人的意识究竟是怎么产生的?

人的意识究竟是怎么产生的?

吃虾要吃带籽虾,神经形态计算/物理学博士生

介绍一下“全局工作空间理论”,是目前最主流的意识理论之一,也是其中相对较直观的一个。[1]

全局工作空间理论认为,与无意识相比,意识的产生有赖于信息(包括感官输入、记忆或内部表征等)通过各种过程进行操作后进入大脑的“全局工作空间”(目前认为可能是大脑的额顶叶充当着这一角色),这个全局工作空间就像一个广播系统,使得信息能够在整个认知系统中广播。而这种获得广播的信息就和没有获得广播的信息区别开来,从而区分了意识(conscious)、前意识(preconscious)和潜意识(subliminal)。[2]

我们先看一个关于这个理论的形象的比喻,然后再回到脑科学中来讲述。

剧院比喻

全局工作空间理论最早由认知科学家伯纳德·巴尔斯在 1980 年代提出。[3]这个设想综合了许多心理学早期关于注意和意识的想法。

在 1870 年法国哲学家依波利特·泰纳就提出过“意识剧院”,他认为意识就像一个狭窄的舞台,我们每次只能看到一个演员:[4][5][6]

你可以将意识比作剧院的舞台,前台聚光灯处很窄,而越往后面越大。在聚光灯处很难容下一个以上的演员……离聚光灯越远的地方,人影越多,也越难分辨。此外,在舞台的两侧和后台有无数模糊的影子,只要一个指令便可以将它们叫到前台,甚至直接站到聚光灯下。为了满足导演的要求,这群演员人头攒动,不断变化,一个一个出现在我们眼前,就像走马灯一样。

简单来说,我们的思想就好比一个剧院,而剧院主舞台上被聚光灯照亮的那部分才能成为“有意识”。

那意识的聚光灯是什么?

就是大脑的注意力机制。

注意力机制是意识非常重要的特点,这一点我们是知道的。假设现在有三个人 ABC 在同时和你说话,当你关注 A 说的话时,基本上你就无法识别出 BC 说的内容了,这就是注意力机制的一个体现。同时这个现象说明我们注意力的资源是有限的,当我们关注 A 我们就无法关注 BC 了,这就类似剧院比喻中聚光灯狭小照明范围的性质。

大脑包含许多并行运行的专门过程或模块,但其中大部分是无意识的。而大脑的注意力机制就充当聚光灯,将一些无意识活动带入全局工作空间的舞台上(有意识)。

当感官输入、记忆或内部表征受到关注时,它们就会成为全局工作空间的一部分,然后可以通过各种过程进行操作。当元素争夺注意力时,获胜者被允许进入全局工作空间,允许他们的信息在整个认知系统中分发和协调。

意识的聚光灯怎么调节

这时候就有朋友要问了,那这个聚光灯是怎么调节位置的呢?

大脑的注意力机制可以用下图表示[7],大体上可以分为“自下而上”和“自上而下”两种。

我们仍用刚才和 ABC 讲话的例子来说明。此时我们正在专心听 A 讲话,无法分辨 BC 讲话的内容。但突然,B 开始提高音量说话,很显然我们的注意力会因为 B 的音量提高(外部刺激强烈)而被吸引到 B 这边。此时我们能够意识到 B 在说什么了。

自下而上的注意,指的就是纯粹由外部因素驱动的对刺激物的注意引导,这些刺激物因其相对于背景的固有特性而具有显著性。

另一方面,比如 C 虽然一直在讲话,但我们目前还没有关注他。基于从小学到的教养、与人交流的经验知识,我们觉得差不多时候也应该听听 C 在说什么了。于是我们大脑主动将注意力转向 C。

自上而下的注意,指的就是这种基于先前知识、有意计划和当前目标的内部注意引导。

对应到意识剧院的比喻中,一些感觉刺激的输入在经过神经网络的处理之后可能可以来到全局工作空间的舞台上(比如 B 大吼大叫),这就可以自下而上引导“聚光灯”调节方位。另一方面任何已经意识到的信息都可以驱使我们做决定、进行有意识的动作等,即进行了一个自上而下的“聚光灯”调节。

神经影像学

这个理论虽然没有完全得到验证,但也不是空穴来风。神经影像学的一些结果可以作为这个理论的一些依赖(注意我们并不说它是证据)。

在意识剧院中,只有被聚光灯照到的地方才能被整个剧院看见。换到大脑或神经网络的说法中来,就是说,只有进入全局工作空间的信息,才能得到广播,从而成为意识。

我们可以将神经网络大致分成下图这些功能模块:[8]

  • 估值系统
  • 注意系统
  • 运动系统
  • 感觉系统
  • 长期记忆系统
  • 以及我们的主舞台全局工作空间

各个系统并不能独立通达其他系统。而只有进入全局工作空间的信息才能被各个系统通达(就像下图用绿色标识的那样)。[9]

当然就像我们在剧院比喻中说的那样,聚光灯的边缘也有一些能模糊照亮的地方,但离得越远越不清晰。因此根据能在脑中得到广播的程度,我们还可以区分意识、前意识和潜意识。

这样的意识广播模式也能够解释神经影像学中出现的一些结果。比如下图[9],研究者设计了一些实验来让受试者达到意识、前意识和潜意识的状态,然后进行神经影像学监测。结果显示的受试者在心理学意义上的意识、前意识、潜意识等阶段的大脑激活有明显区别。

而前面描述的神经网络的广播可以解释这种差异。当然,还是要注意我们并没有说这是证据。

怎么才能验证理论的正确性

那要怎么样才能确定这个理论到底是不是正确的呢?什么才能作为证据?

那就需要像爱因斯坦的广义相对论预言的“光因引力弯曲”被爱丁顿观察到以后,这个理论才被广泛认为是正确的。

意识的理论也同理。

在伯纳德·巴尔斯的基础上,著名神经科学家法兰西公学院、巴黎萨克雷大学的斯坦尼斯拉斯·迪昂和让 - 皮埃尔·尚热开发了迪昂 - 尚热模型,它是编程为神经网络的意识神经相关性的计算模型。如下图,从神经元开始,通过抑制性、兴奋性突出构建小型神经网络,继而构建更大范围的长程连接神经网络。在这一层次已经表现出“神经雪崩”等临界现象,下图右下角。他们用这个模型展示了神经网络如何选择感觉信息在整个皮层中广播。

因为这个模型的计算性质,人们能够在一定条件下对意识做出预测,而如果预测很正确,那么就意味着全局工作空间理论很正确。

这也是最近意识神经科学界的一件大事,邓普顿基金会拨款了超过 600 万美元,启动了一个“对抗合作”比赛,用于测试两种主流的意识理论全局神经元工作空间理论(GNWT)和整合信息论(IIT)。让两种理论做出预测并进行测试。

目前初步的结果是 GNWT 尚未达到预期,IIT 虽然完成了 2/3 的预期,但是 IIT 也引起了很大争议,具体可以参考另一个问答

如何看待 124 位科学家签名,认为尝试解释意识的「整合信息理论」是伪科学?

关于 GNWT 的争议也有,比如有学者认为它充其量只能说明意识的认知功能 ,甚至无法解决意识是什么,任何心理过程如何可以是有意识的,以及其它更深层次的本质问题,即所谓的“意识难题”。

但也有学者认为虽然该假设并未解决“难题”,即意识的本质,但它为任何试图这样做的理论作出约束,并为意识与认知之间的关系提供了重要的见解。[10]