论坛 意识之谜的自憨科学探秦 ○顾凡及 2000年的诺贝尔奖得主坎德尔(E.Kandel)曾经说 for Consciousness:A Neurobiological Approach.中译本 过：“认识人心智的生物学基础，是对21世纪科学的核 已由上海科学技术出版社出版，以下简称《意识探 心挑战。”确实，研究意识或者心智给研究者带来了前 秘》)。 所未有的困难，这是因为其他的自然科学研究都是处 埃德尔曼则认为，要想解开意识这个“世界之结”， 理客观的外界事物，在研究时尽量排除主观因素，而 希望寄托在把经得起检验的理论和精心设计的实验结 意识本身恰恰是人的主观体验，并且不能为其他人所 合起来的科学方法。他将意识看作一种过程，认为科学 共享。在研究意识时，意识既是研究的对象又是研究 可以研究清楚意识产生的条件及基本特性，但同时他 的主体。 强调这种研究无论怎样深入也不能再现意识本身。 意识进入科学家视野 坎德尔指出：“我们要想认识知觉、学习、记忆、思 维、意识和自由意志的生物学本质”，“由于过去50年 古人对意识问题的探讨和思索停留于内省，完全 里生物学研究所取得的巨大成就，现在已经有了这种 不触及脑内发生的实际过程。一直到1980年代以前， 可能。” 行为主义的思潮曾经长期统治科学界，意识问题成了 自然科学研究的一个禁区。由于神经科学特别是认知 意识可以暂不定义 神经科学的飞速进步、脑功能成像技术的发展，以及大 什么是意识？美国心理学之父詹姆斯(W.James) 量神经学临床病例的积累，20世纪末有一些学者提 说得很有趣：意识是一个过程，而非某种事物。它就是 出，现在已经到了从科学角度研究意识的时候了，其中 那个当你熟睡时离你而去、当你醒来时又随之而来的 包括诺贝尔奖的三位得主一克里克(F.Cick)、埃德 东西。这不是一个严格的定义，却可以作为研究的出发 尔曼(G.M.Edelman)和坎德尔。他们都认为意识是脑活 点。克里克认为，现在还没有到给意识下严格定义的时 动的产物，可以用严格而精心设计的实验来加以研究。 候，他在《惊人的假说》中写道：“关于什么是意识，每个 克里克被坎德尔称为是能和哥白尼、牛顿、达尔文 人都有个粗略的想法，因此最好不要先给它下精确的 及爱因斯坦并列的近代最伟大的生物学家，他宜称我 定义，因为过早下定义是危险的。”一次他在有关意识 们的精神可以通过神经细胞（和其他细胞）及其相关分 的讨论会上做报告，讲完后有位年轻的哲学家举手问 子的集体行为加以解释，并把他的这一观点称为“惊人 道：“但是克里克博士，你连意识的定义都没给。你能不 的假说”，以此为书名专门写了一本书。他的观点被人 能对你所讲的给出一个清晰的定义？”克里克回答说： 称为是“还原论”的观点。他和科赫(C.Koch)一起提出 “小伙子，在前DNA时代，生物学家从来也不坐在一起 了一个研究意识的理论框架。2004年在他过世后，科 说：‘在我们研究生命以前，先让我们清楚地给生命一 赫把他们20年共同研究讨论所得的成果和思考总结 个定义。'我们只是一往无前地去寻求生命究竞是什 成《意识探秘一 意识的神经生物学研究》(The Quest 么。毫无疑问，对我们所讲的东西有一个粗略的概念总 是好的，不过关于术语定义之类的问题最好还是留给 顾凡及：教授，复旦大学生命科学学院，上海200433。 那些专门搞这种事的哲学家去干。事实上清楚的定义 Gu fanji:Professor.life science school,Fudan University,Shanghai 200433. 常常来自经验研究。我们现在不再去争辩病毒究竞是 ww.kexuemag.com科学43 ?1994-2015 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net
论坛 FORUM 不是活的这样一类问题。”克里克觉得字面之争纯属浪 …如果我们要想解决意识的问题，那么唯一的道路 费时间。 就是通过观察和实验不断前进，舍此别无他途。”“直到 50年前，许多人都认为生命的奥秘是不可能揭开的。 克里克的意识研究框架 但是有两位科学家一詹姆斯·沃森和弗朗西斯·克里 许多人把意识等同于自我意识，但是克里克以为 克，发现了DNA的双螺旋结构，从此永远改变了我们 意识有多种形式，自我意识则是意识的一种高级形式； 观察自己在自然界中位置的方式。”“神经科学是一门 而要研究像自我这样的问题，现在还没有到时候，研究 崭新的学科，它正以前所未有、不断改进的方法快步积 意识问题应当先“易”后难。但是即便不牵涉到自我，要 累新的知识。在大量的这类研究还未完成以前，我们没 想解释主观体验怎么由神经回路产生也非常困难，查 有理由得出失败主义的结论。” 默斯(D.J.Chalmers)将此称为意识研究中的困难问 埃德尔曼关于意识的动态核心假设 题。克里克说道：“对于我们如何通过脑的活动而体验 到红色的‘红’这样一种主观体验，还没有人能给以可 埃德尔曼不同意把意识的神经相关物限定为某个 信的解释。”他和科赫认为，打仗要选择好最容易取得 特定脑区或者具某种特性的神经元活动，他认为正确 战果的突破口，而这个突破口就是揭示视知觉的神经 的做法是研究所有的意识过程有何共同特性，意识在 相关物，也就是说为了产生某种特定的知觉，脑内至少 什么条件下才会产生，然后研究什么样的神经过程也 需要哪些特定部位的特定神经元集群、以哪种特定的 具有类似的特性，并由此提出假设，说明什么样的神经 方式进行活动。克里克和他的同事们相信意识的神经 过程才对意识的产生有贡献。埃德尔曼强调所有的意 相关物并不需要整个大脑，而仅仅是在某些神经回路 识经验都存在两大特性一整体性和分化性。 中突现出来的，所以他们提出，当前的意识研究应该首 所谓整体性就是 先集中在对视知觉的神经相关物的研究上。 说，每个意识状态都 克里克和科赫提出了一个意识研究的理论框架， 只有单一的“场景”， 这个框架的中心思想是有关相互竞争的集群的想法。 不可能把这个场景分 脑后部的集群和脑前部的集群之间有着广泛的相互作 解成一些独立的成 用。注意对新产生的集群进行选择。相关阐述见于前面 分。也就是说，意识经 提到的科赫《意识探秘》一书。 验是统一的和协调一 并非所有学者都同意他们的见解。英国牛津大学 致的。我们不可能在 的格林菲尔德(S.Greenfield)和他们一样，认为应该首 同一时刻执行两个不 先研究感知觉意识的神经相关物，但和他们不同的是， 同的任务，除非其中 她认为产生意识体验的并不是特定脑区的特定神经元 的一个是高度自动 集群，而是大范围上作同步活动的神经元。意识是脑的 的，不需要进人意识。 交变图之一的奈克尔立方体 整体功能量变到一定程度时突现出来的。他们之间的 当我们看一幅交变图 论战发表在2007年《科学美国人》10月号上。埃德尔 (ambiguous figure)时，因缺乏必要的约束，对同一幅图 曼也更强调意识的全局性质，他认为把意识归结为特 可有两种不同的解释。然而在某一瞬间，只能感受到其 定区域特定神经元的特定模式活动是犯了一种“范畴 中之一，而不可能同时“看到”两种不同的情形。 性错误”，也就是要事物具有它所不可能有的性质。科 所谓分化性是指可以在极短的时间里体验到极大 赫在《意识探秘》中对他们的批评是：“此类整体论的通 数量不同意识状态中的任何一个场景。呈现某一特定 病在于难以用实验加以验证，并且无法解释为什么大 意识状态意味着在所有可能的意识状态清单(reper- 量的脑活动和行为并不需要意识感知。” toire)中以极快速度选取其中之一。埃德尔曼特别强调 克里克虽未能亲手解开意识之谜这个世界之结， 了清单中可能状态数目的巨大。意识到某一意识状态 但是他点燃的火炬已经召集起一批科学勇士朝前奋 也就是排除了其他的可能性，减少了不确定性，因此他 进。也有人对于人类能否最终揭开意识之谜表示怀疑， 也把分化性称为信息性(informativeness)。 主要的一个论点是：“人脑结构有它的局限性，就像蚂 如果整体性和分化性真的是意识的基本特性，意 蚁的脑不能理解相对论一样，人脑也不能认识意识。” 识就只能用分布性的神经过程来解释，而不能用神经 克里克的忘年交和后继者科赫完全不同意这样的观 元特殊的局部性质来解释。关于意识的神经相关物，埃 点。他说：“这是一种失败主义的观点。我一点都不喜欢 德尔曼有一个假设，即认为发生意识经验的关键因素 44科学2012年7月(64卷4期) ?1994-2015 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net
论 坛 是后丘脑皮层区域（主要涉及感知分类）和前丘脑皮层 进行了研究。他认为脑有非常强大的表征能力，脑能够 区域（主要涉及记忆、价值和规划动作）之间的复馈 连续地表征机体本身及外界对象，并在此基础上产生 (reentry)相互作用，也就是在有关脑区之间大量双向 全新的二阶表征，这就是有关自我的知觉。 的神经连接上所发生的信号活动。 前面提到过，查默斯认为“还原论”者所研究的都 关于意识的神经相关物，埃德尔曼提出了所谓动 是意识的“简单问题”，也就是说，我们如何能辨别感觉 态核心假设：如果要一群神经元直接对意识经验有贡 刺激，把不同的感觉模态整合起来，以及如何用言语表 献，那么这群神经元必须是分布性功能性聚类的一部 达我们的内部状态。他认为神经科学确实能最终解决 分，这种聚类通过丘脑皮层系统中的复馈相互作用在 这些问题，但是还原论并不能解决意识的“困难问题”， 几百毫秒的时间里实现高度的整体性。为了维持意识 即脑内的神经过程怎么会产生主观体验，要解决这个 经验，这个功能性聚类必须是高度分化性的。埃德尔曼 问题需要新的理论。他还认为信息概念在其中可能会 把这样一种在几分之一秒的时间里彼此有很强相互作 起很重要的作用。 用而与脑的其余部分又有明显功能性边界的神经元群 聚类叫做“动态核心”，以此来强调它的整体性以及它 动物的和机器的意识问题 的组成经常在变动。 和对人的意识研究相关联，许多科学家还提出了 科赫认为埃德尔曼的理论使人从一种新的角度严 其他动物有没有意识以及有无可能造出有意识的机器 格而定量地考虑意识问题，因此是很有意义的。但也还 的问题。 存在着不少问题，例如绝大多数系统都可以表现出某 许多科学家认为由于进化的连续性，在人和其他 种整体性和分化性，那么是不是意味着这种系统也多 动物之间没有不可逾越的鸿沟，因此至少在某些其他 少有某种意识呢？这会不会是泛心论的一种现代版本 动物中，也可能存在某种形式的意识，例如有关感知觉 呢？他认为他们的理论过于注意意识的全局性。至于这 的意识，甚至某种程度上的自我意识。人们普遍认为， 种理论究竞是对是错，只有通过进一步的实验来检验。 能够从镜子中认出自己，这是有自我意识的一种表现。 其他学者的见解 在猩猩、大象还有喜鹊身上涂颜料后让它们照镜子，它 们知道设法对着镜子除去身上的脏东西，说明它们知 坎德尔认为：“意识基本上是一种脑功能，因此从 道镜子里的像就是自己。最近十几年来人们还了解到， 原则上说，我们应该可以认识产生意识的神经机制。” 一些鸟类（例如鹦鹉和鸦类）也有很高的智能。美国科 “要想建立一种成功的意识理论，首先必须确定意识的 特性。”他认为意识就是一种有觉知(awareness)的状 态，而有觉知的三个主要特点是主观性、统一性和目的 性。前两个特性在上文中讲过了，至于目的性则是指我 们的体验不只是感觉而已，我们还赋予它们意义。坎德 尔认为，尽管用现有的方法很难研究主观性本身，但是 作为开始，神经科学家有可能把知觉的某些特性，甚至 把某些主观体验特性，和不同个体在许多条件下产生 的相同神经活动模式对应起来。对这种相关性的描述 应该可以作为对用神经事件解释精神事件的一种初步 近似。坎德尔还认为意识有许多不同的形式，例如存在 许多不同的警觉程度，因此一开始的时候应该研究意 识的最为简单也最容易着手研究的方面，例如选择性 注意。 葡萄牙裔美国神经学家达马西奥(A.R.Damasio) 认为，应该把意识研究分成两部分：第一个部分是研究 我们怎么会产生他所谓的“脑内电影”；而第二部分是 研究我们怎么会感受到自已就是脑内电影的所有者， 也就是“自我”。目前的绝大多数研究都是关于前一个 埃德尔曼实验室研制的达尔文7号仿脑机在识别对 问题。达马西奥本人通过许多临床观察对后一个问题 [Edelman G M.Science,2007,318(5853).] www.kexuemag..com,科学45 ?1994-2015 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net
论坛 FORUM 学家佩珀伯格(L.Pepperberg)通过二十多年的精心研 机，表现出了优于传统人工智能的智能，不过和拥有意 究发现，灰鹦鹉不仅能识别五十多种不同的对象，还能 识还相距甚远。 进行6以下的加法，知道“相同”和“不同”的概念，按颜 总之，一方面正如一些科学家所指出，现在已经到 色、材料、形状等不同的特性给对象分类。鸟类从差不 了用自然科学方法研究意识的时候：然而另一方面，由 多3亿年前就和哺乳动物在进化上分道扬熊了，它们 于意识问题的复杂性，这种研究还处于初创阶段。意识 的脑甚至几乎没有大脑皮层，那么它们智能或者意识雏 究竞有哪些基本特性？这些特性能否度量，又采用什么 形的神经相关物又是什么呢？这些动物的脑乃至灵长类 样的定量指标？意识的神经相关物究竞在哪里？动物有 的脑在实现这些高级功能方面有何共同的机制呢？ 没有意识？机器能否拥有意识？科学家们面对这些问题 近来还有不少科学家提出了制造“人工脑”的问 还是众说纷纭，意识的自然科学研究仍有很漫长的路 题，但即使是完全模拟神经系统的“人工脑”，在可预见 要走。 的将来也依然不会是有意识的机器。例如瑞士科学家 马克拉姆(H.Markram)的“蓝脑"计划，虽然已经以现 [克里克FHC.1994.惊人的假说一灵魂的科学探索.汪云九等，译 实性的神经元模型为基本单元，构造出了有一万个神 长沙：湖南科学技术出版社，1998. 12]Damasio A R.The Feelings of What Happens:Body and Emotion in the 经元的脑功能柱，但是这已经需要一台超级计算机来 Making of Consciousness.Harcourt Brace,1999. 实现。脑内有几百万个这样的功能柱，彼此之间的联系 31埃德尔曼GM,托诺尼G.2001.意识的宇宙一物质如何转变为精 神.顾凡及，译.上海：上海科学技术出版社，2003. 也极端复杂，因此沿这条路走下去，要造出有意识的机 [4科赫C.2004.意识探秘一一意识的神经生物学研究.顾凡及.侯晓迪， 器在目前还不现实。马克拉姆在他的网站上这样回答 译.上海：上海科学技术出版社，2012 [5]Koch C.Greenfield S.How does consciousness happen.Scientific Ameri- 他的人工脑能否拥有意识的问题：“我真的不知道。如 cm,2007(10):76-83 果意识仅仅是由非常大量的相互作用而产生的，那也 6]Pepperberg IM.Talking with Alex:logic and speech in parrots.Scientific 许有可能吧。但我们对意识究竞是什么都不知道，所以 American,1998(Special Issue on Exploring Intelligence):60-65. 很难说。”也有一些人对基本单元进行简化，并且只模 仿脑的局部结构，造出所谓的“仿脑机”。例如埃德尔曼 关键词：意识神经科学意识的神经相关物 的实验室已经造出有各种功能的不同型号的“达尔文” 动态核心机器意识 跟踪扫繼 “追求”和“没有阳光的深海”两组“科 示观众重视和珍惜自己的文化，继承 艺画”令人印象深刻。赵东元院土团队 和发扬中同的传统文化。名为“上海音 科学的“艺”境 创作的“追求”，以自画像的形式表达 迹“的作品运用数字技术，对传统意义 -记2012上海 了一个艺术设计工作者对纳米科学的 上的绘本图片进行了深人处理，图片呈 国际科学与艺术展 无限好奇，这幅画经由多张科学电镜 现出动态效果，声音和配乐的加人，使 照片的组合处理而成，远远望去是设 绘本的视听效果更好。观众在欣赏画作 [本刊讯12012年5月17日，由 计者正在体验纳米世界的微妙，而近 的同时，还能听到海关钟声、收废品的 上海市科协和上海市文联共同主办的 看则是纳米介孔碳、半导体纳米线和 铃铛声，以及麻将声、敲门声，缝纫机声 “2012上海国际科学与艺术展"在上海 纳米粒子的透射电子显微镜照片及电 等上海市井生活中的熟悉声音。 展览中心开幕。自2004年起，上海的科 子衍射图谱等的组合。汪品先院士团 此外，教育区重在探索寓教于乐 艺展已举办了九届。本次展会为期4 队的作品“没有阳光的深海”展示了深 的创新教育方式，展示了各高校、科研 天，主题是创新的快乐—“新之悦”， 海区海洋表层沉积中超微化石的多幅 园区、企业及社会团体在科学与艺术 设有四大展区，经典区、创意设计区、教 珍贵照片，超微化石具有完美的中心 领域的复合式教育成就及发展方向。 育区和特色区，集中展示了科学与艺术 对称结构，同时它们对海水温度、深 特色区，集中展示了一批集新知、设 融合的近600件创新作品。本届展会还 度、碳酸盐溶解作用等环境因素的反 计、理念、感悟于一体的主题作品。如 首次采用了微博交流和iPad签到方 映，是古环境研究的重要依据。 “灯具与城市”，将城市中的高楼大厦 式，增进了参观者与展会的互动交流。 创意设计区展现了多件独具创新 设计成大树的形态，配以羽毛椅子、现 经典区，除了一幅幅形象生动的 的设计作品。互动新媒体作品“满江 代光源等元素，展示了人与自然和谐 院士风采画像外，还展示了诸多“科 红“采用多层次透明投影幕技术，观众 共处的环保理念。“城市与椅子“由椅 艺”结合的作品。这些精美的作品，涵 在参观过程中会随机激发作品的传感 子、电线、电话线、网线等元素组合而 盖化学、物理、生物、医学、地质、信息 装置，随即触发的是在投影幕上外来 成，呈现出智慧城市的发展趋势。 技术，建筑等多个科学技术领域。其中 文化入侵的影像的西面层层叠叠，提 (乐毅) 46科学2012年7月(64卷4期) ?1994-2015 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net
美丽的学世界 在科学的大千世界中蕴藏着令艺术家们都叹为观止的旷世美景。在2012上海国际科学与艺术展上， 院士们利用现代先进仪器和技术扩展人类的认知极限，引领大家进入美不胜收的奇妙科学世界。 b 0w80器9E8B ③ ①碳/碳复合材料在偏振光下拍摄的金相照片（孙晋良院士）碳/碳复合材料是一种耐高温、耐烧蚀的高 性能复合材料，在导弹.火箭发动机、航天航空等领域有着重要的用途。 ②岩溶景观（卢耀如院士）岩溶（喀斯特）是一种地质现象，在中国分布广泛，景观奇特。 ③海洋表层沉积中的超微化石（汪品先院士）超微化石分布广泛、数量众多、演化迅速而明显，是大洋底 部沉积层的年代划分、全球地层对比的最好依据之一， ④中国画初夏（赵东元院士）把在电子显微镜下纳米粒子有序排列的组图，以中国传统绘画一水墨画的形 式进行再现，作品描绘了初夏时节荷塘里“小荷才露尖尖角，早有蜻蜓立上头”的自然景象，寓意现代纳米科 学蒸蒸日上、蓬勃发展的前景。 ⑤鸭茅草病毒的电子显微镜照片（张友尚院士）鸭茅草病毒是一种球状病毒，直径约为0纳米，外面是外壳 蛋白，里面是一条单链核糖核酸，蛋白和核酸的重量比是4：1。照片上，无数的病毒按照一定的规律排列成晶体。 21994-2015 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved. http://www.cnki.net
I5SN0368-6396 CONTENTS CN31-1385/N FRONTIER SCIENCE 4 What does the Digital Medicine Bring Us Tang Lei,Gu Dongyun,et al. A new medical discipline is going with the new applications of medical equipment and new treatment technology, especially surgical procedures using improving digital medical technology.It will lead modem medicine towards (KEXUE) the directions of personalization,accurate and minimal invasion and remote control. 8 Research about the Cross-Species Transmission of Influenza A Viruses Zhung Hong,Xu Ke,et al. Bimonthly (Since 1915) Influenza A virus is an important pathogen to human and animals,and it causes annual or occasional pandemics. Vol.64,No.4 This article summarizes current scientific findings on cross-species transmission of influenza A viruses,especially on some viral proteins that contribute to cross-species transmission. 11 On Safety of Stem Cell-based Therapies Wang Yi,Le Weidong Stem cell therapy offers bright prospect in the treatment of many incurable diseases in the past.This report describes Zhou Guangzhao in detail the hurdes have to be overcome before stemce-based therapy reality. 14 Inorganic Mineralization in Life Activity and its Environmental Effects President of Editorial Board Lu Anhuai,Wang Changiu,et al Inorganic minerals are often generated during life activities,and this process iscalled biomineralization.With advantages of frontier technologies,biomineralization can be observed and analyzed in broader aspects and its mechanism will be recognized andunderstood morecomprehensively. 18 HI Holes in External Galaxies Zhao Junliang Observations of neutral hydrogen (HI)in nearby galaxies have shown there are holes with different sizes and morphology in interstellar medium,which are referred to HI holes.Many researches have heen done on structure,properties,statistics and formation mechanism of HI holes. ORIGIN DEVELOPMENT 22 History of Neuroscience Chen Yizhang This article briefly reviews the major historical events that contributed to the foundation of neuroscience,as well as the recent developments and the unsolved problems. 27 Alan Turing-A British Boy who Started the Era of Computer and Reversed the War Publisher Wang Shanping Shanghai Scientific and This year is the 100th anniversary of the birth of Alan Turing a great British mathematieian.the founder of Technical Publishers computer science and a code breaker hero during World War II.A brief biography of him was given in this article. 32 In Memory of Gregor Mendel:the Founding Father of Modern Genetics Fu Jiliang (htp:∥www.sstp.cn) Mendel was known for his famous experiments with crossbreeding plants pisum sativum.By formulating the Office hereditary laws,he laid the foundations of genetics.The article is a commentary on Mendel's career and 71 Qinzhou Nan Road, scientific merits. Shanghai 200235,P.R.C. 36 World Scientific Center Shifts to US Zhang Jian (http://www.kexuemag.com) After many scientists had fled Europe and settled down in US in the late 1930s,US become the world E-mail scientifie center. kexue3@kexuemag.com FORUM kexuemag@astp.cn 43 The Scientific Quest for Consciousness Gu Fanji Fax A brief history of the consciousness studies with neuroscience approaches is reviewed in this essay. 86-21-64848368 Especially,a framework proposed by Francis Crick and Christof Koch,and the dynamic core hypotheses given Telephone by Gerald Edelman and Giulio Tononi are emphasized.The possibilities of the consciousness of other animals 86-21-64848368 and machine consciousness are also discussed. 47 Study on the Trends of Carbon Emissions in China and US Distributor Liu Xiao,Peng Yongming.et ul. In this artile,the authors use the dynamic model of carbon emissions to predict the energy carbon emissions China International Book in China and US from 2009 to 2050.The results are analyzed in detail. Trading Corporation 51 What is the Mainstream Development of Geography in China Han Guang.Zhang Guifang (P.O.Box 399,Beijing) Geography primarily explores characteristics and laws of spatial distribution of land surface entities,and their Code Number genesis and development.The fundamental criteria to determine the mainstream development of geography in BM1188 China during a certain period are mainly composed of regional analysis and historie serutiny. Date of Publication NATIONAL CONDITIONS 2012-7-25 56 The Worried Situation of Soil Pollution in China Zhen Yuqin This article outlines the serious situation of soil pollution in China and puts forward several suggestions for China's soil pollution control and restoration. ?1994-2015 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net