我们的身体来自父母，意识又来自哪里? - 2023年8月8日北美华人网存档

一年多

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意识的本质是什么？它如何从物质的大脑里产生的？人类尚没有确切的答案。但或许，我们已经摸到意识世界的门槛。本篇文章将整理主要的意识相关研究，试图得到一个比较清晰的脉络。

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大脑皮层是人类最高级神经中枢，有着复杂的神经网络。它一般被认为是人类意识的神经基础。虽然，意识是什么至今没有定论，但通常情况下我们把意识到某种感觉/某个物体的存在，或者意识到我们行为/情感，判定是一种意识活动。除了嗅觉（可直接透射边缘系统）外的绝大多数感觉，都会先投射到丘脑系统，经过初步整合，再通过丘脑皮层神经束投射到大脑皮层。

我们知道，大脑皮层功能是分区的：

但当我们意识到一个物体时，它包含的信息却是复杂的。例如，我意识到自己的手机放在桌上，它同时包含了手机的位置、大小、颜色，如果来了短信还会包含声音、画面等等。也就是说，我们进行意识活动时，信息是高度整合的。在我们正常认知活动的过程中，大脑暂时加工和储存的记忆被成为工作记忆。工作记忆的信息，随着时间的推移而被整合。诺贝尔生理学奖得主杰拉尔德·埃德尔曼认为，这个过程，可以在我们大脑中产生一个稳定的世界表象[1]。大脑功能的贝叶斯方法，则对大脑多种感觉信息整合进行了成功预测[2][3][4]。不同的大脑回路（例如，感觉系统、动作系统、语言系统等等）如何结合起来进行感知、决策和行动，产生明显统一性相协调的意识，被称为“绑定问题（Binding problem）[5]。

例如，以下四种图形，我们的大脑能够轻松地判断它们的区别：
一个红色的圆圈一个蓝色的正方形一个蓝色的圆圈一个红色的正方形
大脑意识到这四种物体的区别，便是一种视觉特征绑定。不难发现，绑定问题是意识问题的关键，如果我们能解决绑定问题，至少就已经敲开了意识世界的大门。

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那么，我们的大脑又是如何统一我们所感知的世界呢？我们知道，大脑皮层通过神经网络联络在一起：

大脑皮层具有多层结构，仅仅2~4mm的新皮层，总共分成6层：

这6层结构中，主要存在锥体细胞、梭形细胞、颗粒细胞等三种神经元。其中锥体细胞是大脑皮层所特有的，且是主要的投射（把信号发射到其它结构中去）神经元。

椎体神经元，具有丰富的树突，并通过轴突投射神经信号到其它脑区虽然锥体细胞在不同的层级有不同的分布，但都有着丰富的树突结构，联络着整个大脑皮层。尤其是第五层的大型锥体细胞，发出的神经纤维集合成束，往往能达到基底核、丘脑、延髓、脑干网状结构、脊髓等部位。在大脑神经信号传递的过程中，神经元群体周期性的兴奋和抑制，形成特定节律的同步放电，从而产生神经振荡。而神经振荡产生的电波便是脑电波。

其中，25Hz以上的γ波，被证明与人的工作记忆、认知、注意力、感知、情绪相关。而γ波，常见于丘脑皮层环路（丘脑向不同脑区投射信号，不同脑区也会向下投射信号）。整个大脑皮层中有许多丘脑皮层环路，在有意识的感知过程中，皮层许多广泛分布的区域具有相互的同步通信模式。在丘脑皮层环路中，不同大脑区域的γ波神经放电频率明显同步[6]，警觉和专注度越高的动物，γ波也越突出[7]。当对单词进行感知时，大脑中的γ波也出现了跨皮质区域的同步振荡。这些研究，不仅体现了意识活动的耦合性，也表明了意识活动与γ波的紧密关系[8]。有研究者认为，这种支持远程大脑区域之间大规模同步事件的能力，可以提供连贯的感知[9][10]。

丘脑中央核团服务于唤醒和注意力，当丘脑受到一点点损伤，病人便会导致意识障碍[11]，或陷入深度昏迷状态。丘脑皮层神经环路对信息的整合处理，极可能是意识诞生的基础。不仅哺乳动物都有这样的意识基础，就连缺乏新皮层的鸟类的意识基础，也在大脑皮层同源物中所识别[12]。所以，丘脑皮层环路自然被认为有望解决绑定问题。但要真正解决，依旧还需要弄清意识的真相。

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有没有什么具体的实验，可以追踪意识活动的轨迹呢？当然是有的。最典型的就是双眼竞争。双眼竞争：两个眼睛分别看不同物体时，视野会融合或互相替换[13]。体验双眼竞争最简单的方式，是使用卷起的两个纸筒，分别用左右眼看眼前的物体（足够近，左右视野重叠），你会发现你视野中左右眼不同的画面也重叠在了一起。看区别明显的画面，往往其中一个眼睛会更占优势。而看画面相近的，图像更容易发生融合。例如，你左眼看键盘上的字母N，右眼看字母M，两个字母便会重叠起来。如果左右眼看到的是没有冲突的两个画面，二者甚至可以比较完美的融合在一起。

当双眼视觉交替竞争时，我们的意识感知也是交替发生的。通过对猕猴进行研究发现，当出现双眼竞争时，大脑初级视觉皮层的活动基本没有什么变化，仅仅只有极少数神经元做出了相应的改变。相反，涉及到识别活动的高级中枢下颞叶皮层上，几乎所有的神经元都对优势视觉做出了反应[14]。此类研究表明，大脑主要感觉区域的活动不足以产生意识[15]。而且在一项实验中，即使受试者大脑初级视觉皮层对刺激有明显的电反应，他们也缺乏意识感知。
近年来关于人类大脑神经振荡的相关研究也发明，丘脑自下而上的震荡活动，往往不容易产生意识，而高级皮层自上而下的活动，往往更容易产生意识[16]。

甚至当感觉信号与大脑内部的感觉意识不一致时，自下而上的反馈可以否决初级感觉皮层的活动，从而使其对感知不可见[17]。虽然初级感觉皮层不容易单独产生感觉意识活动，但却会直接影响感觉意识的结果。例如，当我们主观感受到更亮的光时，大脑内脑电频率的变化仅仅发生在初级视觉皮层内[18]。也就是说感知本身不参与意识活动，但它却能决定意识活动中的感觉质量。

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这样我们便能梳理出感觉意识的大致途径：我们身上的各类感觉神经末梢，在一瞬间就能产生无比庞杂的感觉信息，这些感觉信息会通过丘脑进行初级的筛选和整合，这样会过滤掉大量无用的信息。丘脑整合后，再通过丘脑皮质环路投射到初级感觉皮层。初级感觉皮层整理信息之后，通过皮层联络投射到更高级中枢。更高级中枢可以选择性地提取这些信息，并让我们对特定的信息产生意识感知。例如，当我在专注打字时，我的注意力在屏幕上，我不会有意识地去感知我接触地面的脚掌，在这一刻我也不会意识到任何的脚底感觉。但我提到这一句话的时候，我却主观地去感知了脚底，并意识到我脚踩在地上，并可以一一去感知我脚底的各个部位。

来自脑干、丘脑、初级感觉皮层、边缘系统的各类信息，可能仅仅只是意识加工的原材料，初级中枢到高级中枢之间的联系，是意识产生的必然途径。通过电刺激屏状体[19]、中央外侧丘脑[20]、脑干网状结构[21]，都有发现意识关停现象，或许这些脑结构恰好是感觉、知觉到意识形成的关键通道。大多失去意识的植物人，都有脑干网状结构受损，而屏状体和中央外侧丘脑都可以通过电刺激反复开关意识，屏状体功能发现较早，中央外侧丘脑是近年来的发现。意识开关的存在，其实也是侧面证明了意识活动是多脑区的整合。

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综合以上所有的研究来看，意识活动也更像信息处理之后的一种整合的感知。然而，这种感知却是延迟的。早在20世纪80年代，心理学家本杰明•李贝特便做了一个著名的实验[22][23]。他们让5个左撇子的大学生坐在躺椅上，并告诉他们用1~2秒的时间放松头部、颈部，以及前臂肌肉。但在决定做这一件事情之前，他们需要突然快速动一根手指或手腕。当他们活动手指的时候，不要有任何的预先计划或刻意关注，随机重复40次。在这些大学生进行这些动作时，研究人员测量了三个变量：
1、贴在前臂的电极，记录手指动作开始的时间。 2、贴在头皮上的电极，测试动作开始时大脑的预备电位。 3、感受到行为冲动（想动手指）时，喊出屏幕中钟表的“时间”，从而测出决定时刻。

经过多达几百次实验，李贝特最终都发现，决定时刻出现在大脑预备电位之后。平均时间间隔为350ms。也就是说，当我们决定做某一件事情之前的1/3秒，大脑就已经发起动作了。因此，有研究者悲观地认为人类并没有自由意识。

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不过在进一步的实验中，李贝特让被试大学生，在做决定之后否决行为。虽然大脑出现了预备动作电位，但最终阻止了动作，没有检测到手上的电位。近年来的也有研究进一步表明，当大脑动作电位出现后一定时间内，可以进行否决，但距离动作时间足够近时，否决的成功率便会大大降低[24]。这说明，无论人类有没有自由意识，但在一定时间内都有否决的自由。

40年来，有大量的研究支持李贝特实验中意识决定延于与大脑动作的结果。延后时间短则数百毫秒，最长甚至可达10余秒[25][26][27]。一项实验中，经颅磁刺激改变受试者的左右手使用习惯后，受试者依旧认为自己的选择经过了自由意识的决定[28]。在某些实验设计下，当出现无意识判断或冲动行为，受试者也会认为是自己的决策行为[29]。直接对高级皮层进行刺激，受试者则可能出现错误的意识判断。例如，他们可能认为自己做出了某种动作，但实际并非发生[30]。这似乎更加肯定了人类没有自由意识。然而，最近10多年一些研究者却有了进一步的发现，有研究者否定了人类没有自由意志的看法。

2009年，有人把李贝特的经典实验，修改为播放一段音频，然后让志愿者决定是否敲击一个键。研究发现，不管志愿者是否真的选择了敲击，两种情况下都有相同的大脑预备电位。这表明，大脑预备电位并不表明已经做出了决定。当然志愿者即刻决定是用左手还是右手按键时，大脑的早期动作电位同样没有什么区别，这说明大脑早期产生的动作电位，可能是注意到信号或者对信息的预处理。近年来，越来越多更精确的方法，证明意识决定不是瞬间出现的，而是逐步建立起来的。因此有研究者认为，决策结果的早期神经标记不是无意识的，而是简单地反映了有意识的目标评估阶段，这些阶段还不是最终的，在达成最终意识活动之前，这个决策可以终止或改变[31]。总之，一个动作可能在我们的“意识”意识到它之前就已经开始了，并不意味着我们的意识不能批准、修改或者取消这个动作。

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结合丘脑皮质环路，初级皮层到高级皮层投射，我们不难得到这样的推测：大脑整合信息本身就是先到初级皮层，然后再到更高级的皮层。初级皮层随时随地都在获得信息，以供高级皮层使用。高级皮层在做决定之前，总是先要调控初级皮层的信息。在获得信息之后，有决定去做或者不去做的权利。而当初级皮层先对我们的躯体进行控制，信息反馈到高级皮层后，也可能被当做成我们的主观决定。这样，大脑依旧是具有一定程度自由意识的。当然“自由意识”概念的定义本身也是充满争议的，在对“自由意识”具有更严格定义的人眼中，人依旧是没有自由意识的。无论意识是否自由，李贝特实验都证明了意识是大脑进行信息整合时产生的一种感知。

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那意识究竟只有高等动物才有，还是大多数生物的共有特性？开篇我们探讨了人类意识与丘脑皮层环路的关系，在以人为中心的研究者眼里，大脑皮层（尤其是新皮层）、丘脑皮层环路是产生意识的必要条件，因此他们认为新皮层很少，甚至没有的动物并不具备意识基础。然而非脊椎动物和低等脊椎动物，与高等脊椎动物大脑（或中枢神经系统）之间，并非绝对的继承关系。因为它们没有丘脑皮层环路，在无完全根据的情况下，判断其他形式的意识产生条件并不存在，无异于是一种人类中心主义的傲慢。更何况，意识的产生也是一个逐渐的过程。我们假设1.8亿~3.5亿年间起源的（类）哺乳动物，具有真正意义上的意识，那么从进化的逻辑来说，在3.5亿年前的脊椎动物也应该是具有意识基础的。

持以此类观点的研究者并不在少数。甚至有人认为，细胞中微管水平的量子效应与意识有关。这样，意识的起源甚至可以早到数十年前[32]，当然这种观点并不被多数人支持。前寒武纪时代两侧对称动物起源时，进化出了比刺胞动物更为复杂的梯形神经系统，有了联想学习和记忆能力。例如，蠕虫和海兔身上的研究已经充分证明。因此有人认为，它们已经产生了意识[33]。但计算机也有学习和记忆功能，但距离产生意识却十分遥远。因此，这种观点也只有少数人支持。

早期脊椎动物是否能产生意识，则得到了更多人的关注。有研究者提出，脊椎动物的初级意识早在寒武纪时期，就已经起源[34]。所有的脊椎动物都有相同的神经系统渊源[35]。虽然这个时期的动物不可能存在新皮层，但它们的大脑却有除嗅觉之外“高等”脊椎动物端脑结构。例如，用于选择和维持行为动作的纹状体，用于情绪的杏仁核和其他边缘结构，以及用于形成记忆、空间导航的海马。在只有原始中枢神经的文昌鱼中，存在大量简单无意识反射（例如光动反应、反射性撤退）。面对复杂的环境，无意识的反射是机械的。寒武纪时期，早期脊椎动物生活在食物链的底层，这就迫使部分活下来的种群，感官中枢变得越来越复杂，并逐渐出现了整合各类感官，以应对复杂环境的能力。中脑中有一个叫做四叠体（顶盖）的结构。这个结构在人类大脑中仅仅只是视觉的中继站。

但它却是在非鸟和非哺乳脊椎动物脑中十分发达。顶盖不仅是它们的主要感觉部位，它的层状组织，也能有效且广泛地整合来自不同感官的同构输入。七鳃鳗是现存最为原始的脊椎动物，它们拥有真正的眼睛。它们的大脑拥有视觉、嗅觉、体感和其他感觉的所有必要区域和神经分层路径。这些信息整合在一起产生注意力、知觉、神经同步和记忆——所有这些元素都被认为是意识形成所必需的。研究者认为，丘脑-顶盖间的互相联系，可以多模态同构感觉表征，鳃鳗有至少感官意识。当早期鱼类进化为合弓纲（类哺乳动物）和蜥形纲爬行动物，背侧大脑皮层逐渐增大，并成为感觉意识的主导中心。对于鸟类和哺乳动物来说，感觉意识的中心从视顶盖转移到了大脑皮层，从而扩展和丰富意识体验。

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纵观所有的研究，我们不难发现，意识存在的最核心基础是感官的整合。只要感官系统足够的发达，并拥有整合能力的脑结构，那就有诞生的意识的条件。大脑皮层可能是一个充分条件，而非必要条件。意识能力的高低，则可能同时取决于感官和整合能力。除了脊椎动物外，节肢动物和软体动物的意识研究也并不多，但从信息整合的角度，我们或许有更多的启迪。最后再回到人类意识的角度，谈一谈意识最可能的理论基础。
既然大脑是整合的，那么大脑最基本的意识单元是什么？我们知道，单个感觉神经元的活动是十分嘈杂（具有很高的神经元噪声），无法在大脑内重建感觉场景。为了解释大脑内的神经回路，早在1949 年，著名神经科学家唐纳德·赫布提出的赫布理论（突触可塑性的基本原理）中，便有了神经元集群的概念。相关实验也表明，当猴子进行伸手和抓握运动时，神经元集群同时编码手臂位置、速度和手的抓握力，注意和记忆的位置都可以被解码的。[36] 到了20世纪末，有神经科学家通过神经元群体解释了运动皮层的编码方向。在神经元集群的概念下，其实大脑神经通路和稻草编制的长绳很相似，你追溯单根稻草的轨迹是很难得到整根绳子信息的，所有稻草信息的集合才是整根绳子。单根稻草的不确定信息在集合成整根绳子的时候，被平均掉了，最终得到的是整根绳子的信息。神经元集群的基本单位是皮质柱（Cortical Column）[37]。

通过在皮质表面垂直插入探针连续穿透，发现的几乎相同的感受野（receptive field，一个神经元所反应的刺激区域），因为把整个区域的神经元集群称为皮质柱。皮质柱内的神经元编码具有相似特征，这支持了大脑皮层的模块化。虽然皮质柱假说依旧是当前解释皮层信息处理的最广泛假说之一[38]，然而遗憾的是，模块化的功能结构和遗传机制，依旧没有相关研究结果所支持[39]。

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从皮质柱到意识产生，此中有没有什么基本的意识框架呢？虽然没有实锤的证据，但当前主流的有四大意识理论[40]，我这里再简单谈谈。

1、高阶理论(HOTs) 心理状态→元心理状态（高阶表象）
该理论认为，普通心理状态转变成高阶的元心理，从而诞生了意识。一般来说，前额叶和人类的高级认知功能密切相关[41]。前额叶皮层分为背外侧、腹外侧、内侧和眶额皮层，各个区域有不同的功能，但并不是这里分析的重点[42]。

前额叶最晚进化出现，也是人类发育最晚成熟的脑结构，是人类最高级中枢，执行着抽象认知、注意力调控、行为决策、思维推理、工作记忆等与意识高度相关的活动。高阶理论其实是建立在前额叶功能的基础上的，但个人认为这还是过于形而上。作为高阶的元心理是凌驾于普通心理之上的，而前额叶和其它高级皮层终究是并列的，且并不仅仅是前额叶参与意识的形成，其它一些关键脑区同样参与。但如果我们定义前额叶诞生的意识就是元心理，这个理论便陷入循环论证。

全局工作空间理论(GWT)
这个理论，是把大脑看做是执行不同功能的专用模块，并通过长距离连接，信息在不同模块之间传播和共享，每一时刻的及时全局共享诞生意识。这个理论很明显是以大脑分区以及联络关系作为理论基础的，它同样有脑科学的基本研究支撑。但这个理论关于全局的概念，依旧是抽象而不明晰的。如果我们定义能诞生意识的共享就是全局的，这个理论同样会陷入循环论证。

信息整合理论(IIT)
这个理论明显是以大脑的信息整合机制作为基础的，它意图以现象特征为基础，构建一套几何式公理，显示出了庞大的野心。该理论的基础逻辑，是探讨大脑整合信息时的因果机制和状态。它提出，任何系统，只要产生一个非零的不可约的整合信息的最大值，便足以诞生仪式。一直以来，我都认为信息整合理论是解释意识起源的最可能的方向之一。但个人认为，这个整合过程也可能是混沌的，它是否真的存在一个标准范式，是值得争议的。而且，即便真的存在标准范式，意识的诞生方式，也并不一定是该理论提出的形式。

再入和预测处理理论
该理论强调了自上而下信号对形成和塑造有意识感知的重要性。大脑（高级皮层）再处理（或再发生）感知皮层内的局部信息便足以产生意识。这个理论，同样脱胎于现有的意识相关研究。似乎能很好地解释一些意识研究自上而下的机制，以及关于意识的延迟现象。这个理论的确能够解释局部意识，相当于大脑对感官产生原因的最佳猜测。

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除了以上四个理论，还有一个理论的呼声很大，那就是“注意力图式”理论。该理论的核心主张是，“注意力图式”是大脑计算注意力过程和当前状态的简化模型[43]。根据该理论，诸如“我意识到XX”包括以下步骤：刺激XX在大脑中被编码为一种表征，与其他刺激表征竞争大脑有限的处理资源。如果刺激XX赢得了这种信号竞争，它就会被大脑深度处理，从而加入“注意力图式”。 “注意力图式”是一种内在模型，是选择性地获取XX的一些基本特征，例如颜色、形状、位置等，从而诞生的一种简化模型。
其实我们不难发现，当我们意识到一个物体时，当把这个物体拿走，我们也能在脑海中构想出它的基本特征。虽然我们无法确定“注意力图式”理论的正确性，但大脑处理工作记忆的方式，很明显是符合“注意力图式”。 “注意力图式”是最为机械化解释意识的一种理论，但再结合以上四种意识理论，我们或许更加接近意识的真相。

首先，意识是整合的，高级皮层再处理不同分区初级皮层中的信息时，产生的一种简化模型，可能是意识形成的基础。这个整合过程，或许是通过某种范式（例如数学关系）达成的。如果意识过程超出一般心理的范畴，它也而可能是更高阶的。

12
最后，关于意识的提取问题。意识终究是某种信息，无论脑电波破译技术的突破，还是本身提到的诸多意识研究来说，意识当然是可以通过技术手段读取的。但目前的能力，仅仅是读取某些特征信息，对于整个意识依旧是困难的。要真正的做到完全的读取意识信息，即便不需要意识理论的完全建立，也需要建立一个十分近似模型，来进行读取。退一万步说，哪怕人类永远得不到意识的真相，但只要我们的模型无限接近意识特征，我们未来读取的意识，就能无限接近我们的真实意识。当然，从意识诞生的可能机制来看，意识上传可能是一种永远不可能达成的幻想。
写在最后
本篇文章花了好几天的时间来撰写，意识的主要研究应该都有所呈现。可以看出，不同的研究者对意识的看法不尽相同，有的甚至完全相反。其实，关于意识的定义，在各类心理学、神经科学专著，以及词典中的定义都不尽相同。有的定义可能更偏初级感知，有的可能更偏高级知觉，注意力，甚至决策，也有的都囊括在了其中。为了避免争议，本篇中的意识，主要是指“意识到XX”的一种感知或注意。本篇除了相关研究和研究者的观点以外，也在一些地方明确提出我自己的看法。关于各种研究、推论，以及假设，需要辩证来看待。