意识的定量研究

唐 孝 威

● 学术关注：当代意识理论前沿

意识的定量研究

唐 孝 威

（浙江大学 语言与认知研究中心，浙江 杭州 310027）

意识问题是当代自然科学最基本和最困难的问题之一。随着实验技术的发展，用自然科学方法研究和认识意识的任务已经提到科学研究的日程上来。定量研究是自然科学中最常用的方法和最根本的要求。有必要对意识是否能够定量以及如何开展意识的定量研究进行探讨，并从意识的神经生物学四要素出发给出意识定量研究的心脑关系式。

意识；定量研究；神经四要素；心脑关系式

特约主持人：唐孝威（浙江大学物理系教授、语言与认知研究中心学术委员会主任，中国科学院院士，主要从事原子核物理、脑科学与意识科学等交叉领域的研究）

主持人话语：意识（consciousness）问题是当代自然科学最基本和最困难的问题之一。在过去二三十年间，意识科学俨然已成一个蔚为壮观的跨学科研究前沿，意识的理论研究也出现了一个高峰时期。相继有一流的认知神经科学家和心智哲学家提出了或哲学宏阔或实验可证的意识理论。然而，意识的自然化运动所面临的挑战仍然艰巨，为意识提供一种同时说明其主观性（subjectivity）及其神经生物学的解释框架已经成为当代意识科学的黄金准则。

在脑和心智的领域中，我们要对意识问题进行长期的、系统的研究，在继承中华文化和在自己研究的基础上，借鉴国外的发展，建构比较全面的意识研究框架。为此，借《苏州大学学报（教育科学版）》平台，我们悉心策划并组织了“当代意识理论前沿”专栏。本专栏由四篇论文组成。唐孝威的文章尝试对意识是否能够定量以及如何开展意识的定量研究进行初步的探讨，并从意识的神经生物学四要素出发给出了意识定量研究的心脑关系式。尼古拉斯·汉弗莱（Nicholas Humphrey）的文章通过比较感觉的现象品质与笑话的好笑性（funniness）两者之间的相似性，论证了我们关于外部事件属性的主观“看法”在认知过程的神经基础中的实现步骤，从而向读者呈现意识难问题的概念错误。张静和陈巍的文章借助新近兴起的虚拟现实（virtual reality，VR）技术，在自己的实验工作基础上，提出了一个旨在超越实体论与错觉论之争的自我建构论立场。陈向群的文章详细梳理了当前意识科学中量子力学方法及各种理论版本，勾勒出从量子理论角度积极寻找人脑内的量子效应，进而解释意识问题的研究概貌与动态。

我们也期待本次专栏能够为今年召开的国际意识科学（The Science of Consciousness，TSC）会议和意识的科学研究（Association for the Scientific Study of Consciousness，ASSC）会议凝聚来自中国的意识研究共同体。我们由衷地期待有更多的年轻学者加入意识研究的队伍。愿我们为解开意识之谜而共同努力！

意识问题是当代自然科学最基本和最困难的问题之一。在过去二三十年间，意识科学已经成为一个跨学科研究前沿，意识的理论研究也出现了一个高峰时期，相继有一些认知神经科学家和心智哲学家提出了或实验可证的或哲学的意识理论。然而，意识研究所面临的挑战仍很艰巨，为意识提供一种同时说明其主观性（subjectivity）及其神经生物学的解释框架仍然是当代意识科学的难题。对意识问题的研究，可以从很多方面入手，今天我想要和大家一起探讨的是意识的定量研究问题。

一般看来，意识的定量研究好像是没什么问题的。因为从一般的常识来看，或者从过去的研究来看，意识的定量研究好像不存在问题。比如说，我们从常识来看，意识有很多维度，例如我们经常讲的觉醒（arousal）和觉知（awareness），都是意识的重要的指标。我们以医院里的麻醉为例，大家都知道，麻醉有很多不同的程度，因此与之相对应的，觉醒也就有很多不同的程度，这是公认的。再比如说疼痛，你觉知到的疼痛，也是有轻重程度之分的。这是一个常识问题，或者说不存在意识要不要定量这个问题。中科院生物物理研究所的汪云九教授等研究者发表过一篇题为《意识的计算神经科学研究》的文章，认为意识有相应的神经相关物活动的基础，给出了意识活动的一种计算神经科学的假设，并在这个假设的基础上，提出了一个意识活动的理论测度。［1］在那篇文章里比较详细地讨论了意识怎么定量的问题。从这个方面而言，汪云九等研究者认为意识的定量研究不存在问题。那么为什么现在提出了问题呢？

2014年，法国科学院院士Stanislas Dehaene出版了一本名为Consciousness and the brain的书，在该书中他谈到了大量关于意识的实验。在他的分析中，他提到从无意识到意识是全或无的“点燃”（all or none ignition，或称“点火”），也就是说无意识和有意识之间有一个“点燃”。按照他的意思，意识要么全，要么无，要么是1，要么是0，换言之，要么有，要么没有，并不存在量化的问题。［2］对此我并不赞同，对于意识是全或无的“点燃”的说法我有不同的看法。2016年3月Dehaene到上海神经科学研究所访问期间，我会见了他，和他当面讨论了这个问题。在他的这本书中，他确实认为从无意识到有意识是一个从无到全的突然的变化，意识是不能量化的。我和他说了我的意见以后，他说这个问题值得研究，他并没有不同意我的意见，但是他也没有具体说明怎么进行研究。

一、意识的定量研究

意识的定量研究是我最近思考的比较多的一个问题，我之所以坚持认为意识是可以而且应该定量研究的，一方面是来自临床的经验。我们以植物人的促醒为例，植物人的觉醒的评定肯定是用量表的，是定量的。那么觉知是不是也有量表？是不是也能定量？我们正常人的觉知是不是也能够进行定量研究呢？另一方面是来自理论的探讨。中科院上海生理研究所的孙复川教授认为，人脑中的编码是相当复杂的，1和0或者说全或无的方式也是一种编码方式。但是我认为如果意识只用1和0进行编码就太过简单了，我建议我们是不是应该把意识觉知分成不同的程度。在对这个问题进一步展开讨论之前，我想强调的是，意识有基础意识和高级意识。比如说有感觉、情绪等基础意识。情绪方面例如高兴，有程度高的，也有程度低的。现在关注的是基础意识的定量问题，至于高级的意识，因为太复杂，这里暂时不讨论。

对于意识的讨论，我们曾有过这样一个隐喻：有一只碗，碗中有一种液体，碗中有没有液体是有意识和没意识的差别。但是我认为除了有没有液体外，液体的多少应该也是有差别的，这种对液体多少的讨论就是对意识的量化的研究。

对于这个问题，我和加拿大渥太华大学的Georg Northoff教授有过很多的讨论，我们都认为，意识的研究需要在大量经验事实的基础上找出模型，如果离开了大量经验事实，这个模型也不可能被发现。我的看法是，从心理的层面看，觉醒（arousal）、觉知（awareness）、意向（intention）和情绪（emotion）都是意识的不同方面。对于这些不同的方面，我们可以按照第一人称的方式来理解：我有什么情绪，我有什么感觉。同时我们也可以对它们进行一些第三人称的描述，其中包括主体的行为和这些不同方面相关的生理基础等。现在的问题就是我们怎么把第三人称的描述和第一人称的描述联系起来。在这个联系的过程中，因为这两个方面涉及不同的量纲，特别是意识过程是一个相对的过程，所以如果要把这两者联系起来，需要应对的问题之一是量纲的变换。

我再重复一下，我们这里要讨论的是基础意识。你的情绪，即便是最简单的，同一种情绪，有没有程度的差别，我认为是有的，不是全或无的。我们先不讨论高级意识。高级意识是什么呢，高级意识就是大量的基础意识的集成，把大量不同种类的基础意识有机地集成到一起。我觉得这个需要作为专门的问题进一步讨论。

二、意识的四要素及意识的涌现

然而，即便是只讨论基础意识，这里也会涉及意识内容的多样性。比如人有很多种不同类型的感知觉，例如听觉、视觉、触觉等，个体都分别有不同内容的主观体验。并且在同一种感觉，比如视觉中，我们还可以细分为颜色视觉、空间视觉、形状视觉等很多不同的内容。因此，可以用i来表示某一种感觉的内容，并且i所包含的种类有很多，有i1、i2一直到in有很多很多种。对于其中每种感官体验而言，主观体验都有内容和强度之分，之所以要讨论强度，是因为体验的程度之分是讨论意识量化的前提。这种主观的体会和体验所对应的脑的基础，就在于大脑皮层专一性脑区的激活。我们知道脑区有不同的回路，它们分别加工不同的内容的信息，比如视觉里某一个视觉内容就会有专门的脑回路来激活和表征它。生理的脑的激活是可以量化的，因为有不同的激活的水平；而心理的主观的水平也是有不同的程度可以量化的。问题是怎么把生理的客观的激活和心理的主观体验联系起来。当然我这里所说的前提就是主观体验都是有数量的衡量的，我们所讨论的核心前提就是这主观体验不是全或无的。

从心理学的层面说，我们曾经阐述过意识四个要素理论，意识由意识的四个要素及它们之间的相互作用组成，它们是意识觉醒、意识内容、意识指向和意识感情。［3］意识四个要素的情况随着个体内部条件和外部条件的变化而不断变动。这一个意识四要素理论主要是从心理学的层面出发所进行的探讨。此外，从神经生物学的层面，我们曾经阐述过脑的四个功能系统学说，我们基于对意识的神经网络的探讨，会涉及意识的四个神经生物学的重要的要素，即觉醒程度、信息加工、注意增强、全局广播，它们是意识的神经生物学四要素。

意识的觉醒程度和脑干等基础的脑结构有关。意识的信息加工由大脑皮层一些专一性的脑区负责，它们分别处理某些特定的信息，比如视觉里某一种颜色的加工或运动里某种动作的加工，i可以从1到n有很多种，不同的内容由不同的对应脑区加工。注意增强也是重要的机制。注意不同于意识，但是注意的增强是意识的一个要素。加工的信息必须进到脑内全局广播，Bernard Baars［4］和Dehaene［2］的全局广播的理论指出，意识活动要有大量的反馈的过程。Edelman［5］也讲信息的再入（reentry）过程，Nicholas Humphrey的意识理论［6］也强调回路（loop）。在丘脑、前额叶和顶叶有很多来回的信息的交流，所以光是信息加工脑区参与还不够，还要进入这个回路，要有全局广播的机制，这是比较重要的。最近几年实验证明，意识要有一个“点燃”。但是在“点燃”之后，意识还是有不同程度的表达。从神经网络来看，觉醒活动、信息加工、注意增强、全局广播，这几个部分要集成起来，光是一个部分是达不到意识的。而且信息加工的专一性脑区的激活水平要超过意识的阈值以后，才会有意识的涌现。这是目前比较公认的看法。

下面讨论意识的涌现。意识不是静止的状态，而是不断变动着的动态过程。平常脑内大量的活动都是在进行着信息加工的，它们都是属于心智活动，而且无意识的活动的数量比有意识的活动数量大很多，但是它们没有进入意识。通过许多脑区的激活和它们之间的相互作用，大脑皮层一定脑区的信息加工可以从无意识的加工转变为有意识的加工，这种动态的转变过程就是意识的涌现。当脑的活动满足了意识涌现的必要和充分条件之后，加工的信息就进入意识了。

这里把这四个要素分别用几个参数来说明一下。

A：脑内信息加工的专一性脑区的激活水平，这个参数的取值范围是A≥0。

α：脑内意识觉醒的支持系统的活动度，这个参数的取值范围是1≥α≥0。

β：脑内意识全局传播系统的全局传播度，这个参数的取值范围是1≥β≥0。

γ：脑内注意控制系统对脑区激活的增强系数，这个参数的取值范围是γ≥0。

脑内信息加工专一性脑区的激活水平要大于0，但是光是大于0还是不够的，它的信息加工可能仍然是无意识的，不一定是有意识的，激活水平需要超过一个阈值，信息加工才能进入意识。脑内意识觉醒的支持系统它的活动程度叫α，这是关于意识觉醒程度的指标，它也是可以量化的。平时我们讲觉醒，觉醒的程度就是用α来表示。脑内注意有一个增强的过程，这个过程对加工的信息进入意识是必须的。为了脑内全局广播，脑内必须有大量的反馈的回路，这个就是全局的广播系统或者传播系统，信息全局广播的程度叫β。这个对意识的出现至关重要。Dehaene在书中指出，全局广播系统是一个大范围的活动，这是一种信息的交流和整合，它的活动在脑成像和脑电中都会有反映。［2］上述四个要素从神经网络的水平来看是必须的，是缺一不可的。

意识涌现过程不是孤立的单个脑区的活动，而是脑内四个功能系统及它们内部多个脑区相互作用下发生的集体活动。因此，要从多个脑区集体相互作用的观点来考察意识涌现的动力学过程。意识涌现的必要和充分条件是α>0；β>0；γ>1；γA>Ac。Ac是意识阈值，α>0就是有觉醒活动，β>0就是全局广播的系统回路要进行活动，丘脑、前额叶、顶叶回路里面有很多信息的整合，γ就是注意增强，加工信息的专一性脑区原来的激活水平经过γ增强超过意识阈值，超过阈值后信息就进入意识。

三、心脑关系式

意识涌现条件的定律是：在其他脑区的共同作用下（称为α-β-γ机制），当大脑皮层加工信息的一定脑区的激活水平达到意识临界阈值Ac时涌现意识。意识问题的特殊性决定了我们不能只关注意识涌现的客观神经生物学条件，我们还需要重视意识体验所带来的主观体验。第三人称的神经网络的激活到底是如何和我们第一人称的主观体验的内容和强度联系起来的呢？

我们提到主观体验的强度叫C。用C来表示主观体验的强度，说明主观体验是有一个数量的值的，有大有小的，第一人称的体验是有大有小的，而且是可以量化的，并不是只等于1或者0。同时，C可以有不同的内容，对其中每一个特殊信息i来说，叫作Ci，Ci就是对特殊信息i的主观体验的强度。

下面用一个简单的公式把C和A联系起来。当α>0和γA>Ac时（Ac是意识临阈值），主观体验的强度和脑内信息加工专一性脑区的激活水平的关系式，即心脑关系式是：

C=a·A（C是主观体验强度，A就是信息加工脑区的激活水平）

a=α·β·γ·ν（a是量纲转换，其中ν是量纲和单位变换系数）

C和A具有不同的量纲，所以中间需要用a进行量纲的转换。

对信息内容i的主观体验强度Ci。

Ci=a·Ai

考虑意识的涌现，就一定要考虑意识的阈值。脑内激活水平A经过注意的增强（γ）达到意识的阈值之后，才能进入意识，这个时候才能有意识地通达（access）。

我们在无梦睡眠的时候α=0。做梦的时候，情况是怎么样的？这时可能α值比较低，但是不等于0。在清醒但是无意识信息加工的时候，A>0；α>0；β=0；γ<1，即虽然因为个体是清醒的，α大于0，但是β没有作用，因为没有全局广播，虽然有激活A，就是脑区是有激活的，但是由于β等于0，所以信息加工是不能进入意识的。

综上所述，当一个脑区的激活水平低于这个脑区的意识阈值时，个体没有关于激活脑区信息加工内容的意识体验；当激活水平超过意识阈值时，并且有觉醒系统、调控系统和全局广播系统的脑区参与活动时，个体有激活脑区的加工信息内容的意识体验，并且意识体验的强度随着脑区激活水平的提高而增加。

四、心理物理学

早年Fechner在创立心理物理学时，提出过外部的心理物理学和内部的心理物理学等概念。外部物理世界各种物理刺激作用于人的感官，引起人的内部物理世界的活动，即脑的活动，从而产生内部心理世界的感觉体验。Fechner认为人的感觉过程既涉及外部物理世界的物理刺激，又涉及内部物理世界的脑活动过程，还有内部心理世界的感觉体验。［7］他认为外部的心理物理学研究外部物理刺激强度和内部心理世界感觉体验强度之间的关系，而内部的心理物理学则研究内部物理世界即脑活动强度和内部心理世界感觉体验强度之间的关系。

我们在上面讨论的心脑关系，即人的脑区激活水平和人的主观体验强度的定量关系，就是内部的心理物理学的定量定律。［8］

用S表示外界物理刺激强度，已知脑内信息加工的专一性脑区的激活水平A正比于logS，而这个关系代入上面C=a·A式中，可以得到C=klogS这个公式，它就是150多年前Fechner的公式。就此而言，我们的心脑关系式即内部的心理物理学定律是和Fechner公式即外部的心理学定律相互联系的。

［1］汪云九，唐孝威，吴建永，等.意识的计算神经科学研究［J］. 科学通报，2001，（13）.

［2］Dehaene S. Consciousness and the brain［M］. New York City：Viking Press，2014.

［3］唐孝威.意识的四个要素理论［J］. 应用心理学，2003，（3）.

［4］Baars B. In the theater of consciousness：the workspace of the mind［M］. New York：Oxford University Press，1997.

［5］Edelman G，Tononi G. A universe of consciousness：how matter becomes imagination［M］. New York：Basic Books，2000.

［6］Humphrey N. Soul dust：the magic of consciousness［M］. Princeton：Princeton University Press，2011.

［7］Fechner G T. Elements of psychophysics［M］. New York：Holt，Rinehart and Winston，1986.

［8］唐孝威，陈硕. 心智的定量研究［M］. 杭州：浙江大学出版社，2009.

［责任编辑：江 波］

A Quantitative Study of Consciousness

TANG Xiao-wei
( Center for the Study of Language and Cognition, Zhejiang University, Hangzhou Zhejiang 310027, China )

Consciousness is one of the most fundamental and difficult problems in contemporary natural science. With the development of experimental techniques, applying scientific methods to study and understand consciousness has already been on the agenda of scientific research. Quantitative research is the most used method and the most fundamental requirement of natural science. This paper tries to discuss the possibility of a quantitative study of consciousness and how to conduct it, as well as propose a mind-brain equation based on the neural four ingredients of consciousness.

consciousness; quantitative study; neural four ingredients; mind-brain equation

B842.7

A

2095-7068(2017)03-0001-05

2016-12-10

10.19563/j.cnki.sdjk.2017.03.001

唐孝威（1931— ），男，江苏无锡人，浙江大学物理系教授、语言与认知研究中心学术委员会主任，中国科学院院士，主要从事原子核物理、脑科学与意识科学等交叉领域的研究。