意识谜题揭开前夜:是源于信息处理过程?还是神经网络内在属性?-集智俱乐部
导语

意识谜题困扰人类千年,意识理论百家争鸣。随着人工智能发展的深入,人们对意识产生机制的探求更加迫切。为了揭开意识之谜,研究人员正在尝试一种新方式来努力打破意识理论之间的壁垒,就某些关键问题搭建共识框架,在竞争与对抗中,去粗取精,去伪存真,并对两种主流的意识理论进行检验。

编译:集智俱乐部翻译组

来源:quantamagazine

原文地址:

https://www.quantamagazine.org/neuroscience-readies-for-a-showdown-over-consciousness-ideas-20190306/

筛选意识理论

如果要花一百年才能揭开意识之谜,我希望我们可以至少把它减到五十年 。

—— Dawid Potgieter

有些科学难题实在太难,我们不清楚该怎么问才有意义,甚至它们是否真能用科学来解决,意识的相关研究就是其中之一:一些研究者认为意识是一种幻觉,另一些则说它遍及一切;一些研究者倾向于将意识归结为生物上的神经活动,另一些则认为它是一种不可化约的整体现象。

什么样的物理系统是有意识的?“这是最深刻、最迷人的科学问题之一。” 计算机科学家 Scott Aaronson 写道,“我不知道有什么哲学理论能说明意识问题本质上是不可解的,但人类离解决这个问题确实还远着呢。”

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德克萨斯州大学奥斯汀分校的计算机科学家 Scott Aaronson

我们或许能从一个审核中的最新研究项目里找到答案,研究者制定了一整套实验方案,将各种意识理论无情地暴露在聚光灯下,期望至少能排除其中的一些不合理选项。

如果条件理想,实验可能在今年秋天开始。 研究人员将促进两个主流理论的支持者合作,就一项协议达成一致,并基于此对双方各自观点的预测进行检验,提前公布区分判别的实验进程,然后尊重最终实验结果。而不再双方是各自为营,相互否定。随后也将对其他理论进行类似研究。

Dawid Potgieter 负责协调这项工作,并计划未来五年内建立更多类似这样"有组织的对抗性合作"。他对项目前景看法很实际,表示目前的努力只是持续筛选意识理论的一个开始,解开意识之谜并不能一蹴而就, "不过如果要花一百年才能解开意识之谜,我希望我们可以把它减少到五十年。”

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Dawid Potgieter ,邓普顿世界慈善基金会(the Templeton World Charity Foundation)的一名高级项目负责人

意识的工作空间

几千年来,哲学家们一直在争论意识的本质,以及它能否存在于其他物种中。而现在,随着人工智能技术越发成熟,人们对揭开意识的谜底更迫切——仅仅通过交互,即经典的图灵测试,可能已无法判断你是在和机器打交道,还是在和人打交道了,伴随而来的人工智能伦理挑战越发不容忽视。

理解意识,还影响到动物权利、动物福利以及一系列有关精神损伤的医学和法律问题。最近,一个由50多位知名神经科学家、心理学家、认知科学家组成的小组呼吁,意识难题值得更加重视:“意识理论需要能通过严格检验,并能在长期经验验证中反复修正,就像神话和猜想需要被确证一样。

意识是种能力

如果不先定义意识,你几乎不可能在相关问题上进行任何实验。但仅定义这点就已经够难了,因为对这个词我们往往有好多种用法。

人类是有意识的生物,但我们也可能会失去意识,例如在麻醉状态下。我们可以说我们意识到了一些东西ーー比如从我们的笔记本电脑发出了一种奇怪的噪音。

但一般而言,意识是指一个人体验自身存在的能力,而不仅仅是记录或者像机器人那样对刺激做出反应。心灵哲学家们通常对此这样描述——人们可以形象地向别人描绘有意识的存在“宛若”什么样子,虽然我们实际上永远无法获得自己之外的任何体验。

大量的认知行为发生在有意识的觉知之外ーー我们总是“无意识地”对某些线索和刺激作出反应,大脑的一个显著特征是它总是(无意识地)抓住一条信息、一个想法或一个意图,作为后续决定和行为的动机。比如我们饿了,会本能地分泌唾液,但我们也可以选择去吃东西,去厨房的橱柜里拿出我们想要的。

全局工作空间理论

(Global Workspace Theory,GWT)

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以巴黎法兰西公学院的认知科学家 Stanislas Dehaene为代表的一部分研究者认为,当我们在大脑的"全局工作空间"中持有特定的某段信息时,有意识的行为就会出现,在那里它可以将信息广播到与特定任务相关的大脑模块。

他表示,这个工作空间附有一种硬性的信息瓶颈: 只有在前一个有意识的念头消退时,后一个才能取而代之。 大脑成像研究表明,这种"意识的瓶颈"(conscious bottleneck)是大脑前额叶皮质中神经元的分布式网络。

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巴黎法兰西公学院的认知科学家 Stanislas Dehaene 是意识的全局工作空间理论的支持者之一,该理论认为,当认知"工作空间"中收集的感官信息被广播到大脑的其他中心时,意识行为就产生了。

以上这种描绘意识的图景被称为全局工作空间理论(Global Workspace Theory,GWT)。按照这种观点,意识是由工作空间自己创造的——任何能向其他处理中心进行广播的信息处理系统都具有这个特征,它使意识成为一种激励和引导式的计算行为。

克里斯托夫•科赫(Christof Koch)表示:"一旦你获得了信息,并将信息广泛传播开来,意识就会产生。"

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艾伦脑科学研究所(Allen Institute for Brain Science)所长、首席科学家克里斯托夫·科赫(Christof Koch)

整合信息理论

(Integrated Information Theory,IIT)

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对Koch来说,“所有的认知,包括意识,只不过是某种形式的计算”这种观点,“体现了我们这个时代占主流的一个神话: 它只是一种算法,只不过进行了一种巧妙的修改。根据这个观点,很快我们就会有更聪明的机器模仿人类大脑的大部分特征,从而具有意识。”

Koch一直在与神经学家朱利奥·Tononi(Giulio Tononi)合作发展一种与 GWT 竞争的理论。他们认为意识不是在将输入转化为输出时产生的东西,而是一种就在认知网络中的内在属性,一种网络结构中具有特定特征。Tononi将这一观点命名为整合信息理论(Integrated Information Theory,IIT)

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威斯康星大学麦迪逊分校的神经科学家 Giulio Tononi 认为:“意识就是一种体验。”因此,他所创立的意识的整合信息理论模型,始于询问一个系统必须具备什么特征才能产生像意识这样的体验。

与 GWT 从询问大脑如何创造意识体验开始不同的是,IIT 从体验本身开始。Tononi表示,有意识就是具有一种体验,它不一定是关于事物的体验,尽管它可以;梦,或者冥想时获得某种"无心"状态也可以算有意识的体验。

Tononi试图确定这些体验的基本特征, 即

  • 主观性(subjective):体验只存在于有意识的主体中;

  • 结构性(structured):意识内容彼此相关,比如“蓝皮书在桌子上”;

  • 分化性(specific ):比如这本书是蓝色的,而不能同时是红色的;

  • 统一的(unified):一次只有一种整体体验,不能分解为部分之和(红三角≠三角+红色);

  • 有界性(definitive):这种体验包含的内容在时空是有边界的。

Tononi和Koch声称,他们从这些公理中推导出了物理系统若要具有某种程度的意识所必备的性质。

IIT 并不把意识描绘成信息处理,而是一个系统“改变自身”的因果能力。Koch说,意识是“系统的一种能力,由自身过去状态导致,并影响自己的未来。一个系统越具有产生因果效应的能力,它就越有意识。”

这可以追溯到17世纪笛卡尔的名言“我思故我在”。 “唯一一件可以确认的事,就是我的体验,这是笛卡尔的核心见解。”

对Tononi和Koch来说,像数字计算机那样的系统,如果仅仅通过“前馈”(fed forward)把信息从输入转换为输出,那只能算是“僵尸”,它们可能表现得好像有意识,但并不能真正拥有这种属性。硅谷中的大部分人可能认为计算机最终会变得有意识,但是对Kohe来说,除非这些机器拥有合适的意识硬件装载,否则它们只是构成了一种“深度伪装”。

“数字计算机可以模拟意识,但模拟没有因果能力,实际上也没有意识,”Kohe说,“这就像在电子游戏中模拟重力一样,但真实情况并不是这样产生地心引力的。

意识是生命的一种普遍性质且可以度量吗?

整合信息理论最显著的特点是,它使意识成为一个度量问题。任何一个具有(形成意识)所需网络结构的系统,都可能参与整体意识的一部分。

Kohe在 2012 年出版的《意识与脑:一个还原论者的浪漫自白》(Consciousness:Confessions of a Romantic Reductionist)一书中写道:"不管生物体还是人工制品,来自动物界还是硅基后代,不管它是用脚行走、用翅膀飞翔还是用轮子滚动,如果它既有分化的信息状态,又具有集成的信息状态,那么它就是如同意识一样的系统。”

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《意识与脑:一个还原论者的浪漫自白》(Consciousness:Confessions of a Romantic Reductionist)

这种观点引起了一些质疑。美国富有影响力的心灵哲学家、加州大学伯克利分校的约翰·塞尔(John Searle ),嘲笑这种思想是泛心论的一种形式——这种信仰认为思想和意识蔓延整个宇宙。

在对 ITT 批评中,Searle断言:“泛心论的问题不在于它是错误的,而是它根本没有达到错的程度。严格而言,它是没有意义的,因为这一主张没有给出明确的概念。意识不可能像薄木板上的果酱一样散布在整个宇宙中ーー它以个体单位形式出现,而泛心论不能指定任何单位个体。”

然而,Kohe自己非常乐意认为“我们被包围并沉浸”在意识之中:“意识是生命物质的基本属性,它不可能来自其它任何东西。”

信息整合度:量化信息网络的意识程度

但这并不意味着它在所有地方都是平均分布的。Kohe和Tononi断言,虽然意识可以是许多事物的一个属性,但其中很大一部分只能存在于特定种类的事物中,尤其是人类大脑上(实际上,存在于人类大脑的特定部分)。 为了将 IIT 转化为一个定量的、可验证的理论,Kohe和Tononi已经制定了一个标准来判断它们属于哪类事物。

为了反映一个信息处理网络的意识程度,Kohe和Tononi定义了一个“信息整合度”的测量标准,他们称之为 Φ(希腊字母 phi)。它代表“不可化约的因果结构”的数量:网络作为一个整体能够影响自身的程度。这取决于网络反馈的交互联通性。如果一个网络可以被分割为小网络,而这些网络之间没有因果关系,那么无论它有多少处理节点,它的Φ值都会相应得很低。

同样,"任何功能性连接和结构产生的 Φ 值大于零的系统,都至少有一点点意识体验。"Kohe说。这包括在每个活细胞中发现的生化调控网络,以及具有良好反馈结构的电子电器电路等。由于原子可以影响其他原子,“即使是最简单的物质也有一点点Φ值。”但是像我们人类这样,有足够的Φ去"知道"自身存在的系统是罕见的(尽管理论预测高等动物也会有一定程度的这种体验)。

IIT 的对意识的可量化和可验证性使Scott Aaronson 将它放在“所有有关意识的数学理论前2%的位置”。他也认为这个理论是有瑕疵的ーー不过与Searle的看法相反,他认为“几乎所有关于意识的理论都是这样的模糊、空洞和待完善的,以至于他们只能渴望错误。”

在神经网络上寻求理论依据

Kohe对此表示赞同,他认为 GWT 和 IIT 都是可验证的,“似乎每个人都有一个自己偏好的意识理论,但他们很少是可量化或可预测的。从逻辑上讲,它们可能都是错误的,或者两者都只捕捉到了真实的一面”

但话说回来,我们如何测试它们呢?

两种理论的争论

邓普顿世界慈善基金会(the Templeton World Charity Foundation)已经对这项任务拨款2000万美元,用于判定这些意识理论的生死存亡。这是从 Potgieter 所说的 IIT 和 GWT 的"结构化敌对协作"(structured adversarial collaboration)开始的,因为它们能够做出可验证的对比和预测。

这个计划是让这两个理论的支持者先协定一种实验实施方案,该方案应该能够区分这两个理论中的一个或两个是错误的。“前提是这些理论的领导者必须签署协议,即明确承认哪些实验预测结果准确地代表了这个理论。” Potgieter 声言, Dehaene 和 Tononi 愿意“把自己置身于危险之中”,是促使选择 GWT 和 IIT 作为第一批理论候选的考量因素之一。

不管发生什么情况,这次合作将在一份顶级期刊上发布实验结果。这项研究后续还将包括一系列重复实验。“这基本上是开放科研,”Potgieter 说,“如果我们能够利用开放科学中的最佳研究实践来证明,在一个很难取得进展的领域中取得进步,即表明这是一种有效的研究方法。”

现在研究人员已经有了最终的实验设计,可以直接验证 GWT 和 IIT 互斥的预测。实验具体细节尚未公布,但他们即将部署一系列大脑监测技术,如功能性磁共振成像(fMRI)、脑皮层电图技术和脑磁图扫描技术。这项实验似乎是"第一次在神经科学领域进行如此大胆、对抗性的正式合作",Potgieter 补充道。如果该项目获得批准,实验工作将在今夏开始,并运行约三年,共涉及10到12个实验室。

这项实验将检验理论之间的哪些差异?其中一个是意识在大脑中的位置。

根据 GWT 的研究,“意识相关神经区域”(neural correlates of consciousness)——反映意识状态的神经元活动模式——应该出现在包括大脑皮层顶叶和额叶在内的大脑区域。顶叶处理感觉数据,如触觉和空间感。额叶则与记忆、问题解决、决策和情感表达等"高级"认知功能加工有关。

但Kohe反驳道,那些大部分额叶被切除的人——就像在癫痫的神经外科治疗中经常发生的那样——看起来非常正常。根据 IIT 的研究,意识的所在地可能在大脑后部的感觉表征中,那里的神经连接似乎具有良好的特征。

Tononi补充说:“我敢打赌,总的来说,在大脑后方布线才是正确地使Φ值更高的方式,而脑前布线则往往并非如此。”我们可以比较有意识和被麻醉后失去意识的人的大脑活动位置。 如果这些测试能够表明大脑后部Φ值确实很高,但与意识无关,他承认“IIT将会有很大的麻烦。”

最近,包括 Dehaene 在内的一个小组,对清醒和全身麻醉的志愿者的大脑活动分别进行了功能性磁共振成像研究,显示了这两种状态下不同神经模式。在无意识阶段,大脑活动只存在于具有直接解剖相连的区域,而在有意识活动时,复杂的远距离互动似乎又不受大脑"线路"的限制。

这项研究的作者之一,布宜诺斯艾利斯大学和巴黎 Pitié-Salpêtrière 医院以物理学家出身的神经学家 Enzo Tagliazucchi 则强调说,这个发现还不能明确支持任何特定的意识理论。他说:“将研究框定在这两种理论之间还为时过早,实验结果没有判别出哪方更优越,我们也没有特意去这样做。”

意识如何持续?

GWT 的另一个预测是,在刺激后300-400毫秒,大脑中将产生意识的特征性电信号,与使我们有意识地觉知信息的“传播”相对应。随后信号将迅速减弱消失。

而IIT理论认为 ,意识经验的神经关联活动应该会持续存在——只要意识经验还在持续。这种区别的测试可能类似于志愿者看着某种刺激物,就像屏幕上的一个场景一样,持续几秒钟,然后看看这种体验的神经关联是否还在意识中持续存在。

多方见解:两个主流理论真的可以比较吗?

并不是所有人都乐观地认为有可能找到严格、明确的方法来检验和判决这两种理论。纽约皇后区圣约翰大学(St.John's University)的心灵哲学家 Francis Fallon 参与了这个项目。他说,“当前项目是朝着这个方向真诚努力的一次尝试”,但是他指出,因为这两个理论都是基于此前各种实验创立的,如果发现新的数据与其中任何一个看起来根本不一致,那将是令人惊讶的。

在研究行为神经科学的心理学家 Hakwan Lau,甚至不相信 IIT 是一个真正的科学理论。“IIT是建立在扶手椅上的理论,”他说,IIT 提倡者所以为的意识可能所在之处,并不一定是遵循这个理论,而是根据他们的主观看法。“为了使这个理论的实证预测能够用当前的方法进行检验,他们做出许多附加假设。”

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加州大学洛杉矶分校研究行为神经科学的心理学家 Hakwan Lau

对 Hakwan Lau 来说,IIT 和 GWT “如此不同,以至于我不知道如何开始对它们进行比较。” 相比之下,Tagliazucchi 则认为二者可能在本质上是相同的理论,只是不同在于分别“从第三人称和第一人称的视角发展而来”。

英国萨塞克斯大学的认知科学家 Anil Seth,对该项目是否会能证证实还为时过早持有保留态度。他说,“明确的反驳或验证"似乎都不太可能,因为这些理论"做出了太多不同的假设,与可验证性有着不同的关系,甚至可能在试图解释不同的事情。GWT 似乎主要是关于功能和认知访问的,而 IIT 则主要是一种基于现象学而非功能的理论,难以测试。”

实验让理论更具体

但Tononi和他的合作者反驳说,他们多年来一直在开发 IIT 的实验测试,已经发展出一套有效的工具助力于评估脑损伤患者意识程度。不过他们也同意,这两个理论仍在构建之中,并且仍然相距甚远,所以期待一个明确的结果可能有些过于奢望。"他们的预测毕竟不可能像物理学那样精确,"他说。

但尽管如此,他认为“为了取得进步,你必须从你已经拥有的开始”。此外,这种操作将"迫使理论能说出一些更具体的东西。"不管结果如何,Tononi确信这些测试将会教给我们一些关于大脑的更新和更有用的认知。

其他意识理论

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一阶理论认为,意识只是感官信息的认知加工的产物。高阶理论认为,意识包括一些建立在感官体验的认知表征基础之上的东西。

没有人认为排查 GWT 或 IIT 就能揭开意识之谜。在此之前,还有其他严肃的意识理论。

其中,两个常见的意识分类理论称为一阶理论(FOTs)高阶理论(HOTs)。Hakwan Lau解释道:“一阶理论认为,大脑对感官信息的基本认知过程是最重要的,把感官信息带到意识中来的,是与它在大脑中的表现方式密切相关但难以确定的一些机制,例如在神经网络中各个元素之间相互作用的动力学。”

相比之下,高阶理论家认为,除了认知本身之外,头脑还通过表征做了其他一些事情来产生意识。在 HOT 中,一个有意识的体验不仅涉及到感知的记录,还包括描绘表征的一些额外机制。在处理信息时,这种高阶状态并不一定起到特定作用,比如在 GWT 中它就是这样。

与现有的其他理论相比,HOT 更容易解释复杂的日常经验,比如情绪和情景记忆。”Hakwan Lau和他的同事、拉瓜迪亚社区学院(LaGuardia Community College)的哲学家 Richard Brown 以及纽约大学(New York University)的神经学家 Joseph LeDoux 最近一篇论文中提到。

论文题目:

The Misunderstood Higher-Order Approach to Consciousness

论文地址:

https://psyarxiv.com/xpy8h/

我希望在未来五年主持大约九次会议,汇集两个或更多互相竞争的意识理论,并尽量在这些理论之间找到统合的办法。”Potgieter 说。他承认,“目前的观点可能都不正确。”

事实也可能表明,没有任何科学实验能成为这样一个问题唯一且最终的判定者。 Fallon 说:“即使只有神经科学家裁决这个问题,这场辩论也会是哲学性的。当解释变得如此棘手时,把话题转向哲学是有意义的。 这个领域的许多神经科学家目前已经在从事哲学研究,其中一些研究得相当出色。”

Potgieter 希望这种对抗性的方法能够在其他重大问题上取得进展,如理解意识最初是如何产生的,或者生命本身是如何诞生的。他说:“无论哪个领域的大问题,都有一大堆不同的理论,这些理论都很有说服力,但都彼此都各自为政,我们会努力通过打破其中的壁垒来取得进展。”

Tononi认为,这是一个极好的创举,迫使不同支持者聚焦,进入某种共识框架,最终参与的所有人都会有所收获,应该在科研领域推广实行

翻译:十三维

审校:刘培源

编辑:王怡蔺

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