1.2　意识科学理论

自古以来，作为精神现象的最高形式，意识一直是人类探究的自然之谜。意识问题一直困扰着无数哲学和宗教界的学者们，在思想家们的著述中有大量有关意识的论述。今天，随着当代脑科学研究的迅速发展，意识开始成为科学研究的对象，并形成了一些初步的意识科学理论，代表着意识研究的新趋势，也为机器意识研究的开展奠定了最基本的背景知识。因此适当介绍有关意识科学研究的历史、现状和趋势，介绍现有的意识科学理论，对于我们正确看待机器意识这一新事物，还是很有必要的。

1.2.1　意识科学研究

意识作为科学研究的对象，肇始于20世纪初的实验心理学。我们知道，19世纪后期到20世纪初，心理学开始从传统的哲学研究中分离出来，意识问题也成为心理学的重要研究对象。特别是美国心理学之父詹姆斯（James）、德国实验心理学奠基人冯特（Wundt）和奥地利精神分析学派创始人弗洛伊德（Freud），他们开始把意识作为自然科学的问题进行探讨，使用科学内省方法研究意识问题。科学内省方法很快成为心理学研究意识问题的主要手段，当时的心理学家和精神分析学家通过心理实验和精神病例观察得到了一些初步的研究成果。遗憾的是，随着后来以美国心理学家华生（Watson）为代表的行为主义心理学派的崛起，以及对意识本身无法进行行为定量研究，意识问题遭到冷遇。

到了20世纪60年代，随着认知科学的兴起，由于认识到在外在刺激和行为反应之间，意识状态作为中介存在的重要性，意识问题开始受到认知心理学的关注。但由于技术和方法上的局限，它依然没有从根本上得到应有的重视。比如英国认知心理学家萨瑟兰（Stuart Sutherland）就认为：“意识是一种难以捉摸的现象，不可能说明它是什么，能做什么，从哪里来。在它上面没有写着任何能值得读出来的东西。”（Sutherland，1989）

到了20世纪90年代，意识问题被国际学术界列为自然科学多学科研究的重要领域之一，并日益受到自然科学家的重视（Hameroff，1996a）。因为发现生物DNA双螺旋结构而获得诺贝尔生理学或医学奖的英国科学家克里克，是意识科学研究的重要推动者。克里克强调现在是使用自然科学的方法进行意识研究的时候了，并从理论上提出了一些设想，以及如何设计一些实验，特别是视觉实验，来探索意识问题。克里克等人积极倡导意识的自然科学研究，他指出：过去生命科学的发展破除了对生命的“活力论”解释，现在脑科学的发展正在揭开关于意识的神秘面纱；类似于其他领域的科学问题，意识问题完全可以用科学实验的方法进行研究，并且最终将得到正确的答案（Crick，1990，1994，1995，2003）。

当代脑科学研究则表明，并非所有的神经活动都与意识有关，在大脑神经活动中存在着大量意识不到的“心理”活动。这种活动与有意识的心理活动不同，人们不仅不能感知到其所处的环境，而且对刺激也不敏感，甚至身体（神经系统）的某些部分有反应而主观却没有任何感觉。现已查明具有无意识的“心理”活动包括阈下加工（启动效应）、掩蔽效应、长时记忆、自动过程、遗忘过程、自发注意、习惯适应、程序记忆（技能获得）、语义记忆、内隐学习、记忆中的想象、习惯推理、熟睡状态和熟悉感等（Robert，1997）。当然，无意识的“心理”活动并非与有意识的心理活动毫无关联，事实恰恰相反，它们之间的关系是密不可分的。

这样一来，从有无意识的观点看，人类的心智活动就可以分为有意识活动、无意识活动和意识活动本身三个部分。有无意识的心理活动是指是否可以用语言报告出来的心理内容，或在行为水平上是否受到意愿支配的动作或活动。不过实际情况要远比这复杂，因为目前我们尚不能确定意识活动本身的归属和性质。再者，简单将心智活动以有无意识做二分法恐怕也过于粗略，实际上有可能存在一种意识程度问题。甚至，这样划分的三个部分可能也会有交错重叠。

从科学上讲，目前意识还是一个含糊不清的概念，不同的领域往往喻指不同，并且在意识（consciousness）、觉知（awareness）、注意（attention）和意图（intention）之间常有相互交叉使用的现象。科学界一般认为意识包括：1）有意识觉知，如感知觉知、概括性觉知、元认知觉知和有意识回忆；2）较高级功能，如注意、推理和自我控制；3）意识状态，即意识和无意识。与意识相关的一些科学概念有激活（activation）、唤醒（arousal）、警觉（alertness）和注意（attention）；而从低到高与不同程度意识相关的概念描述有死亡、昏厥、睡眠、松弛的假寐状态、非训练朝向反射、训练朝向反射、非定位普通觉醒、定位特定觉醒、分散性普通注意、集中性选择注意、简单认知功能、复杂认知功能。虽然对这些描述意识程度的概念，我们心里都明白指的是什么，却都无法确切给出哪怕十分粗浅的定量刻画。

看来，意识问题远比我们一开始想象的要复杂得多，意识科学研究的道路才刚刚开始。为了弄清复杂的意识现象，需要对意识的内部结构、意识的神经基础、意识的动态过程和意识的涌现机制等问题进行全面系统的研究。为此，我们这里先从意识状态、意识体验和意识变更三个方面对意识现象进行简单的梳理。

意识状态是由生理与心理状况决定的一种可区分不同清醒程度的意识表现。例如，可以考察在不同的生理状态下的意识表现，考察疾病或外伤引起的意识障碍以至意识丧失等现象。人们可以处于各种不同的意识状态，包括正常的清醒状态、瞌睡状态、睡眠状态等，以及不正常的麻醉状态、昏迷状态、植物人状态等。

不同意识状态的觉醒和觉知程度是不同的：1）正常人清醒时有完好的觉醒和觉知，个体睡眠-觉醒周期以及对内外环境刺激的反应性都是完好的；2）正常人睡眠时觉醒缺失而有微弱觉知，即个体是不清醒的，但对内外环境刺激会有微弱的反应；3）在昏迷与麻醉状态时既无觉醒又无觉知，即个体既没有睡眠-觉醒周期，又没有对内外环境刺激的反应性；4）有意识障碍的最小意识状态则有觉醒并且有极低的觉知，即个体有睡眠-觉醒周期，对内外环境刺激有极低的反应性，有相应的行为表现；5）有严重意识障碍的植物人有觉醒而无觉知，即个体有睡眠-觉醒周期，但是没有对内外环境刺激的反应性。

在各种不同的意识状态下，人的觉醒程度不同，或者说意识水平不同，表现为对内外环境觉知的敏感程度不同。为此，往往要进行意识清醒程度的客观定量测定，并因此而产生了各种意识程度刻画方法。通常，可以将意识清醒程度分为清醒、嗜睡、朦胧、浅昏迷、深昏迷、濒死状态等几个阶段。客观定量刻画意识程度主要通过引入脑电的双谱指数BIS、听觉诱发电位指数AEPi、脑电中位指数MF和95%频谱边缘频率SEF95以及脑电的近似熵ApEn等来确定。这些指数和指标不仅为意识的清醒状态提供了客观定量的依据，而且为研究意识的神经机制提供了重要线索。

汪云九等人考虑到意识清醒时脑电活动处于适当程度，而处于昏迷、休克等状态时脑电活动是低下状态，当狂躁、癫痫时脑内神经系统处于大规模全局同步亢奋却无意识的状态，于是设想把脑内活动程度作为横坐标，通过正态变换到意识状态，这样脑电活动的适当程度可以达到意识清醒的较大值，而脑电活动的低下或亢奋，经正态变换后只能得到意识状态的低位（无意识状态）。这个计算方法原则上可以解释意识的不同状态与脑电活动的关系（汪云九，2001）。

意识体验通常是指主观上的感受状态。例如一个人看红色的物体；会有红的主观体验；一个人受到针刺，会有疼痛的主观体验。人有许多不同种类的主观体验，包括认知方面的主观体验、情感方面的主观体验、意向方面的主观体验等。自然，对于不同强度的刺激，也会有不同强度的主观体验。

意识体验的涌现是有条件的，一般在其他脑区的共同作用下，当大脑皮层某个激活脑区的激活水平达到意识临界条件时就会涌现意识体验。至于意识体验的内容则由大脑皮层特异性脑区的激活来表达。脑功能成像的许多实验表明，某种确定的认知功能定位于大脑皮层特定的区域，不同种类的认知功能分别定位于大脑皮层的不同区域（金剑秋，2000）。比如，有视觉实验表明，额叶-顶叶-前扣带回皮层网络是否激活，决定了视觉刺激是否被意识体验到（Sergent，2005）。

给定脑区的激活水平除了取决于相应刺激的强度外，还受到注意的控制（Corbetta，1993，1995）。在通常情况下，大脑皮层许多脑区的激活水平较低，这些脑区的信息加工不会进入意识。只有那些激活水平高而且达到意识阈值的相应信息加工才能进入意识。注意的作用是使与注意内容相关的一定脑区激活水平得到提高，从而使其信息加工进入意识状态，产生意识体验；同时使不被注意的其他项目相关脑区激活受到抑制，不能进入意识状态，就产生不了意识体验。

除了我们熟知的常规意识状态外，有时还会遇到意识的变更状态。对于这种非常规的意识状态，美国著名心理学家詹姆斯将其归入“意识的其他形式”，现在通常称之为“意识变更状态”（Altered State of Consciousness，简记为ASC）。ASC是一种比较难以界定的概念，但我们似乎都非常清楚意识状态发生的种种变更。比如喝醉酒的醉态并因此发生如此不同于常态的感受与行为，再如自己处于催眠状态而记不住自己的所作所为，进入梦乡甚至发生梦游，等等。所有这些场合，显然我们的意识有着明显的改变，但我们却难以说清到底改变了什么。

英国超验心理学家吉尼斯认为：“意识变更状态的特点有思维改变、受扰乱的时间体验、对自我和现实失去控制的情感、情绪表达的改变、知觉的歪曲、身体意象的改变，偶尔还伴有一种人格解体的情感（‘我不是我自己’），要不然就伴有一种意识的无限膨胀和与宇宙的神秘结合的感觉。”（吉尼斯，1988）⁴³¹可见，意识变更与精神分裂、脱体经验、大脑分裂、多重人格等相互牵连。

目前，科学家将意识变更状态大致分为三类。第一类是由药物引起的意识变更状态，药物主要包括镇静药物、麻醉药物、抗忧郁剂、抗精神病药物、催眠药物、致幻药物等。第二类是由睡眠或催眠引起的意识变更状态，如各种奇异的梦境体验、催眠引起的虚幻经历等。第三类属于非常罕见的人类体验，如脱体体验、濒死体验，以及一些奇妙体验，如最美妙深刻的情感体验、静虑顿悟的至乐体验等。意识变更状态的存在充分说明意识现象的复杂性。显然，有关意识变更现象的科学研究才刚刚开始，其中有许多未解的谜团等待科学家们去探索解决。

通过上面的讨论我们会有一种认识，那就是意识是一种伴随性心智活动，是有意识心智活动整体效应的回响反应。那么我们进一步要问，这种伴随性心智活动的意识又是如何产生的呢？我们知道，所有心智活动都是源于大脑这个物质基础，不管处于什么样的意识状态，从脑科学角度来看，都不过是脑活动的结果。这些脑活动就是所谓脑内信息加工，涉及的基础包括物质输送、能量代谢、信息传递等过程，或者是更加微观的神经电活动和化学反应所产生的电信号和化学信号的某种分布的结果。那么问题是，脑内的这些物理、化学、生物过程为什么会引起意识体验？或者脑内这些客观事件是怎样引起主观的意识体验的？这正是意识科学需要解决的难题。

正如美国认知神经科学家加扎尼加在《认知神经科学》中指出的：“在认知神经科学中，意识是一个有着特别挑战意义的课题。这种挑战性的最初表现就是研究者对意识的合理定义有着不同的看法。当今的现状就是，我们用到意识这一概念时，都有自己的主观理解，但是找到一个令人满意的、规范的定义却很难。”（加扎尼加，1997）⁷³⁷

确实，目前科学尚没有建立解释意识产生机制的权威理论。如何运用非线性复杂理论来探索意识的自涌现以及意识的度量也是目前意识科学研究的重要方面。由于意识是自然界中最复杂的现象之一，因此适当用复杂性度量来刻画意识有助于揭示意识现象和规律，这里关键是对所刻画意识的界定。

要想从科学的角度彻底揭示意识的本质也一定是一个漫长的逼近过程。我们期盼，随着科学技术的不断进步，最终我们能够找到意识问题的明确答案，而不管这个答案本身如何！但有一点是很明显的，就是对这一问题的探讨不但有助于澄清意识与存在的关系问题，而且同样有助于澄清机器能否拥有意识的问题。

1.2.2　意识神经基础

从自然科学的角度研究意识问题，第一个重要的问题就是有关意识活动的神经基础问题，或者说有没有产生意识的有关神经中枢，如果有，那么这些神经基础又在哪里，或是如何分布的。目前对意识活动的脑定位、脑机理以及如何在心智活动中起作用等问题还有很多空白值得探索研究。

从脑部手术后病人的行为观察，或者根据外伤病人的功能异常，可发现脑中的某些部位与意识活动有一定关系。特别是脑中网状结构在神经系统的功能发挥上起着至关重要的作用，所有的感觉都有分支通向这里，其具有“唤醒”大脑皮层的重要功能（张俊俊，2006）。因此，有人认为网状结构对意识活动肯定起了重要作用。另外，已有的科学研究证据也普遍证实意识活动还与语言机制、注意机制和短时记忆等有着明确的联系。

克里克在《惊人的假说》一书中指出：“再重复一下，意识主要依赖于丘脑与皮层的连接。仅仅当某些皮层区域具有回响回路（包括皮层第4、6层）并具有足以产生明显的回响的强投射时，意识才可能存在。”（克里克，1998）²⁵⁹如果这一判断是正确的，那么意识可能就是在感知和认知等有意识神经活动的同时，引发了相对应的回响回路神经活动的结果。也就是说，意识是对感知和认知活动的即时记忆式回响效应。因此，只要这种回响效应的规模达到一定程度，我们就会形成意识。

克里克还根据有关病人的行为心理表现以及脑生理和解剖结构，认为意识活动主要与大脑前扣带回有关，因为这一区域不但接收许多来自高级感觉区的输入，而且靠近运动系统的高级皮层。实际上，从大脑解剖可以知道扣带回与额叶较近，而额叶在计划和决策方面起主要作用，据此将意识活动的神经基础定位与扣带回相关联还是比较合理的。但必须强调，意识活动十分复杂，不可能仅仅定位在一个部位，也不应该仅仅看作简单的神经物质单一决定的现象。

现有的神经生理学研究认为，在大脑皮层存在一个意识活性三角区，即由感觉皮层（包括枕叶、顶叶和颞叶）、额叶的前运动区和包括前扣带回在内的丘脑层间核三个部位构成的三角区域。而意识流就是这些相关神经集群激活模式序列的轮流选择，其激活频率则与γ频带（30～70Hz）有关。这样不仅把意识与特定的神经基础联系起来了，而且也把意识与其产生的神经激活方式联系起来了。

埃德尔曼也认为，并非整个大脑的所有各区都参与意识活动，对意识活动起主要作用的系统是丘脑-皮层系统。神经生理学告诉我们，丘脑的上行纤维对大脑的活动起唤醒作用。这里的丘脑特指丘脑层间核、网状核和前脑的底部，统称为“网状激活系统”，这一部位的神经元弥散性地投射到丘脑和大脑皮层，其功能就是激发丘脑-皮层系统，使整个皮层处于兴奋状态。

克里克在研究“自由意志”（free will）的脑定位时，给出了三个基本假设。第一假设是人脑的某一部位与制定进一步行动计划有关，但不一定在这个部位执行该计划，人可以意识到这个计划，至少可以直接回忆起来。第二个假设是人不能意识到这一部分脑区所执行的“计算”过程，而只知道所做出最终决定的计划。第三个假设是执行这个计划或那个计划的决定受到同样部位和特性的限制。

有些特殊的异手症患者，他们在脑部受伤后不能对自己的行为负责。例如，患者想放下手中的物品，却无法控制手的行为。患者的整个行为非常被动，生活没有目的，神情淡漠，对外部世界没有兴趣，自己的内心精神世界也没有波澜起伏。分析这些患者的损伤区是在“前扣带回”（Brodmann 24区附近）。因此，克里克认为前扣带回是人类自由意志的发源地。前扣带回在人脑中的位置确实很特殊，位于前上顶部的内表面上，既与感觉系统的高级中枢相靠近，与运动皮层的高级部分相邻，又与额叶相距不远，因此是“自由意志”（意图、行为和感知的综合体）的理想所在。

在意识神经基础问题的研究中，有关“意识的神经相关物”（NCC，Neural Correlate of Consciousness）的讨论（Crick，1990；Block，1995），不仅是为了研究意识的物质基础，更是为了了解意识产生的方式和过程。这里所谓意识的神经相关物（NCC）就是指一个直接相关于意识状态的神经系统。或者更详细地讲，NCC是这样一个最小的神经系统，这个系统中的状态可映射到意识的状态（Chalmers，1995）。作为意识科学研究的最新研究方向，意识的神经相关物的探索在理论和电生理实验上均有所突破，这些突破也为从注意系统打开意识科学研究的突破口开辟了道路。

目前，有关NCC的研究主要围绕着意识内部表象、特征捆绑问题、注意问题以及神经时空编码问题等意识的部位和本性展开。特别是，在猫的视觉系统中发现40Hz的同步振荡以后，许多科学家在不同情况下也都观察到此类现象，并认为在事物的感觉活动中对不同特征敏感的神经元，可能正是通过40Hz的同步振荡实现整合，从而形成一个完整的物体概念。甚至克里克和科赫从理论上推测40Hz同步振荡可能与意识和注意的神经基础有关（Crick，1995，1996）。而在此之后，科赫与克里克发现，枕叶高阶感觉区和前额叶计划决策区之间的长程连接与意识有着密不可分的联系。在克里克有关神经相关物研究的带动下，经过后继者的不断深入研究，起码在视觉和听觉意识的研究方面，有关神经相关物的确定取得了很大进展（Metzinger，2000；Koch，2016；Odegaard，2017）。

但是，想要完成找到意识神经相关物的任务是艰难的，因为神经活动并不都与意识相关，甚至大部分的神经活动都是无意识的，如无梦睡眠状态也有着丰富的神经活动。而且，在清醒状态下的神经活动也并不完全产生意识，阈下知觉实验表明，对于短于200毫秒的间隔插入图片，被试虽没有看到这些图片，却对其产生了下意识的反应。除此之外，神经活动的过量激活反而会导致癫痫，从而让人丧失意识。由此可见，神经活动表现与言语行为表现一样，也只能作为判定意识的必要条件，而无法成为判定意识的充分条件。我们还需要在物理机制表现和言语行为表现之外来寻找意识的充分条件。

也许压根儿就不存在所谓意识的中心。正如英国科学家格林菲尔德所说：“因此任何意识理论都不能依赖特殊的大脑区域或特殊的细胞。没有意识‘中心’，否则这将意味着在大脑内我们还有一个完整的小型大脑。同样，当抑制、无意识状态触发时也没有单一的区域。另一方面，我们知道意识不是零碎地属于单个神经元，因为某些神经元在麻醉或睡眠时继续工作。”因此，格林菲尔德给出了有关产生意识的可能因素，包括：肽类物质的作用、神经元组合的大小、感觉刺激的程度、胺类的效应、竞争联络组合的形成等（格林菲尔德，2004）。

在意识神经科学研究中，最为关键的是要解决意识的统一性问题。对于如何解释意识统一性现象，学术界存在众多观点和遗留的问题，包括人脑是如何通过神经活动产生统一性意识的（比如绑定问题）、意识统一性是如何关涉其他形式的心理统一性的、从普遍的失常心理统一性与特殊的意识统一性中能够学到什么、在纯粹现象水平上应该如何理解意识统一性、现象统一性基础的意识特征与结构是什么。另外也涉及一些开放性的论题，比如连续主观性论题、协同示例性论题、高阶思维统一性论题、高阶感觉统一性论题、空间统一性论题、协同意识论题、归属统一性论题等。

为了考察意识统一性问题，我们来分析著名的裂脑人研究实验。认知神经科学家加扎尼加（Gazzaniga）等人做过有关裂脑人的实验研究。实验表明，被切开后的每个大脑半球都能独立感受到视觉刺激，但只有左半球大脑能够提供口头报告（Gazzaniga，1962）。

他们的后续研究显示，躯体感知系统、运动系统以及许多其他感知和认知系统都可以被类似地进行分割，而除此之外的系统，如情绪，则保持不变（Gazzaniga，2014）。单一大脑能容纳独立意识主体的程度仍在激烈争论中（Gazzaniga，2014；Sasai，2016；Pinto，2017），可能是因为这一观念挑战了我们最深的认知信念之一：意识必然是统一的。

意识的统一性在其他研究中也受到了微妙的挑战，如内侧颞叶的精神外科损伤治疗，这是为了减轻顽固性癫痫的一种方法。其中最著名的例子就是对病人莫力亚森（Henry Moliason）的治疗。1953年，在包括中间颞叶在内的双侧海马都被切除后，莫力亚森的癫痫被治愈了，却留下了严重的顺行性遗忘以及逆行性遗忘症（Scoville，1957）。在一系列的研究中，神经心理学家寇金（Suzanne Corkin）和米尔内（Brenda Milner）发现，尽管莫力亚森生活在所谓的“永久的当下状态”，他却仍可以学习新的运动技能，拥有完整的工作记忆和语义记忆，并且通常能够获得一系列内隐的（无意识）记忆（Corkin，2013）。他受到影响的只是获得新的外显的、有意识的记忆能力。这些发现不仅描绘了有意识和无意识记忆的新地图，还展示了我们表面的自我意识是怎样统一的、其中起关键作用的情景记忆（episodic memory）是如何分裂的，以及为什么一部分持续存在，另一些部分却丢失了。

已有大量的例证可以说明这种整体自明性不受神经系统毁损的影响。比如裂脑人尽管两半球功能分离，但病人依然具有统一主观体验意识，这预示着主观精神活动是相对独立于神经组织结构的。因此可以推断，自明性的意识体验必然具有相对独立于神经系统的心理状态，与任何具体的神经活动内容无关，这预示了纯粹意识状态的存在。

事实上，那些意识与行为严重扭曲或不可回避的缺陷，特别是自我意识或自我认同方面的缺陷，如多重人格、人格错位、精神分裂、剥夺自我、思想插入（思想活动与主观体验分离）等精神障碍现象说明，纯粹意识状态确实是一种相对独立的心理状态，正常与异常的精神现象不过都是意识内容与纯粹意识状态之间联合的不同表现而已。

人体的感觉功能在大脑皮层上有精确的定位，躯体各个部分的感受器分别投射到大脑皮层感觉区的特定区域；与此类似，人体的运动功能在大脑皮层上也有精确的定位，大脑皮层与运动有关的特定区域分别控制躯体各个部分的运动：这些都说明大脑皮层脑区具有相对独立的处理信息的感觉运动能力。但是，意识活动则关系到众多脑区的相互关联作用。大脑皮层的不同脑区是不同意识体验内容的代表区，而这些功能专一性的脑区并不是孤立的，它们之间的相互联结构成了脑内复杂的网络。脑内网络激活的动态模式相当于意识体验内容的变动，是多个脑区的协调整合活动导致的全局性的意识体验。

迄今为止，尽管有关意识科学的神经基础研究工作依然无法解释我们意识活动过程的核心机制，但我们期待，各种新理论、新实验、新模型的不断涌现将有助于更好地开展意识科学纯粹基础性研究，为我们提供包括从神经机制到意识哲学的全景解释。不管所谓的意识困难问题是否会影响到这些研究的发展，我们依然对未来的意识研究充满无限向往。

1.2.3　意识认知理论

除了意识神经基础及相关物的寻找外，在意识现象的解释理论方面，科学家也开展了一些探索性的研究工作，从认知层面、神经层面甚至物理层面等提出了诸多解释意识的科学理论。目前，影响比较大的意识科学理论主要有全局工作空间理论（Global Workspace Theory，GWT）（Baars，1988）、多重选拔理论（Multiple Drafts Theory，MDT）（Dennett，1991）、高阶表征理论（Higher-Order Representation theory，HOR）（Rosenthal，1993）、信息整合理论（Information Integration Theory，IIT）（Tononi，2004）、动态核心假说（Dynamic Core Hypothesis，DCH）（Edelman，2008）、注意图式理论（Attention Schema Theory，AST）（Graziano，2013）、预测加工理论（Predictive Processing Theory，PPT）（Clark，2013）、量子意识（Quantum Consciousness，QC）（Hameroff，2014b，2014a）、感觉运动理论（Sensorimotor Theory，SMT）（O'regan，2016）等。我们这里主要从具体对意识进行认知计算实现的角度，介绍其中最具影响力的全局工作空间理论、高阶表征理论和信息整合理论。

1. 全局工作空间理论

首先我们介绍全局工作空间理论。该理论是由美国加利福尼亚大学圣地亚哥分校神经科学研究所的巴尔斯研究员于1988年提出的意识解释理论（Baars，1988）。巴尔斯认为，任意时刻存储在全局工作空间之内加工的信息都是意识的内容，并且作为中央信息交换的工作空间，其与许多无意识的接收处理器相关联。后来，巴尔斯不断发展这一理论，于1997年进一步提出了意识剧院模型（Baars，1997a，1997b），对全局工作空间做了更加全面的阐释。意识剧院模型是关于意识的一个比喻，其源头可以追溯到经典的柏拉图洞穴隐喻。巴尔斯认为，所有统一的认知理论都是剧院模型理论。

在剧院模型中，巴尔斯想方设法把一些重要的意识特征融入剧院影像中。首先就是在同一时间意识只能关注一个注意对象，其他认知内容都不能进入意识。其次，整合了“冰山一角”假说，认为我们意识到的内容远少于我们所知道的。最后，剧院模型预示着在剧院后台有一些潜在事件发生，控制着舞台的一切。

在巴尔斯提出的全局工作空间理论中，整个理论架构是由三个部分构成的，即背景（context）、全局工作空间（global workspace）和专门处理器（specialized processor）。全局工作空间是核心，作为中枢信息交换的中心；而在各自专长领域有效进行信息处理的众多无意识的专门处理器，都与全局工作空间建立联系，并通过相互之间的协作与竞争来占据全局工作空间，从而可以一时成为意识的内容。

在全局工作空间理论模型中，所谓背景主要模仿的是人类无意识心理活动，看作一种可以引起意识体验的无意识心像网络。比如像知觉表象背景、思维概念背景、内在动机背景，甚至文化观念背景等都是不同的局域背景。由于所有这些背景都是潜在地相互影响、相互作用和相互转化，所以可以看作神经系统已经建立好联系的一张无意识的网络，随时可以潜在指导或注意控制激发或抑制有意识的心理活动。

专门处理器是指各种专门的信息加工过程，包括视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉、平衡觉等各种感官获取外部环境信息的外部感知处理器，也包括视觉想象、内部语言、想象感受和梦幻等各种内部感觉信息处理的内部感知处理器，以及如思想抽象、心像内容、想象思维、语言思维、直觉思维等思维内容的信息处理器。

如果说专门处理器是意识加工信息的来源，背景是提供了意识信息加工的温床，那么全局工作空间就是意识内容产生的场所。因此，全局工作空间就是一个意识加工形成的中心舞台。在全局工作空间这个舞台中，不仅可以协调和集成来自不同专门处理器的信息输入，而且可以潜在受到无意识背景的信息激发或牵制，从而能够形成每时每刻的意识内容，并控制着整体信息加工的过程。

在剧院模型的进一步阐释中，巴尔斯把工作记忆类比为剧院的舞台，把注意作用类比为聚光灯，而把聚光灯照亮的舞台部分类比为意识呈现的内容，等等。现在想象自己在戏剧表演开始前进入一个这样的剧院，首先你注意到的是装饰有背景的舞台、看戏的观众和一些通向后台的侧门等。当剧院里的灯光开始变暗后，观众便安静下来，此刻黑暗中一只聚光灯照射在舞台上，形成一个耀眼的光亮区域。

此时，包括演员、导演、舞台管理人员、聚光灯操作员等在内的所有演职人员各司其职，进一步可以类比为无意识的专门处理器。在剧本的引导下，正是这些无意识的演职人员协调配合，才得以呈现舞台上一系列有意识的剧情事件。

除了舞台上的演员外，那些幕后演职人员则可以类比为背景系统，在暗黑无意识的情况下塑造了舞台上光亮有意识的表演。他们对形成意识内容产生了深刻影响，其中起着主导作用的是导演。这些无意识的背景操作者为演员表演角色创设背景，他们在幕后不能被看到，却对意识产生深刻影响。无意识的观众则是整个剧院模型存在的目的和理由。值得注意的是，人们做很多事情都是无意识的，执行无意识功能的神经网络遍布整个大脑。须知，人脑中存在大量特异化脑区，是非常普遍的事实。

当然，对于观众而言，最主要的还是舞台上的表演。作为工作记忆类比，根据聚光灯照射情况，舞台分为三种不同区域。黑暗不可见部分，可以类比为无意识部分；聚光灯照亮之处，类比为意识呈现的内容；而介乎在两者之间，也就是光亮周边半阴影地带，则对应类比为边缘意识部分。

工作记忆主要是内部言语和视觉想象，其呈现方式是序列性的，某一时刻只能呈现一个记忆事件，就像聚光灯照射舞台一样，一次只能照射一个区域的演员表演。工作记忆的组成成分中有些是处于意识焦点之中的（聚光灯照亮的部分），有些是处于边缘意识状态的（亮区周围的半阴影），而舞台上其他的工作记忆成分则是无意识的。

人们可以对工作记忆的各部分进行主动控制，有时还可以控制接下来让什么进入意识。当更为紧急的事情发生时，也可以控制是否重新定向当前的意识流。主动执行功能涉及额叶皮层，额叶皮层的损伤经常会使执行控制衰退。

比起舞台之外的演职人员，舞台之内的表演更容易被聚光灯照射到。同样，在工作记忆中的内容也要比工作记忆之外的内容更容易进入意识状态。由于注意作用的关系，即时意识内容的容量是非常小的。当然，只有注意到的内容才能够成为意识内容，因此注意机制在意识呈现中起着至关重要的作用。虽然某一时刻人们只能接受一项意识内容，但可以将大量信息捆绑到意识体验流中，并且可以在不同的意识流之间跳来跳去，这样就可以增加意识内容的流量，就像人们和朋友边喝酒边聊天时的情况一样。

起注意作用的聚光灯在剧院模型中扮演着至关重要的角色，因为只要它照射到某个演员，他（或她）就可以进入意识。聚光灯中的演员在剧院模型中是享有特权的，他们是唯一可以向专业化观众传达信息的人，这些观众代表了记忆、知识和自动化程序的无意识资源。随后观众可以给予喝彩或嘘声，要求这一演员继续表演或下台。

显而易见，通过转动聚光灯的角度，就可以照射到舞台上不同的表演场景。因为聚光灯代表注意作用，同理，通过转移注意控制，也可以使得工作记忆中的不同内容成为呈现的意识内容。这样，在剧院中，当灯光熄灭之后，只有那些聚光灯照射之处的表演才能够被观众所观看到，成为意识的内容。

从巴尔斯的全局工作空间理论可知，某一时刻的意识内容是不同专门处理器在幕后背景作用下相互竞争与协调的结果。就这一点而言，巴尔斯的剧院模型不仅澄清了意识研究中的一些关键概念，给出了意识、无意识、注意和工作记忆等概念的相互联系和区别；而且为研究者们理解意识研究领域中容易被混淆的概念提供了一个理论框架，有助于人们理清思路，开展一些相关的验证性和探索性的研究。

巴尔斯的全局工作空间理论不仅通过提出全局工作空间来解释意识的觉知结构，而且着重解释了意识产生过程中的无意识信息加工的特征，将盲视、阈下知觉等神经科学上发现的现象与意识理论完整地结合起来。全局工作空间理论还探讨了意识和非意识状态之间如何进行信息切换的，在无意识到意识这一关键步骤提出了有价值的观点。

美中不足之处在于，巴尔斯只是给出了一个粗略的大致学说，并未给出全局工作空间具体运行的细节和详细模型，也未能解释这样的问题：为什么在全局工作空间中，痛觉、视觉和思维、推理等其他意识内容的性质，对主体而言感觉有所不同？因此，虽然讨论了部分意识的觉知结构，但全局工作空间理论还是更多地偏向于信息加工途径。

2. 高阶表征理论

接着，我们再来介绍意识的高阶表征理论。表征主义理论认为意识经验的现象属性可以还原性地用经验的表征属性（心理表征）来解释。比如我对天空的意识经验，就是我对天空经验所表征的那个东西的属性。将意识经验归结为意识对象的属性，即使从实用角度上看也只有对意向性意识活动才有效。此时，再将表征属性还原为脑的信息属性或物理属性，就可以为机器意识所利用了。当然，并不是所有的心理表征都是有意识的经验，因此意识的表征理论必须给出属于意识状态的心理表征界定。这就是泰伊（Michael Tye）给出PANIC理论的原因（Tye，2002，2006），其中“PANIC”六个字母的含义是，其表征意识的内容应该是悬空的（Poised，P）、抽象的（Abstract，A）、非概念的（Non-conceptual，N）、意向性的（Intentional，I）内容（Content，C）。

表征理论的表现形式分为一阶表征理论和高阶表征理论：一阶表征（first-order representation），一般是指对于外部感官输入信息的表征；而高阶表征（higher-order representation），一般是指对于自身精神状态的表征。一阶表征理论认为，一阶表征本身就已经具备了现象属性，并通过一阶表征的特性来解释现象意识诸如不可言喻性之类的特殊属性（Dretske，1995）。为了解释有意识状态和无意识状态的区别，高阶理论需要对自身精神状态进行表征，然后才能进入意识状态（Lycan，2001），进而可以解释自省过程，以及现象意识精神状态的性质（而不是现象意识本身的现象属性）。因此高阶理论认为，意识主体只有进入高阶表征的精神状态之后，才获得了关于一阶表征的主观体验。

高阶表征理论的基本观点是：元表征（meta-representation）是意识的本质。一个意识主体通过高阶表征，获得了关于一阶表征的觉知（awareness），同时获得了关于一阶表征对象的主观体验。为了解决有无意识状态的区分问题，罗森塔尔（Rosenthal）提出了意识的“传递性原则”（Transitivity Principle，缩写为TP）：一个精神状态是有意识的当且仅当主体以某种方式觉知到了该状态，并将其命名为高阶表征状态，而相应的无意识状态则命名为一阶表征状态（Rosenthal，2005）。

至于如何具体构建高阶表征理论，则有强调不同侧重点的学术派别，如有些人认为高阶表征应该是知觉性的，有些人认为高阶表征应该是思维性的。高阶理论主要分为高阶知觉理论、高阶思维理论以及自表征高阶理论，其中高阶思维理论按照高阶表征是真实表征还是倾向表征，又分为实质主义高阶思维理论和倾向主义高阶思维理论。

高阶知觉（Higher-Order Perception，HOP）理论又称为内部感觉理论（Inner Sense Theory），其主要思想为：人类不仅拥有关于环境和身体的一阶模拟性非概念的知觉状态，同时还拥有关于一阶状态同样是模拟性非概念的二阶知觉状态（Carruthers，2005）。内部感觉理论可被简单概括为：一个现象意识精神状态，是指拥有非概念模拟性意向内容的状态，同时其必须通过“内部感觉”操作成为某个高阶的非概念模拟性意向状态的目标。按照内部感觉理论，是内部感觉带来的高阶知觉内容创造了呈现给主体的带有模拟性内容的精神状态，同时也创造了关于一阶表征内容的主观感受。对于红色知觉而言，就是内部感觉制造了关于“感知红色”的二阶感觉内容，同时制造了关于“红色”的主观体验。

实质主义高阶思维理论（actualist higher-order thought theory）也称为高阶监督理论，其主要观点是：一个有意识的精神状态M，就是实质上引起了的一种信念，即“我拥有M”，并且是通过非推理的过程引起这种信念的（Rosenthal，1986，1993，2005）。一个关于M的现象意识可以这样形成：保证精神状态M拥有一个因果位置或某种独特的内容，以使将其当作一个体验；当M成为一个体验时，如果其被高阶思维恰当地指向了，那么就会成为现象意识性的体验。

高阶监督理论认为，仅当主体以某种方式觉知到某一心理状态，该心理状态即成为有意识的心理状态。高阶监督理论把意识看作某种监督装置的操作，即意识监督并扫描内部状态与事件，然后对其中的一些状态与事件产生更高阶的表征。当一个心理状态（M）被表示为这样一种更高阶的表征（M^*）时，其就是有意识的心理状态。

倾向主义高阶思维理论（dispositionalist higher-order thought theory）认为：关于一个知觉状态的意识状态在于其对高阶思维的可用性；一个“我的”有意识的精神事件M，是一个倾向于以非推理的方式引起一个关于“我拥有M”信念激活的精神事件；一个现象意识状态，是一个能够以非推理方式引起关于自身高阶思维的心理状态（Carruthers，1996，2000，2005）。

最后，自表征高阶理论（self-representational higher-order theory）的基本思想可被归纳为：一个现象意识状态是某种包含了模拟性或非概念性意向内容的状态，其同时具有高阶意向内容，因而在某种意义上，具有该状态的主体获得了对该状态的表征（Kriegel，2006，2007）。自表征高阶理论也称为“同阶监视理论（The Same-Order Monitoring Theory of Consciousness）”。根据这种理论的观点，心理状态是有意识的当且仅当它们（以某种正确的方式）表征了它们自身的呈现。也就是说，除了意识内容的表征，还表征了表征意识内容的这一表征本身，而后者代表的就是意识经验。

自表征高阶理论大体上分为两类，这取决于一阶状态和高阶状态之间的关系是同一的还是包含的。如果是同一的，则同一个知觉状态同时表征了一阶内容和高阶内容（Caston，2002）；或者被全局广播的一阶知觉状态同时获得了高阶的现象维度（Van Gulick，2004）。如果二者关系是整体与局部的包含关系，则这类理论认为，这个复合的精神状态使得一阶知觉和二阶信念同时成为有意识的心理状态（Gennaro，1996）。

高阶表征理论的优点在于：1）明确地将自省问题与现象意识问题联系在一起，试图以自省认知过程来定义意识状态和现象意识属性；2）概念明确，方便讨论，作为认知理论类型，其理论容易用神经科学和心理学验证；3）秉承了自然主义与物理主义的态度，保留了用计算方法检验的可能。

高阶表征理论同样存在缺陷：1）在本体论问题上缺乏说服力，不能很好地解释主观现象属性的本质（Block，1995，1998）；2）对于自我觉知能力的解释不够明确，对各种意识现象解释能力不够强，不能很好地解释因自省带来的一些问题（Rowlands，2001）；3）忽视了意识的时间问题。还有就是，名目繁多的高阶表征理论也存在各自的问题，所以各种反驳一直未停，迄今为止，在心灵哲学与认知科学界还未能形成统一的认识（Brown，2019）。

3. 信息整合理论

最后要介绍的就是信息整合理论（Information Integration Theory，IIT）。该理论为美国威斯康星大学麦迪逊分校精神病学的托诺尼教授于1998年提出的一种意识解释理论，认为物理系统具有主观体验在某种程度上是由于其信息整合能力（Tononi，1998，2004，2008）。大脑的信息整合源于大规模神经集群的相互作用，而神经集群的相互作用又是通过大量的神经联结结构实现。因此，神经联结的复杂程度决定着神经信息整合的能力水平，只有足够高信息整合水平的物理系统，才能够产生意识现象。这一理论解释了小脑之所以没有像大脑那样能够产生意识，就是因为小脑的信息整合能力不够高的缘故。

我们知道，经过认知神经科学的长足发展，人们在神经相关物方面已经获得了大量的研究成果，如前额叶负责思考、计划，颞叶负责听觉与记忆，枕叶负责视觉与自省等，但我们至今都没有发现哪个脑区与意识觉知是相关的。托诺尼通过长期的观察研究，总结出了与意识觉知相关的要素，提出了意识的信息整合理论。

信息整合理论认为，意识是某种具有特殊结构网络的固有性质，这个性质的关键要素就是分化与整合。分化特性认为任何一个有意识的系统必须拥有大量高度分化的信息状态；整合特性认为，要使这个系统变得有意识，还需要将这些高度分化的信息状态整合为一个单一整体性不可还原的信息状态。

在托诺尼看来，所有意识状态都是高度整合的：我们所意识到的信息总是整体呈现，无法被分割为独立的组成部分。例如，当我们依次轮流闭上一只眼，不难发现双眼所获得的画面信息的一些差别，而大脑最终却自动将二者整合为一幅完整的意识画面，这便是大脑信息整合的功能。

托诺尼认为，人脑之所以产生意识觉知状态，就是基于整个高度分化信息状态又呈现出高度整合统一的结果。当大脑被麻醉的时候，各个脑区都很活跃，但是互相之间信息整合的程度很低，因而也就没有呈现意识觉知状态。同时，人在无梦睡眠状态下，各个脑区的活跃程度高度一致，整合程度很高，但是分化程度很低，因而也不会呈现意识觉知状态。而人在清醒状态下，不仅各个脑区有着大量分化信息，而且存在着高度的整合状态，前额叶皮层与各个脑区都直接存在着远距离的连接，所以就能够呈现意识觉知状态。

就信息整合理论的具体构建而言，托诺尼主要是从现象学属性入手，不断加以发展，形成了不同的版本。在信息整合理论的最终版本中，托诺尼归纳了刻画意识现象的5条现象学公理（Oizumi，2014）：

1）内在（intrinsic existence）公理：所谓内在是指我们的意识作为内在体验，是私密的，具有一种内在的主观性特征。

2）构成（composition）公理：所谓构成是指我们具有数量庞大的意识状态，这些意识状态构成了我们的意识体验。

3）信息（information）公理：所谓信息是指每个意识体验都包含一定的信息量，这些信息整合的程度就是Φ值，信息量不同，所整合出来的意识体验程度也就不同。

4）整合（integration）公理：所谓整合是指意识是高度统一的整体，不可以还原为独立的组成部分。例如，我们不可能将看到一件事物的形状和颜色的体验进行分离。

5）排他（exclusion）公理：所谓排他是指意识只能体验到众多可能意识状态的极少数，一旦意识觉知呈现了某个意识内容，就会同时排除其他意识内容。例如，在双眼竞争实验中，左右眼呈现不同的图像，则左右眼的图像是交替呈现在意识中的，当意识到左侧图像时，就无法同时看到右侧图像，反之亦然。

从整体形式化角度来看，信息整合理论的主旨思想在于考察和比对系统过去与未来潜在状态的两个概率分布，这些概率分布同时又受到现在状态的影响，并称其为因果相互作用（cause-effect repertoire）。根据因果相互作用机制，现在状态要比过去的潜在状态以及未来的潜在状态具有更少的不确定性。当我们将系统划分为独立的部分时，就会造成因果相互作用上的损失，同时造成系统的过去以及未来的潜在状态在确定性上的损失。损失的最小值就是Φ，代表系统因内部因果相互作用导致自身状态的整体确定性所超出其组成部分确定性之和的最小量值。

在托诺尼看来，意识体验是不可还原的整体属性，只有在系统整体因果相互作用所产生的不确定性比由其所组成部分累加因果相互作用的不确定性小时，才有可能产生意识体验。于是，在所有可能范围内产生这个整合信息Φ的最大因果相互作用，就被称作最大不可还原的因果相互作用（maximally irreducible cause-effect repertoire），而与局部最大化整合概念信息Φ^Max相对应状态的复杂性所产生的概念结构，就是最大不可还原的概念结构（Maximally Irreducible Conceptual Structure，MICS）。这个MICS就对应于感受性，因而意识体验就可以通过对比系统的整合因果性信息和系统各组成部分的因果性信息之和来测量。托诺尼用大写的Φ表达系统层面的信息整合程度（integration at the system level），而用小写的>表达机制层面的信息整合程度（integration at the mechanism level）。按照信息整合理论，对于一个意识系统来说，系统整合程度Φ的值要大于系统各组成部分产生信息的总和。Φ值低，就说明系统中各组成部分之间相对独立而整合程度低，这种情况无法产生意识体验。反之，Φ值高，说明系统中各组成部分之间相互关联而整合程度高，这种情况就能够产生意识体验。

在量化和测量意识觉知方面，托诺尼的信息整合理论提出了一种受到神经科学家认可的方案。西雅图艾伦脑科学研究所的首席科学家兼所长科赫（Christof Koch）就是信息整合理论的拥护者，他宣称信息整合理论是“朝正确方向迈进的一步，如果最终它被证明是错的，其错误也将以有趣的方式阐明了意识这个问题”。（科赫，2015）¹⁵²而实际上，信息整合理论也为蛇神难题提供了新的解决思路：尽管蛇神的信息分化程度相当高，但由于其并没有如同我们人类一样有意识体验状态产生，也就是说其整合信息程度是非常低的，通过测量Φ值，就可以对蛇神与正常人类进行区分，从而解决这一难题。

另外，信息整合理论还尝试着对现象意识的感受性进行理论刻画，给出了一种严格的形式描述。概括地说，感受性可以对应于某个系统感受性空间（qualia space）中的某个几何体。如果两个几何体相似，那么其所对应的两个意识体验就相似，而刻画感受性的几何体性状则由信息之间的关系决定，相同的感受性就意味着具有相同的整合信息。因此，根据信息整合理论，在同样感知环境下，如果我们通过机器构造出的Q空间与人类的Q空间相同，而且机器与人类的Q空间内各自的几何体相似或相同，那么我们就可以认为机器实现了人类的那种可以拥有“感受性”的能力。

大体上看，信息整合理论在脱离神经机制说明的基础上，提出了一种关联意识觉知机制可检验的可能性，因而可以通过检测Φ值来检验机器所构建的觉知机制是否成立。但是，信息整合理论依然无法说明现象意识体验的那种本质特性到底是怎么回事。究其原因，就在于信息整合理论也是属于信息处理途径的，其并不是一种解释觉知结构的理论，而是检验觉知是否产生的理论。

纵观上述各种意识科学理论的介绍，面对复杂的意识现象，大多数科学家的共同信念是，我们所有的精神现象都无一例外地源自我们的神经系统，自然我们的意识活动也是神经系统的产物。至于神经系统是如何产生意识的，则存在多种可能，或许可以用某种原理加以说明，或许需要众多原理共同说明。但意识与神经系统一定不是两个对立的部分，而是一个完备的整体。也就是说，大多数科学家不再相信笛卡儿二元论，而是相信包括意识在内的心灵是从脑的活动机制中涌现出来的。

归纳起来，目前有关意识科学研究主要涉及的问题包括：1）存在不同类型的意识状态吗？2）存在意识的神经相关物吗？3）我们是如何确认意识显现的？4）意识是为什么而存在的？

但遗憾的是，尽管给出了众多实证探索及解释理论，迄今为止，上述问题均无确定性的答案，对意识的这些根本问题，我们依然没有任何科学方面可信服的结论。

看得出来，目前在科学界对于意识还没有统一的认识，主要原因是我们目前对意识活动的脑定位、脑机理及其如何在心智活动中起作用等问题还有很多空白值得去探索研究。我们不知道，单单通过科学研究，能否彻底揭示意识的本质。也许在探索意识的科学征途上，我们需要耐心。我们期盼，随着科学技术的不断进步，最终我们能够对意识问题有一个明确的答案，不管这个答案本身如何！