意識會在大腦中留下痕跡嗎？科學家提出基于“神經熵”的新解釋

從科學角度看，研究意識有點像這樣一種處境：你試圖從一艘在黑洞引力軌道上運行的宇宙飛船窗口，去描述黑洞內部的奇點。我們可以看到黑洞如何扭曲周圍的空間：被加熱到極高溫度的塵埃與氣體不斷向內旋轉；輻射與奇特的引力波向外擴散。

但從這種外部視角出發，我們不可能觀察到黑洞內部的奇點。事件視界阻擋了一切嘗試。同樣地，作為外部觀察者，我們也無法直接進入其他存在者的意識體驗。當我們用第三人稱的科學工具去觀察那些我們認為承載心理生活的地方——也就是大腦（更廣義地說，還有身體）——我們看到的只是物理現實的組成：電活動、神經化學物質和身體組織。沒有感受，沒有情緒，也沒有愛。我們內在宇宙中的意圖、信念與夢想，只能被我們自己所知。

現代科學通常認為意識是由神經活動產生的，就像一種幽靈般的軟件，從大腦的物質硬件中被“召喚”出來。然而，一種激進的新理論提出了不同的看法：大腦不僅會產生意識；意識本身也能夠影響大腦的物理動力學，并在這樣做時留下物理痕跡。

科學中最困難的問題

我們心理生活的內容，與我們所處現實的物理結構，看起來屬于兩個截然不同的領域。自從勒內·笛卡爾（René Descartes）在17世紀首次提出“心身問題”（mind-body problem）以來，西方思想一直被這樣一個問題困擾：現實中這兩個看似不相容的方面是如何相互作用的？這種不一致使得許多哲學家和科學家試圖把其中一個世界歸約為另一個——宣稱“心靈”或“物質”才是更為根本的。

近些年，哲學家約瑟夫·萊文（Joseph Levine）和大衛·查爾默斯（David Chalmers）重新表述了物理與感受之間的這一鴻溝，將其稱為“解釋鴻溝”（explanatory gap）或“困難問題”（hard problem）。至少從表面上看，對物質世界的描述與對心靈的描述之間存在一種范疇性的差異。

盡管存在這種鴻溝，現代神經科學仍然在繪制“意識的神經相關物”（neural correlates of consciousness，NCC）方面取得了重要進展——即識別那些與特定意識狀態穩定對應的大腦活動模式和腦區。然而，正如我們所知，相關性并不等于解釋。繪制出與意識體驗相關的大腦活動，并不能告訴我們為什么體驗會存在，也無法說明它是否在物理世界中發揮任何因果作用。

當代的意識理論通常試圖通過把意識等同于某種可測量的大腦物理屬性來彌合這一鴻溝。但這種做法在概念上付出了代價。它悄然用神經活動的定量指標取代了主觀性。意識變得類似于一個數字、一種結構或一種模式——一個抽象名詞——而意識最核心的特征，即第一人稱的感受，則從我們的解釋框架中悄然溜走。

如果我們認真對待自然留給我們的線索——正如笛卡爾以及其他人所暗示的那樣——并認真看待意識在物理意義上的不可還原性，而不是把它當作某種幻覺、副現象（epiphenomenon）或投射，那么，當我們試圖給意識提供一種科學解釋時，我們又該何去何從？

信息熵

一個頗具前景的研究前沿來自對大腦“信息熵”的考察。信息熵最早由克勞德·香農（Claude Shannon）在1948年提出，它提供了一種數學方法，用來衡量信息的不確定性或不可預測性。香農熵最初是為改進電信技術而發展出來的，但后來被應用于神經信號研究，在那里它可以衡量神經活動在不同尺度上的變化程度——從單個神經元一直到整個大腦網絡。

當整體大腦層面的神經熵升高時，可以把它想象成一場突如其來的熱帶雷暴穿過大腦，意味著神經活動處于更豐富、更混亂、更不可預測的狀態。相反，當“大腦天氣預報”更穩定、更可預測時，熵水平就會更低。香農熵為神經科學家提供了一種方法，可以在時間維度上測量大腦的信息湍流。

將信息論指標（例如熵）應用于意識研究并不是新鮮事。20世紀90年代，神經科學家朱利奧·托諾尼（Giulio Tononi）和杰拉爾德·埃德爾曼（Gerald Edelman）就將香農熵作為其“整合信息理論”（Integrated Information Theory，IIT）的基礎之一。該理論認為，意識類似于神經信號的整合程度與復雜性。

更近一些，帝國理工學院的神經科學家羅賓·卡哈特-哈里斯（Robin Carhart-Harris）提出了“熵腦假說”（Entropic Brain Hypothesis，EBH），表明不同的意識狀態——從深度麻醉到做夢，再到迷幻體驗——都可以對應到不同水平的神經熵。例如，迷幻狀態與較高的熵相關，而深度麻醉則表現為異常低的熵。

然而，一個新的理論框架提出了不同的視角：神經熵的突發性峰值，也許不僅僅反映意識水平，還可能是意識對大腦施加因果影響的跡象。

這一觀點被稱為“突現理論”（Irruption Theory），由沖繩科學技術研究所（Okinawa Institute of Science and Technology）的認知科學家湯姆·弗羅澤（Tom Froese）提出。結合多項當代神經科學研究，弗羅澤指出，當我們付出有意識的努力時——例如試圖辨別環境中的某個特征、解決一個緊迫問題，或激發創造力——大腦會出現可測量的熵爆發，而這些現象無法完全用純粹的物理決定性神經機制來解釋。

“認知努力、運動努力，各種形式的努力，都與大腦中熵產生的增加有關，”弗羅澤說。“因此，在某種意義上，使用熱力學測量和信息論測量的熵作為心理活動的標志，已經是一種常規做法。”

突現理論并不把這種神經熵的上升僅僅看作是大腦代謝導致的熱量增加，或是因為我們沒有捕捉到所有相關物理變量的結果。相反，它把這些熵的爆發解釋為意識作用于身體時留下的“足跡”。我們或許無法用科學工具直接看到意識觸及物質大腦，但我們可以看到它影響所產生的信息漣漪，就像從黑洞中傳播出的引力波一樣。

《走近真理》（Closer To Truth）節目創作者兼主持人、意識理論網站“意識景觀”（Landscape of Consciousness）的創建者羅伯特·勞倫斯·庫恩（Robert Lawrence Kuhn）表示：“弗羅澤的突現理論是一種新穎而富有創新性的意識理論，它在一種‘堅實的科學自然主義’框架內認真對待現象學。”

“突現理論吸收了最新的大腦熵理論、共振理論以及隨機波動理論，并將它們置于一種廣義的‘具身行動觀’之中——在這種世界觀里，心靈是具身的，大腦、身體與世界之間相互連接。”

與托諾尼的IIT理論不同——后者把意識等同于系統的整合程度與復雜性——也不同于卡哈特-哈里斯的EBH——后者將意識與不同水平的熵相聯系——突現理論認為，意識本身會向認知系統引入變異，使大腦進入原本不會達到的新狀態。在這種框架下，神經熵并不是意識本身的直接測量，而是意識因果影響的一種可測指標。

弗羅澤補充說：“它們（神經熵增加的測量結果）之所以看起來像那樣，只是因為我們無法透過物質媒介觀察到真正起作用的那些變量。另一種理解方式是：其中存在某種隱藏的層面，一些在我們目前測量條件下無法觸及的東西。”

由于我們無法像測量其他物理變量那樣直接測量意識，因此意識對身體物理基礎的因果影響，在第三人稱測量的意義上，就表現為突發的不可預測性。而這種自發性恰恰出現在我們運用心智去影響世界的時刻，這也為理解人類為何會進化出意識提供了一個新的切入點。

意識對身體具有因果影響這一觀點，挑戰了自弗朗西斯·克里克（Francis Crick）提出“驚人假說”（Astonishing Hypothesis）以來占據主導地位的看法——即意識體驗只是大腦活動嘈雜背景的某種投影。

相反，突現理論將意識視為行為的主動驅動力，并可能具有進化優勢。意識或許并不僅僅是認知狀態的被動副產品，而是一種關鍵機制，在不確定條件下向生物系統注入靈活性、新穎性與適應能力。

根據突現理論，心靈可能的適應性作用是在關鍵時刻向系統引入變異與新穎性。當我們進行心理勞動、付出有意識的努力或表達意志時，我們實際上會觀察到一次真正的“頭腦風暴”。整個大腦會變得更加混亂，這反映出系統中被注入了探索性的變化與潛在的解決路徑。

物理學家薩拉·伊瑪麗·沃克（Sara Imari Walker）在其著作《生命：無人知曉的樣子》（Life as No One Knows It）中提出了類似的觀點：一個心靈能夠想象的未來可能性越多，它就越能在不確定的世界中導航。意識意志出現時的熵峰值，也許正標志著這種可能性在大腦中的展開。

超越生物學

如果意識會在生物大腦中留下物理“指紋”，那么我們是否也能在其他智能系統中發現類似的痕跡？隨著人工智能以及其他基于硅的系統變得越來越復雜，這個問題可能不再只是哲學問題，而是可以被測量的問題。

大型語言模型或其他人工智能架構，是否會在新的情境中產生與目標導向輸出相對應的熵激增？這些現象會不會成為人工心靈的最早可測線索？至少在理論上，突現理論提供了一種從外部回答“內在心靈生活是否存在”這一問題的方法。

除了有可能檢測外部系統中是否存在心靈之外，這一假設——即有意識的努力會在神經生物學層面引發不可預測性的爆發——也為理解我們的經驗如何與身體發生因果關系提供了一條科學路徑。它提出了一個可檢驗的主張：當心理努力增加時，神經熵的測量值也會隨之上升。

如果有意識的意志確實通過引入變異而對大腦產生影響，那么我們接下來可能會問：不同類型的體驗是否會產生不同“風格”的突現。例如，處于壓力狀態可能會改變神經變異的結構——影響其幅度或自由度。意識的各種性質，例如情緒基調、思維復雜性或注意力焦點，都可能在有意義的層面上限制心靈如何在大腦的動態景觀中留下自己的印記。

有些人可能認為，將一個無法直接觀測的心靈視為對身體的物理層面產生因果作用，是在倒退回認知科學早已超越的二元論。但突現理論并沒有聲稱心靈或物質哪一個更為根本。相反，它描述的是兩者之間的因果關系，這意味著我們的精神與物理兩個方面都屬于同一個基本現實。

世界的心理特征與物理特征之所以看起來不同，是因為我們與它們之間的觀察視角不同。對于突現理論而言，心靈與物質之間的區別是認識論的——即我們如何與它們發生關系——而不是本體論的——即它們的根本性質是什么。正如我們無法從外部觀察黑洞中心的奇點，并不意味著它屬于現實中另一個不同的基本領域。

“我確實認為，如果我們接受這樣一種事實——有些東西確實在發揮作用，但卻無法被直接測量——那么認知神經科學，甚至整個生物學，都可能取得很大進展，”弗羅澤說。“事實上，這在科學中本來就很常見。物理學中有很多例子，我們只是通過非常間接的證據推斷某些東西在發揮作用，比如暗物質……很好，而意識也是如此，我們無法直接測量它，但我們整個生活世界都建立在一個假設之上：它確實產生影響。”

正如弗羅澤所說，暗物質或暗能量也是如此。我們尚未——也許永遠不會——像觀測普通物質那樣直接捕捉到它們。但這并不意味著它們在宇宙中沒有作用，也不意味著它們屬于某種特殊的存在類別。它們是自然的一部分，就像意識一樣。

作者：Conor Feehly

譯者：EY

https://bigthink.com/mind-behavior/consciousness-may-be-more-than-the-brains-output-it-may-be-an-input-too/