整合信息理論能解決意識難題嗎？
——基于模型轉(zhuǎn)化的角度

李婷婷

(蘇州大學(xué) 政治與公共管理學(xué)院，江蘇 蘇州 215123)

意識難題不僅是神經(jīng)科學(xué)研究的難題，同時(shí)也是哲學(xué)的難題。作為客觀存在的物質(zhì)的大腦，是如何產(chǎn)生主觀現(xiàn)象性的意識，一直是哲學(xué)家和科學(xué)家不斷探索的問題。美國的神經(jīng)科學(xué)家朱利奧·托諾尼(Giulio Tononi)提出的整合信息理論，或許可以為解決意識難題提供一種新的思路。

一、意識是什么

關(guān)于意識的討論由來已久，那么意識到底是什么？當(dāng)我們開始追問這一問題時(shí)，意識已經(jīng)被我們對象化了，或者說，已經(jīng)變成了認(rèn)知科學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)問題。在古希臘，最早研究意識問題的是蘇格拉底(Socrates)，他認(rèn)為人類之所以有理性，是因?yàn)槿祟悡碛徐`魂。但要注意的一點(diǎn)是，蘇格拉底所講的靈魂并不完全等同于意識，只是與意識密切相關(guān)，或者說，蘇格拉底的探索只是涉及了意識。蘇格拉底之后，柏拉圖(Plato)認(rèn)為，靈魂是人類自身對于客觀世界的認(rèn)知能力，人類通過“意志”來做出行為選擇。柏拉圖所講的靈魂，在一定前提下和現(xiàn)在我們所談到的意識相近。

勒內(nèi)·笛卡兒(Renē Descartes)提出“我思故我在”，當(dāng)思維懷疑一切的時(shí)候，“懷疑”這件事情本身是確定的，因?yàn)榇嬖谒季S，才確定了思維者的存在，因此，人的本質(zhì)就是擁有思維。在這一歷史時(shí)期，人們對于意識是什么的研究，主要得益于個(gè)人生活的直接經(jīng)驗(yàn)，主要集中于人們對自身直接經(jīng)驗(yàn)的觀察和思考。近代已降，隨著自然科學(xué)的出現(xiàn)和不斷發(fā)展，尤其是在19世紀(jì)，實(shí)驗(yàn)心理學(xué)逐漸建立和發(fā)展起來，意識開始進(jìn)入科學(xué)研究的領(lǐng)域。在這個(gè)意義上，可以說，從這時(shí)起，關(guān)于意識問題的研究，從過去基于自身經(jīng)驗(yàn)的觀察逐漸轉(zhuǎn)為意識科學(xué)方面的研究。到了20世紀(jì)80年代后期，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)得到進(jìn)一步發(fā)展，計(jì)算機(jī)斷層顯像、腦電圖、核磁共振等生物測量技術(shù)的發(fā)明與改進(jìn)，為意識科學(xué)的研究提供了新工具。特別是認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)家們，開始利用神經(jīng)科學(xué)影像技術(shù)來分析大腦的神經(jīng)元、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)連接等是如何產(chǎn)生主觀的意識體驗(yàn)的。但問題是，這些對意識的對象化研究，真的可以解決意識難題嗎？

二、意識與信息

針對意識問題的對象化研究，有各種各樣的理論。但是，人們認(rèn)識到，對于大腦的所有科學(xué)分析，只能幫助我們認(rèn)識大腦各個(gè)區(qū)域的功能，至于認(rèn)知、情緒、當(dāng)下的體驗(yàn)是如何結(jié)合成一個(gè)有意識的個(gè)體，現(xiàn)有的科學(xué)分析還不能給予一個(gè)完整的解釋。

認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)家們正是基于這樣的一個(gè)前提，深入展開了對意識問題的探究。朱利奧·托諾尼和他的合作者利用腦神經(jīng)科學(xué)成像技術(shù)，經(jīng)過對神經(jīng)疾病患者的觀察和實(shí)驗(yàn)，提出了整合信息理論(information integration theory，簡稱IIT)。IIT的提出，對于解釋主觀性體驗(yàn)的意識是如何從客觀的物質(zhì)大腦中產(chǎn)生的問題，做出了不可磨滅的貢獻(xiàn)。

IIT認(rèn)為，意識的本質(zhì)就是信息，大腦在短時(shí)間內(nèi)通過對海量信息的高度整合產(chǎn)生意識。問題在于，整合信息理論可以真正解決意識難題嗎？為了回答這一問題，我們有必要考察一下整合信息理論的科學(xué)模型。

三、整合信息理論的科學(xué)模型

(一)IIT的1.0版本

在IIT的1.0版本中，“托諾尼主要借用了信息論的信息熵、相對熵等概念來表示系統(tǒng)信息的混亂程度，或者說是信息可能存在狀態(tài)的分布狀態(tài)的函數(shù)”[1]。這一版本的整合信息理論是最初的對于意識的探索，因此對意識本質(zhì)的界定還不是很清晰，主要嘗試在“雙向互動的有效信息”的基礎(chǔ)上能否完成對意識的整體信息的量值的測量。

托諾尼通過腦神經(jīng)科學(xué)成像技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)，意識的產(chǎn)生與大腦的特定系統(tǒng)——丘腦系統(tǒng)相關(guān)，在丘腦系統(tǒng)內(nèi)，大量的神經(jīng)元和神經(jīng)突觸之間通過聯(lián)結(jié)形成幾何體，不同層面的意識經(jīng)驗(yàn)的產(chǎn)生，根源于不同區(qū)域的神經(jīng)元如何聯(lián)結(jié)。[2]對于一個(gè)簡單的光敏二極管，我們可以通過改變它的電阻來檢測二極管的亮度，我們觀察到的二極管亮度變化的這一個(gè)極小的體驗(yàn)，也是大腦經(jīng)過復(fù)雜的信息篩選和整合得到的。但是大腦是大量的神經(jīng)元分布排列的復(fù)雜的因果整合系統(tǒng)，我們不可能通過光敏二極管這種簡單的裝置來測量信息的量值，這就涉及了整合信息的雙向互動有效信息。

要明白雙向互動的有效信息，我們首先要明白大腦丘腦系統(tǒng)內(nèi)各子系統(tǒng)之間的互動有效信息，我們假定丘腦部分神經(jīng)元通過排列聯(lián)結(jié)形成了一個(gè)子系統(tǒng)S，現(xiàn)在要做的就是測量子系統(tǒng)S的信息量有多少。我們可以簡單地把子系統(tǒng)S分成A和B兩個(gè)互補(bǔ)的部分，并評估可能是由A的信息輸出所引起的B的響應(yīng)，我們將A和B之間的有效信息定義為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)與目標(biāo)(B)之間共享的熵或信息的度量。如果信息源A的輸出作用到B上產(chǎn)生的響應(yīng)較大，也就是說A和B之間的聯(lián)結(jié)較強(qiáng)，那么EI(A→B)的值是比較高的。這里要注意的是EI(A→B)和EI(B→A)是完全相反的，如果要測量A的相應(yīng)程度，就要測量EI(B→A)的值。還要注意的一點(diǎn)是，EI(A→B)的值以AHmax和BHmax為界，以較小者為準(zhǔn)[3]。因此，雙向互動的有效信息就可以表示為EI(A↑↓B) =EI(A→B) +EI(B→A)，EI(A↑↓B)衡量A對B以及B對A的可能因果關(guān)系的全部結(jié)果。

在這個(gè)版本中把EI(A↑↓B)當(dāng)作概念模型，通過測量EI(A↑↓B)的值，我們就可以測量子系統(tǒng)S整合了多少信息量，EI(A↑↓B)的值越高，意識體驗(yàn)的層次就越高。但是在這個(gè)概念模型中EI(A↑↓B)=EI(A→B) +EI(B→A)還不是公理化的命題系統(tǒng)，對于子系統(tǒng)S中信息量Φ值的測量還沒有形成完整的公式，只是句法學(xué)的初步模型，并不能完整模擬意識體驗(yàn)的現(xiàn)象，因此還沒有形成語義學(xué)模型。

(二)IIT的2.0版本

IIT的2.0版本，進(jìn)一步界定了意識的本質(zhì)就是整體信息。這包含以下幾個(gè)含義：其一，對于意識體驗(yàn)中的信息，只有我們進(jìn)入到意識內(nèi)部才有可能去理解，如果始終處于觀察者的角度，我們或許永遠(yuǎn)無法獲取對意識本質(zhì)的理解，這也就是托諾尼所論述的“意識的內(nèi)部視角”。其二，我們的每一個(gè)意識體驗(yàn)，都是作為整體存在的，而不是獨(dú)立的、分化的、個(gè)體的，因?yàn)槲覀兊囊庾R體驗(yàn)是大腦經(jīng)過信息的高度整合之后完整呈現(xiàn)給我們的，不可化約為獨(dú)立的單一體。其三，意識的產(chǎn)生是由于大腦的丘腦系統(tǒng)內(nèi)部復(fù)雜的結(jié)構(gòu)以及對海量的信息收集、篩選、區(qū)分、確認(rèn)、整合無限循環(huán)的過程，丘腦系統(tǒng)的每個(gè)子系統(tǒng)的神經(jīng)元相互聯(lián)結(jié)的幾何體通過這樣的過程，幫助我們排除掉那些我們不需要的信息，并且完整地呈現(xiàn)給我們，因此意識體驗(yàn)就具有了排他性和整體性。[4]關(guān)于“意識的內(nèi)部視角”，托諾尼曾這樣解釋：“內(nèi)在的視角是從系統(tǒng)自身的視角看，給定它的一個(gè)當(dāng)下狀態(tài)和一些因果機(jī)制。在任何給定時(shí)刻，任一處于某特定狀態(tài)的物理系統(tǒng)，具有一些特定的因果機(jī)制；這些是其內(nèi)在的，不依賴于觀察的屬性?！毕鄬碚f，信息的外部視角就指的是基于外部觀察者存在的，依賴于觀察的屬性。

IIT的2.0版本還通過對感受質(zhì)的幾何刻畫，來分析意識產(chǎn)生的不同機(jī)制。假設(shè)一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)U中存在一個(gè)空間Q，這個(gè)空間內(nèi)存在一個(gè)因果機(jī)制Mi，在因果機(jī)制Mi的影響下，U的所有神經(jīng)元所整合的信息熵的概率分布就會有一個(gè)出現(xiàn)的概率Pi，在Mi這個(gè)因果機(jī)制下，每個(gè)神經(jīng)狀態(tài)的概率Pi在U中所對應(yīng)的點(diǎn)M0就會出現(xiàn)偏離，這個(gè)偏離向量M0→Mi就揭示了兩個(gè)因果機(jī)制之間的關(guān)系。[5]由此IIT的2.0版本中認(rèn)為，感受質(zhì)就是在神經(jīng)系統(tǒng)中不同機(jī)制之間相互聯(lián)系所對應(yīng)的幾何體。比較神經(jīng)系統(tǒng)U中的不同機(jī)制，就是比較幾何體，而幾何體是因?yàn)樯窠?jīng)元的相互聯(lián)結(jié)形成的，反映了信息之間的關(guān)系。因此，感受質(zhì)就是信息之間的關(guān)系，信息之間因?yàn)樯窠?jīng)元的相互聯(lián)結(jié)不同，信息之間的關(guān)系就不同，就會形成不同的感受質(zhì)，由此人們可以大膽假設(shè)，如果兩個(gè)意識體驗(yàn)的感受質(zhì)相似，那么兩個(gè)意識體驗(yàn)也會相似，反之，兩個(gè)意識體驗(yàn)就會有差異。[6]這里在一定程度上回應(yīng)了內(nèi)格爾的蝙蝠的問題，如果我們可以通過科學(xué)技術(shù)手段知道我們在某一刻意識體驗(yàn)的感受質(zhì)也就是神經(jīng)元聯(lián)結(jié)的幾何體是什么形狀，并且在蝙蝠中創(chuàng)造一個(gè)相似的幾何形狀，或許我們就可以知道作為一只蝙蝠的當(dāng)下意識體驗(yàn)是什么了。

通過對感受質(zhì)的幾何刻畫，IIT的2.0版本在整合信息理論的句法學(xué)模型向語義學(xué)模型的轉(zhuǎn)化上又邁進(jìn)了一步。但是，由于IIT的2.0版本依然沒有形成信息整合的完整的公式定理，只是對感受質(zhì)的幾何過程的刻畫，雖然對感受質(zhì)的幾何刻畫過程在一定程度上可以模擬意識體驗(yàn)的產(chǎn)生過程，但是缺乏強(qiáng)有力的數(shù)學(xué)公式的論證，IIT的2.0版本依然沒有完成句法學(xué)模型向語義學(xué)模型的轉(zhuǎn)化。因此，IIT的2.0版本的句法學(xué)模型還不是很完整。

(三)IIT的3.0版本

IIT的3.0版本繼續(xù)對感受質(zhì)的幾何刻畫過程做了更精細(xì)的調(diào)整和改進(jìn)。在這里，將神經(jīng)系統(tǒng)U的Q空間稱為了概念空間，給感受質(zhì)相對應(yīng)的幾何體賦予一個(gè)新的定義：“最大不可化約的感念結(jié)構(gòu)。”“最大不可化約的概念結(jié)構(gòu)”的含義是，這個(gè)幾何體是整體性的，是不可分割成獨(dú)立部分的，只有這樣，我們才能去測量一個(gè)完整的意識體驗(yàn)的幾何體的量值。

在IIT的3.0版本中，通過復(fù)雜的演算過程，托諾尼提出了整合信息理論的核心公式。

(1)Φ(Xi，ti)=H[Xi，ti‖Xi，ti/MIP]3

(2)Φ(X)=X*‖X**

公式(1)中的Φ就是“最大不可化約的概念結(jié)構(gòu)”的量值，并且是在特定的因果機(jī)制(Xi，ti)下所形成的特定狀態(tài)的Φ值，等式右邊的H是一個(gè)隨機(jī)變量，MIP(minimum information partition)指的是最小信息分區(qū)，可以看到，Φ值的測量主要是要測量大腦中海量信息的雙向互動有效信息的最小值。公式(2)中的X*和X**是多個(gè)神經(jīng)元構(gòu)成的復(fù)雜系統(tǒng)X的獨(dú)立分割部分。

由上可見，整合信息理論用公式說明了意識并不是單個(gè)信息產(chǎn)生的，而是系統(tǒng)在某個(gè)特定的因果機(jī)制下產(chǎn)生的特定狀態(tài)信息的高度整合，這個(gè)信息高度整合的程度就用量化的Φmax值來表示。每一個(gè)意識體驗(yàn)都是獨(dú)立的整體，是不可分割、不可分化的，意識體驗(yàn)的產(chǎn)生就是整體性呈現(xiàn)的過程，但是不同的意識體驗(yàn)的信息整合程度不一樣，也就是信息的多少是有區(qū)別的，所以Φmax值的大小不同，因此，Φmax值的大小，就決定了意識體驗(yàn)的等級高低。[7]IIT的3.0版本，完善了整合信息理論測量Φmax值的數(shù)學(xué)公式，句法學(xué)模型趨于完善，并且通過這個(gè)等式可以量化意識體驗(yàn)的信息量來解釋意識的產(chǎn)生，數(shù)理結(jié)構(gòu)比較清晰。這一解釋，雖然不一定符合意識體驗(yàn)形成過程的內(nèi)容，但可以模擬相似的意識體驗(yàn)產(chǎn)生的過程，形成了一套比較完善的理論體系，從而完成了整合信息理論的句法學(xué)模型向語義學(xué)模型的轉(zhuǎn)化，為整合信息理論提供了有力的科學(xué)論證。

四、結(jié)語

整合信息理論在對待意識的問題上始終堅(jiān)持整體性的觀點(diǎn)，將數(shù)學(xué)公式和大腦的神經(jīng)機(jī)制相結(jié)合，通過數(shù)學(xué)量化的方法試圖給予意識的產(chǎn)生一個(gè)比較完整的解釋，而句法學(xué)模型向語義學(xué)模型的轉(zhuǎn)化，給整合信息理論提供了強(qiáng)有力的科學(xué)論證。雖然整合信息理論還沒有真正解決意識難題，但卻為意識難題的解決提供了新的進(jìn)路。