自由意志的神经基础

亓奎言[2]

【摘 要】认知神经科学的发展使原本隶属于哲学领域的自由意志成了科学的研究对象。实验研究和临床观察的资料显示，我们的大脑中存在着自由意志的神经基础，但这一研究结果也给人类带来了威胁，它促使我们重新思考人类是否拥有自由意志的问题。

【关键词】自由意志；认知神经科学；神经伦理学

自由意志是责任存在的前提，因此也是道德和法律的前提，这几乎是自明的。如我可以自由举起自己的右手，可以选择做这件事或者不做。也正因为如此，我们需要对自己的行为负责。几千年来，我们一直舒服地生活在这样的信念与世界中，并以此为基础构建起了调节人们行为的各种社会规范——伦理规范和法律条文。但是，科学的发展告诉我们，宇宙是决定论的。而且，最近的认知神经科学的研究结果似乎并不支持我们的这种日常直觉。

一、自由意志的实验研究

（一）利贝特的实验

自由意志原来只是纯粹的哲学问题，只在哲学领域中进行讨论。但随着认知神经科学的发展，出现了以实验方式研究自由意志的倾向，并日益成为科学讨论的对象。利贝特（Libet）是以实验方式研究自由意志的第一人，并得出了令人吃惊的结论：有准备的脑活动引起了我们有意识的运动意图。但是利贝特并没有因此而否认人类的自由意志。他认为，人类可以通过否决这个有目的的运动意图，依然保留自由意志的概念。他的实验过程和结果在该领域产生了很大的影响。

利贝特对自由意志的操作性定义（operational definition）和我们通常的观点是一致的：第一，应没有外来的控制或者暗示来影响研究中的自主行为（voluntary act）的出现或产生。也就是说，它应该是内源的（endogenous）。第二，主体应该知觉到他主动想要做这个行为，并且感觉他能够控制正在做的事，能够决定什么时候做或者不做这件事。尽管对于普通人而言，这是再正常不过的。但是，许多行为缺乏第二个特征，例如，异己手病人的行为等。[3]

1．利贝特的实验及其结果

按照传统的自由意志的观点，一个人在大脑的准备电位（脑的运动区域的预备活动，即readiness potential，简称RP）之前或者开始时，我们就期望有有意识的意志（conscious will），这个意志命令脑执行有意图的行动。因此，如果我们能够通过实验手段证明有意识的意志早于准备电位开始的时间，那么传统的自由意志就是安全的；反之，若自由意志是紧随准备电位而产生的，那么我们就需要重新考虑传统的自由意志问题了。因此，考察有意识的意志的时间——相对于脑过程的开始（准备电位）的时间就显得非常重要，而利贝特的实验就是从这里开始的。

为了达到这个目的，利贝特设计了一个特殊的示波器钟（Oscilloscope clock）来记录被试的反应。实验要求被试者凝视正在转动的钟的屏幕，然后，他们可以在自己选择的任意时间弯曲手腕，并且要他们在觉知到自己有想要弯曲手腕的愿望时，记住屏幕上的光点所在的位置，在实验结束时把这个相关的时间报告给实验者。利贝特称这个判断为W（want）判断，他把这个时间看作觉知到的有意识的意图的第一时间。在另外一种状况下，当被试者确实做出弯曲手腕的运动时，他们向实验者报告屏幕上钟的位置，从而确定他们做出这个运动的时间。利贝特把这个时间称为M（motion）判断。

共有9个被试者参加了40次实验。运动开始的确切时间是通过测量该运动涉及的肌肉的电运动进行计算的。脑的准备电位也是通过测量被置于运动区域上的电极的电活动计算的。结果显示，准备电位非常典型地先于有意识的运动1秒或者更长的时间。

但是，从观察到的数据来看，确切的运动时间在两种不同类型的准备电位中是不同的。至少在一些实验中，被试者报告，觉知到的、想要运动的意图是预先计划好的、有意识的。在这种情况下，运动的准备电位的数据被利贝特称为类型1的准备电位，而被试者在无事先计划的情况下获得的准备电位则被称为类型2。观察数据显示，类型1的准备电位比类型2的开始时间要早。所有的自主行动都是自由的，准备电位平均始于肌肉被激活前的550毫秒。W时间，也就是想要运动的时间平均早于肌肉被激活时间200毫秒，所有小组的实验结果都如此。即使当被试者报告事先计划的时间时，结果也同样如此。

利贝特还强调说，也应该注意到确切的时差可能比400毫秒还要大，因为脑内确切的开始过程可能开始于我们记录到的准备电位之前，这个准备电位在某个我们不知道的脑区，并通过这个脑区激活了辅助运动区域（supplementary motor area）。这被认为是我们记录的准备电位的来源。

实验结果好像否认了自由意志对运动的激发，但是利贝特认为有意识的否决不可能像上面的实验结果那样，也同样是先前的无意识过程的直接的结果。因为有意识的否决是一个控制功能，它不同于仅仅觉知到的、想要行为的愿望。利贝特还认为，他的这个发现可以外推到人类的其他行动，也就是可以推广到实验室之外的人的行动。

2．对利贝特实验的批评

利贝特的实验过程和实验结果从一开始就遭到了很多批评。一方面，是因为他的实验设计的确存在一些问题；另一方面，尽管他并没有否认人类生活须臾不可离开的自由意志，但是其实验结果还是让人不放心甚至产生恐惧。来自生物学家和哲学家的批评主要涉及以下几个方面：

第一，实验设置与在先意图。像很多批评者所指出的那样，利贝特实验中的被试者的行为并不像利贝特所认为的那样是自由的、自发的，而是受到了实验者的指导和控制。[4]如根据迈勒（Mele）的解释，准备电位的出现反映了被试者获得了一个他没有意识到的愿望，更准确地说，是一个比同时的其他竞争的愿望更强烈的愿望。被试在350毫秒时意识到的是一个行动的愿望而不是意图。这个最强烈的行动的愿望源于一个否决控制的机制，这不必然导致一个确切的运动。被试者需要对他们的愿望做出选择性的注意，以使某些愿望成为最强的。而通常，人们不擅长对发生在不同的知觉形式（modality）下的两个事件的同时性进行判断，尤其不擅长判断那些好像比无意图的自发事件发生得早的事件。由于利贝特实验中的被试者大概把他们的注意力在外在的钟和他们自己的内在的状态之间进行了分配，以便做出W判断。[5]因此，这种设计好的自发的行动就发生了。例如，被试者可能通过调整他们的极限以使同样无效的愿望能够进入被描述的行动中。利贝特实验中的被试者不是消极的旁观者而是积极的参与者。当然，这个可能和被试者有意识的努力有关，因为，被试者被要求产生一个行动。[6]

第二，利贝特实验设计中的行为太简单，而真正的人类行为要比其实验中涉及的复杂得多。[7]也就是，我们大部分的行为比利贝特实验中弯曲手腕的行为要复杂得多。

第三，利贝特的实验研究把自主行为简化为根据指令进行按键。这个方法忽视了我们完成行为的原因。在真实的生活中，行为的目标是要达到环境中的目标事件，这些事件通常有报偿价值。而利贝特的实验在很大程度上是独立于报偿和动机的。[8]

第四，自由意志不可能被挤压进先于行为前的150毫秒的时间内，而更可能在做出的长久的选择中。帕恰瑞（Pacherie）讨论了行为的原因，她检查了和利贝特的实验有关的“原因”的概念，并且指出，在一个事件的因果链上鉴别出一个单一的原因是不可能的，并且，这个原因不可能总是那个初始的事件。“这个论证尤其中肯。……像大部分的事件一样，可能有很多原因，其中的每一个对这个事件都是必要的（但非充分）的，都起到了很重要的作用。找到发生于行为早期的原因的脑电活动（electrical activity in the brain）这件事实不能排除后来觉知（awareness）原因的作用，除非早期的原因被显示，它对事件既充分又必要。而利贝特实验中的情况不是这样。”[9]

第五，利贝特的实验没有对“意图”（intention）的两种含义进行区分。例如，塞尔区别了在先的意图（如今天晚上给一个朋友打电话）和行动中的意图（这个发生在伸手拿电话机的过程中）。[10]而利贝特的实验只和人类的行为有关，大致相当于塞尔的行动中的意图。关于我们的行为基础的相关信息，很多都是自动的。我们只是意识到行动信息的冰山顶端，我们经常经历的是“冰山”的两个关键部分：我们自己的行为意图和我们的行为在外在世界中引起的效果。

利贝特的实验过程和结果在哲学界和生物学界都引起了很大的反响，以至于后来的实验和讨论都是以他的实验为基础和批判“靶子”的：神经生物学家为了进一步考察自由意志和人类脑活动的关系，在此基础上进行了一些颇有影响的拓展实验；哲学家为了挽救自由意志和人类的尊严对此进行了各种解释。可以说，利贝特的实验所带来影响远远大于他的实验本身带给我们的结果。

（二）对利贝特实验的拓展

针对利贝特实验中存在的问题，出现了对其实验条件进行修改的拓展实验，以期对脑活动和人类自由意志的关系进行科学地解释，并希望最终对自由意志的神经基础有一个清楚的认识。当然，拓展实验和上面提到的利贝特的实验存在的问题并不是一一对应的。

1．凯勒等人的实验

在利贝特的实验中，由于在先意图的存在使其所谓的自由意图被看作是由内在的刺激引起的。针对这一问题，凯勒（Keller）等对利贝特的实验设计进行了改造。他们使自己的实验设置满足了以下的要求，目的是要排除在先意图[11]：

第一，实验中不存在被诱导形成在先意图发生的情况；

第二，被试者没有被扰乱或者被克制住不去执行这个意图；

第三，被试者没有内省地感觉到他们执行了这个被意识到的行为。

凯勒对利贝特实验的拓展由两套实验构成，实验1要求被试者集中精力注意被要求的精神任务，这些任务会分散他们的注意力——感知身体要运动的愿望的注意力，他们自发的、但没有进入其意识的身体反应会被记录下来。实验2是对利贝特实验的重复。两个实验都要测量被试者在执行实验任务时，脑所产生的准备电位。

结果显示，准备电位与意识到的、无意识的自发运动都有关系。无意识运动的准备电位和意识到的运动的准备电位的开始时间几乎相同，都始于先于肌肉运动前大约500毫秒。但是，这两类准备电位有很明显的不同：首先，归因于无意识运动的准备电位比有意识运动的准备电位的振幅要小得多，这意味着，准备电位的较大振幅可能和有意识的努力有关。实验结果的第二方面更惊人，即和有意识的自发运动有关的准备电位的头皮分布和无意识的不同。这意味着，在这两种状况下准备电位的产生可能涉及不同的神经结构。而执行有意识自发运动的被试的准备电位在大脑内侧运动皮层（medial premotor cortex，还有翻译成前额内侧），尤其是辅助运动皮层（Supplementary Motor Area，SMA）的振幅最大，而无意识的自发运动有关的准备电位主要产生于侧面运动皮层（lateral premotor cortex）。[12]

2．海恩斯的实验[13]

利贝特的研究认为，我们不是我们认为的、自主运动的发起者，在我们的行动目的进入意识之前，大脑就已经决定要行动了。在先前的实验中，当被试者感到有行动欲望时，就要求他们按键。需要注意的是，脑潜在的准备电位先于他们按键的有意识决定好几百毫秒，这个准备电位是源于辅助运动区域的，该脑区涉及运动准备区域。因为该脑区的活动一贯先于意识决定，所以被认为在被试者意识到之前，脑已经无意识地做出移动的决定了。但是，海恩斯（Haynes）等认为，这些令人着迷的实验留下了很多有争议的问题。

第一，准备电位是由辅助运动区域产生的，只提供了运动计划的最后阶段的信息。因此，辅助运动区域是否确实是运动决定的起源脑区是不清楚的，正像在一个有意识的行动计划研究中看到的那样。

第二，准备电位和决定之间的时间延迟仅仅只有几百毫秒，在这么短的时间内对行为进行测量可能会导致人们的误判。

第三，任何主要的脑活动是否确实选择性地提前预测了一个明确的选择结果？为了排除任何主要的活动仅仅反映了不确定的准备活动，研究不止一个行为选择之间的自由决定对避免这个问题就是必要的了。

因此，海恩斯的实验直接调查哪些脑区提前预测有意识的目的、它们什么时间开始塑造运动决定。实验者给了被试者自由的运动决定，而同时，对他们的脑活动进行FMRI扫描。实验中，被试者要求看屏幕中心，上面会呈现一连串字母。在被试者感觉想要做点什么的时候，他们只要决定用左手或者右手食指来按两个按钮中的一个，并且马上按键就可以了。同时，当他们有意识地做出运动决定时，要记住屏幕上呈现的字母。被试者按下了自由选择的反应按钮后，一个带有四个选择的反应地图在屏幕上出现了。被试者通过选择一个相对应的字母来暗示他们做出运动决定的时间——通过再次按键的方式进行。然后，新一轮实验开始。被试者在实验开始后大约21．6秒时，才开始自由按钮，因此有足够的时间来评估大脑皮层决定的任何潜在的问题，而不会被以前的实验污染。报告显示，大部分的意图（88．6%）在运动前1000毫秒内就形成了。

实验显示，当被试者的决定到达意识中时，它可能已经被无意识的脑活动影响至多10秒钟了。实验者指出，最早的预测信息明显是在额极皮层（frontopolar cortex）和顶叶皮层（parietal cortex）而不是在辅助运动区域编码的。其结果比先前的研究有了实质性的进展。这个在高水平的控制区域的准备时间阶段比先前的对运动相关脑区的报告要长很多。和先前的大部分实验相比，在该实验中突出的准备时间阶段揭示，这个在先的活动不是一个不明确的反应准备。相反，它明确地编码了一个被试者打算做出怎样的决定。因此，辅助运动区域大概不是最终的皮层决策的舞台，在这个舞台上，有意识的意图被激发，就像先前被认为的那样。需要注意的是，意识的启动时间不准确，不能解释主导时间太长的问题，这是先前的研究面对的最主要的批评。在这两个区域，它保持了多达好几秒的无意识。这实质性地延伸了先前的工作——先前的工作已经指出，额中会在有意识的行动计划的储藏阶段被涉及。因此，一个高水平的控制区域网络能够在一个未来的决定进入意识之前很长时间就开始塑造它。

除此之外，简纳罗德（Marc Jeannerod）也扩展了利贝特的研究，并把利贝特的研究扩展到更复杂的行为中去，如让被试者画素描（line－drawing）。他指出，被试者对由他们的手做出的微小的调整毫无觉察——纠正一个轨道来完成一个圆或一条线。[14]简纳罗德的结论甚至比利贝特的更极端。他认为，自由意志是一种事后现象（post hoc phenomenon），实质上是我们的思想和行为的巧合产生的一种幻觉，并因此而建构起了一种因果叙述。

3．米歇尔等人的实验[15]

米歇尔（Michel Desmurget）等人也对自由意志涉及的脑区进行了研究，他们的研究是通过对7位脑部肿瘤患者的大脑进行电刺激进行的，而这种电刺激是外科手术准备的一部分，医生有时会在局部麻醉的情况下对清醒患者的脑部进行电刺激，这种做法旨在将术后并发症的风险降至最低。

实验者首先对后顶叶皮层（posterior parietal cortex）进行电刺激，他们发现，对该脑区的刺激会使某些患者报告说他们想动一下他们的上肢或嘴唇，尽管他们实际上并没有做这些运动。在没有实验者提醒的情况下，病人自动使用了“想要”这个词（will，desire，wanting to）来表示他们想要运动的意图。有趣的是，当刺激强度增大时，运动意图就被貌似真实的运动觉知取代。在缺乏任何肌肉收缩的情况下，病人报告说，他们确实做了他们先前打算做的运动。相反，刺激额叶的前运动区域（premotor region）的刺激激发了患者的四肢和嘴的运动，而患者自己并没有觉察到自己已经做了这些运动。

米歇尔推测，直接对顶叶皮层的刺激激发了这样的运动表征（representation）。但是，病人经验到一个想要运动的愿望意味着刺激不仅仅激发了运动的一个心理影像（mental image），也激发了做出了一个运动的意图。以前的研究也指出，后顶叶皮层是“意图地图”（map of intentions）所在地，其不同子区域分别对眼动、抓取的动作进行计划，并且顶叶的神经元的活动和运动计划以及决定的过程高度相关。他们认为，顶叶和辅助运动皮层都和运动意图有关，但各自负责运动计划的不同阶段：顶叶产生的意图可能和感觉预测有关，而辅助运动皮层产生的意图可能和运动命令密切相关。而对背侧前运动皮层（dorsal premotor cortex）的刺激激发了复杂的运动，但病人仍然不能检测到被电刺激而产生的肢体和嘴的运动。这意味着本体感受和运动密切相关，而这些运动被脑区所忽略或者对大脑来说是不可译的——尽管这些脑区平常是接受这些反馈信号的。这个发现加强了这个结论：激发和执行运动的觉知不是源于传入的信息而是源于内在的计算，这些计算在行动之前就已经在后顶叶皮层完成了。

二、来自临床患者的证据

上述实验是以健康个体为被试者进行的实验研究，而来自临床患者的表现则以另一种方式对自由意志的神经生物学基础给出了有力证据。

弗里德（Fried）在给癫痫病人做手术时，在其头颅内植入一个表面的电刺激来刺激头颅内的额叶皮层的前部——这是该外科手术的一部分。这种刺激引起了病人想要移动身体的明确部位的愿望，或者感觉到他们想要移动。微弱的刺激典型地激发了这样的有意识的意图，而强刺激则确实引起了同样的身体部分的确切运动。这些报告和利贝特的W判断是非常相似的，尽管弗里德等人的被试者并没有觉知的时间报告。因此，实验刺激的脑过程和自发的脑过程所引起的脑活动是非常不同的——后者是由脑电图扫描进行测量的。不幸的是，弗里德的研究没有精密的计时，但是这样的实验却避免了跨模式的同时性、在先的路径等问题。但是，弗里德的手术的“副产品”显然和脑—心灵方向的因果关系是一致的：对意图的觉知是额叶皮层前部的脑活动的结果。[16]

另外，达马西奥（Damasio）及其同事也注意到一位大脑受损部位在前扣带回（Anterior Cingulate Cortex，ACC）的妇女的表现，她对事物没有反应：“她一声不响地躺在床上，脸上带着警惕的表情。她能用眼睛追随别人，但不能自觉地与人讲话。她对任何提问都不回答，虽然看起来她是理解这些问题的。她只是用点头加以答复。她用极慢的语调能重复词汇和一些句子。总之，她的反应极其有限，又总是一成不变。一个月以后她得到很大程度的康复。她说她以前不能交流，并不感到不安。她能跟上交谈，但她感到‘没有什么可说的’而不开口，她的头脑是‘空’的。”[17]

前扣带回接受许多来自高级感觉区域的输入，又在靠近运动系统的高级水平。在达马西奥的经典著作《笛卡儿的错误——情绪、推理和人脑》一书中，有不少这样脑损伤患者的描述，其中提到的埃利奥特和盖奇都是前额叶部位因故受到损伤，他们在现实生活中总是一再做出让其面临着严重灾难性后果的决定，就像惯犯一样不可救药（beyond redemption）。达马西奥认为，他们的自由意志已经被损坏了。[18]

克里克引用了波斯纳（Pesner）文章中的一个脑损伤引起的“异己手”病人的情况。病人的左手可以活动，做一些十分简单、刻板的动作，但他却拒绝对此手负责。例如，此手可能自发地抓住放在附近的某个东西，但有时候却不能把它放下，不得不用右手把它从东西上拿开，有一位患者发现，他不能用他的意志使“异己手”放开物体，但如果大声喊，“放开！”也许它会把抓住的东西松开。

“异己手”症的受损部位也是靠近或者正好在前扣带回上（如果“异己手”为左手，那么损伤位于右脑），也可能是胼胝体的相应部分受损，以至于左侧区域发出指令不能到达由受损的右边区域控制的左手。[19]

三、结　　语

综合上面的实验结果，看起来自由意志涉及的脑区主要有辅助运动皮层、前扣带回、额极皮层、顶叶皮层等。当然，关于自由意志的神经相关物的实验时刻都处于进展当中。

自由意志的神经相关物到底涉及哪些脑区还需进一步的研究，但是，以上的实验结果和临床观察在这方面是一致的：大脑的活动先于我们觉知到的行动以及行为意图。果真如此，那么，我们认为自己拥有自由意志的想法就只能是一种幻觉。这和魏格纳[20]（Wegner）等人的观点是一致的。至于这种幻觉是怎么形成的、它的神经生物学基础是什么以及人类为什么需要这种幻觉，则超出本文的主题了。但是，无论如何，这样的结论是令人不安的甚至是恐惧的。因此，对于这样的结论，我们需要非常谨慎，因为自由意志是我们生活中不可缺少的。也许，未来的脑科学会给我们一个“说法”，使我们能够消除这种让人难以忍受的折磨。毕竟，在当前这个时代，诉诸某种超自然的力量来解决我们面临的冲突是不可能的，至少很难有说服力。这也许正是基于认知神经科学的神经伦理学（neuroethics）兴起的原因所在。

[1]本文为教育部人文社科一般项目——青年基金项目（编号11YJCZH130）的阶段性成果。

[2]亓奎言（1971—），女，河南安阳人，浙江财经大学思政部副教授，哲学博士，研究方向为心智和认知哲学、伦理学。email：qky79＠163．com。

[3]Libet B．：Do We Have Free Will，Journal of Consciousness Studies，1999，6（8—9），pp．47—57．

[4]Zhu J．：Reclaiming Volition：An Alternative Interpretation of Libets Experiment，Journal of Consciousness Studies，2003，2（11），pp．61—77．

[5]Haggard P．＆Libet B．：Conscious Intention and Brain Activity，Journal of Consciousness Studies，2001，8，pp．47—63．

[6]Haggard P．＆Libet B．：Conscious Intention and Brain Activity，Journal of Consciousness Studies，2001，8，pp．47—63．

[7]Pockett，S．：Does Consciousness Cause Behaviour？The MIT Press，2006．

[8]Haggard P．：Conscious Intention and Motor Cognition，Trends in Cognitive Sciences，2005，9 （6），pp．290—295．

[9]Pockett S．：Does Consciousness Cause Behaviour？The MIT Press，2006，p11．

[10]Haggard P．：Conscious Intention and Motor Cognition，Trends in Cognitive Sciences，2005，9（6），pp．290—295．

[11]Zhu J．：Reclaiming Volition：An Alternative Interpretation of Libets Experiment，Journal of Consciousness Studies，2003，2（11），pp．61—77．

[12]Zhu J．：Reclaiming Volition：An Alternative Interpretation of Libets Experiment，Journal of Consciousness Studies，2003，，2（11），pp．61—77．

[13]Chun S．etal．：Unconscious Determinants of Free Decisions in the Human Brain，Nature Neuroscience，2008，11（5），pp．543—545．

[14]Pockett，S．：Does Consciousness Cause Behaviour？The MIT Press，2006，p23．

[15]Desmurget M．etal．：Movement Intention after Parietal Cortex Stimulation in Humans，Science，2009，324，pp．811—813．

[16]Haggard P．：Conscious Intention and Motor Cognition，Trends in Cognitive Sciences，2005，9（6），pp．290—295．

[17]［英］弗兰西斯·克里克：《惊人的假说——灵魂的科学探索》，汪云九等译，湖南科学技术出版社2007年版，第317页。

[18]Damasio A．：DescartesError：Emotion，Reason，and the Human Brain，G．P．Putnam，1994，p38．

[19]［英］弗兰西斯·克里克：《惊人的假说——灵魂的科学探索》，汪云九等译，湖南科学技术出版社2007年版，第319页。

[20]Wegner D．：Précis of the Illusion of Conscious Will，Behavioral and Bain Sciences，2004，27，pp．649—692．