意識的起源與AI的未來
大家好，這裡是最佳拍檔，我是大飛。AI能夠產生自我意識嗎？從深度學習到大模型，再到多模態，日新月異的技術讓機器的行為越來越接近人類。距離它們產生意識究竟還有多遠呢？想要回答這個問題，我們還得追根溯源，意識究竟是什麼？
如今的我們，已經不再依賴於怪力亂神來解釋意識的起源，也知道意識的產生和我們的大腦息息相關。但是，大腦究竟是如何產生意識的呢？主觀意識的火花到底是如何從純物質的神經元中迸發出來的呢？我們的大腦到底是意識的接受器、容器還是意識的發生器呢？
意識研究的新進展
2024年5月15日，神經科學頂級期刊《Neuron》發布了一篇文章，名為《神經意識理論的多尺度整合觀》（“An integrative multiscale view on neural theories of consciousness”）。由支持不同理論的神經科學學者共同撰寫，探討了意識的多種神經理論。今天大飛我就儘量以淺顯的語言，介紹一下這些理論主要說了什麼，以及它們是怎麼解釋意識的，希望大家看完以後能夠有所收穫。
意識在大腦中的產生過程
我們先從已知的研究成果講起，來看看意識在我們大腦中產生的過程。假設你正在森林裡散步，突然聽到不遠處傳來一陣沙沙聲。
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聲波以音速傳遞到你的內耳，隨後內耳的聽小毛會將聲波轉變成電信號，然後再由耳蝸將不同頻率的聲波信號進行分離。
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信號沿著聽覺神經通路來到聽覺系統的終點，大腦的聽覺皮層。在那裡，聲音的訊號在皮質區域被接收和處理，轉化為可以被我們主觀意識描述的聲音，也就是大腦識別出了你聽到了什麼聲音。
但是事情還沒有完，處理後的信息會進一步傳輸到其他的皮層，比如運動皮層和額葉皮層。在那裡，信息會引發進一步的反應。你的身體也許會因為沙沙聲，想起恐怖的狼或者熊，進而全身繃緊、汗毛倒立。這些都是下意識的行為。
在多年後的某一天，當你回憶起森林中的沙沙聲，也許還會記得自己當時被嚇出了一身冷汗。但是，這些信息都是你的意識在事後補充的內容。你既沒有指揮自己的汗腺，也不能控制自己的體毛。在意識還毫無反應的時候，大腦就已經指揮身體完成了所有的事情，然後我們的意識才得到消息。
因此，在外部刺激進入我們的大腦和我們意識到它之間，其實存在著一定的時間差。但是人類往往察覺不到這一點。這說明，我們大腦的很多活動，實際上並不需要主觀意識的參與。在無意識的情況下，大腦也可以像一台精密的機器一樣，自動處理好許多任務。而主觀意識更像是一個等待彙報的老闆，等待著下屬送來滯後的報告。
意識的重要性
這時候可能就有人要問了，既然意識這個老闆不管事，那我們能不能像某些公司一樣，把老闆踢出去，不要意識呢？事情並沒有那麼簡單。大量實驗顯示，大腦自動處理信息的能力，或者說，無意識的狀態，和一種名為前饋網絡的結構息息相關。
簡單說，就是一種單向流動的信息網絡。信息通過一個方向輸入系統，經過每個節點的處理，再從另一邊出來。在這個處理過程中，信息不會被反饋，後面節點的處理結果也不會影響前面的節點。沒錯，大語言模型中也有類似的機制。可以說，至少在潛在信息的處理方面，AI已經很接近人類了。
但是AI還沒有產生類似於人類的主觀意識。這是因為在信息流出前饋網絡之後，會進入到一個網狀的循環網絡中。在循環網絡中，信息不再是單向流動，而是在網絡中散開，甚至向回流動，重新影響之前的節點。就在這整個過程中，我們的意識出現了。而正因為整個處理流程需要幾百毫秒的時間，所以我們意識才會出現延遲。
意識產生的六個步驟
剛剛我們說的這一整套流程，在論文中被進一步地拆分成了六個步驟。 1. 神經元的樹突會接收並整合來自其他神經元的輸入信號，也就是森林中的沙沙聲傳入我們大腦的時刻。 2. 神經元的信號會在大腦中形成反映特定內容的神經活動模式，這些模式被稱為神經表徵。 3. 這些神經表徵在大腦中通過反覆的反饋循環處理，在不同區域之間來回傳遞信息，從而讓這些表徵變得更加準確和細緻。以上三步就是前饋網絡在人腦中的表現形式。 4. 神經表徵進入到注意力之後，在神經網絡中廣泛傳播和共享。這種大範圍的信息共享使得大腦的各個部分，都能夠訪問和利用這些信息，從而實現第五步，信息整合。讓大腦能夠對自身和外部世界產生具體的感知。 5. 同時，大腦還會不斷對所感受的內容進行預測和解釋。當發現不一致時，能夠通過調整內部模型或者採取行動來減少誤差。 6. 而這個校對過程就是整個意識流程的第六步，也是最後一步。這一系列複雜而精細的過程，共同形成了我們豐富的意識體驗，也是當下腦科學界的共識。只不過，學者們爭論的焦點在於，到底在哪一個環節中真正誕生了人類的意識，於是就產生了論文中的六大理論。
六大意識理論
全局神經工作空間理論（GNWT）
論文中介紹的第一個理論，是全局神經工作空間理論(Global Neuronal Workspace Theory)，簡稱GNWT。這個理論是美國心理學家伯納德·J·巴爾斯（Bernard J Baars）、神經科學家斯坦尼斯拉斯·德阿納（Stanislas Dehaene）與讓-皮埃爾·尚熱（Jean-Pierre Changeux）一起提出的意識模型。
這個理論主要關注在六大步驟的第四步，也就是信息從前饋網絡進入循環網絡的步驟。這個理論很符合直覺，那就是既然前饋網絡是無意識的，而後續的信息處理是可以被反饋到意識上的，那麼意識自然是在從前饋網絡進入循環網絡的過程中產生的。人的注意力會決定哪些信息進入全局工作空間，只有被注意到的信息才會被廣播，從而進入意識。
舉個例子，假設你在開車。這個過程中其實許多信息處理都是無意識的，你的視覺系統可能會無意識地處理一些東西，比如旁邊的廣告牌、建築物、車輛的位置和速度信息。但是這些信息並不會進入你的全局工作空間。
但是當你看到紅燈的時候，這個視覺信息首先會被視網膜所捕捉，並通過視神經傳遞到大腦的視覺皮層進行初步處理。由於交通信號燈是你當前任務中的關鍵信息，所以注意力會將這個信息選入到全局工作空間，然後將它“全局廣播”給大腦的各個相關區域，包括與決策和運動控制相關的大腦區域，從而讓你能夠意識到紅燈，並且作出相應的反應，比如說踩剎車。
這個理論看起來很完美，但是依然有科學家找到了問題。如果人的意識是在前饋網絡進入循環網絡的步驟中產生、然後全腦廣播的話，那麼要如何解釋意識的多元化呢？要知道，我們意識可不只是單純的視覺或者聽覺，而是多種感官信息集合在一起的。人們甚至擁有通感的能力，也就是把不同感官的感覺連通起來，再藉助聯想引起感覺的轉移。在通感中，顏色似乎會有溫度，味道似乎會有形象，冷暖似乎會有重量。比如“溫暖的紅色”和“清冷的藍色”， 就讓視覺和觸覺相通。如果意識誕生於六大步驟的第四步，我們又是如何整合不同感官的信息，從而理解通感的呢？
整合信息理論（IIT）
因此有學者就提出，意識不應該產生自第四步，而是第五步，整合信息的步驟。這個理論稱為整合信息理論（Integrated Information Theory)，簡稱IIT。它的雛形最初來自朱利奧·托諾尼（Giulio Tononi）於2004年發表的一篇題為《意識的信息整合理論》的文章。此後，他明確地以“整合信息理論（IIT）”為名，發表了一系列長文和著作，如今已經發展到了IIT3.0。
這個理論的支持者認為，意識體驗的豐富性和統一性，源於大腦中信息高度整合的方式。高水平的意識指的是複雜且豐富的意識體驗，包括清晰的自我認識和信息整合。比如人類在清醒狀態下的複雜思考和情感。而低水平的意識則是簡單而且有限的意識狀態，主要涉及到基本的感知和反應，缺乏自我和整體認識。比如昆蟲的基本感知，或者人類在淺睡狀態下的意識。
一個系統只有在它的組成部分之間，存在著豐富的因果關係網絡，並且這些關係網絡無法被簡單分割的時候，才會產生高水平的意識。由於簡單系統的因果關係較少，而且整體可以被簡單分解為幾個部分，所以信息整合能力較低，意識水平也較低。
舉個例子，你一邊在公園散步，一邊感受著周圍的環境，正好眼前有一個蝴蝶飛過。視覺、聽覺、嗅覺等感官信息，被你的大腦高度整合。你意識到公園的環境是宜人的、安全的，周圍的遊人是友善的，你的身體是健康沒有病痛的，你很快要去和喜歡的人共進晚餐，你的心情是愉悅的。你的意識體驗豐富而且統一，這就代表了高水平的意識。
相比之下，蝴蝶只能感知到花的顏色和氣味，做出覓食的反應，同時缺少複雜的情感和自我認識。這是因為蝴蝶的大腦結構和神經網絡相對簡單，信息整合能力較低，因此它的意識水平也較低。
樹突整合理論（DIT）
上面我們說的這兩個理論，把自身的關注點都放在了前饋網絡之後，將意識和無意識鮮明地區分開來。而有些學者則認為，意識誕生於前饋網絡的階段，也就是六大步驟的第一、二和第三步。樹突整合理論（Dendritic Integration Theory）就認為，在神經元產生電信號的那一瞬间，人的意識就被點亮了。這個理論簡稱DIT，也是許多科學家通過長期研究共同發展的結果。
理論認為，神經元的樹突不是被動地傳遞信號，而是積極地參與對輸入信號的處理和整合。在對大腦的長期研究中，學者們發現，樹突並不是像大家想象的那樣，只是傳輸電流的一個信號終端。它其實具有複雜的計算能力，能夠執行非線性運算，以及調節輸入信號的強度和時間特性。不同類型的樹突信號處理方式，提供了豐富的整合機制，使得神經元能夠生成複雜的反應模式。
換句話說，你接受到的聽覺和視覺信息，在走出前饋網絡之前，就已經在神經元的階段整合完成了。假如你正在聽音樂，聲音信號通過耳朵進入大腦，大腦中的聽覺神經元就會開始工作。作為神經元的一部分，樹突不僅能夠接收從其他神經元傳來的信號，還能對這些信號進行複雜的處理。同時在兩個層面上整合信息。
在局部層面，單個樹突分支會處理來自於某個特定樂器的聲音信號。比方說，一個樹突分支可能專門處理鋼琴的聲音信號，而另一個分支則處理吉他的聲音信號。在全局層面，整個神經元會將所有這些局部處理過的信號，整合成一個整體輸出。這樣，你的大腦就能夠將來自不同樂器的聲音組合在一起，從而在意識中形成一個完整的音樂體驗。
但是這個理論也有缺陷，那就是意識不只是由當下的體驗組成的，它還包括了我們對過去的回憶。至少眼下，我們還沒有找到記憶是由單個神經元儲存的明確證據。
神經表徵主義（NREP）
因此，部分學者將目光投向了神經表徵。這個神經結構可以隨著人類的學習過程在大腦中發生變化，而學習的本質其實就是利用記憶中的信息。於是，神經表徵主義（Neurorepresentationalism）NREP被學者們提出來了。這個概念並不是由某一個人單獨提出來的，而是在20世紀下半葉，隨著認知科學和神經科學的發展而逐漸形成的。
這個理論主要關注信息在神經層面的表徵形成，也就是六大步驟的第二步，並且認為這些神經表徵，是我們感知和認識世界的基礎。
舉個例子，你正在看一張你曾經養過的貓的照片。光線通過眼睛進入到視網膜，轉換成電信號傳遞到大腦的視覺皮層。在視覺皮層，不同的神經元對貓的形狀、顏色、神態進行編碼，形成了神經表徵。你的大腦識別出照片中是一隻貓，這又觸發了你對這隻貓過去某個時間、某個事件的回憶。這個事件的相關信息在你的大腦中被重新的激活，於是形成了對這個事件的神經表徵，讓你能夠回憶起這個事件的細節，並且讓你產生懷念的感覺。
如此一來，神經表徵主義很好地將記憶這個特徵，納入到了對意識的解釋中。
循環處理理論（RPT）
以上四個理論，大飛覺得還算是比較直觀的。在他們的理論中，意識的產生是線性的，就像是一條清澈的溪流，緩緩地從意識的源頭流出，因此也比較符合大眾的直覺。但是接下來的兩個理論可能就會稍微難理解一些。
首先是循環處理理論（Recurrent Processing Theory），RPT。這個理論認為，意識產生的過程不是一條溪流，而是一台滾筒洗衣機。信號在這台滾筒洗衣機裡轉了一圈又一圈，才最終產生了意識。
這個理論主要由荷蘭神經科學家維克多·拉姆（Victor A F Lamme）在20世紀末和21世紀初提出來的。他認為意識體驗的關鍵，在於大腦中信息的反覆處理。這裡就涉及到了大腦皮層內不同區域之間的反覆信息交流和反饋循環。換句話說，信號在前饋和後續的循環網絡中來回倒騰，才折騰出了所謂的意識體驗。
論文作者拿視覺舉例，人類觀察和注意到某個事物，其實都會有一個時間段，哪怕只是1秒鐘或者更短。在這個時間段內，觀察過程是持續的。視覺神經會不斷地將信息傳遞到初級視覺皮層，然後由高級視覺區域不斷對信息進行識別和處理。處理之後會要求繼續觀察，從而獲得目標的變化情況或者更多的細節。也就是說，信息在這個過程中，實際上會像個皮球一樣，被初級視覺和高級視覺來回地踢。
又比方說，你在看一場電影。電影中出現了車輛追逐的場景。視覺信息首先會通過眼睛被傳遞到初級視覺皮層，通過基本的識別處理，識別到了快速的運動。然後，為了抓住這個信息的含義，車輛追逐的視覺信息開始在你的大腦各個區域之間，反覆交流和反饋處理。讓你逐漸搞明白了是哪個車在追哪個車，環境有多么的複雜，場面有多么的危險。這時候，你才能夠清晰地感知到車輛追逐場景的動態和細節，並且進一步產生相應的情感反應，比如說緊張或者興奮。
預測處理理論（PP）
如果這裡大家覺得比較難理解，那麼可以稍微休息一下，放鬆一下大腦。因為下一個理論會更加的抽象。
支持這種理論的學者認為，意識的關鍵產生在六大步驟的最後一步，也就是校對的步驟。有人會問了，校對這步不是用來修正意識輸出的嗎？怎麼會反客為主變成產生意識了呢？
這就是預測處理理論（predicitive processing），簡稱PP，是多位神經科學研究者在20世紀末和21世紀初通過共同努力發展起來的。這個理論主要關注大腦是如何通過生成和調整預測，來處理信息的。可以用來解釋神經表徵的動態變化和調整過程。
理論認為，大腦作為生物體器官的主要目的，首先是活下來，然後是生孩子。因此，大腦的主要功能應該要服務於這兩點。首先，要能夠生成對環境的預測，實現捕食、繁殖和逃離天敵，其次，要能夠修正自己的預測，減少感知誤差，從而更好地捕食，繁殖和逃離天敵。所以校對功能比我們想象的更加重要。
我們可以把人的感知過程，看作是大腦不斷調整預測來匹配感官輸入的過程。而行動則是為了改變外部環境，從而減少預測的誤差。
舉個例子，假設你正在做飯。在炒菜的過程中，大腦的感知系統，比如視覺、嗅覺，會首先處理基本的感官信息，比方說看到鍋裡的油開始冒煙、或者說聞到了食材的香味。然後，大腦的不同層次就會開始生成預測。但是實際情況可能與大腦預測的不符，比如油溫過高或者菜燒糊了等等。在這個過程中，低層次的感知系統會產生誤差信號，高層次的感知系統會利用這些信號來調整烹飪策略，比如調低火力或者翻炒食材。一來一回，人就形成了所謂的選擇行為、好惡分明，以至於對特定刺激的情緒，主觀意識由此誕生。
意識研究的未來
好了，以上就是六大意識理論的基本概括了。類似的心智能問題，其實已經被哲學家、科學家們討論了幾個世紀，但是仍然是科學中最深刻的未解之謎之一。
過去幾十年間，我們見證了理論和實證意識研究的激增，各種神經科學的意識理論紛紛被提出，並且受到熱議。除了我們這裡介紹的六大意識理論之外，還有像神經振盪理論（Neural Oscillation Theory）NOT、高階理論（higher-order theories）HOT、注意圖式理論（Attention Schema Theory）AST、自由能量原理和主動推理（FEP-AI）、整合世界模型理論（IWMT）等等。
而AI和大語言模型的出現，更是挑戰了意識這個概念的基本含義，讓這個古老的問題在21世紀又一次煥發了青春。不過，就像物理的統一場論一樣，人類的意識是否也存在著“大一統的理論”，把眾多關於意識的解釋整合到一起，從而徹底揭開困擾人類上千年的意識之謎呢？大家對這方面如何看呢？歡迎在評論區留言。
感謝大家的觀看，我們下期再見。
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