李婷婷

(苏州大学 政治与公共管理学院，江苏 苏州 215123)

意识难题不仅是神经科学研究的难题，同时也是哲学的难题。作为客观存在的物质的大脑，是如何产生主观现象性的意识，一直是哲学家和科学家不断探索的问题。美国的神经科学家朱利奥·托诺尼(Giulio Tononi)提出的整合信息理论，或许可以为解决意识难题提供一种新的思路。

一、意识是什么

关于意识的讨论由来已久，那么意识到底是什么？当我们开始追问这一问题时，意识已经被我们对象化了，或者说，已经变成了认知科学领域的一个问题。在古希腊，最早研究意识问题的是苏格拉底(Socrates)，他认为人类之所以有理性，是因为人类拥有灵魂。但要注意的一点是，苏格拉底所讲的灵魂并不完全等同于意识，只是与意识密切相关，或者说，苏格拉底的探索只是涉及了意识。苏格拉底之后，柏拉图(Plato)认为，灵魂是人类自身对于客观世界的认知能力，人类通过“意志”来做出行为选择。柏拉图所讲的灵魂，在一定前提下和现在我们所谈到的意识相近。

勒内·笛卡儿(Renē Descartes)提出“我思故我在”，当思维怀疑一切的时候，“怀疑”这件事情本身是确定的，因为存在思维，才确定了思维者的存在，因此，人的本质就是拥有思维。在这一历史时期，人们对于意识是什么的研究，主要得益于个人生活的直接经验，主要集中于人们对自身直接经验的观察和思考。近代已降，随着自然科学的出现和不断发展，尤其是在19世纪，实验心理学逐渐建立和发展起来，意识开始进入科学研究的领域。在这个意义上，可以说，从这时起，关于意识问题的研究，从过去基于自身经验的观察逐渐转为意识科学方面的研究。到了20世纪80年代后期，人工神经网络技术得到进一步发展，计算机断层显像、脑电图、核磁共振等生物测量技术的发明与改进，为意识科学的研究提供了新工具。特别是认知神经科学家们，开始利用神经科学影像技术来分析大脑的神经元、神经网络连接等是如何产生主观的意识体验的。但问题是，这些对意识的对象化研究，真的可以解决意识难题吗？

二、意识与信息

针对意识问题的对象化研究，有各种各样的理论。但是，人们认识到，对于大脑的所有科学分析，只能帮助我们认识大脑各个区域的功能，至于认知、情绪、当下的体验是如何结合成一个有意识的个体，现有的科学分析还不能给予一个完整的解释。

认知神经科学家们正是基于这样的一个前提，深入展开了对意识问题的探究。朱利奥·托诺尼和他的合作者利用脑神经科学成像技术，经过对神经疾病患者的观察和实验，提出了整合信息理论(information integration theory，简称IIT)。IIT的提出，对于解释主观性体验的意识是如何从客观的物质大脑中产生的问题，做出了不可磨灭的贡献。

IIT认为，意识的本质就是信息，大脑在短时间内通过对海量信息的高度整合产生意识。问题在于，整合信息理论可以真正解决意识难题吗？为了回答这一问题，我们有必要考察一下整合信息理论的科学模型。

三、整合信息理论的科学模型

(一)IIT的1.0版本

在IIT的1.0版本中，“托诺尼主要借用了信息论的信息熵、相对熵等概念来表示系统信息的混乱程度，或者说是信息可能存在状态的分布状态的函数”[1]。这一版本的整合信息理论是最初的对于意识的探索，因此对意识本质的界定还不是很清晰，主要尝试在“双向互动的有效信息”的基础上能否完成对意识的整体信息的量值的测量。

托诺尼通过脑神经科学成像技术研究发现，意识的产生与大脑的特定系统——丘脑系统相关，在丘脑系统内，大量的神经元和神经突触之间通过联结形成几何体，不同层面的意识经验的产生，根源于不同区域的神经元如何联结。[2]对于一个简单的光敏二极管，我们可以通过改变它的电阻来检测二极管的亮度，我们观察到的二极管亮度变化的这一个极小的体验，也是大脑经过复杂的信息筛选和整合得到的。但是大脑是大量的神经元分布排列的复杂的因果整合系统，我们不可能通过光敏二极管这种简单的装置来测量信息的量值，这就涉及了整合信息的双向互动有效信息。

要明白双向互动的有效信息，我们首先要明白大脑丘脑系统内各子系统之间的互动有效信息，我们假定丘脑部分神经元通过排列联结形成了一个子系统S，现在要做的就是测量子系统S的信息量有多少。我们可以简单地把子系统S分成A和B两个互补的部分，并评估可能是由A的信息输出所引起的B的响应，我们将A和B之间的有效信息定义为EI(A→B) =MI(AHmax→B)，并且A和B可以共享信息，MI(A;B)=H(A)+H(B)-H(AB)表示互信息，即在信息源(A)与目标(B)之间共享的熵或信息的度量。如果信息源A的输出作用到B上产生的响应较大，也就是说A和B之间的联结较强，那么EI(A→B)的值是比较高的。这里要注意的是EI(A→B)和EI(B→A)是完全相反的，如果要测量A的相应程度，就要测量EI(B→A)的值。还要注意的一点是，EI(A→B)的值以AHmax和BHmax为界，以较小者为准[3]。因此，双向互动的有效信息就可以表示为EI(A↑↓B) =EI(A→B) +EI(B→A)，EI(A↑↓B)衡量A对B以及B对A的可能因果关系的全部结果。

在这个版本中把EI(A↑↓B)当作概念模型，通过测量EI(A↑↓B)的值，我们就可以测量子系统S整合了多少信息量，EI(A↑↓B)的值越高，意识体验的层次就越高。但是在这个概念模型中EI(A↑↓B)=EI(A→B) +EI(B→A)还不是公理化的命题系统，对于子系统S中信息量Φ值的测量还没有形成完整的公式，只是句法学的初步模型，并不能完整模拟意识体验的现象，因此还没有形成语义学模型。

(二)IIT的2.0版本

IIT的2.0版本，进一步界定了意识的本质就是整体信息。这包含以下几个含义：其一，对于意识体验中的信息，只有我们进入到意识内部才有可能去理解，如果始终处于观察者的角度，我们或许永远无法获取对意识本质的理解，这也就是托诺尼所论述的“意识的内部视角”。其二，我们的每一个意识体验，都是作为整体存在的，而不是独立的、分化的、个体的，因为我们的意识体验是大脑经过信息的高度整合之后完整呈现给我们的，不可化约为独立的单一体。其三，意识的产生是由于大脑的丘脑系统内部复杂的结构以及对海量的信息收集、筛选、区分、确认、整合无限循环的过程，丘脑系统的每个子系统的神经元相互联结的几何体通过这样的过程，帮助我们排除掉那些我们不需要的信息，并且完整地呈现给我们，因此意识体验就具有了排他性和整体性。[4]关于“意识的内部视角”，托诺尼曾这样解释：“内在的视角是从系统自身的视角看，给定它的一个当下状态和一些因果机制。在任何给定时刻，任一处于某特定状态的物理系统，具有一些特定的因果机制；这些是其内在的，不依赖于观察的属性。”相对来说，信息的外部视角就指的是基于外部观察者存在的，依赖于观察的属性。

IIT的2.0版本还通过对感受质的几何刻画，来分析意识产生的不同机制。假设一个神经网络U中存在一个空间Q，这个空间内存在一个因果机制Mi，在因果机制Mi的影响下，U的所有神经元所整合的信息熵的概率分布就会有一个出现的概率Pi，在Mi这个因果机制下，每个神经状态的概率Pi在U中所对应的点M0就会出现偏离，这个偏离向量M0→Mi就揭示了两个因果机制之间的关系。[5]由此IIT的2.0版本中认为，感受质就是在神经系统中不同机制之间相互联系所对应的几何体。比较神经系统U中的不同机制，就是比较几何体，而几何体是因为神经元的相互联结形成的，反映了信息之间的关系。因此，感受质就是信息之间的关系，信息之间因为神经元的相互联结不同，信息之间的关系就不同，就会形成不同的感受质，由此人们可以大胆假设，如果两个意识体验的感受质相似，那么两个意识体验也会相似，反之，两个意识体验就会有差异。[6]这里在一定程度上回应了内格尔的蝙蝠的问题，如果我们可以通过科学技术手段知道我们在某一刻意识体验的感受质也就是神经元联结的几何体是什么形状，并且在蝙蝠中创造一个相似的几何形状，或许我们就可以知道作为一只蝙蝠的当下意识体验是什么了。

通过对感受质的几何刻画，IIT的2.0版本在整合信息理论的句法学模型向语义学模型的转化上又迈进了一步。但是，由于IIT的2.0版本依然没有形成信息整合的完整的公式定理，只是对感受质的几何过程的刻画，虽然对感受质的几何刻画过程在一定程度上可以模拟意识体验的产生过程，但是缺乏强有力的数学公式的论证，IIT的2.0版本依然没有完成句法学模型向语义学模型的转化。因此，IIT的2.0版本的句法学模型还不是很完整。

(三)IIT的3.0版本

IIT的3.0版本继续对感受质的几何刻画过程做了更精细的调整和改进。在这里，将神经系统U的Q空间称为了概念空间，给感受质相对应的几何体赋予一个新的定义：“最大不可化约的感念结构。”“最大不可化约的概念结构”的含义是，这个几何体是整体性的，是不可分割成独立部分的，只有这样，我们才能去测量一个完整的意识体验的几何体的量值。

在IIT的3.0版本中，通过复杂的演算过程，托诺尼提出了整合信息理论的核心公式。

(1)Φ(Xi，ti)=H[Xi，ti‖Xi，ti/MIP]3

(2)Φ(X)=X*‖X**

公式(1)中的Φ就是“最大不可化约的概念结构”的量值，并且是在特定的因果机制(Xi，ti)下所形成的特定状态的Φ值，等式右边的H是一个随机变量，MIP(minimum information partition)指的是最小信息分区，可以看到，Φ值的测量主要是要测量大脑中海量信息的双向互动有效信息的最小值。公式(2)中的X*和X**是多个神经元构成的复杂系统X的独立分割部分。

由上可见，整合信息理论用公式说明了意识并不是单个信息产生的，而是系统在某个特定的因果机制下产生的特定状态信息的高度整合，这个信息高度整合的程度就用量化的Φmax值来表示。每一个意识体验都是独立的整体，是不可分割、不可分化的，意识体验的产生就是整体性呈现的过程，但是不同的意识体验的信息整合程度不一样，也就是信息的多少是有区别的，所以Φmax值的大小不同，因此，Φmax值的大小，就决定了意识体验的等级高低。[7]IIT的3.0版本，完善了整合信息理论测量Φmax值的数学公式，句法学模型趋于完善，并且通过这个等式可以量化意识体验的信息量来解释意识的产生，数理结构比较清晰。这一解释，虽然不一定符合意识体验形成过程的内容，但可以模拟相似的意识体验产生的过程，形成了一套比较完善的理论体系，从而完成了整合信息理论的句法学模型向语义学模型的转化，为整合信息理论提供了有力的科学论证。

四、结语

整合信息理论在对待意识的问题上始终坚持整体性的观点，将数学公式和大脑的神经机制相结合，通过数学量化的方法试图给予意识的产生一个比较完整的解释，而句法学模型向语义学模型的转化，给整合信息理论提供了强有力的科学论证。虽然整合信息理论还没有真正解决意识难题，但却为意识难题的解决提供了新的进路。