意识是什么？科学面临其最艰难的课题
约五亿年前，地球上的生命节奏缓慢。海洋中居住着单细胞微生物和基本静止的软体生物。但大约在5.4亿年前的寒武纪初期，一切都爆发了。生物体形态在各个方向上多样化，许多生物进化出了可以快速在环境中移动的附肢。这些生态系统变成了充满捕食者与猎物的竞争之地。而我们生命树的分支进化出了一个不可思议的结构来应对这一切：大脑。
我们不知道这是否是意识首次在地球上出现的时刻。但这可能是生物开始真正需要某种类似意识的能力，将大量的感官信息融合成一个统一的体验，以指导其行动的时候。正是由于这种体验能力，我们最终开始感受到痛苦和愉悦。最终，我们不再仅仅受基本需求驱动，而是受到好奇心、情感和内省的引导。随着时间的推移，我们意识到了自我。
我们要感谢这最后一步，因为它带来了艺术、科学和哲学的大部分——以及长达数千年的理解意识本身的追求。这种对自我和环境的觉知状态伴随着许多谜团。为什么清醒和活着、成为自己，会带来任何感觉？大脑中这种独特的觉知感从何而来？这些问题可能有客观答案，但由于它们涉及私密、主观的体验，无法直接测量，它们存在于科学方法所能揭示的边界。
尽管如此，在过去的30年里，神经科学家在大脑中搜寻所谓的“意识的神经关联”，已经学到了很多。他们的探索揭示了一系列大脑网络，其连接有助于解释当我们失去意识时会发生什么。我们现在拥有大量的数据和工作理论，其中一些理论具有令人费解的深意。我们拥有帮助检测脑损伤患者意识的工具。但我们仍然没有简单的答案——研究人员甚至无法就意识是什么达成共识，更不用说如何最好地揭示其秘密。过去几年，出现了关于伪科学的指责、挑战主流理论的研究结果，以及一个领域处于十字路口的焦虑感。
然而，理解意识的利害关系从未如此之高。我们建造了能够模仿意识到难辨真伪的对话机器。有时，这些人工智能模型直接声称自己是有感知的。面对这个关乎存在的未知，公众正在转向意识科学领域寻求答案。“这种张力，你知道，是显而易见的，”米兰大学的神经生理学家Marcello Massimini说，“我们以后会回顾这段时期。”
意识是你真正了解的一切。它是你头脑中听到的声音、你的情绪、你对世界和身体的觉知，所有这些都融合成一个统一的体验。“一切都归结于此，一切，”比利时列日大学的认知神经科学家Athena Demertzi说，“这是我们拥有的对世界的翻译。”哲学家和科学家都在努力定义意识，而无需诉诸于体验的感觉——哲学家称之为“指定义”。但他们指的是一个真实的现象。当你服用致幻剂时，是你的意识变得异常，尽管你的身体和环境保持不变。当你接受全身麻醉时，它似乎像灯一样熄灭了。当你做梦时，某种奇怪形式的意识会持续存在，即使它与外部世界脱节。
一些科学家利用这些不同的意识状态，将意识体验至少划分为三个部分：觉醒度、内在觉知和与外部世界的连通性。在“正常”的意识状态下，你三者兼备。你清醒并睁开眼睛，这种状态由来自脑干的信号维持。你有内在觉知，形成思想和心理意象。你与外部世界相连接，大脑接收并处理来自五种感官的信息。
大脑如何产生这些奇怪的体验，是神经科学自该领域诞生以来一直困扰的问题。Massimini在医学院第一次手握大脑时，就被这个谜团深深吸引。“这是一个有边界、有一定重量的物体，有点像豆腐。它并不特别优雅，”他说，但“在这个你可以握在手中的物体内部，有一个宇宙。”许多哲学传统通过说心灵——或灵魂——与我们身体的物质构成不同来处理这种明显的脱节，这种立场被称为二元论。而科学则通过假设相反的情况，并支持一种称为唯物主义的理论而蓬勃发展，该理论假设我们观察到的一切，包括意识，都以某种方式源于物质。
也许是因为知道他们无法解释这是如何发生的，神经科学家们在20世纪90年代之前一直回避意识的谜团。“你必须退休、有宗教信仰或者是哲学家才能谈论它，”神经科学家Christof Koch说，他是某中心董事会顾问，也是专注于感知科学的研究非营利组织Tiny Blue Dot Foundation的首席科学家。1990年，Koch和诺贝尔奖得主、DNA的共同发现者Francis Crick直接挑战了这一禁忌。他们发表了一篇论文，阐述了研究意识神经生物学的雄心勃勃的计划，并开创了我们今天所知的这一领域。
他们的计划来得正是时候。同年，神经科学家发明了一种观察工作大脑的新方法，称为功能磁共振成像。通过大脑扫描仪，他们跟踪血流变化，以揭示特定时间哪些大脑区域活跃，从而生成大脑活动的彩色图像。研究视觉的Koch认为，通过测量人们在观看特殊光学错觉时的大脑反应，科学家可以找出当某物被有意识地感知时大脑的哪些部分被激活。一些使用的错觉可以以两种方式之一被感知；一个例子是鲁宾的花瓶，既可以看作花瓶，也可以看作两张侧面人脸。图像从未改变，因此大脑总是接收相同的信息，但人们对它的意识体验可以轻松地来回切换。另一种称为双眼竞争的视觉测试也有类似效果：每只眼睛显示不同的图像，人们感知到的要么是其中一个，要么是另一个，但绝不是两者的混合。如果神经科学家能在人们的意识感知切换时扫描他们的大脑，他们就能找到与该变化相关的大脑部分：意识的神经关联。
Koch下了大赌注，毫不夸张。1998年，在德国的一次意识科学会议上，他与哲学家David Chalmers打赌一箱葡萄酒，认为研究人员将在25年内发现意识背后“清晰”的大脑激活模式。Chalmers接受了赌注，他认为25年“可能有点乐观”。
事实证明这极其乐观。这些主导了20世纪90年代领域的早期视觉神经关联研究，暗示了一些可能与视觉意识关联较少的区域：来自眼睛的输入首先进入大脑的区域。这些低级别的感官处理区域包含大量我们的意识自我无法获知的信息。这些区域在我们处于麻醉状态时似乎也继续接收感官信息。当这些信息向上传播到大脑褶皱的外层（称为皮层）时，它会进入识别和处理更高级细节（例如图像中的面孔）的区域，意识觉知由此建立。
因此，意识似乎发生在这些早期视觉处理区域之外的某个区域——但具体在哪里尚无共识。
目前有数十种关于大脑如何产生意识的理论相互竞争。它们有不同的起点、不同的目标，甚至对意识有不同的定义。最流行的是全局神经元工作空间理论，该理论将意识设想为一种舞台。当某物进入你的意识觉知——例如痒感或冰箱的嗡嗡声——它就被推上舞台，并在一个称为“点燃”的过程中被聚光灯照亮。舞台上的事物，或在“全局工作空间”中的事物，会被广播到大脑的其他部分，在那里它们能够指导行动、引导注意力等。
高阶理论将意识设想为大脑其他部分正在发生的事情的高级表征。要让你意识到冰箱的嗡嗡声，你的大脑不能仅仅通过激活其听觉部分（位于太阳穴附近）来表征嗡嗡声。嗡嗡声还必须在大脑负责高阶思维的前部区域有相应的“元表征”——例如“我听到冰箱在嗡嗡响”的想法。
另一方面，重入和预测处理理论提出，意识源于我们大脑两个过程的平衡：感知和预测。如果你曾经因为预期看到某物而看到了实际上不存在的东西，你就知道我们大脑的预测能在多大程度上支配我们的实际感知。倾向于预测处理理论的英国萨塞克斯大学神经科学家Anil Seth将意识感知描述为一种“受控的幻觉”，大脑对周围情况的最佳猜测映射到你意识感知的内容。
然后是整合信息理论，这是一个数学和哲学理论，因其不从大脑出发而与众不同。相反，它从意识本身和我们可观察到的其属性出发，然后追问什么样的系统能够允许具有这些属性的事物存在。整合信息理论认为意识是分化的——有许多你当下可能正在经历但并未经历的事情，这使得你的意识富含信息。同时它又是统一的，或整合的——你所有不同的体验都被捆绑成一个单一的意识流。从数学上讲，这两个特征共同使得系统非常复杂。而正是从这种复杂性中产生了意识。
最引人注目的是，整合信息理论暗示意识可能存在于生命系统之外，这是一种泛心论。这个想法，加上该理论相对缺乏基于大脑的基础以及媒体的大量报道，使整合信息理论成为争议的焦点。但它首先启发了我们对意识运作方式最重要的见解之一。
21世纪初，Massimini在美国学习期间，开始使用一种能同时做两件事的设备进行实验：向大脑传递无痛磁脉冲和检测脑电波，这两种技术分别称为经颅磁刺激和脑电图。回到意大利后，尽管国内研究资金状况“令人绝望”，他还是设法争取到了一笔资助，为他的大学购买了一台经颅磁刺激-脑电图联合设备。
几年后，他和一位同事“做了一件疯狂的事”，他说。他们把设备装上卡车，开了九个多小时的车到列日。“我们没有告诉任何人。毕竟这是属于大学的设备。”但机会太好了，不容错过。列日的一位名叫Steven Laureys的神经学家成立了昏迷科学小组，用于治疗和研究患有意识障碍的患者，Massimini相信他的新设备可以用来通过大脑活动测量某人的意识水平。
研究人员之前曾尝试用其他脑成像技术测量意识和无意识大脑之间的差异，但没有取得多大成功。但增加经颅磁刺激让科学家能够刺激皮层的表层，导致特定区域的神经元放电。然后脑电图测量脑电波以揭示这种刺激如何传播。“这就像直接敲击大脑，”Massimini说，“以探测其内部结构。”
你也可以把经颅磁刺激想象成向池塘里扔一块石头。在有意识的大脑（无论是清醒还是做梦）中，扰动会向外扩散，因为神经元会使其网络中的邻居放电。但与水波不同，每一次神经元活动的涟漪都会产生更多的涟漪，以复杂且深远的方式在大脑网络中传播。Massimini先前发现，在无梦睡眠中，这不会发生。经颅磁刺激刺激大脑，神经元放电，但活动波没有被邻近的神经元接收。即使有涟漪，它们也传播不远。清醒时看到的复杂性消失了。
在列日，Massimini和他的同事在患有各种意识障碍的人身上测试了这项技术——处于植物状态、最小意识状态或外部无反应但内部有意识的患者。他们发现，大脑反应更复杂的人更有可能有意识。这种关系可以用一个单一的数字来表示，称为扰动复杂性指数。
扰动复杂性指数是一种非常粗略的意识测量方法，但它可以相当可靠地估计某人在意识谱系中的位置。它表明复杂性是有意识大脑的重要组成部分。在清醒或做梦的大脑中，多样化的神经元网络不断进行双向交流。通过这种方式，有意识的大脑活动既是分化的（或富含信息的），又是整合的（形成一个统一的整体）——这是Massimini从整合信息理论借用的原则，该理论并非始于大脑。这些相互作用建立起复杂性，或称整合信息理论家所说的“因果效应结构”，因此当你刺激有意识大脑的一部分时，其他部分会做出反应。
但在无梦睡眠或某人处于麻醉状态时，所有这些交流都消失了。“一切都崩溃了，”Massimini说，“大教堂倒塌了。”缓慢的脑电波在大脑皮层上传播，神经元在两个电状态之间有节奏地循环。在脑电波之间的“静默期”，神经元进入所谓的“下调状态”，在这种状态下它们无法响应来自邻居的电信号。这就是为什么当你用经颅磁刺激刺激无意识大脑时一片寂静：“没有反馈，没有统一，没有复杂性。”
当然，睡眠和麻醉期间这种复杂性的丧失是暂时的；意识障碍可能是永久性的。“为什么我能在几秒钟内逆转睡眠，在几分钟内逆转麻醉，但我可能永远无法逆转这种病理状态？”密歇根大学医学院研究意识的麻醉师和神经科学家George Mashour问道。Massimini希望我们最终能学会如何为处于植物状态或最小意识状态的人启动意识——重建大教堂。
然而，理解大脑网络的复杂性并不能解开意识之谜。Mashour指出，这些发现可以帮助解释大脑如何达到意识状态，但不能解释一旦达到该状态会发生什么。例如，某人扰动复杂性指数值的变化无法解释为什么一条裙子一会儿看起来是蓝黑色，一会儿看起来是白金相间。它无法解释牙痛与头痛的感觉有何不同，为何循环功能丧失的人会有濒死体验，或者为何迷幻药物5-甲氧基二甲基色胺会让时间似乎停止并消除自我感。
在我们的日常体验和科学能解释的内容之间存在一道鸿沟。“没有人真正有一个能弥合解释鸿沟的理论，”墨尔本莫纳什大学的哲学家Tim Bayne说，“但这是我们的问题，不是大脑的问题。”
在2023年6月纽约市的一次会议上，Koch给了Chalmers一箱葡萄酒，承认他输掉了赌注。“很明显，事情并不明朗，”Chalmers说。
那个周末，证据看起来特别模糊。一个名为“Cogitate联盟”的小组领导的一项大型研究项目的结果刚刚被分享，该项目旨在让整合信息理论与全局神经元工作空间理论相互竞争。该项目涉及在全球八家不同机构使用的三种不同测量技术。研究人员根据每种理论预测了当图像被有意识感知与未被感知时，大脑中应该发生什么。测试这些预测可能会挑战甚至证伪任一理论。
两种理论都受到了打击。整合信息理论认为意识主要源于大脑后部的持续活动。这个“热点区”位于许多感觉神经元网络的交汇处。相比之下，全局神经元工作空间理论预测，只有当刺激（如图像）在前脑部分（如以前额叶皮层为代表的区域，以其规划和决策功能而闻名）的工作空间“点燃”时，才会上升到意识水平。全局神经元工作空间理论还预测，这种点燃信号会表现为两个离散的活动峰值——一个在图像首次呈现时，一个在图像消失时——而整合信息理论预测只要一个人看着图像就会有持续活动。
结果非常混杂。尽管大脑后部有与意识感知相关的持续活动，但该区域的网络并未以整合信息理论预测的方式同步。尽管图像首次呈现时前额叶皮层有信号，但图像消失时没有第二个信号，这与全局神经元工作空间理论的预测相悖。
然后，几个月后，该领域爆发了。2023年9月，一封公开信在线发布，称整合信息理论为伪科学，由该领域内外的124名研究人员签署。争论的焦点较少在于理论本身，而更多在于媒体对其的报道，公开信的作者认为这些报道轻信不疑。作者们还对整合信息理论的泛心论含义提出异议，强调对其的描述是“不科学的”和“魔术主义的”。“这些大胆的说法威胁到意识科学研究本身的合法性，”许多作者在一篇后续文章中写道。
整个领域可能失去其合法性的前景笼罩着这场争论。一方担心整合信息理论的声音会将意识科学进一步推向边缘，另一方则担心公开给一个理论贴上“伪科学”的标签会导致整个领域的垮台。“我最大的恐惧是我们迎来另一个‘意识寒冬’，届时仅仅谈论意识就会被视为伪科学的胡言乱语，”塔夫茨大学的意识研究员Erik Hoel写道，他发表过大量关于整合信息理论局限性的文章，在一篇为该理论辩护的帖子中如此表示。
这场主要在在线帖子和媒体中进行的辩论，最终在去年三月的《自然神经科学》杂志上得到了梳理。自那时起，参与的科学家们似乎正试图将这一不愉快的章节抛在脑后。但Seth及其同事最近在《科学前沿》杂志上写道，现在有一种感觉，该领域已经进入了一种“不安的停滞状态”。
“感觉在过去30年里，意识研究赢得了一种来之不易的合法性，”Seth说。并且有重要的成果可以证明这一点。我们现在知道大脑的很大一部分——例如小脑，一个靠近脑干的结构，包含了大脑的大部分神经元——显然与意识无关。我们已经了解到与特定意识体验片段相关的大脑特定区域，例如我们的自我感。我们还得到一些线索，表明我们大脑深处古老的结构，如丘脑，可能比神经科学家先前认为的更多地参与其中。
但这一切之下隐藏着无数的未知。“仍然存在关于如何定义[意识]、它是否存在、意识科学是否真的可能、我们是否能够就[人工智能]等异常情况下的意识发表看法等方面的分歧，”Seth说。他补充道，这可能与其他科学探索旅程（如人类基因组计划绘制我们的遗传密码或借助詹姆斯·韦伯太空望远镜绘制宇宙）形成对比，或许这种对比并不公平。
“这是一个奇妙的时刻，但也令人清醒，”Bayne说。建造越来越大的粒子对撞机是揭示亚原子世界物质的相当不错的策略。但对于揭示意识的本质，却没有必胜的赌注。“如果比尔·盖茨明天给我1000亿美元，说‘好吧，弄清楚意识是什么，’”他说，“我不知道该怎么花这笔钱。”
人工智能可能很快就会迫使我们行动。2022年，当某中心的一名工程师公开声称他一直在开发的名为LaMDA的人工智能模型似乎有意识时，该中心反驳说“没有证据表明LaMDA是有感知的（而且有大量证据反对这一点）”。Chalmers觉得这很奇怪：这家公司可能指的是什么证据？“没有人能肯定地说他们已经证明这些系统没有意识，”他说，“我们没有那种证明。”
随着这些机器在模仿人类对话方面变得越来越好——有时甚至直接声称自己有意识——伦理学家、人工智能公司和相关公众越来越多地向意识研究寻求答案。“突然间，那些哲学问题变成了非常实际的问题，”Chalmers说。
这些问题比人工智能更宏大、更古老。意识存在于我们周围世界的何处？我们如何证明它？科学家和哲学家越来越多地研究动物、人类胎儿、脑类器官和人工智能，以找出可能构成意识基础的共同原则。
研究人员经常通过专注于人类来研究意识，因为我们唯一可以真正确定存在的意识是我们自己的。对于其他所有人，我们必须依赖行为线索，并相信他们不是“哲学僵尸”，即拥有所有意识的外在迹象但没有内部体验。我们每天都在将这种假设扩展到其他人身上。然而，在20世纪的某个时候，科学家们停止了对动物这样做。“当我在20世纪90年代开始研究生学习时，‘黑猩猩没有意识’是许多哲学家的默认立场，”纽约城市大学研究生中心研究动物心智的哲学家Kristin Andrews说。
然而，我们只在假设会找到意识的地方发现它。这是一种聚光灯效应，Andrews解释说，从那时起，我们的聚光灯慢慢扩大了。首先，在20世纪90年代，意识科学家扩大了研究范围，对无法在人类身上进行的实验室猴子进行研究。到2012年一群科学家签署《剑桥意识宣言》时，人们更普遍接受了所有哺乳动物和一些鸟类可能都有感知能力的观点。
现在的前沿停留在鱼类、甲壳动物和昆虫。研究表明，鱼类可以在镜子中认出自己，大黄蜂可以玩耍，螃蟹可以根据相互冲突的优先级权衡决策。Andrews共同起草的2024年《纽约动物意识宣言》指出，所有脊椎动物和一些无脊椎动物（如昆虫、某些软体动物和甲壳动物）存在意识至少具有“现实的可能性”。“我们不能就假设所有这些动物都没有意识，”签署了该宣言的Chalmers说。
比较不同物种的意识可能揭示其最初为何存在。“人们很大程度上关注意识在大脑中的位置，或许对其有何用途关注较少，”Seth说。他推测意识与生命本质相关。生物一次只能做一件事，要选择做什么，它们必须将大量相关信息汇集到一个信息流中。
即使这是正确的，也不意味着碳基生命是意识可能发生的唯一领域。“正如我们可以建造不用拍打翅膀就能飞行的东西，也许还有其他不需要活着就能拥有意识的方式，”Seth说，“我们应该认真对待这种可能性。”
支持聊天机器人（如ChatGPT和Claude）的人工智能大语言模型当然可以很好地模仿意识，尽管今天它们最有可能是Chalmers和其他哲学家曾经想象的僵尸。即使是最狂热的人工智能爱好者也会告诉你，大语言模型所做的只是预测句子中下一个词是什么；它并不“知道”任何东西。但是——严格从哲学角度来看——如果我们尚未就意识如何运作达成一致，我们真的能证明大语言模型没有意识吗？
一些研究人员认为，植根于人类大脑的理论，如全局神经元工作空间理论，仍然可以提供线索。如果大脑像一台生物计算机——这是认知神经科学的一个主导假设——那么也许研究人员可以比较大语言模型如何处理信息，并测试意识的指标。全局神经元工作空间理论（其本身受到早期一种人工智能模型的启发）认为，信息一旦在整个系统中广播，就被有意识地体验了。大语言模型是否做了类似的事情？
并非所有人都接受大脑-计算机电路类比。Seth说，大脑所做的不仅仅是运行处理信息的算法。它们有电场，并与化学信号相互作用。它们由成千上万种消耗能量的活细胞组成。“假设所有这些都不重要，这是一个巨大的假设，”他说，“而由于‘大脑是一台计算机’这一比喻的力量，这一假设在很大程度上未经检验。”
Massimini和Koch等整合信息理论的支持者也认为，系统的底层物理“物质”很重要——仅仅模拟，包括大语言模型，无法产生意识。“就像模拟一场风暴不会让你淋湿，”Massimini说，“或者模拟一个黑洞不会弯曲时空。”
在意识科学中，一切都回到测量问题。你可以尝试寻找不同意识状态的标记——例如，通过扫描一个人清醒时与处于慢波睡眠（通常无梦，因此是无意识的）时的大脑。这种实验设置假设受试者确实没有做梦。但这个假设可能是错误的：有时人们在从慢波睡眠中被唤醒时会报告做梦。他们是错的吗？你相信他们吗？当你的唯一基本事实是他人的话——而这并非真正的基本事实时，你如何确认你对意识的假设是正确的？
当我们面对这个看似棘手的问题时，很容易想找到一个逃避阀：也许这一切都不是真的。也许意识如此虚幻，因为它本身就是一个幻觉，一座只存在于我们头脑中的美丽大教堂。已故哲学家Daniel Dennett经常提出这种怀疑论的立场，这是一个合理的问题。但它不允许我们在治疗脑损伤、理解麻醉剂和迷幻药等药物、以及处理我们对动物和我们正在创造智能机器的态度时置身事外。意识对我们来说是真实的，因此在所有重要的方面它都是真实的。
所有科学都建立在我们无法看到的事物推论之上。Koch指出，我们看不到黑洞，但我们可以花费数十年建立理论并创造工具，让我们推断它们的存在。意识可能是一个更具挑战性的案例，但研究人员并不打算停止尝试。有了合适的工具，“关于物质过程如何引起意识体验的神秘感将会开始消失，”Seth说。
“我不知道之后会发生什么——它是否仍然会令人印象深刻，”列日大学的Demertzi说，“但，你知道，有时大自然如此美丽，即使被分析，你也会感到敬畏。”
