在她的大腦“舞臺”上,大多數角色都還在場:大腦皮層,大腦最大和最外層的部分,負責我們大部分的思維和認知;下皮層與中腦,負責多種功能,包括運動、記憶和身體調節等;腦幹,是控制呼吸、睡眠以及與身體其他部位交流的重要部位。在這名女患者的大腦中,這些結構都正常發揮著功能。

2014年,中國一名24歲的女士因持續一個月的頭暈和嘔吐而入院。醫生通過對她的大腦掃描發現,她缺失瞭小腦

  2014年,中國一名24歲的女士因持續一個月的頭暈和嘔吐而入院。醫生通過對她的大腦掃描發現,她缺失瞭小腦

然而,所有這些區域都不具有絕大多數的神經元,即通過釋放脈沖來傳遞信息或運動指令的神經細胞。這種區別體現在小腦上,一個位於腦幹後部、大腦皮層下方的結構。高度緊湊的小腦隻占大腦體積的10%,但卻包含瞭大腦50%到80%的神經元。事實上,正因為如此,我們才說這位住院的女士失去瞭大部分大腦。

更令人難以置信的是,她活瞭將近25年之後才知道自己的小腦缺失瞭。與之相比,大腦皮層的神經元數量遠少於小腦,但中風和大腦皮層損傷的患者可能會失去識別顏色、面孔和理解語言的能力,有時可能會發展成所謂的“意識障礙”,一種導致反應能力喪失或意識完全喪失的疾病。

為什麼大腦的神經元網絡感覺像是一種體驗?

大腦的功能性核磁共振(fMRI)掃描圖像

大腦的功能性核磁共振(fMRI)掃描圖像

理解意識可能是我們這個時代最大的科學挑戰。生理的東西(如電脈沖)將如何解釋心理的東西(如夢或自我感覺)?為什麼大腦中的神經元網絡給人以一種體驗的感覺,而電腦或者人群的社交網絡卻沒有這種感覺?

這個問題看起來似乎不可能解決。然而,意識障礙的誤診率在9%至40%之間,這方面迫切需要取得進展。這就要求研究意識的科學傢更加努力,否則我們永遠也不會知道受傷的病人是否真的失去意識,還是盡管沒有反應,但仍有潛在的意識。沒有這些知識,醫生如何知道病人是否有可能康復,或者停止治療是否合乎道德?

許多潛意識清醒的病人並不同於流行文化中描繪的病人,比如法國記者讓-多米尼克·鮑比。他的腦幹因為中風而損傷,全身不能自主活動,隻有左眼瞼能夠眨動。在醫院的病床上,鮑比用眨眼睛的方式選擇需要的字母,拼出單詞,記錄下自己中風之後那段痛苦的經歷。這本名為《潛水鐘與蝴蝶》(1997)的回憶錄一共用瞭大約20萬次眨眼完成。鮑比的癥狀在臨床上被稱為“閉鎖綜合征”,其自發性控制能力的喪失是由腦幹受損造成的,而腦幹對控制身體的其他部分以及與外界溝通都至關重要。

具有內隱意識的不僅有閉鎖綜合征患者,還包括大腦皮層受損的患者。對於後者,內隱意識更難識別,因為這些患者保留的心智能力很可能已經受損。例如,某個患者沒有反應的原因可能不是沒有意識,而是因為大腦皮層的損傷使其失去瞭理解口語的能力。

而且,與鮑比不同的是,這些患者的大腦核磁共振圖像顯示瞭更廣泛的大腦損傷,意味著神經學傢無法確定他們是否具有意識。即使在這些病人睜開眼睛並從昏迷中醒來,通常也會出現完全缺乏反應或無法自主運動的情況,從而被診斷為植物人狀態,也被稱為“無反應覺醒綜合征”(unresponsive wakefulness syndrome)。

檢測意識的存在

為瞭檢測被診斷為意識障礙的患者的隱性意識,由美國加州大學洛杉磯分校的馬丁·蒙蒂等研究者組成的國際研究團隊進行瞭一項聰明的實驗,對一些在其他情況下沒有反應的患者在接到指令時產生的心理意象進行研究。研究小組讓54名病人輪流進行瞭腦部掃描,這些病人有的會做出與其他病人不一致的反應,有的則完全沒有反應。研究人員用功能性核磁共振成像(fMRI)對他們的大腦功能進行掃描,以推斷出有多少部分(如果有的話)可能具有內隱意識。馬丁·蒙蒂說:“在少數情況下,我們可以使用核磁共振檢測出病人的一些意識,盡管他們在其他情況下看起來是無意識的。”

蒙蒂和同事們首先讓看起來已經失去意識的病人想象自己在傢中行走。“除瞭一名參與者外,我們在所有參與者的海馬旁回都看到瞭fMRI的活躍圖像,”該項目的另一名研究人員阿德裡安·歐文說道。但是,僅僅讓人們想象自己在傢裡行走是不夠的。為瞭增強他們的信心,讓他們相信接受掃描時是清醒並遵循指示的,研究人員還嘗試進行第二個任務,這將涉及不同的激活模式。最後,蒙蒂和歐文的同事梅勒妮·博利提到,根據這項研究,復雜的任務可能比簡單的任務更有效。歐文回應道:“網球怎麼樣?”

讓研究人員非常高興的是,讓健康的參與者想象打網球時,得到瞭清晰一致的大腦激活信號。那麼,同樣的任務是否也適用於意識內隱的病人呢?一旦進入核磁共振機器,研究人員要求無反應的病人想象兩項任務——打網球或在傢裡走動——中的一項。蒙蒂表示,誰也說不準最後會有多少病人出現反應。但在第一次實驗中,研究小組就“一擊即中”,他們發現一個原本沒有反應的病人似乎理解瞭打網球的任務。該病人符合植物人診斷的所有標準,但實際上是具有意識的。

這項最終發表於2010年的研究,既讓人充滿希望,又發人深省:54名接受核磁共振掃描的患者中,有5人能夠根據要求生成心理意象,這證明瞭他們的大腦能夠思考、感受和理解,但不能交流。那麼,這些患者是否可以利用這兩項任務來回答問題,比如通過心理意象本身來回答“是”或“不是”,情況會怎樣呢?

簡而言之,“是”可以通過想象打網球來表達,而“不是”可以通過想象在傢裡走動來表達。研究團隊再一次在首次嘗試中就取得瞭成功。在詢問病人幾個問題——比如“你父親的名字是托馬斯嗎?”——之後,研究人員收到瞭相應的反應,這些反應由每個任務的簽名圖像顯示,並記錄在核磁共振成像中。蒙蒂說:“事實證明,即使是看似昏迷的病人,也具有比用標準臨床方法觀察到的更多的認知功能。”

麻醉狀態能揭示什麼?

美國密歇根大學的另一組研究人員追隨蒙蒂及其同事的腳步,在2018年發表瞭一項研究,他們使用瞭一項類似的功能磁共振成像(fMRI)心理意象任務,來展示麻醉狀態下的內隱意識。五名健康的參與者為瞭科學目的而接受瞭全身麻醉,使用瞭藥物異丙酚(propofol),其中一人做到瞭本不可能做到的事情:在掃描儀中根據要求產生瞭心理意象。該研究的暗示很明顯:當外科醫生將我們麻醉時,我們並不一定處於愉悅的無意識狀態中。

fMRI的網球任務表明,在全身麻醉和植物人狀態之下,意識偶爾會潛伏起來。不過,這項任務的有效性取決於病人能否聽到問題並理解口頭語言,而這一假設並不總是適用於大腦受損的人。

意識也可以在沒有理解或聽到語言的情況下產生。在這些情況下,病人可能仍然會感到疼痛、無聊甚至是無聲的夢境。事實上,如果患者大腦皮層的某些區域受損,當他們聽不到蒙蒂團隊提出的問題時,生動的意識體驗可能仍會持續存在。正因為如此,核磁共振掃描可能會忽略許多具有意識的人。我們需要另一種意識標記,作為一種高級的意識探測器,而不是依賴大腦損傷的患者在能聽到或理解語言的情況下,可以隨意產生的心理意象。

意識是一個謎。大量的科學理論試圖解釋為什麼我們的大腦是在體驗世界,而不是簡單地接收輸入並毫無感覺地產生輸出。其中一些理論認為,意識就“在那裡”,比如由英國理論物理學傢羅傑·彭羅斯爵士和美國麻醉學傢斯圖爾特·哈默羅夫提出的一個理論框架。

彭羅斯和哈默羅夫將意識與微管聯系起來,這是一種幫助神經元和其他細胞形成骨架的絲狀結構。在微管內部,電子可以在不同的隔室間躍遷。事實上,根據亞原子尺度上的宇宙規則,這些電子可以同時存在於兩個空間中,而這種狀態被稱為量子疊加態。意識的出現很大程度上可以用量子物理學來進行解釋:聲稱需要一個有意識的觀察者來讓一個粒子(比如電子)在空間中有一個明確的位置,從而結束疊加。正如哈默羅夫在PBS系列節目《走近真相》的采訪中所說:

“你具有一種可能性的疊加態,坍縮成一種或另一種狀態,當這種情況發生時,就有瞭主觀性。對許多人來說,這似乎有些誇張,但正如福爾摩斯所說的:‘如果你排除瞭不可能,剩下的選項無論看起來多麼不可能,都一定是正確的。’”

在另一些研究者,比如加州大學洛杉磯分校從事意識研究的喬爾·弗羅利希看來,這樣的理論並不具有說服力。他拒絕將量子幽靈與意識混為一談。首先,彭羅斯和哈默羅夫提出的關於意識的詳盡理論需要一種新的物理學——量子引力——而這一物理學還沒有發展出來。但更重要的是,彭羅斯和哈默羅夫的理論框架未能解釋為什麼小腦與意識無關。小腦神經元也有微管,那為什麼小腦可以在不影響意識的情況下缺失或損傷呢?

意識體驗的基礎是什麼?

美國威斯康辛大學的神經學傢朱利奧·托諾尼(Giulio Tononi)並不關註哪些大腦過程或大腦結構與意識有關,而是從另一個方向來研究這個問題,即意識體驗本身的本質特征是什麼?

美國威斯康辛大學的神經學傢朱利奧·托諾尼(Giulio Tononi)並不關註哪些大腦過程或大腦結構與意識有關,而是從另一個方向來研究這個問題,即意識體驗本身的本質特征是什麼?

美國威斯康辛大學的神經學傢朱利奧·托諾尼提出瞭一種更有前景的方法。他並不關註哪些大腦過程或大腦結構與意識有關,而是從另一個方向來研究這個問題,即意識體驗本身的本質特征是什麼?

作為背景,我們可以將他的方法與另一個更宏大的問題進行比較,那就是:生命是什麼?生物會把形狀傳遞給後代,所以一定會有遺傳信息從父母傳遞給孩子(動物和植物也是如此)。但是,生物也在不斷演化並適應所處的環境,因此這種遺傳信息必須是可塑的,在一代一代的傳遞中不斷改變。

從這個自下而上的角度來思考這個問題,你可能已經預測瞭一種復雜分子的存在,比如脫氧核糖核酸(DNA)。它既能儲存遺傳信息,也會發生變異,允許自然選擇的演化。事實上,物理學傢埃爾溫·薛定諤在他的《生命是什麼?》(What is Life?,1944)一書中,就從這個方向來看待這一問題。相反的方法,比如觀察許多生物並研究它們有什麼共同之處,可能並不會讓你想到DNA,除非你有一臺非常強大的顯微鏡。

正如生命在一百多年前讓生物學傢們頭疼一樣,意識也讓今天的神經科學傢們“絞盡腦汁”。為什麼有些大腦區域對意識至關重要,另一些區域則不然?這個問題還遠沒有答案。因此,托諾尼的方法是考慮意識體驗的基本特征。當我們有某種體驗時,是什麼定義瞭它?首先,每一種意識體驗都是特殊的。你對藍色的體驗就是它本身,部分是因為藍色不是黃色。如果你從未見過除藍色以外的任何顏色,你很可能就會對顏色沒有概念或體驗。同樣地,如果所有的食物嘗起來都一樣,味覺體驗就沒有意義,並且就會消失。每一種意識體驗都必須是特殊的,這樣的要求稱為“差異化”。

但與此同時,意識也是整合性的。這意味著,盡管意識的對象具有不同的特質,但我們永遠不會分別體驗到每一種特質。當你看到一個籃球飛快地向你飛來時,它的顏色、形狀和運動都緊密地聯系在一起。在一場比賽中,你永遠不會意識到籃球的橙色獨立於它的圓球形或它的快速運動而存在。同樣地,你的左右視野也都不是獨立的,而是作為一個整體相互依存。

托諾尼認為,差異性和整合性是意識的兩個基本特征。因此,正如生命的基本特征可能會導致科學傢推斷出DNA的存在一樣,意識的基本特征也會使托諾尼推斷出意識系統的物理特性。

意識探測器

未來開發“意識探測器”的工程師們要註意瞭:對於這樣一臺神奇的機器,在無反應的病人大腦裡所要尋找的,正是這些物理特性。意識是明確的,因此像大腦這樣的物理系統必須從大量的可能狀態中進行選擇,決定哪些才是意識。正如生命與DNA之間的聯系一樣,這一推論非常依賴於信息的概念。

體驗能夠提供很有用的信息,因為它們排除瞭其他體驗:巧克力的味道不同於鹽的味道,玫瑰的氣味不同於垃圾的氣味。這些體驗提供瞭信息,並且得到瞭大腦與意識的識別,可以推斷,當一個人的意識增強時,大腦中的信息也會增強。事實上,當大腦中充滿瞭信息時,它所保留的各種可能狀態就會增多。

這就像一個猜字遊戲。首先,讓我們想象一下用英語玩猜字遊戲。英語字母表包含26個字母,每一個正確猜出的字母都能提供適當的信息。像“e”這樣的普通字母提供的信息較少,而像“x”這樣的罕見字母提供的信息更多(畢竟沒有多少英語單詞是用“x”拼寫的)。但是,想象一下用數千個漢字來玩猜字遊戲。每個字都是非常有用的,因為其出現的頻率幾乎都低於英語中的任何一個字母。因此,由於中文有更大的可能字符庫,猜出一個字或許就可以贏得整個遊戲。

大腦也是如此:當大腦可能狀態的集合更大時,其信息內容就會增加,它對高度差異化的意識體驗的能力也會增加。但與此同時,意識也依賴於整合性:神經元必須交流並分享信息,否則在意識體驗中包含的特性就不能再綁定在一起。這種同時要求差異化和整合性的做法感覺就像是一種悖論。

托諾尼的一個比喻為我們提供瞭較為清晰的解釋:有意識的大腦就像一個民主社會,每個人都可以自由地投不同的票(差異化),也可以自由地相互交談(整合性);另一方面,無意識的大腦更像是一個極權社會,公民之間可能被禁止自由交談(缺乏整合性),或者被迫以同樣的方式投票(缺乏差異化)。

差異化和整合性對於意識也是必不可少的。這並不是一個不切實際的觀點,而是基於臨床觀察。在這些數據中,最引人註目的是病人的報告,例如那位匿名的中國女患者,在缺失小腦的情況下仍保持意識。事實證明,小腦是一個“極權”社會,它的神經元雖然很多,但不能自由地相互交流。事實上,小腦的神經元是以鏈條的方式組織起來的:每個神經元沿著鏈條向下一個神經元發送信息,但鏈條之間幾乎沒有通信,也沒有反饋沿著鏈條的另一個方向傳遞。

大腦與意識的隱喻

為瞭理解這種交流方式,你可以想象許多人站成一排,每個人都輕拍下一個人的肩膀。因此,盡管小腦包含瞭大腦中的大部分神經元,但它的神經元幾乎沒有整合性。沒有整合性,就沒有意識。另一方面,大腦皮層就像一個自由的社區,其居民(神經元)可以自由地互動,不僅僅是與鄰居互動,還可以與更遙遠的居民互動。

當然,意識並不總是存在於大腦皮層中。在夜間的無夢睡眠中,差異化會喪失。大量的神經元被迫達成一致,以同樣的模式一起放電。通過腦電圖(一種記錄頭皮上腦電波活動的技術),研究人員可以“聽到”這些神經元一起“喊出口號”,就像體育場上的人群一樣。同樣的差異化喪失也發生在全身型癲癇發作時,大量的神經元由於失控而一起放電。當神經元鎖定在一起時,意識就從大腦中消失瞭。

托諾尼的理論——差異化和整合性都是意識形成所必需的——被稱為“整合信息理論”(integrated information theory,簡稱IIT)。利用該理論,人們可以系統地預測哪些大腦區域與意識有關(大腦皮層),哪些區域與意識無關(小腦)。在臨床中,整合信息理論已經幫助研究人員推斷出哪些腦損傷病人是有意識的,哪些沒有。根據該理論關於意識系統的描述,研究人員可以推斷出有意識的大腦在接收到能量脈沖後應該做出什麼樣的反應——意識檢測器效果應該比在核磁共振成像掃描儀中想象打網球強得多。

正如馬丁·蒙蒂所說,這就像在敲木頭,通過敲擊的聲音來推斷木頭的密度。在這種情況下,“敲打”是通過線圈產生的磁脈沖來實現的,這種技術被稱為經顱磁刺激(transcranial magnetic stimulation,簡稱TMS)。然後,研究人員利用腦電圖來傾聽這種磁場擾動的“回聲”,從而瞭解大腦究竟是一個什麼樣的“社會”。

如果“回聲”是高度復雜、整合和差異化的,那我們面對的就是一個多元社會,不同的大腦區域有不同的反應方式;病人可能還有知覺。但是,如果反應是無差別的,即各個區域的信號都相同,那我們面對的就是一個同質化的社會,病人很可能是無意識的。

2013年,由意大利米蘭大學神經學傢馬塞洛·馬西米尼領導的國際研究團隊就引入瞭上述方法——這是迄今為止最好的“意識檢測器”版本。這項技術的正式名稱是“擾動復雜性指數”(perturbational complexity index),有時被稱為“轟擊和壓縮”(zap-and-zip),因為它首先是用磁脈沖對大腦進行沖擊(zap),然後觀察腦電圖反應壓縮(zip)的難度,以衡量其復雜性。

研究人員已經利用zap-and-zip來確定一個人是處於清醒狀態、深度睡眠狀態,還是處於麻醉狀態或意識障礙(比如植物人)狀態。很快,這種方法就能告訴我們,有哪些腦損傷的無反應病人(以及那些因手術而麻醉的病人)是有意識的,即他們盡管不能交流,但仍然有感覺和體驗。事實上,正如《科學轉化醫學》(Science Translational Medicine)雜志的評價,這項技術是迄今為止最接近於“對不可量化的東西進行量化”的科學。

然而,關於意識仍然存在著更多的謎團。在加州大學洛杉磯分校馬丁·蒙蒂的實驗室裡,喬爾·弗羅利希正在研究,為什麼患有罕見遺傳病“安格曼綜合征”(Angelman syndrome,又稱天使人綜合征,以最先歸納該疾病的英國兒科醫生哈裡·安格曼命名)的兒童,即使在醒著並體驗周圍世界的時候,也會表現出缺乏差異性的腦電活動?

毫無疑問,這些孩子是有意識的,通過觀察他們豐富的目的性行為就可以清楚地看出這一點。然而,如果在患有安格曼綜合征的孩子頭上戴上腦電圖描記帽,就會發現神經元似乎都被鎖定在同一狀態。

與意識無關的大腦活動

安格曼綜合征患者可以向我們展示哪些類型的大腦活動對意識至關重要,他們與那些缺少部分或全部小腦的患者一樣,能幫助研究者更進一步瞭解意識的問題。喬爾·弗羅利希正最近在這一領域的研究表明,盡管安格曼綜合征患者的腦電圖顯示瞭很明顯的神經元反應,但在這些孩子睡覺時,神經元的行為仍然發生瞭改變:它們的“回聲”更響瞭,而且內容並不是那麼豐富多樣。他很樂觀地認為,當最終有人通過zap-and-zip方法測量安格爾曼綜合征患兒的神經回聲時,結果將證實該方法足夠敏感,可以區分意識和無夢睡眠。如果不能做到,“意識檢測器”的開發就將從頭開始。

意識可能是科學的最後一個前沿。如果整合信息理論繼續引導我們朝著正確的方向前進,或許在不久的將來,研究者就能開發出更好的診斷意識障礙的方法。有一天,我們甚至可以以此來分析人工智能——一種與人類截然不同的潛在大腦——並評估它們是否具有意識。這不是科幻小說:許多嚴肅的思想傢,包括已故物理學傢斯蒂芬·霍金、技術派企業傢伊隆·馬斯克、加州大學伯克利分校的計算機科學傢斯圖爾特·羅素,以及牛津大學人類未來研究所的哲學傢尼克·博斯特羅姆,都十分認真地對待近年來人工智能的發展,並深切擔心未來(人類或超人級別的)人工智能可能帶來的風險。當一個人工智能具有瞭意識,斷開它是否會違背道德?在未來幾十年後,任何準備斷開超級人工智能的人,都會想知道這到底是一個正在“黑化”的人工意識,抑或僅僅是一臺復雜的數字計算機,在發出模仿恐懼的聲音。

盡管這樣的挑戰還沒有擺在我們面前,但科學傢和哲學傢已經在試圖理解近年來微型似大腦類器官的發展。目前,這些在體外培養皿中生長的“迷你大腦”正在幫助生物醫學研究人員瞭解影響大腦的疾病,但是,如果隨著生物工程在未來幾年變得更加復雜,它們最終發展出意識——以及忍受痛苦的能力——又會帶來怎樣的後果?迷你大腦和人工智能所帶來的挑戰表明,對意識的研究已經不再深奧難懂,也不再僅僅是象牙塔裡的消遣。理解意識真的很重要,畢竟,我們的心靈要依賴它才能感受到幸福。(任天)

Source: m.cnbeta.com