屏状核与意识开关之谜
2020/2/18 22:12:16 大象公会
文章来源：Marco Altamirano & Brian N. Mathur｜利维坦(ID: liweitan2014)
Richard Wilkinson
利维坦按：
主流学界目前对于人类意识在内的一切认知有种看法，即它们都只是一种算法/计算，当然，这种观点遭到了克里斯托弗·科赫等人的质疑——如果这种观点成立的话，那么我们很快就会造出复制了人类大脑大多数功能的聪明机器，这些机器无疑也会具有意识。
神经科学家们花费了数十年上百年来确定意识的诞生脑区，却在研究过程中愈发纠正了一个思考假设：谁说意识必然是某一个区域造就的呢？克里克对于屏状核的研究无疑启发了后续研究的方向——不论是全局工作空间论还是整合信息论。
1976年，弗朗西斯·克里克(Francis Crick)初次来到位于加利福尼亚州南部拉霍亚的索尔克研究所，在这里他可以随时俯瞰窗外的美景，远处是碧蓝的大海、棉花糖一样的云彩，近处还有一座太平洋香格里拉酒店。当时，他作为DNA双螺旋结构的发现者之一已经获得了诺贝尔奖，对他来说，揭示生命的本质是个脚踏实地的研究历程，绝没有半点神秘色彩。当时的他信心满满，打算在“什么是意识”这一领域再攀高峰。他猜想，如果可以利用物质的奇特属性解码生命体的构成，那么同理也可以利用物质的奇特属性揭开意识的神秘面纱。
尽管每个人的行动坐卧都离不开意识，但看似常见的意识其实堪比宇宙的起源问题，二者同属浩翰而巨大的未解之谜。分子、原子这样的客观实体之中竟然萌生出主观体验，再怎么有想象力也很难填补二者中间的巨大空白。难怪人们在几个世纪以来都相信意识是灵魂的功能之一，也相信这是个科学远远无法触碰的领域。因此意识也就构成了活力论(Vitalism)最重要的论点之一，该学说认为生命之力来源于非物质以及无形之物。
当然，终生坚信唯物论的克里克绝不会这样想，当年他刚刚来到加利福尼亚州时雄心勃勃，相信自己已经准备好了驱赶长期弥漫在意识问题上的迷雾，并在迷宫中点亮一条前进的道路。
在他人生最后的30年之间，克里克在神经科学领域不断推进改革，引入分子生物学的研究方法，挑战该领域最光鲜的名字和他们的思想(通常都是其他国家的学者)。不仅如此，他还不断发表论文阐述自己的“惊人猜想”，即意识来自大脑，且只来自大脑。
2005年，就在他去世的那张病床上，克里克与他的同事、挚友克里斯托弗·科赫(Christof Koch) 共同发表了他此生最后的一篇文章，《屏状核的作用是什么》。(www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC1569501/)
Wikipedia
本文重新燃起了学界的探索高峰，寻找大脑中到底哪里能产生意识。这篇文章提出，意识就来自屏状核，这是一组大脑中的神经元，恰好组成了吊床的形状，就好像萌发意识的温床。该文章之所以言之凿凿，是因为屏状核“接受了几乎来自所有皮质区域的输入信号，又向几乎所有的皮质区域投射输出信号”。这篇文章还提出，大脑的复杂褶皱表面恰好解释了为什么意识有着多种特征，既包括感知，又包括人格。无论是今天还是未来，这些听起来不无道理的想法将持续激发越来越多的学者投身到类似的探索研究之中，无论是探索意识的本质，还是探索至今仍未解开的屏状核之谜。
寻找意识的源头：弗朗西斯·克里克给神经科学注入了一种特殊的研究方法，即通过研究某个生物组织的结构判定该组织的功能。他曾经渴望在意识科学领域重现自己在生命科学领域的辉煌——正是他确定了DNA的结构，并证明我们的生命力来源于绝对的物质基础。? Neuroanthropology
比起第一个被认为是意识源头的特殊脑组织，屏状核的位置与它的“前辈”相隔甚远。早在17世纪中期，勒内·笛卡尔(René Descartes)就声称找到了产生意识的脑组织，他的猜想就是如今众所周知的松果体(Pineal Gland)，用他的原话说：“产生灵魂的主要器官就是位于大脑正中位置的一个细小腺体。”
当时笛卡尔想要解开的谜题是灵魂(或意识)到底是如何与身体相互影响的，但在他看来灵魂是完全孤立于身体的某种东西。人们总是很容易想象两个有形个体之间如何互动，比如保龄球与图钉，但是想法和思绪似乎并非物质。于是，人们很难想象思绪会占据某一块空间，或者施加某种力——那么看似无形的物质是怎样与有形物质互动的呢？这是个好问题，给自己灌一杯马提尼为什么就能影响我们的思路呢？
为了解决这一难题，笛卡尔借用了古希腊医学家盖伦提出的“动物精神”理论(希腊语：πνεε μαψυχικóv)。笛卡尔认为，所谓动物精神就是一种在心理与生理之间传递信息的信使，它们存在于血液中，因此可以记录肉体的感官，同时还能产生各种信号并且被心灵解读为意识、知觉。他认为松果体就是这些半精神、半物质精灵信使的核心，以此为中心它们可以辐射整个身体。
笛卡尔认为，产生意识的脑组织来自松果体。? Kit Hindin
虽然笛卡尔提出的假说有一个相当铺张浪费的运作机制，但它确实是首次把意识带入科学领域的假说。就是在科学的世界中，人们发现了人体的各种简单运作机制，也正是在科学的世界中，人们解锁了一扇又一扇大门，最终为克里克的学说打通了铺垫之路。
“曾经有那么一瞬间，人们确信克里克猜对了：
屏状核就是意识的源头。”
在其后的200年间没有出现任何松果体的替代品，直到1835年，德国生理学家约翰尼斯·穆勒(Johannes Müller)提出意识之源是延髓(Medulla Oblongata)——这是脑干的一部分，其作用是调节富氧血细胞在大脑各个区域的流量。不过以现代科技视角来看，虽然它是整个大脑的重要能量来源，但延髓似乎和更高层级的意识功能并无关系。(人们现在已经知道延髓的作用属于人体的非自主功能，比如呕吐与打喷嚏，这种功能几乎不会反映个体的主观期望。)
到了19世纪，英国生理学家威廉·B·卡彭特(William B. Carpenter)提出了一个新的猜想，大脑中的意识源头一定是某种神经活动的中心区域。因此他提出意识的源头就在位于大脑正中间的丘脑(Thalamus)。直至今日，丘脑的真正作用仍然是个谜，但卡彭特在这一课题上的贡献在于：他认识到意识是一种经验的集合体，而非大量无关知觉一起发出的噪音，因此，神经科学中所谓的意识必定也有能力生产出经验的集合，它一定能把高级的功能(比如思想、情感、主导感)与低级感知所得信息整合在一起。
(译注：此处的“主导感”原文是单词“Agency”，可能指代神经科学相关概念“Sense of Agency”——个体在客观世界中的一种主观知觉能力，即发起、处理、控制自身的各种自主行为。)(en.wikipedia.org/wiki/Sense_of_agency)
1937年，彭菲尔德依照患者脑内电极刺激回应的脑区编号。? Mo Costandi
一个世纪之后，卡彭特的研究成果被另一位学者证实了，此人名叫怀尔德·彭菲尔德(Wilder Penfield)，是一位颇具开创精神的美国、加拿大双国籍神经外科医生。当时彭菲尔德正在用一种冒险疗法医治病情严重的癫痫病人，治疗时需破坏掉引起病人癫痫的脑组织。在此过程中他发现自己可以通过一一映射的研究法得到一份“大脑功能图”，只需把特定的动作、感知对应到特定的脑皮层区域即可，而脑皮质恰恰就是覆盖整个大脑表面的组织。这不仅这验证了卡彭特的猜想，彭菲尔德的研究还在前人的基础上提出了一个更深远的问题：这些感知处理分区不仅相互分离，有些甚至似乎并不相通，但它们为什么能作为一个整体给人有意识的体验呢？这个问题一直都无法被破解。
彭菲尔德的大脑映射功能图。? PBS
直到我们最早提到的那位学者——弗朗西斯·克里克的出现。他有一种很特别的研究方式，通过观察生物个体某个系统的结构来预测其功能。在研究中，克里克曾经试图寻找一种特殊的神经结构，它能整合来自各部分皮质层的信息，哪怕这些区域相隔很远。经过几十年的细粒度神经解剖研究，他逐渐顺藤摸瓜找到了大脑中一个满足了他所有设想的结构：屏状核。
它与大脑皮层中的每一个区域都建立有双向连接，看起来屏状核就好像大脑中的中央车站。对此克里克也做了一个比喻，既然皮质不同区域可以处理不同形式的感官(视觉、听觉、触觉等等)，那么可以把不同的皮质区域看作交响乐团中的不同演奏家，当然，屏状核就像是那位指挥家，时刻确保每个人都准时演奏出恰到好处的音符。他的这一论点很简单，但也很优雅、令人信服。不仅如此，关于意识的源头问题，这还是史上第一个科学合理而且可验证的假说。
在克里克研究屏状核之后的这几十年里，科学家们争先恐后地发表各种关于这一神奇脑区的研究数据。2014年，针对乔治华盛顿大学一位癫痫病人的研究表明，在屏状核附近施加电刺激即可瞬间导致病人丧失意识，而且当电刺激停止后，病人马上又重新获得了意识。2017年，艾伦脑科学研究所的学者发现，屏状核中可以连接整个大脑皮质的神经元结构形似“荆棘头冠”，这一发现可以支持针对它的猜想，表明屏障核是一个强有力的大脑活动整合、指挥部门。曾经有那么一瞬间，人们确信克里克猜对了：屏状核就是意识的源头。
(www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/24967698)
(www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/28252090)
然而，2019年发布的两份研究报告却终结了这个属于屏状核的高光时刻。斯坦福大学一项针对5名癫痫患者的研究发现，摘除这些病患大脑左右两个半球中的屏状核并没有对他们的主观体验带来任何影响。为了确定这一点，马里兰大学的学者针对老鼠展开了另一项研究，实验发现将老鼠大脑中的屏状核无效化后，并没有对老鼠的意识带来明显的影响。这些实验数据表明，也许屏状核是寻找大脑中意识源头九九八十一难中的又一难罢了。(www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/31196825)(www.biorxiv.org/content/10.1101/390443v1)
“如今这一领域又面临着新的挑战：
更多可验证的、关于意识之源的新理论层出不穷。”
Medium
但是屏状核还有更多研究价值——如果它并没有产生意识，那么它到底起到了什么作用呢？根据2010年德国科学家发起的一项针对猴子的研究，屏状核会被出现于其感官环境中的显著变化所激发，并且被猛烈唤起，就好像一只猴子用尖叫刺激到另一只猴子。基于这一项研究结果，2019年马里兰大学开展了一项全脑成像研究，该研究发现，一旦人们开始处理需要复杂注意力的任务，屏状核就会被唤起。而这两项研究似乎表明寻找意识之源的研究不应过早地抛弃屏状核，因为它虽然不负责产生基本的意识，但它也许在深度认知任务中扮演者协作者的角色——这一点至少可以部分支持克里克最初的猜想。
(www.jneurosci.org/content/30/39/12902)
(www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/30954711)
的确，虽然屏状核并不是产生意识的温床，但它很可能是引导意识的司机。对于灵长类动物来说，特别是人类，我们在生活中恍惚走神的严重程度往往超乎想象：比如，在每天上班的途中，我们其实是对“通勤”这件事并没有多少察觉的，除非我们走错了一个路口，才会突然间被某个感官抓住注意力。
也许是因为迁徙的习性帮助灵长类获得了一种有效的“自动驾驶”能力，而这种能力在处理迁徙以外的其他多种任务时也同样有效——因此，除非我们遇到了某种不符合预期的变化，突然之间刺激了引发深度认知的需求，才能进一步唤起屏状核。虽然屏状核极有可能拥有某种类似于认知控制的功能，但至于这种功能与意识的关系尚不清楚，这一点今天仍然被科学家反复争论着。
2019年10月，科学家们在芝加哥召开了屏状核学会交流会(Society for Claustrum Research)，来自艾伦脑科学研究所的科赫以及本文的共同作者之一，布莱恩·N·马修(Brian N. Mathur)主持了一场虽然尚无结论、但是对一切理论都包容开放的讨论会。最终，科学家们一致同意屏状核至少可以部分促进意识的产生。在随后召开的神经科学学会(Society for Neuroscience)上，科学家们展示了一些新的研究数据，并建议重新考虑丘脑与意识具有强关联的可能性。虽然这些新的研究数据似乎把萌发意识的摇篮指向了另一个神经元结构，但今天的神经学家已经跳出了这种寻找个别结构作为意识源头的思路。站在卡彭特和克里克的研究基础上，目前科学家们极大地怀疑：任何特定的神经元结构与特定的意识功能之间的关联其实都只是一个侧面，意识一定是来自于一种更广泛、更活跃的神经网络。
比如伯纳德·巴尔(Bernard Baars)提出的全局工作空间论(Global Workspace Theory)，该理论认为，意识并不来自于某种在解剖学意义上存在的神经元核心结构。恰恰相反，萌发意识的温床不是一个神经元结构，而是多个结构共同创造出来的，而且所有这些神经元结构一定是以某种类似“云计算”的模式在协同工作。
来自威斯康星大学麦迪逊分校的朱利奥·托尼尼(Giulio Tonini)提出了另一个有趣的猜想。这位意大利神经科学家提出的整合信息论(Integrated Information Theory)假设：所有生物个体的特定神经活动都与某个特定的有意识经历相关，比如读报，或者走过自家附近的街道，在这些经历中，被同时激发的大脑区域越广泛，那么被整合在一起的感官、情绪、认知信息也就越多，因此，该生物个体产生的意识也就越多。
“虽然屏状核并不是产生意识的温床，
但它很可能是引导意识的司机。”
2013年，托尼尼和他的同事马西米尼(Massimini)提出的一种研究方法不仅可以支持整合信息论，还可以将它量化，得出一种被称为扰动复杂性指数(Pertubational Complexity Index)的数据。在获得该指数的过程中将会刺激特定区域的脑皮质，干扰器功能，并引发其他区域脑皮质的反馈，从而帮助研究人员建立映射关系并测量数值。当受试者处于睡眠状态中时，神经反应活跃度将受到很大限制，但是在清醒受试者的大脑中，神经活动则更广泛、更复杂。托尼尼解释说，测量这些神经活动的数值，就是在量化意识本身，该研究方法可以帮助人们了解一名没有反应的病患到底是处于植物人状态，还是处于有意识状态，只不过被限制了沟通交流的能力。(www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/23946194)
虽然整合信息论的量化研究方法相当出色，但仍需指出，当这种研究方法把神经活动等同于意识本身时，就是在偷换概念。虽然我们可以量化神经活动，并把数据与特定的有意识体验进行关联分析，但在逻辑上这并不足以说明该研究方法就是在量化意识本身，这太过于简单粗暴了。但从这个概念上打一个比方，把神经活动模式等同于意识本身，就好像是远远地指着一幅贴在墙上的世界地图宣布：“喏，那个就是哥本哈根。”
Pharmaceutical Technology
不管怎么说，今天的研究者们仍然在致力于通过整合信息理论来建立神经活动与意识之间的关系，但是目前对于该理论的应用主要是通过人工智能算法纠正测量扰动复杂性指数时出现的误差，这有益于发现意识在这些神经活动中留下的蛛丝马迹。总之，如今这一领域又面临着新的挑战，更多可验证的、关于意识之源的新理论层出不穷。但是科学家们仍然要和那个几百年前就悬而未决的问题继续抗衡，自从笛卡尔的时代科学家们就百思不得其解：意识到底是什么？我们该如何通过研究大脑来研究意识？
一些哲学家想象意识就是由大脑自然产生的，就好像肠胃分泌消化酶，胆囊分泌胆汁。(事实当然并非如此。)但这恰好说明一点，科学家们期待用机械化的机制来描述意识的产生过程，而这种朴实的盼望本身很可能就是阻碍这项科学进步的问题所在。把特定的有意识体验联系到某个特定的神经结构区域，想做到这一点其实并非难事，比如晚餐散发的味道、桌子产生的距离感、广播中的歌声，但是要知道：意识本身并不是一块块镜子的碎片，各自反映着某一个特定的有意识体验。正相反，意识是某种内部互相关联、整体完整合一的体验，其中既包含有意识个体的全部身体，也包括个体所处的环境——比如大脑和消化系统之间的联系，对于形成有意识情绪来说就至关重要。
也许有一天，科技将实现科幻电影中的想象，在计算机中复制一种能够比拟意识系统及其活力的东西。或者，就像科赫对意识做出的惊人评论那样：当今这种在意识与物质之间非黑即白的二元认知极限才是阻挡我们在大脑中寻找意识来源的最大障碍；如果真的存在一个有形的意识物质源头，那么那个物质源头也许就在体验着自己的存在感。当然，这种结合了活力论、唯物主义、泛灵论思想(即这种物质源头本身就拥有意识元素)的评论听起来相当奇怪，但是别忘了，意识本来就不是平凡之物。不仅如此，这种玄幻的说法甚至还能支持唯物论者克里克最初对意识与物质的猜想——物质本身就是奇妙而特殊的，完全有资格用来破解意识之谜。
文/Marco Altamirano & Brian N. Mathur
译/奈落&悟心鬼
校对/齐木楠雄
原文/nautil.us/issue/79/catalysts/where-is-my-mind
本文基于创作共同协议(BY-NC)，由奈落&悟心鬼在利维坦发布
文章仅为作者观点，未必代表利维坦立场
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