克里克很快和加州理工学院的克里斯托夫·科赫(Christof Koch)结成了团队,后者是一位聪明智慧、精力旺盛的计算神经科学家。为了探索意识,他们决定研究哺乳动物的视觉系统,尽管这是一个已经研究泛滥的课题。他们的目标是尽可能地探明视觉信息在抵达视皮层之前经历的早期加工步骤。他们的终极目标则是寻找意识的神经相关集合(neural correlates of consciousness,简称NCC):产生特定意识知觉所需最少的神经元活动和机制组合。科赫解释说:“任何心智活动和其神经相关集合间一定存在明确的相关。换一种说法,即为任何主观状态变化一定与某种神经状态的变化有关。注意,反之未必正确,两个不同的脑神经状态可能对应着同样的心智状态。”听上去十分合理且直接,这对意识研究来说是非常难得的。 在开始实验之前,克里克和科赫对意识提出了两个假设。其一,在任意时刻,部分神经元加工活动与意识相关,而其他神经元活动与之不相关。他们就此提出问题:二者之间的区别是什么?其二,他们将之称为“不确定性”,即“意识的所有组成部分(嗅觉、痛觉、视觉、自我意识等等)共有一个或若干个机制”。如果他们能理解其中一个部分,就走上了理解所有功能的正轨。他们决定搁置一部分讨论,以免在其上浪费太多时间去争吵。他们绕开了心智与肉体的关系问题,并主张,为了科学地研究意识,考虑到大家都对意识的含义有一个大概的认识,那就不需要对其下定义了,从而避免过早下定义的危险。 因为他们对意识的定义持模糊态度,克里克和科赫决定对其功能也采取同样的态度,从而将“意识存在的意义是什么”这样的问题搁置一旁。他们还假设一些高等动物拥有意识的部分特质,但不一定拥有完整的意识。因此,动物可能拥有意识的一些关键能力却没有语言能力。低等动物也可能在一定程度上拥有意识,但他们此时不想深究这一问题。他们假设自我意识是意识的自指成分,并同样将其搁置。他们也决定暂时忽略意志、意向以及催眠和做梦的问题。最后,他们舍弃了感受质问题,也就是体验的主观特质,或者说看到“红色”是一种什么感受。他们相信,如果能搞明白人是如何看见红色的,那么这个问题的答案可能就是:我们看到的红色真的是一样的。 克里克和科赫均承认,意识的神经相关集合无法解决意识问题。对意识的实验研究来说,确定意识和非意识过程的神经相关集合的意义在于为神经生物学模型提供限制规则。他们希望,和DNA结构对遗传研究的推动一样,意识的神经相关集合能为意识理论带来巨大突破。DNA分子的结构及三维模型的建立为我们提供了线索,暗示我们DNA分子会分解并自我复制,这与孟德尔的遗传理论完美契合。 首批明确的意识的神经相关集合发现将成为迈向意识理论的头几步,但它们本身并无法解释神经活动和意识之间的关系。后者是模型要解决的问题——很快,一批新鲜的成果就出炉了。 克里克的工作有如开闸泄洪,人们纷纷响应:我们又可以研究意识了!在那20年间,关于大脑机制的实验数据快速积累,为这一领域打下了坚实的基础。实验攻坚战役已经打响,在背后提供辅助的是越来越多的新的研究武器。 到如今,我们已经掌握了单神经元记录及控制技术(这是克里克盼望已久的技术,已由光遗传学实现)和各类脑成像技术,以及如何用计算机处理大量数据。那些听从克里克的警告,相信“绝对不能把通过自省获得的证据当作确定事实,而是应当用其他手段对之进行解释”的学者则找到了大量关于无意识活动的证据,丰富到令他们感到尴尬。 大量运用计算、信息、神经动力元素解释神经活动与意识关系的神经生物学模型出现了,如同顽童脑中的淘气点子一般一个接一个。这些模型因其描述的抽象水平不同而不同(我们将在第5章对此展开讨论),部分模型拥有共同的特征,但没有任何一个模型能够解释意识的所有层面,也还没有任何一个被普遍接受。 在接下来的章节里,我将介绍一个思考意识问题的新概念和新框架。对此我深感笔拙而紧张,在这群思想家和科学家先贤所著的鸿篇巨制上增添内容令人生畏。如今,我们面对着海量快速增长的新信息,如果走运的话,我们或许能从中窥探大脑神奇能力的原理。 笛卡儿和许多其他古代学者相信心智悬浮于大脑之外,后来的机械论者则认为意识是单独一套机制或网络的产物,庞大而单调。他们的观点都是错误的。我将论述意识不是一个物体。“意识”是一个词,我们用它来描述有机体中多个本能与记忆共同活动带来的主观感受。因此,“意识”是一个代称,指代了复杂生命体的运作方式。为了理解复杂有机体的运作方式,我们必须明白大脑依靠什么样的构造来产生我们所熟知的意识体验。这就是本书即将探讨的主题。 第4章 模块化的脑 “现在你看,要想停留在原地,你必须全力奔跑。如果你想去别的地方,你必须跑得比现在快一倍!”红皇后说道。 刘易斯·卡罗尔 《爱丽丝镜中奇遇记》 我们的大脑看上去就像弗兰克·盖里(Frank Gehry)在西班牙毕尔巴鄂修建的古根海姆博物馆一样,歪歪扭扭摇摇晃晃。但是,正如盖里所说,这座博物馆可不会漏水,它好着呢!盖里是一名天才建筑师,他大大拓展了我们对能正常行使职能的物理结构的想象力。我们的大脑同样有一个能行使职能的物理结构。在这个外表不稳定的疯狂结构的背后确有其一套道理,我们能理解其中一点皮毛,但绝大部分还属未知。历经数百年的研究之后,依旧没有人能够明白,我们脑中这对层层叠叠的生物组织到底如何产生我们日常生活的体验。我们脑中每时每刻都进行着无数电、化学和激素活动,但我们体验到的所有事情都是顺畅的、统一的。这是如何做到的?到底是脑中的什么构造产生了意识统一体? 万物皆有其结构。物理学家将这一真理贯彻到了量子水平(我们将在第7章讨论这个问题)。我们不断将事物拆解,以观察其运作的原理。 The Consciousness Instinct 事物由部分组成,身体和脑亦如此。从这一角度来看,可以说我们就是由模块组成的,换句话说,模块相互作用产生了整个功能实体,即我们此刻的观察对象。 我们需要了解这些组成部分,并且不仅要知道它们是如何组合在一起的,更要知道它们是如何互动的。几乎可以肯定,我们大脑的各个组成部分协调合作,共同产生了我们的心智状态和行为。从表面来看,将大脑功能视作一个可产生单个意识体验的完整单元,似乎是一个符合逻辑的做法。哪怕是诺贝尔奖获得者查尔斯·谢灵顿也曾在20世纪早期将大脑形容为一个“魔法织布机”,他认为是神经系统统合运作、共同创造了神秘的心智。不过,当时的神经科医生或许会建议他参观一下病房。他们的诊所里挤满了脑损伤病人,似乎在讲述一个完全不同的故事。 所有人都感觉自己是一个独立的、不可分割的实体(这为谢灵顿的“魔法织布机”理论提供了一个直觉证据),但与之相矛盾的是,很多证据表明大脑功能并不是铁板一块。 The Consciousness Instinct 相反,我们不可分割的意识其实是成千上万个相对独立的加工单元或者说模块产生的。模块是脑中随处可见的特异性神经元网络,负责行使某个特定功能。 神经科学家、物理学家、哲学家唐纳德·麦凯(Donald MacKay)曾经这样说,当一个东西运作出现故障时,我们反倒更容易破解其运作原理。通过物理科学领域的研究,他明白了一个道理:对工程师来说,东西坏了反而更容易被理解,就好比电视机,相比工作正常的电视机,一台画面飘雪花的电视机更容易让他们搞清它的原理。与之类似,研究出现故障的大脑能帮助我们更好地理解正常大脑的运作机制。 证明大脑模块化构造的一个最具说服力的证据来自脑损伤病人。当特定脑区出现损伤后,病人的部分认知能力会受损,因为负责该能力的神经元网络无法正常工作,与此同时,其他功能依旧无碍,继续天衣无缝地各司其职。脑损伤病人身上最吸引人的一点,就是无论其有什么样的异常,意识总是完好的。如果意识体验需要依赖整个大脑的正常运作,这就不可能发生。模块无处不在,这是我的理论的核心,因此,我们必须首先理解大脑的模块化程度到底如何。 模块缺失却照旧工作的大脑 以任何大脑中任何一个脑叶为例,考虑一下卒中对患者的影响。例如,右侧顶叶损伤的病人通常会出现一种名为“半侧空间忽视”(spatial hemineglect)的症状。由于损伤脑区的大小和位置的不同,半侧空间忽视症病人可能会表现得左半侧世界或部分或全部不存在,甚至可能还包括他们自己的左半边身体。具体来说,他们可能会只吃盘子右边的食物,只给右脸剃胡子或化妆,画钟表图案时不画左边,看书时不去读左侧的书页,以及不承认房间左侧中任何东西或人的存在。有的病人会认为他们的左胳膊和左腿不属于自己,以至于在起床时根本不用这一侧的肢体,哪怕他们并没有瘫痪。有的病人甚至还会忽视他们想象和记忆中的左侧空间。症状的表现形式与脑损伤的大小和位置有关,这说明损伤破坏的神经回路涉及不同的加工过程。确定这些损伤的功能性神经解剖学结构的研究为大脑模块化的观点提供了强有力的证据。 有趣的是:半侧空间忽视症可能来自实际的感觉或运动系统功能缺损,但在一些情况下,即便所有感觉与运动系统均运作正常,半侧空间忽视依旧会发生,这种病症被称为“对消”(extinction)。在这种情况下,大脑单侧半球工作正常,但当需要两侧半球同时工作时,问题就出现了。尽管如此,大脑依旧能在无意识水平上使用忽视半侧的信息!这意味着信息本身还在,病人却意识不到它的存在。具体来说是这样,如果给左侧半球忽视病人的左右视野同时呈现视觉刺激,他们会报告称只能看到右侧视野的刺激。但是,如果只有左侧视野的刺激呈现,病人就能够正常感知到这个刺激,即使该刺激的视网膜投影位置与之前的刺激一致。换句话说,如果没有健侧刺激的竞争,被忽视侧就能被病人察觉,并且出现在意识层面!最奇怪的是,此类病人通常会否认任何异常:他们意识不到自己的回路缺失及其引起的症状。 因此,从表面看来,他们的自传体式自我来源于他们能意识到的感知世界,而信息能否进入他们的意识,取决于两个因素。首先,如果回路不工作,就无法进入他们的意识。关于这些回路功能的意识消失了,就好像它们从未存在过。其次,存在某种竞争过程。有些回路的功能能进入意识层面,有些则不能。简而言之,意识体验似乎与相当局部的加工有关,局部加工活动可产生某种特定的能力,同时又可能被其他模块的加工打压,从而无法进入意识。这就引出了一些足以令人震惊的推论。 一些病人无法意识到自己的身体部件,还有一类病人,他们患有一种名为“第三者”现象的临床障碍,竟然能感知到本不该有的另一个人的存在!这是我最喜欢的一种病症,也被称作“在场感”(feeling of a presence,简称FoP),指病人认为在某个空间位置,通常是侧后方,还有别人存在的感觉。这种感觉非常强烈,以至于病人会不停地回头察看,或是为这个不存在的人提供食物。当你走在漆黑的小巷里,或许会因为妄想背后有人跟踪而把自己吓得毛骨悚然。但此类病人不一样,他们的在场感通常会突然出现。事实上,在高山攀登者或其他因极端情况导致肉体极度疲惫的人当中,在场感是一种常见的现象。 在著作《裸山》(The Naked Mountain)中,公认有史以来最伟大的登山家莱因霍尔德·梅斯纳(Reinhold Messner)(他是首位单人登顶珠穆朗玛峰者,而且他从来不带氧气瓶)记录了自己在1970年第一次挑战喜马拉雅山脉的经历,当时他和兄弟冈瑟(Günther)正在挑战南迦帕尔巴特峰:“突然,我身边出现了第三位登山者。他和我们一同下山,一直在我右手边和我们保持几步的距离,刚好在我看不见的地方。我看不见他,同时也要集中注意力,但我可以肯定边上有人。我能感受到他的存在。我有十足的把握。”不过,即使你不是一个精疲力竭的登山者,也可能产生类似的感觉。近一半的丧偶者曾感受过已逝配偶的存在。对一些人来说,这种现象就成了各种关于幽灵鬼怪或是神明降临的故事开端。 瑞士神经学家、神经生理学家奥拉夫·布兰克(Olaf Blanke)却认为没有什么鬼魂,在一次机缘巧合下,他见证了这一现象。为了定位癫痫病灶,他对一名病人的颞顶皮层施加电刺激,从而触发了病人的在场感体验。他还针对一批表示自己有在场感体验的病人开展了研究。他发现额顶区域损伤与该现象特异性相关,且损伤往往位于在场感出现方位的对侧。这一定位提示他,感觉运动加工和多感觉整合异常或许参与了在场感现象的产生过程。我们能意识到自身在空间中的位置,却意识不到自身定位所需的大量加工过程,诸如视觉、声音、触觉、本体感觉、精细运动动作等等,在正常情况下,这些加工过程会整合在一起,帮助我们准确地定位自身。如果这一过程中存在异常,便会出现加工错误,导致我们的大脑错误地解读自己的位置。布兰克和同事们发现,在场感就是此类加工错误的表现形式之一。最近,他们巧妙地使用机械臂扰乱感觉加工的方法,在健康被试中诱发了在场感现象。 我们在做动作时,会预期在特定时间和空间出现动作的结果。比如你在挠背时,会预期背上同时产生感觉。当这种感觉在时间和空间上均与预期符合时,你的大脑便会将之处理为自身行为产生的感觉。如果与预期不符,或者说如果感觉信号在空间和时间上与自我触碰的行为不匹配,你会认为它来自外界。想象你的眼睛被蒙住,胳膊向前伸,你的指尖顶在一个主控机器人身上的顶针状凹槽里,后者将信号传输给你背后的机械臂。你的手指运动可以控制机械臂的运动,你在动手指的同时,机械臂也在抚摸你的背。在一些试次中,你的手指能够感受到与其推力相符的阻力,而在另外一些试次中,阻力更为松散,与你的动作施力不符。如果你背上的感觉与你的动作同步,即便你的胳膊伸向前方,你的大脑依旧会产生一种错觉,感觉身体向前飘,而你在用手指触摸自己的后背。但是,如果触觉与动作不同步且稍晚于你的手指动作,你的大脑就会编造出一套完全不同的故事。在此基础上,如果你在控制机械臂时指尖感受不到阻力,这种不同步的触觉会让你感觉有另外一个人在摸你的背!布兰克使用精密可控的身体刺激,证明感觉运动冲突(即与自身触摸时空不符的信号)足以在健康被试中产生在场感现象。此类冲突可以通过控制不同位置的神经网络或者说模块来达成。 如果大脑的运作方式如同一台一体式的“魔法织布机”,那么移除部分大脑组织或在部分回路中刺激诱发错误的加工,要么会让整套系统停机,要么会导致所有认知功能失常。事实上,许多人在大脑缺失或损伤后依旧能过上相对正常的生活。特定脑区损伤后,患者通常会出现某些而非所有认知方面的障碍。例如,人类的语言功能非常发达。多数人的语言中枢位于大脑左半球。语言中枢中存在两个截然不同的区域,分别名为布罗卡区(Broca’s area)和韦尼克区(Wernicke’s area)。 布罗卡区负责言语产生,韦尼克区负责书面及口头语言的解读或理解,并帮助我们将单词和句子组织成有意义的话语。具体来说,布罗卡区参与了词汇发音,能够协调唇部、嘴部和舌头的肌肉,从而让人们准确地念出单词;而在我们开口说话前,韦尼克区已经将词汇以可懂的顺序组织完备。布罗卡区受损的人会出现说话困难的情况:对他们来说发言是一件很吃力的事情,说出来的话也断断续续,但是他们努力说出来的词语依旧遵循可懂的顺序(例如他们可能会说“大脑……模……块”),尽管可能存在语法错误。布罗卡区受损的患者清楚自己的错误,并很快会因此感到沮丧。相反,韦尼克区受损病人首先会出现理解障碍。他们能流畅地说话,语法也很正确,但话语本身毫无意义。这种现象告诉我们,这两个脑区的功能不同;如果其中一个脑区受损,它就无法正常工作。这向我们清晰地展示了大脑的高度模块化组成。 大脑为何会进化出模块?我曾经听可口可乐公司的总裁这样描述公司组织结构中的逻辑。随着公司规模不断扩大,主管们意识到,在一个工厂里生产所有的产品然后满世界运送是不现实的,效率低且成本高。运输、包装成本以及在“公司总部”召开管理层会议而产生的差旅费等,都是毫无意义的花费。显然,他们应当将全球划分为若干个分区,在这些分区内设立工厂,并在当地销售产品。集中计划已经过时,地方分权才是潮流。同样的道理对大脑而言也成立:模块化结构消耗更少,效率更高。 向更大的脑进化吗 过去有一种观点认为,脑体积超出身体一定比例的动物智能更强。人类拥有占比过高的脑,因此我们智能优秀。但是,这一理论存在一个问题。尼安德特人比我们的脑子更大,却在与智人的竞争中败下阵来。我自己的研究指出了另一个棘手的问题:裂脑手术后,独立的大脑左半球竟与完整的大脑智力水平一致。更大不等于更好。这是怎么回事呢? 苏珊娜·埃尔库拉诺-乌泽尔(Suzanna Herculano-Houzel)和同事们使用一种新技术计算了人脑中神经元和非神经元细胞的个数,并与其他物种进行了比较。他们发现,人脑根本不像传说中的那么大!单就尺寸来说,人脑并非大到离谱,而是符合灵长类动物的比例。尽管和黑猩猩相比,人脑更大,神经元数量也更多,神经元数量与脑尺寸的比例却没有区别。另一个激动人心的发现是,人们常说的胶质细胞与神经元呈10:1的比例也是大错特错的,从未有过明确的出处。和其他灵长类动物脑一样,人脑胶质细胞比例不超过50%。埃尔库拉诺-乌泽尔还澄清了另一个谣言,即所谓的人脑只开发了10%,她指出这个说法很有可能来源于10:1的这一错误的比例。 但是,和其他哺乳动物相比,人脑具有两个优势。首先,和其他灵长类动物一样,人脑结构非常节省空间,其次在所有节省空间的灵长类动物脑中,人脑是最大的,因此神经元数量也最多。在比较灵长动物脑和其他物种脑的神经元数量时,我们不能随意地把脑体积当作考量指标。例如,比较同为啮齿类动物的小鼠和大鼠,后者不仅脑子更大,神经元也更多。对大鼠来说,神经元数量更多,神经元尺寸也更大。因此,一只大鼠神经元占据的空间超过了一只小鼠神经元的,就好比粗面条和细面条之间的差别。但是,对同为灵长类动物的猴子和人类来说,后者比前者神经元数量更多,神经元大小却不变。因此,增大相同的体积,灵长类动物脑增加的神经元数量大于啮齿类动物脑。如果我们放大一只大鼠的脑子,使之体积与人脑相等,大鼠脑的神经元数量只有人脑的1/7,因为每个神经元需要占据更多空间。脑体积增大是一个复杂的问题,不同目(如灵长目和啮齿目等)似乎遵循不同的规律。 回到模块问题。如果人脑神经元数量增多的同时,每一个神经元都与其他所有神经元相连,那么轴突(神经元的“电线”部分)数量会呈指数级增长。这样一来,我们的脑子将会奇大无比,直径可达20千米,并将消耗海量能量,哪怕我们像填鸭一样强迫自己进食,也无法支撑如此庞然大物的运转。在真实世界中,我们的脑只占身体总重的2%,却吞噬了近20%的能量。脑之所以如此耗能,是因为它是一个强大的电力系统,并且时刻运转,就像一台7月的空调。巨大脑子还存在另一个问题,即轴突过长导致的加工速度骤降。 神经科学家乔格·施特里特(Georg Striedter)研究了不同物种大脑进化的差异及其产生原因。他提出,伴随脑体积增长的脑连接变化遵循几项法则。第一条法则是,单个神经元的平均连接数不随脑体积增长而改变。相反,神经连接的绝对数量保持不变,因此,脑体积增长会使脑能量消耗及所占空间更为可控。但是,这也意味着,脑体积增长伴随着整体联结性降低。联结性降低意味着更为独立的加工。 第二条法则为连接长度的最小化。这使得大多数神经元只与临近神经元相连。短的连接耗能更少,空间占比更低,信号传输更快,使得这些局部的神经元之间能够建立高效的通信。因此,脑体积增加伴随着神经连接的重组,结构组织也因此发生改变。最终形成的脑由许多连接丰富的局部神经元组构成,它又被称为“神经元群落”。 这种类型的结构使得彼此分离的神经元组各自形成其专有功能:模块就这样诞生了!一个模块中的大多数神经元参与了模块内的连接,另有少数神经元与临近的模块构成短连接,从而形成神经回路。当一个模块在接收信息后,对之进行修饰并传至另一个模块以供进一步修饰,一个神经回路就形成了。因此,尽管多数模块与其他模块连接的情况稀少,但这种模块间的连接能够使临近的模块形成聚类,以完成更复杂的加工。我们将在下一章讨论层级化结构时对此有更多的了解。 一些模块存在层级化结构,也就是模块本身由亚模块组成,亚模块又由亚-亚模块构成。大脑中存在大量独立运行的模块,因此需要在模块间形成更高效的交流与协调机制。这就引出了第三个连接法则:不是所有的连接都是最小化的;一些长距离连接得以保留,成为远距离脑区间的快捷通道。 以上这些连接法则构建出来的整体结构被称为“小世界”结构。此类结构高度模块化,但任意两个模块间的沟通都只需要寥寥数步。很多复杂系统都是小世界结构,例如美国权力体系和社交网络。大量研究表明,大脑由存在功能连接的聚类或模块组成。 模块化大脑的优势 我们从这种结构设计中能看出,与整体功能脑相比,模块化脑具有许多优势。首先,模块化脑的能量消耗更少。因为每个模块都被进一步划分为小单元,在完成特定任务时,模块中只有部分区域需要保持活跃。如果一举一动都需要全体出动,你的大脑要交的电费怕是要突破天际。这就好比你住在一个炎热的城市,到了夏天,如果你在晚上只开卧室空调,就比给整个房子制冷要省钱。抛开利用模块化节省能源这一条,大脑依旧消耗了我们每天摄入能量的1/5,它真的在高效使用这些能源吗? 其次,事实上,作为一个耗能大户,我们的大脑意外地还算高效。神经元通过大脑的“电线”即轴突和树突传播电信号。尽管这些神经连线和现代电器使用的电路运作方式不同,但基本原理还是一样的,二者都靠电流将信息从一处传至另一处,而这一过程需要耗能。电流传播得越远,消耗的能量就越多;轴突越粗,电流遭遇的阻抗越大,消耗的能量也越多。局部模块化运作使得大脑只需进行短距离传输,需要的连线更细,模块间传导时间更短,因此可以节省大量能源。此外,根据神经系统的活跃度计算,要保证连线长度和传导延迟最小化,连线比例(也就是由轴突组成的灰质比例)应为60%。许多大脑结构的连线系统都十分接近这一黄金比例。相反,如果大脑是一个一体的单元,那么各脑区的短距离连线和长距离连线数量应大体一致,而长距离就意味着更多的“电线”和更多的“能耗”。模块化的大脑将连线比例维持在一个较低的水平(3/5,也就是60%),从而限制长距离电信号传输的数量。 The Consciousness Instinct 总而言之,大脑似乎能够通过模块化实现能量使用效率的最大化。 再次,模块化大脑的功能效率也很高,因为数个模块可以同时对特定信息进行处理。有了能各自独立运行的多模块系统,我们就能轻松地一边走路一边说话,同时还一边嚼口香糖,换作时刻追求协调所有功能的单一系统,事情就没那么简单了。此外,如果大脑是一个统一单元,它就必须成为一个多面手,才能合格地完成我们的日常活动。但是,如果将特定任务交给特化的“大师”模块,效率就会高很多。在复杂系统中,功能特化的现象无处不在。例如,当最好的农民都在种地、最好的教育者都在教书、最好的经理都在管理层时,经济自然会蓬勃发展。糟糕的经理能搞垮一个公司,糟糕的农民会破产,而糟糕的老师——好吧,我们或许都遭遇过至少一个糟糕的老师,也都清楚这会产生什么后果。当人们术业有专攻,而不是时时刻刻为所有经济事务操心,他们就成了专家。专家是更高效的生产者。比起事事都由所有人参与,多个专家同时工作带来的经济产出更高。这样看来,我们的大脑能够进化出模块化结构,并能同时高效处理多种信息,就显得很合理了。 模块化最重要的一项优势也许是在不断变化的环境中,模块化大脑能够更快地适应或进化,因为它能够在其他模块不变的情况下改变或复制某一个模块,从而无须改变那些已经充分适应环境的模块。这样一来,系统中某一区域的进化就不会影响其他功能正常的区域。 即使不讨论进化,大脑的模块化也能帮助我们更好地习得新技能。研究者发现,人在学习一项运动技能的过程中,大脑特定神经网络的结构也会发生变化。对许多技能来说,熟能生巧都是成立的,我们也能够通过经验掌握新的技能。倘若每习得一项新技能,整个大脑的运作方式都会发生变化,我们就会因此而对旧技能生疏。大脑模块化能够在资源稀缺的环境下节约能源,在时间有限的情况下平行开展认知加工活动,在新的生存压力来临之时更轻松地改变功能,并帮助我们学习多种多样的新技能。如果我们停下来仔细琢磨一下其中的道理,就会发现大脑根本不可能会是模块化以外的模样。 模块化的诞生 人类大脑并不是唯一的模块化脑,甚至也不是唯一一种模块化的生物系统。蠕虫、苍蝇和猫的大脑都是模块化的,血管系统、蛋白质交互作用网络、基因调控网络、新陈代谢网络乃至人类的社交网络也是模块化的。这种模块化结构是如何演化而来的?什么样的选择压力会造就模块化系统?这个问题令一众电脑科学家困惑不已。深思熟虑之后,他们决定验证施特里特提出的假说,认为模块化是追求连接功耗最小化过程的副产品。 网络的构造成本包括连接的构筑和维护消耗,以及信号传导及延迟消耗。网络中连接越长、连接数越多,构筑和维护的成本也就越高。此外,连接数增加及信号传导通路延长都会导致关键反应时间变慢——这在一个总有捕食者对你虎视眈眈的竞争环境中可不算是好事情。 计算机科学家杰夫·克卢恩(Jeff Clune)、让-巴普蒂斯特·莫瑞特(Jean-Baptiste Mouret)和霍德·利普森(Hod Lipson)使出了计算机科学家固有的技能:他们设计了一套计算机模拟系统。他们使用了一些已被广泛研究的系统,这些系统能够接受感觉输入并产生相应的输出。输出的内容决定了系统在面对环境问题时的表现。他们模拟了25000代进化,选择压力被设置为单纯的表现最优化,或是在表现最优化的同时还要求连接消耗最小化。结果很是惊人。连接消耗最小化的规则被加入后,无论是在可变的还是不变的环境中,模块化结构都会很快出现,但如果没有消耗最小化规定,模块化就不会出现。三位科学家检查了进化形成中表现最好的网络,发现这些网络都是模块化结构,且消耗越低的网络模块化程度就越高。这些网络在稳定或变化的环境中的进化速度更快,花费代数明显更少。这些模拟实验提供了有力的证据,证明同时要求表现最优化和连接消耗最小化的选择压力能够产生模块化更高、更具进化潜力的网络。 现在我们已经知道模块化系统拥有种种优势,但是这种优势是如何产生的?数千个独立的、局部的模块如何能够一同运作,协调我们的思维和行为,并最终诞生我们的意识体验? 模块化连接 模块在运行时高度依赖内部连接,但是,我们已经发现,模块之间也存在较为松散的连接。模块间的部分通信活动对协调复杂行为至关重要。例如,布罗卡区和韦尼克区各有不同的语言功能,但它们也需要与对方交流。韦尼克区需要将音素和单词组成连贯的句子,好让布罗卡区能够指挥你的唇部、嘴部和舌头来发出正确的声音序列。这些语言区间的连接非常密集,一组名为“弓状束”的神经纤维跨越其间,就像一条高速公路。你的大脑通过缩短不同认知功能模块间的通信距离,让这些消耗高、体量大的通信网络实现了最小化。在你闻玫瑰花时,布罗卡区和韦尼克区无须工作,除非你打算吟诗一首来称赞玫瑰花的美丽,或是决定怒斥园艺杂交专家注重花型而忽略了味道。大脑模块彼此通信,但是,从事相关认知活动的模块间连接出现不成比例的增多,而参与不同过程的模块之间的联系则少得多。 动物脑与人类脑的差别 大量使用不同的研究方法和数据分析技巧的研究均显示,大脑网络的结构与功能模块化存在于所有物种,并拥有许多相同的属性。首先我们需要花一些时间来理解结构网络与功能网络之间的差别。“结构”很简单,指的是网络的物理解剖,诸如神经元数量、排列方式、形状等等。功能网络行使特定功能,可能参与口头语言,或者参与语言的理解等等。重要的是,网络的结构并不能体现其功能,反之亦然。结构可能提供一些关于功能的线索,但也止步于此。例如,你可以观察一棵树的结构,但无法从中获知树叶的功能。无论以无脊椎动物为对象的动物实验,还是以哺乳动物为对象的动物实验,均显示动物大脑的神经模块同样拥有密集的内部连接,且模块间距离很近,可以减少能量消耗。有趣的是,通体透明的秀丽隐杆线虫(caenorhabditis elegans,一种拥有数百个被反复研究的神经元的生物)尽管是最小的拥有神经系统的生物之一,其神经系统同样是模块化的。 The Consciousness Instinct 模块化意味着高效,并且对生物体的高效运转以及在竞争激烈的环境中的进化来说必不可少,这在不同物种中均成立。 既然动物和人类都拥有模块化大脑,我们自然可以得出一个推论,即二者的脑有着类似的知觉功能,包括意识。不幸的是,当前科技不足以支持我们去理解不同生物对这个世界的体验,尽管托马斯·内格尔一定非常喜欢这个想法。我们甚至经常难以理解自己对世界的感知。要想通过实验来理解包括动物和人在内的其他生物的体验,最好的方式是使用行为和脑活动测量手段。 我们总是爱将意识体验与人类的复杂认知能力联系在一起,这种做法也的确在情理之中。我们得出结论,动物要想拥有意识,就必须拥有同样类型的认知能力。我们随心所欲地给各种物体强加上意识体验,这个物体可以是玩偶,也可以是机器人,对我来说,则是一台1949年产的普利茅斯轿车。 研究者在其他动物中寻找早期意识的痕迹时,常常会观察这些动物是否会使用工具。人们通常认为,工具使用行为能够体现复杂的认知活动。事实证明,这种证据遍布整个动物界。例如,鸦科鸟类(包括乌鸦、渡鸦、松鸦、喜鹊、秃鼻乌鸦、星鸦等)能够使用工具来够取位置棘手的食物,工具的制作和操纵方式和黑猩猩类似。日本仙台市的乌鸦会借助汽车来碾碎坚果:它们把坚果丢在人行横道上,然后坐等过往车辆将其碾碎,不仅如此,它们还会等到信号灯变红之后再去将果仁取回。新喀里多尼亚乌鸦也是一群聪明的小家伙,它们会制作两种不同的工具,用来做不同的事情。它们会带着工具出门觅食,就像渔夫带着渔网出海一样。它们还解决了“元工具”问题,能用一种工具来获取另外一种工具,最终获取食物。不同地域的乌鸦使用不同类型的工具,表现出了文化的差异和传播。但是,即便是从未接受过社会学习的人工养殖的乌鸦,也能掌握基本的木棍工具使用技能。这些现象说明乌鸦很有可能可以意识到自己是活着的、警觉的,并且能体验当下,但这是否说明它们也能意识到自己的这些技能?它们显然拥有一些其他鸟类没有的特化模块,但这会使它们拥有自我意识吗?许多研究鸦类行为、技能和学习的研究并没有贸然尝试解决这些问题。那么猩猩呢? 很久以前,人们就发现野生黑猩猩能够使用工具,主要包括用木棍挖蚂蚁和蜂蜜,以及用树叶舀水。不同区域的黑猩猩使用不同的工具达成不同的目的,同样暗示了文化差异和工具使用的社会传播。但是,一旦一只黑猩猩学会使用某种工具,这种技能就成了习惯。工具被发现后,种群中的部分成员会开始使用这种工具,但它们并不会对其进行改进。另一方面,和人类一起生活的黑猩猩会解谜,以及寻找复杂问题的解决方案。例如,当黑猩猩发现天花板上够不着的地方挂着一串香蕉时,它们会把木头箱子叠起来搭成梯子,从而拿到香蕉。黑猩猩的技能丰富,令人印象深刻,但这是否能说明它们和人类一样拥有意识?这个问题的表述可能不大恰当。或许我们应该问:“我们的意识体验内容和黑猩猩类似吗?” 在阐释这些动物实验结果时,许多研究将黑猩猩的思维活动类比为人类婴儿的思维活动。在一项简单的隐藏物体指示任务中,当实验者把黑猩猩想要的一样东西放在它看不见的地方,然后用手指向藏东西的地方时,黑猩猩会表现得很困惑,14个月大的人类婴儿则能顺利理解实验者的手势。与此同时,黑猩猩和人类儿童观察到一个行为后,都会尝试模仿,即便他们此前从未做过类似动作。当向人类儿童示范获得奖励应做的动作后,儿童会模仿全套,哪怕其中包含一些多余动作,而黑猩猩只会模仿必要的动作。一种观点认为,这表明人类儿童是完美主义的模仿者,而黑猩猩是目的驱使的模仿者。当奖赏(或惩罚)不再出现后,黑猩猩通常不会继续重复所学的动作。相反,人类婴儿仍会继续做出模仿动作,即便这不会带来奖赏或惩罚,表明人类婴儿具有为了学习而学习的倾向。这或许是人类与其他动物的一个重要区别。不过,黑猩猩到底还是比鸦类更聪明。和鸦类相比,黑猩猩是更新了更高级的、能够支持意识体验的硬件,还仅仅是获得了不同的意识体验? 在学习和解决抽象问题方面,人类的能力远超其他动物。人类发明的技术比动物创造的任何工具都更精巧实用。工程师和科学家们发明了计算机、飞机、摩天大楼,以及能把人类送上月球的火箭……这样的例子还有很多。不过,我们只需要小部分人拥有创造力。 The Consciousness Instinct 模仿和学习能够将有用的物件和发现像野火燎原一般传遍整个人类世界,最终成为我们日常生活的一部分。 就像天才心理学家戴维·普雷马克(David Premack)指出的那样,人类拥有一小撮“天选之人”,他们能够发明伟大的技术,例如控制火、轮子、农业、电力、手机、网络以及土豆皮包培根或芝士。在人类之外,地球上现存的任何物种都没有个体能达成此等伟大的成就。人类超群的学习、解决问题和发明的能力是否是我们能产生意识的原因?这些能力的出现必须有硬件支持,例如模块化大脑。此类硬件是否是我们理解意识的关键? 我认为,人类意识不是因为某种类似魔法药水的东西而突然出现的,这种想法具有误导性。黑猩猩的神奇能力打开了我们的思路,我们也给予了它们独特的地位,即欢迎它们加入意识大家庭。但是,首个发现并描述黑猩猩的心理活动的科学家提出了一个问题:它们是怎么看待意识的?我们对黑猩猩有一套理论,那么它们是否对我们人类也有一套理论? 普雷马克和他的学生盖伊·伍德拉夫(Guy Woodruff)率先测试了动物是否也拥有“心理理论”。拥有心理理论意味着个体能够将心智状态,诸如目的、意图、知识、信仰、怀疑、伪装、喜好等等归因为自己或他人。普雷马克和伍德拉夫之所以将这一概念命名为“理论”,是因为他人的心智状态是无法被直接观察到的,而是被推测出来的。人类总是假定他人拥有心智,且行为受心智状态驱使。在“心理理论”概念提出40年后,一切依旧没有盖棺定论,目前看来,尽管一些动物拥有某种程度的心理理论,但这都无法与人类的心理理论相提并论。约瑟普·考尔(Josep Call)、迈克尔·托马塞洛(Michael Tomasello)和同事们花了许多年钻研这一问题。黑猩猩能够理解其他个体的目标和意图,也能在某种程度上感知和理解其他黑猩猩,但是,大量研究表明,黑猩猩不能理解其他个体可能拥有错误信念,相反,两岁半的人类儿童能通过相关测试。但是,考尔、托马塞洛和克里斯托弗·克鲁佩伊(Christopher Krupenye)几年前发现了一些实验证据,表明有三种猩猩科动物能够内隐性地理解其他个体拥有错误信念,但它们还无法利用自己对错误信念的理解做出外显的行为决策。猩猩的心理理论能力与人类到底有多接近,这个问题还有待于进一步研究。 最近,在涉及社交能力的动物智商大比拼中,狗开始成为受人瞩目的新星。已退休的心理学教授约翰·皮利(John Pilley)有一只名气很大的边境牧羊犬,名叫“捕手”,它认识超过1000个单词,能理解语义,也能推测新词的意思。如果有人让捕手去取一个它从没听过的东西,它会从一堆玩具中找出从来没见过的那一个送过来。狗能够通过社交线索(譬如人的指示手势)推测食物或其他隐藏物体的位置,这一点连黑猩猩都无法做到。迈克尔·托马塞洛指出,在这个过程中,狗需要理解两个层次的意图:是什么和为什么。首先,狗必须理解指示发出者希望它注意手势所指向的东西;其次,狗必须弄明白自己为什么要这么做:是这个人给出了关于某个物体所在位置的信息,还是说这个人想要这个东西?黑猩猩通常能够响应人的指示手势,但不能理解这个手势的意思是指有食物藏在那里:它们似乎无法理解第二个层次的意图,也就是“为什么”。在过去的十多年间,许多研究者受到狗能理解人类给出的交流线索这一现象的启发,开始对心理理论萌生兴趣,已有初步证据表明狗拥有一定程度的心理理论,但这依旧需要大量研究予以验证。 上述发现令爱狗人士兴奋不已,但别忘了,在非社交领域,狗没有显现出任何区别于其他动物的灵活性。它们的兴趣或所谓的能力非常有限。如果只有非社会性线索,它们就无法解决问题。例如,面对一个一角翘起的纸板和一个平放的纸板,它们无法猜出哪一个下面藏有食物;与此类似,面对两根绳子,一根另一头绑着食物另一根没绑,它们也不会优先去拉绑有食物的那一根——这些问题对黑猩猩来说都是小菜一碟。狗的认知能力与黑猩猩不同,说明它们在不同的环境压力下,进化出了不同的大脑模块。它们的意识体验与人类和黑猩猩不同,不过,毫无疑问,有部分意识体验是这几个物种共有的。 总体看来,在寻找意识体验的先决认知条件上,目前我们所做的尝试依旧徒劳无功。已有实验证据过于零散,无法回答大脑到底必须做什么才会让意识体验诞生。如果意识体验真的是一种戏法,那么大脑就不会轻易将其放过。还记得之前的章节里提到过,我们无法意识到视野中的盲点,即使盲点是客观存在的吗?在这里,我们的视觉系统耍了一个意识戏法。但是,对大多数人来说,人类的意识体验可不是一个戏法,而是一个切实存在的东西,受大脑某一部分或某一个系统控制,我们也开始寻找这个重要的控制台。人类拥有发达的认知能力,能够发明和使用新科技,也能够推测他人的信仰和渴望,那么,人类的脑是否有某个结构是其他动物所不具备的呢? 有一项研究对人类和黑猩猩脑的神经毡体积进行了比较。神经毡包含负责神经连接的脑结构,由大量轴突、树突、突触等组成。人脑的前额叶负责决策、问题解决、心理状态归因和时间规划,其神经毡所占比例超过黑猩猩脑,该区域内的树突与其他神经元连接的突起数也比其他脑区更高。这一解剖学发现表明,前额叶神经元的连接模式可能造就了人脑的独特能力。有趣的是,和其他鸟类相比,鸦类的前脑,尤其是与哺乳动物前额叶对应的区域更大。但是,我们将看到,类似思路或能解释为什么人类拥有更多能力,却无法帮助我们理解意识的起源。相信意识体验的产生与某个特殊物质或某个特殊脑区有关是一种思想倒退,而非正确的研究方向。 寻找意识 The Consciousness Instinct 我们必须转变思路,抛弃特殊物质和特殊脑区之类的想法。我们应当去研究大脑中那些彼此独立的模块是如何聚集的,以及它们的组织结构如何产生我们时刻都能感受到其存在的意识体验。作为认知科学家,我们可能会钻牛角尖,误将意识看作一种区别于其他心理活动的现象。这种想法并不恰当,相反,我们应当将意识看作人类认知功能的一个固有属性。如果我们丧失了某种特定的功能,与之伴随的意识活动也会消失,但我们并不会因此而丧失整个意识。 意识或许并非产生自特定的神经网络,对于这一观点,我的裂脑病人研究提供了一些早期证据。比起大脑半球内部的神经连接,左右半球间的连接更少,但论其数量依旧惊人。即便如此,切断半球间的神经连接对人的意识体验影响也很小。也就是说,即使左右半球再也无法交流,大脑左半球依旧能正常进行思维活动,仿佛什么都没有发生。更重要的是,两侧半球的连接被切断后,病人会立刻出现第二套独立的意识系统。右半球也开始不顾左半球的想法“放飞自我”,尽情表达自己的能力、欲望、目标、洞见和感情。一个神经网络被一分为二后,形成了两个意识系统。这么看来,我们还怎么相信意识是某个神经网络的产物?我们需要一个新的理论来解释这一现象。 想象一下,一个裂脑病人刚从麻醉中苏醒,此时他的两侧半球都对对方能感知的视野一无所知,这位病人的意识体验会是什么样的呢?他的左半球无法看到左侧空间,右半球无法看到右侧空间。但是,负责说话的左半球并没有抱怨任何视力缺损。事实上,病人甚至会告诉你,他没觉得自己跟手术前相比有什么不同。既然半侧视野都已经消失了,他为什么还会这么说呢?就好比患有半侧空间忽视症的病人,负责说话的左半球也不会汇报说有一半视野看不见了。能够汇报该视野损伤的模块位于右半球,无法与左半球通信。左半球并不会思念这些失联的模块,甚至不知道它们的存在。关于拥有过左侧视野的记忆也就这样从左半球中消失了。现在,左侧视野的意识体验被右半球独享,而与左半球的体验完全割裂。根据这个例子,我们能获知意识的哪些特性呢? 不再拘泥于寻找某个独立的“意识”模块后,我们可以开始细化意识的本质。我们知道,局部大脑损伤能够引起不同的认知障碍。但是,此类病人依旧能够觉察周围的世界。患有半侧空间忽视症的病人无法觉察左侧空间,但依旧能觉察右侧空间。 如果每一个模块都参与控制意识体验的话,会是什么情况?外伤或卒中可能会损伤某一个模块,和这个模块有关的意识也随之消失。别忘了:患有半侧空间忽视症的病人对空间的一半不再持有意识,因为负责加工这部分信息的模块不再运作了。如果负责确定自己所处空间位置的模块出现整合异常,意识体验就会受到严重影响,从而产生身后有人的错觉。再比如,乌-维氏病会导致杏仁核受损,使得病人无法体验恐惧的情绪。有一位乌-维氏病患者在二十几年的时间里频繁参与相关研究,但她依旧对自己的情绪缺损毫无认知,并经常莫名遭遇可怕的事件。她不具备恐惧的意识体验,因此也不会躲避危险。 The Consciousness Instinct 意识是模块的属性,而非特定模块的功能,这一观点能够解释不同物种间的意识差异。 动物不是无意识的行尸走肉,而是因模块及其连接方式的不同而持有不同的意识。人类的意识体验很丰富,因为我们拥有很多模块。的确,人类的大脑拥有很多高度整合的模块,使得我们能够将不同模块的信息结合在一起,形成抽象的思维。人类意识如何诞生是一个难解之谜,但是,将意识视作功能模块的属性,或能帮助我们找到问题的答案。 即便如此,如果意识是许多不同认知活动的一个属性,那么,胼胝体完整的人类所体验到的世界为什么不是许多零散碎片的拼接,而是一个单一的连贯体?为了理解这个问题,我们可以将大脑的加工活动看作一场竞赛。各个模块的电活动量时刻发生着变化,对我们意识体验的贡献也在时时改变。最活跃的模块可以拿下这场意识竞赛,其活动也就成了个体在某一时刻的生命体验,或者说“状态”。想象你身处沙滩,天空飞过一只罕见的鸟。在这一时刻,鸟的影像和它多彩的羽毛给你带来了视觉感官的震撼,并赢取了你的意识体验。下一刻,另一只鸟的叫声获得了胜利,接着是你的好奇心获胜,于是你回过头开始寻找叫声的来源。突然,你的脚感到一阵刺痛,它争夺了意识的优先权,你立刻低头,发现一只螃蟹钳住了你的脚趾。在每个时刻里,你的唯一的意识体验就是当前内部或外界环境中最鲜明的那个认知活动,这就是所谓“会哭的孩子有奶吃”。这些相互竞争的认知过程各自由不同的模块负责。这又是如何做到的? The Consciousness Instinct 我认为,所谓的“意识”是指一种感觉,它与个体当前心理事件或知觉有关,是后者活动的背景布。 理解意识最好的方式是将其视作一种层级化结构,分层是一种常见的工程构造,能够让复杂的系统以高效整合的方式运作,从原子到分子,再到细胞,到回路,最后到认知和感觉能力,皆是如此。如果从工程学角度来看大脑真的由不同层次构成,那么微观层次的信息可能会在更高的层次中得到整合,直到每一个模块单元都能产生意识。底层功能本身或许无法诞生“高层体验”,但在层级化结构中,新的分层能够从底层中诞生。我们应当更多地理解层级化结构,并思考其对理解大脑结构的意义。 The Consciousness Instinct 我们已经开始认识到,意识并不是一个“物体”。它是一个结构运行的产物,就好比民主并不是一个“物体”,而是一套社会体系运作的结果。 第5章 层级化的脑 建筑有许多方面是未经训练的人无法观察到的。 弗兰克·盖里 著名解构主义建筑师 假设你是一个小朋友,爸爸妈妈坚信你是科学家的苗子。在圣诞节那天,他们交给你一个旧闹钟,说道:“来吧,小机灵鬼,把这个闹钟拆了,然后再拼起来,一边做一边给我们讲解讲解原理。”这道题对你来说太简单了。闹钟是一个有特定功能的结构体,它的零件数量有限,不过是轮盘、齿轮和弹簧。它的功能也是已知的。如果你完全不知道闹钟是干啥用的,手里只有一堆零件,那问题就复杂多了。 对人类大脑研究者来说,我们面对的是890亿个神经元,需要回答的问题则是这么多个神经元如何相互连接,并且产生人类的认知活动。我们对大脑又是解剖,又是染色,又是针探,还绘制脑图谱,甚至窃听脑信号。为了找寻背后的神秘魔法,我们认真收集海量数据,研究脑损伤病人,测试天才们的特异功能。每一年,26000名脑科学家汇聚在神经科学学会的年会上,交流各自的数据和想法,但是,这个学科仍在苦苦寻找一个能统合所有已知信息的理论框架。这件事为什么如此困难?科学家们到底忽略了什么?这个问题一定还存在另一面,有待我们去发掘。在20世纪中叶,理论生物学家罗伯特·罗森向他的女儿提出了一个难题:“通过新陈代谢、复制和修复,组成人体的物质大约每8周就会完成一次彻底的更新。但你依旧是你,你的记忆、你的人格依旧在那里……如果科学坚持追踪粒子,就会跟着粒子穿越整个生物体,从而完全错过了生物体本身。” 罗森的论述暗示,有机体必定独立于构建生命系统的物质粒子。的确,脑的结构组成及其功能只是整个故事的一部分。一个系统的结构与其功能之间,一定有一个常被忽视的第三方力量存在,将二者联系在一起。其中缺失的是系统各局部结构如何组织,局部之间的互动有何效果,以及其与时间和环境之间的关系。罗森的导师、芝加哥大学的理论物理学家和数学家尼古拉斯·拉舍夫斯基(Nicolas Rashevsky)将之称为“关系生物学”(relational biology)。这些概念被电子工程及系统生物学的研究者广泛接受,但即便在罗森提出警示的50年后,大多数分子生物学家和神经科学家依旧对此一无所知,抑或是熟视无睹。 引导我采用这一另辟蹊径的方式思考大脑结构的人是约翰·多伊尔(John Doyle),加州理工学院的一名控制与动力系统、电子工程及生物工程学教授。多伊尔博士教给我们的第一课,就是研究局部不能长久。学校给你提供看书、吃饭、洗手和储物的地方。你家的房子也一样。但是,学校和你家不是一回事,它们的功能不同,在其中活动的人也完全不同。二者的一大区别在于局部的组成方式,也就是结构。匈牙利裔英国人、博物学家迈克尔·波拉尼(Michael Polanyi)曾说过:“机器的运作受两大原则制约。位处高层的是机器设计原则,位于底层的是机器依赖的物理化学过程,前者控制了后者。”在某种意义上,机器的设计控制了自然世界,使其得以完成某个使命。波拉尼将这些制约关系称为强加于物理和化学法则之上的“边界条件”。 The Consciousness Instinct 波拉尼指出,生命体和机器一样,也拥有以上特征:“和机器一样,生命体这个系统的运作也遵循两个不同的原则:充当边界条件的结构,和生命体行使功能时所依赖的物理化学过程,前者控制后者。因此,这一系统也可被称为一个受双重控制的系统。” 波拉尼所说的设计即生命体的结构,这就是理解心脑复合体的关键所在。这是一个至关重要的洞见。 复合体的结构 多伊尔是解读复杂系统的行家,他能解释复杂系统(诸如波音777飞机或你的大脑,二者都有许多彼此关联的零件)如何高效、快速、安全地运转,而不是爆炸、崩溃或是急停。你或许能预料到,和“意识”一样,“复杂度”也是一个没有统一释义的术语。出于方便的考虑,现在我们可以着重关注系统中三个维度的复杂度。当一个系统的组成部件、内部连接和互动、行为表现(可预测或不可预测)这三个方面数量很多,或极具多样性时,我们就说这个系统是复杂的。工程系统逐渐开始拥有生物级别的复杂度。例如,根据多伊尔的估算,波音777飞机大约有15万个系统模块,它们组成了复杂的控制系统和网络,其中包含约1000台负责驾驶飞机的电脑。显然,先进的技术系统和高度进化的生物系统是完全不同的,不过,它们的组织结构存在许多类似之处。 通常来说,当我们看到“结构”一词时,我们会想到楼房、桥梁和高速公路的设计艺术与科学,它们的设计风格(比如巴洛克风、新艺术运动风),以及它们的建造方式(用夯土、玻璃或钢材),或许也会想到诸如布鲁内列斯基(Brunelleschi)和帕拉第奥(Palladio)这样的大设计师。 The Consciousness Instinct 但是,结构也可以指物体的复杂构成。这个物体不一定是建筑,也不一定具有物理实体。它可以是政府的管辖体系、互联网的通路,或是你脑中的神经网络。 在底层意义上,结构指的是“在限制范围内的设计”,也就是迈克尔·波拉尼所说的边界条件:一种统合的约束力量划定的边界。对建筑来说,边界条件意味着权衡种种限制因素,包括材料(如草、泥巴、木头、砖块、石头、钢铁)、施工地点(如是否容易发生火灾、洪水和地震,平坦还是陡峭,热带还是冻土环境)、建筑功能(如居家、歌剧院还是加油站),以及显而易见的因素即房主的想法(亚里士多德所说的终极目的)等等。对你的脑与神经系统来说,结构限制包括能量消耗、大小以及处理速度。 复杂生物系统与科技系统都有高度组织化的结构,也就是说,此类系统的组成部件以特定形式排列,使其获得特定功能和稳健度。举一个简单的例子,衣服中的棉花纤维就是一种高度组织化的结构,这种结构使得布料能被用来穿在身上。棉布耐磨耐撕扯,因此做成的衣服也很耐穿。相反,将同样的棉花纤维随机压制得到的是纸,就无法耐受摩擦和撕扯。高度组织化的复杂系统在结构上的相似点表明它们满足同样的需求:高效,适应性强,可进化,并且稳健。 稳健、复杂与脆弱 从整体来看,动物无论大小,其身体设计和宝马或皮卡汽车没有太大区别。明白这一点后,你便能更清晰地思考生物组织的功能原理。多伊尔和同事戴维·奥尔德森(David Alderson)认为,高度组织化的系统表现出来的复杂性并非偶然。其复杂性源于以稳健性(或者达尔文所说的“适应性”)为目标的设计策略,这种策略可以是被创造出来的,也可以是由进化产生的。 多伊尔和奥尔德森如此定义稳健性:“【系统】的某个【属性】如果在【一组扰动】下保持【不变】,则称该属性具有稳健性。”方括号表示对应术语在不同情境下可具有不同含义。为了讲清楚稳健性概念,这里举一个关于复杂系统的简单例子:衣物。假设你打算去看极光,正在准备行李。目的地是冬季的北方,因此保暖很重要。在寒冷环境下旅行,羽绒类【属性】衣物【系统】应该是一个具有稳健性的选择,因为它能在气温持续走低的情况下让你保持温暖。但是,如果此时来一场瓢泼大雨【一个未确定的扰动】,淋湿了你的外套,羽绒服就不再保暖了。尽管羽绒服的性能在低温下(相对而言)可维持不变,但在潮湿环境下未必如此,也就是说,羽绒服在某些场景下具有稳健性,但在另外一些场景下功能失效。如果你将“让自己看上去苗条”作为【属性】,【体重增加】作为扰动,你或许会选择相对轻便的运动装。这样一来,暴风雪中的你依旧苗条(对【体重增加】稳健),但在降温扰动下,你的衣物就丧失了不变性。 系统每增添一种能够提升稳健性的特征,就能在内部或外部问题面前更从容一些。稳健性的增加也意味着复杂性的增加。遗憾的是,没有任何一种特征能够在所有情况下保持稳健。每种特征都会为系统引入一个不同的“阿喀琉斯之踵”,在未知的新问题面前暴露出新的弱点。一旦弱点暴露,系统就必须引入另一个特征来进行弥补。但是,新的特征又带来新的弱点,从而需要更多补救措施。每一个补救措施都增加了系统的复杂性,而这又会引起复杂性的进一步升级。 属性(或者说特征)之间的权衡不可避免地会让系统行为在某些扰动下稳健,而对另一些扰动束手无策。 The Consciousness Instinct “稳健而又脆弱”,这是所有高度进化的复杂性系统所共有的特征。 稳健性的概念无处不在,而且总是伴随着脆弱性。我最喜欢的一个生物学例子来源于对大脑发育的研究。对正常大脑来说,神经连接显然十分重要。神经元必须和大脑中其他地方的神经元建立联系,从而协调活动并产生行为。进化对这一需求表现得十分稳健,在发育过程中,大脑会产生海量的多余神经元。结构单元A并非只会向结构单元B发出适量的神经连接,而是发送过量连接以确保稳健性。为了摆脱多余的神经元,大自然母亲找到了一种名为“修剪”(pruning)的方法。在合适的环境刺激下,无用的神经元纷纷死亡,等到发育期结束,两个结构间的连接数量便保持在可接受范围内。当然,脆弱性也随之产生。修剪过度的情况时有发生。越来越多证据表明,发育时期的修剪错误是孤独症和精神分裂症的起因。“稳健而又脆弱”无处不在,当你在理解大脑组织原理时,也必须牢记这一核心概念。 通用设计策略 在多伊尔看来,大多数生命系统明显具备层级化结构。因此,要想理解意识体验,就必须扎实地搞明白大脑是如何组建层级的。许多习惯使用认知模型的研究者可能一开始无法区分“水平”和“层级”。在“水平”语境下,加工是按顺序进行的(或者按照电子工程师的说法,是“串行”)。但是,在“层级”结构中,加工是同步进行的(“并行”)。当加工过程沿不同“水平”推进,每一个步骤都是在上一个步骤结束后启动,就像一场接力赛。一个水平的工作结束后,下一个水平才能继续。层级式加工则不同,就好比让所有跑者在同一时间起跑,各自奔向不同的终点。这种结构上的区别会带来巨大的差异。 The Consciousness Instinct 为了兼具稳健性和功能性,有组织的技术系统和生物系统都选择层级化结构为关键设计策略。它简单,必要,强大,而且能带来许多好处。 例如,波音777飞机和我们的大脑分别是技术系统和生物系统中的设计典范,二者都属于层级化结构,其复杂性在很大程度上是对用户隐藏的。我们只需登上飞机,放下座椅靠背,掏出一本书,或是点一杯饮料。我们不用去思考飞机上的15万个子系统模块及其运行状态。如果你跳过了上一章内容,你可能连模块是什么都不知道。类似地,除非出了什么问题,我们中的大多数人并不会关心自己的大脑。层级化大脑的复杂性隐藏得非常好,以至于2500年之后,我们仍在试图理解这一复杂性。对波音777飞机和我们的大脑来说,系统的结构将其复杂性隐于幕后。那么,层级化结构到底是什么? 工程师的工作目标是设计和制造能高效、有效且可靠运行的东西。在你家露台上搭凉棚就已经够难了,更何况建造悉尼歌剧院。像悉尼歌剧院这样的大项目,建筑的各个部分都必须高效、有效且可靠地组合在一起,不仅如此,参加项目的工程师们也必须高效、有效且可靠地合作。一个人不可能包揽全部设计任务。但是,如果组织工程师队伍的策略错了,也会出现三个臭皮匠比不过一个诸葛亮的情况。 事实上,设计复杂系统的工程师们本身也是一个复杂系统,并且具有类似的组织结构。让我们来考虑一下设计及操纵波音777飞机的不同策略。一种策略是,在设计飞机的某一个部件时,每一个工程师都必须理解其他工程师的工作。并且,设计完成后,每一个部件都必须依靠其他部件才能正常运作。也就是说,所有东西都是按照一定次序组装起来的。这就意味着,设计飞机座椅的工程师也必须理解引擎、升力和阻力、窗玻璃、密闭增压系统等等,且必须将座椅的功能整合于其中。这样一来,建造飞机的速度变慢、成本变高,需要更多综合性专家,不仅如此,还可能出现更多故障:如果座椅靠背没法放倒,不光你难受,飞机也别想飞了。 更好的策略应当是独立设计每个部件(或者说层级、模块),且每个部件都能独立工作。工程师只需要理解他们“需要知道”的东西。其他信息都对他们隐藏。在工程师的领域,这种方式名为“抽象化”,即移除不需要的细节(抽象化程度高等于细节少)。“抽象化层级”说明了哪些信息是可获取的,哪些信息是隐藏的。抽象化层级有时并不需要系统分层,甚至不一定要求系统包含多个部件。一本世界地图册包含多个抽象层级,尽管每一层的表现形式都一样。第一页是世界地图,你可以看到海洋、陆地,或许还标注了主要的河流和山脉。但是,还有很多信息不在上面:如国家、城市、道路、小溪和小山。翻过这一页,你便进入下一个抽象化层级,这是某一个大陆的地图,上面有许多国家、国家的首都以及山川河流。再次翻页,你会看到一个国家的地图,这回包含的细节就更多了,标记了主要的道路和小城市。在各个抽象化层级上,你能看到的细节越来越多,被隐去的信息也越来越少。但是,信息不是越多越好。如果你只是想知道不同大洋的相对大小,从法国鲁西永地区到泉水小镇间的步行路线对你来说就毫无意义。 在一个复杂系统当中,信息不只是被隐藏这么简单。每一个层级的形态完全不一样。信息在不同层级之间传递时必须是虚拟化的,也就是说,信息针对某个层级完成了抽象化。因此,在建造波音777飞机时,座椅工程师只被提供了制造座椅所需的信息:一套尺寸标准,这能在保证座椅设计的灵活性的同时对之加以约束,使得所有座椅都能放进飞机机舱。工程师不知道关于空气动力学的信息,不知道燃油数据,甚至不知道座椅的总数。根据我的个人经验,很显然,有的飞机座椅设计师还不知道乘客的身高可能会超过1.8米。 大自然母亲在很久以前便明白这个道理,并在高度进化的生物中实践了这一策略。通过进化,你大脑中的不同系统能够独立运行。例如,你的听觉系统独立于你的嗅觉系统。听觉系统无法获取嗅觉信息,也不需要嗅觉信息来处理声音信息。就算你丧失了嗅觉,你依旧能听到蜜蜂的嗡嗡声。 The Consciousness Instinct 在层级化系统中,各个层级之所以能独立运行,是因为每个层级都拥有各自的工作协议。 所谓协议,指的是一系列规则明细,它规定了层级内部和层级间合法的界面或交互行为。让我们回到座椅工程师的例子。“座椅层级”的协议即尺寸标准,只要在标准允许范围内,工程师尽可以天马行空随意发挥。层级的协议提供了约束,但也保证了约束许可范围内的灵活性。 层级堆栈中的每一个层级接收上层的输出信息,依照特定工作协议,将结果传送至下层,或返回至上层。下层层级一样,根据相同或不同的工作协议,将处理结果传给更高的层级。所有层级都不知道前一个层级接收的输入信息是什么样的,也不知道前一个层级对信息做了哪些加工。它也不需要知道,因此信息是隐藏的(抽象化的)。协议使得各层级只能加工来自相邻层级的信息。层级产生的信息可以上传也可以下传。这里有一个隐藏条件:一旦层级系统建立,信息就无法跨层级传播。也就是说,第6层无法加工第4层的输出信息,它没有可以解读这些信息的工作协议,因此必须要有第5层从中调解。每一层级存在的目的是服务于高一层级,同时隐藏低一层级的加工内容。 举一个简单的含工作协议的层级例子:假设你参加了一场有很多国际友人的派对。有位中国女士好像认识你妹妹,你想和她聊一聊。你只会说英语,但你的爱人会说英语和法语。这位中国女士只会说普通话,但她的丈夫同时掌握中文和法语。于是你们4个人形成了一个翻译堆栈,每个人都是其中的一个层级,遵循各自的工作协议将接收的信息转换为新的输出语言。你的工作协议是英语,并将英语传输给你的爱人。你的爱人接收你的输出,利用英法双语协议向下一层即对方丈夫输出法语。后者同样拥有法语协议,同时他也有中文普通话协议,他将中文输出给他的妻子。她也能将信息返回,通过各层级加工传输给你,但你和你的中国朋友都无法跳过中间的法语层级。信息能在层级间上下传输,但各层级必须遵照合法的工作协议对信息进行加工,随后将之传输给下一层级。短短一场晚宴的时间内,你是不可能自己创造出一个中英交互层级的。 但是,如果你愿意的话,你可以创造出一个中英互译的工作协议。很多人都具备这样的协议,说白了就是学习一门新的语言。你能做到,机器也能做到。事实上,计算机科学家已经玩转层级结构很多年,尤其是在AI领域。天才计算机科学教授罗德尼·布鲁克斯(Rodney Brooks)在麻省理工学院工作,他提出的“包容结构”理念已经在机器人领域风靡数年。 你或许无法在字典中找到“包容结构”的解释,但这其实是个很简单的概念。一个人、一台电脑、一个机器人或一座图书馆,这些都是系统,每个系统都储存了一些知识。现在,我们要给这个系统已有的知识体系内增加一些新内容。在理想情况下,新的信息是“被吸纳的”,也就是在不产生干扰的情况下与已有体系融为一体。机器人正需要这样的构架。 布鲁克斯很清楚机器人在吸纳新信息方面的惨败境况。20年前,在他刚提出包容结构概念的时代,机器人只要遇上程序没有指明应回避的物体就会死机,哪怕障碍物只是一块棉花糖。它们无法适应环境变化。但是,如果机器人拥有包容结构,就能通过在现有层级上逐一添加新层级的方法处理递增变量。每个新增层级都能对低层层级施加其影响,从而被整体构架包容。《智能百科全书》( Encyclopedia of the Mind)的作者哈罗德·帕什勒(Harold Pashler)总结道:“核心理念在于,系统对世界的表征不是一体的;不同层级对感觉信号的处理也不同,从而在感觉信息与控制机器人马达的运动信息之间,建立一种直接的、与运动精细对应的映射。”也就是说,机器人有许多功能十分细化的系统来精确地处理其在日常运作中可能遇到的问题。这些系统快速高效,功能强大。新问题出现时,不存在一个中央系统来改变机器人的响应模式。相反,工程师会为机器人增加一项专门负责此类问题的指令,日积月累,新增的指令越来越多,以应对更多的环境扰动。比起一劳永逸地解决所有问题,工程师选择根据情况不断添加层级。这听上去很像将模块拼装成层级化结构。事实上,一个模块可以单独作为一个层级,也可以和多个模块一起构成一个层级。我们在第4章末尾提到过高度整合的模块,这便是在一个堆栈结构中构成高层级的加工模块。这样的层级从前一个层级接收信息,根据工作协议完成加工,从而产生更为复杂的输出,甚至可能产生心理理论或自我意识。 层级意味着灵活。层级化结构升级起来很简单,因为只需要改变其中一个层级,其他层级可以保持不变。而且,在出现故障时,我们很容易辨识源头。我们不需要修理或报废整个系统,只用处理出问题的层级或层级零件即可。比方你穿了很多层衣服,如果衬衫破了把它换掉就好,不需要换裤子。换作是大脑出现问题,你或许没办法像换衣服一样更新部件,但至少不会损失全部的大脑功能。 层级化结构中的神经科学 通过向复杂系统用户隐藏信息的方式来解决问题,这便是层级化结构的美学。在你的手机里,最高层级被称为“应用层级”,我们不需要知道或理解其他层级的工作原理。如果你想发一条群聊信息或拍张照片,你不用搞清楚手机的存储调配协议。类似地,我们也应当庆幸自己在开动脑筋的时候不用理解背后的原理。我们不需要知道午餐如何被转化为能量,只管饭来张口就好了。认知活动也是一样。现在,用手指指一下你的鼻子。你知道你是怎么做到的吗?控制肌肉的神经信号是如何产生的?你意识不到这个过程,这也不在你的知识体系之内。 The Consciousness Instinct 我们通过大脑的应用层级——意识来控制我们的行为,就像波音777的飞行员通过电脑程序来驾驶飞机。 但是,大脑真的有层级化结构吗?还是说层级化只是一种流于形式的概念,在生物界并不存在? 当你产生一个新想法,常常会发现其他科学家和你想得一样,甚至比你早很多年。无数个事实告诉我们,人类的思想终究来自人类——回顾整个历史长河,已经有许多人提出了类似的思想。在这里,我们选择追寻谢菲尔德大学的三位前辈:托尼·普雷斯科特(Tony Prescott)、彼得·雷德格雷夫(Peter Redgrave)和凯文·格尼(Kevin Gurney)。他们都精通神经科学、机器人技术以及计算机科学,展现出来的才华似乎永不枯竭。他们大约在20年前写下一篇关于层级化的会议论文,为我们指明了方向。故事还得从伟大的19世纪英国神经病学家约翰·休林斯·杰克逊(John Hughlings Jackson)说起。杰克逊是一位毋庸置疑的杰出医师,一位引领世界的一流骑手。可惜的是,一旦拿起笔,这位一流骑手就像换了匹三流的马——他的字迹几乎无法辨认,好在几位优秀的同仁帮助世人理解了他的工作。 达尔文启发了科学界和医学界,杰克逊也紧随其后。在自然选择的塑造下,大脑成为一台感觉运动机器,每个物种都拥有自己的独特能力。对人类来说,大脑的高级层级最擅长调控行为,但高级层级和低级层级都默认保有一些基本功能。例如,猫或老鼠在切除大脑皮层之后依旧能做出有目的的行为,例如行走、理毛、进食以及喝水。但是,高级层级缺失后,一些更复杂的行为就无法完成。普雷斯科特和他在谢菲尔德的同事如此写道: (杰克逊)将神经系统分为低级、中级和高级中枢,并认为各层级从低到高依次展现了从“高组织性”(最固定)到“低组织性”(最可变)、“最自动”到“最不自动”、最“完美反射”到最不“完美反射”的转变,这一转变伴随着行为分解能力的提升——高级中枢和更低层的中枢执行着同样的感觉运动调控工作,但前者的实现形式更为间接。 杰克逊很快从自己的层级化理论中看到了更多,并提出系统中必须包含“分离”(dissociations)机制,他将这一术语引入了神经病学,根据他的观点,特定大脑区域损伤会产生特定的行为缺陷。因此,将高层层级剥离,只有底层层级能做出响应,且该响应受限于底层层级的能力,就像大脑皮层被切除的猫那样。 会进化的层级系统 当然,这些划时代的研究都指向了同一个问题:从进化的时间尺度上来看,大脑是否是以一种层级化的方式进化而来的?大脑的脑区是否一点点增加,比较解剖学又是否能提供这样的证据?证据的确有,这便是普雷斯科特大放异彩之时。他整理出一个复杂而又精彩的长篇故事,讲述了现代脊椎动物的神经系统从4亿年前由脊髓、后脑、中脑及前脑这几个基本零件开始的进化历程。千万载光阴流逝,前脑中的模块和层级不断增加,新的模块和层级带来了全新的功能,而不是简单地强化已有功能。例如,一些动物四肢操纵物体的能力增强,并添加了新的零件——手指,因而需要有新的神经加入控制这些部件运动的模块层级。有手指的脊椎动物明显比没有手指的脊椎动物多这些新的神经通路。正如杰克逊预测的那样,损伤部分前脑可能会破坏手部精细运动的控制模块,却不会影响对胳膊运动的基本控制。 对任何一种动物来说,拥有进化能力都是一件好事,因为进化正是动物适应新环境的基础。进化能力的定义是生物产生可遗传的表型变化(又被称为“可被观察的性状”)的能力。如果某一个性状获得了大自然的青睐,它就会被延续给下一代。一个著名的例子便是加拉帕戈斯群岛上的地雀,不同种的地雀拥有不同尺寸的喙。达尔文提出了可遗传变异的自然选择理论,同时也留下了诸多谜题,比如这些变异到底是从哪里来的,又是如何产生的?一个老生常谈的说法是这些变异来自随机的基因突变,它能解释部分问题,却不是完美的答案。生物学家们为这个问题苦恼了很多年。 此时登场的人物是哈佛大学的生物学家马克·柯施那(Marc Kirschner)和其加州大学伯克利分校的合作者约翰·格哈特(John Gerhart)。他们希望知道现代生物是否拥有某种细胞或发育机制专门负责所谓的“可进化性”。换句话说,生物是否拥有主动产生可遗传的表型变化的能力?进化压力又能否作用于可进化性?又或者说,能够产生更多可遗传表型变化的物种是否更有可能在自然选择中胜出? 从身体形状、组织结构、发育到生理机制,多样性在动物世界无处不在。与此同时,在包括生化过程、细胞信号通路和基因表达调控方面,生物又存在着惊人的共性。动物和植物、真菌以及黏菌共有许多核心的机制。例如,我们使用同样的酶来控制细胞分裂。我们的新陈代谢和细胞复制机制也与细菌别无二致。为什么会这样?因为我们有很多相同的基因序列。一些生物学家相信这些核心机制约束了进化过程,但柯施那和格哈特不这么认为。事实上,他们的观点恰恰相反。他们认为,之所以生物共有如此之多的核心机制,并且在过去的5.3亿年间都不曾改变,不是因为这些机制限制了灵活性——恰恰相反,它们赋予了生物灵活性,并使得成功的性状变化能够被传至下一代。一些生命过程在环境变化面前十分脆弱,而这些机制的灵活性本身便是一种表型变化。因此,在充满不确定性的自然环境面前,正是这些机制确保了生物的进化灵活性。 现在,如果你觉得“以去约束为目标的约束”听上去很像某个层级化结构的工作协议,那你就想对了。大多数生物学家并没有充分意识到层级化结构对表型变化的重要性,多伊尔和奥尔德森对此深表遗憾。 The Consciousness Instinct 层级化结构之所以能进化至今并充斥整个生物系统,原因很有可能是它能够在一系列约束条件的范围内产生变化,从而在物竞天择中胜出并被保留下来:无层级,无未来! 规则产生自由 你或许能看出层级化结构的存在,但不一定能搞明白层级之间的信息传输。五花八门的信息涌入一个层级后,必须经过这个层级的加工,从而转换为能被下一层级理解的形式。层级化结构中最主要的约束条件来自层级间的交流过程。你可以将层级化结构的这种特性理解为一个领结或沙漏,中间缩紧的部分就是工作协议,输入和输出信息在两边散开。在我们之前举过的关于飞机座椅工程师的例子中,座椅的尺寸标准是工程师的工作协议,相当于在中间约束住领结的那个结。这份工作协议的输入可能是任意一种制造材料、任意形状或颜色。输出则是一系列材质、设计和颜色不同的座椅,但所有输出座椅的尺寸和功能都符合工作协议的规定。整体来看,整套系统是约束的,但同时也是“去约束”的——这是个生造词。由不同的输入可得到不同的输出,因为层级化完成任务的方式可能有很多种。仔细想想,是不是觉得有点儿像魔法。当看到一台层级结构优秀的机器人时,你仿佛会觉得这台被设定好只会做出几种固定反应的机器似乎真的能思考,就 |