科技前沿丨意识科学研究进展

jackchina 2023-07-30 发布于天津

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原创张寅生 CAAI会员中心 2018-06-21 14:34

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来源:《中国人工智能学会通讯》2017年第5期

科技前沿

CAAI 2017年第7卷第5期张寅生

意识科学研究进展

摘要：综述、总结了截止至 2017 年初的意识科学研究的重要问题、研究进展及其成果，以及最近的研究动向。将意识科学研究的重要成果归结为意识模型的构建、意识的量子不确定性分析、意识功能细胞的发现、多种脑机交互方式的实现，以及脑计划的实施及其脑神经网络信息获取 5 个领域，并给出了这些成果的基本结论或重要数据。

关键词：脑；意识；量子不确定性；功能核磁共振；脑机接口；同构；神经细胞

意识问题的科学陈述及其当代

研究目标的设定

意识在日常生活（常识）、哲学、宗教、科学都进行研究。17 世纪中叶，法国哲学家、科学家笛卡尔正式以二元论描述意识，其时恰好是以实验为基本特征的近代科学刚刚开始的时代（一个标志事件是，16 世纪末伽利略完成了自由落体实验，并于 17世纪 20 年代发表了他的发现），从此，近代科学开始以实验方法研究意识，特别是17 世纪下半叶牛顿定律发现以来，进一步促进了科学开始以物理定律研究意识问题。经过 300 多年的发展，科学对意识的研究取得了许多进展和共识。但是，意识仍然是科学的重要研究课题，其中仍包含大量未解问题。

1998 年，由我国多名科学家组成的《21世纪 100 个科学难题》编纂委员会出版了该书，其中意识相关问题如下 [1]：

第 49 题脑神经系统动力学

第 50 题生命、人的思维、意识、目的等的物理学基础

第 54 题脑的计算模型能带我们走多远

第 59 题脑的选择性自适应

第 60 题脑与行为的自组织

第 61 题思维与智能的本质

第 62 题人脑如何组织其信息存贮

第 67 题注意的脑机制

第 68 题智力的起源

第 70 题人脑是怎样认识外界视觉世界的

第 75 题意识和思维动力学

第 81 题心思的神经生物学机理

第 86 题关于“意识”问题

其中，第 86 题《关于“意识”问题》对意识当代科学的研究问题作了一下陈述，具有代表性：

由于神经科学的突飞猛进，新的仪器技术的应用，使得我们现在有可能研究清醒状态下人的精神活动（感知活动、思维活动、意识活动……），因此，我们现在正处在了解人类意识的大门口。人类可以在试验中克隆牛羊等高等动物，人类制造的电脑可以战胜世界象棋冠军。相信将来人类一定可以了解意识的活动规律，一定可以制造具有独立意识而无自由意志的机器 [1]。

类似地，2005 年美国“Science”杂志在创刊 125 周年纪念专辑中（补充）列出了今后 100 年所面临的 125 个重大科学问题 [2]，“意识的生物学基础是什么？”是其中问题之一。它提出：意识已经由哲学问题转变为科学问题，它最终能够通过实验加以解决吗？该文认为，科学对意识的研究已经拒绝了笛卡尔的意识二元论；但是，如果意识是物质的，它是如何发生的？我们如何获得他人的意识呢？

现在，截至当前（2017 年初），关于意识的科学研究在不同领域取得了一些重要进展。本文将产生突出进展的意识研究领域归结为 5 个领域：① 意识模型的构建；② 意识的量子不确定性分析；③ 意识功能细胞的发现；④ 多种脑机交互方式的实现；⑤ 脑神经网络信息获取。分述如下。

意识模型的构建

如果意识是物质的，是遵守物理定律的，那也应该是数学可描述的；需要对意识建立数学模型加以描述。

意识的数学模型应该满足：① 描述意识的本质特征。② 符合哲学、科学、常识对意识的共同定义或理解。③ 能够解释意识的基本规律，并使得意识的各种规律特别是这些规律的数学描述能够符合这一模型；即这一模型应该有很好的可扩展性，使得复杂的意识现象可能产生的各种数学描述都能够融合这一（本质特征描述）模型；任何的意识现象的数学表达都应该作为意识模型的局部或组件，或处于该模型的某种确定性的关联之中。④ 具有可计算性（对于符合意识特征的机器行为，最好是具有人工可实现性）。符合或力图符合这一特征的模型包括以下模型。

· 笛卡尔（Rene Descartes）意识 - 世界二元论模型。在这一模型中，意识是独立于物质的，是没有时空约束的存在 [3]。

· 图灵（A.M.Turing）的人工智能理论模型（1950 年）[4-5]。这一机器模型被图灵解释为人的思维模型，主张通过图灵测试者无论机器或人均视为在本质上具有同样的智能（如果将智能作为意识的核心特征）；这样，意识被归结为机械能行性，即意识的本质是算法，或可计算性。因此，简单地说，图灵及其强人工智能者认为意识就是图灵机。

· 丹尼尔 · 丹尼特 (Deniel C. Dannett )的广义意识理论（1991 年）[6]。该理论证明意识是信息处理的过程；因而意识是解释主义或是计算主义的，“意识”概念是人机通用的。Deniel C. Dannett 的意识模型完全剔除了二元论，是电生理为基础的信息学模型。

· 胡塞尔（Edmund Husserl）归纳了意识核心特征 [7]，包括认知底层（初级）功能如感觉，直至高级理性功能如推理。（作为科学哲学，它强调的实证是与科学实证研究的原则相一致的，因此这一模型是科学可实证化的，不是远离科学的形而上学。）如果按照技术可实现性理解胡塞尔的意识理论，意识类似于一个技术系统的体系结构。机器人的制造者将胡塞尔的意识模型归纳为以下（期待或可以技术实现的）10个特征 [8]：① 第一人称特性；② 意向性；③具有行为与结果之间的二元关系；④ 能够预期；⑤ 有决心和信仰；⑥ 有涉身体验；⑦ 可意识其他事物；⑧ 有感情的思想；⑨ 有混乱性（不确定性、随机性）；⑩ 有感情。

此外，发博（Ilya B Farber）、丘奇兰德（Patricia S Churchland）[9-10] 以及巴尔斯 ( Bernard J. Baars) 和埃德尔曼（David B. Edelman）也分别提出了关于意识特征的综合描述性理论 [10-11]。

最近的意识模型研究进展是皮亚杰同构意识模型的提出和重新解释。皮亚杰是发生认识论的创始人，也是法国布尔巴基学派的成员。他认为心理现象能够与外界建立同构关系。这一思想被拓展用于描述意识成为意识的同构模型 [12-13]。对这一模型本文提出了若干解释 [14]：将心理模型解释为意识模型；论证了这一模型所描述的就是哲学和日常生活所指谓的“意识”概念；给出了意识模型的数学表达式——群同构演算；以同构模型解答了若干哲学、科学关于机器是否具有意识的问题，如图灵测试、中文屋问题（关于机器是否有意识）。

意识的同构模型依赖于群同构的定义：设 (X,·) 和 (Y, ＊ ) 是两个代数系统，X 和 Y是两个集合；· 和＊是两个系统的各自的操作；f :X → Y 是一个映射。如果对于任意元a,b X 恒有

f(a·b)= f (a) ＊ f(b) (1)

则称 f 是 (X,·) 到 (Y, ＊ ) 的一个同态映射，并称 (X,·) 与 (Y, ＊ ) 同态；如果 f : X → Y是一个双射，则称 f 是 (X,·) 到 (Y, ＊ ) 的一个同构映射，(X,·) 与 (Y, ＊ ) 同构。由此，同构模型将意识被定义为：意识是系统（无论生物体或机器）同构计算的实现；其中a,b 是系统组件单位；f 是组件对外界的映射换言之，如果 X 系统满足式 (1)，则称 X意识到 Y；或称 X 系统有意识。式 (1) 相当于一个框架或方程，允许有局部递归模型以及方程的参数、算子和解。

同构模型体现了意识对外界“反映”这一根本特征；同时，它在不同集合体内的操作（运算）也使得系统内具有能动性，即这种操作使得系统不是完全依赖于外界刺激（它有自己的运行方式，仅当这种操作结果与被映射的外界的运行结果相符即形成同构时，意识才被证实有效）。这一模型是可扩展的，它的计算单元（集合的元素）和计算算符都可以继续扩展，允许构建多个结构。它可以表现为多级同构，如人的符号意识可以视为神经元 - 符号 - 外界对象的 3 个世界 2 级同构；类似地，动物如果忽略其很小的符号能力，可以理解为神经元与外界对象的 2 个世界 1 级同构；当前的计算机如果忽略其很小的传感能力，可以理解为多级符号世界（进行多级程序语言调用的多级编译或解释系统）的同构；机器人的行为及其控制可以理解为程序语言（尚没有或有限的自然语言符号）与外界对象的同构。同构模型解释了中文屋难题，即为什么计算机不能视为有人一样的智能，是因为它在符号之间的同构中缺少了一级对外界对象的同构；虽然符号层级的同构不失为智能，但不是完全意义上的类人智能；中文屋内的计算机如果加入传感世界层级与符号的同构则在本质上等同于意识，如图 1 所示，在中文屋计算机所具有的“计算实体”“符号系统”及其关系之外，加入“物理世界”层及其层间关系。显然，同构模型还具有良好的可计算性，兼有联结主义和功能主义的特征，也符合二元主义的形式特征。

图 1 具有物理世界的同构意识模型

意识的量子不确定性分析

自海森堡发现量子不确定性以来，开始有人猜测人的意识具有量子不确定性，即量子不确定性可能和意识相关。

1953 年 Eccle 猜测神经细胞突触递质传递机制存在量子不确定性，这是笛卡尔的二元论融合于物理学的努力 [15-16]。他认为，神经细胞突触的量子不确定性效应，像云一样遮挡住了意识向细胞等物理世界的传递。但是作为可能显示量子效应的馕胞离子交换时间是 Δt=10 ms，按照海森堡测不准原理 ΔE×Δt>h/2π 计算。其中 h 为普朗克常数，为 6.63×10-34 Js；馕胞能量 ΔE 应为5.2×10-30 J，这个数量是范德瓦尔斯力（最弱化学键约束力 10-24 J）的约 200 000 倍，即大大超出了出现海森堡不确定性的最低的能量幅度 [16-17]。虽然后来有人提出海森堡不确定性只是下线，高于海森堡不确定性底线的不确定性仍可能存在，但是至今仍没有发现生物界的高于海森堡不确定性底线的不确定性。

另一种意识量子相关假说是由彭罗斯（Roger Penrose）和汉姆罗夫（Struart Hameroff）提出的 [18]。他们推测微管作为神经细胞的部分可以传递信息，其中的微管蛋白（tubulin）可以在双扭矩的范德瓦尔斯力作用下呈现量子叠加态，从而吸收量子叠加态。但是这一猜想仍然大大超过海森堡测不准幅度的 1016 倍（根据 Max Tegmark 于 2000 年的计算 [16]）。此外，生物环境的热噪声也是明显区别于冷环境下的量子态。

Matthew Fisher 最近的研究指出，脑内可能存在某些特殊分子能够维持更为长期的叠加态。两个磷原子核可以构成自旋态；而6 个磷酸根离子形成的波斯纳分子能够使磷原子核自旋态保持时间长达一天左右，因此推测磷原子核自旋态可能保持亚原子量子的长期的叠加态，但是尚未得到证实 [19]。

此外，关于意识对量子不确定性的反应时间，Shan Gao 于 2008 年有了新的计算 [20]：

其中，τc 是人的神经细胞中量子叠加态（平均）坍缩时间；ħ 是约化普朗克常数，ћ=h/2π；Ep 是普朗克能量，Ep ≈ 1019 GeV；ΔE 是量子叠加态中的能级。

根据已有的研究成果，单个神经细胞的膜电位是 10-2 V；其传递的 106 个 Na 离子钠离子通过膜，这样一个神经细胞中，在假设的量子叠加态中的能量差应为 104eV；即 ΔE=0.01 MeV。考虑到一个意识反应的事件需要 104 个激活的神经细胞，并对比 104 个未激活的神经细胞，Shan Gao认为在叠加态的能量差应为 108V，即 100 MeV。由此推出在 1 ms，即人类可感知的范围内，可以构成量子叠加态并符合海森堡测不准幅度的下线。根据这一推论Shan Gao 设计了验证人的意识是否有量子效应的实验方案。方案的基本设想是对人的眼睛刺激叠加态光子，以对比其反应时间是否异于非叠加态光子刺激的反应时间。叠加态光子推荐为不同频率的光，或同频不同空间位置的光。这样被试的双眼相当于一个双缝实验的屏幕，如果意识事件对量子态的光束有特别反应（反应时间不同于非量子态光束的时间）则证明意识与量子叠加态有关，即与量子不确定性有关。但是目前还没有按此方案进行实验的报道。

通过以上研究动态可以看出，到目前为止，意识的量子效应仍然停留在猜想阶段。

意识功能细胞的发现

此处所说的“意识功能细胞”，是指脑细胞中具有特定功能的细胞，这些功能是指具有意识的核心功能，或公认的构成意识的基础性或专门化的功能，例如推理功能、数学计算功能、空间定位功能等。

逻辑推理是意识的基本活动形式之一。在人推理时，其脑细胞如何运动一直是较多研究的课题。表 1 是近年来国外对逻辑推理的脑核磁共振成像（fMRI）研究状况 [21]。

表 1 脑进行逻辑推理的若干 fMRI 实验

研究显示，对不同的推理形式，脑不同区域产生反应。对于不同的反射区，并根据其他理论推断，形成了 4 种不同的理论，解释脑细胞在进行逻辑推理时的运行机理为内心证明理论、内心模型理论、双结构理论、视觉内心成像理论 [22-26]。

内心证明理论或内心逻辑理论，由Braine Henle,Rips 于 20 世纪 70 年代创立，是将脑类比于计算机处理数据，认为可能有专职的规则处理功能细胞。

与内心证明理论，内心模型理论认为，推理过程是脑对于句子所包含的结构和空间特性意义的信息处理结果，而不是对句子字符规则的处理结果（见表 1：II-3）。该理论由 Laid 和 Byrne 于 20 世纪 80~90 年代创立。

介于上述两者之间的学说是内心的内容和形式的双结构理论，由 Evans 和Goel、Sloman 于 20 世纪末创立。Goel 等对抽象形式的亚里士多德三段论，以及三段论实例进行分别 fMRI 的实验表明，反射区有各自不同的区域，也有共同区域（见表 1：III-2），因此推测脑具有空间信息和抽象结构处理双结构。

视觉内心成像理论认为，推理是脑对可视化的发现前提中不充分信息的提供，即推理结论，由 Kosslyn 和 Finke 于 20 世纪80~90 年代创立，它类似于双结构理论（见表 1 :IV-1）。

对于脑神经细胞的空间功能特性的重大发现是约翰 · 奥基夫（John O ́Keefe）；莫泽教授夫妇（May- Britt Moser、Edvard Moser）发现了大脑中的空间定位系统，包括位置细胞 (Place Cell) 和网格细胞 (Grid Cell)。前者由奥基夫于 1971 年发现；后者由莫泽夫妇于 2005 年发现 [25, 27-30]。空间功能细胞能够实现方向、位置、速度的感知，产生空间和边界的意识，莫泽夫妇和奥基夫由此获得 2014 年诺贝尔生理学或医学奖。他在大脑一个海马体区域发现一种特殊的神经细胞，当实验小鼠在房间内的某一特定位置时，其中一部分这样的细胞总是显示激活状态；而当小鼠在房间内的其他位置时，另外一些细胞则显示激活状态。奥基夫认为，这些是“位置细胞”，它们构成了小鼠对所在房间的地图。莫泽教授夫妇发现大脑定位细胞被称为是“网格细胞”，这些细胞产生一种坐标体系，从而让精确定位与路径搜寻成为可能。

空间功能神经细胞的发现对于意识功能的意义在于，它验证了意识的“先验性”是可实验验证的。康德在 17 世纪提出了意识的“先天性”或“先验性”，它构成纯粹理性，其根本特征之一是意识能够以时空结构整理思维“材料”，这种时空结构先天知识，构成后世所称为意识的主观能动性的核心特征，即意识不只是被动地接受外界信息，而是以先天结构整理外界信息；这种先天结构是以时空结构为基石的，毕竟时空结构是各种事物结构的母结构。因此，空间感知能力的物理化实际上验证了康德的空间概念的物理基础，在哲学层面上验证了意识领域的科学形而上学的可能性和现实性。同时，细胞对于空间结构的对应关系，也验证了意识同构模型在物理世界、符号世界和神经细胞层次上的严格同构关系。

比空间功能细胞更为抽象的功能细胞是“计算细胞”，即对于实现抽象数学运算功能的细胞。2004 年，美国精神卫生研究所（NIMH）的研究者 Heekeren 等发现了基于抽象运算结果的决策细胞 [31]。被试对脸和区别于脸的几何体的脑fMRI反射区进行观测，形成了图 2 右侧的数据，数据显示 4 组刺激样本对应的 fMRI 反射信号，其中每组柱状图反应的是对脸和几何体反射的强度（反射区见图 2 左部）。可以看出，4 组数据边缘两侧的数据显示了对少噪声刺激的反应。其重大发现在于，在脑前皮质区 B8/9 有一个区域（见图 3）与图 2 的 4 组对比信号的差异度正相关，即少噪声的刺激区域正相关于前皮质区 B8/9 的特定区域，该区域是“减法”（减掉噪声）的关联区，是“减法”的运算细胞。这一功能的发现显示人脑的细胞群体呈现一种抽象运算的递归行为，类似于计算机的递归函数的递归运算。这是脑细胞的抽象运算功能的一个发现。

多种脑机交互方式的实现

人机融合是指人和机器物理上的组合或作用。人机融合已经有了多种形式，包括脑信号直接与机器交互，已经实现了脑 - 机接口（BCI）、机 - 脑接口（CBI）、脑 - 脑接口（BBI）。此外也包括人体与物体的直接融合、连接，人机的入侵式交互，比如电子器件嵌入人体、人造肢体的某些神经化等形成人机混合体。人机一体化实现了图灵和非图灵计算、人工计算和自然计算、连续变量处理和离散变量处理的高度融合，并实现了在空间上生命体与非生命体、生命体之间的在细胞和分子级别上进行通信或物质交换，以多种方式突破了生命与非生命的界限。

脑 - 机接口是获取脑信号再进行利用，如操控机器或记性进一步计算。一个实例如UCBC 心理学系的实验，当实验者看某一个图像时，脑电波波形被计算机记录下来，波形打碎重新组合，对组合的波形编译的结果，最后合成的图像就是这个图像，就是说计算机根据人脑波形重新制造的图像 [32]。见图 4。

图 4 计算机用人的图像识别的脑信号合成的图像

通过获取脑信号操控肢体和机器的成功实验也出现了，如美国匹兹堡大学的安德鲁 · 施瓦茨博士等人对两只短尾猴进行了“意念”操纵机械臂抓取食物的实验，他们在猴子脑部运动神经皮层植入 100 个微小电极。电极彼此形成网络，每个电极与一个神经细胞连接，这些电极还通过计算机与机械臂相连，当脑细胞发出某种活动指令时，电极会将接收到的信号经计算机处理后传送给三维机械臂，指挥其完成抓取放在面前的葡萄等食物的任务 [33-34]。

脑 - 脑接口通讯，是将脑电波传递给计算机，计算机把脑电波解码，进行计算机间的通信，再通过计算机编码合成脑电波，传递给第二个脑，让这个脑产生第一个脑类似的思维。当前的实验实现了这一点。这个实验在印度法国异地做的。一个在印度的人想了一个问候的一句话，然后通过脑电波识别，远程传送给法国，法国当地的一个人接受和理解了这个信号。这两个人在两个国家，脑电波进行通讯 [35]，如图 5 所示，身在印度的实验者用脑电波对位于法国的人说出了 hola和 ciao( 西班牙语和意大利语“你好”)，对方通过脑电波理解了这个问候。

图 5 脑脑通信（“心灵感应”）

脑 - 机接口实现了以物理装置接收意识或者以机器制造意识并使人体接受。这是意识物理化的直接的、可经验和实证的直观证据，并在一定程度上由意识体之间的直接交互。

脑神经网络信息大规模获取和

脑计划

进入 21 世纪以来，认知科学得到更为充分的关注。在全球范围内启动了多个脑科学的重大科研计划。2013 年，美国启动脑计划；2014 年，欧盟也实施了人脑计划；此外，日本、中国等国相继或正在进行国家级的脑科研项目。

美国的脑计划称为 The Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies ( 简称 BRAIN)，它由美国国防部 (DARPA)、国家卫生研究院 (NIH)、国家自然科学基金(NSF) 支持，由生物学问题研究总统委员会指导，由艾伦脑科学研究所（Allen Institute for Brain Science）、霍华德 · 休斯医学研究所 (the Howard Hughes Medical Institute)和 Kavli 基金会 (The Kavli Foundation) 提供咨询建议，其目标是开发和应用创新技术，实现脑功能特别是脑运行动态的图像理解 [36]。

欧盟的脑计划称为 Human Brain Project( 简称 HBP)[37]。其目标有 Neuroinformatics、Brain Simulation、High-performance Analytics and Computing、Medical Informatics、Neuromorphic Computing、Neurorobotics 六项。

在这些计划及其相关研究中，一个重要特点是除传统的脑电分析、核磁共振分析外，还将采用新方法以大规模获取脑神经网络的信息，如神经生物的显微成像技术、声光成像技术，可以获得脑组织样品超大规模神经元三维扫描。分析技术也从传统的相关性分析技术扩展到深度学习技术。这些计划的一个基本信念是，随着脑的物理特性的解释，人类长期以来认为的意识之谜可能随着当今理论与技术的突破，特别是人工智能的突破被揭开。宇宙和意识在哲学上被视为本体的“两极”，宇宙学在过去二三百年来发生了巨大飞跃，已经提出了宇宙发生和未来的多个模型及其相关的定律，相比之下，对人自己的“小宇宙”——意识却认识不足。意识的科学研究应该在未来不久产生众多的突破性认识。

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作者介绍：张寅生