怎样让意识难题变得简单?

让互相“打架”的理论彼此合作

全局空间理论和整合信息理论是意识科学目前最有影响的两个模型,近日Science杂志的一篇文章提出用对抗性合作的方式,检验已有理论,并探索可能的新理论。这种研究方式有望拓展到多学科的探索中。

本文来自微信公众号:集智俱乐部(ID:swarma_org),作者:Lucia Melloni、Liad Mudrik、Michael Pitts、Christof Koch,译者:潘佳栋,审校:赵雨亭,原文标题:《Science: 怎样让意识难题变得简单?》,题图来自:《超体》

论文题目:Making the hard problem of consciousness easier,论文地址:https://science.sciencemag.org/content/372/6545/911

科学史中有很多具有挑战性的问题,包括意识的“难题”[1]:为什么神经元的集合——无论多么复杂(比如人脑)——会产生感知和意识体验:例如巧克力的甜味或亲吻脸颊的温柔。除了满足人类几千年来存在的好奇心之外,理解意识还具有重大的医学和伦理意义,它帮助人们评估人脑损伤后是否有意识、确定非人类的动物、胎儿、细胞类器官,甚至先进的机器[2]是否有意识。

要回答哪些系统——生物进化的或人工设计的——能够感知事物,并定义面对它们时我们行为的伦理界限,需要一个全面的、公认的意识理论。本文介绍的研究项目有望指明方向并表明当今的一些主要理论是否成立。

一、将对抗性合作方法用于神经科学

经过数十年集中于意识和神经相关性的科学研究[3],许多候选的意识理论出现。这些理论已经分别独立地获得了大量的实证支持[4-7]、给出了经验性的可检验的预测、并促进了睡眠意识评估的发展[8, 9]。尽管如此,但不同理论提出的猜想产生了不同的断言和预测,它们不可能同时为真。此外,随着进一步的数据积累,这些理论不断发展,它们之间几乎没有任何关系。那么,研究人员如何才能确定哪些理论可以更好地解释意识体验呢?

这个问题可以通过科学对手之间的一种新形式的合作来解决。Daniel Kahneman首先在行为经济学领域[10]倡议,它早于Arthur Eddington的观察性研究——测试爱因斯坦的广义相对论与牛顿的万有引力理论的对抗性[11];对抗性合作依赖于确定相互竞争的理论中最具诊断性的分歧点,得到它们的预测,然后设计直接测试这些不同预测的实验。

在过去的两年中,几个小组采用了这种方法,响应这个旨在加速意识研究的倡议。到目前为止,几种意识理论正在以这种方式被评估,以测试这些理论给出的相互竞争的解释——神经活动何时何地引起意识体验。

二、不同意识理论的分歧

全局神经元工作空间理论(the Global Neuronal Workspace Theory,GNWT)认为,意识是通过前额顶叶区域和许多高级感觉皮层区的互连网络的全局广播和信息放大来实例化的。感觉区具有不同的功能,从物体的特征处理到单词认知。这些感觉区的信息在封装模块中处理,保持无意识的状态。

前额顶叶网络具有整合和执行的功能,包括选择性注意和工作记忆。按照全局神经元工作空间理论,必须有刺激用来触发活动,该活动有助于将感觉信息分发到大脑的许多部分以供进一步处理和报告。正是这种具有专门功能的子系统的许多模块的全局广播构成了意识。

相反,整合信息理论(the Integrated Information Theory,IIT)[5]认为,意识应该从因果“力量”的角度来理解,它反映了某些神经元结构产生的最大不可约整合信息的数量。基于数学和神经解剖学,整合信息理论认为后皮质是产生最大整合信息的理想位置。在该理论中,意识不是输入——输出信息处理,而是神经元网络影响自身的内在能力或力量。

也就是说,只要意识体验存在,意识的神经元基质就会持续存在。一个系统的因果“力量”越大,它就越有意识。对于整合信息理论来说,意识体验的内容是一个因果结构(整合信息),而对于全局神经元工作空间理论,意识体验是全局广播的信息。

另一个争议出现在意识的一阶[12, 13]和高阶[6, 14]理论之间。前者声称感觉区域的反射活动足以产生意识,而后者声称二级、更高阶的大脑状态必须代表或“指向”这些一级感觉区域激活,以便对它们有意识体验。

三、使用对抗性合作方法检验理论

这两种争议都是目前正在使用对抗性合作方法进行实证检验的理论分歧。其中一个合作项目 COGITATE联合体(GNWT和IIT合作:测试意识体验的替代理论)正在收集数据,最近发布了一份详细的预注册报告,其中概述了方法、预测和计划分析。这些实验是由神经科学家和哲学家设计的,他们与理论没有直接联系,但与每种理论的倡导者密切合作。实验正在六个独立的实验室进行。

简而言之,其中一个实验设计涉及一个吸引人的视频游戏,背景中有可见和不可见的刺激,以确定是否存在与任务无关的视觉的神经相关性。在另一个实验中,刺激会持续不同的时间,以研究视觉的神经关联会存在多长时间。被试者的神经元活动被通过侵入性和非侵入性方法进行测量,从功能性核磁共振成像、同步脑磁图、脑电图到侵入性脑电图,并跨方法集成以测试不同理论的预测。

它们集中在两个关键问题上:

(1)大脑中意识的解剖学足迹在哪里——它们是否位于IIT提出的后皮质“热区”[15],或者是否如GNWT预测的那样位于前额叶皮质[4]

(2)随着时间的推移,意识的感觉是如何保持的:只要意识体验持续存在,潜在的神经状态是否会与IIT保持一致,或者系统最初被激发,然后衰退并保持沉默,直到新的激发标志出现,正如GNWT所认为的那样(如下图所示)。一旦大脑的数据被收集和分析,它们将被提供给任何人。依靠对抗性对话与合作,开放科学实践、标准化协议、内部复制和团队科学,这些举措旨在促进意识领域的实证进步,并总体上改变科学实践的社会学。

使用对抗性合作方法测试假设。全局神经元工作空间理论 (GNWT) 和整合信息理论 (IIT) 的意识神经相关性占据大脑中不同且重叠的区域,每个理论都预测这些区域之间或内部的活动同步。

解决大问题可能需要“大科学”,因为这些问题更有可能被统一地解决,而不是通过孤立的、平行的、小规模的尝试。对抗性合作方法建立在大型合作机构(如艾伦脑科学研究所)、人类连接组项目和国际脑神经科学实验室等合作项目的成功的基础上。在此之前,人们在物理学领域中主动采用了对抗性合作方法,例如欧洲核子研究组织 (CERN)的大型强子对撞机和激光干涉引力波天文台(LIGO)实验。

通过这一系列对抗性合作,神经科学家将更接近于理解意识及意识如何融入物质世界,同时促进科学实践的发展。对于采用对抗性合作方法的最初的理论,GNWT和IIT可能都不太正确。

无论结果如何,神经科学领域都可以利用这些结果,在提出有关意识的新思想和以同样的方式测试其他潜在理论的方面取得进展。意识问题肯定仍然很困难,但理解古老的身心问题会变得容易一些。

参考文献

1. D. J. Chalmers, J. Conscious. Stud. 2, 200 (1995).

2. T.Bayneetal.,TrendsNeurosci.43,6(2020).

3. F.Crick,C.Koch,Nat.Neurosci.6,119(2003).

4. G.A.Mashour,P.Roelfsema,J.P.Changeux,S.Dehaene, Neuron 105, 776 (2020).

5. G. Tononi, M. Boly, M. Massimini, C. Koch, Nat. Rev. Neurosci. 17, 450 (2016).

6. R.Brownetal.,TrendsCogn.Sci.23,754(2019).

7. V.A.F.Lamme,Cogn.Neurosci.1,204(2010).

8. A.Demertzietal.,Sci.Adv.5,eaat7603(2019).

9. A.G.Casalietal.,Sci.Transl.Med.5,198ra105(2013).

10. D.Kahneman,Am.Psychol.58,723(2003).

11. F. W. Dyson, A. S. Eddington, C. Davidson, Philos. Trans. R. Soc. A. 220, 291 (1920).

12. V.A.F.Lamme,P.R.Roelfsema,TrendsNeurosci.23,571 (2000).

13. N. Block, Trends Cogn. Sci. 9, 46 (2005).

14. H.Lau,D.Rosenthal,TrendsCogn.Sci.15,365(2011).

15. C.Koch,M.Massimini,M.Boly,G.Tononi, Nat.Rev. Neurosci. 17, 666 (2016).

本文来自微信公众号:集智俱乐部(ID:swarma_org),作者:作者:Lucia Melloni、Liad Mudrik、Michael Pitts、Christof Koch,译者:潘佳栋,审校:赵雨亭

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