神經學教授:人的意識究竟是如何產生的?

神譯局是36氪旗下編譯團隊，關注科技、商業、職場、生活等領域，重點介紹國外的新技術、新觀點、新風向。

編者按：意識和思想的產生應該是人類的終極問題之一了吧。大量研究都把意識看成一件事物作為研究的方向。但惠康基金會神經影像中心研究員兼科學主任，倫敦大學學院的神經學教授Karl Friston卻認為，思想不過是一個類似進化或者天氣的過程罷了。原文發表在aeon.co上，標題是：The mathematics of mind-time

劃重點

哲學家和認知科學家往往假定意識是個東西

Karl Friston卻認為，意識不過是一個自然過程，就像進化或天氣一樣（推理過程）

Daniel Dennett的達爾文的危險思想」：在沒有推理者的情況下做出推理是可能的。

人的意識屬於複雜系統，這種重複的，自組織的行為的顯著之處在於，它跟宇宙通常的行為正好相反，後者遵從熱力學第二定律——世間萬物都會趨於混沌，而且熵往往會增加

複雜系統就像高山流水：流水總要往低處走最後流入大海，然後蒸發再被雨雲回收給高山。

每接受一次新體驗，你的機體都會進行推理，從而讓發生的事情適應一種熟悉的模式

任何反覆佔據特定狀態的過程（就像你我），由於其自身的存在，都必須進行推理。

作為時間之箭的結果，能夠理解自身未來行動所造成的影響的系統，必須具有一定的時間厚度。

從進化到有意識的處理，所有的生物過程都可以看作是推理。

意識是事物還是過程？

我要懺悔。作為物理學家，精神病醫生，我發現開展有關意識的對話很難。我最大的抱怨是這個，提出問題的哲學家和認知科學家往往假定思維（mind）是個東西，思想的存在可以通過它的屬性或要滿足的目的來識別。

但是在物理學裡面，假設用任何常規的意義去假定東西的「存在」是件很危險的事情。不要這樣，相反，一個更加深層次的問題是：什麼樣的過程會讓人產生某個事物存在的概念（或錯覺）？比方說，艾薩克·牛頓用對力做出反應的大型物體來解釋物理世界。可是，隨著量子物理學的出現，真正的問題變成了質量和力的概念所依賴的度量的本質和意義是什麼，這個問題至今仍存在爭論。

其結果是，我被迫把意識看作一個要去理解的過程，而不是待定義的事物。簡而言之，我的觀點是，意識不過是一個自然過程，就像進化或天氣一樣。我最喜歡的將意識作為一個過程加以說明的技巧是用「進化」代替「意識」一詞-看看問題是否仍然有意義。比方說，意識是什麼這個問題變成了進化是為了什麼？當然，從科學上講，我們知道進化不是為了任何什麼。它沒有去執行一項功能，或者所做的事情有什麼理由——它是一個不斷發展的過程，只能按照它自身的方式去理解。由於我們都是進化的產物，所以對於意識和自我這似乎同樣適用。

我對意識的看法跟哲學家Daniel Dennett的觀點是相呼應的，他一直在致力於理解思想的起源。Dennett關心的是，無心的，純粹的「原因」（cause，A導致B）是如何引起我們所知的有心的「推理」（reason，A發生，所以B會發生）的。Dennett的解決方案是他所謂的「達爾文的危險思想」：也就是這樣一種洞察，在沒有設計師的情況下進行設計是可能的，在缺乏理解的情況下具備能力是可能的，以及在沒有推理者的情況下做出推理（或「漂浮性理由」）是可能的。一種甲蟲之所以優於另一種，可能是因為我們可以識別的一些「理由」，比方說，一個有利的突變會產生更具隱蔽的顏色。Dennett在《心靈的進化》（From Bacteria to Bach and Back: The Evolution of Minds ，2017）一書中寫道：「自然選擇因此是一個自動的理由發現者，在一代又一代間它『發現』，『認可』並『關注』了一些理由。那些嚇人的話是為了提醒我們，自然選擇其實並沒有思想，其本身也沒有理由可言，但是仍然有能力去執行這一設計改進的的『任務』。」

我希望能夠向你說明，儘管本身並沒有，但大自然其實可以爭取到理由。在本文的餘下內容中，我將提出理由，說明儘管事物沒有存在的理由，但是某些過程仍然會被認為參與了推理。我在這裡是用「推理」來表示由推斷或溯因引起的解釋，也就是說，試圖根據潛在原因、規則或原則來解釋觀察結果。

對於過程的這種看法，讓我們想到了一個關於思想為何存在的故事，一個的優雅的，儘管是縮水版的故事。推理其實上非常接近於一種萬物理論，可以解釋包括進化，意識和生命本身。它一直在誘導。作為一個已經在運動中的過程，我們被丟進了世界。而且那些進程只能基於這個世界稀少的（如果是精心挑選的話）樣本朝著「本來已經存在的東西」的方向進行推理。這種看法模糊了我們所熟悉的辯證邏輯，再也沒有那麼清晰的心靈與物質之分，自我與世界之分，以及表象主義（我們描繪現實）和湧現主義（現實來自於溯因與世界的邂逅）之分了。但在沒有推理者進行推理之前推理是怎麼發生的呢？惰性物質是怎麼啟動導致意識產生的過程的？

複雜系統

關於這個過程的性質我們不妨先建立一些基本規則，然後再看看我們能走多遠。我們只對構成複雜系統的過程感興趣，也就是那些整體大於部分之和的研究對象。理解這一概念有一個好方法，那就是看它的相反。如果你朝著目標射擊，那麼物理學家很容易就能根據子彈離開槍管的角度和動量來預測它將擊中靶心的哪一部分。這是因為靶場幾乎就是個線性系統，其整體行為是由自身組成部分的相互作用以單向的方式確定的。但是你沒法確定電子在繞原子旋轉時候的確切位置，也沒法確定明年颶風是不是會襲擊紐約。這是因為就像所有的自然過程一樣，天氣和原子並不能由自身的初始條件可靠地加以確定，而是由系統反饋給自身組成部分的交互時產生的行為所確定的。換句話說，它們是複雜系統。

根據物理學家的說法，複雜系統可以通過其狀態來表徵，而這些狀態，是由具有一定範圍可能值的變量來捕捉的。比方說，在量子系統裡面，粒子的狀態可以用波動函數來描述，而這個波動函數需要知道粒子的位置，動量，能量和自旋。對於更大一點的系統（比方說我們自己），我們的狀態涵蓋了我們身體各個部位的一切位置和運動，大腦的電化學狀態，器官的生理變化等。從形式上來講，系統的狀態對應於其在可能狀態空間中的坐標，不同的變量有不同的軸。

隨著時間的推移，實際上一切都應該會變得更加隨機，分散和無序。那麼到底發生了什麼呢？

物體在這個空間裡面的移動方式要取決於它的李亞普諾夫函數。這是一個描述系統在特定條件下可能會有什麼樣的行為的數學量。作為特定狀態的函數其返回的是處在該狀態下的概率（或者換句話說，作為該系統中狀態空間所處位置的函數，，類似於氣壓是在被測量點的空氣分子密度的函數。）。如果我們知道系統每一狀態的李雅普諾夫函數，我們可以寫下它從一種狀態流轉到下一狀態的情況——從而用這種流動歸納出整個系統的存在。這就好比如果知道山脈的每一位置的高度的話，就能夠知道水流經其表面時會如何流動。山的地勢就代表了李雅普諾夫函數，水的流動則描述了系統如何隨著時間演變。

複雜系統的一個重要特徵，是似乎它們在利用自己的李亞普諾夫函數越來越朝著可能的狀態逼近。也就是說，函數返回的數字越來越小。反過來，這意味著此類系統傾向於僅佔據少數幾種狀態，而且，這些狀態傾向於反覆頻繁出現。再用高山流水的類比，流水總要往低處走最後流入大海，然後蒸發再被雨雲回收給高山。或者，你也可以拿自己的身體為例：你的溫度總會保持在一定範圍之內，心臟總會有節奏地跳動，你要不斷地呼氣和呼氣——而你可能每天或者每周都有自己的例行公事。

這種重複的，自組織的行為的顯著之處在於，它跟宇宙通常的行為正好相反。隨著時間的推移，萬物實際上應該會變得更加隨機、分散、混亂。這就是熱力學第二定律——世間萬物都會趨於混沌，而且熵往往會增加。那麼這裡面到底發生什麼了？

我們不過是「怪圈」？

複雜系統是自組織的，因為它們具有吸引子。吸引子是互相強化狀態的循環，可讓過程達到穩定點，這不是靠失去能量直到停止下來，而是通過所謂的動態平衡來實現。一個直觀的例子就是體內平衡。如果你被捕食者嚇了一跳，你的心跳和呼吸就會加快，但是你會自動採取措施使得心血管系統恢復到較平靜的狀態（遵循所謂的「或戰或逃」反應）。每當脫離了吸引子時，都會觸發思想、感覺以及動作的流動，最終會把你帶回到你熟悉的吸引狀態周期。就我們人而言，我們對身體和大腦的所有激勵都可以描述為朝著我們的吸引子，也就是朝著我們最可能的狀態發展。

按照這種觀點，人類只不過是哲學家道格拉斯·霍夫施塔特（Douglas Hofstadter）所說的「怪圈」。我們所有人都在龐大的，高維的狀態空間裡面流動，它具有多種可能性，但是我們的吸引子會迫使它們在有限的範圍內運動。我們就像秋天的一片落葉；在湍流的漩渦當中找到了一條沒有終點的軌跡，然後認為那條軌跡就是整個世界。把我們自己描述成怪圈似乎過於沉悶——但這對於自然界任何有著一系列吸引狀態的複雜系統（就比如你我）來說，這具有深遠影響。

每接受一次新體驗，你的機體都會進行推理，從而讓發生的事情適應一種熟悉的模式

總的來說：我們已經看到，包括我們在內的複雜系統，在我們的精確描述我們自身過程的李亞普諾夫函數的範圍內存在。此外，我們知道我們所有的過程，所有的思想和行為（如果存在的話）肯定會減少我們的李亞普諾夫函數的輸出，從而把我們推向越來越可能出現的狀態。那麼，這個過程的實際情況會是什麼樣的呢？此處的訣竅是要了解李亞普諾夫函數的性質。如果我們了解這個函數，那麼我們就能夠知道是什麼驅動著我們。

事實證明，李雅普諾夫函數有兩個揭示性的解釋。第一個來自信息理論，該理論稱李雅普諾夫函數是令人驚訝的——也就是說，處於特定狀態是不可能的。第二個來自統計數據。統計數據表明，李雅普諾夫函數是（負）證據——也就是說它是特定解釋或者對這一狀態給出解釋的正確可能性的概率（邊際可能性）。簡而言之，這意味著如果我們存在的話，我們就必須藉助減少意外來增加我們的模型證據或自我證明。有了這些解釋，我們現在就可以為生存性的動態賦予目的和目的論。

說到現在，我們現在就可以討論推理了，也就是找出可以解釋我們稱之為「世界」的系統的受觀測狀態的最佳原則或假設的過程。就技術而言，推理需要對有關世界模型的證據最大化。因為我們有這個義務對證據進行最大化，我們基本上是以自己做為模型來對這個世界進行推理。這就是為什麼每當你有了新的體驗時，都會進行某種形式的推理，嘗試把正在發生的事情調整為自己熟悉的模式，或者調整你的內部狀態來考慮這個新的事實。這跟統計學家經歷的過程類似，有時候他得決定是否需要引入新規則來解釋疾病傳播或銀行倒閉，而這應該會對自己如何對經濟進行建模造成影響。

現在我們可以看到為什麼吸引子會如此重要。一個有吸引力的狀態意外很少證據很多。因此，複雜的系統會陷入到熟悉的，可靠的周期之內，因為這些過程必須參與到支撐其自身存在的原則的驗證之中。吸引子會將系統推向可預測的狀態，從而強化了系統針對自身世界所生成的模型。這種意外的最小化，自我證明，推理性行為的失敗，會意味著該系統會進入到意外的陌生狀態——直到它不再以任何有意義的方式存在。吸引子是通過推理來召喚自己成為存在的過程的產物。換句話說，吸引子是活著意味著什麼的基礎。

存在必然需要推理

就對上述表述的接受程度而言，你現在應該了解到包括生物在內的複雜系統最終都會有通縮的傾向了吧。任何反覆佔據特定狀態的過程（就像你我），由於其自身的存在，都必須進行推理。

但這如何說得過去？你幾乎肯定不會從推理的角度去思考進化或自然選擇的過程吧？實際上，這正是當今的理論神經生物學所發現的解釋。比方說，事實證明，自然「選擇」有機體的生存和繁殖能力的方式就是基於推理的。不妨把螃蟹種群作為這樣的系統，而個體聚合的特徵或表型就是「狀態」。這些螃蟹可以有大小不同的爪子，它們的殼有的硬有的軟，有的螃蟹眼睛在水面上看得更好，有的在水下看更好。這種不同的表型構成了關於「行得通」的多種假設。每一個個體都是應該佔據這個生態位的一個假設或模型，並且必須在環境的壓力下為了選擇而進行競爭。

鑑於進化是一個複雜系統，因此它也必須是自我證明的——也就是說，它會始終「選擇」越來越有可能佔據其生態位的生物。大爪子之所以一直保留下來，因為有了它更容易捕獲獵物。堅硬的貝殼可能有助於抵禦掠食者；具備視力可能會讓海洋生物在食物最豐富的地方發現食物更容易。因此，適應的適合性無非就是在自身環境中發現一種表型的邊緣可能性。換句話說，它的生存只不過是證明了自己是所在生態位的一個好模型的證據罷了。

病毒也具備推理過程的一切自組織動態。但是它不具備素食者的相同特質

同樣的思路應用到意識上，說明意識也必須是推理的過程。意識處理是要推斷出感覺狀態的成因，從而引導這個世界去避開意外。自然選擇通過在不同生物之間做出選擇來進行推理，而意識通過在同一生物（尤其是生物的大腦）的不同狀態之間做出選擇來進行推理。有大量的解剖學和生理學證據可以支持這一觀點。如果大家把大腦看成是一種自證的推理器官的話，那麼關於大腦的解剖學和生理學的幾乎每一個方面似乎都是為了最大程度地減少意外。比方說，關於某個東西在哪裡以及在不同的地方有什麼東西，我們的大腦是用不同的區域來表示的。這是有道理的，因為知道某個東西是什麼通常並不能告訴你它在哪裡，反之亦然。對「外面」世界的因果結構的這種內化，反映出這樣一個事實，也就是要想預測自己的狀態，你必須有一個內部模型來模擬這種感覺是怎麼產生的。

但是，如果意識就是推理的話，這是不是意味著從進化到經濟體再到原子，所有複雜的推理過程都是有意識的呢？也許不是。病毒也具備推理過程的一切自組織動態，但顯然病毒不具備素食者的相同特質。那它們有什麼區別呢？

有意識與無意識生物之別

有意識和無意識的生物之別在於其對動作和時間進行推理的方式。關於此，我的論據部分取決於該系統與世界之間的相互關係。世界對系統施加作用，提供構成推理基礎的感官印象。同時，該系統也施加作用於世界，以改變感覺的流向，從而適應自己已經覺察出來的世界的模型。這只是對動作和知覺循環換了一種描述方式而已；比方說，我們去看，我們看見，然後推斷接下來更改看什麼。

如果行動依賴於推理的話，那麼系統必須能夠推斷其行動的後果。除非你可以猜測可能的結果，否則就不能選擇要做什麼。但是，這裡有一個重要的前提。除非擁有關於自己未來的一個模型，否則生物就無法推斷自身行為的後果。它需要知道如果自己做這個而不是那個的話預期會得到什麼。比方說，我需要知道（或下意識地進行建模）如果我向左看，向右看或閉上眼睛的話，感覺會如何的變化。但這種對一項行動的後果的感官證據唯有執行動作之後才會獲得，因為時間是永不停歇的。

作為時間之箭的結果，能夠理解自身未來行動所造成的影響的系統，必須具有一定的時間厚度。它們必須擁有自己以及這個世界的內部模型，從而讓它們能夠對尚未發生或可能不會發生的事情做出預測。這樣的模型厚一點薄一點深一點淺一點都沒關係，這主要取決於要向前（predict）和向後（postdict）預測多遠，也就是說，要看它們能不能領會自己如果採取不同行動的話事情最終可能會如何收場。具備更加深度的時間結構的系統就能更好地推斷自身行動反事實的後果。神經科學家Anil Seth稱之為反事實深度。

因此，如果系統具備較厚的時間模型的話，它會推斷或選擇哪些動作呢？答案很簡單：它會最大程度地減少行動之後出現預期的意外。證明來自對我們已經知道的東西的反證：存在本身就需要讓意外最小化和自我證明。在實踐中，系統如何最大程度地減少預期的意外？首先，它們採取行動是為了減少不確定性，也就是要避免將來可能出現的意外情況（比方說寒冷，飢餓或死亡）。我們幾乎所有的行為都可以從這種不確定性最小化所驅動的角度去理解——從對有害刺激縮回的本能反應（比方說掉了一份熱食），到觀看電視或開車的時候的尋找顯著的視覺信息莫不如此。其次，這種系統在這個世界上的行動似乎具有一定的目的性，也就是為了讓尚未發生但可能發生的意外降到最低。

我們可以稱這種系統為主體或者自我：一種基於有厚度的時間模型主動地，有目的地推斷自己的未來的系統。因此，厚時間模型和薄時間模型之間的區別表明，病毒是無意識的。哪怕它們對外部環境的變化做出了推斷，也沒有體現出對過去的深刻理解或者對未來的長遠看法，這些會讓他們把尚未發生的意外降至最低。反之，素食者正在以一種有前瞻性和有目的性的方式將意外降到最低，並進行自我證明，而主體的未來前景就變成了其行動選擇的固有部分。比方說，如果我們在病毒這個層面上採取行動的話，是可以通過調動葡萄糖儲備來本能地應對低血糖的。但是，我們的素食者可能會用更長遠的眼光來看待自己，然後開始準備一頓飯。同樣地，我們迴避了把進化稱為意識的問題。自然選擇的過程讓意外最小化（也就是讓適應度最大化），但沒有讓整個系統的不確定性或預期的意外最小化（也就是說，在替代性的、非達爾文式的進化操作下會有預期的適應度）。

因此，意識與更普遍的自組織過程之間的關鍵區別似乎是選擇的必要性。在無意識的過程當中，這種選擇是在此時此地實現的。比方說，在相互競爭的系統之間進行選擇（比如進化當中的表型）或引起條件反射（比如簡單生物體的趨化性，讓它們趨向或遠離較高濃度的化學物質）。反之，我們的那種跟意識相關聯的選擇是並行進行的，但是在同一系統內進行的——這是一套系統可以在不同情況下模擬多個未來，並以取得最不意外的結果為目的來選擇動作。意識本身只是捕獲這些反事實未來的一種方式，一種有助於主動推理的方式。

從進化到有意識的處理，所有的生物過程都可以看作是推理。

意識作為主動推理在實踐上是否有意義？我認為確實如此。從精神病學角度來看，意識狀態改變有兩種形式。意識水平可能會發生變化；比方說，在睡眠，麻醉和昏迷期間就會。或者，與精神病綜合症和精神藥物或迷幻藥物有關的那種意識狀態也可以發生改變。不同層次的意識又跟它們對行動的影響糾纏在一起。簡而言之，意識水平降低的標誌是缺乏響應能力。試想一下，一個人沒有意識，但是卻能對刺激做出反應。唯一能引起反應的是反映出此時此地意外最小化的條件反射。反之，一旦這個人醒了，她就可以激發其關於過去和未來的預測機制。在我們的日常生活當中，這表明時間的厚度或深度隨著醒睡周期的增加而減弱——也就是說在意識水平和我們所進行的推理的厚度之間存在著映射。從這一點來看，當我們的模型失去了「厚度」並變得像病毒一樣「纖薄」時，就會發生失去意識。

作為精神病醫生，出於多種原因，我被意識狀態改變就是推理改變這種看法所吸引。其中的關鍵是把精神障礙理解為錯誤推斷的能力。比方說，據統計，錯誤推斷有兩種類型：（誤報）假陽性和（漏報）假陰性。誤報對應於把沒有推斷為有，比如幻覺和妄想。反之，漏報是把有推斷成沒有，比如無法識別某物或產生不可能的含糊（比方說，患者經常會提出這樣的問題：我是誰？我在往上走嗎？ ）。這在臨床上就變成了定向障礙以及各種形式的認識不能（痴呆症，各種大腦器質性症候群。）從實用的角度來看，這是一個有用的觀點，因為主動推理背後的神經元機制正變得越來越易於理解。

我們比較快速地過了一遍論證。首先，如果要談論包括有生命的系統在內的複雜系統，我們就必須確定其在活動過程所表現出的必要行為。這一點很容易做到，只需要注意到活著必然存在於一系列頻繁出現的吸引狀態。這意味著存在一個等同於信息理論當中的（負）自我證明或者意外的李雅普諾夫函數。這意味著從進化到有意識的處理，所有的生物學過程都可以解釋為進行某種形式的推理。

如果是這樣的話，那麼我們在什麼時候會喚起意識呢？這裡可以提供一個建議，當自我印證具有時間上的厚度或反事實的深度時，思想就應運而生了，這是基於它可以對未來行動的後果做出的推斷。思想的存在並沒有真正的原因；思想之所以看起來像思想，不過是因為存在本身就是推理過程的終點。我認為，意識絕不比推斷我的未來更重要。

譯者：boxi。

（責任編輯：王治強 HF013）