物质、生命、宇宙与心智，一直是纯科学研究的四个本源探索问题。到了21世纪，前三个领域已建立基本科学理论体系，但心智方面仍缺乏解释理论，对微观神经活动如何产生宏观认知行为知之甚少。20世纪80年代后，科学界将揭示心智奥秘视为纯科学研究的最后堡垒，脑科学、认知科学、智能科学等学科应运而生。其中，意识问题是所有学科无法回避的核心难题，堪称心智研究的堡垒中的堡垒。

意识的科学研究趋向

意识作为科学研究对象始于20世纪初的实验心理学。德国心理学家冯特创立实验心理学，使用科学内省方法研究意识，成为主流。但行为主义心理学派崛起后，因无法对意识进行行为定量研究，意识问题一度遭冷遇。20世纪50年代，与计算机科学结合的认知心理学信息加工学派兴起，意识问题重新受到关注，但因技术方法局限，仍未获足够重视。

20世纪90年代，国际学术界将意识问题纳入自然科学多学科研究领域。1994年4月，美国召开首次意识科学会议（Toward a Science of Consciousness），300多名代表来自神经生物学、认知心理学、计算机科学、人工智能等领域，拉开意识科学研究序幕。至今已创办3种期刊，召开十多次国际会议，发表论文1300余篇，Nature、Science等顶级期刊也多有报道。诺贝尔奖得主克里克（DNA双螺旋发现者之一）1990年明确提出用自然科学方法研究意识。近年实验找到突破口，无损伤脑功能成像技术（PET、fMRI）为研究提供良好手段，意识界限不再含糊，成为明确科学问题。

意识活动的神经机制探索

从自然科学角度研究意识，首要问题是意识活动的神经基础：是否存在产生意识的神经中枢？若存在，位于何处？如何分布？

已知意识清醒状态是心智活动的重要条件，清晰程度与脑干网状结构、丘脑网状结构等边缘系统的复杂神经回路有关。脑干网状结构的兴奋状态维持意识活动和醒觉，除嗅觉外，所有特异性感觉（痛觉、温度觉、触觉、深感觉、视觉、听觉）均经丘脑特异性皮层传导至大脑各特异感觉中枢。脑干网状结构的兴奋性还与注意强度相关，大量无关或次要感觉信息在此被选择性删除，只有引起注意的信息到达丘脑网状结构。因此，意识活动主要体现在以网状结构为神经基础的注意机制上。

现代认知神经科学研究表明，注意机制控制记忆（尤其是短时记忆）存取，记忆内容引导注意，故记忆与意识紧密相关。特别是“图标记忆”这种极短时记忆，一旦丧失可能失去意识和注意能力。这种记忆可能与大脑中的回响回路有关，推测意识可能是回响回路产生的心理效应。

克里克根据病人行为心理表现及脑生理解剖结构，认为意识活动主要与大脑前扣带回有关，该区域接受高级感觉区输入，靠近运动系统高级皮层。一些神经生理学家提出大脑皮层存在“意识活性三角区”，即感觉皮层（枕叶、顶叶、颞叶）、额叶前运动区和前扣带回在内的丘脑层间核。意识流是相关神经集群激活模式序列的轮流选择，激活频率与γ频带（30-70Hz）相关，克里克等人推测40Hz同步振荡可能与意识和注意的神经基础有关，并获部分实验证实。

在意识神经基础研究中，“意识的神经相关物”（NCC, Neural Correlate of Consciousness）的讨论旨在了解意识产生的方式和过程。NCC是直接相关于意识状态的神经系统，或更详细地，是这样一个最小神经系统：其状态可映射到意识状态，在一定条件下足以反映意识状态。

意识的若干科学解释理论

目前科学家提出的理论和观点多种多样。从能否科学认识意识这一终极问题分，有神秘主义和简化主义两大派别。神秘主义认为我们永远无法理解意识，尤其自明性意识活动不能靠还原论分析理解。简化主义则相反，认为可通过还原论把握理解意识，将复杂意识问题还原为神经细胞及其分子集体行为。为更好刻画还原论，科学家常采用多层次分层观点，从基因分子、突触连接、神经细胞、神经集团、功能柱、跨区皮层和大脑结构等层次考察意识产生原因。

从具体科学解释角度，有独特理论和观点，包括意识的“剧场隐喻”假设、“微管”理论、“神经子—精神子”理论、神经达尔文理论等。

“剧场隐喻”假设是认知科学中关于意识与选择性注意的假设，认为大脑像舞台，只有少数角色被“探照灯”照射，照射到的角色即意识活动反映对象，意识成为大脑“剧场”中的亮点。“微管”理论由数理科学家彭罗斯提出，认为神经元细胞骨架中的微管在信息传递中起重要作用，微管空间尺度极小，需用量子力学考虑，意识活动体现在可能传播其中的电磁波上。但这些理论缺乏实验根据，未获大多数科学家承认。

对突触研究有重要贡献并获诺贝尔奖的电生理学家埃可尔斯持“二元论”观点，认为精神独立于物质基础，提出“神经子—精神子”理论假设：神经子是新皮层中神经元组成的最小结构和功能单元，精神子对应最小心智单元，意识源于精神子集群相互作用。

神经达尔文主义由美国洛克菲勒大学G.M. Edelman提出，借鉴达尔文自然选择学说，认为神经元通过紧密互联组成的神经元群是脑内神经联结结构和功能模式的选择性活动主体。意识活动和心智活动是动态达尔文过程，所有行为现象由神经细胞活动的时空模式决定，这些模式相互竞争，每一时刻的赢家成为显现的心智活动，尤其是意识活动。简言之，意识活动是大量神经活动中模式选择“胜者为王”的结果。

目前科学界对意识尚无统一认识，主要因为对意识活动的脑定位、脑机理及如何在心智中起作用等问题仍有大量空白待探索。这是一项任重道远的工作。

意识的人工实现研究途径

在意识科学研究中，以明斯基为代表的人工智能观点认为意识仅是短时记忆，计算机完全能实现，即人工意识可能。在此思想指导下，科学家开始探索人工意识。

早期途径从神经网络方法出发对意识过程建模，如泰勒的三段阶意识神经网络模型、巴尔斯的注意模型、亚历山大的视觉觉知模型等。这些方法利用神经网络中神经元集群相互作用及层次关系，实现意识觉知或元感知能力，模拟需要意识参与的认知能力。尽管神经网络方法存在严重局限性，但因可实现性强，至少能反映意识某些特性。

然而，雷兜文1997年证明神经连接主义方法的表达能力与传统符号逻辑主义方法等价，而Caplain已证明符号逻辑主义方法不能描述意识现象，故神经网络方法存在局限。为避免局限，一些科学家提倡用量子物理学方法进行意识建模，构成人工意识实现的第二种途径。这方面有阿莫卢梭等人的开创性工作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，量子特性与意识特性都有超越常规计算局限性的共同性，可期待通过量子计算方法解决意识的自明性问题。具体可利用量子叠加性、纠缠性、不确定性等特性，给出能实现意识计算的量子算法。