意识的探索之旅
大家好，这里是最佳拍档，我是大飞。日新月异的技术让机器行为愈发接近人类，从深度学习到大模型，再到多模态，AI 能否产生自我意识成为备受关注的问题。要回答这个问题，我们需追根溯源，探究意识究竟是什么。
如今，我们不再依赖怪力乱神解释意识起源，深知其与大脑息息相关。但大脑如何产生意识，主观意识的火花怎样从纯物质神经元中迸发，大脑是意识的接受器、容器还是发生器，这些问题仍待解答。
2024 年 5 月 15 日，神经科学顶级期刊《Neuron》发布《神经意识理论的多尺度整合观》一文，由支持不同理论的神经科学学者共同撰写，探讨多种神经意识理论。本文将以浅显语言介绍这些理论及其对意识的解释。
意识在大脑中的产生过程
我们先从已知研究成果入手，了解意识在大脑中的产生过程。假设你在森林散步，听到沙沙声。声波传至内耳，听小毛转成电信号，耳蜗分离不同频率声波信号，信号沿听觉神经通路到听觉皮层，声音讯号被接收处理，转化为主观意识可描述的声音，即大脑识别出你听到的声音。
处理后的信息进一步传输到其他皮层，如运动皮层和额叶皮层，引发进一步反应。你可能因沙沙声想起恐怖的狼或熊，全身绷紧、汗毛倒立，这些是下意识行为。多年后回忆，你也许记得当时被吓出冷汗，但这些是意识事后补充的，你无法指挥汗腺和控制体毛，大脑在意识无反应时已指挥身体完成一切，意识才得到消息。
所以，外部刺激进入大脑和我们意识到它之间存在时间差，而人类往往察觉不到。这表明大脑很多活动无需主观意识参与，无意识状态下，大脑也能像精密机器自动处理许多任务，主观意识更像等待汇报的老板，接收滞后报告。
意识的重要性
有人可能会问，既然意识不管事，能否不要意识？事情没那么简单。大量实验显示，大脑自动处理信息的能力与前馈网络结构息息相关，这是一种单向流动的信息网络，信息单向输入、处理、输出，过程中无反馈。大语言模型中有类似机制，至少在潜在信息处理方面，AI 已很接近人类，但还未产生类似人类的主观意识。
信息流出前馈网络后，会进入网状循环网络，信息不再单向流动，而是散开甚至向回流动，影响之前的节点，意识就在这个过程中出现。正因整个处理流程需几百毫秒，意识才会出现延迟。
上述整套流程在论文中被拆分成六个步骤： 1. 神经元树突接收并整合来自其他神经元的输入信号，如森林中的沙沙声传入大脑。 2. 神经元信号在大脑中形成反映特定内容的神经活动模式，即神经表征。 3. 神经表征在大脑中通过反复反馈循环处理，在不同区域来回传递信息，使表征更准确细致，这是前馈网络在人脑中的表现。 4. 神经表征进入注意力后，在神经网络中广泛传播和共享，大脑各部分都能访问和利用这些信息。 5. 信息整合，让大脑对自身和外部世界产生具体感知，同时不断预测和解释所感受内容，发现不一致时调整内部模型或采取行动减少误差。 6. 校对过程，这是整个意识流程的最后一步。
这一系列复杂精细的过程共同形成丰富的意识体验，是当下脑科学界的共识。但学者们争论的焦点在于，究竟哪个环节真正诞生了人类意识，于是产生了论文中的六大理论。
六大意识理论
全局神经工作空间理论（GNWT）
全局神经工作空间理论由美国心理学家伯纳德·J·巴尔斯、神经科学家斯坦尼斯拉斯·德阿纳与让 - 皮埃尔·尚热提出。该理论主要关注六大步骤的第四步，即信息从前馈网络进入循环网络的步骤。
这个理论符合直觉，前馈网络无意识，后续信息处理可反馈到意识，所以意识在从前馈网络进入循环网络的过程中产生。人的注意力决定哪些信息进入全局工作空间，只有被注意到的信息才会被广播，从而进入意识。
例如开车时，很多信息处理是无意识的，如旁边的广告牌、建筑物、车辆位置和速度信息不会进入全局工作空间。但看到红灯时，视觉信息被视网膜捕捉，通过视神经传递到视觉皮层初步处理，由于交通信号灯是关键信息，注意力将其选入全局工作空间，“全局广播”给大脑各相关区域，让你意识到红灯并做出踩刹车的反应。
然而，这个理论存在问题。如果意识在前馈网络进入循环网络的步骤中产生并全脑广播，如何解释意识的多元化？我们的意识不只是单纯的视觉或听觉，而是多种感官信息集合，甚至有通感能力。如果意识诞生于第四步，如何整合不同感官信息来理解通感？
整合信息理论（IIT）
整合信息理论的雏形最初来自朱利奥·托诺尼于 2004 年发表的《意识的信息整合理论》一文，此后发展到 IIT3.0。该理论支持者认为，意识体验的丰富性和统一性源于大脑中信息高度整合的方式。
高水平的意识指复杂且丰富的意识体验，包括清晰的自我认识和信息整合，如人类清醒状态下的复杂思考和情感。低水平的意识是简单且有限的意识状态，主要涉及基本的感知和反应，缺乏自我和整体认识，如昆虫的基本感知或人类浅睡状态下的意识。
一个系统只有在组成部分之间存在丰富的因果关系网络，且这些关系网络无法被简单分割时，才会产生高水平的意识。简单系统因果关系较少，整体可简单分解为几个部分，信息整合能力低，意识水平也低。
比如在公园散步，视觉、听觉、嗅觉等感官信息被大脑高度整合，你意识到公园环境宜人、安全，周围游人友善，身体健康，很快要和喜欢的人共进晚餐，心情愉悦，意识体验丰富且统一，代表高水平的意识。相比之下，蝴蝶只能感知花的颜色和气味，做出觅食反应，缺少复杂情感和自我认识，因为其大脑结构和神经网络简单，信息整合能力低，意识水平也低。
树突整合理论（DIT）
树突整合理论认为，在神经元产生电信号的瞬间，人的意识就被点亮了。该理论是许多科学家长期研究共同发展的结果，认为神经元的树突不是被动传递信号，而是积极参与对输入信号的处理和整合。
在对大脑的长期研究中，学者们发现树突具有复杂的计算能力，能够执行非线性运算，调节输入信号的强度和时间特性。不同类型的树突信号处理方式提供了丰富的整合机制，使得神经元能够生成复杂的反应模式。
例如听音乐时，声音信号通过耳朵进入大脑，听觉神经元开始工作，树突接收并处理来自其他神经元的信号，在局部层面处理特定乐器的声音信号，在全局层面将所有局部处理过的信号整合成整体输出，大脑就能将不同乐器的声音组合在一起，形成完整的音乐体验。
但这个理论也有缺陷，意识不仅由当下体验组成，还包括对过去的回忆，目前还未找到记忆由单个神经元储存的明确证据。
神经表征主义（NREP）
神经表征主义主要关注信息在神经层面的表征形成，即六大步骤的第二步，认为这些神经表征是我们感知和认识世界的基础。
例如看曾经养过的猫的照片，光线通过眼睛进入视网膜，转换成电信号传递到视觉皮层，不同神经元对猫的形状、颜色、神态进行编码，形成神经表征，大脑识别出是一只猫，触发对猫过去某个时间、某个事件的回忆，相关信息被重新激活，形成对该事件的神经表征，让你回忆起细节并产生怀念的感觉。神经表征主义很好地将记忆特征纳入对意识的解释中。
循环处理理论（RPT）
循环处理理论由荷兰神经科学家维克多·拉姆在 20 世纪末和 21 世纪初提出，认为意识产生的过程不是线性的，而是像滚筒洗衣机，信号在其中反复处理才最终产生意识。
该理论涉及大脑皮层内不同区域之间的反复信息交流和反馈循环。以视觉为例，人类观察事物有时间段，视觉神经不断将信息传递到初级视觉皮层，高级视觉区域不断识别和处理信息，处理后要求继续观察以获得更多细节，信息在初级视觉和高级视觉区域来回传递。
比如看电影中车辆追逐的场景，视觉信息先传递到初级视觉皮层，识别到快速运动，为理解其含义，信息在大脑各区域反复交流和反馈处理，让你搞清楚车辆追逐的细节，产生紧张或兴奋等情感反应。
预测处理理论（PP）
预测处理理论由多位神经科学研究者在 20 世纪末和 21 世纪初共同发展，主要关注大脑如何通过生成和调整预测来处理信息，可解释神经表征的动态变化和调整过程。
理论认为大脑的主要功能是服务于生存和繁殖，首先要生成对环境的预测，实现捕食、繁殖和逃离天敌，其次要修正预测，减少感知误差。
例如做饭时，视觉、嗅觉等感知系统先处理基本感官信息，大脑不同层次生成预测，实际情况可能与预测不符，低层次感知系统产生误差信号，高层次感知系统利用这些信号调整烹饪策略，一来一回形成选择行为、好恶和特定刺激的情绪，主观意识由此诞生。
意识研究的现状与未来
类似的心智问题已被哲学家、科学家讨论几个世纪，仍是科学中最深刻的未解之谜之一。过去几十年，理论和实证意识研究激增，各种神经科学的意识理论纷纷被提出并受到热议，除上述六大理论外，还有神经振荡理论、高阶理论、注意图式理论、自由能量原理和主动推理、整合世界模型理论等。
AI 和大语言模型的出现挑战了意识概念的基本含义，让这个古老问题在 21 世纪焕发青春。如同物理的统一场论，人类意识是否存在“大一统的理论”，将众多关于意识的解释整合在一起，彻底揭开意识之谜？欢迎大家在评论区留言。感谢观看，下期再见。
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