殊的“可控幻觉”。

 

我们实验室的研究结果正好支持这个想法。在一个实验中,我们利用增强现实(VR)技术重新设计了类似“橡胶假手”的实验,以此来测试内部感受信号(心跳、血压等)对躯体所有感的影响。参与者被要求头戴VR眼镜一样的头盔,注视着屏幕中他们正前方的假手。这双假手通过编程控制,会以一定的频率闪现浅红色,有时候与受试者的心跳同步,有时不同步。我们预期的结果是当假手的变化频率和心跳相同时,他们会有强烈的自我意识体验,而最终的实验结果也的确如此。其他的实验室通过类似的方法对自我意识的其他方面测试也得到了相同的结果:当输入信号和预期行动结果匹配时,我们会感受到假手或者其他东西更加真实,但是有时候“橡胶假手”类似的实验也会失败,比如许多精神分裂症患者因为大脑的预测加工过程出现异常,导致实验失败。

 

这些发现带我们一路追溯到笛卡尔时代的哲学观点。不过并不是“我思故我在”,而是“我猜故我在”。你我独特的体验,不过是大脑对于与自身相关的外界感觉信号的最佳猜测罢了。

 

故事到最后还有个转折:预测模型不仅可以解释感觉信号的起因,也可以改变感觉信息,以适应已存在的预测的方法(这就是所谓的“主动推论”),从而帮助大脑调控这些起因。说到自我意识,特别是它的深层表现形式的时候,有效的调节无疑比精确的感知更加重要。就像我们的心跳、血压等生理因素一样,我们只要控制它们在合理范围内就行,并不用非得清楚具体的心跳是多少。这是我对自身身体的感知体验与对其他客观物质的体验不同的地方。

 

让我们回到笛卡尔的观点。他认为没了大脑,躯体不过是一个“兽性机器”,没有任何内心世界。从他的观点看,基本的生理学调控过程与大脑或者意识几乎没有关系。我却不这么认为。现在看来,自我意识体验的基础方面依赖于与我们血液、内脏等各种生理因素有关的预测性感知。我们拥有自我意识,因为我们都是“兽性机器”——一个持续关注自我存在的,装在肉体中的“自我”。

 

原文链接:

https://aeon.co/essays/the-hard-problem-of-consciousness-is-a-distraction-from-the-real-one


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