人們是否已經揭開了意識之謎?

圖片 Image copyright Emmanuel Lafont

龍蝦能像人類一樣感知到疼痛嗎?

我們已經知道,龍蝦和人類一樣具有傷害感知系統。人類有這種特殊的「傳感器」,因此在受傷時會畏懼退縮、或哭泣。人們觀察龍蝦後,發現這種動物也能夠感覺不適。比如,一旦被廚師扔進了滾水中,龍蝦就會蜷縮尾巴,好似痛苦不已。

然而,這當真是它們「感覺」到了嗎?或僅僅只是條件反射呢?

人類一個簡單的動作,背後是大腦中一系列複雜的意識經驗。我們不能假設其他動物也會有這樣的意識——尤其是大腦結構和人類大不相同的動物。但也不無可能,有些科學家甚至認為,連龍蝦這種和沒有任何內部經驗的物種,也許都能產生意識。

威斯康辛麥迪遜大學(University of Wisconsin-Madison)的神經科學家托諾尼(Giulio Tononi)說:「比如說狗,行為方式更接近人類,身體結構也與人類更加相像。狗與人類的大腦結構也差得不遠,因此犬類也有內部經驗,它們看東西、聽聲音的方式和人類是一樣的,也就合乎情理。但要說龍蝦也能這樣,就很難讓人信服。」

意識研究的眾多難題之中,就有這麼一項:大腦構造如果和人類的大不一樣,是否還能夠產生意識?其它的難題還包括,人類大腦中的意識是從什麼時候開始產生的?為什麼會產生這樣的意識?有朝一日,人工智能是否能實現這樣的感知?

托諾尼或許能解開這些謎題。他提出的「整合信息理論」是近幾年來最激動人心的意識理論之一。雖然該理論目前尚未被證實,但是其中一些假說,是能夠用實驗驗證的。我們很快就能知道該理論是否正確。

Image copyright Emmanuel Lafont
Image caption 龍蝦是否有內在意識、它們的行為是否只是純粹的反射,目前還沒有辦法來驗證(Credit: Emmanuel Lafont)

托諾尼表示,早在青少年時代,他便「以青少年的專注」專攻倫理和哲學。他說:「那時我意識到,弄清楚什麼是意識、知道意識是怎樣形成的,是我們了解宇宙中人類的地位、知道如何對待自身生命的關鍵。」

那時,他還不知道該選擇什麼樣的道路來追尋這些問題的答案,是該選擇數學嗎?還是哲學?最終,他選擇的是醫學。臨牀經驗的積累使他迅速成熟起來。他說:「獲得第一手的神經學和精神病學案例,是一種很特殊的體驗。我必須要直面失智或半失智的病人,看看他們那時候的狀態。如果不是親眼所見,是很難想像出來的。」

過去,托諾尼發表的研究成果中,廣為認可的反而是在睡眠領域,內容更具開創性,這一領域內的爭議也更小。他說:「當時,人們幾乎不討論意識。」即便如此,他也沒放棄對意識問題的思考,終於在2004年,托諾尼發表了意識理論的第一篇文章。後續不斷擴展和完善了這一理論。

文章開頭是一組廣為認可的公理,給意識下了定義。托諾尼提出,意識經驗是需要精心安排的。打個比方,一個人環顧四周,會對周圍物體之間的相對坐標有所了解。意識經驗也是一個具體的概念,個體之間也「有所區別」。根據狀況的不同,會有不同的意識經驗產生。也就是說,意識經驗有許許多多種。除此之外,意識經驗具有集成性。當人們看到桌子上的一本紅書時,雖然剛開始,我們會將其外形、顏色、所在位置分開處理,但是在同一個經驗中,這幾項屬性最後也會被集成、整合到一起。大腦也會通過其他的感官整理信息,就像伍爾芙(Virginia Woolf)所言「[這些印象]像無數原子一樣,從四面八方紛至沓來」,而大腦會將之整合到同一個時間和地點之中。

根據這些公理,托諾尼提出,我們能夠從「信息整合」的水平上識別出一個人(或動物、人工智能)的意識,意識很可能就藏在大腦(或電腦的CPU)裏。他的理論認為,單一經驗中所需要感官共享和處理的信息越多,意識的水平就相對越高。

Image copyright Emmanuel Lafont
Image caption 托諾尼的理論認為,意識誕生自信息處理的過程(Credit:Emmanuel Lafont)

要理解托諾尼理論的實際意義,我們可以把大腦的視覺系統類比成數碼相機。相機能夠以像素為單位,捕獲照射到圖像傳感器上的光——捕獲的總信息量顯然是巨大的。而像素之間不能夠互相「交流」、也不能共享信息:每一個像素負責獨立記錄場景中某一小部分的信息。如果相機沒有集成功能,那麼就無法獲得完整的照片。

和相機一樣,人類視網膜上有許多傳感器,能夠單獨捕獲場景中的某一微小元素。隨後,大腦中的其他部分會收到這一共享信息,並且開始處理。大腦中,有的部分是負責處理色彩的,能夠從原始數據中提取出光照水平。如此一來,在不同光源之下,我們就都能辨別各種顏色。還有的部分會檢查物體形狀,或許還能夠推測出畫面中被遮擋的部分——假設有一本書,前面被咖啡杯所遮擋,大腦還是能推斷出書的整體形狀。隨後,大腦的這兩部分會將處理後的信息進行整合,再進一步傳遞到大腦的其他部分,以便與其他信息整合。最後就成了我們的意識體驗。

記憶的形成也是這樣。和相機裏存儲的照片不同,記憶中的意識體驗是相互聯繫的。不同意識體驗之間的組合和關聯,形成了各種有意義的故事。人們做了一件事情,就會將其和先前的經歷聯繫在一起。這也就是為什麼吃一個瑪德琳蛋糕可能會勾起我們的童年回憶,因為意識體驗是相互聯繫的。

至少理論上來說是這樣,許多醫學觀察和實驗結果也不與之相悖。

2015年發表的一項研究,對異丙酚麻醉和氙氣麻醉後的人類大腦進行了檢查。為了驗證大腦的信息整合功能,研究小組在參與者的頭皮上方設置了一個磁場,以刺激大腦皮層的特定區域。這種無創技術叫做經顱磁刺激技術(Transcranial Magnetic Stimulation, TMS)。測試者意識清醒時,他們大腦的不同區域都會對TMS做出響應,產生一系列複雜的波動。托諾尼認為,這就是不同神經元之間進行信息集合的標誌。

在進行異丙酚和氙氣麻醉後,測試者的大腦則不會對TMS產生任何反應——相比意識清醒時,此時的腦波形式更加簡單。這兩者能夠改變大腦的神經遞質水平,「破壞」大腦的信息整合功能——這一結果,恰好與實驗參與者的完全昏迷相對應。彼時,他們的內在經驗是完全空白的。

藥物致幻

為了進一步對比,還設置了一個實驗組,是使用了氯胺酮麻醉的。人們在使用這種藥物後不會對外界做出任何反應——因此它也是麻醉劑的一種。與異丙酚、氙氣麻醉後完全空白的內在經驗相反,許多患者表示,氯胺酮麻醉後會做很多不切實際的夢。托諾尼的團隊也發現,這一組實驗人員的大腦對於TMS的反應相比先前的麻醉組更加複雜,這就說明他們的意識狀態發生了改變。雖然,氯胺酮也能切斷個體和外界之間的關聯,但個體的意識並沒有歸於空白,還徜徉在各種幻想出來的夢境之間。

Image copyright Emmanuel Lafont
Image caption 意識問題仍然是科學界最大的謎團之一(Credit: Emmanuel Lafont)

在研究了睡眠的各個階段時,托諾尼也發現了類似的結果。人們在在非快速眼動睡眠(non-REM;淺層睡眠)期間的夢少——對應TMS相對簡單;REM睡眠(深層睡眠)期間經常會出現夢中意識,此時大腦的信息整合水平更高。

托諾尼說,實驗並沒有「證明」他的理論,但讓他知道工作方向是正確的。「如果實驗結果和理論相左,就真的麻煩了。」

托諾尼的理論也符合各種腦損傷患者的實際情況。小腦位於腦的底部,呈粉灰色核桃狀,其主要功能是協調運動。小腦中的神經元數量是大腦皮層(大腦表面的樹皮狀組織)的四倍,佔到了整個大腦神經元數量的一半。有人沒有小腦(天生沒有小腦,也有的是因腦損傷而切除),但還是能夠進行感知。這部分人的生活「正常」,長壽,也不曾有意識空白。

如果認為意識經驗僅和神經元數量有關,那這些案例是完全沒有意義的。從托諾尼的理論來看,小腦主要負責內部的信息處理,信息的交互和集合較少,也就是說在意識的產生過程中作用較小。

測試大腦的TMS反應,也能夠檢測意識狀態,幫助無法交流的患者和植物人——這一發現對於臨牀醫學有著潛在的深遠影響。

Image copyright Emmanuel Lafont
Image caption 可以利用整合信息理論預測計算機能否具備意識(Credit: Emmanuel Lafont)

誠然,大膽的假說需要確鑿的驗證——科學界鮮有比意識之謎更深刻的問題了。

托諾尼目前的驗證方法,只是提供了驗證大腦信息整合作用的一個「測算替代物」。要真正證明該理論的價值,還需更加成熟的工具,能夠以更加精確的方式、推算出大腦的各種信息處理過程。

加州大學伯克利分校(University of California Berkeley)的神經科學家托克(Daniel Toker)表示,信息整合是意識不可或缺的過程。對很多科學家來說這是「顯而易見」的,但目前的憑據還不夠充足。他說:「領域中有一個更廣為認同的觀點,即這個想法挺有趣的,只是完全沒有被驗證過。」

歸根溯源,還是數字計算的問題。使用先前技術時,如果要將神經網絡中節點的數量考慮在內,計算單一神經網絡中信息整合所耗費的時間就呈「指數」增長。也就是說,即使採用最尖端的科技,計算時間也是成倍於宇宙存在時間的。然而,托克近期發現了一條捷徑,能夠在幾分鐘之內獲取計算結果。他已經在一批獼猴身上測試過了。這一發現,或能夯實托諾尼的理論,為其實驗基礎打下堅實的第一步。托克說:「我們真的剛剛起步。」

在此之後,人們才得以慢慢回答一些真正重要的問題,比如,比較不同結構的大腦。托克認為,即使托諾尼的理論最後沒有被證實,也至少推動了其他神經科學家的思考,讓他們得以用更加數學的角度去看待意識的問題——或許對未來新理論的誕生有所幫助。

如果整合信息理論最後被證實了,很多事情會隨之改變。這一理論能夠影響的,遠不止神經科學界和醫學界。比如,如果能證實龍蝦等生物確實存在意識,將對動物權利保護有變革性的影響。

該理論還能夠解答長期以來人們對於人工智能的困惑。在托諾尼看來,如今的計算機基本構架(晶體管網絡),構不成信息集成的產生水平,更不用說產生意識了。因此,即使程序設定人工智能可以像人類,也絶對不可能有像我們那樣豐富的內在世界。

托諾尼說:「有些人認為,電腦的認知水平很快能夠在方方面面趕上人類,而不僅僅是在圍棋、象棋,或是人臉識別、駕駛汽車方面。但是,如果整合信息理論是正確的,那麼人工智能的行為能完全複刻人類,也許[甚至]可以與之進行交流。這或許收獲頗豐,有可能比人類之間的對話收獲還要多。但即便是這樣,它們也並不是人。」這就又回到了人工智能是否會自發行動的問題,根據托諾尼的理論,答案是否定的。

他強調說,這不僅關乎計算能力或軟件類型:「計算機的物理構架大同小異,任何構架都無法產生意識。」所以謝天謝地,《人類》和《西部世界》劇集中的道德困境永遠不能成為現實。

這一理論也能夠讓我們了解人類的互動模式。麻省理工學院集體智慧中心主任、《超級大腦》(Superminds)一書的作者馬隆(Thomas Malone)近期將這一理論應用在了各種團隊中——有實驗室搭建的臨時團隊,也有現實生活中的團隊,其中甚至有一組維基百科的編輯。實驗證明,如果掌握了團隊成員的整合信息,就能夠預測出這個團隊在各種任務中的發揮狀態。現在看來「群體意識」這一概念還只是草圖,但在馬隆看來,托諾尼的理論有助於我們理解為什麼有時候人們會像一個整體一樣去想、去感知,甚至連記憶、決定和反應都是統一的。

他提醒道,如今尚只是一個大膽的猜測:第一,必須證明信息整合是個體具有意識的標誌。「但是我認為,其中暗含群體意識存在的可能,也非常有意思。」

目前我們還不能知道龍蝦和電腦是否能有意識,一個社會能否有群體意識。但是,在未來,托諾尼的理論或許能夠幫我們理解完全不同於人類的「思想」。

請訪問 BBC Future 閲讀 英文原文

相關主題內容

更多有關此項報導的內容