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| | = 概述 = | | = 概述 = |
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| − | == 意识研究的背景 == | + | == [[意识]]研究的背景 == |
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| − | 为什么我们会有意识体验，它与我们的身体和大脑有着怎样的关系？意识研究的先驱、心理学家[[威廉·詹姆斯]]（William James）认为意识的神经基础并非局限于特定的神经元或区域，而是涉及整个大脑<ref name=james_1890>W. James, The Principles of Psychology (Holt, New York, 1890).</ref>。而且，他认为意识不是一个“东西”，而是一个在几分之一秒的时间尺度上不断变化的过程或流。更进一步，这是一个高度统一或整合的意识流。这意味着每一个有意识的场景都是单一的，且无法被分解为独立的组件，总是从一个特定的视角被体验。这种体验也具有私密性，是不能被其他视角分享的<ref name=james_1890 />。詹姆斯的观点把关于意识的讨论和研究带入到了科学研究的范畴里，尤其是启发了后续关于[[意识的神经关联]]（Neural Correlates of Consciousness, NCC）的一系列科学研究<ref name=tononi_edelman_1998>{{cite journal |last1=Tononi |first1=G. |last2=Edelman |first2=G.M. |title=Consciousness and Complexity |journal=Science |volume=282 |issue=5395 |pages=1846-1851 |year=1998 |url=https://doi.org/10.1126/science.282.5395.1846}}</ref>。NCC旨在找到意识体验所必需的最小神经机制集合<ref name=aru_et_al_2012>{{cite journal |last1=Aru |first1=J. |last2=Bachmann |first2=T. |last3=Singer |first3=W. |last4=Melloni |first4=L. |title=Distilling the neural correlates of consciousness |journal=Neuroscience & Biobehavioral Reviews |volume=36 |issue=2 |pages=737–746 |year=2012 |url=https://doi.org/10.1016/j.neubiorev.2011.12.003}}</ref>，这对于我们从科学的角度理解意识与身体的关系至关重要。
| + | 为什么我们会有[[意识]]体验，它与我们的身体和[[大脑]]有着怎样的关系？[[意识]]研究的先驱、心理学家[[威廉·詹姆斯]]（William James）认为[[意识]]的神经基础并非局限于特定的[[神经元]]或区域，而是涉及整个[[大脑]]<ref name=james_1890>W. James, The Principles of Psychology (Holt, New York, 1890).</ref>。而且，他认为[[意识]]不是一个“东西”，而是一个在几分之一秒的时间尺度上不断变化的过程或流。更进一步，这是一个高度统一或整合的[[意识]]流。这意味着每一个有[[意识]]的场景都是单一的，且无法被分解为独立的组件，总是从一个特定的视角被体验。这种体验也具有私密性，是不能被其他视角分享的<ref name=james_1890 />。詹姆斯的观点把关于[[意识]]的讨论和研究带入到了科学研究的范畴里，尤其是启发了后续关于[[意识的神经关联]]（Neural Correlates of Consciousness, NCC）的一系列科学研究<ref name=tononi_edelman_1998>{{cite journal |last1=Tononi |first1=G. |last2=Edelman |first2=G.M. |title=Consciousness and Complexity |journal=Science |volume=282 |issue=5395 |pages=1846-1851 |year=1998 |url=https://doi.org/10.1126/science.282.5395.1846}}</ref>。NCC旨在找到[[意识]]体验所必需的最小神经[[机制]][[集合]]<ref name=aru_et_al_2012>{{cite journal |last1=Aru |first1=J. |last2=Bachmann |first2=T. |last3=Singer |first3=W. |last4=Melloni |first4=L. |title=Distilling the neural correlates of consciousness |journal=Neuroscience & Biobehavioral Reviews |volume=36 |issue=2 |pages=737–746 |year=2012 |url=https://doi.org/10.1016/j.neubiorev.2011.12.003}}</ref>，这对于我们从科学的角度理解[[意识]]与身体的关系至关重要。 |
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| − | 自20世纪80年代末起，随着脑成像技术发展，掀起了一股意识研究的热潮。美国神经科学家Giulio Tononi 和 Gerald M. Edelman沿袭了[[威廉·詹姆斯]]的部分观点，尤其是认为意识是一个高度统一或整合的且不能被分享的过程或体验。但他们不同意意识的物质基础是整个大脑，因为有实验证据表明，即使大脑的某些区域受损伤或被切除，意识本身也没有受到太大的影响<ref name=tononi_edelman_1998 />。所以我们需要新的理论框架来帮助我们刻画意识与神经机制的关系。传统的神经科学与认知行为学通常采用对比不同意识或外在行为状态下大脑活动的研究思路。比如，Liang Shan等人通过实验任务操纵被试的意识状态（比如无感知、潜意识和有意识状态），使用[[脑电图]]（Electroencephalogram, EEG）和[[脑磁图]](Magnetoencephalography, MEG）技术，对比分析不同频率的脑电波和功能连接的变化，发现[[神经元]][[同步]]放电和整合活动是视觉意识的关键要素<ref name=shan_et_al_2022>{{cite journal |last1=Shan |first1=L. |last2=Huang |first2=H. |last3=Zhang |first3=Z. |last4=Wang |first4=Y. |last5=Gu |first5=F. |last6=Lu |first6=M. |last7=Zhou |first7=W. |last8=Jiang |first8=Y. |last9=Dai |first9=J. |title=Mapping the emergence of visual consciousness in the human brain via brain-wide intracranial electrophysiology |journal=The Innovation |volume=3 |issue=3 |pages=100243 |year=2022 |url=https://doi.org/10.1016/j.xinn.2022.100243}}</ref>。
| + | 自20世纪80年代末起，随着脑成像技术发展，掀起了一股[[意识]]研究的热潮。[[美国]][[神经科学]]家[[Giulio Tononi]] 和 Gerald M. Edelman沿袭了[[威廉·詹姆斯]]的部分观点，尤其是认为[[意识]]是一个高度统一或整合的且不能被分享的过程或体验。但他们不同意[[意识]]的物质基础是整个[[大脑]]，因为有实验证据表明，即使[[大脑]]的某些区域受损伤或被切除，[[意识]]本身也没有受到太大的影响<ref name=tononi_edelman_1998 />。所以我们需要新的理论框架来[[帮助]]我们刻画[[意识]]与神经[[机制]]的关系。传统的[[神经科学]]与认知行为学通常采用对比不同[[意识]]或外在行为状态下[[大脑]]活动的研究思路。比如，Liang Shan等人通过实验任务操纵被试的[[意识]]状态（比如无感知、潜[[意识]]和有[[意识]]状态），使用[[脑电图]]（Electroencephalogram, EEG）和[[脑磁图]](Magnetoencephalography, MEG）技术，对比分析不同[[频率]]的脑电波和功能连接的变化，发现[[神经元]][[同步]]放电和整合活动是视觉[[意识]]的关键要素<ref name=shan_et_al_2022>{{cite journal |last1=Shan |first1=L. |last2=Huang |first2=H. |last3=Zhang |first3=Z. |last4=Wang |first4=Y. |last5=Gu |first5=F. |last6=Lu |first6=M. |last7=Zhou |first7=W. |last8=Jiang |first8=Y. |last9=Dai |first9=J. |title=Mapping the emergence of visual consciousness in the human brain via brain-wide intracranial electrophysiology |journal=The Innovation |volume=3 |issue=3 |pages=100243 |year=2022 |url=https://doi.org/10.1016/j.xinn.2022.100243}}</ref>。 |
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| − | 尽管在传统研究中积累了大量的神经生物学数据，并取得了意识状态与脑部活动之间相关性的研究成果，但这却引发了以下问题：
| + | 尽管在传统研究中积累了大量的神经[[生物学]]数据，并取得了[[意识]]状态与脑部活动之间[[相关性]]的研究成果，但这却引发了以下问题： |
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| − | 1.意识体验的可操作评估标准<ref name=tononi_edelman_1998 />——如何确定是否有效操纵不同水平的意识状态，即如何量化比较不同意识体验？如何在不同研究或者重复研究中确定实验任务操纵的意识体验水平？如何确定该神经活动变化是与意识水平有关，而非实验任务或者实验呈现刺激所引起的变化？ | + | 1.[[意识]]体验的可操作评估标准<ref name=tononi_edelman_1998 />——如何确定是否有效操纵不同水平的[[意识]]状态，即如何[[量化]]比较不同[[意识]]体验？如何在不同研究或者重复研究中确定实验任务操纵的[[意识]]体验水平？如何确定该神经活动变化是与[[意识]]水平有关，而非实验任务或者实验呈现刺激所引起的变化？ |
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| − | 2.“解释鸿沟”（Explanatory Gap）难题——即便识别出与意识相关的神经活动，也难以完全解释主观体验如何从这些物理活动中产生<ref name=polak_marvan_2018>{{cite journal |last1=Polák |first1=M. |last2=Marvan |first2=T. |title=Neural Correlates of Consciousness Meet the Theory of Identity |journal=Frontiers in Psychology |volume=9 |year=2018 |url=https://doi.org/10.3389/fpsyg.2018.01269}}</ref>。 | + | 2.“解释鸿沟”（Explanatory Gap）难题——即便识别出与[[意识]]相关的神经活动，也难以完全解释主观体验如何从这些[[物理]]活动中产生<ref name=polak_marvan_2018>{{cite journal |last1=Polák |first1=M. |last2=Marvan |first2=T. |title=Neural Correlates of Consciousness Meet the Theory of Identity |journal=Frontiers in Psychology |volume=9 |year=2018 |url=https://doi.org/10.3389/fpsyg.2018.01269}}</ref>。 |
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| − | 第二个问题与澳大利亚哲学家大卫・查尔默斯（David Chalmers）提出的“简单问题”与“难问题”之分有关<ref name=carlson_2002>{{cite journal |last1=Carlson |first1=R.A. |title=Multiple Perspectives on Consciousness for Cognitive Science |journal=Proceedings of the Annual Meeting of the Cognitive Science Society |volume=24 |issue=24 |year=2002 |url=https://escholarship.org/uc/item/0294x9ng}}</ref>。查尔默斯所指的“简单问题”并非指其解决起来容易，而是指原则上可以通过传统的认知科学和神经科学方法来解决的问题，通常涉及功能性解释。换句话说，意识的“简单问题”聚焦于意识的功能与机制，诸如“大脑如何整合感官信息并形成统一的知觉体验”“注意力如何筛选信息并影响意识内容”“清醒与睡眠状态下的神经活动有何差异”。意识的“难问题”则触及意识的核心谜题——主观体验的本质。它追问的是：为何物理的大脑活动会伴随 “感受性”？比如，当我们看到红色时，为何会产生独特的“红色体验”，而不是其他感受？
| + | 第二个问题与澳大利亚哲学家大卫・查尔默斯（[[David Chalmers]]）提出的“简单问题”与“难问题”之分有关<ref name=carlson_2002>{{cite journal |last1=Carlson |first1=R.A. |title=Multiple Perspectives on Consciousness for Cognitive Science |journal=Proceedings of the Annual Meeting of the Cognitive Science Society |volume=24 |issue=24 |year=2002 |url=https://escholarship.org/uc/item/0294x9ng}}</ref>。查尔默斯所指的“简单问题”并非指其解决起来容易，而是指原则上可以通过传统的[[认知科学]]和[[神经科学]]方法来解决的问题，通常涉及功能性解释。换句话说，[[意识]]的“简单问题”聚焦于[[意识]]的功能与[[机制]]，诸如“[[大脑]]如何整合感官信息并形成统一的知觉体验”“注意力如何筛选信息并影响[[意识]]内容”“清醒与睡眠状态下的神经活动有何差异”。[[意识]]的“难问题”则触及[[意识]]的核心谜题——主观体验的本质。它追问的是：为何[[物理]]的[[大脑]]活动会伴随 “感受性”？比如，当我们看到红色时，为何会产生独特的“红色体验”，而不是其他感受？ |
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| − | 正是在这样的理论背景下，整合信息论（Integrated Information Theory, IIT）显示出其突破性价值。IIT由Giulio Tononi于2004年提出，该理论独辟蹊径，从意识的现象学公理（如存在性、整合性、信息性等）出发，反向推导出意识必需的物理基础，并提出了可计算的量化指标——Φ值，用以衡量一个系统的意识水平。整合信息论（IIT）不仅尝试直面“物理如何产生主观”这一根本问题，也首次使意识的定量化、跨系统比较成为可能，为构建可验证、可计算意识科学奠定了重要基础<ref name=tononi_2004>{{cite journal |last1=Tononi |first1=G.|title=An information integration theory of consciousness |journal=BMC Neuroscience |volume=5 |issue=1 |pages=42 |year=2004 |url=https://doi.org/10.1186/1471-2202-5-42}}</ref>。 | + | 正是在这样的理论背景下，整合信息论（Integrated Information Theory, IIT）显示出其突破性价值。IIT由[[Giulio Tononi]]于2004年提出，该理论独辟蹊径，从[[意识的现象学公理]]（如存在性、整合性、信息性等）出发，反向推导出[[意识]]必需的[[物理]]基础，并提出了可计算的[[量化]]指标——Φ值，用以衡量一个系统的[[意识]]水平。整合信息论（IIT）不仅尝试直面“[[物理]]如何产生主观”这一根本问题，也首次使[[意识]]的定[[量化]]、跨系统比较成为可能，为构建可验证、可计算[[意识科学]]奠定了重要基础<ref name=tononi_2004>{{cite journal |last1=Tononi |first1=G.|title=An information integration theory of consciousness |journal=BMC Neuroscience |volume=5 |issue=1 |pages=42 |year=2004 |url=https://doi.org/10.1186/1471-2202-5-42}}</ref>。 |
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| − | IIT主要在回答关于意识的两个核心问题：第一，理解决定系统具备意识程度的条件以及如何刻画意识程度。例如，为什么大脑的某些区域对意识体验至关重要，而其他同样富含神经元和连接的区域却无足轻重？第二，理解系统为何具有某种意识的内容。例如，为什么颜色呈现特定视觉效果，而音乐产生独特音韵，疼痛引发特殊触感？解决第一个问题意味着我们就能判断物理系统产生意识的程度——意识的量或层级。解决第二个问题意味着我们会知道它产生的是什么样的意识——意识的质量或内容<ref name=tononi_2004>{{cite journal |last1=Tononi |first1=G.|title=An information integration theory of consciousness |journal=BMC Neuroscience |volume=5 |issue=1 |pages=42 |year=2004 |url=https://doi.org/10.1186/1471-2202-5-42}}</ref>。
| + | IIT主要在回答关于[[意识]]的两个核心问题：第一，理解决定系统具备[[意识]]程度的条件以及如何刻画[[意识]]程度。例如，为什么[[大脑]]的某些区域对[[意识]]体验至关重要，而其他同样富含[[神经元]]和连接的区域却无足轻重？第二，理解系统为何具有某种[[意识]]的内容。例如，为什么颜色呈现特定视觉效果，而音乐产生独特音韵，疼痛引发特殊触感？解决第一个问题意味着我们就能判断[[物理]]系统产生[[意识]]的程度——[[意识]]的量或层级。解决第二个问题意味着我们会知道它产生的是什么样的[[意识]]——[[意识]]的质量或内容<ref name=tononi_2004>{{cite journal |last1=Tononi |first1=G.|title=An information integration theory of consciousness |journal=BMC Neuroscience |volume=5 |issue=1 |pages=42 |year=2004 |url=https://doi.org/10.1186/1471-2202-5-42}}</ref>。 |
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| − | == 整合信息论与意识 == | + | == IIT的理论发展 == |
| − | 理解意识，或许就是理解“人为何成为人”的核心。传统科学通常将意识视为物理过程的衍生现象，试图通过观测脑活动来反推其机制。而整合信息论认为意识是一个系统“整合信息”的内在属性，并非局限于大脑。具体而言，一个系统是否具有意识、意识的强度如何，取决于它能否将分散的信息整合为不可分割的整体，同时产生独特的信息状态。
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| − | 托诺尼认为大脑中神经元网络是分布式并行系统，个体神经元仅负责自身决策，属“多”体系统。但意识常是统一整合体，呈现“一”的特征，如同一时刻只能聚焦一事。问题在于大脑如何将神经元并行决策转变为统一意识，这需信息汇聚处理。那么将“多”信息整合成“一”是意识关键特征，甚至可将系统信息整合能力定义为意识度，这就是整合信息量<math>\Phi</math> 。从本质上讲，<math>\Phi</math> 就是一种[[有效信息]]（Effective Information，简称EI），即将大脑视作一个因果网络之后，在所有子网络中能够让因果瓶颈处的有效信息所能达到的最大值。
| + | IIT自提出以来，[[Tononi]]等人不断发展该理论框架，对于[[整合信息]]Φ的定义也在不断更新，至今已有IIT4.0版本。下面是各个版本出现的时间。 |
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| − | 具体来说，整合信息理论中<math>\Phi</math>计算是将复杂网络换成大脑因果网络，节点为神经元，连边为突触链接，连边强弱为因果联系的有效信息。遍历所有子网络，对每个子网络遍历切断划分方法找最小有效信息切分（因果瓶颈）得该子网络<math>\phi</math>，所有子网络中最大的<math>\phi</math>即<math>\Phi</math>，此为因果网络信息整合程度，对应意识发生区域。
| + | * [[IIT1.0]]，2004 |
| − | | + | * [[IIT2.0]]，2008 |
| − | 自20世纪80年代末起，随着脑成像技术发展，掀起了一股意识研究的热潮。传统的意识研究方法往往集中于特定脑区或神经元群是否参与意识形成及其参与程度，旨在探寻意识的神经关联（Neural Correlates of Consciousness, NCC）<ref name=tononi_edelman_1998>{{cite journal |last1=Tononi |first1=G. |last2=Edelman |first2=G.M. |title=Consciousness and Complexity |journal=Science |volume=282 |issue=5395 |pages=1846-1851 |year=1998 |url=https://doi.org/10.1126/science.282.5395.1846}}</ref>。所谓意识的神经关联（NCC），是指意识体验所必需的最小神经机制集合<ref name=aru_et_al_2012>{{cite journal |last1=Aru |first1=J. |last2=Bachmann |first2=T. |last3=Singer |first3=W. |last4=Melloni |first4=L. |title=Distilling the neural correlates of consciousness |journal=Neuroscience & Biobehavioral Reviews |volume=36 |issue=2 |pages=737–746 |year=2012 |url=https://doi.org/10.1016/j.neubiorev.2011.12.003}}</ref>，通常采用对比不同意识状态下大脑活动的研究思路。比如，Liang Shan等人通过实验任务操纵被试的意识状态（比如无感知、潜意识和有意识状态），使用脑电图（Electroencephalogram, EEG）和脑磁图(Magnetoencephalography, MEG）技术，对比分析不同频率的脑电波和功能连接的变化，发现神经元同步放电和整合活动是视觉意识的关键要素<ref name=shan_et_al_2022>{{cite journal |last1=Shan |first1=L. |last2=Huang |first2=H. |last3=Zhang |first3=Z. |last4=Wang |first4=Y. |last5=Gu |first5=F. |last6=Lu |first6=M. |last7=Zhou |first7=W. |last8=Jiang |first8=Y. |last9=Dai |first9=J. |title=Mapping the emergence of visual consciousness in the human brain via brain-wide intracranial electrophysiology |journal=The Innovation |volume=3 |issue=3 |pages=100243 |year=2022 |url=https://doi.org/10.1016/j.xinn.2022.100243}}</ref>。尽管在传统意识研究中积累了大量的神经生理学数据，取得了意识状态与脑部活动之间相关性的研究成果，但缺乏对实验操纵不同意识状态水平的评估标准，也未能解释物理系统（比如脑）如何产生意识。
| + | * [[IIT3.0]]，2014 |
| − | | + | * [[IIT4.0]]，2025 |
| − | 因此，要真正理解意识，需要解决两个核心问题：第一，理解决定系统具备意识程度的条件。例如，为什么大脑的某些区域对意识体验至关重要，而其他同样富含神经元和连接的区域却无足轻重？第二，理解决定系统具有何种意识形式的条件。例如，为什么颜色呈现特定视觉效果，而音乐产生独特音韵，疼痛引发特殊触感？解决第一个问题意味着我们就能判断物理系统产生意识的程度——意识的量或层级。解决第二个问题意味着我们会知道它产生的是什么样的意识——意识的质量或内容<ref name=tononi_2004>{{cite journal |last1=Tononi |first1=G.|title=An information integration theory of consciousness |journal=BMC Neuroscience |volume=5 |issue=1 |pages=42 |year=2004 |url=https://doi.org/10.1186/1471-2202-5-42}}</ref>。
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| − | 然而，朱利奥·托诺尼和杰拉尔德·M·埃德尔曼早在1998年便另辟蹊径，从分析意识体验关键属性出发，再描述可能解释那些关键属性的神经过程。首先，将意识的核心特性归纳为两点：整合性和分化性。整合性指意识体验是一个统一的整体，比如人在同一时刻感知到的视觉、听觉和其他感官信息会融合成一个连贯的场景。而分化性则指意识状态的多样性，即在极短的时间内，人可以感知到无数种不同的意识状态。之后，引用了神经生物学数据，证明与意识体验相关的神经过程确实具有这两种特性。接着，他们进一步开发了两种测量工具——功能聚类和神经复杂性，用于量化神经过程中的整合性和分化性，并建立了判断神经元群活动是否参与意识体验的标准。这些标准随后被整合到动态核心假说（
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| − | Dynamic Core Hypothesis）中，该假说解释了意识的关键属性如何通过神经整合和复杂性来实现，形成了一个关于意识体验神经基础的可验证理论框架<ref name=tononi_edelman_1998>{{cite journal |last1=Tononi |first1=G. |last2=Edelman |first2=G.M. |title=Consciousness and Complexity |journal=Science |volume=282 |issue=5395 |pages=1846-1851 |year=1998 |url=https://doi.org/10.1126/science.282.5395.1846}}</ref>。
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| − | 正是在这样的理论背景上，神经科学家朱利奥・托诺尼于2004年提出整合信息论（Integrated Information Theory, IIT）。该理论独辟蹊径，从意识的现象学公理（如存在性、整合性、信息性等）出发，反向推导出意识必需的物理基础，并提出了可计算的量化指标—— <math>\Phi</math> 值，用以衡量一个系统的意识水平。整合信息论（IIT）不仅尝试直面“物理如何产生主观”这一根本问题，也首次使意识的定量化、跨系统比较成为可能，为构建可验证、可计算意识科学奠定了重要基础<ref name=tononi_2004>{{cite journal |last1=Tononi |first1=G.|title=An information integration theory of consciousness |journal=BMC Neuroscience |volume=5 |issue=1 |pages=42 |year=2004 |url=https://doi.org/10.1186/1471-2202-5-42}}</ref>。
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| | == 公理与假设 == | | == 公理与假设 == |
| − | 整合信息理论（IIT）是以六大公理为基础框架，每个公理都对应着关于系统因果结构的物理假设，具体包含如下：系统必须具备并发挥内在的因果力量；必须能指定特定的因果状态（通过内在信息实现）；必须以整体形式不可约地完成这一过程（可用小 phi，即 <math>\phi</math> 来衡量）；只有达到最大程度不可还原的底物（复合物）才具备意识；其子集则必须能指定结构化的区别与关系，进而形成 <math>\Phi</math> 结构。详细内容可以看之后的“整合信息论公理体系”模块。
| + | [[整合信息理论]]（IIT）是以六大公理为基础框架，每个公理都对应着关于系统[[因果结构]]的[[物理]]假设，具体包含如下：系统必须具备并发挥内在的[[因果力]]量；必须能指定特定的[[因果]]状态（通过内在信息实现）；必须以整体形式不可约地完成这一过程（可用小 phi，即 <math>\phi</math> 来衡量）；只有达到最大程度不可还原的底物（复合物）才具备[[意识]]；其[[子集]]则必须能指定结构化的区别与关系，进而形成 <math>\Phi</math> 结构。详细内容可以看之后的“[[整合信息]]论公理体系”模块。 |
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| | = 整合信息量（Φ）= | | = 整合信息量（Φ）= |