埃德尔曼和托诺尼的意识理论

诺贝尔奖得主埃德尔曼不同意把意识的神经相关机制限定为某个特定脑区的神经元的活动，或者具有某种特性的神经元的活动的想法。他更强调意识的全局性质，他认为把意识归结为特定区域特定神经元的特定模式活动是犯了一种“范畴性错误”，也就是要事物具有它所不可能有的性质。他认为正确的做法是：研究所有的意识过程有什么共同的特性，意识在什么条件之下才会产生，什么样的神经过程也具有类似的特性，进而提出假设以说明什么样的神经过程才对产生意识有贡献（Edelman and Tononi, 2000; Tononi and Edelman, 1998）。

关于意识的神经相关机制，埃德尔曼提出了所谓的动态核心假设如下：

1．如果要一群神经元直接对意识经验有贡献，那么这群神经元必须是分布性功能性聚类的一部分，这种聚类通过丘脑皮层系统中的复馈⁽⁷⁾相互作用在几百毫秒的时间里实现了高度的整体性。

2．为了维持意识经验，这个功能性聚类必须是高度分化性⁽⁸⁾的，表现为有很高的复杂性。

埃德尔曼把这样一种在几分之一秒的时间里彼此有很强相互作用而与脑的其余部分又有明显功能性边界的神经元群聚类叫做“动态核心”，以此来强调它的整体性及它的组成经常在变动。关于埃德尔曼的理论，由于在拙作《脑海探秘》一书中已作了相当详细的介绍，此处就不再多说。想要深入了解埃德尔曼的意识理论的读者，笔者推荐拙译《意识的宇宙：物质如何转变为精神》（A Universe of Consciousness：How Matter Becomes Imagination）。

科赫认为埃德尔曼的理论使人从一种新的角度，严格而定量地考虑意识问题，因此是很有意义的。但是它还存在不少问题，例如绝大多数系统都可以表现出某种整体性和分化性，那么是不是意味着这种系统也多少有某种意识呢？这会不会是泛心论的一种现代版本呢？另外我们大量的行为是下意识的，这种行为的神经复杂度是不是就低呢？科赫认为埃德尔曼的理论过于注意意识的全局性。他们的理论究竟谁对谁错，只有进一步的实验才能检验。（Koch, 2004, 2009）

意大利裔美国睡眠和意识研究专家托诺尼曾是埃德尔曼的主要合作者，他和科赫曾经有过争论。真所谓不打不成相识，两人通过争论，彼此取长补短，成了好朋友，而且合作发表了一些论文。例如，关于意识的神经相关机制，他们在2014年一起写的一篇文章（Tononi and Koch, 2014）里达成了下面的共识：

人们通过在颅外作磁共振功能脑成像或大规模脑电记录以追踪健康成人脑内意识的痕迹。人们看好的候选机制包括高级额顶叶皮层的强烈激活、脑电γ波（频率在35—80赫兹）以及出现被称为P300的事件相关电位。但是上述事件中没有哪一种已被公认为意识的可靠指标。

他们一致认为意识的神经相关机制并不牵涉全脑，例如虽然小脑中的神经元数目比大脑皮层还要多，但是整个小脑都受到损伤的人还可以有意识。甚至对大脑皮层来说，也只有在清醒或做梦时才有意识，而在深睡或癫痫发作时意识就丧失了。因此探究意识的神经相关机制确实是一个严肃的科学问题，而且是一个非常困难的问题，这也是克里克和科赫一直强调的。托诺尼和科赫同意要想解决这个问题可以从研究意识究竟有哪些关键的性质着手，再研究这些性质又是由什么样的脑机制产生的。后两个问题则正是埃德尔曼和托诺尼所一直强调的。

此外，还有一个克里克和科赫在刚开始研究时暂时回避了的问题，即人类的胚胎、其他动物甚至将来高度复杂的人造机器是不是也有意识？意识有没有一个程度的问题？这就需要至少从原则上说提出某种一般性的理论来评估某个对象的意识程度。托诺尼为此提出了一种“整合信息理论”（integrated information theory），科赫对此表示认同并开展了合作研究（Koch and Tononi, 2011；Tononi and Koch, 2014）。

托诺尼与科赫从一种直观的想法出发：要想形成主观的感知觉体验，脑必须把输入的感觉信号和储存在记忆中的信息整合起来才能形成有关世界的协调一致的图景。问题是怎样把这种直观的想法精密化，为此他们提出了有关意识的5条基本性质，并将其作为不证自明的公理，就像两点之间只能画一条直线是欧几里得几何的公理一样。关于如何评价意识程度等的理论研究就是从这些公理出发的，再通过实验和观察评判这样得到的研究成果是否和实际情况相符。有关意识的5个不证自明的公理包括：存在性、结构性（composition）、信息性、整体性（integration）、排他性（exclusion）。具体解释如下：

存在性，即意识确实是存在的，至少我可以绝对肯定我自己是有意识的。

结构性，即意识的内容有一定的结构，其中有许多不同的方面。例如，我们对眼前的景物可以同时意识到其中有许多不同颜色、不同形状、处于空间不同部位的内容等。

信息性，即埃德尔曼和托诺尼早就一再强调的分化性。也就是说，在任一时刻意识体验到的都只是无数种可能场景中的某一个特定场景，而排除了所有其他与此不同的可能性。

整体性，即埃德尔曼和托诺尼所一再强调的每个体验都是统一、协调的一个整体，而不能分解成许多相互独立的成分。例如，当我看到一个红色三角形时，我体验到的就是一个红色三角形，而不会同时体验到一个没有颜色（或灰色的）三角形和无所附着的红色。意识的整体性源自脑内相关部分之间复杂的相互作用。

排他性，即意识无论就其内容还是时空尺度来说都是独一无二的。不会同时有或者以不同的速度展开内容多少有所不同的多个体验。

正是在这些公理的基础之上，他们认为如果一个系统要有意识的话，那么这个系统就必须是一个有极大量可能状态的统一整体。为此，在脑的有关脑区之间必须有交互作用。一旦当这些脑区之间开始失去联结或者变得碎片化，意识就会消退，这正是在深睡或是麻醉时所发生的情形。意识的程度就可以用该系统所含的超越其各个组成部分所含信息的信息来度量，他们把这称为“整合信息”（integrated information），并用符号Φ来表示。⁽⁹⁾用它来度量一个系统拥有不能被还原或简约为其组成部分在互不相关时的特性的性质的程度，也就是一个系统内部协同性的程度。系统的整体性越强，其协同性越强，有意识的程度也越高。所以有高Φ值的系统必定是由一些各具特异性的、高度整合在一起的系统，也就是通常所说的整体的功能远大于其各个部分所能完成的功能。如果一些脑区彼此孤立或是随机地联结在一起，其Φ值就比较低。从这一点就可以解释为什么小脑的神经元数比大脑皮层还多，却没有意识，这是因为小脑的各个模块之间缺少像大脑皮层各个脑区之间的复杂的双向联结，因此Φ值低。相反，丘脑—皮层系统内部有着大量双向的相互联结，所以被他们认为是意识的神经相关机制的可能所在地。不过当深睡和癫痫大发作时，大脑皮层各部分的活动高度同步，缺乏特异性和信息性，其Φ值也低，因此在这种情况下即使是丘脑—皮层系统也没有意识，或者说意识程度很低。

他们的策略是先把这一度量应用于成年人，如果结果确实能反映成人在不同条件下的意识程度，那么他们就有理由把同一度量应用于婴儿、灵长类动物，以至其他动物和复杂的人造机器，以探讨他们是不是也有某种程度的意识这一千古之谜。

当然，目前就要肯定意识的整合信息理论还为时过早，这一理论很可能给出了存在意识的必要条件，他们所定义的Φ值也可能在一定条件下衡量有意识程度的某个方面。科赫本人以前曾经批评过类似的思想有现代版的泛灵论的嫌疑，尽管现在他对此种说法有了修正。但是在笔者看来，这个问题依然存在。关键是他们所提出的5条“公理”在笔者看来只是存在意识的必要条件，但是这些条件是否就充分了呢？如果他们提出的5条公理并不是存在意识的充分条件，那么即使某个系统有非零的Φ值，也不能说这个系统有某种程度的意识。这样虽然有可能划清意识的整合信息理论和泛灵论之间的界线，不过意识存在的充分条件又是什么呢？另外，像意识这样复杂的现象连一个定性的明晰定义都没有，如何能够期望通过制定一个定量指标来全面描述意识的所有方面，这在笔者看来是一个不可能的任务，所以他们制定的Φ至多也只能度量意识的某一个方面，虽然也可能是很重要的方面，例如他们所说的整体性和分化性。但是无论如何，这一理论尝试用一种新的、严格的、同时采取数学和经验方法去探索心身问题的新途径，值得人们关注和深入探讨。其他人也曾试图从意识的其他方面来定义测量意识程度的定量指标，例如格林菲尔德试图用麻醉程度的深浅来度量意识的程度，这也存在同样的问题，甚至更大的问题，因为麻醉并不是一种自然状态。尽管如此，这些探索在我们开始进行意识研究的长征时都是有意义的，只不过我们对它们的局限性必须保持清醒的认识。