唐孝威

(浙江大學(xué)物理系交叉學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，浙江大學(xué)語(yǔ)言與認(rèn)知研究中心，杭州 310027)

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應(yīng)用心理學(xué)

意識(shí)定律

唐孝威*

(浙江大學(xué)物理系交叉學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，浙江大學(xué)語(yǔ)言與認(rèn)知研究中心，杭州 310027)

基于意識(shí)的經(jīng)驗(yàn)事實(shí)提出意識(shí)三定律。第一定律闡述意識(shí)的神經(jīng)四要素。第二定律說(shuō)明意識(shí)涌現(xiàn)的必要和充分條件。第三定律給出意識(shí)體驗(yàn)強(qiáng)度與相應(yīng)腦區(qū)激活水平之間相關(guān)性的心腦關(guān)系式。

意識(shí) 定量研究 神經(jīng)四要素 心腦關(guān)系式

意識(shí)是自然科學(xué)的基本問(wèn)題之一。近年來(lái)腦科學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，使得有可能對(duì)意識(shí)進(jìn)行定量的研究。本文基于意識(shí)的經(jīng)驗(yàn)事實(shí)，提出意識(shí)三定律。第一定律闡述意識(shí)的神經(jīng)四要素。第二定律說(shuō)明意識(shí)涌現(xiàn)的必要與充分條件。第三定律給出意識(shí)體驗(yàn)強(qiáng)度與相應(yīng)腦區(qū)激活水平之間相關(guān)性的心腦關(guān)系式。

1 意識(shí)第一定律

意識(shí)第一定律是意識(shí)的神經(jīng)四要素定律。我們?cè)?jīng)從神經(jīng)生物學(xué)層面闡述腦的四個(gè)功能系統(tǒng)(唐孝威,黃秉憲,2003)?；趯?duì)意識(shí)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的探討，涉及意識(shí)的四個(gè)神經(jīng)生物學(xué)的要素，即覺(jué)醒活動(dòng)、信息加工、注意增強(qiáng)、全局廣播。

覺(jué)醒是意識(shí)的要素之一。意識(shí)的覺(jué)醒程度和腦干等基礎(chǔ)的腦結(jié)構(gòu)有關(guān)。腦內(nèi)意識(shí)覺(jué)醒的支持系統(tǒng)的活動(dòng)度用參數(shù)α來(lái)表示。α是關(guān)于意識(shí)覺(jué)醒程度的指標(biāo)，它是可以量化的。平時(shí)我們講覺(jué)醒的程度就用α來(lái)表示。

意識(shí)的內(nèi)容涉及腦內(nèi)的信息加工。意識(shí)的信息加工由大腦皮層一些專一性的腦區(qū)負(fù)責(zé)，它們分別處理各種特定的信息，比如視覺(jué)里某一種顏色的加工，或運(yùn)動(dòng)里某一種動(dòng)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(nèi)容由不同的對(duì)應(yīng)腦區(qū)加工。信息加工時(shí)，大腦皮層專一性腦區(qū)激活。腦內(nèi)信息加工的專一性腦區(qū)的激活水平用參數(shù)A來(lái)表示。

注意增強(qiáng)也是重要的機(jī)制。注意不同于意識(shí)，但是注意的增強(qiáng)是意識(shí)的一個(gè)要素。腦內(nèi)注意控制系統(tǒng)對(duì)腦區(qū)激活的增強(qiáng)系數(shù)用參數(shù)γ來(lái)表示。腦內(nèi)注意對(duì)腦區(qū)激活有一個(gè)增強(qiáng)的過(guò)程，這個(gè)過(guò)程對(duì)加工的信息進(jìn)入意識(shí)是必需的。

加工的信息還必須進(jìn)到腦內(nèi)全局廣播。Baars(1997)和Dehaene(2014)的全局廣播理論指出，意識(shí)活動(dòng)要有大量的反饋的過(guò)程。Edelman(2000)也講信息的再入(reentry)過(guò)程。Humphrey的意識(shí)理論(2011)也強(qiáng)調(diào)回路(loop)。在丘腦、前額葉和頂葉間有很多來(lái)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(jìn)入這個(gè)回路，要有全局廣播的機(jī)制，這是比較重要的。Dehaene(2014)指出，全局廣播系統(tǒng)是一個(gè)大范圍的活動(dòng)，這是一種信息的交流和整合，它的活動(dòng)在腦成像和腦電中都會(huì)有反映。腦內(nèi)意識(shí)全局傳播系統(tǒng)的全局傳播度用參數(shù)β來(lái)表示。

第一定律指出，神經(jīng)四要素并不是獨(dú)立無(wú)關(guān)的，它們通過(guò)各種相互作用而緊密聯(lián)系，并協(xié)同活動(dòng)。從神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)看，覺(jué)醒活動(dòng)、信息加工、注意增強(qiáng)、全局廣播，四個(gè)要素缺一不可。這幾個(gè)部分要集成起來(lái)，只有一部分是達(dá)不到意識(shí)的。

2 意識(shí)第二定律

意識(shí)第二定律是意識(shí)涌現(xiàn)定律。意識(shí)不是靜止的狀態(tài)，而是不斷變動(dòng)著的動(dòng)態(tài)過(guò)程。平常腦內(nèi)大量的活動(dòng)都是在進(jìn)行著信息加工，它們都是屬于心智活動(dòng)，而且無(wú)意識(shí)的活動(dòng)的數(shù)量比有意識(shí)的活動(dòng)的數(shù)量大很多，但是它們沒(méi)有進(jìn)入意識(shí)。通過(guò)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(wú)意識(shí)的加工轉(zhuǎn)變?yōu)橛幸庾R(shí)的加工，這種動(dòng)態(tài)的轉(zhuǎn)變過(guò)程就是意識(shí)的涌現(xiàn)。當(dāng)腦的活動(dòng)滿足了意識(shí)涌現(xiàn)的必要和充分條件之后，加工的信息就進(jìn)入意識(shí)了。

意識(shí)涌現(xiàn)過(guò)程不是孤立的單個(gè)腦區(qū)的活動(dòng)，而是腦內(nèi)四個(gè)功能系統(tǒng)及它們內(nèi)部多個(gè)腦區(qū)相互作用下發(fā)生的集體活動(dòng)。因此要從多個(gè)腦區(qū)集體相互作用的觀點(diǎn)來(lái)考察意識(shí)涌現(xiàn)的動(dòng)力學(xué)過(guò)程。意識(shí)涌現(xiàn)定律是：在意識(shí)的神經(jīng)四要素相關(guān)腦區(qū)的共同作用下，當(dāng)大腦皮層加工信息的一定腦區(qū)的激活水平達(dá)到臨界的意識(shí)閾值A(chǔ)C時(shí)涌現(xiàn)意識(shí)，這稱為α-β-γ-A機(jī)制。引入的一些參數(shù)不同于要素本身，它們是從功能活動(dòng)的角度表示相關(guān)腦系統(tǒng)的活動(dòng)程度。

定量地說(shuō)，腦內(nèi)意識(shí)覺(jué)醒的支持系統(tǒng)的活動(dòng)程度必須大于0。同時(shí)，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(dāng)然腦內(nèi)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(wú)意識(shí)的，不一定是有意識(shí)的，激活水平需要超過(guò)一個(gè)閾值A(chǔ)C，信息加工才能進(jìn)入意識(shí)?？紤]意識(shí)的涌現(xiàn)，就一定要考慮意識(shí)的閾值。腦內(nèi)激活水平A經(jīng)過(guò)注意的增強(qiáng)達(dá)到意識(shí)的閾值之后，才能進(jìn)入意識(shí)，這個(gè)時(shí)候才能有意識(shí)的通達(dá)(access)?？梢酝ㄟ^(guò)改變條件，觀測(cè)受試者腦活動(dòng)在達(dá)到意識(shí)閾值時(shí)，腦內(nèi)出現(xiàn)全局廣播的點(diǎn)火(ignition)信號(hào)，來(lái)確定意識(shí)閾值?？傊?，意識(shí)涌現(xiàn)的必要和充分條件是：α>0;β>0;γ>1;γA≥AC。AC是意識(shí)閾值，α>0就是有覺(jué)醒活動(dòng)。β>0就是全局廣播的系統(tǒng)回路要進(jìn)行活動(dòng)，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(qiáng)，加工信息的專一性腦區(qū)原來(lái)的激活水平經(jīng)過(guò)γ增強(qiáng)超過(guò)意識(shí)閾值，激活水平超過(guò)閾值后信息就進(jìn)入意識(shí)。

綜上所述，當(dāng)一個(gè)腦區(qū)的激活水平低于這個(gè)腦區(qū)的意識(shí)閾值時(shí)，個(gè)體沒(méi)有關(guān)于激活腦區(qū)信息加工內(nèi)容的意識(shí)體驗(yàn)；當(dāng)激活水平超過(guò)意識(shí)閾值時(shí)，并且有覺(jué)醒系統(tǒng)、調(diào)控系統(tǒng)和全局廣播系統(tǒng)的腦區(qū)參與活動(dòng)時(shí)，個(gè)體就有激活腦區(qū)的加工信息內(nèi)容的意識(shí)體驗(yàn)，并且意識(shí)體驗(yàn)的強(qiáng)度隨著腦區(qū)激活水平的提高而增加。在無(wú)夢(mèng)睡眠的時(shí)候α=0。做夢(mèng)的時(shí)候α值比較低，但是不等于0。在清醒但是無(wú)意識(shí)信息加工的時(shí)候，A>0;α>0;β=0;γ<1，即雖然因?yàn)閭€(gè)體是清醒的，α大于0，但是β沒(méi)有作用，因?yàn)闆](méi)有全局廣播，雖然腦區(qū)有激活A(yù)，但是由于β等于0，所以信息加工不能進(jìn)入意識(shí)。

3 意識(shí)第三定律

意識(shí)第三定律是有意識(shí)活動(dòng)的心腦關(guān)系定律。意識(shí)問(wèn)題的特殊性決定了我們不能只關(guān)注意識(shí)涌現(xiàn)的客觀神經(jīng)生物學(xué)條件，還需要重視有意識(shí)活動(dòng)所帶來(lái)的主觀體驗(yàn)。第三人稱的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的激活是如何和我們第一人稱的主觀體驗(yàn)的內(nèi)容和強(qiáng)度聯(lián)系起來(lái)的呢？意識(shí)內(nèi)容具有多樣性。人有很多種不同類型的感知覺(jué)，例如聽覺(jué)、視覺(jué)、觸覺(jué)等，個(gè)體分別有不同內(nèi)容的主觀體驗(yàn)。并且在同一種感覺(jué)，比如視覺(jué)中，還可以細(xì)分為顏色視覺(jué)、空間視覺(jué)、形狀視覺(jué)等很多不同的內(nèi)容。因此，可以用i來(lái)表示某一種感覺(jué)的內(nèi)容，并且i所包含的種類有很多，從1到n，有很多種。對(duì)于其中每種感官體驗(yàn)而言，主觀體驗(yàn)都有內(nèi)容和強(qiáng)度之分，體驗(yàn)的程度是討論意識(shí)量化的前提。這種主觀的體會(huì)和體驗(yàn)所對(duì)應(yīng)的腦的基礎(chǔ)，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(nèi)容的信息，比如視覺(jué)里某一個(gè)視覺(jué)內(nèi)容就會(huì)有專門的腦回路來(lái)激活和表征它。生理的腦的激活是可以量化的，因?yàn)橛胁煌募せ畹乃?；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(yàn)聯(lián)系起來(lái)，把第三人稱的描述和第一人稱的描述聯(lián)系起來(lái)。在這個(gè)聯(lián)系的過(guò)程中，因?yàn)檫@兩個(gè)方面涉及不同的量綱，特別是意識(shí)過(guò)程是一個(gè)相對(duì)的過(guò)程，所以把這兩者聯(lián)系起來(lái)時(shí)，需要應(yīng)對(duì)的問(wèn)題之一是量綱的變換。

我們把主觀體驗(yàn)的強(qiáng)度叫C。用C來(lái)表示主觀體驗(yàn)的強(qiáng)度，說(shuō)明主觀體驗(yàn)是有一定數(shù)量的，它的值有大有小。第一人稱的體驗(yàn)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(shí)，C可以有不同的內(nèi)容，對(duì)其中每一種特殊信息i來(lái)說(shuō)，叫做Ci，Ci就是對(duì)特殊信息i的主觀體驗(yàn)的強(qiáng)度。下面用一個(gè)簡(jiǎn)單的公式把C和A聯(lián)系起來(lái)。當(dāng)α>0和γA≥AC時(shí)(AC是意識(shí)臨界閾值)，主觀體驗(yàn)的強(qiáng)度和腦內(nèi)信息加工專一性腦區(qū)的激活水平的關(guān)系式，即心腦關(guān)系式是：

C=a·A，

C是主觀體驗(yàn)強(qiáng)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(guān)。

a=α·β·γ·ν(a包含了量綱轉(zhuǎn)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(jìn)行量綱的轉(zhuǎn)換。

對(duì)某一種特殊的信息內(nèi)容i的主觀體驗(yàn)強(qiáng)度Ci，Ci=a·Ai。

早年Fechner在創(chuàng)立心理物理學(xué)時(shí)，提出過(guò)外部的心理物理學(xué)和內(nèi)部的心理物理學(xué)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(nèi)部物理世界的活動(dòng)，即腦的活動(dòng)，從而產(chǎn)生內(nèi)部心理世界的感覺(jué)體驗(yàn)。Fechner(1860)認(rèn)為，人的感覺(jué)過(guò)程既涉及外部物理世界的物理刺激，又涉及內(nèi)部物理世界的腦活動(dòng)過(guò)程，還有內(nèi)部心理世界的感覺(jué)體驗(yàn)。他認(rèn)為，外部的心理物理學(xué)研究外部物理刺激強(qiáng)度和內(nèi)部心理世界感覺(jué)體驗(yàn)強(qiáng)度之間的關(guān)系，而內(nèi)部的心理物理學(xué)則研究?jī)?nèi)部物理世界即腦活動(dòng)強(qiáng)度和內(nèi)部心理世界感覺(jué)體驗(yàn)強(qiáng)度之間的關(guān)系。

我們?cè)谏厦嬗懻摰男哪X關(guān)系，即人的腦區(qū)激活水平和人的主觀體驗(yàn)強(qiáng)度的定量關(guān)系，就是內(nèi)部的心理物理學(xué)的定量定律(唐孝威,2003)。

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

意識(shí)是非常復(fù)雜的現(xiàn)象，本文只是一種簡(jiǎn)化的處理。有關(guān)參數(shù)的量化有待專門的研究。在量化參數(shù)的基礎(chǔ)上，希望意識(shí)定律能得到實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)。

唐孝威.(2003).論外部的心理物理學(xué)和內(nèi)部的心理物理學(xué).應(yīng)用心理學(xué),9(1),54-56.

唐孝威,黃秉憲.(2003).腦的四個(gè)功能系統(tǒng)學(xué)說(shuō).應(yīng)用心理學(xué),9(2),3-5.

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

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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(guó)科學(xué)院院士，e-mail:fmrilab@zju.edu.cn。

B84-0

：A

：1006-6020(2017)-03-0285-04