意识如何产生?
名家论战:神经科学家,对主观经验过程中产生的脑活性,有着不同的看法。
柯霍与格林菲尔德这两位重要的撰文柯霍(Christof Koch)、格林菲尔德(Susan Greenfield)
翻译黄荣棋
神经元以特定方式产生的活性所造成的。
柯霍的理论:每一个意识经验,都是特定脑区里的一群独特脑中进行的活动过程如何转换成意识,是重要的科学问题之一,目前尚待解决。虽然用科学方法可以厘清大霹雳后几秒钟内发生的事件,也可以找出人脑的生化要素,但对意识经验如何产生却完全无法提供令人满意的答案。
我们两人都是神经科学家,而共同的人生目标就是想解决这个问题。我们有许多共通的看法,例如我们都承认,意识不是单一个问题而已。我们必须要能解释许多现象,尤其是自我意识(审视自己欲望与思想的能力)、意识内容(任何时刻真正意识到的东西),以及脑中进行的过程与意识及非意识之间的关系。
要从何处着手?科学家还不是很清楚脑的内部运作,所以无法真正解释意识如何从神经元的电化活性「迸」出来?因此重要的第一步,是要找出最能代表和产生意识有关的神经元组合(NCC),也就是与特定意识经验吻合的脑部活性。当你「知道」你正看着一只狗时,你脑里的哪些神经元发生了哪些事?当你突然「感到」哀伤时,你的脑又发生了什么事?我们都试图找出每个人可能产生的每个主观经验在神经元上的关联。除此之外,我们两人的看法就不一样了。
格林菲尔德的理论:每一个意识经验,都是许多脑区域神经元同步活化成和谐的组合,然后消散。
2006年夏天,心智科学基金会在英国牛津大学举办的一场热烈辩论中,我们对最佳运作的NCC内涵有不同的见解。此后我们继续研究,并且挑战对方的看法,往来的对话结果就成了这篇文章。但我们有个共同原则:我们的看法,主要来自神经科学,而不只是哲学。我们都参考了非常多来自神经科学、临床与心理学的资料,我们的论点都是根据这些观察结果得来的。
—柯霍与格林菲尔德
看到狗、听到声音、突然感到哀伤或经验到其他主观经验时,脑里发生了什么事?
柯霍的理论
格林菲尔德的理论
跨脑区神经元同步活化(绿色),直到第二个刺激形成不同的组合(黄色)。各种不同组合时聚时散,整合身体输入的讯息。在电刺激大鼠脑中视丘(下)之后的0.35秒,组合在大脑皮质中形成(a,b)、达到颠峰(c),然后消散(d)。
柯霍如是说︰特定神经元群是特定意识经验的媒介
我与格林菲尔德都在找寻能最贴切代表意识的神经元组合(NCC)。如果我们能够找到正确的NCC,也许就可以找到直接「创造」意识的神经机制。
1988年我与克里克(Francis Crick)开始研究意识以来,我逐渐产生的看法,是每个意识知觉(感官刺激于大脑的呈现)都与「以特定方式运作的特定神经元组合」有关。像是看见红色方块的意识就有其独特的神经元意识关联,看见自己的祖母则另有一种关联,而感到愤怒则有第三种关联。干扰或是终止任何一个意识的神经关联,就会改变相关的知觉,或让这个知觉消失。
从生理的角度而言,NCC的基础可能是大脑皮质内锥体神经元组成的联盟,这种神经元可以长距离沟通。人脑有500~1000亿个神经元,或许只要百万个神经元就足以形成一个这样的联盟。譬如说,我在很多人的房间,苏珊进来,我看到她的脸,一个神经元联盟突然就彼此交谈个半秒钟不到或是更长。神经元联盟从脑背的皮质开始发起,因为这里是视觉刺激最先被处理的地方,再传到前额的皮质,该处执行产生看法与计画的功能。这种神经元联盟关系,会因为我注意到视网膜上她的影像刺激而强化,因而增加了相关神经元间活性的强度或同步性。如果突然有人叫我的名字,听觉皮质中神经元会形成另一个联盟,这个新联盟与前脑建立起双向沟通,将意识集中在声音上,而压制先前代表苏珊脸孔的神经元联盟,她的脸孔就从我的知觉中淡出。
从生物学中得到的共通知识,是生物会演化出独特精密的小技巧,脑也不例外。神经细胞发展出多种不同形状与功能,彼此也以独特的样式连结,这种异质性反映在组成NCC的神经元上。这正是我与格林菲尔德看法相异之处。格林菲尔德认为,意识是由一大群身处神经传递物溶液的活化细胞所表现出来的整体特性。我的看法不同,我认为是特定神经元群在媒介,或甚至创造不同的意识经验。
神经科学家操控神经元群的能力与日俱增,很快就会让我们从观察特定意识状态与某些神经元活性的关联,进步到可以指出这两者之间的因果关系:观察某神经元群部份参与或完全决定某种意识状态。
但我们如何知道组成意识知觉的是哪些神经元?以及这些神经元之间的活动?NCC是否牵涉到某特定时间中大脑皮质里所有的锥体神经元?或者只牵涉到沟通前叶与脑背感觉皮质的那群远距离投射细胞?或是NCC牵涉到脑中所有同步活化的神经元?
现在许多有关NCC的研究,重心都摆在视觉。视觉心理学家发展了完美的技术,可以让事情隐藏在我们意识知觉的背后,就像魔术师可以误导观众,让他们对眼前发生的事情视而不见一样。一个例子是闪光抑制,这个现象是2005年我与当时的研究生土屋(Naotsugu Tsuchiya)发现的。当一只眼睛感受到静止的小影像(譬如投射到右眼的模糊苍白的生气脸孔),会被投射到另一只眼睛持续改变颜色的方块所抑制掉。这种抑制现象可以持续数分钟,然而只要观看者眨眨左眼,马上就又可以看到狰狞的脸孔。虽说主要视觉皮质的许多神经元受左眼的刺激而奋力活动,却不会形成意识。这个结果很难符合格林菲尔德的理论(任何大群神经元的协同式活化都是一种意识关联)。研究人员正利用这种错觉,在受训过的猴子与人脑中寻找NCC。
克里克在世时,我与他根据实验结果提出了几个想法来解释意识的运作。其中一个想法是,NCC包含安排位于上大脑皮质负责讯号输出层(称为第五层)的锥体神经元。这些细胞将讯号送到不同区域的锥体细胞,也直接接收这些细胞强烈的兴奋输入。这种安排可以形成正回馈,一旦受到刺激,神经元联盟就会持续活化,直到被另一个神经元联盟压抑。这些神经细胞群活化的时间也超过几分之一秒钟,远比单一神经元的活化时间,要更靠近意识能够察觉的时间尺度。
有关神经元网络的这种想法,因为美国西奈山医学院、哥伦比亚大学以及纽约州精神医学研究所等人员的最新研究结果,而大受鼓舞。这个由西奈山医学院的希尔丰(Stuart C. Sealfon)以及哥伦比亚大学的金瑞契(Jay A. Gingrich)所领导的团队,利用基因改造小鼠证实,幻觉剂──像是迷幼药(LSD)、裸盖菇碱(psilocybin,魔菇的一种成份)以及麦斯卡林(mescaline)之类的迷幼药,作用在丛聚于第五层的锥体细胞的一种分子(血清张力素受体)。也就是说,幻觉剂扭曲心智的效应来自于活化某些特定神经元群中如上述一类的受体,而不是因为脑中线路发生一些整体性的「错乱」。这个假说也还可以进一步加以检验,利用分子技术来控制第五层皮质锥体细胞的活性,直到找到真正受到影响的神经元。
NCC如何引起意识的第二个想法,牵涉到屏状核(claustrum),那是大脑皮质里的一个片状构造。值得注意的是,该处的神经元接受来自几乎所有皮质区的输入,同时也几乎投射到所有的皮质区。这个构造也许刚好可以将感觉皮质的活性结合成单一统整的知觉。
要进一步推展这些想法,神经科学家必须在许多区域记录庞大数目神经元彼此交谈产生的电活性。这项任务虽然细琐而且困难,但是可以用微小的电极来执行。初步努力的结果证实,特定神经元群表现出的知觉类型,进而形成了日常经验。
以上这些见解并不是说,培养皿中的1个、100个或什至100万个神经元是有意识的。神经元属于庞大网络的一部份,而且也只有在网络中才能产生意识。打个比方或许有助于说明:细胞里的DNA虽然可以下指令制造出身体里所有的蛋白质,但细胞也要有许多其他分子才有办法建造与维持这些蛋白质。