意识理论大较量的结果究竟证明了什么

用户9861443

发布于 2023-09-02 16:38:34

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文章被收录于专栏：图灵人工智能

意识理论家长达五年的“对抗性合作”在观众面前展开了一场戏剧性的对决。它没有选出任何赢家，但它仍然可以声称取得了进展。

科学通常会提出理论，然后用数据来验证它们，直到只剩下一个成立。在刚刚起步的意识科学中，主导理论尚未出现。超过20个仍然受到认真对待。

这并不是因为缺乏数据。自从三十多年前 DNA 双螺旋的共同发现者弗朗西斯·克里克 (Francis Crick) 将意识作为一个研究课题合法化以来，研究人员就使用了各种先进技术来探测测试对象的大脑，追踪神经活动的特征可以反映意识。到目前为止，由此产生的大量数据至少应该已经压平了那些站不住脚的理论。

五年前，坦普尔顿世界慈善基金会发起了一系列“对抗性合作”，以促使迟来的筛选工作开始。今年 6 月，我们看到了第一次合作的成果，其中两种备受瞩目的理论相互对立：全局神经元工作空间理论 (GNWT) 和集成信息理论 (IIT)。两人都没有成为彻底的赢家。

这一结果就像在纽约举行的意识科学研究协会 (ASSC) 第 26 届会议上宣布的体育赛事结果一样，也被用来结算克里克的长期合作者、神经科学家克里斯托夫之间的 25 年赌注。艾伦脑科学研究所的科赫和纽约大学的哲学家大卫·查默斯创造了“难题”一词，以挑战我们可以通过分析大脑回路来解释意识的主观感觉的假设。

艾伦脑科学研究所的神经科学家克里斯托夫·科赫认为，第一次意识理论对抗性合作的好坏参半的结果是“科学的胜利”。

埃里克·丁内尔

介绍

在纽约大学斯基博尔中心的舞台上，在摇滚音乐的插曲、关于意识的说唱表演和结果的展示之后，这位神经科学家向哲学家承认了赌注：意识的神经关联尚未确定。

尽管如此，科赫宣称，“这是科学的胜利。”

但真的是这样吗？该活动收到的评价褒贬不一。一些研究人员指出，未能有意义地检验这两种理论之间的差异。其他人则强调该项目在推动意识科学向前发展方面取得的成功，既提供了大型、新颖、执行巧妙的数据集，又激励其他参赛者参与自己的对抗性合作。

意识的相关因素

1990 年，克里克和科赫发表了具有里程碑意义的论文《迈向意识的神经生物学理论》，他们的目标是将意识——2000 年来一直是哲学家的立足点——置于科学的基础上。他们认为，作为一个整体，意识这个概念过于宽泛且有争议，无法作为起点。

相反，他们专注于科学上易于处理的一个方面：视觉感知，这涉及到有意识地看到，例如红色。科学目标是找到与这种体验相关的回路，或者用他们的话说，“意识的神经关联”。

解码视觉感知的第一阶段已经被证明是科学的沃土。落在视网膜上的光线图案将信号发送到大脑后部的视觉皮层。在那里，超过 12 个不同的神经模块处理与图像中的边缘、颜色和运动相对应的信号。他们的输出结合起来构建了我们有意识地看到的最终动态图景。

对克里克和科赫来说，视觉感知的有用之处在于，这条链条中的最后一环——意识——可以与其他环节分离。自 20 世纪 70 年代以来，神经科学家就发现了一些患有“盲视”的人，他们由于大脑受损而没有视力，但他们可以在房间里行走而不会碰到障碍物。虽然他们保留了处理图像的能力，但他们却失去了意识到图像的能力。

在这个著名的错觉中，大脑产生意识的机制使我们能够将图像体验为一个花瓶或两张脸，但不能同时体验两者。

内维特·迪尔门

我们所有人都可能经历某种形式的这种脱节。考虑一下众所周知的视错觉，它可以被视为一个花瓶或两张脸的侧面。在任何时刻，我们只能将其视为其中之一。我们的大脑处理感知的方式阻止我们同时意识到这两者。

实验心理学家可以通过双眼竞争现象来利用这种怪癖。我们的大脑通常可以轻松地将从左眼和右眼接收到的略有不同、重叠的图像组合起来。但如果这些图像非常不同，它们不会合并，而是成为竞争对手：首先一个图像主导我们的感知，然后是另一个图像。1996 年，当马克斯·普朗克生物控制论研究所的神经科学家Nikos Logothetis描述双眼竞争时，克里克非常兴奋，他宣称到 20 世纪末将发现与意识相关的神经元。（同样的热情导致科赫与查尔默斯打赌。）

在过去的二十年里，越来越复杂的脑部扫描仪对测试对象进行了监测，因为他们的感知在意识研究过程中受到了操纵。数据的涓涓细流已经变成了级联，但意识理论并没有被冲走，而是成倍增加。

这些理论之间的一个广泛分歧是，其中一些理论（例如 GNWT）需要大脑中能够进行认知的部分（即我们“思考”的地方）的参与，而 IIT 和其他理论则声称神经相关性取决于参与认知的大脑区域。感知，我们“感知”的地方。这些想法经常被随意描述为“前脑”理论与“后脑”理论（尽管实际的解剖学区别并不那么明确）。这种有趣的分歧呼应了古老的哲学分歧，即意识是否与思考有关，如笛卡尔的“我思故我在”，还是与“不思考”有关，如冥想瑜伽士所经历的状态。

对于GNWT 的首席架构师、法兰西学院的神经科学家斯坦尼斯拉斯·德哈内 (Stanislas Dehaene)来说，思维是意识状态的核心部分。谈到印度理工学院，他告诉我：“我们的理论之间存在很大差异。我不相信纯净的意识。”

GNWT 认为，我们无意识地不断处理的信息中的一小部分被选择通过瓶颈进入有意识的“工作空间”。在那里，信息被整合并广播到其他大脑区域，使其在全球范围内可用于决策和学习。“‘工作空间’是为了发挥某种功能而存在的，”德哈内说。由于决策和学习是前额叶皮层的职责，因此大脑前部被认为对意识至关重要。

这个想法的萌芽最初是由现供职于心脑科学协会的心理学家Bernard Baars于 1988 年提出，他看到了早期人工智能系统架构中独立程序共享信息的“黑板”的类比。然后，Dehaene 将这个概念模板与尖端神经科学的发现联系起来，并使用计算模型来开发 GNWT。

威斯康星大学麦迪逊分校的神经科学家朱利奥·托诺尼（Giulio Tononi）通过数学公式化关于意识的五个公理，发展了整合信息论。

约翰·马尼亚奇/华盛顿大学健康中心

IIT 没有与人工智能架构进行类比。威斯康星大学麦迪逊分校的神经科学家和精神病学家朱利奥·托诺尼（Giulio Tononi）从关于意识的五个公理出发，发展了这一理论：它是拥有它的实体所固有的；其组成是结构化的；信息丰富；它是集成的而不是简化为组件；它是其他体验所独有的。然后，他开发了数学描述来适应这些公理。对于托诺尼和其他 IIT 理论家来说，与这些数学描述符最一致的神经结构是与感觉区域相关的网格状架构，他们将其称为“热区”。

但 GNWT 和 IIT 只是将意识的关键元素定位在大脑相反两极的理论中的两种。还有其他认知的前脑概念，包括几种高阶理论（HOT）和主动推理理论，以及各种感觉的后脑概念，例如密切相关的一阶理论和地方主义理论。

通过根据活体大脑的数据测试它们的预测来消除其中一些可能看起来很简单。不幸的是，事实并非如此。

找到他们想要的东西

多年来，研究人员设计了巧妙的实验，让测试对象报告他们何时意识到某个物体，同时使用心理技巧或幻觉来分散他们的注意力。这些结果通常表明，有意识感知的时刻与前额叶皮层的活动相关，支持 GNWT 或其他前脑解释。但哲学家和实验者开始抱怨这些研究可能测量的是与报告任务相关的神经活动，而不是意识本身。

因此，开发了“无报告”范式作为一种解决方法。一种流行的方法涉及双眼竞争。如果测试对象的左眼看到向左移动的脸，右眼看到向右移动的房子，他们的意识感知将在两个图像之间翻转。研究人员可以通过跟踪眼睛移动的方式来识别感知到的图像，而无需报告。当时的数据表明，在这些无报告范式中，有意识感知的信号位于大脑后部。

然而，理论家们很少被任何实验和数据所说服。在 2016 年的一次审查中，印度理工学院阵营驳斥了基于报告的实验，认为其方法上存在缺陷。2017 年，这场争论仍在继续，《神经科学杂志》上发表了相互对立的文章。在其中一篇文章中，现供职于日本理研脑科学研究中心的Hakwan Lau和他的同事反驳道，无报告范式本身就充满了令人困惑的变量。

更复杂的是，实验结果取决于所使用的大脑记录技术的类型。这并不奇怪，因为每种技术都为大脑提供了不同的视角。例如，功能性磁共振成像（fMRI）可以追踪血流并提供良好的空间分辨率，但速度太慢，无法跟上神经元之间的交流速度。另一方面，脑磁图（MEG）可以追踪大脑的颤动，但空间分辨率较差。研究人员是测量大脑特定位置的信号强度，还是分析更广泛区域的模式，这也会产生影响。

结果是，尽管收集了大量实验数据来研究意识的相关性，但不确定性给了理论学家们声称这些数据支持他们首选解释的空间。

特拉维夫大学的神经科学家 Liad Mudrik（左）和她的博士生 Itay Yaron（右）收集的证据表明，利用实验研究来检验意识理论的目标常常因实验设计中潜藏的偏见而受挫。

苏菲·凯利

介绍

特拉维夫大学神经科学家利亚德·穆德里克 ( Liad Mudrik)认为，部分问题在于研究的设计方式（并且通常是继续设计的方式）。她的博士生Itay Yaron最近进行的一项调查研究了 400 多个已发表的意识实验，发现在很大程度上可以仅根据实验设计来预测哪种理论将得到支持，而无需了解任何结果。

对抗性合作

五年前，邓普顿世界慈善基金会特别项目部负责人大卫·波特吉特惊讶地发现，关于意识，仍然存在如此多可行的理论。他觉得采取行动的时机已经成熟。

科赫建议进行一场面对面的竞赛，这种竞赛有时被用来解决物理学领域的争议。心理学领域也有先例。20 世纪 80 年代，普林斯顿大学心理学研究员丹·卡尼曼 (Dan Kahneman)创造了“对抗性合作”一词来描述持相反观点的科学家联合开展实验的活动。通过共同努力，他们可以消除可能破坏工作结论的目标和方法方面的分歧。（卡尼曼在解决与他的心理学家同事兼妻子安妮·特雷斯曼之间的理论上的不和时，偶然发现了这种方法。）

五年前，代表邓普顿世界慈善基金会的戴维·波特吉特（Dawid Potgieter）召开了一次研讨会，旨在开展对抗性合作来测试意识理论。

邓普顿世界慈善基金会

波吉特热衷于尝试。2018 年 3 月，他和科赫在西雅图艾伦研究所为 14 名参与者举办了周末研讨会。其中包括三位理论家——Dehaene、Tononi 和 Lau，他们是 HOT 的拥护者——以及查尔默斯和另外两位哲学家、四位心理学家、两位神经科学家、一位神经学家和作为坦普尔顿基金会代表的 Potgieter。他们的职责是合作设计新的实验，以消除过去的所有问题并清晰地区分不同的理论。

其中三位心理学家——马克斯·普朗克研究所的穆德里克、露西娅·梅洛尼和波特兰里德学院的迈克尔·皮茨——已经有挑战意识理论的历史。“在某个时候，我认为朱利奥建议道，‘为什么你们三个不来领导这个项目呢？’”皮茨回忆道。“我们不知道自己会面临什么。它耗尽了我们的生命。”

在接下来的九个月里，讨论仍在继续。理论家们深入研究他们的理论并提出新的预测——这是这次合作的新颖贡献之一。穆德里克对对手谈判的意愿印象深刻。“这需要很大的勇气；“你的脖子正处于危险之中，”他说。

托诺尼特别热衷于第一个 GNWT 与 IIT 实验的设计。由于任务在过去的实验中造成了这样的问题，因此可以通过改变任务来解决这些问题，看看这对意识感知有何影响。

测试对象将看到一系列不同的图像，例如面孔、时钟和不同字体的字母。他们会观看每张图像 0.5 到 1.5 秒。在每个系列的开始，两个特定图像将被定义为目标（例如，一个女人的脸和一个古董钟），参与者被赋予报告任务，如果他们看到其中任何一个，就按下按钮。因此，图像中的其他面孔和物体将与任务相关（因为它们属于与目标相同的类别），但不需要报告。该系列中的其他类型的图像，例如字母和无意义的符号，将与任务无关。该测试针对该系列中的不同目标重复运行，以便可以将每组刺激测试为与任务相关和与任务无关的刺激。

GNWT 预测，无论是否涉及任务，与物体的意识感知相对应的大脑模式都会相似。无论任务如何，大脑解码器都应该能够识别与目标图像相关的独特信号。此外，应该能够检测到进入大脑工作空间的新意识感知的“点火信号”以及清除它的“关闭信号”。

另一方面，印度理工学院预测，大脑的意识模式会随着任务的不同而变化，因为执行任务会涉及前额叶皮层，而脱离任务的感知则不会。这种“纯粹”的意识形式只需要大脑后部的感觉热区。图像意识信号的连通性和持续时间将与视觉刺激的持续时间相匹配。

普林斯顿大学的心理学研究员丹尼尔·卡尼曼坚信对抗性合作对于推进科学的价值，尽管他发现结果很少改变对手的想法。

罗杰·帕克斯/Alamy Stock Photo

介绍

德阿恩更喜欢第二个实验，该实验也涉及大脑模式的全面解码。测试对象在玩类似俄罗斯方块的电子游戏时，会随机看到屏幕上闪烁的面孔和物体。显示图像后不久，游戏就会停止，并询问受试者是否看到了该图像。结果将更少地受到任务和注意力等级的干扰。

由于卡尼曼非常熟悉对抗性合作，因此他指导了三位项目负责人。但他也警告他们，根据他的经验，对手在看到合作结果后不会改变主意。他说，相反，当面对不方便的结果时，“他们的智商会跃升 15 分”，因为他们发明了适应新的、相互矛盾的数据的方法。有时，整个科学界必须注意到不断变化的证据并继续前进。

介绍德阿恩更喜欢第二个实验，该实验也涉及大脑模式的全面解码。测试对象在玩类似俄罗斯方块的电子游戏时，会随机看到屏幕上闪烁的面孔和物体。显示图像后不久，游戏就会停止，并询问受试者是否看到了该图像。结果将更少地受到

结果好坏参半，没有失败者

研究人员开始按照研讨会团队的建议进行实验。Tononi 最喜欢的 GNWT 与 IIT 实验（用不同级别的任务进行测试）最先完成。它是在两个不同的实验室使用功能磁共振成像、脑磁图和颅内脑电图进行的。共有 6 个理论中立实验室和 250 名测试对象参与其中。

6 月 23 日晚，一群兴奋的观众聚集在纽约大学，了解该实验的结果。结果在大屏幕上大写，并以红色和绿色突出显示的图表显示，就好像研究人员正在报告具有三种障碍的障碍赛一样。

第一个障碍检查每种理论对受试者在呈现的图像中看到的物体类别的解码程度。两种理论在这里都表现良好，但 IIT 更擅长识别物体的方向。

第二个障碍测试了信号的时间。IIT 预测在意识状态期间热区会持续同步放电。虽然信号持续存在，但它并不保持同步。GNWT 预测工作空间会“点燃”，然后当刺激消失时会出现第二次峰值。仅检测到初始尖峰。在纽约大学观众的屏幕评分中，印度理工学院遥遥领先。

第三个障碍涉及大脑的整体连接性。GNWT 在此得分高于 IIT，主要是因为对结果的一些分析支持 GNWT 预测，而整个热区的信号并不同步。

这两种理论都受到了结果的挑战。但在活动屏幕上的最终计分中，IIT 获得的绿色亮点比 GNWT 更多，观众的反应就像胜利者加冕了一样。威斯康星大学麦迪逊分校的Melanie Boly是 IIT 的支持者，她对这一结果感到鼓舞，在台上宣布：“结果证实了 IIT 的总体主张，即后皮质区域足以产生意识，并且[前额叶皮质的参与] ] 也不需要全球广播。”

法兰西学院的神经科学家斯坦尼斯拉斯·德哈内（Stanislas Dehaene）提出了全局神经元工作空间理论，他认为思维是意识的核心部分。

蕉麻压机 / Alamy Stock Photo

当德阿纳上台时，他也不承认失败。“我决定听从丹·卡尼曼的建议，”他打趣道。他自称很高兴，因为“这个实验最有趣的部分是与任务无关的刺激。” 问题是它们是否会表明额叶大脑中意识知觉的点燃。“答案是肯定的！” 他说。

后来，德阿纳向我建议，IIT 的门槛比他的理论设置的门槛低。“[IIT] 的复杂数学核心没有经过真正的测试，”他说。正如布洛克在当晚的讲话中指出的那样，支持脑后理论的发现并不特别支持 IIT。

尽管印度理工学院获得的绿色分数略高，但项目负责人本人坚称没有赢家。他们在一篇描述 biorxiv.org 预印本服务器上发布的结果的论文中写道：“这些结果证实了 IIT 和 GNWT 的一些预测，同时极大地挑战了这两种理论。”

正如卡尼曼所预测的那样，对手对这些差异进行了解释。博利认为，未能检测到热区的持续同步“可能是由于采样限制”。德阿恩怀疑没有检测到“关闭”信号，因为受试者让他们的思绪走神。“我的主张是意识与刺激脱钩了，”他说。

博利和德哈恩现在正在等待第二次实验的结果，其中涉及类似俄罗斯方块的分散注意力的游戏。这些结果要再过一年才能获得。

进步的步伐

那么科学进步了吗？并非所有人都这么认为。

墨尔本大学心理学家、ASSC 前任主席奥利维亚·卡特 ( Olivia Carter)等一些研究人员认为，这两种理论相差太大，无法对他们的预测进行有意义的比较。“我个人的感觉是他们正在测试完全不同的东西，”她说。“IIT 专注于现象级内容，而 GNWT 对工作记忆和注意力更感兴趣。”

这个评价似乎很恰当。然而，考虑到对抗性合作最初的既定目的是进行决定性比较，这也令人沮丧。如果这是科学的胜利，那么它似乎是合格的。

莫纳什大学哲学家雅各布·霍维 (Jakob Hohwy)是另一项由坦普尔顿资助的对抗性合作项目的成员，他对此有不同的看法。“这涉及到科学哲学，”他说。他指出，该领域在意识的定义是否更接近于思考或感觉，甚至自我报告的结果是否真正混淆了数据等基本问题上仍然存在分歧。对于Hohwy 来说，这种协作努力是前进的方式。“当我们进行这种类型的对抗性合作时，我们将会发现答案，”他说。

其他人，比如加州大学欧文分校的计算神经科学家梅根·彼得斯 ( Megan Peters) ，对媒体报道感到愤怒，因为媒体将结果报道为 GNWT 和 IIT 之间的两匹马竞赛，而不是一个有多个竞争者的领域。彼得斯说，重要的是要看到科学通过从每个实验障碍中学习来取得进步，而不是关注赢家和输家。（然而，在参加了当晚的会议后，我可以证明该活动的安排类似于体育赛事。）

尽管如此，彼得斯仍然热衷于对抗性合作。在 Covid-19 封锁期间，她受到邓普顿流程的启发，帮助组织了认知计算神经科学会议主办的一系列研讨会。在这些“生成对抗性合作”中，研究人员进行了激烈的辩论。“观看团队咀嚼东西很有启发性，”她说。

关于意识的第一次对抗性合作可能没有成功地筛选出该领域的任何理论。但它确实迫使理论家做出更具体的预测，并促使实验家研究出新技术。“合作的结果仍然非常有价值，”苏塞克斯大学神经科学家阿尼尔·塞思在六月活动结束后的评论中写道。“他们将通过提供新的约束和新的解释目标来推动 IIT 和 [GNWT] 以及其他意识理论的发展。”

对于梅洛尼来说，对手没有改变主意这一事实并没有减损这一过程的价值。“正如卡尼曼所说，人们不会改变主意，但他们应对挑战的方式会导致他们的理论进步或退化，”她说。“如果是后者，随着时间的推移，这个理论就会‘消亡’，科学家们就会放弃它。”