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汪丁丁:从系统生物学到意识发生学 中篇

克里克像是一座思维“核反应堆”,他让周围的人思维加速到临界爆炸。这是科赫转述萨克斯(Oliver Sacks,1933-2015)与克里克谈话之后的感受,记录于科赫和克里克的“意识探究三部曲”之二的第2章。那本书的中译本,标题是《意识与脑——一个还原论者的浪漫自白》。我读了前面的几章,发现不少错误,于是不再读中译本。萨克斯是神经心理学家,以科普作品名世。辞世前,他75岁,写了一部自传,《On the Move: A Life》,关于他的同性恋生活,当然还有他的幻视症——这是他最忠实的研究对象。萨克斯的“丈夫”是《纽约时报》的摄影师,哈耶斯(Bill Hayes)。 注意,男同性恋者对外称自己的伙伴为“丈夫”,女同性恋者对外称自己的伙伴为“妻子”,我读2020年《纽约客》专访以《人类简史》和《未来简史》名世的同性恋者哈拉里,才意识到这样的称呼最简单且不引发困惑。请诸友试想,如果不这样称呼,可能引发怎样的困惑,呵呵,也顺便检测诸友的思维速度。不论如何,哈耶斯2017年发表非虚构作品《失眠之城:纽约,奥利弗和我》回忆了他与萨克斯的纽约恋情。
 
科赫和克里克描述的“意识问题”可以表述为:第三人称视角下的任何科学解释怎样才可转换为第一人称视角下的主观感受。请诸友回忆我这篇文章的“上篇”转述的那位和尚与他父亲的对话,以及那次对话二十年之后,那位和尚与研究“悲悯”的脑科学家塔尼娅的父亲的对话。如果不能将第三人称视角下的脑电信号(意识的脑科学研究)或电磁信号(意识的非局部研究)转换为第一人称视角的主观感受(意识的内观思路),任何以科学方法研究“意识”得到的结论,都是隔靴搔痒。百思之后,克里克的判断是:借助于信息理论。
 
不过,香农的信息论仍以第三人称视角研究信息传输过程中的噪声与信息可靠性。科赫转向威斯康星大学麦迪逊校区“睡眠与意识”研究中心主任托诺尼(参阅“上篇”图7),共同探讨将第三人称视角下的“数据”转换为第一人称视角下的“测度”——仍是信息量的测度,但必须改造为“主观感受”的测度。
 
意大利人托诺尼,年轻时与著名的艾德尔曼合作(参阅“上篇”结尾部分)以香农的信息论语言测度“主观感受”。随后,他加盟著名的麦迪逊校区,多年研究睡眠与意识。我在北京大学的服务器“science director”检索下载了托诺尼发表于权威学术期刊的最新论文,其中三篇值得列于此处:(1)Chiara Cirelli and Giulio Tononi,2021,“the why and how of sleep-dependent synaptic down-selection”(神经突触间隙的下向选泽为何与如何依赖于睡眠)《Seminars in Cell and Developmental Biology》(细胞与发育生物学工作文稿),卷页待定。(2)Giulio Tononi,et. al., 2017,“local aspects of sleep and wakefulness”(睡眠与清醒的局部性质)《Current Opinion in Neurobiology》(神经生物学前沿观点) 44:222–227;(3)Giulio Tononi,et. al.,2017,“measures of metabolism and complexity in the brain of patients with disorders of consciousness”(意识障碍患者脑内的代谢与复杂性之测度)《NeuroImage: Clinical》(神经成像:临床)14:354–362。
图1. 截图取自:Gerald Edelman and Giulio Tononi,2000,《A Universe Of Consciousness --- How Matter Becomes Imagination》(标题直译:意识的宇宙——物质是怎样变为想象的)第6章。
 
嗯,还有一部必须引述的参考书,2016年出版,第三主编是托诺尼:Giulio Tononi,et. al.,2016,《The Neurology of Consciousness》2nd. ed.,标题直译:意识的神经病学,第2版。这本手册第2版的第1章,就出自一位名家,布鲁门菲尔德(Hal Blumenfeld),耶鲁大学医学院“神经病学、神经科学与神经手术”教授,多年研究与癫痫相关的另类意识状态。他绘制的脑神经连接图谱,频繁出现在托诺尼的著作里。
图2. 截图取自:Rita Carter,2019,《The Human Brain Book An Illustrated Guide to Its Structure, Function, and Disorders》DK Publishing,第204页,核磁共振弥散张量成像技术(参阅图3),清晰表现胼胝体神经丛如何宽带连接大脑的左右半球。
 
注意,我介绍布鲁门菲尔德的时候特别指出他“多年研究与癫痫相关的另类意识状态”。与我这篇文章密切相关,癫痫是脑的一种病态,表现为大脑左半球与右半球许多许多神经元的“同时触发”。以往的对治方法是“胼胝体切断术”,切断左右半球之间神经通路——据艾德尔曼与托诺尼2000年的著作,胼胝体至少包含两亿神经纤维,图1,我见过的最清晰的胼胝体图示。切断这些连合纤维(轴突),在控制理论视角下,相当于切断自激震荡的正反馈回路。但是,正反馈回路被切断之后还可重新连接。数亿神经纤维被切断,以目前的技术,不可能重新连接。故而,现在的医学建议是分期手术。例如,先切断胼胝体的前部(图1所示胼胝体的上半部),若继续癫痫发作,可继续切断其余部分(图1所示胼胝体的下半部)。即便完全切断胼胝体,仍有可能继续癫痫发作。未来十年,借助新技术引入负反馈回路,很可能形成一套更精确从而更文明的癫痫治疗方法。
图3. 截图取自:Rita Carter,2019,《The Human Brain Book An Illustrated Guide to Its Structure, Function, and Disorders》DK Publishing,第74页,大约2011年开始流行的核磁共振弥散张量脑成像技术,可清晰呈现神经纤维束的走向,于是被广泛用于绘制“脑的全局连接”图谱。这张彩色图谱的红色集束是胼胝体神经纤维束,蓝色集束是“外缘系统”(俗称“情感脑”或“哺乳动物脑”)与大脑之间的神经纤维束。
 
胼胝体完全切断之后的患者,左脑和右脑各有独立的意识,所谓“裂脑人”,详见:Rita Carter,2019,《The Human Brain Book — An Illustrated Guide to Its Structure, Function, and Disorders》(人类脑书——结构、功能与障碍的图解指南)DK Publishing。卡特这本手册1998年的第1版《Mapping the Mind》(为心智作图),是我的《行为经济学讲义》最常引用参考书。DK出版公司以“图册”著称,卡特这本书现在由DK出版,是很明智的选择。例如,图2,以最新的“张量弥散”成像技术显示胼胝体神经纤维丛对大脑左右半球的广泛辐射。可惜,裂脑人的案例从2019年的书里消失了。这位裂脑人是脑科学泰斗加扎尼扎(Michael Gazzaniga)的患者,简称“V.P.”,她因严重癫痫,做了胼胝体切断术。我在美国买的卡特第1版,前些年给了殷云路。他那时在北京大学心理系读博,跟随朱丽莎研究脑科学并在我的行为经济学课堂上担任脑科学助教,似乎还参与了系主任周晓林主持翻译的2014年由加扎尼扎主编的《认知神经科学手册》第5版。2021年4月,他正式入职复旦大学管理学院,研究市场营销脑科学。加扎尼扎在2015年著述解释裂脑人认知活动时,继续讲述“V.P.”的故事:Gazzaniga,2015,《Tales from Both Sides of the Brain --- A Life in Neuroscience》(来自大脑两边的故事——神经科学的生涯),图45,是V.P.的故事。其实,这本书是加扎尼扎的学术自传,开篇讲述他为了追一位威尔斯利学院的女生而申请到加州理工学院实习。他自述因为数学太差,故而不能直观理解大多数问题的解答,于是处处都要另辟蹊径。我建议国内天赋极高的学生读加扎尼扎这本书的第一章,然后报考加州理工(我始终称之为“天才云集的小学院”)经济系之外的任何院系。
 
认知神经科学的偶像级人物加扎尼扎2018年声称,意识是有机体的一种本能:Michael Gazzaniga,2018,《The Consciousness Instinct --- Unraveling the Mystery of How the Brain Makes the Mind》(标题直译:意识本能——拆解脑如何制造心智的神话)。第1章“导论”,他概述自己的思路,或者,我概述我的理解:(1)意识本能,源于脑;(2)有机体都有本能,也许还有意识本能;(3)意识本能不同于诸如细胞代谢这样的本能。
 
在我继续介绍意识发生学的信息论思路之前,我提醒诸友注意,裂脑人有独立的左脑意识和右脑意识。我们知道,大脑的左右半球在以往一亿年演化中形成了功能特化。如果你是右利手,那么,你的左脑应当是母语和逻辑的优势半球而你的右脑应当是几何和社会认知的优势半球,并且,你的前额叶是理性计划与道德意识的优势脑区。但是,裂脑人有两套独立的意识,并因此常有左脑与右脑“互搏”的行为。图3,弥散张量脑图,红色的部分完全消失之后,只有两半球各自的蓝色集束。可见,只要系统足够复杂,就可以有“意识”。
 
复杂性与意识之间的关系,正是艾德尔曼与托诺尼研究的题目。艾德尔曼1972年因为免疫学研究获得诺贝尔医学或生理学奖,他认为免疫系统的演化与脑的演化是同构的。显然,这是系统生物学的视角。
 
我写博客文章“生命系统”的时候,无暇深入讨论“系统”的定义问题。根据维基百科“system”词条:A system is a group of interacting or interrelated elements that act according to a set of rules to form a unified whole(直译:一个系统就是一组相互作用或相互关联的元件遵循一组规则从而形成一个整体)。系统的英文单词源于拉丁文,意思是“整体”,相对于“局部”而言。所以才有系统论的名言:整体大于局部之和。
 
老米勒描述的“生命系统”是基于细胞层次的七个层次,并且每一层次有十九套功能子系统。其中的一个子系统,功能就是“界定”。例如,细胞之为最低层次的生命系统,由“细胞膜”这一子系统界定“细胞”这一系统的边界。任何一个系统,在边界之内的是它的元件或局部,在边界之外的称为“环境”。生命系统与环境的能量交换使系统内部保持在熵减过程中,故而生命得以持续。直到,熵减难以持续从而转为熵增,生命解体。为维持熵减过程,系统的边界不能完全封闭。因为根据热力学第二定律,封闭系统永远趋于熵增。另一方面,系统的边界也不能完全开放。因为熵减是局部现象而熵增是全局现象,完全开放导致系统与环境的同质化,也就是熵增。因此,为保持熵减,生命系统的边界必须有选择地开放。迪亚肯(Terrence Deacon)认为选择就是增加约束条件,而熵减的秘密在于不断涌现更强的约束条件。
 
系统内部的结构,在演化视角下,应当服务于系统的功能。用进废退,有用的结构“进化”,无用的结构“退化”。也有“自激进化”的案例,据说长颈鹿的脖子(两米长)和加州海边的红杉(180米高),甚至人脑的超大尺寸(大约是灵长类平均脑身比的四十倍),都是种群内部竞争的结果。
 
结构,就是元素之间连接的模式。最简单的模式是没有任何连接,称为“离散”系统。任一集合,就是这样的离散系统。我们常说,人脑有近千亿个神经元,晚近的估测,在640亿至860亿之间。如果这些神经元之间完全没有连接,则人脑是有近千亿神经元的离散系统。
 
离散系统是复杂性最低的系统,仅当系统有足够高的复杂性时才可涌现“意识”。艾德尔曼和托诺尼1998年在《科学》杂志发表了他们合作的文章,据我检索,这是他们首次联署,而且托诺尼是通讯作者:Giulio Tononi and Gerald Edelman,“Consciousness and Complexity”(意识与复杂性),《Science》,vol. 282,December 4,1998,pp. 1846-1851。这篇文章主旨在于陈述脑科学视角下“意识”(主观感受)具有的两项特征事实:(1)整合性,原文“conscious experience is integrated(each conscious scene is unified)”,可译为“意识中的体验是整合的(每一意识场景都是整体的)”。由于这种整合性,我们通常只能执行一项任务而不能同时执行许多不同的任务,除非执行动作已融入习惯从而不必有意识参与。意识的整合性还意味着任何体验都具有私己性,很难完全表达给他人;(2)分化性,原文“and at the same time it is highly differentiated (within a short time, one can experience any of a huge number of different conscious states)”,可译为“并且与此同时它是高度地分化的(在一个短时间内,一个人能够体验极大数量的不同的意识状态当中的任何一个)”。例如,我们能够分辨数百种不同的味道,虽然很难用语言描述其中的细微差异。
图4. 截图取自:Marcello Massimini and Giulio Tononi,2013,with Translation by Frances Anderson,2018,《Sizing Up Consciousness --- Towards an Objective Measure of the Capacity for Experience》第7章,我在右栏每一图标下面写了相应的网络类型:左栏第一行是清醒状态时在适当颅外电波刺激下产生的脑电图,这时的脑内神经元网络具有“小世界”拓扑结构;左栏第二行是无梦状态时在适当颅外电波刺激下产生的脑电图,这时的脑内神经元网络具有“洞穴时代”的拓扑结构;左栏第三行是无梦状态时在强烈颅外电波刺激下产生的脑电图,这时的脑内神经元网络具有“冷漠时代”的拓扑结构。
 
意识的整合性要求与任一体验相关的神经元同时激活,而意识的分化性要求与任一体验相关的神经元不同时激活。兼有这两类特质的神经元网络,于是有“小世界”网络的拓扑结构:(1)网络节点的平均距离不太远也不太近;(2)网络节点的平均聚类程度不太高也不太低。
 
脑内的神经元网络结构,详见我的《行为经济学讲义》,与社会网络结构十分相似,都可分为三类:(1)洞穴时代,特征是平均距离很远并且平均聚类程度很高;(2)小世界,特征如上列;(3)冷漠时代,特征是平均距离很近(称为“完全连接网络”)而且平均聚类程度很低(情感冷漠)。
 
图4应当与“上篇”的图7参照研读,于是,与小世界网络对应的是“我在这里”,也就是第一人称的意识。而与洞穴时代对应的是“我不在那里”,因为无梦睡眠的时候,网络的许多局部之间没有联系,相当于离散系统,缺乏整合性故而不能产生意识。同理,社会网络固然复杂,但社会成员们的主观感受之间缺乏整合性。如果社会有脑,也相当于裂为许多独立的脑,故而我们很难谈论“社会的意识”。不难想象,将来的极权统治者也许发明一套技术整合全体社会成员的脑,将他们压缩为图5右方的那个黑色节点。不过,这样的“社会脑”犹如癫痫患者的脑那样缺乏分化性,于是社会也会癫痫发作。癫痫的社会脑,若要免于解体,必须再度裂为许多独立个体的脑。
图5. 截图取自2014年出版(布鲁门菲尔德是第二主编)的手册:Carl Faingold and Hal Blumenfeld,eds.,2014,《Neuronal Networks in Brain Function, CNS Disorders, and Therapeutics》(脑神经元网络:功能,中枢神经系统失调与治疗方法),第6章。这里图示了常见的网络测度指标,注意:(1)绿色纽带的注释,网络整合性的测度指标;(2)蓝色纽带的注释,网络分离性的测度指标。
 
2021年4月21日



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