意識定律

唐孝威

(浙江大學物理系交叉學科實驗室，浙江大學語言與認知研究中心，杭州 310027)

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應用心理學

意識定律

唐孝威*

(浙江大學物理系交叉學科實驗室，浙江大學語言與認知研究中心，杭州 310027)

基于意識的經(jīng)驗事實提出意識三定律。第一定律闡述意識的神經(jīng)四要素。第二定律說明意識涌現(xiàn)的必要和充分條件。第三定律給出意識體驗強度與相應腦區(qū)激活水平之間相關性的心腦關系式。

意識 定量研究 神經(jīng)四要素 心腦關系式

意識是自然科學的基本問題之一。近年來腦科學實驗技術的發(fā)展，使得有可能對意識進行定量的研究。本文基于意識的經(jīng)驗事實，提出意識三定律。第一定律闡述意識的神經(jīng)四要素。第二定律說明意識涌現(xiàn)的必要與充分條件。第三定律給出意識體驗強度與相應腦區(qū)激活水平之間相關性的心腦關系式。

1 意識第一定律

意識第一定律是意識的神經(jīng)四要素定律。我們曾經(jīng)從神經(jīng)生物學層面闡述腦的四個功能系統(tǒng)(唐孝威,黃秉憲,2003)?；趯σ庾R的神經(jīng)網(wǎng)絡的探討，涉及意識的四個神經(jīng)生物學的要素，即覺醒活動、信息加工、注意增強、全局廣播。

覺醒是意識的要素之一。意識的覺醒程度和腦干等基礎的腦結構有關。腦內意識覺醒的支持系統(tǒng)的活動度用參數(shù)α來表示。α是關于意識覺醒程度的指標，它是可以量化的。平時我們講覺醒的程度就用α來表示。

意識的內容涉及腦內的信息加工。意識的信息加工由大腦皮層一些專一性的腦區(qū)負責，它們分別處理各種特定的信息，比如視覺里某一種顏色的加工，或運動里某一種動作的加工。不同種類用i表示，i可以從1到n，有很多種，不同的內容由不同的對應腦區(qū)加工。信息加工時，大腦皮層專一性腦區(qū)激活。腦內信息加工的專一性腦區(qū)的激活水平用參數(shù)A來表示。

注意增強也是重要的機制。注意不同于意識，但是注意的增強是意識的一個要素。腦內注意控制系統(tǒng)對腦區(qū)激活的增強系數(shù)用參數(shù)γ來表示。腦內注意對腦區(qū)激活有一個增強的過程，這個過程對加工的信息進入意識是必需的。

加工的信息還必須進到腦內全局廣播。Baars(1997)和Dehaene(2014)的全局廣播理論指出，意識活動要有大量的反饋的過程。Edelman(2000)也講信息的再入(reentry)過程。Humphrey的意識理論(2011)也強調回路(loop)。在丘腦、前額葉和頂葉間有很多來回的信息的交流，所以只是信息加工腦區(qū)參與還不夠，還要進入這個回路，要有全局廣播的機制，這是比較重要的。Dehaene(2014)指出，全局廣播系統(tǒng)是一個大范圍的活動，這是一種信息的交流和整合，它的活動在腦成像和腦電中都會有反映。腦內意識全局傳播系統(tǒng)的全局傳播度用參數(shù)β來表示。

第一定律指出，神經(jīng)四要素并不是獨立無關的，它們通過各種相互作用而緊密聯(lián)系，并協(xié)同活動。從神經(jīng)網(wǎng)絡來看，覺醒活動、信息加工、注意增強、全局廣播，四個要素缺一不可。這幾個部分要集成起來，只有一部分是達不到意識的。

2 意識第二定律

意識第二定律是意識涌現(xiàn)定律。意識不是靜止的狀態(tài)，而是不斷變動著的動態(tài)過程。平常腦內大量的活動都是在進行著信息加工，它們都是屬于心智活動，而且無意識的活動的數(shù)量比有意識的活動的數(shù)量大很多，但是它們沒有進入意識。通過許多腦區(qū)的激活和它們之間的相互作用，大腦皮層一定腦區(qū)的信息加工可以從無意識的加工轉變?yōu)橛幸庾R的加工，這種動態(tài)的轉變過程就是意識的涌現(xiàn)。當腦的活動滿足了意識涌現(xiàn)的必要和充分條件之后，加工的信息就進入意識了。

意識涌現(xiàn)過程不是孤立的單個腦區(qū)的活動，而是腦內四個功能系統(tǒng)及它們內部多個腦區(qū)相互作用下發(fā)生的集體活動。因此要從多個腦區(qū)集體相互作用的觀點來考察意識涌現(xiàn)的動力學過程。意識涌現(xiàn)定律是：在意識的神經(jīng)四要素相關腦區(qū)的共同作用下，當大腦皮層加工信息的一定腦區(qū)的激活水平達到臨界的意識閾值AC時涌現(xiàn)意識，這稱為α-β-γ-A機制。引入的一些參數(shù)不同于要素本身，它們是從功能活動的角度表示相關腦系統(tǒng)的活動程度。

定量地說，腦內意識覺醒的支持系統(tǒng)的活動程度必須大于0。同時，全局的廣播系統(tǒng)即傳播系統(tǒng)中，信息全局廣播的程度β必須大于0。當然腦內信息加工專一性腦區(qū)的激活水平要大于0，但是只大于0還是不夠的，它的信息加工可能仍然是無意識的，不一定是有意識的，激活水平需要超過一個閾值AC，信息加工才能進入意識?？紤]意識的涌現(xiàn)，就一定要考慮意識的閾值。腦內激活水平A經(jīng)過注意的增強達到意識的閾值之后，才能進入意識，這個時候才能有意識的通達(access)?？梢酝ㄟ^改變條件，觀測受試者腦活動在達到意識閾值時，腦內出現(xiàn)全局廣播的點火(ignition)信號，來確定意識閾值?？傊庾R涌現(xiàn)的必要和充分條件是：α>0;β>0;γ>1;γA≥AC。AC是意識閾值，α>0就是有覺醒活動。β>0就是全局廣播的系統(tǒng)回路要進行活動，丘腦、前額葉、頂葉回路里有很多信息的整合。γ就是注意增強，加工信息的專一性腦區(qū)原來的激活水平經(jīng)過γ增強超過意識閾值，激活水平超過閾值后信息就進入意識。

綜上所述，當一個腦區(qū)的激活水平低于這個腦區(qū)的意識閾值時，個體沒有關于激活腦區(qū)信息加工內容的意識體驗；當激活水平超過意識閾值時，并且有覺醒系統(tǒng)、調控系統(tǒng)和全局廣播系統(tǒng)的腦區(qū)參與活動時，個體就有激活腦區(qū)的加工信息內容的意識體驗，并且意識體驗的強度隨著腦區(qū)激活水平的提高而增加。在無夢睡眠的時候α=0。做夢的時候α值比較低，但是不等于0。在清醒但是無意識信息加工的時候，A>0;α>0;β=0;γ<1，即雖然因為個體是清醒的，α大于0，但是β沒有作用，因為沒有全局廣播，雖然腦區(qū)有激活A，但是由于β等于0，所以信息加工不能進入意識。

3 意識第三定律

意識第三定律是有意識活動的心腦關系定律。意識問題的特殊性決定了我們不能只關注意識涌現(xiàn)的客觀神經(jīng)生物學條件，還需要重視有意識活動所帶來的主觀體驗。第三人稱的神經(jīng)網(wǎng)絡的激活是如何和我們第一人稱的主觀體驗的內容和強度聯(lián)系起來的呢？意識內容具有多樣性。人有很多種不同類型的感知覺，例如聽覺、視覺、觸覺等，個體分別有不同內容的主觀體驗。并且在同一種感覺，比如視覺中，還可以細分為顏色視覺、空間視覺、形狀視覺等很多不同的內容。因此，可以用i來表示某一種感覺的內容，并且i所包含的種類有很多，從1到n，有很多種。對于其中每種感官體驗而言，主觀體驗都有內容和強度之分，體驗的程度是討論意識量化的前提。這種主觀的體會和體驗所對應的腦的基礎，就在于大腦皮層專一性腦區(qū)的激活。腦區(qū)有不同的回路，它們分別加工不同的內容的信息，比如視覺里某一個視覺內容就會有專門的腦回路來激活和表征它。生理的腦的激活是可以量化的，因為有不同的激活的水平；而心理的主觀的水平也是有不同的程度可以量化的。要把生理的客觀的激活和心理的主觀體驗聯(lián)系起來，把第三人稱的描述和第一人稱的描述聯(lián)系起來。在這個聯(lián)系的過程中，因為這兩個方面涉及不同的量綱，特別是意識過程是一個相對的過程，所以把這兩者聯(lián)系起來時，需要應對的問題之一是量綱的變換。

我們把主觀體驗的強度叫C。用C來表示主觀體驗的強度，說明主觀體驗是有一定數(shù)量的，它的值有大有小。第一人稱的體驗是有大有小的，而且是可以量化的，并不只是等于1或者0。同時，C可以有不同的內容，對其中每一種特殊信息i來說，叫做Ci，Ci就是對特殊信息i的主觀體驗的強度。下面用一個簡單的公式把C和A聯(lián)系起來。當α>0和γA≥AC時(AC是意識臨界閾值)，主觀體驗的強度和腦內信息加工專一性腦區(qū)的激活水平的關系式，即心腦關系式是：

C=a·A，

C是主觀體驗強度。A是信息加工腦區(qū)的激活水平。比例系數(shù)a和上述參數(shù)有關。

a=α·β·γ·ν(a包含了量綱轉換，其中ν是量綱和單位變換系數(shù))

C和A具有不同的量綱，所以中間需要用ν進行量綱的轉換。

對某一種特殊的信息內容i的主觀體驗強度Ci，Ci=a·Ai。

早年Fechner在創(chuàng)立心理物理學時，提出過外部的心理物理學和內部的心理物理學等概念。外部物理世界各種物理刺激作用于人的感官，引起人的內部物理世界的活動，即腦的活動，從而產生內部心理世界的感覺體驗。Fechner(1860)認為，人的感覺過程既涉及外部物理世界的物理刺激，又涉及內部物理世界的腦活動過程，還有內部心理世界的感覺體驗。他認為，外部的心理物理學研究外部物理刺激強度和內部心理世界感覺體驗強度之間的關系，而內部的心理物理學則研究內部物理世界即腦活動強度和內部心理世界感覺體驗強度之間的關系。

我們在上面討論的心腦關系，即人的腦區(qū)激活水平和人的主觀體驗強度的定量關系，就是內部的心理物理學的定量定律(唐孝威,2003)。

用S表示外界物理刺激強度，已知腦內信息加工的專一性腦區(qū)的激活水平A正比于logS，把這個關系代入上面C=a·A式中，可以得到C=klogS這個公式，它就是150多年前Fechner的公式。就此而言，我們的心腦關系式即內部的心理物理學定律是和Fechner公式即外部的心理學定律相互聯(lián)系的。

意識是非常復雜的現(xiàn)象，本文只是一種簡化的處理。有關參數(shù)的量化有待專門的研究。在量化參數(shù)的基礎上，希望意識定律能得到實驗檢驗。

唐孝威.(2003).論外部的心理物理學和內部的心理物理學.應用心理學,9(1),54-56.

唐孝威,黃秉憲.(2003).腦的四個功能系統(tǒng)學說.應用心理學,9(2),3-5.

Baars,B.(1997).Inthetheaterofconsciousness:Theworkspaceofthemind.New York:Oxford University Press.

Dehaene,S.(2014).Consciousnessandthebrain.New York:Penguin Group.

Edelman,G.,Tononi,G.(2000).Auniverseofconsciousness:howmatterbecomesimagination.New York:Basic Books.

Fechner,G.T.(1860).Elementsofpsychophysics.New York:Holt,Rinehart and Winston.

Humphrey,N.(2011).Souldust:Themagicofconsciousness.Princeton:Princeton University Press.

LawsofConsciousness

TANGXiao-wei
(Bio-X Laboratory Department of Physics and Center for the Study of Language and Cognition, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China)

Based on empirical facts about consciousness, three laws of consciousness were proposed. The first law states the neural four-ingredient of consciousness. The second law describes the necessary and sufficient conditions of emergence of consciousness. The third law gives the mind-brain equation of the correlation between the intensity of conscious experience and the activation level of the related brain area.

consciousness,quantitative study, neural four-ingredient, mind-brain equation

* 通信作者：唐孝威，男，中國科學院院士，e-mail:fmrilab@zju.edu.cn。

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：1006-6020(2017)-03-0285-04