解开意识之谜：无法回避的三大问题
解开意识之谜：无法回避的三大问题
人类对意识的认识遇到哪些关键挑战？本文论及当前意识研究中广泛争论的三个问题：
1. 神经科学研究能否回答“客观的脑如何产生主观意识”？
2. 意识的神经相关机制涉及全脑还是局部脑？
3. 意识是否是物质的一种普遍性质且可以度量？
自上世纪八十年代末以来，神经科学飞速发展，脑功能成像等无创性实验技术取得突破，在神经科学的基础上研究意识终于成为了可能。经过诺贝尔奖得主、英国生物学家克里克以及其他生命科学大师登高一呼，意识研究开始登上科学研究的中心舞台。
本文试图简要回顾人类在认识意识过程中所遇到的关键挑战，并选择目前意识科学研究中若干有争议的重大问题加以概述。
克里克（左）与科赫 （右）
古人朴素地把外界事物和我们的内心世界区分开，柏拉图在此基础上提出意识来自非物质的灵魂。到17世纪中叶，笛卡儿提出人有两类不同的实体：广延实体和思维实体，认为两者彼此独立但能够相互作用，而只有人才具备思维实体并由此产生意识。这种思想就是哲学上的二元论，即认为有物质和精神两种形式的实体。
二十世纪上半叶，行为主义在心理学及脑研究中占据主导地位，该方法只问刺激-反应，把一切内心活动均排除于科学研究之外。可是，内心活动确实存在，脑的高级功能离不开内心活动，采取鸵鸟政策决不是好的策略。此学派最终为认知科学所取代,后者认为内心过程是确实存在并起着非常重要作用的，内心过程也是可以研究的，是脑功能活动之产物。
《大英百科全书》在“意识”条目中指出：“英国哲学家洛克把意识定义为‘知觉到一个人自身内心正在发生些什么’的心理状态。”这可能也反映了一般人对意识的常识性了解。不过，这里用来定义意识的“知觉”、“内心”和“心理状态”,并不比“意识”更容易定义，因此上述定义不是一个适合实验分析的操作定义。关键问题是：意识作为一种主观现象，是怎样从客观的脑里产生出来的？为什么有些脑过程伴随有意识而有些则未伴随？意识的作用是什么？其他动物甚至机器有没有意识？包括克里克在内的一些科学家认为，操作定义的困难不应成为阻碍研究意识的理由。但伴随着意识研究的每一步进展，下面三个问题始终是不同学者争论的焦点。
英国科学作家布莱克莫尔为了搞清楚意识研究的现状，访问了21位意识研究的领军人物。在向所有的专家采访时，她都首先提出一个相同的问题：
绝大多数专家认为，意识问题的独特困难在于，要解释脑内的物理过程怎么导致主观体验。澳大利亚哲学家和认知科学家查默斯将此称为意识研究中的“困难问题”，而把通过研究神经过程来解释与意识有关的行为或各种具体功能称为“简单问题”。自然科学研究的一般是客观实体，而要尽量避免研究者的主观意见，但意识研究恰恰涉及主观体验本身。现在还没人能够回答“困难问题”。
少数科学家如美国神经哲学家丘奇兰夫妇、法国心理学家奥里甘和美国哲学家丹尼特主张脑活动就是体验。不过这实际上只是回避了“困难问题”，他们的说法并不能解释一个事实，即并非所有脑活动都是有意识的。事实上，脑活动中有一些过程是有意识的，而大部分过程则是下意识的。例如，我们不能觉察（或者说觉知）自己的视皮层如何检测边缘或尖角，尽管在初级视皮层中确实有神经元或神经回路在检测它们。我们无法觉察自己的脑怎样构造出符合语法的句子，但是能觉察自己要表达的意思。
因此，脑活动过程和意识过程之间必定是有区别的。这意味着有些脑细胞或脑区或有些类型的神经活动，“创造了”或“引起了”或“产生了”有意识的体验，而其他脑细胞或脑区或神经活动则否，因此把意识等同于脑活动似乎难以服众。说意识是高度组织化的神经元集群的突现性质虽有些道理，却依然没有回答“怎样会产生”和“这种突现性质为什么会是主观的”这两个关键问题。
过去几十年特别是近年来，神经科学的飞速发展使我们对脑有了更深刻的认识，也逐渐认识了脑功能的许多机制，例如视觉、学习和记忆、情绪等，这样就鼓舞了许多科学家，包括克里克、科赫、丘奇兰夫妇、德阿纳和丹尼特，相信随着神经科学的进一步发展，最终也能揭开意识之谜，包括意识的“困难问题”。他们的一个论点是，在20世纪50年代以前人们还不相信能够揭开遗传之谜，但是沃森和克里克对DNA双螺旋结构的研究使这问题的答案在今天成为常识。德阿纳在2014年出版的新作《意识与脑——破解脑如何编码我们思想的奥秘》里说：意识的困难问题“之所以看上去困难，只不过因为受到一些模糊不清的直观想法之累”，而当“认知神经科学与计算机仿真教导我们认清了这种直观想法时，查默斯的‘困难问题’也就烟消云散了”。尽管德阿纳新著广受好评，不过他的这一观点也饱受批评，许多人不满意他在此问题上寥寥数语一笔带过，难以服众。与他们相对立的一些科学家如彭罗斯、查默斯以及美国哲学家瑟尔等人则认为，虽然能用神经科学方法解决上述这样意识的“简单问题”，但有关意识的“困难问题”依然悬而未决。
笔者的想法是，德阿纳的工作确实在认识脑如何产生意识的问题上前进了一大步，但是知道知觉（意识）的神经机制和真正体验这种知觉（意识内容）是两回事。这可以用美国神经科学家巴里的亲身体验来说明。巴里生下来就是对眼，两眼不能协同工作，所以她实际上总是下意识地快速交替使用一只眼来看东西。这样，除非把东西放到她鼻尖附近，她就没有任何双眼视差。不过她可以利用单眼线索判断远近，因此在日常生活中，正常人能做的事她也都能做。美国著名神经病学家萨克斯有一次问她能否想象立体视觉的感受如何，她回答说应该能够做到。要知道她本人是一位神经生物学教授，读过休伯尔和维泽尔的文章，还读过许多有关视觉信息处理、双眼视觉和立体视觉的材料，因此觉得这些知识使她洞烛自己所缺。她认为尽管从未体验过立体视觉，也一定会知道这种知觉是怎么回事。在事隔9年之后，她写信给萨克斯说：
您问过我能否想象用双眼看东西的感觉如何，而我告诉您我想自己能做到这一点……但是我错了。这是因为在不久之前经过治疗后她才真正有了双眼视觉。她回忆起当时的感觉：
我回到车里，正巧看着方向盘，方向盘一下子从仪表板处跳了出来……我看了一眼后视镜，它也从挡风玻璃处跳了出来。”她惊叹道：“绝对是一种惊喜，真无法想象之前我一直缺少的是什么。”“这个早上当我带了狗去跑步时，我注意到灌木丛看上去不一样了。每片叶子看上去都屹立在它自己那小小的三维空间中，叶片不再像我以前一直看到的那样重叠在一起，我可以看到在叶片之间有空间。树上的枝条、路面上的鹅卵石、石墙中的石块也无不如此。每样东西的质地都丰富了起来……
她在信中描写了所有这些对她说来全新的体验，都是之前她无法想象或推断得出的。她发现没有东西能代替自己的体验。
其实查默斯也有过和巴里类似的经历，深知真有深度知觉的主观体验跟只是理论上知道产生深度知觉的神经机制完全是两回事。他认为目前能够做的是探讨两者之间的相关性，例如当主体有某种颜色知觉时，研究脑内有哪些过程正在进行，而最终目标是解释这些过程怎样导致相应的主观体验。他认为意识观念不可能还原成用更基本的概念来加以解释，这就同物理学中的时间、空间、质量和电荷等概念一样。查默斯直截了当地声称“意识是不可还原的，它是基础性的，是世界的基本属性”，尽管这并不意味着意识无所不在。我们所能做的是承认意识是一种基本属性，然后研究有关第一人称的主观体验的数据和第三人称的客观物理性质数据之间的关系所服从的规律，最后或许能得出一组这样的规律，就像物理学的基本定律一样。因此，他认为意识研究的“困难问题”不可能以现有的理论来解决，而需要新的理论。也有人认为，要解决意识问题须从量子层次开展研究，不过多数神经科学家并不认同这种观点。
对查默斯理论批评最激烈的是美国神经哲学家P.S.丘奇兰，她认为所谓“困难问题”是伪命题。她认为仅靠沉思默想就决定一个问题是“困难”还是“简单”只是一种夸大了的自我欺骗。她举例说，曾经有段时间人们认为蛋白质折叠是简单问题，而亲代如何把信息传给子代则是困难问题，然而后一问题在上世纪50年代就解决了，蛋白质折叠问题却至今未解决。她和丈夫P. 丘奇兰举出科学史上许多在还未认识时被错误地认为解决不了的问题，最后都一一得到了解决，以此为例论证意识问题也只是暂未解决而已，和其他还未解决的科学问题并无二致。他们认为，一切主观体验特性都是由脑内特定脑区中特定神经元群的特定活动模式产生的，主观体验特性和产生它们的脑过程不过是同一枚硬币之两面而已。
除了丘奇兰夫妇之外，当代意识研究的许多领军人物如克里克、科赫、英国心理学家格雷戈里等反对查默斯“困难问题”之说的一个主要论据都是从科学史上找出例子，说明原来被认为无法解释的现象（比如生命和无生命之间的区别），在经过深入研究后其机理都一一得到了阐明。因此，现在还没有解决不等于极少可能或根本不可能解决。德阿纳的工作在这方面又前进了一步，表明当刺激被意识到时，脑活动中表现出明显的特殊印记，这些印记可用特定的脑机制来加以解释。因此，这种“进入意识”的主观现象是可以用客观的脑机制来加以解释的。而且他通过对病人脑采用经颅磁刺激和电刺激的研究，说明刺激特定脑区能引起意识，因此不只是相关还具有因果关系。他的工作无疑是这方面的一个突破。
不过笔者还是认为，意识的印记并非意识本身，意识印记依然是客观的脑过程。他们在这样说时都回避了查默斯提出的一个主要问题，这就是主观性本身究竟怎么回事。他们有点类似巴里在恢复立体视觉之前的情形：即便他们真的都研究清楚了产生意识的神经机制，但这并不能解释巴里在重获立体视觉之后产生立体感时的无法言传的体验。回避这一根本区别，就使他们的论据显得苍白。德阿纳认为，随着对意识神经机制研究的深入发展，这问题也会像当年生命研究中的活力论那样自动烟消云散。他认为主观体验特性、脱离了信息处理作用的纯内心体验，都只不过是些假设出来的概念，就像活力论那样只是前科学时代的臆想。他认为就像分子生物学最终粉碎了活力论一样，意识科学也会使“困难问题”越来越立不住脚而最终烟消云散。尽管这样，对于意识的主观性是否像有关生命现象的活力论那样只是个伪命题，怎样说明巴里的“我错了”反而错了，目前下断言还为时过早，时间和实践将作出最后结论。
一种观点是，每种意识体验是由全脑的神经元通过同步活动形成协调一致的集群而突现的性质；另一种观点是，意识体验是由一些特定脑区的特定神经元集群以特定方式活动而突现的。2007年科赫和英国生理学家格林菲尔德之间的公开论战可作为这方面的代表，格林菲尔德持前一种观点，而科赫持后一种观点。
科赫认为，参与对某一觉知意识的神经相关机制，可能是由一些锥体神经元的集群构成的。当脑接收视觉刺激时，首先是脑后部的神经元对视觉刺激表征进行处理，然后投射到脑前部，在那里执行预测和计划的功能。当人对某个视觉刺激加以注意时，这些集群会得到加强，其中神经元的活动增强，同步性也增大。它们的信号在脑的前部和后部之间来回传输，最后在和其他集群的竞争中胜出。但这种“胜出”是动态的，在下一时刻随着注意的转移就可能有另一集群胜出，而形成其他的意识内容。所以在科赫看来，不同的意识体验是由特殊的一些神经元集群所介导甚至产生的，而不是在含有大量神经递质的环境中大群发放神经元之整体性质。对于神经活动是否产生意识，科赫强调这些活动在质上而非量上的区别，认为这正是他与格林菲尔德之主要分歧所在。
格林菲尔德的观点可以总结为“意识是由脑整体功能在量上的增大所产生的。”她说：“我的基本假设是，对意识来说，并不存在有哪种特定的脑区或是特定的神经元集群具有某些内在的奇妙特性……一种可能性更高的观点是，意识并非由脑内某种特殊性质产生的，而是由脑整体功能在量上的增加所产生。当脑（的活动）增加时，意识也增强了。”她认为意识的程度随时都在变化，而任一时刻神经元集群中活跃的神经元数也和意识程度相关。她以麻醉对意识的影响为例，来支持她的论点。
科赫用闪现遏制非难格林菲尔德的观点。他和学生让受试者的一只眼睛（例如右眼）看一张恒定的但不是那么清楚的满脸怒气的灰色人脸，然后给另一只眼睛投射不断变化着的彩色马赛克图案，这时受试者对人脸的知觉就完全受到了遏制。此种遏制可以持续几分钟之久，不过要是让受试者眨眨左眼，他还是可以看到这张脸的。初级视皮层中有大量神经元集群对来自左眼的刺激有猛烈发放，但它们对意识毫无贡献。他认为这是格林菲尔德把大群神经元协调一致的活动作为NCC的理论所解释不了的。
格林菲尔德对科赫的批评是：跟其他的脑区和神经元比较起来，科赫没有说明他所谓同意识相关的特定脑区和神经元究竟有哪些特殊性质。她认为科赫把不同的意识觉知归于特定的脑内连接是“21世纪的颅相学”。她还认为科赫过于强调大脑皮层对意识的重要性，但是某些鸟类也有意识，尽管它们根本没有大脑皮层。她认为不能把意识分成许多不同的、彼此平行的体验，各种感觉之间会相互影响。她认为科赫所举的反驳她的例子，只能说明意识的内容而不是意识本身。
也许在这场争论中，两人强调的是意识的不同方面，科赫强调的是某个时刻意识的具体内容，而格林菲尔德则强调了整个意识状态，这两者是有区别的，尽管如何确切定义后者依然是个问题。
埃德尔曼也不同意把意识的神经相关机制限定于某个特定脑区或者具有某种特性的神经元活动。虽然他也用了类似NCC的概念，但是他认为，产生意识至少需要大脑皮层-丘脑系统和脑干网状结构的联合活动，而不只是大脑皮层中的某些特定区域。他更强调意识的全局性质，认为把意识归结到特定区域和特定神经元的特定模式活动，是犯了一种“范畴性错误”，也就是要事物具有它所不可能有的性质。他认为正确做法是研究所有的意识过程有什么共同特性，意识在什么条件下才会产生，然后研究什么样的神经过程也具有类似的特性，由此提出假设说明，什么样的神经过程对产生意识有贡献。在他看来，意识的最显著特性是整体性和信息性（高度的复杂性，也称为分化性）。他甚至提出刻画这两个特性的定量指标，从而为定量研究意识程度提供了可能。科赫认为他的理论过于注重意识的全局性。
德阿纳的“全局神经工作空间”理论认为，意识就是在整个皮层中广泛扩播而被共享的全局信息。这种扩布发端于一些有长轴突的特殊大神经元，这些神经元的轴突散布到脑各处，从而把脑整合为一个整体。它们构成了他所谓的全局神经工作空间，并和感知觉系统、长时记忆系统、评估系统、注意系统以及运动系统息息相关，同时使这些系统得以通过这一平台随时交换信息。脑内有许多局部处理器，每个局部处理器都专门执行某类操作。全局工作空间则是一种使局部处理器能够灵活分享信息的通讯系统。在任何特定时刻，工作空间都选定由某些处理器组成的子集，建立它所编码信息的协调一致的表征，在内心保持一段时间，并扩布回几乎所有的其他处理器。当它们的活动同步化成大规模的全局通信时，就会触发一阵高强度活动，由此进入工作空间的信息就被意识到了。在他的这些想法中，有关全局神经工作空间的组成以及意识到的内容的动态变化，倒是跟科赫的看法不谋而合。因此，这些看似水火不容的观点，在经过争论之后说不定最终也会互相取长补短和达成共识。
德阿纳的全局神经工作空间理论的图解表示。图中小圆表示局部处理器。（图片引自参考文献）
大家都肯定我们自己是有意识的，而且由于其他人在类似情况下表现出和我们自己类似的行为，因此相信别人也是有意识的，进而推断我们的灵长类近亲有某种程度意识。这样就自然产生了一个问题：
人们曾经认为只有灵长类才有意识，但是以后发现大象和海豚等动物也知道照镜子除去自己身上不能直接看到之处的杂物，说明它们已经有了自我意识。许多人也相信猫、狗等宠物是有意识的，这样就把有意识动物的界限划到了哺乳动物。但是以后又发现，鸦类也能通过镜子测试，尽管它们没有大脑皮层。这样有的人就把这种界限划到了鸟类甚至爬行动物。然而如何判断一个对象有没有意识，除去测试自我意识的镜子测试外，没有其他的客观测试方法。反之，通不过镜子测试未必能说明受测试者没有意识。因此，如何判断动物是否有意识，及其意识的程度，甚至智能机器是否有意识，就成了争论不休的问题。
托诺尼在他和埃德尔曼的合作基础上，于2004年提出了一种“整合信息理论”且不断加以修正。科赫对此表示认同，他把整合信息理论称为“有关意识的唯一一个有希望的基本理论”。
托诺尼认为，要想形成主观的感知觉体验，脑必须把输入的感觉信号和储存在记忆里的信息整合起来，才能形成有关世界的协调一致的图景。问题是怎样把这种直观的想法精密化，为此他提出了有关意识的五条基本性质作为不证自明的公理，不过其核心依然是他在和埃德尔曼长期合作中所形成的有关整体性和信息性的思想。关于如何评价意识程度等的理论研究就从这些公理出发，再通过实验和观察来检验这样得到的研究成果是否与实际情况相符。
按这一思路，研究意识首先从承认意识的存在出发，然后总结大家公认由意识表现出来的基本特性作为不证自明的“公理”，接着就跟欧几里得从几条无需证明的公理出发研究欧氏几何一样。这些公理包括：存在性、结构性、信息性、整体性、排他性。
结构性是说，意识的内容有一定结构，其中有许多不同方面。例如对眼前景物，我们可以同时意识到其中有许多不同颜色、不同形状、处于空间不同部位的内容等。
信息性也就是埃德尔曼和托诺尼早就一再强调的分化性，即在任一时刻，意识所体验到的都只是无数可能场景中的某一特定场景，而排除了所有其他与此不同的可能性。
整体性也是埃德尔曼和托诺尼一再强调的。每个体验都是统一、协调一致的整体，而不能分解成许多相互独立的成分。例如当看到一个红色三角形时，“我”体验到的就是一个红色三角形，而不会同时体验到一个没有颜色（或灰色）的三角形和一种无所附着的红色。意识的整体性源自脑内相关部分之间复杂的相互作用。
排他性是指意识无论就内容、时空尺度来说都是确定的，不会同时有多个体验、或者以不同的速度展开内容多少有所不同的多个体验。
站在这些公理的基础之上，他们认为，如果一个系统要有意识的话，那么这个系统就必须具备和上述公理相应的性质，它应该是一个有极大量可能状态的统一整体，为此有关脑区之间必须有交互作用。一旦这些脑区之间开始失去连接，或者其组成部分失去特异性，意识就会消退，这就分别是在深睡或麻醉和癫痫发作时的情形。意识的程度可用该系统超越其各组成部分所含信息量的信息量来度量，他们把这称为“整合信息”，并用符号Φ来表示，以度量一个系统不能被还原或简约为其组成部分在互不相关时所具特性的程度。所以，有高Φ值的系统必定是由一些各具特异性的部分所组成、然而又高度整合在一起的系统。
他们希望用这样一个量来度量意识的程度。确实，它也能解释一些问题，例如小脑虽然神经元比大脑皮层还多，却没有意识，这是因为小脑各个模块之间缺少像大脑皮层各脑区之间的复杂双向联结，因而Φ值低。相反，丘脑－皮层系统内部有着大量双向的相互联结，因此被认为是NCC的可能所在地。不过当深睡和癫痫大发作时，大脑皮层各部分的活动高度同步，缺乏特异性和信息性，其Φ值也低，在这种情况下即使丘脑－皮层系统也没有意识，或者说意识程度很低。
最近切鲁洛和科尔定对托诺尼的理论提出了批评，尤其对他把整合信息与意识等同起来的说法不以为然。他们指出：
如果没有进一步的论据，不能认为信息排他性是不证自明的，也没有理由认为整合信息会产生（或者就是）意识（换句话说，整合信息对意识来说还不充分）。就算意识排他性是正确的，最多只能讲整合信息对意识是必要的，但并不充分。
其他人也对托诺尼的理论提出过批评。在2014年的意识科学会议上，托诺尼做了相关报告，布洛克（N. Block）举手发言说：“你提出了某种理论，我只是不太明白这讲的究竟是什么。”切鲁洛认为这一理论其实是某种泛体验论（即认为任何东西都有体验的一种学说）。纵使这种理论是正确的，它对帮助我们认识或预测自己主观体验的那种意识也毫无用处。
在笔者看来，托诺尼的五条公理中，前两条非常泛泛，对任何稍复杂一点的系统都成立，排他性和信息性很难区分，所以托诺尼的五条公理，其实核心部分还是埃德尔曼的整体性和分化性两条。尽管意识表现出这两个性质，但是许多别的系统也有这种性质。科赫曾经批评这可能沦为现代版的泛灵论，不知道他为什么从这一立场后退了。因此，笔者也认为他们的五条“公理”只给出了存在意识的必要条件，他们所定义的Φ值只适合刻画有意识程度的某些方面。上述指标完全没有涉及意识的主观性和私密性这样最关键的特性，也看不出主观性和私密性如何能从整体性和分化性里突现出来。如果他们提出的五条公理并不是存在意识的充分条件，那么即使某个系统有非零的Φ值，它也未必具有某种程度的意识。
笔者还以为，期望通过制定一些定量指标来全面描述意识的所有方面，这是一个不可能完成的任务。当然，Φ值可能给出了度量意识某方面的定量指标，这一理论尝试用一种新的、严格的、同时采用数学和经验的方法去探索心身问题的新途径，这还是值得人们关注和深入探讨的。其他人则曾试图从意识的其他方面来定义测量意识程度的定量指标，例如格林菲尔德试图用麻醉程度的深浅来度量意识程度。这存在同样或甚至更大的问题，因为麻醉并非一种自然状态。不管怎么说，这些探索在我们开始进行意识研究的长征时都是有意义的，只不过对它们的局限性须保持清醒的认识。
推而广之，埃德尔曼和托诺尼所遵循的通过研究意识一般性质以探明意识机制的研究路线，都存在着类似问题。尤其在回避了意识主观性和私密性问题的情况下，任何从现象中提取出来的“公理”体系都难以保证产生意识的充分条件得到满足，尽管现在还不能排除：主观性和私密性可能都只是高度有组织的、包括大量具高度特异性组成部分的系统之突现性质，而无须作为意识的前提条件。
意识问题的关键独特之处在于意识具有主观性。这种主观性能否以及能在何种程度上与生理的、行为的指征相联系，决定了实验科学对意识可达到的探究程度。
关于脑内信息怎样整合才会产生意识，德阿纳的全局神经工作空间理论是一个很有意义的尝试，不过他的理论似乎仍难于解答意识的主观性之谜。仅仅把意识的某些性质（即使是重要性质）当作意识的全部性质而加以公理化，恐怕难以从根本上解决问题。当然，这样的做法对于从某个角度刻画部分意识程度，尚有一定意义。某个时刻意识的具体内容和整个意识状态之间的关系也是一个有待研究的问题。
总之，意识的科学研究正在发展之中，而上述争论对这方面的研究是一种推动力量。也只有回答了上面三个问题，才可以说意识之谜最终被揭开了。