2014年，一名24歲的中國女性因為長達一個月的頭暈與嘔吐發作來到了醫院。她對這些症狀並不陌生：她這輩子從來都沒有平穩地走過路，一直飽受頭暈的折磨。這些嚴重的症狀使她非常虛弱。然而，如果與CT和MRI掃描的診斷結果相比，這些症狀根本不算什麼——因為從某種角度來說，她缺失了一大半的大腦。

的確，大腦“舞臺”中的大部分演員都在：負責我們大部分思考和認知，也是最大、最靠外的大腦皮質；與運動、記憶和機體調節等多重功能有關的皮質下與中腦；對呼吸控制、睡眠以及與其他身體部位交流至關重要的腦幹。

但在這些部位中，都沒有包含大部分的大腦貨幣——神經元，即透過發射脈衝來傳遞資訊或介導運動命令的細胞。而小腦是擁有最多神經元的部位，位於腦幹後、大腦皮質之下；它在拉丁文中的名字（cerebellum）可直譯為“小腦”。小腦的組織結構非常緊密，雖然只佔據大腦體積的10%，卻包含大腦中所有神經元的50%至80%。

這也是為什麼我們說，那名住院的中國女性缺失了大部分大腦。雖然令人不可置信，但她出生時就缺失小腦，卻在不知道自己沒有小腦的情況下成功活到了24歲。把這與大腦皮質的中風和損傷比比看——那裡的神經元數量只相當於小腦的一小部分——但這些病人可能失去辨認顏色、面孔或是理解語言的能力，也有可能患有所謂的“意識障礙”（disorder of consciousness），讓他們無法作出迴應，甚至完全失去意識覺知。

理解意識

理解意識或許是當今時代最大的科學挑戰。為什麼電脈衝這樣的物理物質能解釋精神物質，比如夢，或者自我感？為什麼大腦中的神經元網路會讓我們感覺到一段經歷，而計算機網路或者人脈網路卻不會激發任何感覺（至少基於我們現在的知識）？悲觀地看，我們不可能真正理解意識。

然而，由於各類意識障礙的誤診率高達9%至40%，為了填補這方面的進展，我們也不得不更加努力解決這個問題。否則我們就永遠不會知道受傷的患者到底是真的無意識，還是實際上有著隱秘意識（covert consciousness）與真實的內在體驗，只是無法做出反應；醫生就無法得知患者的康復希望，也無法判斷停止治療是否道德。

很多有隱秘意識的患者和我們從主流文化認識到的並不一樣，比如法國記者讓-多米尼克·鮑比（Jean-Dominique Bauby）。一次中風使他的腦幹受損後，他無法再隨意行動，只能眨動左眼。鮑比在醫院的病床上用眨眼的方式“口述”出了一本關於這段悲慘經歷的回憶錄，《潛水鐘與蝴蝶》（The Diving Bell and the Butterfly）。他的情況被稱為閉鎖綜合症（locked-in syndrome）——由腦幹損傷導致失去了自發控制的能力。腦幹對控制身體其他部位至關重要，並讓我們得以與外界交流。

Courtesy the artist and Galerie Buchholz/The Museum of Modern Art/Licensed by SCALA / Art Resource， NY Lucy McKenzie： Untitled， 2002

除了閉鎖綜合症患者，大腦皮質受損的患者也可能有隱秘意識；但這些患者的隱秘意識更難被發現，因為他們的心智慧力可能也受損了。例如，一名大腦皮質受損的患者可能無法做出迴應，不是因為她沒有意識，而是因為皮質損傷使她失去了理解口頭語言的能力。

和只有腦幹受損的鮑比不同，皮質受損患者的大腦MRI影象中，大範圍的皮質損傷讓神經學家無法確定他們的意識“在不在家”。就算他們從昏迷中清醒過來，睜開了眼睛，也常常無法做出迴應或是隨意動作，從而被診斷為植物狀態（vegetative state），也被稱作無反應覺醒綜合徵（unresponsive wakefulness syndrome）。

隱秘意識

為了查明意識障礙患者是否有隱秘意識，包括我目前的導師馬丁·蒙蒂（Martin Monti）在內的一個國際研究者團隊執行了一個巧妙的任務。雖然這些患者在其他情況下都無法做出迴應，但該任務利用了患者們能夠想出或控制的心理意象。

一共有54名患者被掃描了大腦——他們有些反應時有時無，有些徹底無法做出反應。這個團隊用功能磁共振成像（fMRI）為他們的大腦功能進行成像掃描，從而推斷出他們多大程度上還保有隱秘意識。蒙蒂說：“在很小一部分的案例中，在其他情況下看起來無意識的患者中，我們可以用磁共振成像（MRI）發現一些意識。”

首先，蒙蒂和同事們讓看似無意識的患者想象在自己家中穿行。另一名參與這項課題的研究者艾德里安·歐文（Adrian Owen）說：“我們在絕大部分患者（一名除外）的海馬旁回（parahippocampal gyrus）中都發現了fMRI活動的閃現。”

但是，僅僅讓他們想象在自己家中穿行還不夠。研究者們為了進一步證實被掃描的患者的確清醒並在聽從指示，還需要另外一個會呈現出不同活動規律的任務。最終，蒙蒂和歐文的同事之一，梅蘭妮·博利（Melanie Boly）提到，基於他們的研究，複雜任務或許會比簡單任務更有效。歐文回答道：“網球怎麼樣？”

- NIH News In Health -

研究者們欣喜地發現，健康的被試者想象打網球時，產生了一種清晰、規律的腦活動訊號。在做同樣的任務時，有隱秘意識的患者也會產生同樣的訊號嗎？當無反應的患者被放入MRI掃描器時，研究者們讓他們想象以下兩種任務的其中之一：打網球，或者在家中走動。

蒙蒂告訴我，當時誰也說不準到底有多少患者會有反應。但是，或許是在一名本來無反應的患者“揮動”第一下球拍時，研究者們發現，他似乎能夠理解網球任務。這名患者符合所有植物狀態診斷的標準，然而，實際上，他卻有意識。

這項研究最終在2010年發表；它既給予人希望，又潑了冷水：54名被掃描的患者中，有5名可以在需要時創造心理意象，從而證實他們的大腦可以思考、感受和理解，只是無法進行交流。又或者，他們真的無法進行交流嗎？如果患者們可以用兩種任務來回答問題，利用內在意象本身作為“是“的回答呢？

簡單來說，他們可以透過想象打網球的方式來回答“是”，在家中走動來回答“不是”。又一次，同一組研究者們第一次就有了發現。當患者被提問，例如“你父親的名字是托馬斯嗎？”時，對應任務錄入MRI的影象表明，他們給出了符合實情的答案。蒙蒂說：“我們發現，就算是看似昏迷的患者，和標準化臨床測量的觀察結果相比，也可能擁有更多認知功能。”

緊跟著蒙蒂和同事們的腳步，另一組密歇根大學的研究者們於2018年發表了一項研究。他們使用了一種類似的fMRI心理意象任務，並在我們或許並不樂意看到的地方發現了隱秘意識的存在——麻醉。

結果令人擔憂，因為在五位為科學獻身、被注射了異丙酚（propofol，一種麻醉藥物）接受全身麻醉的健康志願者中，其中一位做出了本該不可能的事情：在掃描器中根據要求創造心理意象。這項結果的意義很明顯：當外科醫生將我們麻醉時，我們或許沒那麼走運——有可能並沒有失去意識。

使用fMRI掃描的網球任務說明，在全身麻醉和植物狀態的面紗之下，意識偶爾會在暗處潛伏。但是這個任務的效果建立在患者能夠聽到問題、並理解口頭語言的假設之上，而這個假設在大腦受損的人群中不總是成立。

解答意識

在無法理解語言或失聰的情況下，意識也可以存在。這類患者仍能感受到疼痛、無聊，甚至無聲的夢境。事實上，如果患者的大腦皮質只有特定的區域受到損傷，就算他無法聽到蒙蒂的研究小組對他的提問，也依然可能擁有生動的意識體驗。

也就是說，MRI掃描還是可能探測不到很多有意識的人。所以，相比起依賴於正常的聽覺和語言理解能力，和腦損傷患者自發創造的心理意象，我們需要另一種意識的標記物——一種更高階的意識探測器，來穿透無意識的黑暗，帶來光明。

意識是個謎。很多科學理論嘗試解釋為什麼大腦讓我們“體驗”世界，而不是（沒有感覺地）簡單地輸入和輸出。有些意識理論走偏了，例如由英國理論物理學家羅傑·彭羅斯爵士（Sir Rojer Penrose）和美國麻醉學家斯圖爾特·哈梅羅夫（Stuart Hameroff）提出的框架。

- Tom Goddard -

彭羅斯和哈梅羅夫把意識與微管（microtubules）相聯絡——微管是一種絲狀結構，幫助構成神經元和其他細胞的骨架。微管中的電子可以在不同區域間來回跳動。事實上，根據小於原子級別的宇宙秩序，這些電子可以同時在兩個區域中存在——也就是處於量子疊加態（quantum superposition）。

意識的介入很大一部分原因來源於對量子物理的理解：像電子這樣的粒子，如果要在空間中有一個確切的位置，需要一個有意識的觀察者，從而有了疊加。

在美國公共廣播電視臺的系列節目《走近真理》（Closer to Truth）的一次採訪中，哈梅羅夫說：“在疊加態中，不同的可能被坍縮為其中的某一個；當坍縮發生時，會出現一瞬間的主觀性。這個觀點剛被提出的時候看起來很不可理喻，現在依然有很多人覺得很扯，但就像福爾摩斯所說：‘如果排除所有的不可能，那麼剩下的，不管看起來有多荒謬，一定就是真相。’”

哈梅羅夫能夠理解這些，我卻不能。如果像福學格言所說的那樣“排除不可能”，我反對將量子幽靈與意識混為一談。首先，彭羅斯與哈梅羅夫提出的這套詳盡的意識理論需要一種新的物理，量子重力學——而它還沒有被髮展出來。不僅如此，他們的框架也無法解釋為什麼小腦與意識無關。小腦神經元中也有微管，但為什麼小腦缺失或損傷不會影響我們的意識？

我認為威斯康辛大學的神經科學家朱利奧·託諾尼（Giulio Tononi）的思路更有道理。他沒有研究意識涉及了哪些大腦過程或結構，而是從另一個方向嘗試解答——去尋找意識體驗本身有什麼必要的特質。

意識體驗

為了更好地理解這一點，可以把他的思路與另一個大問題比較：生命是什麼？生物把特質傳給後代，所以遺傳資訊中一定有父母傳給孩子（或者動物幼崽、植物幼苗）的部分。但是，生物也會演化並適應環境，因此遺傳資訊一定是可塑的，在代代遺傳中被改變。

以這種從下到上的方式解決這個問題的話，你有可能預測出一種複雜分子的存在，例如DNA；這種分子儲存遺傳資訊，但也能變異，從而讓自然選擇帶來的演化發生。

事實上，物理學家薛定諤在他早在1944年出版的著作《生命是什麼？》（What is Life？）中，就以這種思路方向幾乎預測出了DNA的存在。而如果採用相反的方法——研究大量生物並尋找他們之間的共同點，那麼除非你有一個無比強大的顯微鏡，否則很難發現DNA。

如同一百年前生命使生物學家困惑一樣，如今，意識讓神經科學家們舉步維艱。我們還遠遠不能解答為什麼有些大腦區域對於意識是必須的，而有些卻不是。因此，託諾尼從另一個方面考慮了意識體驗的必要特質。

當我們擁有某個體驗時，是什麼定義了它？首先，每一種意識體驗都是特有的。藍色之所以是像你體驗到的那樣，一部分的原因是，藍色不是黃色。如果除了藍色，你沒有見過任何其他顏色，那麼你很有可能對顏色沒有概念或體驗。同樣，如果所有食物嚐起來都完全一樣，那麼品嚐的體驗就沒有意義，從而不復存在。這種對每一種意識體驗的特定性的要求被稱為分化（differentiation）。

然而，意識同時也是整合性的。也就是說，雖然意識中的不同物件有不同的特質，我們卻從來不會分開體驗每一種特質。當你看到一個籃球“嗖”地飛過來時，球的顏色、形狀和移動都成為了一個連貫的整體，被繫結在一起。在打籃球比賽時，你從來都不會獨立於球的圓形形狀或快速移動而單獨注意到它的橙色。同理，你沒有單獨的右視野或者左視野的體驗——它們相輔相成，共同構成一個完整的視覺畫面。

託諾尼發現了分化與整合，並認為它們是意識必須的兩個特徵。所以，如同生命的必要特徵可能讓科學家推斷出DNA的存在一樣，意識的必要特徵讓託諾尼推斷出了意識系統的物理性質。

未來的意識探測器工程師們，請注意：如果你們想製作如此神奇的機器，它需要在無反應患者的大腦中尋找的，正是這些性質。意識是特定性的，所以大腦這樣的物理系統如果要有意識，需要在很多可能的狀態中作出選擇。如同生命與DNA之間的聯絡一樣，這種推斷很大程度上取決於資訊的概念。

體驗之所以能提供有用的資訊，是因為它們排除了其他體驗的可能性：巧克力的味道不同於鹽的味道，玫瑰的芬芳不同於垃圾的臭味。因為這些體驗提供了資訊，並且大腦具有意識，我們推斷，一個人的意識程度越高，大腦中的資訊量就越多。事實上，當大腦中被塞滿了資訊時，供它選擇的各種可能狀態數量也會增多。

- Jim Skon -

這就像在玩“吊死鬼*”的猜詞遊戲。首先，我們可以設想用英文玩。英語字母表中有26個字母；每猜對一個字母，就能得到稍微多一些被猜單詞的資訊。像“e”這樣常見的字母提供的資訊更少，而“x”則更多（畢竟一共也沒幾個英文單詞裡有“x”）。

但是，想象一下用有上千個漢字的中文玩這個遊戲。每一個字都能提供很多資訊，因為與任何英文字母相比，它出現的機率都小得多，就像少見的信標，指示特殊事件的發生。所以，因為中文裡有更多可能出現的字，僅僅猜出一個字就可能贏下整場的遊戲，直接猜出詞語。

*譯者注：吊死鬼（hangman）是一個猜單詞的雙人遊戲。由一個玩家想出一個單詞或短語，另一個玩家猜該單詞或短語中的每一個字母 。第一個人抽走單詞或短語，只留下相應數量的空白與下劃線。想字的玩家一般會畫一個絞刑架，當猜字的玩家猜出了短語中存在的一個字母時，想字的玩家就將這個字母存在的所有位置都填上。如果玩家猜的字母不在單詞或短語中，那麼想字的玩家就給絞刑架上小人添上一筆，直到7筆過後，遊戲結束。（來自百度百科）

對大腦來說也是一樣的：當可能的大腦狀態增多，大腦所含的資訊就會增多，從而擴大了它容納高度分化的意識體驗的能力。但同時，意識也取決於整合：神經元之間必須交流並分享資訊，否則每個意識體驗中包含的特徵就不再是一個整體。

同時要求分化和整合聽起來可能有些矛盾，所以我在這裡借用一個託諾尼的比喻來更清晰地解釋：有意識的大腦就像民主社會。所有人都可以投不同的票（分化），同時可以互相自由地交流（整合）。相反，無意識的大腦更像專制社會。它禁止市民們自由交流（沒有整合），或者逼他們全部投一樣的票（沒有分化）。

像民主社會一樣，意識也需要分化與整合。託諾尼的理論不是紙上談兵，而是基於臨床觀察的。最有說服力的觀察結果來自病例報告，例如本文開頭提到的中國女性，在沒有小腦的情況下依然保有意識。原來，小腦是一個專制社會。

小腦中雖然有很多神經元，但它們無法自由地互相交流，而是以鏈條狀的結構排列：每一個神經元向鏈條中的下一個神經元傳送資訊，但不同的鏈條之間很少交流，鏈條內的資訊傳遞也不會反方向反饋。一個視覺化這種交流風格的辦法是，想象很多人排成一隊，每人都會拍拍下一個人的肩膀。

因此，雖然小腦含有大腦中大部分的神經元，但這些神經元就像一個幾乎或完全沒有整合的社會里的市民。沒有整合就沒有意識。另一方面，大腦皮質卻是一個自由的社會。在這裡，你可以想象人們不僅和鄰居，也和城市另一邊離得更遠的人自由地互動。

探測意識

當然，大腦皮質也不總是有意識。在無夢的睡眠中是不存在分化的。大量神經元群體被強行統一，以同樣的規律同時發射脈衝。

使用腦電圖（EEG， Electroencephalogram，一種從頭皮記錄大腦電活動的技術）的研究者們能監聽到這些神經元的活動，彷彿像一大群人整齊地在一個體育館中喊著口號。在全身癲癇發作時，分化同樣會消失，因為一股失控的興奮讓大量神經元群體全部一起發射脈衝。當神經元受困於“一致化”時，大腦中的意識就會消失。

託諾尼的理論，即意識對於分化和整合兩者的同時需求，被稱為整合資訊理論（Integrated information theory， IIT）。我們可以透過IIT系統地推測出哪些腦區與意識有關（大腦皮質），而哪些無關（小腦）。

在診所中，從IIT衍生出的想法已經在幫助研究者們推斷大腦受損的患者們有沒有意識了。根據IIT所描述的有意識的系統的特徵，研究者們可以推斷，在受到能量脈衝之後，一個有意識的大腦應該給出什麼樣的反應。作為意識探測器，這比在MRI掃描器中想象打網球有更強的探測力。

蒙蒂很喜歡把這種方法描述為，透過敲木頭髮出的聲音來推斷它的密度。在意識探測中，執行“敲”動作的是一卷電線產生的磁脈衝——這種技術被稱為經顱磁刺激（transcranial magnetic stimulation， TMS）。隨後，研究者們使用腦電圖探聽磁擾動產生的“回聲”，從而得出這個大腦到底是哪種“社會”。

如果產生的是非常複雜的反應，既有整合也有分化，那麼我們探測的就是一個多元化的社會；不同的腦區有不同的反應方式；這個患者應該是有意識的。但，如果產生的反應是一致的，在每個地方都相同，那麼這就是一個專制社會，患者估計沒有意識。

上文描述的方法由米蘭大學的馬爾切洛·馬西米尼（Marcello Massimini）帶領的一組國際研究者們在2013年提出，是目前最好的一種意識探測器。該方法的正式名稱是擾動複雜性指數（perturbational complexity index），有時也被稱為“刺激-壓縮（zap-and-zip）”，因為首先大腦會被磁脈衝刺激，然後研究者們會測量腦電圖反應的壓縮難度，以此判斷它的複雜程度。刺激-壓縮的辦法已經被用來判斷人們是否清醒、處於深度睡眠、麻醉狀態，或是擁有意識障礙，例如植物狀態。

很快，這種方法也將能告訴我們哪些無反應的腦受損患者（更別說因為手術被麻醉的患者）有隱秘意識：儘管無法交流，他們或許依然在感受和體驗。事實上，正如《科學-轉化醫學》期刊所描述的，這項成就是科學離“量化不可量化”（quantifying the unquantifiable）最近的一次。

意識研究

但是關於意識，仍然有很多謎題。我目前在加州大學洛杉磯分校蒙蒂實驗室研究的課題是，為什麼患有天使人綜合徵*的兒童即使清醒並體驗著周圍的世界，他們的腦電活動卻缺少分化。毫無疑問，這些孩子是有意識的，因為我們可以清晰地觀察到他們豐富、有目的性的行為譜系。

然而，給一名患有天使人綜合徵的孩子帶上腦電帽時，我們卻會探測到託諾尼比喻的專制社會，也就是看起來受困於一致化的神經元。

*譯者注：天使人綜合徵（Angelman syndrome），又稱快樂木偶綜合徵、安格曼綜合徵。是一種遺傳異常所致的神經發育障礙性疾病，屬於非進展性腦病。特徵性表現為智力低下、快樂行為、嚴重語言障礙、共濟失調、睡眠障礙及癲癇發作等。發病率1/40000～1/10000。本病無法治癒，但症狀可隨年齡增長而減輕（來自百度百科）。

天使人綜合徵患者們能告訴我們意識必需和不必需的腦活動種類，從而和缺失部分或全部小腦的患者一樣，加深我們對意識的理解。我近期在這方面的研究表明，雖然腦電圖在天使人綜合徵中探測到了神經元整齊大聲地喊“口號”，在這些孩子們睡覺時，神經元的活動其實比起清醒時有變化：它們喊得更大聲了，並且豐富和多樣性都減少了。

我樂觀地相信，如果終有一天，有人在患有天使人綜合徵的孩子身上用刺激-壓縮的辦法測量了他們的神經回聲，那麼就能確認刺激-壓縮足夠敏感，能在無夢睡眠中判斷意識的存在。如果它不能，我們就又要從頭開始設計意識探測器了。

意識或許是最終極的前沿科學。如果IIT能繼續在正確的方向指引我們，我們就能開發出更好的意識障礙診斷方法。或許未來某天，它甚至能被用於可能不同於人類的大腦——人工智慧，並評估它們是否有意識。

這不是科幻小說：很多嚴肅的思想家，包括已故的物理學家霍金、科技創業家埃隆·馬斯克（Elon Musk）、加州大學伯克利分校的計算機科學家斯圖爾特·羅素（Stuart Russell）和牛津大學人類未來研究所的哲學家尼克·博斯特羅姆（Nick Bostrom），都認真對待AI的最新進展，並深切地為未來的人類或超人類級別AI可能帶來的存在風險而擔憂。

在什麼情況下，拔掉AI的電源是道德的？在未來幾十年內，拔掉超級AI電源的人（無論他們這麼做的原因有多麼緊迫）會想知道，是否真的有一顆人造大腦墜入黑暗，又或者只是一個複雜的數字計算機在發出模仿恐懼的聲音。

雖然我們還沒有真正遭遇這個挑戰，近期研究出的一種在體外培養皿中生長的迷你類大腦器官已經讓科學家和哲學家們費解了。目前，這些“迷你大腦”幫助著生物醫學的研究者們理解大腦疾病；但萬一，隨著生物工程技術在未來變得更加複雜，它們最終有了意識和感受痛苦的能力，怎麼辦？

迷你大腦和AI所帶來的挑戰使我們清晰地看到，意識研究的晦澀難懂的根源已經脫落，它也不再僅僅是象牙塔中消磨時光的主題。理解意識變得很重要——畢竟，有意識的大腦的健康取決於此。