大腦是如何產生意識的？可能是靠「猜

       時間: 2016年11月29日 | 作者: Anil K. Seth | 來源: Aeon

        我們的大腦可能是把自己的預測與感知到的信息結合到一起，形成了感知意識

　　怎樣才能更好地理解意識呢？笛卡爾之後的很長時間內，哲學家們一直在爭論意識是否可以分為「精神」和「物質」兩部分。然而，現代神經科學的崛起已經能為解決這個爭端提供更加切實可行的方法——以哲學為指導，但不用哲學的方法尋找答案。這其中的關鍵在於，你要認識到，要揭示意識的物質基礎，即建立一個連接主觀感性現象與客觀可測量現象的解釋性「橋樑」，並不需要解釋意識為什麼會存在。

　　我的工作地點是布萊頓薩塞克斯大學賽克勒意識科學中心，在那裡，我與認知科學家、神經學家、精神病學家、腦成像專家、虛擬現實奇才、數學家以及哲學家一起共同努力，為的就是解決上面所說的問題。通過和其他實驗室合作，我們獲得了關於意識的嶄新發現，這些發現對醫學有重大作用，但是反過來也帶來了新的智力和倫理方面的挑戰。在我的研究中，一個新的想法就是認為意識經驗在大腦與身體的有機統一中起到了關鍵作用，我們都是有意識的「獸性機器」，下面我就來給大家慢慢說明其中原因。

　　讓我們從當代哲學家戴維·查默斯（David Chalmers）影響深遠的觀點——「簡單問題」與「困難問題」的區別講起。這個觀點繼承自笛卡爾，把理解人類意識的問題分為「簡單問題」和「困難問題」：「簡單問題」是指理解大腦（和身體）怎麼產生知覺、認知、學習活動和行為活動，「困難問題」是理解這些為什麼會和意識相聯繫，以及它們是如何聯繫的，即為什麼我們不是沒有意識的簡單機器人，或是「哲學殭屍」？我們很容易就能認識到，解決「簡單問題」（不管這意味著什麼）對我們解決「困難問題」沒有任何幫助，這就導致了意識的腦生理基礎成為了一個永遠的秘密。

　　譯者註：在哲學領域中，哲學殭屍（Philosophical Zombie or P-Zombie）是一種被假設出來的形象，它們外表和一般人類無法區分，但缺乏意識經驗、感受和知覺。

　　然而，還有另一個我稱之為「真正問題」的問題：怎麼解釋不同意識的生物學基礎。這個問題不像「簡單問題」那樣直接假設意識不存在，也不像「困難問題」那樣在把大部分精力放在了解釋意識的存在性問題上。如果你熟悉所謂的「神經現象學」（neurophenomenology），可能會覺得這聽起來跟神經現象學有些相似之處，不過，也有很多不同點，我接下來會講到它們。

　　歷史上出現過一些從類似的角度研究意識的方法，尤其是在研究生命現象的過程中。曾經，生化學家懷疑過「活著的」生命特性究竟能否用生物學機制來解釋，但如今，雖然我們對生命的理解雖然仍不夠全面，但是對其中奧秘的最初探尋已經取得突破。生物學家在解釋生命系統的各種特性上取得了很大成功，例如代謝機制、內環境穩態、繁殖等等，而我們從中學到的重要經驗就是生命不是簡單的「一件事」，而是可以分為許多方面來研究的。

　　同樣，要解決意識的「真正問題」，就需要把意識的不同側面區分開來，並分別把它們的神經生物學特性（個人對意識體驗的主觀描述）定位到基礎性生物機能上去。一個很好的出發點是區分意識層次、意識內容和意識自身。意識層次和意識狀態相關，指的是在無夢睡眠（或者全身麻醉）和完全清醒有意識之間的區別。意識內容是你在清醒時的意識體驗：視覺、聽覺、味覺、心情、思想和信仰等組成你內心世界的東西。在這些意識內容中，最特殊的一部分就是使你成為你自己的這部分體驗，這就是自我意識（conscious self），可能是意識研究中最重要的方面。

　　讓我們產生意識的基礎腦機制是什麼呢？很重要的一點是，意識層次並不等同於「醒著」，因為當你做夢時仍然會有意識體驗。在一些病理學案例中，例如一些植物人，他們幾乎沒有意識，但是仍然會有規律地睡覺和醒來。

　　那麼什麼造成了意識的特殊性呢，它與只是「醒著」的狀態截然不同嗎？我們知道，它們之間的區別不僅是涉及到的神經元數目這麼簡單。小腦擁有的神經元數目大概是其他腦結構的4倍，但小腦卻很少有意識層次的功能。意識的特殊性也不能完全用神經元活性來解釋，你的大腦活躍度在無夢睡眠狀態和清醒狀態相差無幾。不過，意識的產生似乎與不同腦區之間產生的特殊聯繫有關。

　　來自米蘭大學的神經科學家馬塞洛·馬斯米尼（Marcello Massimini）通過一系列實驗找到了上述觀點的有力證據。在實驗中，他通過經顱磁刺激技術（TMS）給大腦施加短時電脈衝刺激，然後用腦電圖（EEG）記錄腦區響應結果。在無意識睡眠者和植物人中，這些響應結果非常簡單，就像把石頭扔進池塘激起的漣漪一般，但是在有意識狀態下，大腦皮層上出現了一種典型的響應——以一種複雜的模式出現並消失。令人興奮的是，通過研究這些信息是怎麼被壓縮的（類似於把數字圖片壓縮成JPEG圖片的方法），我們現在已經可以量化這些響應的複雜度了。量化響應標誌著我們在意識測量道路上邁出的第一步，它不僅實用，而且有理論依據。

　　意識複雜度測量法已經被用於追蹤睡眠和麻醉狀態變化情況，它們甚至還可以用來檢查腦損傷后的意識存留情況，因為基於病人行為的診斷有時候會有誤導性。在賽克勒中心，我們正根據神經元自發性活動（一種不需要刺激就能持續進行的神經活動）計算「大腦複雜性」，以此來提高測量的實用性。在18世紀，科學家了解到熱量的本質其實是分子的平均動能，並由此製造出第一個可靠的溫度計，而如今，科學家也希望能夠借著對意識的更深一步了解，得以測量意識，量化意識的輸入輸出。熱力學定律的開創者之一開爾文爵士曾說：「在自然科學中，研究任何對象的首要步驟就是找出與它相關的特性，明確對這些特性進行數據估算的原則，並找到可靠的測量手段。」簡而言之，「知道怎麼測就知道了一切」。

　　然而，研究大腦複雜性需要測量的是哪些特性呢？這就是關於意識的新理論發揮作用的地方了。這些新理論誕生於20世紀90年代後期，當時傑拉德·愛德曼（Gerald Edelman，他是我之前在美國聖地亞哥神經科學研究所時的導師）和現任職於美國威斯康星大學麥迪遜分校的朱利奧·托諾尼（Giulio Tononi）認為，意識體驗之所以特殊，在於它同時擁有「高信息量」和「高整合度」。

　　意識之所以具有高信息量，是因為每次經驗都不同於你以往的經驗或以往可能會有的經驗。當我的視線越過我面前的桌子看往窗玻璃，我看到的咖啡杯、電腦的倒影和雲朵的外形都與以往不同。這說明當結合其他的觀念、心情和思想的刺激時，你的體驗會更加突出。每個意識體驗都包含著很大程度的「不確定性衰減」——每當經歷了一件事情，我們就排除了很多可能發生的其他事情——而這種「不確定性衰減」就是我們數學上講的「信息」。

　　意識具有高整合度，是因為每個意識體驗都是以一個統一的場景出現的，我們不會只感知到顏色看不到它們的形狀，或是只看到物體卻看不到背景。在我剛剛提到的意識體驗中，許多不同元素，包括電腦、咖啡杯，加上巴赫的輕柔音樂還有我對接下來該寫什麼的擔心，似乎都在深層次里交織在一起成為意識的一個包羅萬象的體現。

　　這說明，抓取信息與整合的數學方法就是測量大腦複雜性所需要的方法。這種方法的快速出現不是「瞎貓碰上死耗子」，而是對「真正問題」策略的實際應用。我們正在獲取意識的主觀經驗，並把它定位到客觀描述的腦機制當中去。

　　一些研究者把「真正問題」的概念進一步拓展，以此來解決「困難問題」。托諾尼是這種方法的先驅者，他認為意識完全就是簡單的信息整合。這是一個有趣而強大的想法，但是它有一個前提條件——承認意識可以存在於任何地方的任何事物身上（而不僅僅是人類），用哲學的術語叫做「泛心論」（panpsychism）。這種外加的數學修正意味著：實際上，對於任何現實複雜系統而言整合信息是不可能的。我在前面說過，試圖解決「困難問題」而非「真正問題」，會減緩甚至阻滯實驗進程，托諾尼的這一想法就是一個活生生的例子。

　　當我們「有意識」的時候，我們肯定意識到了某些事物。那麼，是大腦中的什麼東西決定了意識內容呢？標準的方法是尋找所謂的「意識相關神經區」（neural correlates of consciousness ，NCC）。20世紀90年代，弗朗西斯·克里克（Francis Crick）和克里斯多夫·柯克（Christof Koch）把NCC定義為「形成一段特定意識感知所需的神經活動與機制的最小集合」。這個定義在過去的25年間得到廣泛認可，因為它可以直接指導實驗。利用腦電圖（EEG）和功能核磁共振（fMRI），我們就可以比較有意識知覺和無意識知覺下大腦活動的區別。這方面的實驗有很多，其中非常流行的一個就是雙眼競爭實驗。人的兩隻眼睛均有獨立的視神經，雙眼競爭中知覺體驗的交替速率可能反映了人的清醒程度。在這個實驗中，實驗者給受試者的雙眼看不同的圖像，這樣的話，意識知覺就會不停轉換；另一種方法是遮擋法，在快速閃過一張圖片后緊跟著展示一張無意義圖片，這種情況下，第一張圖片是否仍可以被感知到取決於圖像和遮蔽物之間的延遲長短。

　　這些實驗確定了一些和視覺、聽覺及其他刺激分別密切相關的意識體驗腦區。最新的研究正在試圖區分大腦中彙報意識感知對象（例如「我看到了一張臉！」）和真正產生意識對象的區域。然而，雖說這個實驗非常有說服力，但是它的落腳點依舊不在意識的「真正問題」上。看到某個腦區在意識體驗中被激活並不能解釋為什麼這個區域的激活和意識有關係。因此，我們需要一個一般性的理論來描述大腦幹了什麼而不是它的什麼位置被激活了。

　　在19世紀的時候，德國生物物理學家赫爾曼·馮·赫姆霍茲曾預言說：大腦不過是一台預測機器，我們的所見、所聽、所感不過是它對輸入信號的最佳猜測罷了。如果這樣想的話，大腦就像被禁錮在顱骨內，所接收的都只是與客觀世界間接相關的，模糊不清充滿噪音的感覺信號。因此感知一定是一個推理的過程——通過把模糊不清的感覺信號與先前的預測或者對客觀世界的已有「信念」結合起來，來形成對輸入信號的最佳預測，比如我們對上面例子中的咖啡杯、電腦、白雲等的感知。我們所看到的只是大腦對外在世界的「最佳猜測」。

　　在實驗室和日常生活中都很容易找到預測性感知的例子。在一個濃霧瀰漫的清晨，如果我們要在公交站約見一位朋友，我們可能以為自己看到他在那兒，走近一看卻發現是另一個陌生人。如果我們想聽到一些單詞，哪怕是在嘈雜的噪音中也能「聽到」它們。甚至感知所需的最基本元素都是我們視覺系統編碼的無意識信念塑造的。我們的大腦已經進化出假設光照來自上方的能力，這會影響到我們對陰影中形狀的預測。

　　經典的感知觀點認為大腦是以自下而上、由外到內的方向加工感覺信號的：感覺信號通過接收器（例如，視網膜等）進入大腦，之後的每一步都伴隨著越來越複雜和抽象的加工過程。這種觀點認為，這種感知「起重機制」（指由簡單外界信號變成複雜感覺的機制）是通過從低級到高級的許多連接完成的。然而，亥姆霍茲的觀點顛覆了上面的觀點，他認為大腦從外界得到的信號，不過是大腦預期與實際狀態之間的誤差。感知是自上而下、由內向外的，由大腦內部的預期驅動，再到感覺表層，感覺是通過對大腦不同感覺系統獲得信息的加工，不斷更新大腦預期來最小化預測誤差完成的。這種觀點被稱為「預先編碼」或者「預先加工」，認為感覺只是一種可控的幻覺，大腦的預測一直受到來自外界世界和自身身體的感覺信號調控。正如心理學家克里斯·弗里思（Chris Frith）在2007年的《創造大腦》（Making Up the Mind）一書中所說，這是一種「與現實完全相同的幻覺」。

　　了解了這些有關感知的理論，我們可以轉過頭來思考意識的問題了。當務之急不是探尋哪個腦區與意識感知有關，而是應該思考：預測性感知的哪個方面和意識有關？現在一系列的實驗表明：意識更多依賴於感知預測而不是感知誤差。在2001年，哈佛醫學院的阿爾瓦羅·帕斯誇爾-里昂（Alvaro Pascual-Leone）和文森特·沃爾什（Vincent Walsh）在實驗中讓受試者看到由一系列小圓點組成的「雲朵」，並彙報他們看到的該雲朵的移動方向（也被稱為隨機點動態圖實驗）。他們利用經顱磁刺激儀特異性地干擾自上而下的視皮層，而自下而上的過程未受干擾，發現受試者對雲朵移動的感知消失了，這支持了被亥姆霍茲「推翻」的預測性感知機制。

　

　最近，我們實驗室正在研究關於意識感知預測機制的更多細節。利用上面提到的雙眼競爭方法所做的幾個實驗均表明，人們看到的是他們想看到的東西，而不是違反他們預期的東西。同時，我們發現大腦做出感知預測的腦波基本都屬於α節律（alpha rhythm）。α節律是一種10Hz左右的腦電波，它在大腦視覺區域表現的尤為明顯。這是令人興奮的結果，它告訴我們大腦是怎樣影響感知預期的。雖然α節律是一種眾所周知的腦活動，但是它的功能仍不明確，這個實驗結果為研究α節律找到了新思路。

　　「預先加工」也能夠幫助我們理解諸如精神錯亂、致幻劑引起的幻覺等不正常的視覺體驗。一般認為，當大腦忽視了外在輸入信號時，感知能力就會受到大腦主觀臆斷的非正常控制，從而導致了幻覺的產生。從簡單的線條、圖形、紋理等幾何錯覺到事物和人等複雜幻覺都可以解釋為不同腦皮層對「預先加工」預測的過度加強導致。由於它搞清楚了許多精神病癥狀的內在機理，這個研究有巨大的臨床意義。它不是像止痛藥那樣只緩解癥狀，而是像抗生素一樣，「治標更治本」。

　　在我們內心世界眾多的特殊感受中，有一項是非常特殊的，那就是你能夠感受到「你」的存在。我們對自我意識習以為常，因為它一直存在，並且我們通常可以感受到這種主觀存在（除非全身麻醉的時候）。然而，就像意識不是單個的一件事一樣，自我意識最好也要從大腦產生的一系列複雜機制方面去理解。

　　身體自我意識指的是擁有一個特定身體的體驗，觀點自我意識指的是從一個特定的第一人稱視角感知世界的體驗，意志自我意識指的是激勵自己做某件事或者促成某件事的體驗，而在更高的層面上還有敘事性自我意識和社會性自我意識：敘事性自我意識是自我意識形成的根源，它指的是一個獨一無二的人隨時間形成豐富的自我記憶的體驗，社會性自我意識指的是通過他人的感知反饋和特殊的社會環境所帶來的自我體驗。

　　在日常生活中，區別上面所提到的自我意識的各個維度是非常困難的。我們來到這個世界時就是一個統一整體，我們的身體體驗和我們過去的記憶以及自我意志緊密地結合在一起，所以心理學常用的「內省法」 （introspection，又稱自我觀察法，通常要求被試者把自己的心理活動報告出來，然後通過分析報告資料得出某種心理學結論）可能是一個無用的實驗手段。許多實驗和神經心理學案例研究表明，大腦一直在積極主動地控制和協調自我體驗的各個方面。

　　讓我們舉個關於軀體自我感知的例子。在非常著名的「橡膠手錯覺」實驗中，受試者被要求把精力放在假的橡膠手上，這時你的真手是看不到的。如果實驗人員持續用軟毛刷輕輕地刷你看不見的真手和假手，你會很神奇地感受到似乎假手就是你身體的一部分。這表明我們軀體自我感知有著令人驚奇的可重塑性，但也引發了新的思考：大腦怎麼判斷客觀物質世界中哪個部分是自己的身體，哪個不是呢？

　　

　　橡膠手實驗。

　　為了回答這個問題，我們可以借鑒其他感知形式類似的形成過程。像其他經典的視覺、觸覺等知覺一樣，首先大腦會基於事先的信念或者期待，以及已有的知覺數據做出「最佳預測」，在這個例子中，相關的知覺數據就包括作用於軀體的多種感覺，包括像視覺、觸覺這樣的經典知覺，以及軀體空間定位信號和血壓、胃張力、心跳等相關的身體內部感受信號。自我意識的體驗依賴於根據經典知覺以及與身體相關的內部感受器和本體（空間）感受器所做出的預測。因此，我們能夠感受到自己存在和擁有身體是一種非常特殊的「可控幻覺」。

　　我們實驗室的研究結果正好支持這個想法。在一個實驗中，我們利用增強現實（VR）技術重新設計了類似「橡膠假手」的實驗，以此來測試內部感受信號（心跳、血壓等）對軀體所有感的影響。參與者被要求頭戴VR眼鏡一樣的頭盔，注視著屏幕中他們正前方的假手。這雙假手通過編程式控制制，會以一定的頻率閃現淺紅色，有時候與受試者的心跳同步，有時不同步。我們預期的結果是當假手的變化頻率和心跳相同時，他們會有強烈的自我意識體驗，而最終的實驗結果也的確如此。其他的實驗室通過類似的方法對自我意識的其他方面測試也得到了相同的結果：當輸入信號和預期行動結果匹配時，我們會感受到假手或者其他東西更加真實，但是有時候「橡膠假手」類似的實驗也會失敗，比如許多精神分裂症患者因為大腦的預測加工過程出現異常，導致實驗失敗。

　　這些發現帶我們一路追溯到笛卡爾時代的哲學觀點。不過並不是「我思故我在」，而是「我猜故我在」。你我獨特的體驗，不過是大腦對於與自身相關的外界感覺信號的最佳猜測罷了。

　　故事到最後還有個轉折：預測模型不僅可以解釋感覺信號的起因，也可以改變感覺信息，以適應已存在的預測的方法（這就是所謂的「主動推論」），從而幫助大腦調控這些起因。說到自我意識，特別是它的深層表現形式的時候，有效的調節無疑比精確的感知更加重要。就像我們的心跳、血壓等生理因素一樣，我們只要控制它們在合理範圍內就行，並不用非得清楚具體的心跳是多少。這是我對自身身體的感知體驗與對其他客觀物質的體驗不同的地方。

　　讓我們回到笛卡爾的觀點。他認為沒了大腦，軀體不過是一個「獸性機器」，沒有任何內心世界。從他的觀點看，基本的生理學調控過程與大腦或者意識幾乎沒有關係。我卻不這麼認為。現在看來，自我意識體驗的基礎方面依賴於與我們血液、內臟等各種生理因素有關的預測性感知。我們擁有自我意識，因為我們都是「獸性機器」——一個持續關注自我存在的，裝在肉體中的「自我」。