意识的科学研究途径

意识的科学研究途径　来源：光明日报　　物质、生命、宇宙与心智，一直是纯科学研究的四个本源方面的探索问题。到了21世纪的今天，有关前三个方面的探索，已经各自建立了基本的科学理论体系，但在心智方面，我们却连解释理论也没有，对微观的神经活动如何产生宏观的认知行为知之甚少。正因为这样，20世纪80年代之后，科学界把心智奥秘的揭示看作是科学研究，特别是纯科学研究要攻克的最后一个堡垒。于是，围绕着揭示心智奥秘的脑科学、认知科学、智能科学等从不同角度来进行探索的学科应运而生。而所有这些学科的探索研究，都无法回避的一个共同棘手的问题，就是意识现象问题。毫不夸张地讲，意识问题是心智研究堡垒中的堡垒。　　意识的科学研究趋向　　意识作为科学研究的对象，肇始于20世纪初的实验心理学。我们知道，20世纪初，由于心理学开始从传统的哲学研究中分离出来，意识问题也成为心理学的重要研究对象。特别是德国心理学家冯特创立了实验心理学，使用科学内省方法研究意识问题，很快成为心理学研究意识问题的主流。遗憾的是，随着后来美国心理学家华生为代表的行为主义心理学派的崛起，由于对意识本身无法进行行为定量研究，因而意识问题也一度遭到冷遇。只是到了20世纪50年代，与计算机科学相结合的心理学信息加工学派得到蓬勃发展后，意识问题才开始受到认知心理学的关注。但由于技术和方法上的局限，依然没有从根本上得到应有的重视。　　到了20世纪90年代，国际学术界开始把意识问题作为自然科学多学科研究的重要领域之一，并日益受到自然科学家的重视。1994年4月在美国召开了关于意识问题的第一次科学会议（TowardaScienceofConsciousness），与会的300多名代表来自神经生物学、认知心理学、计算机科学、人工智能及机器人等不同领域，从此拉开了意识的科学研究序幕。迄今为止，已创办刊物3种，召开国际会议十多次，发表论文1300余篇，在Nature、Science等著名国际刊物上也多有这方面的研究成果报道。诺贝尔奖得主、曾与华森一起发现DNA双螺旋结构的克里克，1990年就明确提出现在是使用自然科学的方法进行意识研究的时候了。随着研究的开展，近年来的一些科学实验也找到了科学研究意识问题的突破口。而无损伤脑功能成像实验技术的发展（特别是PET、fMRI等），也为研究意识问题提供了良好的实验手段。这样，意识的界限也不再像传统解释那样含糊不清，意识问题真正成为一个明确的科学研究问题。　　意识活动的神经机制探索　　从自然科学的角度研究意识，第一个重要问题就是有关意识活动的神经基础问题，或者说有没有产生意识的有关神经中枢，如果有，那么这些神经基础又在哪里，或是如何分布的？　　首先，我们已知意识的清醒状态是心智活动得以进行的重要条件，而意识的清晰程度则明显与脑干网状结构、丘脑网状结构等边缘系统极其复杂的神经回旋网络有关。这不仅是因为脑干网状结构的兴奋状态是维持意识活动和醒觉的重要条件，而且因为除了嗅觉外，所有痛觉、温度觉、触觉、深感觉、视觉、听觉等特异性感觉，均是经过丘脑的特异性皮层传导将冲动传给大脑各特异感觉中枢的。　　另外，脑干网状结构的兴奋性也与注意强度有关，大量无关或次要的感觉信息在经过脑干网状结构时就被选择性地删除了，只有引起注意的有关信息才到达丘脑网状结构。从这个意义上讲，意识活动主要体现在以网状结构为神经基础的注意机制之上。　　不仅如此，现代认知神经科学的研究还表明，由于注意机制也控制着记忆（特别是短时记忆）的存取，反之记忆的内容同样会引导注意，因此记忆也与意识有着重要联系。特别是那种被称为“图标记忆”的极短时记忆，一旦丧失就很可能会失去意识和注意能力。这种极短暂的记忆可能与大脑中存在的回响回路有关，因此可以推测意识可能正是这种回响回路产生的一种心理效应。　　克里克根据有关病人的行为心理表现以及脑生理和解剖结构，认为意识活动主要与大脑前扣带回有关，因为这一区域不但接受许多来自高级感觉区的输入，而且靠近运动系统的高级皮层。一些神经生理学家认为，在大脑皮层存在一个意识活性三角区，即感觉皮层（包括枕叶、顶叶和颞叶）、额叶的前运动区和包括前扣带回在内的丘脑层间核三个部位构成的三角区域。而意识流就是相关神经集群激活模式序列的轮流选择，其激活频率则与γ频带（30—70Hz）有关，克里克等人甚至推测40Hz同步振荡可能与意识和注意的神经基础有关，并得到了部分实验的证明。　　在意识神经基础问题的研究中，有关“意识的神经相关物（NCC，Neural CorrelateofConsciousness）”的讨论，不仅是为了研究意识的物质基础，而且更是为了了解意识产生的方式和过程。这里所谓意识的神经相关物就是指一个直接相关于意识状态的神经系统。或者更详细地讲，NCC是这样一个最小的神经系统，在这个系统中的状态可映射到意识的状态，在一定条件下，这个最小的神经系统的状态足以反映意识的状态。　　意识的若干科学解释理论　　目前研究意识问题的科学家们所提出的理论和观点是多种多样的。如果从最终能否科学地认识意识这一终极问题来分，那么已有的理论大致可以分为神秘主义和简化主义两个大派别。神秘主义观点认为，我们永远无法理解意识，特别是强调自明性的意识活动是不可能靠还原论方法来分析理解的。简化主义与神秘主义正好相反，认为对于意识问题完全可以通过还原论的方法来把握理解，把复杂的意识问题还原为神经细胞及其相关分子的集体行为。有时为了更好地刻画还原论的意识观，科学家往往采用多层次分层的观点来研究意识现象和规律，认为应该从基因分子、突触连结、神经细胞、神经集团、功能小柱、跨区皮层和大脑结构等多个层次来考察意识产生的原由。　　当然，从具体对意识进行科学解释的角度，又有许多独特的理论和观点。其中主要包括意识的“剧场隐喻”假设、意识的“微管”理论、“神经子—精神子”理论、神经达尔文理论，等等。　　意识的“剧场隐喻”假设主要是认知科学中关于意识与选择性注意的一种科学假设，认为大脑就像同时有许多角色在演出的舞台，其中只有少数角色得到“探照灯”的照射，照射到的角色，便是意识活动反映的对象。这样一来，意识就成为大脑“剧场”中的亮点。意识的“微管”理论提出者是当代著名的数理科学家彭罗斯。主要观点为，神经元的细胞组织中的细胞骨架在传递信息上起着重要作用，细胞骨架是由“微管”构成的，由于这些微管的空间尺度很小，就必须用量子力学来考虑，意识活动便是体现在可能传播其中的电磁波上。当然，由于这些理论还缺乏实验根据，所以没有得到大多数科学家的承认。　　对突触研究有重要贡献并因此获得诺贝尔奖的电生理学家埃可尔斯，对意识问题采用的是“二元论”观点，认为精神独立于物质基础而存在，并提出了“神经子—精神子”理论假设。该理论认为，神经子是新皮层中神经元组成的最小结构和功能单元，与神经子相对应的是精神子，作为最小的心智单元。而意识正是源于这些精神子集群的相互作用。　　神经达尔文主义是由美国洛克菲勒大学的G.M.Edelman提出的，其主要思想借鉴了达尔文的自然选择学说，认为由神经元通过紧密互联组成的神经元群是脑内神经联结的结构和功能模式的选择性活动主体。而我们的意识活动和心智活动就是动态的达尔文过程，所有的行为现象都是神经细胞活动的时空模式决定的，这些时空模式相互竞争中的每一时刻的赢家，就将成为显现的心智活动，特别是意识活动。说到底，意识活动无非就是大量神经活动中模式选择“胜者为王”的结果。　　看得出来，目前在科学界对于意识还没有统一的认识，主要原因是我们目前对意识活动的脑定位、脑机理以及如何在心智活动中起作用等问题还有很多空白值得去探索研究。这是一项任重道远的工作。　　意识的人工实现研究途径　　在有关意识的科学研究中，以明斯基为代表的人工智能观点认为，意识仅仅是一种短时记忆，从根本上讲计算机完全能够实现这一点，即认为人工意识是可能的。正是在这种思想指导下，在探讨意识神经机制的同时，科学家们也开始了人工意识的研究探索。　　有关人工意识方面比较早期的一种研究途径是从神经网络方法出发来对意识过程进行建模，如泰勒提出的三段阶意识的神经网络模型、巴尔斯的注意模型，以及亚历山大有关视觉觉知模型等，都是这方面的研究工作。这种方法的主要特点就是利用神经网络中神经元集群之间的相互作用以及神经网络中的层次关系，来实现意识的觉知或元感知能力，并模拟一些需要意识参与的认知能力。尽管这种神经网络方法存在着严重的局限性，但由于人工神经网络理论和技术本身具有可实现性强的特点，起码在某侧面可以反映意识的某些特性。　　不过，由于雷兜文于1997年证明了这种神经连接主义方法从根本上讲其表达能力与传统的符号逻辑主义方法是等价的，而对于符号逻辑主义方法，Caplain也已经证明其不可能描述意识现象，因此意识的神经网络方法存在着一定的局限性。于是为了避免上述局限性，一些科学家提倡采用量子物理学方法来进行意识的建模研究。这样就构成了人工意识实现的第二种途径。在这方面，主要有阿莫卢梭等人的开创性工作以及皮罗斯将神经计算与量子意识相结合的设想。　　值得指出的是，由于量子特性与意识特性都有超越常规计算局限性的共同性，可以期待通过量子计算方法去解决意识的自明性问题。换句话讲，可以利用量子迭加性、纠缠性、不确定性等特性，具体给出能够实现意识计算的量子算法。 (责任编辑：泉水)

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