为什么是量子大脑？

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摘要

这篇文章回顾了量子大脑假说的现代方法。目的是从一个广泛的角度考虑该假设及其经典的脑机替代方案，包括物理学、生物学、计算机科学、宇宙学和形而上学。我的出发点是，问意识能不能有自由意志，从根本上说是不正确的。这方面受到了物理学和神经科学的双重挑战。这篇论文认为，对有意识的自由意志的探索，正如在Libet类型的实验中所典型测试的那样，意味着本末倒置。从进化的角度来看，更正确的问题是这样的。简单生物的原始神经网络是否拥有自由意志机制(起源于量子),作为生命繁荣的极其有价值的获得？那么，这些机制可能是从脑干等最古老的大脑区域的初级(快速和随机)反射进化而来，从而在大脑进化的后期阶段产生以皮层为中心的意识属性吗？

关键词

量子大脑；自由意志；意识；超决定论；临界状态；胞外分泌

作者2021。这是一篇开放存取的文章，在署名许可知识共享，该协议允许以任何媒体或格式无限制地使用、分发和复制，前提是正确引用了原作品。

1.介绍

今天，量子效应已经越来越多地在生物学中被检测到[1-4],与在太热的生物过程中相干性会被迅速破坏的预期相反，量子计算应该被热化为噪声。实验证明，细胞结构的温暖潮湿环境可能有助于量子相干和处理更大时空尺度的关键量子化事件。脊椎动物和无脊椎动物的几个感觉系统已经进化出信号检测能力，可以放大单个光子的能量[5，6]。然而，有证据表明，单个神经元的体内纳米刺激可导致大脑网络上的神经元雪崩[7-9]，从而影响认知和行为领域[10，11]。尽管如此，没有直接证据表明量子效应可以通过操作方式影响大脑动力学，以产生混合的量子/经典计算(综述见[12])。这些影响是否与意识有关仍然很难通过实验来检验。因此问题来了:为什么是量子大脑？

量子启发的意识方法的一个共同特征是纠缠和非局域性的参与。例如，Rosu [13]认为“很可能生物计算机利用了EPR类型的相关性；从而把自己提升到一个更高的存在层次。”另一个众所周知的量子大脑/思维计划的倡导者乔尔杰夫[14]提出了七个长期存在的意识问题，这些问题与经典物理学的原则严重冲突:物理边界问题，束缚问题，因果效力问题，自由意志问题，内部隐私问题和困难问题。

典型的解释旨在解释不同脑区之间神经过程的同步化，这可能使大脑变得聪明。这在神经科学中被称为绑定问题。引人注目的是，量子相干性和纠缠应该被用来在处理单一意识自我时提供感觉和认知大脑网络的非局部绑定[15]，就好像没有经典的神经过程，例如，耦合相位振荡器的协调动力学

[16]在朗之万形式主义中，也可能这样做。

因此，有人可能会问:为什么有意识的量子计算机在进化上比有意识的经典计算机更好？假设量子大脑假设的唯一原因，如树突中的Hameroff-Penrose微管计算[18]或突触间隙中的贝克-埃克尔斯量子触发器[19]或波斯纳分子中的核自旋处理的纠缠[20]，是自由意志，应该防止决定论和/或大脑动力学的经典随机账户。这里的“自由意志”是指大脑(不一定是意识)做出并非完全由过去预先决定的选择的能力。我的目标是强调那些可以毫不含糊地支持量子大脑计划的东西，而不考虑任何未来可能或不可能获得的实验证据。

我不打算推测量子大脑在制造意识和认知时涉及叠加、纠缠和非定域性的假设。相反，我认为量子不确定性是唯一必要的现象，任何适当的大脑动力学理论都必须要求它来解释各种意志机制，如贝叶斯大脑动力学中的主动推理，Libet类型实验中的自发行动，或心理学研究中的认知控制，所有潜在的意识状态都随着时间的推移在大脑的神经信息处理中展开。因此，我将把重点放在大脑动力学的因果解释上，更一般地说，放在宇宙意识的本质上。

这篇论文认为，对大脑动力学的非平凡量子贡献是必要的，以说明人类实践中有价值的“商品”[21]，通常被称为“自由意志”。重要的是，将有意识的“相容者”意志辩护为一种自我发起的行动似乎是徒劳的，这种行动可能对潜在的神经活动具有精神力量。这种精神力量只能通过诉诸笛卡尔的二元论来证明。这种意志被许多Libet类型的实验充分否定，例如[22-24]。我的目标是捍卫大脑在整个生命周期中的自由认知进化。从出生开始，大脑通过积累其记忆网络中独特编码的信息，在神经生理上进化。通过这种方式，大脑也由于神经可塑性而在解剖学上进化，创造了新的和更有效的跨脑区的连接模式和功能模块。

为了提供自由的认知进化，大脑应该能够通过不同的意志-认知过程做出自由选择，如主动推理、行动选择、注意力努力、具身选择和认知控制。这些在贝叶斯大脑模型中至关重要；然而，那里没有暗示潜在的自由意志机制。那么，如果利用贝叶斯学习，我们应该认真假设计算人工智能系统可以自发地获得自由意志甚至意识吗？许多神经科学家和心理学家坚持这种在大脑中因果处理的机械意识的想法，并讨论贝叶斯统计模型捕捉了多少因果过程。讨论是基于这样一个事实，即在与神经科学最相关的层面上，所有的神经过程都是经典的，因此完全是由过去预先决定的。一个完整的因果模型，即大脑是一个受确定性法则支配的物理实体，被他们视为意识的最终理论。这一理论的许多支持者低估了其逻辑后果。在那里，不仅意识意志，而且任何自由意志机制都是不可能的。在这种情况下，认知脑的进化应该完全从过去预先决定。

从过去预先决定将导致以下两个基本后果。第一个，这里称为“弱结果”，是脑机隐喻的基础，并形成了人工意识的基础，受到许多科学家的欢迎。此外，不仅人工意识，而且任何特定的意识都可以被复制，同时在许多数字克隆体上自动运行。然而，在物理学中有一个被称为超决定论的“强烈后果”。超决定论是一种假设，认为宇宙是根据对称的自然法则自行进行的计算(原则上是可逆的)。未来从过去中清晰地浮现出来，没有人可以自由地、随机地或偶然地做一些事情，因为宇宙中的一切都是由遥远的过去预先决定的，最终是在大爆炸的初始条件下。

然而，根据大爆炸宇宙学的假设，结合热力学第二定律和所谓的人择论证，超决定论不可避免地将我们引向一个设计好的钟表宇宙的场景[25]。因此，预先决定的强烈后果只不过是老式宿命论和牛顿自然神论的科学严谨版本。令人惊讶的是，在这个场景发生的支持者中(有意识或无意识地)有Bohm [26]的整体性和隐含的秩序，t Hooft [27]的细胞自动机，以及Everett [28]的许多世界。

2.量子力学解释

所有量子大脑动力学模型自然都受到量子力学(QM)的各种解释的启发，每种解释都有自己的关于意识的本质和作用的观点，这与观察者在导致波函数崩溃的臭名昭著的“测量问题”方面有关

𝜓(𝑡)在测量的时刻。坍缩被观察到是对由薛定谔方程支配的量子系统的幺正演化的不连续破坏，并导致随机结果。哥本哈根“天真”的解释表明，波函数是一个概率函数，因此坍缩可以解释为根据贝叶斯更新获得新信息的一种效应。这没有告诉我们一个更基本的现实。

首先，我想把量子力学的解释分为认知的和本体的，分别以独立于观察者和依赖于观察者的观点来呈现。认识论的立场认为，量子形式主义仅仅是一种工具，用于推导对根本的完全确定性现实的统计预测。从这个意义上说，哥本哈根解释显然是𝜓-认知，是对量子力学概率描述的必要回应，最终导致测量的随机结果。隐藏变量理论被认为是支持哥本哈根观点和恢复决定论。隐变量理论分为局部变量和非局部变量两类。对我们来说非常重要的是，它们在本质上都是确定性的。例如，Bohmian力学[26]与超光速先导波是非局部的，而t Hooft [27]的细胞自动机解释(CAI)假定所有物理相互作用在“本体论”普朗克基础上是局部的。这两者都排除了大脑中的任何自由意志机制，因此，我们不得不拒绝后者。

大脑完全由隐藏的确定性变量控制的假设是由贝尔[29]以“超决定论”的名义提出的(尽管他已经摒弃了这一观点，转而支持自由意志)。自由意志辩论的一个基本假设，即“反应性假设”符合人们的常识，即主体的自由决定必须是有原因的，而不是随机的。然而，与经典过程相比，在物理因果范式中，只有独立于先前大脑过程的随机因素可能解释真正的自由意志，这为超决定论留下了漏洞。概率描述中使用的术语“随机性”是认知性的，因为它依赖于个人的知识状态，而这种知识状态在原则上是可以提炼的。相比之下，量子力学不可简化为任何潜在的更详细的确定性规范，正如它遵循量子不可行定理[29，30]。因此，在量子信息科学中，纠缠和叠加效应被广泛用于加密应用中，以生成无法通过经典方法制备的贝尔认证随机数[30]。

我用海森堡在基础(潜在)现实和观察到的事实的经典(实际)世界之间的形而上学切割来取代哥本哈根的“天真”正统。因此，我将这个双重世界与𝜓-epistemic的观点联系起来。不幸的是，形而上学总是比科学赖以生存的纯粹操作框架更加模糊不清。由于海森堡对意识和自由意志给予了相当多的关注，并将它们置于他的本体论的潜在基本世界中，他的由测不准原理支撑的观点是相当𝜓本体论的，因此有利于自由意志。这样的立场刚刚由怀特海[32]在他的“成为”的形而上学中提出，后来由彭罗斯[18]和斯塔普[33]在他们的基于𝜓-ontic解释的量子大脑模型，强调物理世界的基本随机方面。

类似地，惠勒跟随冯·诺依曼[34]并保持𝜓-ontic的位置[35]。诺依曼-惠勒的心脑二元论是基于心理物理平行作为一个科学原则，将世界分为一个被观察的系统和观察者，即正确的意识。相反，Bohm [26]推测QM形式中隐藏的确定性变量。在波希米亚力学中，超光速先导波被引入来描述量子力学干涉过程，从而避开了哥本哈根概率解释和诺依曼-惠勒观点中的意识诱导波函数坍缩。在玻姆的非局部整体性中，意识作为宇宙的一部分以超确定性的方式从隐含的秩序中涌现出来，没有自由意志，而是作为秩序的神经木偶。

令人惊讶的是，玻姆曾想通过用超决定论取代量子随机性来支持他的解释。人们可能会发现，他的整体性和埃弗雷特的多元宇宙之间的主要区别在于非局域性。虽然波希米亚解释需要超光速信号，但“多世界”解释是一种局部理论，它从薛定谔方程的确定性幺正演化中去除了波函数坍缩。相反，意识(观察者)被分裂成许多副本，每一个都被放入一个独立的超确定性世界，有其特定的命运。

根据退相干理论，波函数坍缩并不直接依赖于观察者，观察者(意识)只是环境的一部分，为量子态的丰富信息扮演客观“见证人”的角色[37，38]。最适合的信息以不相容的信息为代价在环境中传播的过程被称为量子达尔文主义(QD)。这可以解释经典事件的客观现实，观察者确实看到过去在他们身后出现的来自量子世界的包含冗余历史(潜在性)的事后事件，其中只有一个会在环境中被记录。因此，QD避免了诺依曼-惠勒二元论，埃弗雷特的许多世界，将意识分裂成无数的平行现实，以及由超确定性秩序引导的玻姆整体性。QD的总体设计可以很好地适用于大脑动力学，在这个意义上，意识来自于同时发生的多个神经活动，并作为单一的宏观状态绑定在一起，这些宏观状态被主观地感知为排除双重人格的一致的意识流[39]。

3.量子大脑模型

量子大脑方法背后的一个秘密想法是，如果世界可以依赖于观察者，那么一旦大脑成为物理世界的一部分，大脑动力学也应该依赖于意识。但是，如果意识的因果力量是可行的，那么有意识的观察者在空间中的什么地方可以与大脑分离，哪怕只是一会儿？换句话说，大脑是不是环境的一部分，意识可以像影响外部世界一样影响它？事实上，这种意识与神经活动的分离是许多(如果不是全部的话)量子启发模型的“原罪”，这些模型秘密地从思维哲学和人类普遍的信念中提取，即它们是被赋予了对大脑动力学的精神控制和自由选择执行哪些行动的能力的有意识代理。

量子大脑假说认为，量子力学效应可以在意识出现的大脑动力学中发挥决定性作用，尽管在神经科学的水平上，所有对精神属性有贡献的有意义的神经过程显然都是经典的，就像计算机中利用的那些一样。那为什么有意识的量子计算机会比有意识的经典计算机有优势呢？在回答这个问题之前，人们可能会问:为什么经典计算机应该是普遍有意识的？在确定性信息处理机器和有意识的大脑之间可以找到什么样的原则性区别？至少，我们赋予大脑的一个区别是自由意志，即做其他事情的能力。换句话说，我们相信意识流不是由过去预先决定的，从而使有意识的存在摆脱了预先决定，不像机器。

事实上，欢迎量子大脑假说的唯一理由是超决定论禁止自由意志，以及一般来说，宇宙中任何种类的随机性。这并不是说“量子力学是神秘的，意识也是神秘的，因此它们都必须参与进来”[17]。相反，论点可以如下。首先，只有量子效应才是真正随机的，而不仅仅是认知上的，好像依赖于我们对潜在物理过程的不完全了解。其次，随机性作为非决定论的唯一合法候选者，应该与我们对自由意志和道德责任的理解有关。

这个论点经常提到意识是不可观察的，就像量子态一样[14]。事实上，不可克隆定理[30]禁止学习和复制一个未知的量子态，因为它的“内部隐私”受到保护，不会被随机崩溃所揭露。根据笛卡尔的“我思”,意识对人类拥有同样的不言自明的隐私。因此，在现代神经科学中，除了自我证明之外，不存在其他严格的标准来验证意识的存在，这导致了受试者报告自己状态的能力。因此，量子世界的这种安全隐私会阻止我们揭开意识作为“自在之物”的神秘面纱。

当然，这听起来太模糊，无法理解意识应该如何依赖量子力学。著名的依赖于观察者的现象在这里几乎没有用，除非二元论适用。尽管如此，这可以朝着可操作的方向发展。相反，假设脑干中有一个神经生理自由意志机制，脑干是大脑中最古老的部分，负责自动大脑功能和反射。让我们假设该机制起源于量子，其随机结果可以被跨越许多时空(经典)尺度的神经元雪崩放大，同时被丘脑皮层系统的认知网络限制和处理为与意识出现相关的大脑宏观状态。这种意识状态是由大脑中一个关键的量子化事件引起的，不应该完全由过去预先决定，好像大脑有自由意志来产生这种意识状态，而不是另一种。尽管这不会给有意识的自由意志留下空间，但从大脑动力学中产生的意识本身，可能无法在许多数字克隆体上并行运行。因此，意识的“神秘”获得了不可克隆的明确意义。

3.1彭罗斯-哈梅罗夫模型

在量子大脑假说中，Penrose和Hameroff [18]的精心设计的客观还原(Orch OR)方案提出了一种更详细的量子大脑动力学方法。

根据哥德尔定理，大脑不是图灵机。彭罗斯强调人类思维和意识体验的不可计算的一面。事实上，人类能够轻松理解逻辑悖论，例如，说谎者悖论在结构上非常类似于关于阿砣算法等形式系统的不完全性的哥德尔定理。除了定理所基于的一个自我参照的句子之外，这些可能会被图灵机一致地操作。

然而，不仅是数字计算机，包括海豚、大象和高等猿在内的许多动物可能都不理解说谎者悖论。这是否意味着负责产生意识和逻辑推理的人脑与动物大脑有着根本的不同？在进化的尺度上，前者如何可能通过继承它们的生物学特性和解剖学组织而自然地从后者进化而来？神经科学中没有证据表明人类的大脑与哺乳动物和鸟类的大脑有任何实质性的区别。因此，如果我们不把人类意识神秘化，以此来反对更简单的物种，Orch的主要前提还是不符合进化论的论点。

当然，人们可以假设动物能够执行复杂的心理操作，例如，在双稳态感知中，就像在类量子认知模型中假设的那样[40，41]。量子认知理论家推测，大脑在决策和学习中利用量子(非分配)逻辑，而不是经典(布尔)逻辑[42，43]。然而，这样的发现并不直接需要量子大脑动力学。这些观点主要基于认知过程可以被视为许多结果的叠加，以及被视为“自我测量”的心理状态的时间顺序可以影响决策的观察。事实上，我们可以同意，当一个实验者进行测量以获得关于外部世界的一些可观察到的东西时，他/她的大脑只在它自己的动态范围内运作，并产生有意识的状态作为自我测量的结果。作者提出了许多心理学发现，即主体可以学习并做出不完全受经典逻辑支配的决策。在现代神经科学中，普遍认为所有的意识能力都来自相关的大脑过程。因此，类量子认知模型——如果不是抽象的兴趣——必须以明确的因果方式解释神经网络所使用的量子逻辑。如果认知决策的不可交换性仅仅与时间箭头有关，这在人类思维中应该是相当普遍的。尽管如此，仍然需要神经网络中的一些物理过程来解释时间的不可逆性。

相反，Orch OR是建立在由间隙连接连接的神经元的树突和细胞体的整合阶段中微管中的量子计算基础上的。抛开哥德尔定理，彭罗斯和哈默罗夫问道:单细胞生物(如原生动物)的细胞骨架中充满了微管纳米管，但显然没有神经网络，它们如何表现出有目的的(智能)行为？他们的关键论点是，这种意识依赖于量子计算，其中许多量子位之间的大规模纠缠将在微管中而不是在突触中实现复杂而高效的并行处理。1

通过这种方式，量子纠缠通过影响神经递质的释放和神经元之间突触的触发而分布在许多大脑区域，这可能被视为一种

1量子并行计算(如果可能的话，以兆赫为单位的微管振动)可能会受到进化的青睐，只要它在选择下对认知和行为的适应性益处高于它在神经性能上的能量成本。

幽灵般的远距离行动。由重力诱发的坍缩所终止的量子计算，可以选择一组特定的微管蛋白状态来触发轴突放电，因此对应于基本的意识行为。彭罗斯指出，量子达尔文主义并不能解释一个量子系统脱离环境后的崩溃。例如，整个宇宙可能是这样一个超越任何环境的量子系统，由许多世界的波函数来描述。相反，引力坍缩应该是由时空直接引起的。

意识的积极作用，即正确的自由意志，应该通过Orch的纠缠方面产生的非局域量子向后时间引用出现，或者将意识从其作为被动的附带现象旁观者的不幸特征中解救出来[15]。在这种情况下，人们可以轻易地发现意识与大脑神秘的分离。更不用说在OR中尚未发现的引力效应，在这种对自由意志的解释中，似乎出现在大脑活动之前，存在着某种二元论。另一方面，关于宇宙内在的“原始意识”事件作为意识的先驱，兽人与泛灵论有一些共同的要素。

假设Orch OR在规定意识的自由意志方面是正确的。意识怎么可能从大脑中分离出来，哪怕只是一瞬间，以利用非局部束缚和量子回溯，从而对神经动力学拥有因果力量？除非笛卡尔的心物二元论适用，否则从大脑中衍生出来的意识无法通过其物理起源做到这一点。意识也不能从物理学驱动的二元论修改中获得优于大脑的优势——玻尔提出的物理学和精神互补的观点由泡利提出

[44]并最终概括在惠勒的参与人择原理(PAP)“观察者(即意识-s . y .)是宇宙形成的必要条件”[35]。另一方面，如果与怀特海的成为有关，互补性和PAP也可能与泛心理学有关。

3.2贝克-埃克尔斯模型

我认为贝克和埃克尔斯[19]的方法是量子力学如何在大脑过程中发挥作用以解释意志机制的最现实的假设。它指的是突触间隙信息传递的特殊机制。这里的中心思想是，突触传递代表了一种典型的(量子)概率状态，其中可供胞吐的囊泡总数对于神经元放电的全有或全无反应至关重要[45]。他们提出的触发机制是基于单个突触处生物分子之间的电子转移，然后经历量子随机共振，以从基本随机的突触过程实现神经网络宏观水平上的有序模式。产生有意识的单一体验的神经过程的一致性(约束问题)被强加于在经典时标下能够自组织的临界非线性动力学。

尽管埃克尔斯坚持“相互作用二元论”与惠勒和泡利的观点非常相似，但他的形而上学立场并没有直接来自他提出的神经生理学机制。对于神经科学来说，问题应该是这样的。大脑能否产生部分独立于先前的神经过程以及整个宇宙的过去的意识状态？如果答案是“是”，那么大脑可以有一个自由意志机制(量子起源)来处理相应的神经认知状态

完全由过去决定的。由于它们的不确定性，大脑过程原则上不能被机器计算。这带来了两个后果:(1)一个人的意识永远不能被克隆，(2)人工意识必须不可能在人工智能设备上运行。这里没有哲学上的身心二元论。因此，我将贝克-埃克尔斯模型与量子达尔文主义联系起来，而不是与诺依曼-惠勒二元论联系起来，这种二元论使意识成为负责波函数坍缩的独立实体。

3.3斯塔普模型

斯塔普提出量子大脑假说的主要动机与Orch的相同，或者说是为了解释自由意志。为此，他采用了诺依曼-惠勒二元论和怀特海[32]形而上学，为完全确定的人类意志提供了一种替代方案。斯塔普[33]认为，虽然宇宙在怀特海的“成为”和/或海森堡的双重世界中进化，但意识的精神努力可以延长神经元集合的寿命，这些神经元集合代表了由于量子齐诺型效应而产生的行动模板。在量子框架内，一个人获得的现实知识并不是被观察系统预先存在的属性的忠实表现，而是由观察者发起的动态探索过程的输出。宇宙以经典的是-否术语对观察者做出反应。像贝克-埃克尔斯方法一样，有意识的自由意志的起源被置于突触间隙中，但钙离子应该触发神经递质的释放，并以某种方式将整个大脑分成不同的经典描述的组成部分，这些组成部分指定了替代的可能行动过程。没有合理的神经生理学证据。同样，意识如何选择行动来避免“分离罪？”

3.4弗里曼-维蒂耶洛模型

Vitiello和Freeman [46]的耗散模型将大脑描述为一个完全集成的宏观量子系统，几乎可以瞬间将感官信号转化为意识。这是基于众所周知的观察，即大脑动力学在12-80赫兹的范围内表现出独特的同步模式，持续时间约为80-120毫秒，并有一个突然的转变。作者得出结论，外部刺激作用于大脑，触发了对称性的自发破坏，长程相关性是由Nam bu–gold stone玻色子的相干凝聚建立的，Nam bu–gold stone玻色子负责新皮层中调幅同步振荡的形成。凝聚玻色子的密度提供了相干程度的量度。与诺伊曼-惠勒二元论相反，该模型拒绝了精神活动和大脑活动分离的可能性:大脑模式和精神(双重)模式似乎纠缠在活动演化的相干状态中。没有两个实体，没有物质和心灵的双重存在层次，只有一个不可分割的实体[47]。然而，没有神经生理学机制被提出来提供自由意志。相反，作者认为某些隐藏的秩序类似于Bohmian整体性，是大脑动力学混乱、复杂和看似随机的行为的基础。因此，我将这个模型与超确定性解释联系起来。

3.5乔尔杰夫模型

关于大脑动力学的另一个观点是乔尔杰夫[48]，他将私人意识(思想)与不可克隆定理无法观察到的量子信息直接联系起来。这种信息通过电压门控离子通道中的量子隧道，经由驱动突触小泡胞吐的SNARE蛋白，遍布可观察的大脑[49]。意识被假定为连续的(除了在睡眠、麻醉和昏迷中消失的状态)，并在皮秒时间尺度上以量子水平运行，尽管大量关于启动、掩蔽和注意瞬脱的神经科学证据表明，意识体验是离散的，无意识准备期约为300-400毫秒，例如[50-52]。

与贝克-埃克尔斯胞吐作用和Orch或量子不确定性仅用于随机结果以触发经典时标下的神经非线性动力学或作为时空中的非酉、不可计算的量子态简化(两者都导致有意识的离散状态)不同，量子心智模型用波函数ψ的酉演化来识别心智，因此有意识的连续体验起源于薛定谔方程的物理解。这不是无意识的过程，而是假设在皮层下区域存在多重体验，然而，有意识的“我”并没有同时进入这些区域。

毕竟，我把乔尔杰夫的模型放到了海森堡的双重世界中。

3.6经典模型

意识的经典理论显然是建立在最初被假定为完全确定性的大脑动力学基础上的。

托诺尼[53]的综合信息理论(IIT)将意识定义为由大脑中不可约的因果机制指定的综合信息。根据IIT的观点，一个人的自由选择是由他大脑中机制的最大不可约性来保证的[54]。最好地，自由意志在这里指的是个人的个性和环境的独特性，每次都在变化，因此大脑和环境的状态都不会出现两次。这是基于自由意志的心理方面，而不是生理方面。特别是，该理论允许多个局部复合体的可能性，每个局部复合体都有其最大φ，并共存于单个系统(不一定是大脑)内。原则上，该理论认为，即使是生物细胞内的线粒体也可以维持一定程度的意识[55]。因此，从大脑中主要复合体的角度来看，无意识可能归因于次要复合体的存在。

相比之下，全球工作空间理论(GWT)是规模依赖的，并强调集中在丘脑皮层系统的动态核心，以在所有大脑区域传播信息[56，57]。如果动力核心中神经活动的同步减少或中断，意识就会消失(在睡眠、麻醉和昏迷中)。意志没有被直接讨论，而是隐含在广播中。另一个占主导地位的理论，预测处理理论(PPT)更多地涉及研究认知[58]，并把大脑视为遵循自由能原理(FEP)的贝叶斯机器。意识来源于认知功能，而意志只是简单地指主动过程，并没有解释其物理基础。因此，这些理论的自由意志是“相容论者”,正如它本身在物理学、心理学和社会科学中被假定的那样。据说人类在日常活动中有意识地自由，理性地直接行动，追求他们的长期目标，毕竟，在制造科学方面:他们可以自由决定如何准备一个科学实验，例如，贝尔型或李贝特型实验，或者在他们的论文中写什么。

虽然IIT和PPT/FEP假设泛灵论[59]或其中性变体[60]，类似于莱布尼茨的原始意识粒子样单子的概念，我把它们与超确定性账户联系起来，因为它们对大脑动力学中的量子效应漠不关心。

4.超决定论与随机性

当我们提到“物质”时，我们做得好像我们确切地知道它是什么。但是除了我们自己的语言偏好之外,“物质”一词并不比“心灵”一词更好，并不比后者更有优势。这就是为什么科学家们接受了“物理主义”这个术语，而不是哲学中的“唯物主义”。然而，物理主义的基本属性是决定论，或者说，最终是超决定论。在这一点上，唯物主义似乎直言不讳地抛弃了意识的神秘面纱，从而排除了二元论，更不用说唯心主义了。大脑只是复杂的决定性机器。

超决定论是一种假设，认为自然界的一切都是由过去预先决定的，自由意志是不可能的，宇宙是从宇宙的初始条件开始由自然法则自动运行的计算。这相当于老式的宿命论:我们做宇宙希望我们做的事情。如果我们结合大爆炸宇宙学，热力学第二定律及其不可避免的熵(无序)随时间的增长，以及人择论证[61]，我们可以得出这样的问题:为什么以及如何有意识的观察者应该出现在这样的宇宙中？答案是，宇宙从大爆炸奇点开始，处于一个令人难以置信的有序状态，其熵应该为零，因此宇宙中所有未来的事件，包括生命的起源、物种的进化，特别是我们的出生、生活和死亡，都被独特地编码在大爆炸的初始条件中。超决定论承认，我们不仅仅是决定论的机器，我们每个人都是从时间之初就设计好的机器[25]。

如果那些有意识的机器并不比更简单的无意识系统更有优势，却被剥夺了自由意志，那么为什么它们会受到进化的青睐呢？在量子力学EPR实验中，超决定论导致了宇宙阴谋[59],涉及到有意识的观察者随意设置他们的实验环境。换句话说，为了避免在测量后造成远处纠缠粒子间非局部关联的随机坍缩，宇宙应该预先知道那些有意识的观察者将如何准备实验来进行特定的测量。人们应该严肃地承认，人类和所有动物都是在大爆炸中被设计出来的机器。因此，从逻辑上来说，如果大脑只不过是被剥夺了决定自己道路的自由意志的有意识的计算机，那么每一个特定的意识都被证明是从时间之初就设计好的“灵魂”。另一方面,“意识”这个术语失去了任何意义，变得足够空洞，以至于可以作为占据着一些被称为大脑的物质身体的幻觉而被丢弃。尽管有人建议证明唯物主义，超决定论根本不是唯心主义的有效替代；相反，它最终导致牛顿自然神论或神创论(尽管，最有可能的是，牛顿和神创论者都不会剥夺人类生物的自由意志)。

换句话说，超决定论通过把所有的谜团推回到宇宙的起源来决定意识的奥秘。经过更仔细的研究，唯物主义似乎比二元论更神秘。然而，超决定论有助于理解自由意志的问题对意识的本质变得至关重要。事实上，宗教遇到了

许多世纪前的问题。如果人类没有自由意志去做得比上帝的天意所决定的更好，他们可能不会对自己的行为负责。宗教思想调和天意(即因果秩序)与不朽灵魂的道德责任的唯一方法是同意上帝已经承认自由意志进入宇宙。抛开二元论不谈，如果宇宙中没有随机性，自由意志可能是不可能的。因此，超决定论不仅挑战自由意志，也挑战宇宙生命的起源(图1)。

图1量子大脑假说。最著名的量子大脑模型是从量子力学的相应解释中推导出来的。这些可以被分类到不同的科学领域，从物理学到宇宙学，从计算神经科学(人工智能和图灵测试)到形而上学。诸如IIT、GWT、FEP(贝叶斯大脑)和其他人的经典意识理论对大脑动力学中的量子效应漠不关心，并且原则上可以与超确定性解释相关联。

因此，现代达尔文主义认为，生命的进化是由经历自然选择的随机(量子起源)基因突变驱动的。因此，如果我们出于这样或那样的原因不同意上述所有观点，我们需要将量子随机性与大脑动力学相协调，以解释自由意志。首先，大自然应该以某种方式利用基因突变的量子效应来驱动细胞和分子水平的进化，以便在神经网络中产生意志能力(超过反射机制)。原则上，可以很有信心地说，大脑中的一些量子化的微观事件不应该被平均为经典时空尺度中的噪声，而是作为宏观事件在神经网络中的多个水平上被放大，这些宏观事件不是完全从过去(包括大脑的先前状态)预先确定的

和它的环境)但是可能影响大脑的当前状态。这是大脑(不是意识)拥有自由意志的必要且可能充分的条件。

在这样做的时候，我们需要假设一些神经生理学的自由意志机制，量子起源，它应该是从最简单的生物体的初级(快速和随机)反射进化而来，然后由最古老的神经网络域脑干继承。这涉及许多稳态无意识过程:血压、呼吸的压力反射，然而，著名的是参与自发觉醒，即在睡眠和麻醉状态后恢复意识。该机制的随机贡献应通过预测性处理在丘脑皮层系统中受到认知约束，以引起被合理激励的大脑的最终反应。这种反应不会完全由先前的大脑动力学预先决定。

然而，我们永远无法确信任何事情都是随机的。我们最多只能说，我们寻求的确定性模式超出了我们的实验能力。这正是贝尔认证被建议用于量子效应的密码应用的原因[62]。然而，大脑的非线性随机动力学中的许多宏观事件和随之而来的心理现象(例如，在类量子认知[40-43]中的那些)涉及量子激发的效应，也可以用经典解释。由于真实(本体)随机性和随机概率(认知)模式之间的区别难以捉摸，算法复杂，该机制应该是贝尔认证的。

突触间隙中的贝克-埃克尔斯[19]量子触发(可能通过SNARE蛋白[49])或费舍尔[20]处理波斯纳分子中的核自旋影响神经元(经典)放电，看起来是该机制最有希望和可靠的候选者。这可以很容易地解释没有预先决定的神经随机动力学。毕竟，这种机制可能会提供“免费”

[17]并保证意识不被克隆，从而禁止某个特定的意识被克隆以产生在数字计算机上同时运行的多重人格。

5.讨论

引人注目的是，许多神经科学家、物理学家和计算机科学家谈了很多关于意识的问题，却几乎没有谈及自由意志，他们认为自由意志过于模糊和形而上学，难以进行有意义的讨论。与此同时，自由意志问题必须是意识和认知本质的基础，特别是在心灵的计算理论和脑机隐喻方面。大脑中的量子效应自然会涉及到这个问题。

人们常说，如果甚至量子过程也可能在快速退相干中复活，那么量子化事件应该按照热力学第二定律进行统计平均[63]。首先，law一般不纵容生命的进化。为什么复杂的生物系统会从无序的介质中一次出现，然后在熵增长下变得越来越有序？当然，进化并不违反规律，但这反过来并不能解释生命。第二，大脑只是作为宇宙中最复杂的系统进化而来，以避开共性。因此，泰格马克[64]认为，人们可能(有争议地)在经典计算机和意识之间找到的唯一区别是大脑中的信息整合，例如，在IIT [53，64]中提出的，它也忽略了自由意志问题。

另一方面，Tegmark承认，量子达尔文主义[37，38]强调环境诱导的消相干在复制冗余量子态信息中的作用，这可能与意识从最简单形式的进化有关，其方式类似于所有生物物种的基本适应原则。如果一个有机体可以获得超越量子敏感性的适应优势，那么随着时间的推移，自然选择有机会设计必要的生化机制来利用这些效应[65]。

人们普遍认为，意识作为詹姆斯一世时代不可逆转的状态流，从大脑的神经关联中因果性地出现[39]。因此，自由意志的观念可能以某种方式承认意识是通过提前到达它刚刚选择的状态而自我创造的，这与前述是不相容的。唯一可以解释自由意志不确定性的自然机制存在于量子领域。为了解决这个问题，我们应该假设大脑可以经典地处理由神经生理学自由选择机制产生的那些状态。这种机制将打破宇宙僵化的因果链，并为生命系统提供灵活的刺激-反应库，以备可能的行动。如果是这样的话，意识流最初应该是由大脑自己的自由意志决定的，而意识可能永远无法控制它。有理由认为，意志的基本机制应该在大脑进化中出现，甚至早于意识和认知，需要更多的神经资源。

人们经常争论说，不具有因果力量的现象意识是无用的。大自然就没有理由让意识逐渐从细菌进化到人类。这个问题可以通过假设有意识的离散经验来源于认知连续过程来解决，例如，作为预测(贝叶斯)处理的最终决策，从而使意识像大脑内部认知世界和周围外部世界之间的精神界面(图形抽象)。因此，进化的主要目的不是意识，而是产生意识的认知，因为在生命的斗争中，自然选择必须倾向于精神属性。大脑对环境的认知适应性越强，它的意识属性就越高。

虽然实现自由意志行动能力的大脑机制仍不清楚，但似乎可以同意，如果没有在选择压力下做出自由选择的能力，大脑进化在生存中可能没有什么用处。从进化的角度来看，自由意志的适应性优势可能被视为生命繁荣的一种极其有价值的获得，因为机动的能力将对即使是相对简单的生物体的生存和繁殖起到至关重要的帮助[66]。

由于非线性复杂系统对初始条件的高度敏感性，量子涨落在生命系统中可能是必不可少的。越来越多的证据表明，生物进化能够利用湿蛋白环境中的量子现象[1-3]，有利于量子化事件的生存[67]。因此，在光合作用系统中，不会快速松弛且其波动无法经典描述的相干振动运动可以被视为控制细胞中能量转移和储存的内部量子机制[4，5]，因此也是神经结构中的能量转移和储存机制[49，68]。

这也意味着，尽管神经元的计算和信息存储在大脑中是经典的，但其更详细的活动可能对量子波动敏感。而不是在经典的时空尺度上平均[69]，这些可能会被无序地放大和编排，以与行为表现相关。这样，量子大脑动力学可能会影响神经元的计算，导致大脑(而非意识)采取一种自发的行动，而这种行动在遥远的过去并没有被完全控制。

6.结论

唯物主义提供的超决定论观点认为，不仅自由意志，意识本身也根本不存在。然而，经过仔细研究，这个选项需要一个比泛灵论更激进的假设，即宇宙之外的设计者来解释宇宙的起源。因此，如果逻辑和科学证据迫使我们在二元论和泛灵论之间做出选择，即宇宙由“原始意识”过程组成，这些过程可能会从低阶环境中自然地进化出有生命的高阶系统(尽管热力学第二定律如此)，并最终产生具有自由意志的有意识的大脑，奥卡姆剃刀告诉我们二元论只是增加了实体，而没有解释任何东西，从而使泛灵论更受欢迎。Pierre Teilhard de Chardin已经注意到(预见到人择论的争论),类似思维的进化的想法导致泛灵论:物质的创造性活动只有当思维在世界最开始的时候存在时才能得到解释。换句话说，要么宇宙是一个根据初始条件的法律行为自行运行的计算，初始条件是由上帝在大爆炸之外创造和建立的，要么宇宙本身就像上帝一样，每个意识都参与其中。

最后，我想谈谈我个人的感受。如果泛灵论的唯一替代是牛顿、拉普拉斯和爱因斯坦的自然神论，以及随之而来的造物主决定一切的宿命论，我倾向于选择前者。我准备同意斯宾诺莎、莱布尼茨、怀特海等人的观点，宇宙是原始意识的(Prigogine [70])，甚至是正念的(Stapp [71])，我们人类和任何有意识的存在都是它的高级部分；但我不同意有人把宇宙设计成一个非局部的整体(Bohm [26])或一个完全由大爆炸的初始条件预先确定的局部细胞自动机(t Hooft [27])，我们每个人实际上都是一台机器，没有任何意志让我们的方式比设计者设定的方式更好。

作者投稿

谢尔盖·尤尔琴科做了这项研究的所有研究工作。

竞争的利益

提交人宣称不存在利益冲突。

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