第二节　意识研究发展史

美国哲学家托马斯·内格尔（Thomas Nagel）在1974年出版的What Is It Like to Be a Bat？一书中提出：“意识使心身问题变得非常棘手。如果没有意识，心身问题就会索然无味；可一旦有了意识，要想搞清楚它又似乎渺无希望。”自从17世纪中叶法国杰出哲学家、数学家、物理学家勒奈·笛卡尔（René Descartes）发表的《论人》以来，哲学家和科学家就开始以现代的视角思考心身问题。但是直到20世纪80年代为止，绝大多数脑科学研究都根本不提及意识。在最近20多年中，哲学家、心理学家、认知科学家、神经科学家、临床医生甚至还有一些自动化学家等工程师，均在不同角度发表了很多论文、论著和专著以“解释”“揭示”或“反思”意识的相关问题。但是许多诸如此类的研究仍然缺乏周密的科学步骤来系统地揭示意识的神经学基础，神经科学是一门年轻的科学，它正在以越来越精巧的方法快速积累新知识。因此，意识至今仍然是以科学态度认识世界所面临的最重要的谜团之一。

一、哲学方向

意识研究最早源自古希腊时期希波克拉底提出的一元论，他认为：“人类应该知道，我们的喜怒哀乐都来自大脑，且只来自大脑。”随后柏拉图哲学理念认为意识是认识主体，泛指思维、心灵或灵魂。理念世界就是意识世界，是唯心主义哲学的核心部分，后面发展成柏拉图主义普罗提诺的宗教哲学思想，被奥古斯丁继承改造成基督教护教神学的核心思想。《论灵魂及其起源》对灵魂定义为人类独有的理智认识能力。而他的学生亚里士多德撰写的《灵魂论及其他》阐述了他对生与死、睡与醒，以及其他心脑问题的深入思考。亚里士多德认为构成躯体的成分并不具备发展成复杂有机体的能力，必然有某种额外的东西存在，他称之为“eidos”。和柏拉图所下的定义完全不同，亚里士多德的eidos是程序目的性原则，在他的思想中，该词所表示的意思和现代生物学家的遗传程序所表达的完全一样。亚里士多德认为理念是人对形式的抽象，形式在自然中发挥作用。灵魂被描述为活物的形式（“实质”），不与物质分离。灵魂是人体中的一种潜能。人的机体被看成为一个整体。亚里士多德把人的灵魂分为两个部分：一是非理性灵魂，其功能是本能、感觉、欲望等，二是理性灵魂，其功能是思维、理解、认识等。他认为，在人的认识过程中，灵魂的主要功能是感觉和思考。灵魂借助于感觉器官而感知外界事物，那被感觉的东西是不以人的意志为转移的，从而承认感觉在认识过程中的地位和作用。但是，他又认为感觉在这里只起到一种诱发的作用，真理和知识只有通过理性的思考才能获得。因此，亚里士多德的教学目的是发展灵魂高级部分的理性。

在中世纪，哲学家勒奈·笛卡尔（Ren é Descartes）提出身心二元论，他认为人由完全不同的两种实体组成，一个是心灵，另一个是身体。心灵是非物质实体，永生不灭，不占空间，具有意识；身体是物质实体，可以被摧毁，占据空间。心灵“寄居”在人的身体（或者说大脑）中，接受身体传来的信息，并向身体发送指令。他将物质分为“物质实体”和“思维实体”两种，物质实体对应着物理世界中的物体，而思维实体则只有人类才拥有，并由此产生了意识。

由于近代哲学怀疑论者对上帝存疑，甚至不承认灵魂论，并且逐渐把灵魂下降为意识活动，近代唯物主义哲学家复活了伊壁德谟克利特和鸠鲁主义思想的物质本源论（唯物论前身），将意识替代了思维主体或认识主体者的理智能力（即灵魂）。随后，近代哲学家们把理智认识能力和精神意识世界或者人的思维能力等统称为“意识”。

二、生物医学方向

19世纪末，西班牙神经解剖学家罗曼尼·卡哈尔（Romany Cajal）运用并改进了银染色法，对神经系统进行了大量研究，创立了神经系统的神经元理论，认为神经系统并非连续一片，而是由一个个神经元组成。卡哈尔的研究为现代神经科学奠定了基础。1897年，英国科学家查尔斯·斯科特·谢灵顿爵士（Sir Charles Scott Sherrington）在卡哈尔创立的神经元学说的基础上，提出使用突触（synapse）来描述一个神经元与另一个神经元之间的接触部位，并认为神经元是通过这个部位进行信息沟通的。1924年，德国医生汉斯·伯杰（Hans Berger）第一次记录了患者的脑电波，成为第一个描述正常和非正常大脑的不同波形、节律的科学家。1969年，神经科学家杰里·莱特文（Jerry Lettvin）在麻省理工学院演讲时，阐述了后来被称为“祖母细胞”（grandmother cell）的理论。莱特文认为，我们日常的每一种意识体验、思维以及记忆，不管是对于某个亲戚朋友，还是其他任何人或者物，都只有大约18 000个神经元与之对应。1990年，英国科学家弗朗西斯·克里克（Francis Crick）和美国科学家克里斯托夫·科赫（Christof Koch）发表《论意识的神经生物学理论》，提出泛泛的哲学争论无助于解决意识问题，真正需要的是有希望解决这些问题的新实验方法，只有通过研究神经元及它们之间的相互作用，才能积累以实验为基础的、明确的知识，并建立起真正科学的意识模型。1994年“走向意识科学”（Toward a Science of Consciousness，TSC）国际会议首次在美国图森市（Tucson）召开，标志着意识作为一个明确的研究主题，成为哲学和科学的共同使命，也标志着意识研究科学共同体的形成。1998年，美国亚利桑那大学成立了世界上第一个意识研究中心。该中心成立的目的是联合哲学家、认知科学家、神经科学家、社会学家、医生、物理学家、艺术家和人类学家，共同研究人的意识问题。

此外，荷兰神经科学家伯纳德·巴尔斯（Bernard Baars）提出了意识的全局工作空间模型。他认为意识存在于一个被称为全局工作空间的模型之中，除此之外还有无意识加工的处理器以及背景。2003年，美国生物学家杰拉尔德·埃德尔曼（Gerald Edelman）提出“动态核心假说”，认为在任何一个给定时刻，人脑中只有一个神经元的子集直接对意识经验有所贡献，换而言之，人在报告某一意识时，大脑中相当一部分神经活动和人所报告的意识没有对应关系。2004年，美国科学家朱利奥·托诺尼（Giulio Tononi）提出“整合信息理论”，认为一个物理系统满足两个条件即可拥有意识：一是这个物理系统必须具有丰富的信息，二是在系统中信息必须要高度整合。托诺尼还与意大利科学家马塞洛·马西米尼（lvLarcello Massirruni）合作，利用经颅磁刺激技术和脑电图，开发出了一种检测意识的方法。

近代，神经科学开始应用复杂神经网络的非线性相互作用来为人的感知和思维的形成建立分析模型，精神状态（例如模式识别、感情、思维）的形成，可解释为大脑集合体中（宏观）序参量的演化，序参量是由远离热平衡的学习策略中，神经细胞的非线性（微观）相互作用引起的。

意识的产生必须先要有无数的生物学过程。在意识研究的神经生物学方面，特别值得一提的是关于“神经医师相关物（neuronal correlates of consciousness，NCC）”，NCC是指足以引起特定有意识知觉的神经活动及其机制的最小集合。因此，要想产生意识，必须先具备某些神经前提条件，这些前提条件被称为NCC。第一，适当的血液供应是必需的，如果截断血液供应，意识就会在几秒钟内丧失；第二，中脑网状结构（midbrain or mesencephalic reticular formation，MRF），也称为上行激活系统，控制着人类的觉醒或清醒水平，如果双侧MRF都被毁损，则不论刺激多强，也不会有反应，患者通常会陷入昏迷，不省人事；第三，大脑产生的神经递质，包括兴奋性神经递质和抑制性递质，两类神经递质的活动随着睡眠-觉醒周期起伏，一般来说，在觉醒或快速动眼睡眠（rapid eye movement sleep，REMS），兴奋性神经递质神经元的发放活动增强，而在非快速动眼睡眠（non-rapid eye movement sleep，NREMS）或慢波睡眠期，抑制性神经递质神经元活动增强；第四，是所谓的非特异性丘脑核团（nonspecific thalamic nuclei），丘脑中的这些非特异性核团并不负责某种特定的感觉模态，而是投射到许多皮层区域的表层，其中最著名的是5个板内核（intralaminar nuclei，ILN），Purpura（1997）和Cotterill（1998）都一致强调丘脑板内核对产生意识的关键作用。由此可见，任何体验都需要脑干、基底前脑和丘脑的诸多核团不断地对大脑皮层及其附属物进行调节，这些神经元细胞的轴突在大脑皮层的投射非常广泛，不断地释放兴奋性和抑制性神经递质，对保持睡眠觉醒及神智起着重要作用，与上行纤维共同创造了产生意识内容的必要条件。

三、脑计划

对人类而言，大脑的复杂程度及发挥的作用是其他任何器官无法比拟的，它对人类而言至关重要。理解人脑的运行机制不但有助于提高对意识障碍、帕金森病、阿尔茨海默病等脑部疾病的诊疗水平，对人工智能研发也具有重大意义。同时，它还有助于破译人机界面智能化的世纪难题，开发全新的信息处理系统。因此，脑科学被视为自然科学科研领域“皇冠上的明珠”，并得以蓬勃发展，成为近20年来发展最快的学科之一。

（一）美国脑计划

2009年，美国国立卫生院（National Institutes of Health，NIH）推出为期5年的“人脑连接计划”，旨在绘制人大脑的结构和功能连接图，以提高人类对自身大脑的认识，并通过构建共享数据库为以后的研究提供便利。2013年，美国启动“大脑计划”（Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies，BRAIN），同年4月2日，美国白宫正式公布一项脑科学研究计划，其工作组提出了9个资助领域，全部获得国家卫生研究院批准，这些领域包括：统计大脑细胞类型、建立大脑结构图、开发大规模神经网络记录技术、开发操作神经回路的工具、了解神经细胞与个体行为之间的联系、整合神经科学实验与理论、模型、统计学等、描述人类大脑成像技术的机制、为科学研究建立收集人类数据的机制、知识传播与培训，以探索人类大脑的工作机制，绘制脑活动全图，针对无法治愈的大脑疾病开发新疗法，旨在集结各方智慧，更好地理解人脑的工作原理以及人脑出现故障时如何解决。2018年11月，美国创建了应用于扫描人类大脑活动的无线光学层析成像帽，开发了应用于改善瘫痪患者生活的无创脑-机接口系统，寻找控制疼痛及阿片类药物滥用的方法，以及用于治疗精神分裂症、注意力缺陷障碍和其他脑部疾病测试的无创脑刺激装置。因此，美国国会曾将20世纪的最后10年命名为“脑的十年”。

（二）欧盟脑计划

2013年10月欧盟“脑计划”启动，欧盟“人脑项目”确定了3个着眼点：一是多层次的鼠脑结构，为人脑图谱和模型的开发提供重要信息；二是多层次的人脑结构，以产生从战略角度经过筛选的人脑数据，并与鼠脑数据进行对比，找出差异；三是脑功能与决定具体认知和行为能力的神经元结构。与此同时，欧盟人脑项目组提出建设6个平台，分别支持神经信息学、脑模拟、医学信息学、高性能计算、神经形态计算和神经机器人技术的发展，旨在复制包括神经元及其电活动在内的人类大脑。2015年，其工作重心转变为实验神经科学研究和为数据分析、建模和模拟、机器人和伦理框架提供工具和工作流程的基础设施平台，欧盟脑计划也变成有某种永久性共享基础设施的国际组织。同年，他们首次用超级计算机模拟了共包含31 000个神经元和3 700万个神经突触的大鼠神经网络。2018年，欧盟脑计划再次获得阶段性进展，推出了首张小鼠大脑中每个细胞的数字3D图谱，为神经科学家提供全部737个脑区中主要细胞类型、数目和位置等先前无法获得的信息，极大地加快了脑科学的进展。到目前为止，欧盟脑计划取得了许多突破性进展，其中包括能够应用在神经形态计算机上的全新学习算法，充分结合实验神经科学成就的全新理论模型，以及对于理解学习、认知、空间记忆、多感官整合、睡眠和意识的神经基础等。与美国的“脑计划”非常重视人脑活动过程相比，欧洲的“人脑项目”更加侧重于对数据的研究，更好地实现人工智能。

（三）中国脑计划

2016年中国“脑计划”启动，其核心为“一体两翼”。“一体”以人类认知的神经基础为主体和核心；“两翼”包括以探索大脑秘密、攻克大脑疾病为导向的脑科学研究以及建立和发展以人工智能技术为导向的类脑研究。脑科学与类脑研究中国脑计划主要解决大脑3个层面的认知问题：一是大脑对外界环境的感官认知，即探究人类对外界环境的感知，如人的注意力、学习、记忆以及决策；二是对人类以及非人灵长类自我意识的认知，通过动物模型研究人类以及非人灵长类的自我意识、同情心以及意识的形成；三是对语言的认知，探究语法以及广泛的句式结构，用以研究人工智能技术。2018年，我国科学家首次针对人类前额叶皮层发育过程中前额叶形成中的细胞与分子机制进行了系统研究，绘制了前额叶皮层中兴奋性神经元神经发生的时间线，并检测了早期额叶皮层中早期神经元祖细胞的存在。2019年，我国学者将单突触狂犬病病毒示踪剂与荧光微光学切片断层扫描结合使用，以生成对雄性小鼠内侧前额叶皮层（medial Prefrontal cortex，mPFC）中γ-氨基丁酸（γ-aminobutyric acid，GABA）能中间神经元直接远程输入的全脑图谱。

除美国、欧盟和中国外，日本、澳大利亚、韩国和加拿大也分别提出自己的“脑计划”。2014年，日本脑计划启动，即“综合神经技术用于疾病研究的脑图谱（Brain Mapping by Integrated Neurotechnologies for Disease Studies，Brain/MINDS）”项目，旨在利用非人灵长类动物狨猴绘制神经元回路的结构和功能图谱，以帮助最终了解人类复杂的大脑。2016年2月，澳大利亚提出通过增加国际合作来提高本国的大脑战略性研究，目前已在神经镇痛装置、仿生视觉装置等方面获得转化性成果。2016年5月，韩国提出“脑科学发展战略”，通过政府资助提高国家脑科学研究水平，并在脑疾病防治方面取得突破。2017年，加拿大启动脑科学研究战略，着重开展对大脑发育及功能的研究，并利用研究成果防治脑疾病，带动人工智能技术的发展。

综上所述，现代人对意识的研究有多学科概念，不再限于生物学科。这就是意识源自于大脑的真空态激发。心理学和哲学也与意识研究有关联，意识可分有意识和无意识，这两个概念又与视觉中的关注和视而不见、视觉盲、变化盲有关联。意识的检测是研究的实验模式，脑电波测量、磁共振扫描仪、脑磁图、近红外光谱仪、透明脑技术等通过电生理记录或光学成像，可以获取患者大脑中数十亿比特的信号，应用新的计算手段和算法，对这些信号进行辨认、显示乃至于理解，从而对有意识和无意识的状态进行比较、分析和推断，为研究意识NCC提供了关键线索。磁共振成像技术的时间分辨率虽然不像微电极那么高，但它可以检测整个大脑的代谢、血氧动力学或神经元活动，此外，还可以通过复杂的磁共振染料，检测大脑细胞内钙离子或基因产物的浓度是否变化。这些检测手段可以看出人脑的变化与意识的关联，但检测的信息能否说明意识是什么？意识是怎么产生的？就需要进一步探索外意识的检测是否表明意识可以量化式测量，这是一个新问题。

总之，意识的研究历史悠久，涉及面很宽，有多学科、多层面、多系统、多未知因素的复杂问题。尽管这方面研究集中在心、脑、灵魂、精神、物质等关键词上，但至今仍然是“世界之结”，是科技前沿研究热点之一。