万字追问 | 科赫：意识、量子力学与整合信息理论

原创 追问nextquestion

意识往往容易体会却难以定义。我们能做的就是去研究大脑内部，观察当有意识觉察发生时，大脑的哪些区域会变得活跃。如果能完全理解这一点，我们就掌握了所谓的“意识的神经相关物”（neural correlates of consciousness, NCC）。一旦我们做到了这一点，我们就有望在构建关于意识究竟是什么以及它为何会产生的理论图景方面取得进展。

理论物理学家肖恩·卡罗尔（Sean Carroll）邀请神经生理学家克里斯托夫・科赫（Christof Koch）展开了一场深刻的对谈。科赫是探寻意识神经关联方面的领军人物，同时也是一种特定的意识研究方法，即整合信息理论（IIT）的倡导者。

肖恩・卡罗尔

Sean Carroll

理论物理学家

从事量子力学、引力和宇宙学等领域的研究，现任加州理工学院物理系瓦尔特-伯克理论物理学研究所、研究教授，圣菲研究所（Santa Fe Institute）外聘教授。主要作品有《寻找希格斯粒子》、《大图景：论生命的起源、意义和宇宙本身》等。

克里斯托夫・科赫

Christof Koch

神经生理学家和计算神经科学家

加州理工学院教授，知名于对意识的神经基础的研究，曾担任西雅图艾伦脑科学研究所的所长兼首席科学家。他现在仍是该研究所的功勋研究员。主要作品有《意识探秘：意识的神经生物学研究》等作品。

科赫的意识研究之路

肖恩・卡罗尔：科赫，自你开始探索意识的本质及其运作机制以来，你对意识是什么及其运作机制的观点是否发生了重大变化？其主要转变路径是什么？

克里斯托夫・科赫：我在加州理工学院担任年轻助理教授，和弗朗西斯开启意识研究的时候，这一领域在当时的科学界尚属禁忌话题，尤其是对于像我这样尚未获得终身教职的研究者而言。因此，意识研究只能作为工作之余的探索方向，每当提及这一话题，消息灵通的研究生们往往会表现出不以为然的态度。基于此，我们制定了一套纯粹以实证为导向、注重实际应用的研究计划。鉴于哲学领域在过去两千年里，针对意识问题的研究进展有限，我们决定暂时搁置哲学层面的探讨，将研究重心聚焦于可操作的实际内容。

于是我们讨论了如何在猴子、人类以及小鼠中建立特定模型系统，探讨如何开展研究、使用哪些技术手段、运用哪些视觉错觉，并明确研究的基本问题。这一实证研究计划逐渐获得学界关注，并推动了NCC研究的发展。换言之，就是要寻找大脑中任何单一意识体验的"足迹"，比如当下我看到你，同时脑海中听到你的声音，这种内在的语音体验。然而，对于任何有意识的体验，如听觉、视觉、嗅觉，以及诸如愤怒、沮丧、爱慕等情感，现有物理学理论均无法解释其产生的根源，无论是量子力学、广义相对论、化学元素周期表，还是无尽的ATGC碱基序列。

因此，只要你相信意识是需要解释的事物，寻找NCC的过程与哲学或形而上学基础无关，不过，并非所有哲学家都认同这点。部分哲学家，如丹尼尔・丹尼特（Dan Dennett）和丘奇兰德（Churchlands）夫妇，认为意识概念本身存在混淆，他们认为意识并不以你我认知的方式真实存在，而只是严重的干扰项。但在大多数人，甚至多数哲学家看来，意识现象亟待科学解释，而在大脑中探寻其存在的痕迹，正是基于实证的研究路径。

在与弗朗西斯・克里克（Francis Crick）合作的14年间，研究的形势发生了显著变化。可以预见，随着研究的深入，我们终将揭示意识在神经元层面的具体表现机制。比如，无聊与恋爱的体验截然不同，它显然具备某种主观感受特质。我们终将明确这些感受背后涉及的神经元、作用机制，它甚至可能与波函数坍缩相关。

然而，随之而来的问题是，为何是特定的机制或神经元参与其中？若涉及波函数坍缩，又为何这种坍缩会引发特定的主观感受？这便是大卫・查尔莫斯（David Chalmers）提出的 “难题”。因此，我们需要构建一个精确、科学、客观且可验证的意识理论，这样的理论需解答诸如胎儿何时开始具有意识、机器能否产生意识、微观粒子是否有意识，以及子宫旁组织是否存在意识等一系列问题，从而明确物质世界中哪些部分具备感受能力。

在早期研究阶段，弗朗西斯和我并刻意回避了这些复杂问题。但时过境迁，如今距离那时已过去30年。在此期间，意识研究领域涌现出诸多理论，其中意识的整合信息理论（Integrated Information Theory）备受关注。该理论基于因果关系构建，弗朗西斯曾与该理论的创始人朱利奥・托诺尼（Giulio Tononi）会面，朱利奥还曾两次前往弗朗西斯家中共进午餐，或许弗朗西斯会对这一理论产生兴趣，这也是研究历程中出现的重要转变。

肖恩・卡罗尔：也就是说，你最初专注于探寻大脑中与有意识体验相关的要素，而现在更强调不仅要进行实证研究，还需要构建理论体系，从而能够探讨胎儿、人工智能等难以直接判断是否具有意识的对象。

克里斯托夫・科赫：是的。目前在这些问题上，人们的观点大多基于直觉、宗教信仰或哲学观念。例如，有人认为胎儿从孕育之初便具有意识，而另一些人则主张胎儿在出生后才开始产生意识。同样，关于动物如狗、猫是否具有意识，以及意识在生物进化历程中能够延伸到何种层次等问题，尚无定论。

当前，我们仅凭借直觉进行判断，然而，不同个体的直觉差异显著，这种研究现状显然无法满足科学探索的需求。就如同历史上人们曾凭借直觉认定鲸鱼属于鱼类，而科学研究最终证实鲸鱼实际上是哺乳动物，仅凭直觉进行判断会存在局限性。

肖恩・卡罗尔：你刚刚提到了与我对话时的视觉和听觉等体验。在你看来，充满哲学意味的"意识"（consciousness）与单纯的"觉知"（awareness）有何区别？它们是同一事物吗？

克里斯托夫・科赫：我和弗朗西斯曾对这一问题进行过深入探讨。在我们看来，二者本质上是相同概念的不同表述。在早期研究阶段，受学术环境限制，“意识”一词在自然科学和物理学基础研究领域较少使用，仅少数像罗杰・彭罗斯（Roger Penrose）这样的学者会提及。因此，人们常用“觉知”来替代“意识”进行表述。

“觉知”涵盖的范围更为宽泛，例如意识到自己活着、清醒，或是注意到周围环境中的事物。从本质上讲，这些都可归为心理状态（mental states）、主观状态（subjective states）或现象状态（phenomenal）。哲学家偏好“现象”（phenomenal）来概括此类概念，无论是生命感知、清醒认知，还是诸如无聊、饥饿等感觉，均属于意识体验的范畴。

意识的神经关联

肖恩・卡罗尔：我们在字面意义上的神经关联（literal neural correlates）方面我们取得了多少进展呢？比如当我饥饿，或者感到饥饿时，我们知道是哪些小神经元在激活吗？

克里斯托夫・科赫：当前虽然积累了大量关于神经元和大脑区域的研究成果，但大多仅停留在相关性层面。以视觉研究为例，作为研究最为深入的感觉模态，我们对其神经通路已有较为全面的认知，但这些发现仍未明确哪些是意识产生的必要因素。比如，视觉形成虽然始于光子进入眼睛，但闭眼时的视觉想象、梦境中的视觉体验表明，眼睛并非视觉意识产生的唯一条件。因此，区分与意识相关的因素和真正起因果作用的机制，依然是研究面临的核心挑战，而且存在广泛争议。

你或许听说过27年前我和哲学家大卫・查尔莫斯（Dave Chalmers）进行的著名赌约。当时在不来梅的某次意识研讨会的深夜，他向我发难：“听着，即使过了25年（那时我们都年轻得多，25年感觉就像永远那么长），我们也找不到这些（意识的神经关联）答案。这会花费我们更长的时间。”他没说这是不可能的。他也认同对意识的神经关联的研究是一个纯粹基于实证的，从操作层面定义的项目，只要有足够的人力、资金、资助和研究投入，终将能弄清楚。

所以两年前我们有了一次会面，那是作为“对抗性合作”的一部分。当时坦普尔顿基金会启动了一个项目，他们让意识领域的两大主流理论，整合信息论（Integrated Information Theory）与全局神经元工作空间理论（global neuronal workspace theory），直接对决，类似1919年通过日食观测验证光线偏折符合牛顿力学或爱因斯坦相对论的著名实验。

在2023年5月纽约的那次会议上，大家达成的共识是，目前这两个理论都不完全正确。至少就意识的神经关联在大脑中的实证表现而言是这样的。整合信息论主张意识的神经关联位于大脑后部的感觉皮层，而全局神经元工作空间理论则认为主要在前额叶皮层，也就是人类大脑相较于其他哺乳动物显著扩展的区域。目前这一领域尚未形成定论，但我们正在接近答案。而我们意识到，前额叶皮层更多与行为、规划及智能相关，从而区分了意识与智能，以及人工意识与人工智能。

▷大卫·查尔默斯（右）和克里斯托夫·科赫于6月23日在纽约市见面见证了他们的赌局。查尔默斯为赢家，科赫将一箱美酒搬到台上，作为赌输的补偿。图源：论文。

意识归根结底是关于“存在”，比如恋爱、快乐、愤怒、视听感知等。而智能实际上是关于短期、中期和长期的行动规划。比如，我现在需要为日后养老来存钱，这就是一个智能行为。所以归根结底，智能的本质是"执行功能"。这和“存在”是不同的。所以，大脑中参与规划、推理、思考、道德推理和决策的部分，与作为感受与体验基质的大脑部分有所不同，这也就不足为奇了。

整合信息论与

全局神经元工作空间理论

肖恩・卡罗尔：我很喜欢对抗性合作这个概念，它应该被更广泛地采用，尽管以我的经验来看，有些对手根本无法合作。祝贺你们能够做到这一点。但我必须要问，什么是整合信息论？什么是全局神经元工作空间理论？我之前从未听说过它们关注或者提出大脑的不同部分是意识的核心这种观点。

克里斯托夫・科赫：这确实是此次会议的一个积极成果。实际上，近期我参与了伦敦 DeepMind公司组织的线上会议，主题围绕计算功能主义与意识。当前，多数意识研究者，尤其是人工智能领域及科技企业从业者，普遍认同美国哲学家普特南（Putnam）提出的图灵功能主义（Turing functionalism）或计算功能主义（computational functionalism），主张意识对应一个或多个特定功能，如规划决策、信息整合、长期记忆等，任何实现这些功能的系统，包括图灵机，都被认为具有意识。

因此，如果我们能让一台图灵机模仿看似涉及意识的行为，比如谈论意识并据此推理，那么像大语言模型这样的机器也将是有意识的。那么，ChatGPT-4.0、O3、DeepSeek、谷歌的Gemini是否已有意识？或仍欠缺某些要素？或许需更多token输入、或者拥有更长记忆等。但这实际上只是关于实用性的问题。这就是计算功能主义。

所以根据普特南的观点，意识是一种计算，是一种技巧。如果我对机器进行编程，其运行与底层载体无关，它可以在云端运行，也可以在量子计算机上运行。这是一种巧妙的技巧，一旦你实现了这种技巧，这些机器就是有意识的。当你询问时，它们会详尽谈论自身意识程度与感受。

普特南的观点极为流行，且在产业界占据主导，因为当你与大语言模型互动时，它们不仅显得智能，甚至还具备觉知。它们的数据库被输入了人类的每一部小说，而所有小说都围绕主人公的情感，他们的爱恨、荣辱、受伤等等展开。它们就像吸血鬼一样吸收了这些内容，所以当然能够重现这些。但我认为，这全都是深度伪造的。

而整合信息论认为，意识是一种存在状态，存在于高维因果空间的结构中。具体而言，意识源于系统对其自身的因果影响力，它源于系统对自身的因果影响力，即系统既能决定自身未来状态，又受过往状态约束。一个系统的这种自我作用程度越高，意识水平就越强。

这类似于说复杂系统具有自我作用能力，它不是随机决定的，其下一个状态是上一个状态的函数，任何这样的系统，如果从转移概率矩阵的角度来看数学公式，都具有所谓的因果影响力，也就是说，尽管不是完全确定的，但当前状态会对下一个状态产生影响，或者说过去决定现在，现在决定未来。一个系统对自身命运的内在因果影响力越大，它具有意识的程度就越高。

该理论包含两个核心要素。第一，它有一个叫做Φ的数值，用来度量的系统不可约性（irreducibility）。一个系统超越其各部分之和的程度越高，Φ值就越高，它的意识程度也就越高。所以若存在一个Φ值为零的系统，就意味着它作为一个整体并不存在，它的不可约性为零。它实际上更像是两个独立的系统而不是一个。由于不具有整体性，那样的系统是没有意识的。Φ值越高，系统的意识程度就越高。

最重要的是——这是其他理论从未强调过的一点——你必须解释，为何恋爱具有特定主观体验？为何时间单向流动？空间、视觉或听觉空间为何呈现延展性？底层基质如何产生延展感、无聊感或愤怒感？通过解析展开的因果空间结构，该理论解释了不同体验的独特性，即为何每种感受都具备特定质性。

▷全局神经工作空间理论

肖恩・卡罗尔：那么全局神经元工作空间理论算是普特南功能主义的一种衍生理论吗？

克里斯托夫・科赫：全局神经元工作空间理论是20世纪50年代计算机科学领域的一个隐喻，设想有一个中央处理器，它会把信息写在一块“黑板”上。这也被称为黑板架构。每个局部处理器都可以访问这块“黑板”。该理论认为，人脑多数活动处于无意识状态，如每秒四次的眼球运动、步态调节、句法推断等，这些局部过程自动运行，无需意识介入。每个有意识的信息都具有全局可访问性。一个心理学家的正确见解是，一旦我意识到某件事情，大脑中的所有不同处理过程都会得知这件事，进而实现长期记忆存储、短期信息处理、长期规划制定及逻辑推理。一旦信息变得全局可访问，它就可以被大脑中的所有信息处理系统所获取。而这就是意识的本质。

这个隐喻实际上是信息广播，而且已经确定了一组位于前额叶皮层的神经元，这些神经元会把信息投射回大脑的其他部分。理论声称，当视觉等局部信息从脑后部向前传递时，若经筛选确认其足够重要，就会扩散至大脑皮层，这种信息的全局传播过程就构成了意识。任何具备此类信息传播功能的系统，在该理论框架下均被视为具有意识。

肖恩・卡罗尔：全局神经元工作空间理论似乎关注的是意识所涉及的注意力焦点，而整合信息论则更侧重于我们用来规划和掌控自身命运的那种综合信息。

克里斯托夫・科赫：是的，但它不只是在高层次上关乎命运。因果影响力只是某些元素（神经元、晶体管等）施加影响的能力，例如正电荷具有外在的因果影响力，能影响负电荷。引力由于时空的曲率而具有因果影响力。内在因果影响力就是，一个由神经元、细胞或晶体管（不管是什么）组成的微小细胞网络。如果这些神经元素或这些组成部分处于某种状态，那么下一个状态将会被决定。

因果影响力是实际上可以评估的。如果对一个系统有完整的数学描述，知道它的状态如何随时间演变，以及各个组成元素如何相互影响，就可以完全确切地计算出它所有的因果影响力。这并非空想，而是可操作的概念，不诉诸神秘主义或二元论。它只是主张体验的感觉本质上就是这种展开的因果影响力。任何一个具有整合性的系统，即便如子宫旁组织这类看似简单的系统，因内部存在大量分子（可能包含上千种蛋白质等）的复杂因果交互，亦可能具备微弱的“存在感”，体现出最基础的意识特质。

▷来源：A. K. Seth & T. Bayne Nature Rev. Neurosci. 23, 439-452 (2022)

泛心论与物理主义

肖恩・卡罗尔：因此你并不畏惧泛心论（panpsychism）思想。即使你不是一个彻底的泛心论者，但你能理解为什么这会是一种思考事物的方式。意识并非达到某个阈值才涌现，而是如碎片般广泛存在。

克里斯托夫・科赫：完全正确。而且它也没有自由参数。不必武断设定“如果你的Φ值是42，那么你就有意识，但如果低于42就没有意识”。作为一名生物学家，我研究老鼠的大脑，老鼠大脑的大小只是人类大脑的千分之一。然而，如果你观察其皮层硬件，在显微镜下与人类脑组织几乎很难区分。所以毫无疑问，更小的动物，若具复杂行为与记忆的物种，很可能也具备主观体验。这种“万物皆有意识碎片”的古老直觉，也即所谓的泛心论。

肖恩・卡罗尔：你会把自己归为物理主义者（physicalist）吗？你是否认为意识仅由物理物质构成，不涉及什么神秘的本质？

克里斯托夫・科赫：从很久以前开始，物理主义就一直有个让我困扰的地方，那就是心智显然不是物理的。我的视觉、存在或思维状态都不是物理的，根据定义，它是现象层面的。事实上，薛定谔非常明确地指出，即使作为一名物理学家，也要通过示波器轨迹等意识体验获取数据。当想象爱因斯坦的电梯在自由落体之类的情况时，也需依赖意识中的想象力。那就是意识。

所以我们无法摆脱自身局限。我们唯一能接触到的东西，就是我们对世界的体验。人们无法直接接触到原子，即便通过图像或方程间接理解原子论，但直接感知的只是现象。所有这些像在现实的洞穴内部描绘的美丽形状，构成了我们所谓的“定制现实”（bespoke reality）。那是每个人唯一知道的东西，哲学家称之为"直接亲知"（directly acquainted with）的唯一存在。

物理主义是一个额外的假设。它主张现象背后存在超越性实体。但若反其道宣称"不存在现象，万物皆物理"，则显得荒谬。但如果你想继续当一名科学家，那在学术圈子里你都不能这么说。因为那样你就会被斥为“玄学”。

肖恩・卡罗尔：是的。我欣慰你已挣脱束缚，并勇于承认这些思想倾向。

克里斯托夫・科赫：这得益于一次特殊经历带来的启发。我成长于具有德国文化背景的家庭，自幼接触理查德・瓦格纳（Richard Wagner）的艺术与亚瑟・叔本华（Arthur Schopenhauer）的哲学思想。叔本华作为现代西方唯心主义的重要代表，其理论对我影响深远。

如今，哲学界正兴起泛心论与经典唯心主义的复兴思潮。在此背景下，我想起一位计算机科学家兼哲学家伯纳多·卡斯特鲁普（Bernardo Kastrup），他提出"分析唯心主义（analytic idealism）"，该理论继承叔本华思想精髓，依据奥卡姆剃刀原理，主张现象是人类认知的唯一直接对象，物理世界的一切概念，从原子、电荷到基本粒子，最终都需在现象框架内得到解释。这种哲学观念与现代基础物理学发展相呼应，尤其是贝尔不等式、量子纠缠等理论揭示的“非定域性”现象，暗示不存在完全独立于观察者的客观事件，强调观察者在物理学理论构建中的核心地位。

人类直接认知的只有现象，因为那是我和你所知道的唯一的东西。一切都是现象。物理层面的东西实际上是从现象中产生的，比如原子、电荷、大脑、基本粒子、夸克以及任何你能想到的物理事物，最终都必须从现象的角度来解释。这种哲学现在与基础物理学相契合，自从贝尔不等式、量子纠缠以及爱因斯坦所说的“幽灵般的超距作用”（spooky action at a distance）以来，我们现在知道可能不存在真正独立于观察者的事件。观察者或许应成为物理学的核心要素，甚至构成存在的根本基础。

这里有一点非常关键。整合信息论区分了绝对存在和相对存在。绝对存在是自为存在。比如在你睡眠的早期阶段进入了深度睡眠，如果我在你深度睡眠时叫醒你问你，你刚刚从哪里来？通常你会说从nowhere（无）来，因为你处于深度睡眠中，delta波在你的大脑中活跃。“你”在那个时刻对于自己来说是不存在的。

当你的身体继续睡眠时，你会在躯体沉睡时"苏醒"于梦境，突然你就有了某种存在的感觉。你在梦中飞翔，遇见了很久没见的，已经去世的朋友、爱人、宠物等等。做梦是一种有意识的状态，此时你重新为自身存在。只有有意识的生物，或者有意识的系统才为自己而存在。这是贯穿一切的根本差距，揭示出现象与体验的核心地位。

▷来源：Davide Bonazzi

肖恩・卡罗尔：这太棒了。我可能在你所说的每一点上都完全不同意，但我很喜欢这种讨论。

克里斯托夫・科赫：为什么呢？你不同意什么呢？

肖恩・卡罗尔：我是一个彻头彻尾的物理主义者。对于量子力学的理解，我与你观点不同。诚然，科学研究始于对现象的观察与数据收集。但我们会据此构建关于世界运作的假设，而我们拥有的最佳假设是，存在一个真实的物理世界，而我们是从这个物理世界中涌现出来的一部分。

克里斯托夫・科赫：我对此假设并无异议，这也是我每天在研究大脑的日常工作中所做的事情。但我想我们的分歧在于量子力学在多大程度上重新引入了某些概念，或者它是否试图摒弃某些概念。前几年Nature Physics上有一篇由霍华德・怀斯曼（Howard Wiseman）团队撰写的论文*，对事件的绝对性（absoluteness）提出了质疑，即认为不存在独立于观察者的事实。我同意这个问题尚未得到解决，目前仍在研究中。但对于量子力学来说，弄清楚什么是事实以及哪些事实不依赖于观察者，一直都是挑战。

Baker, Travis J., et al. "The Heisenberg limit for laser coherence." Nature Physics 17.2 (2021): 179-183.

肖恩・卡罗尔：这是理解量子力学的难点之一，因为在物理学中，量子力学是唯一一个在给出理论规则时引入了观察者概念的理论。自20世纪50年代以来，一直存在一些纯粹的物理主义模型，这些模型解释了为什么量子力学中的观测很特殊，但又没有将观察者纳入基本的本体论范畴。然后这成了一个实证问题，即这些模型是否正确，以及到底哪个模型是正确的。

克里斯托夫・科赫：我同意。形而上学解释，无论好坏，都无法被证实或证伪。在量子力学中，最好的理论是什么呢？是隐变量理论、贝叶斯理论，还是多世界理论等等呢？

肖恩・卡罗尔：我的倾向是，从物理主义推导出精神层面的东西，在科学上比接受从唯心主义推导出物理世界要好得多。

克里斯托夫・科赫：我承认这一点，但那纯粹是出于实用主义的考虑。而我想在有生之年弄清楚，我想知道宇宙的真实状态是什么，而不是哪种状态是最实用的。

整合信息论的反驳与回应

肖恩・卡罗尔：不管怎样，我完全认同这样一种观点，即现代形式的唯心主义在知识层面上是一种值得尊重的研究方向，无论是量子力学的认知方法，还是唯心主义或泛心论等等。整合信息论的伟大之处在于，它有量化的指标，具备可证伪性，Φ值能帮助我们判断意识在哪里。而斯科特·阿伦森（Scott Aaronson）的反驳是，他能举出从表面上看根本不像是有意识的反例，比如一个大型的矩形逻辑门阵列，对于所计算的数值来说，它的值非常大，但似乎与我们对意识的直观理解不相符。你对这个反驳如何回应？

克里斯托夫・科赫：整合信息论和其他任何好的理论一样，如果进行外推会得出一些相当反直觉的预测。大脑新皮层（neocortex）的后部是包括人类在内的哺乳动物意识的基础，它就像一个非常庞大的神经元阵列，可以近似看作是一种特定类型的逻辑阵列，它们具有拓扑连接性，所以和斯科特所假设的那种阵列并非毫无关系。所以我认为他是对的，确实存在一些非常反直觉的预测，必须进行科学研究。

很久以前，在希腊时期，人们就曾争论说地球不可能是球形的，因为人们会从上面掉下来，这是最荒谬的想法。所以对于我们认为反直觉的事情，我们必须谨慎对待。现在人们可以开始构建大脑类器官了，大脑的新皮层与我们的视觉、意识和智能联系最为紧密，就像一个披萨状的组织，2-3毫米厚，直径有12-14英寸，高度折叠且分左右半球。理论上，假以时日，在20年、30年后，人们将能够在培养皿中培养出这样的东西。这似乎有点荒谬，但我认为这将会发生。

假设该组织具备意识，可能它只能感觉到一种广阔的空间延展性，就像在某些冥想状态下，冥想者所描述的那种巨大的光明感。果真如此，意识最终可能会在非常奇怪的地方被发现。但验证理论的唯一途径是通过人类自身。一旦我们验证了一个理论，那么我们就得跟着这个理论的指引走。

肖恩・卡罗尔：所以你的答案是接受这个观点，即那些似乎与我们对意识的直观想法不相符的例子，仍然应该被视为有意识的。

克里斯托夫・科赫：反之，对于那些看起来很有意识的东西，比如大语言模型，同样的逻辑也适用。我们必须进行验证，它们是真的有意识，还是只是在假装有意识呢？

肖恩・卡罗尔：有人计算过大语言模型的Φ值吗？

克里斯托夫・科赫：是的。我们在bioRxiv上有一篇正在提交的论文可以正式证明。（假设整合信息论成立）由116个逻辑门构建的简化冯·诺依曼机模型，与仅含4个非线性门的自动机在功能上完全等效，其输入输出状态无法区分。

但从现象层面来看，高度非线性的简单自动机有一些因果影响力。相比之下，116个门的系统在整个系统层面上根本不存在明显的因果影响力。为什么会有这种差异呢？因为在典型的中央处理器（CPU）中的机器，一个晶体管会与两三个其他晶体管相连，并通过成千上亿个这样的晶体管阵列排列起来提供通用逻辑。而大脑的连接方式则不同，单个神经元会从5万个神经元接收输入，并投射到5万个神经元，且有大量的重叠连接。

这种因果影响力的概念在两者之间是截然不同的。功能上的等价并不等同于现象上的等价，在极限情况下，两个功能相同的系统，可能会出现一个有意识，另一个则完全没有意识的情况。我认为大语言模型就是如此。但对于神经形态计算机或者量子计算机，你就无法做这样的证明。所以说，整合信息论认为大脑并没有什么超自然的地方，因此很可能可以制造出有意识的人造物，但绝非通过我们今天制造计算机的这种方式。

▷图源：Shuzhan Yu

肖恩・卡罗尔：你是否认为，整合信息论可能更适合被看作是意识产生的一个必要但不充分条件？也就是说，如果你没有这种高Φ值的整合信息，你就没有意识。但仅仅因为你有，并不意味着你就有意识。若系统无世界表征或语义，或许不应视其有意识？

克里斯托夫・科赫：完全可以，事实上我们已经在计算机中尝试进化出具有高Φ值的简单生物，并且它们在某种意义上能够表征世界。从随机连接的“大脑”开始，通过数千代遗传算法迭代，最终得到的“大脑”能够将外部世界（比如迷宫或其他它们需要应对的东西）映射到它们的内部“大脑”中。

整合信息论并不排斥存在像你我所拥有的那种，在外部世界和视觉脑或听觉脑之间的规律性映射。事实上，整合信息论中有一个叫做 “中心恒等”（central identity）的概念，它表明意识体验与内在因果影响力的总和是等同的，或者说，能够被内在因果影响力的总和完全解释，一一对应，两边都没有剩余。你体验的每一个方面，包括每一个记忆、每一个想法、每一个梦，都可以得到完全的解释。当然，这仅是理论假说，存在被证伪的可能。

老鼠的大脑……

肖恩・卡罗尔：你能把整合信息论的观点应用到老鼠大脑的研究中，或者利用这些观点来了解老鼠大脑吗？

克里斯托夫・科赫：可以。人们通常认为老鼠相对低等，它不具备语言表达能力，这是事实。但同样地，如果对老鼠大脑、狗大脑、大象大脑或人类大脑的组织，其基本的硬件结构都具有相似性。我们刚刚发表在Nature上的一系列论文可以证明这一点*。小鼠大脑由5000种不同类型的脑细胞组成，例如浦肯野细胞、锥体细胞等，而在人类大脑中也能找到大致相同的5000种细胞。基因也是如此，人类的基因组大约有2万个基因，老鼠的基因组也约有2万个基因。两者极为相似，而在伦理限制下，在老鼠身上进行实验更为容易。

Bakken, Trygve E., et al. "Comparative cellular analysis of motor cortex in human, marmoset and mouse." Nature 598.7879 (2021): 111-119.

显然无法在老鼠上直接研究关于语言的问题，但可以开展一些基本的实验。老鼠触觉敏锐，嗅觉灵敏，视觉则相对较弱，不如人类的视觉发达。所以有许多实验可以在老鼠或类似生物身上进行，这些实验与在人类身上进行的实验高度相似或密切相关，而在人类身上做实验存在一定限制，通常无法直接接触人类大脑，只能间接观察，必须使用脑电图（EEG）和功能磁共振成像（fMRI）。不过，需要注意的是，人类具有一些特化的能力，比如人类存在高度发达的自我重要感，这是显著的区别。

肖恩・卡罗尔：我觉得讨论宏观的哲学问题很有意义。这些问题虽与实证研究有所不同，但绝对依赖于实证工作，比如试图确定大脑中有多少种不同类型的神经元。

克里斯托夫・科赫：确实如此。否则我们就会像大约2400年前雅典学院里的柏拉图和亚里士多德般空谈而无进展。科学，包括关于迷幻剂、量子力学领域的研究等等，的伟大之处在于，通过正确的实验形式向大自然提出准确的问题，就能够获得答案。这是科学超越其他人类活动的至高价值。

可操作的意识问题

肖恩・卡罗尔：基于我们现有的知识以及仍在探索的假设，正如我们此前提及的，关于意识存在诸多实际且可研究的问题。我们想要探究，人在做梦时是否具有意识？处于昏迷状态时意识状况如何？受孕六周后胎儿是否已产生意识？您认为我们在这些问题的研究上取得进展了吗？

克里斯托夫・科赫：是的，实际上，我参与创立了一家名为“内在力量（Intrinsic Powers）” 的公司。除了受孕六周后是否有意识这个问题，我们对其他问题均有涉及，这个问题我们稍后再探讨。

首先，公司推出了一款设备，该设备最初是一个纯粹的研究原型，由整合信息论的提出者朱利奥・托诺尼（Giulio Tononi）及其医学领域的同事马塞洛・马西米尼（Marcello Massimini）共同开发，用于检测行为无反应患者是否存在意识。假设你我在此对话后突发心脏病、大出血或车祸进入ICU且无行为反应。虽然能依靠呼吸机维持生命体征，但对外部刺激没有回应。医生会询问诸如能否听到声音、能否看见物体、能否用眼睛追踪手电筒光线，或者在受到捏触时能否发出呻吟、活动肢体等问题，若患者毫无反应，就会被判定为行为无反应，以往这种状态被称为植物人状态。若患者在四到五天后仍持续这种状态，医疗团队通常会与患者家属商讨，讨论患者的意愿，以及是否到了终止生命维持治疗的时候，一旦做出这样的决定，就会撤掉呼吸机，而这类患者中会因停止生命维持治疗而死亡的概率高达90%。

如今我们已经明确，这些患者中有四分之一是有意识的，只是这种意识处于隐蔽状态。具体表现为，当向躺在病床上的患者提出指令，如“先生，请想象踢30秒钟足球，然后想象安静地待着”，反复提出这样的指令后，通过检测可以发现，患者运动皮层的反应会出现规律性变化。这表明，尽管这类患者无法进行语言交流，看似意识缺失，但实际上仍能够自主、规律地调节大脑活动。

我们共同开发的这款设备，其工作原理是通过发送经颅磁刺激磁脉冲来刺激大脑，然后利用高密度脑电图（EEG）测量大脑的反应，并从整合信息论的角度计算这种反应的复杂性。研究发现存在一个标准化的绝对阈值0.32，其中数值零表示大脑完全无反应，即刺激后没有任何回应，这种情况可判定为脑死亡；而数值1表示每个测量点、每个电极的反应都完全独立于其他电极，这种情况在真实大脑中不会出现。

通常情况下，正常清醒状态下，如你我现在的大脑，或者人在做梦时，大脑反应复杂性数值在0.6到0.8之间；深度睡眠时，大脑复杂性数值低于阈值0.31；处于做梦状态、服用迷幻剂时，大脑复杂性数值较高；处于麻醉、明确的昏迷状态时，大脑复杂性数值较低。因此，0.32是一个较为有效的判断阈值，其特异性高达0.95，构成首个原始意识检测工具。这再次证明，无论秉持唯心主义、物理主义还是泛心论观点，我们都能够在意识研究问题上取得进展，能够研发出意识检测设备。目前，我们有信心在未来为每一种哺乳动物开发此类检测器，甚至有可能应用于任何系统，但现阶段主要针对人类，这无疑是意识研究领域的重要进展。

肖恩・卡罗尔：这项研究成果对实现脑机接口，以及与昏迷患者进行交流有帮助吗？

克里斯托夫・科赫：没有帮助。这款设备的功能仅限于检测大脑复杂性是否足以支持意识存在。不过，检测结果可用于指导如何对这类患者开展针对性康复治疗，或者作为评估患者后续治疗方案的依据。一般来说，患者的转归有几种情况：多数患者要么死亡，要么恢复部分功能；约5%到10%的患者会发展为慢性病，这类患者通常会被安置在疗养院，部分会被送回家中，有些患者可能完全无法恢复，有些仅能有极小程度的恢复，少数患者可能会恢复一些眼部活动能力，也有患者可能始终无法恢复任何功能。

肖恩・卡罗尔：听到这些情况我深感遗憾，但也很高兴看到您在这方面的研究取得进展。这些研究有助于区分患者康复的可能性，避免盲目治疗。那么关于胎儿意识的问题，胎儿从何时开始有意识？这个问题能够进行定量分析吗？

克里斯托夫・科赫：我们了解到，大脑皮层直到怀孕中期才发育完全。在怀孕前三个月的8到10周，神经系统开始发育，但此时与外部世界的真正连接，以及通过丘脑建立的连接尚未形成，这种连接通常在怀孕22或24周才会出现。在此之前，脑电图（EG）基本呈平线状态，之后才会出现第一次爆发-抑制（burst suppression）脑电图，即大脑活动呈现一阵活跃后静息，再活跃再静息的状态。而典型成年人的脑电图模式，要到怀孕后期第三个月末才会出现，此时各种脑电波发育完全。

因此，目前很难确切推断，在怀孕前三个月胎儿是否有意识。就目前的研究判断，怀孕前三个月胎儿可能不会有明显意识。在怀孕中期快结束时，胎儿开始出现一些简单的反射能力，例如早产儿在接受手术时，会出现肢体回缩反射，但这种反射并不能直接证明意识的存在。

肖恩・卡罗尔：是的，这仅仅是一种反射行为。

克里斯托夫・科赫：果蝇胚胎也会对热源（如火柴）做出躲避反应，这种行为是否能等同于意识相关的反应，目前还难以界定。

模拟意识是否可能？

肖恩・卡罗尔：那么从整合信息论或其他相关理论的视角出发，是否存在构建真正有意识人工智能的路线图？或者说，这一目标目前还遥不可及？

克里斯托夫・科赫：首先，我们需要思考为什么要进行这样的尝试？

肖恩・卡罗尔：人们有着诸多需求和探索目的。

克里斯托夫・科赫：确实如此。不过，从科学角度而言，意识是无法被模拟的。

肖恩・卡罗尔：这一观点十分大胆。

克里斯托夫・科赫：是的。以银河系中心的黑洞人马座A为例，我们能够对其进行完美的计算机模拟。但试想，当你在运行模拟程序的计算机旁启动程序时，会担心自己被吸入模拟的黑洞吗？

肖恩・卡罗尔：并不会。

克里斯托夫・科赫：这其中的本质区别是什么？模拟计算本身并不具备弯曲时空的因果影响力，就如同模拟下雨不会让计算机内部真的变湿一样。同理，即使未来能够像亨利・马克拉姆（Henry Markram）的“蓝脑计划”设想的那样，对人类大脑进行完全的计算机模拟，那么模拟出的大脑或许能够“苏醒”并进行语言交流，却不会产生真实的感觉，因为感觉无法通过模拟实现，必须构建真实的有意识系统。若要实现真正的意识，必须进行实体的构建。可以通过神经形态工程，打造与大脑结构相似的硬件，来产生，而非通过单纯的模拟，IBM、英特尔等公司的科研人员正在开展此类尝试；一些量子计算实验室的研究人员也在进行相关探索。

肖恩・卡罗尔：实体化对于实现意识构建至关重要。

克里斯托夫・科赫：没错。意识并非与物质基质无关。另外，我并不认同“意识上传”的观点，即便将大脑连接性扫描上传云端模拟，也不会产生意识。虽这种模拟或许能够逼真地复刻人的行为、口音等特征，但不会拥有真实的感知，本质上只是一种深度伪造。

肖恩・卡罗尔：您不担心类似《黑客帝国》中人类被虚拟世界操控的情况发生吗？

克里斯托夫・科赫：我关注许多现实问题，但对这种虚构场景并不担忧。我去年出版了一本新书，书名是《那时我即世界》（Then I Am Myself the World），灵感源自理查德・瓦格纳（Richard Wagner）歌剧《特里斯坦与伊索尔德》（Tristan Isolde）第二幕。剧中同名恋人的情感交融超越了个体界限，用现代语言描述，他们获得了一种神秘体验——不仅突破了彼此间的隔阂，更与宇宙融为一体，这种自我与宇宙界限的消融，正是神秘体验的核心特征。

变革性的意识体验

克里斯托夫・科赫：我有幸拥有过一种非凡的意识体验，它带来的冲击令人震撼，彻底颠覆了我的认知。在65岁时，我本以为自己的形而上学观念和对存在的认知已稳固成型，不会再有改变。然而，那次经历如同一场本体论地震，动摇了我所有探索的根基，让我对过往经历与行为的认知发生了重大改变。这无疑是一次具有变革性的体验，经历过后，看待事物的视角发生了根本性转变。

肖恩・卡罗尔：这种体验是由迷幻剂或其他药物引发，还是纯粹的冥想状态所致？

克里斯托夫・科赫：是在外界帮助下产生的。

肖恩・卡罗尔：作为神经科学家，你明知该体验由化学物质刺激神经元引发，那么，它是如何帮助你洞察现实本质的呢？

克里斯托夫・科赫：你说得没错，大脑是产生这种体验的物质基础，无论是否借助外力，这一点毋庸置疑。威廉・詹姆斯（William James）在其著作《宗教经验之种种》（The Varieties of Religious Experience）中对这种神秘体验有过精彩论述，强烈推荐大家阅读。这本书虽首次出版于1906年，却丝毫不过时。詹姆斯指出，这类体验具有“知性特质”（noetic quality），源自希腊语“news”（意为知识）。经历者会从中获得强大的影响力，不由自主地想要深入探索。

作为理性的科学家，我尝试将这次经历与我对科学，包括脑科学等领域的认知相融合。试想一个无梦的世界，若突然你有了一次梦境体验，在梦中与久未谋面的父母或朋友相遇，这必然会深刻影响个人生活，不是吗？

肖恩・卡罗尔：确实如此，但我希望这不会改变我对世界的本体论观点。

克里斯托夫・科赫：因为你没有这样的体验。正如诺瓦和詹姆斯所言，很难让他人相信这种体验带来的观点，我也无意强求，这仅仅是我的个人经历。

我发现，类似体验在文学作品中并不鲜见，且存在于各种文化中。许多人在不同情境下都曾描述过它们，说明这类体验并非极为罕见。问题在于，如果认可这些体验，它们能揭示关于世界的哪些奥秘？尤其是在形而上学层面。我仍可以继续从事科学研究和神经科学探索，但这次经历确实动摇了我的本体论基础，这也是我如今对唯心主义产生认同的原因，而在此前50年，我从未认真思考过这种立场。

肖恩・卡罗尔：你的形而上学观念具体发生了怎样的转变？只是体现在对唯心主义更有认同感了吗？

克里斯托夫・科赫：是的。在那次体验中，“自我”完全消失，克里斯托夫这个个体不复存在了，身体的感知也随之消逝。取而代之的，是对整个宇宙的深刻体验，是真正意义上的银河系乃至整个宇宙。虽然听起来有些老套，但这就是真实感受。而且在那种状态下，时间仿佛停滞，没有快慢之分，只有永恒的瞬间。

那次体验发生在巴西某海滩的午夜，随后的几周、几个月里，我一直处于困惑之中，努力尝试将这种体验与已知的一切相融合。后来我想到了叔本华（Schopenhauer），他在200年前所著的《作为意志和表象的世界》（The World as Will and Representation）中，有一段关于类似状态的精彩描述。据我们所知，他既没有冥想习惯，迷幻剂也尚未出现，他更未曾接触过鸦片等物质，因此他纯粹是通过思考得出这些观点。之后，我深入研究唯心主义，结识了哲学家兼计算机科学家贝尔纳多・卡斯特鲁普（Bernardo Kastrup），他倡导的现代唯心主义观点与我的体验产生了共鸣。

量子力学与意识

肖恩・卡罗尔：你不久前发表了一篇探讨量子力学可能在意识领域发挥作用的论文*。

Neven, Hartmut, et al. "Testing the conjecture that quantum processes create conscious experience." Entropy 26.6 (2024): 460.

克里斯托夫・科赫：是的。我与哈特穆特・内文（Hartmut Neven）展开了合作，他是一位物理学家，和我一样也有计算神经科学的背景。实际上，我们在德国师从同一位导师。他如今担任谷歌副总裁，负责位于圣巴巴拉的谷歌量子计算团队，正致力于构建大规模的量子计算机。我们还与一群实验科学家合作，其中包括加利福尼亚大学圣巴巴拉分校的肯・科西克（Ken Kosik），以及英国某大学的卢卡・都灵（Luca Turin）。

我们希望开展实验来进行验证一些在一定程度上与彭罗斯的观点相悖的假说。彭罗斯有一个著名的观点，在其客观坍缩（objective reduction）理论中，他认为对于特定处于叠加态的系统，波函数的坍缩是由于与环境的相互作用，并且这种坍缩会产生一个微小的“信号”，即一个短暂的意识瞬间。之后他与一位麻醉师合作，深入研究了微管等方面。不过，我们先暂且不考虑微管这一具体实例与他观点的联系。虽然他的观点存在争议，但对很多人来说仍极具吸引力。

我们则提出了相反的观点。因为我们认为，倘若存在一个由两个、三个或更多相互纠缠的量子比特组成的系统（这是罗杰・彭罗斯从未考虑过的情形），如果这种情况属实，那么就可以利用它实现超光速传递信息，而这与相对论相违背，毕竟没有人愿意违背相对论。所以我们认为，意识产生于系统进入叠加态时。例如20量子位系统进入叠加态时生成意识；但意识体验始终具有确定性，多世界解释（many worlds interpretation）在这里就派上了用场。如果只有“上”、“下”两种状态，那就会产生2的N次方个宇宙，而我有意识地体验到的只是其中之一。并且，所体验到的内容取决于这些量子比特相互作用的方式。

在这里，我们可以借助整合信息论来解释这一点，这在某种程度上与罗杰（彭罗斯）的提议截然不同。如果这一观点正确，未来或许就能构建与意识交互的量子系统。比如说，倘若最新的iPhone具备量子计算功能，并且与我大脑中的量子比特相互纠缠，那么它将成为一个有意识的思维体。所以，当拥有合适的技术时，就能够扩展意识。

这是意识与量子力学交叉领域中一个看似疯狂的想法。但我们现在正在尝试对其进行验证。这又回到了我们之前提到的一点，即通过正确的实验，就能够获得答案。例如30年前克劳斯・舒尔滕（Klaus Schulten）提出鸟类导航依赖量子罗盘（quantum compass）实现长距离迁徙，也就是通过视网膜分子与光子的量子相互作用感知磁场。这一现象基于自由基对机制（radical pair mechanism，这是一种假设）或核自旋相互作用（nuclear spin interaction，这是另一种假设）。

还有一种关于氙气的说法。氙气是非常优良的麻醉剂，因为它作为稀有气体，与其他物质的相互作用较少，安全性高，且不会燃烧，因而可以在临床上使用。只是由于其价格昂贵，在日常医疗实践中并不常用。我们正在验证氙气的麻醉效应是否与同位素相关，即氙-128、氙-129、氙-130和氙-131具有不同的麻醉效力。这些同位素的原子质量差异极小，不到1%，所以这种差异不太可能是由质量差异导致的。而它们最关键的区别在于，氙-128和氙-130的自旋为零，氙-129和氙-131的自旋分别为1/2和3/2。

目前，卢卡・都灵正在果蝇身上进行一个非常简单的实验。具体来说，选取一群果蝇，将它们放置在管子里，此时可以看到管子里有30只果蝇。然后引入不同类型的气体，即不同同位素的氙气，并对其进行压缩。当达到一定压力时，会观察到果蝇不再活动，表明它们被麻醉了，随后再将它们释放出来。这个简单的测试旨在通过记录装有氙气的小瓶活塞推进到何种程度时果蝇会停止活动（这代表了麻醉效力），来实验这种情况与氙气的同位素是否存在关联。

我们和肯・科西克正在尝试的另一个类人脑器官模型系统，这些类人器官是由人类多能干细胞制成的人类大脑类器官。如果使用这些类器官，通常情况下，这些迷你大脑会产生动作电位。当加入足够的氙气时，动作电位就会停止。那么，动作电位停止的精确点是否取决于氙气的同位素呢？氙-129和氙-130的情况会有所不同吗？这就是我们想要探究的问题。

肖恩・卡罗尔：我想问一个技术问题。一个系统处于叠加态在某种程度上与意识相关的这一假设，让我有些困惑。因为处于叠加态在某种程度上并非一个客观事实，它取决于描述系统所采用的基矢（basis）。那么，是否存在更具物理性的标准可以替代它呢？

克里斯托夫・科赫：目前还没有。

肖恩・卡罗尔：好的。这就是科学研究的过程，我们必须不断探索。如果要在这里设定贝叶斯先验概率，你认为量子力学对意识而言极其重要吗？

克里斯托夫・科赫：在人类大脑中，量子力学可能并非如此关键。毕竟，进化已经持续了大约45亿年。进化非常精妙，它会在不违背物理定律的前提下利用对生物体有益的因素。我会拿我的房子来打赌量子力学对意识极其重要吗？不会。

肖恩・卡罗尔：确实不会在任何时候都这么做。

克里斯托夫・科赫：这就是我们要做实验的原因。