第二節　意識研究發展史

美國哲學家托馬斯·內格爾（Thomas Nagel）在1974年出版的What Is It Like to Be a Bat？一書中提出：“意識使心身問題變得非常棘手。如果沒有意識，心身問題就會索然無味；可一旦有了意識，要想搞清楚它又似乎渺無希望。”自從17世紀中葉法國杰出哲學家、數學家、物理學家勒奈·笛卡爾（René Descartes）發表的《論人》以來，哲學家和科學家就開始以現代的視角思考心身問題。但是直到20世紀80年代為止，絕大多數腦科學研究都根本不提及意識。在最近20多年中，哲學家、心理學家、認知科學家、神經科學家、臨床醫生甚至還有一些自動化學家等工程師，均在不同角度發表了很多論文、論著和專著以“解釋”“揭示”或“反思”意識的相關問題。但是許多諸如此類的研究仍然缺乏周密的科學步驟來系統地揭示意識的神經學基礎，神經科學是一門年輕的科學，它正在以越來越精巧的方法快速積累新知識。因此，意識至今仍然是以科學態度認識世界所面臨的最重要的謎團之一。

一、哲學方向

意識研究最早源自古希臘時期希波克拉底提出的一元論，他認為：“人類應該知道，我們的喜怒哀樂都來自大腦，且只來自大腦。”隨后柏拉圖哲學理念認為意識是認識主體，泛指思維、心靈或靈魂。理念世界就是意識世界，是唯心主義哲學的核心部分，后面發展成柏拉圖主義普羅提諾的宗教哲學思想，被奧古斯丁繼承改造成基督教護教神學的核心思想。《論靈魂及其起源》對靈魂定義為人類獨有的理智認識能力。而他的學生亞里士多德撰寫的《靈魂論及其他》闡述了他對生與死、睡與醒，以及其他心腦問題的深入思考。亞里士多德認為構成軀體的成分并不具備發展成復雜有機體的能力，必然有某種額外的東西存在，他稱之為“eidos”。和柏拉圖所下的定義完全不同，亞里士多德的eidos是程序目的性原則，在他的思想中，該詞所表示的意思和現代生物學家的遺傳程序所表達的完全一樣。亞里士多德認為理念是人對形式的抽象，形式在自然中發揮作用。靈魂被描述為活物的形式（“實質”），不與物質分離。靈魂是人體中的一種潛能。人的機體被看成為一個整體。亞里士多德把人的靈魂分為兩個部分：一是非理性靈魂，其功能是本能、感覺、欲望等，二是理性靈魂，其功能是思維、理解、認識等。他認為，在人的認識過程中，靈魂的主要功能是感覺和思考。靈魂借助于感覺器官而感知外界事物，那被感覺的東西是不以人的意志為轉移的，從而承認感覺在認識過程中的地位和作用。但是，他又認為感覺在這里只起到一種誘發的作用，真理和知識只有通過理性的思考才能獲得。因此，亞里士多德的教學目的是發展靈魂高級部分的理性。

在中世紀，哲學家勒奈·笛卡爾（Ren é Descartes）提出身心二元論，他認為人由完全不同的兩種實體組成，一個是心靈，另一個是身體。心靈是非物質實體，永生不滅，不占空間，具有意識；身體是物質實體，可以被摧毀，占據空間。心靈“寄居”在人的身體（或者說大腦）中，接受身體傳來的信息，并向身體發送指令。他將物質分為“物質實體”和“思維實體”兩種，物質實體對應著物理世界中的物體，而思維實體則只有人類才擁有，并由此產生了意識。

由于近代哲學懷疑論者對上帝存疑，甚至不承認靈魂論，并且逐漸把靈魂下降為意識活動，近代唯物主義哲學家復活了伊壁德謨克利特和鳩魯主義思想的物質本源論（唯物論前身），將意識替代了思維主體或認識主體者的理智能力（即靈魂）。隨后，近代哲學家們把理智認識能力和精神意識世界或者人的思維能力等統稱為“意識”。

二、生物醫學方向

19世紀末，西班牙神經解剖學家羅曼尼·卡哈爾（Romany Cajal）運用并改進了銀染色法，對神經系統進行了大量研究，創立了神經系統的神經元理論，認為神經系統并非連續一片，而是由一個個神經元組成。卡哈爾的研究為現代神經科學奠定了基礎。1897年，英國科學家查爾斯·斯科特·謝靈頓爵士（Sir Charles Scott Sherrington）在卡哈爾創立的神經元學說的基礎上，提出使用突觸（synapse）來描述一個神經元與另一個神經元之間的接觸部位，并認為神經元是通過這個部位進行信息溝通的。1924年，德國醫生漢斯·伯杰（Hans Berger）第一次記錄了患者的腦電波，成為第一個描述正常和非正常大腦的不同波形、節律的科學家。1969年，神經科學家杰里·萊特文（Jerry Lettvin）在麻省理工學院演講時，闡述了后來被稱為“祖母細胞”（grandmother cell）的理論。萊特文認為，我們日常的每一種意識體驗、思維以及記憶，不管是對于某個親戚朋友，還是其他任何人或者物，都只有大約18 000個神經元與之對應。1990年，英國科學家弗朗西斯·克里克（Francis Crick）和美國科學家克里斯托夫·科赫（Christof Koch）發表《論意識的神經生物學理論》，提出泛泛的哲學爭論無助于解決意識問題，真正需要的是有希望解決這些問題的新實驗方法，只有通過研究神經元及它們之間的相互作用，才能積累以實驗為基礎的、明確的知識，并建立起真正科學的意識模型。1994年“走向意識科學”（Toward a Science of Consciousness，TSC）國際會議首次在美國圖森市（Tucson）召開，標志著意識作為一個明確的研究主題，成為哲學和科學的共同使命，也標志著意識研究科學共同體的形成。1998年，美國亞利桑那大學成立了世界上第一個意識研究中心。該中心成立的目的是聯合哲學家、認知科學家、神經科學家、社會學家、醫生、物理學家、藝術家和人類學家，共同研究人的意識問題。

此外，荷蘭神經科學家伯納德·巴爾斯（Bernard Baars）提出了意識的全局工作空間模型。他認為意識存在于一個被稱為全局工作空間的模型之中，除此之外還有無意識加工的處理器以及背景。2003年，美國生物學家杰拉爾德·埃德爾曼（Gerald Edelman）提出“動態核心假說”，認為在任何一個給定時刻，人腦中只有一個神經元的子集直接對意識經驗有所貢獻，換而言之，人在報告某一意識時，大腦中相當一部分神經活動和人所報告的意識沒有對應關系。2004年，美國科學家朱利奧·托諾尼（Giulio Tononi）提出“整合信息理論”，認為一個物理系統滿足兩個條件即可擁有意識：一是這個物理系統必須具有豐富的信息，二是在系統中信息必須要高度整合。托諾尼還與意大利科學家馬塞洛·馬西米尼（lvLarcello Massirruni）合作，利用經顱磁刺激技術和腦電圖，開發出了一種檢測意識的方法。

近代，神經科學開始應用復雜神經網絡的非線性相互作用來為人的感知和思維的形成建立分析模型，精神狀態（例如模式識別、感情、思維）的形成，可解釋為大腦集合體中（宏觀）序參量的演化，序參量是由遠離熱平衡的學習策略中，神經細胞的非線性（微觀）相互作用引起的。

意識的產生必須先要有無數的生物學過程。在意識研究的神經生物學方面，特別值得一提的是關于“神經醫師相關物（neuronal correlates of consciousness，NCC）”，NCC是指足以引起特定有意識知覺的神經活動及其機制的最小集合。因此，要想產生意識，必須先具備某些神經前提條件，這些前提條件被稱為NCC。第一，適當的血液供應是必需的，如果截斷血液供應，意識就會在幾秒鐘內喪失；第二，中腦網狀結構（midbrain or mesencephalic reticular formation，MRF），也稱為上行激活系統，控制著人類的覺醒或清醒水平，如果雙側MRF都被毀損，則不論刺激多強，也不會有反應，患者通常會陷入昏迷，不省人事；第三，大腦產生的神經遞質，包括興奮性神經遞質和抑制性遞質，兩類神經遞質的活動隨著睡眠-覺醒周期起伏，一般來說，在覺醒或快速動眼睡眠（rapid eye movement sleep，REMS），興奮性神經遞質神經元的發放活動增強，而在非快速動眼睡眠（non-rapid eye movement sleep，NREMS）或慢波睡眠期，抑制性神經遞質神經元活動增強；第四，是所謂的非特異性丘腦核團（nonspecific thalamic nuclei），丘腦中的這些非特異性核團并不負責某種特定的感覺模態，而是投射到許多皮層區域的表層，其中最著名的是5個板內核（intralaminar nuclei，ILN），Purpura（1997）和Cotterill（1998）都一致強調丘腦板內核對產生意識的關鍵作用。由此可見，任何體驗都需要腦干、基底前腦和丘腦的諸多核團不斷地對大腦皮層及其附屬物進行調節，這些神經元細胞的軸突在大腦皮層的投射非常廣泛，不斷地釋放興奮性和抑制性神經遞質，對保持睡眠覺醒及神智起著重要作用，與上行纖維共同創造了產生意識內容的必要條件。

三、腦計劃

對人類而言，大腦的復雜程度及發揮的作用是其他任何器官無法比擬的，它對人類而言至關重要。理解人腦的運行機制不但有助于提高對意識障礙、帕金森病、阿爾茨海默病等腦部疾病的診療水平，對人工智能研發也具有重大意義。同時，它還有助于破譯人機界面智能化的世紀難題，開發全新的信息處理系統。因此，腦科學被視為自然科學科研領域“皇冠上的明珠”，并得以蓬勃發展，成為近20年來發展最快的學科之一。

（一）美國腦計劃

2009年，美國國立衛生院（National Institutes of Health，NIH）推出為期5年的“人腦連接計劃”，旨在繪制人大腦的結構和功能連接圖，以提高人類對自身大腦的認識，并通過構建共享數據庫為以后的研究提供便利。2013年，美國啟動“大腦計劃”（Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies，BRAIN），同年4月2日，美國白宮正式公布一項腦科學研究計劃，其工作組提出了9個資助領域，全部獲得國家衛生研究院批準，這些領域包括：統計大腦細胞類型、建立大腦結構圖、開發大規模神經網絡記錄技術、開發操作神經回路的工具、了解神經細胞與個體行為之間的聯系、整合神經科學實驗與理論、模型、統計學等、描述人類大腦成像技術的機制、為科學研究建立收集人類數據的機制、知識傳播與培訓，以探索人類大腦的工作機制，繪制腦活動全圖，針對無法治愈的大腦疾病開發新療法，旨在集結各方智慧，更好地理解人腦的工作原理以及人腦出現故障時如何解決。2018年11月，美國創建了應用于掃描人類大腦活動的無線光學層析成像帽，開發了應用于改善癱瘓患者生活的無創腦-機接口系統，尋找控制疼痛及阿片類藥物濫用的方法，以及用于治療精神分裂癥、注意力缺陷障礙和其他腦部疾病測試的無創腦刺激裝置。因此，美國國會曾將20世紀的最后10年命名為“腦的十年”。

（二）歐盟腦計劃

2013年10月歐盟“腦計劃”啟動，歐盟“人腦項目”確定了3個著眼點：一是多層次的鼠腦結構，為人腦圖譜和模型的開發提供重要信息；二是多層次的人腦結構，以產生從戰略角度經過篩選的人腦數據，并與鼠腦數據進行對比，找出差異；三是腦功能與決定具體認知和行為能力的神經元結構。與此同時，歐盟人腦項目組提出建設6個平臺，分別支持神經信息學、腦模擬、醫學信息學、高性能計算、神經形態計算和神經機器人技術的發展，旨在復制包括神經元及其電活動在內的人類大腦。2015年，其工作重心轉變為實驗神經科學研究和為數據分析、建模和模擬、機器人和倫理框架提供工具和工作流程的基礎設施平臺，歐盟腦計劃也變成有某種永久性共享基礎設施的國際組織。同年，他們首次用超級計算機模擬了共包含31 000個神經元和3 700萬個神經突觸的大鼠神經網絡。2018年，歐盟腦計劃再次獲得階段性進展，推出了首張小鼠大腦中每個細胞的數字3D圖譜，為神經科學家提供全部737個腦區中主要細胞類型、數目和位置等先前無法獲得的信息，極大地加快了腦科學的進展。到目前為止，歐盟腦計劃取得了許多突破性進展，其中包括能夠應用在神經形態計算機上的全新學習算法，充分結合實驗神經科學成就的全新理論模型，以及對于理解學習、認知、空間記憶、多感官整合、睡眠和意識的神經基礎等。與美國的“腦計劃”非常重視人腦活動過程相比，歐洲的“人腦項目”更加側重于對數據的研究，更好地實現人工智能。

（三）中國腦計劃

2016年中國“腦計劃”啟動，其核心為“一體兩翼”。“一體”以人類認知的神經基礎為主體和核心；“兩翼”包括以探索大腦秘密、攻克大腦疾病為導向的腦科學研究以及建立和發展以人工智能技術為導向的類腦研究。腦科學與類腦研究中國腦計劃主要解決大腦3個層面的認知問題：一是大腦對外界環境的感官認知，即探究人類對外界環境的感知，如人的注意力、學習、記憶以及決策；二是對人類以及非人靈長類自我意識的認知，通過動物模型研究人類以及非人靈長類的自我意識、同情心以及意識的形成；三是對語言的認知，探究語法以及廣泛的句式結構，用以研究人工智能技術。2018年，我國科學家首次針對人類前額葉皮層發育過程中前額葉形成中的細胞與分子機制進行了系統研究，繪制了前額葉皮層中興奮性神經元神經發生的時間線，并檢測了早期額葉皮層中早期神經元祖細胞的存在。2019年，我國學者將單突觸狂犬病病毒示蹤劑與熒光微光學切片斷層掃描結合使用，以生成對雄性小鼠內側前額葉皮層（medial Prefrontal cortex，mPFC）中γ-氨基丁酸（γ-aminobutyric acid，GABA）能中間神經元直接遠程輸入的全腦圖譜。

除美國、歐盟和中國外，日本、澳大利亞、韓國和加拿大也分別提出自己的“腦計劃”。2014年，日本腦計劃啟動，即“綜合神經技術用于疾病研究的腦圖譜（Brain Mapping by Integrated Neurotechnologies for Disease Studies，Brain/MINDS）”項目，旨在利用非人靈長類動物狨猴繪制神經元回路的結構和功能圖譜，以幫助最終了解人類復雜的大腦。2016年2月，澳大利亞提出通過增加國際合作來提高本國的大腦戰略性研究，目前已在神經鎮痛裝置、仿生視覺裝置等方面獲得轉化性成果。2016年5月，韓國提出“腦科學發展戰略”，通過政府資助提高國家腦科學研究水平，并在腦疾病防治方面取得突破。2017年，加拿大啟動腦科學研究戰略，著重開展對大腦發育及功能的研究，并利用研究成果防治腦疾病，帶動人工智能技術的發展。

綜上所述，現代人對意識的研究有多學科概念，不再限于生物學科。這就是意識源自于大腦的真空態激發。心理學和哲學也與意識研究有關聯，意識可分有意識和無意識，這兩個概念又與視覺中的關注和視而不見、視覺盲、變化盲有關聯。意識的檢測是研究的實驗模式，腦電波測量、磁共振掃描儀、腦磁圖、近紅外光譜儀、透明腦技術等通過電生理記錄或光學成像，可以獲取患者大腦中數十億比特的信號，應用新的計算手段和算法，對這些信號進行辨認、顯示乃至于理解，從而對有意識和無意識的狀態進行比較、分析和推斷，為研究意識NCC提供了關鍵線索。磁共振成像技術的時間分辨率雖然不像微電極那么高，但它可以檢測整個大腦的代謝、血氧動力學或神經元活動，此外，還可以通過復雜的磁共振染料，檢測大腦細胞內鈣離子或基因產物的濃度是否變化。這些檢測手段可以看出人腦的變化與意識的關聯，但檢測的信息能否說明意識是什么？意識是怎么產生的？就需要進一步探索外意識的檢測是否表明意識可以量化式測量，這是一個新問題。

總之，意識的研究歷史悠久，涉及面很寬，有多學科、多層面、多系統、多未知因素的復雜問題。盡管這方面研究集中在心、腦、靈魂、精神、物質等關鍵詞上，但至今仍然是“世界之結”，是科技前沿研究熱點之一。