本文来自微信公众号： 自然系列 ，作者：Nature Portfolio，原文标题：《我们为何有意识？| “自然聚焦-神经科学” 增刊》
人脑究竟如何产生这种主观体验，目前尚不清楚，但相关研究已推动该领域向令人振奋的方向发展。
乍看之下，人类意识似乎是我们最无需怀疑的事物。我们之所以确信自己拥有意识，是因为我们能生动细致地体验这个世界：品尝巧克力时那份小小的愉悦；聆听一首充满忧伤的乐曲；沉浸在一段童年回忆中，仿佛重返旧时故地。
然而，尽管意识是现实中如此基础的一个层面，但其本质——即“觉察到自身存在”的体验——却出人意料地难以界定。几个世纪以来，研究人员和哲学家们一直在争论：大脑中的物理过程究竟是如何以及为何会产生我们每个人似乎都具备的那种主观的、第一人称的体验。这一问题被称为意识的“困难问题”（hard problem），至今仍是推动相关研究的核心议题。
尽管科学家们距离彻底阐明大脑活动如何孕育出整个内心世界尚有遥远的距离，但该领域已取得了一定进展。研究人员目前已能够可靠地测量大脑活动及其连接状态，并探索是否存在某种隐蔽的觉察（awareness）迹象。
综合神经科学，以及植物科学、人工智能和天体生物学等诸多学科的见解，一幅新的图景正逐渐浮现：意识并非像一盏可以随时开关的灯那样简单，而是一种协调的状态；它存在的范围可能比我们此前认为的更为广泛。例如，人工智能的迅速崛起引发了广泛讨论：是否只有人类才具备意识？甚至，产生意识是否一定需要大脑？
“人们常因我们对意识的理解仍较为模糊而感到困扰，”美国麻省理工学院的认知科学哲学家Matthias Michel说道，“但必须指出的是，在科学史上，定义往往是在科学探索过程的末尾而非开端才形成的。我认为我们正处于这一探索过程的核心阶段，这令人感到非常振奋。”
意识的萌芽
目前尚无直接评估人类意识的方法，但研究人员在确立“意识的神经相关物”（Neural Correlates of Consciousness，简称NCC）方面已取得进展。这些标准——既可以是单一指标，也可以是多种事件的组合——旨在界定启动意识体验所需的最低限度神经机制。例如，这可能涉及特定神经元的放电，或是某种特定的脑活动模式，这些都标志着内部体验的产生。若未达到这些阈值，人在生活中可能会在某种“意识不完全”的状态下行事——比如开车时突然“走神”，片刻后才猛然回过神来。
一些NCC是通过研究处于特定状态下的人群确定的，这些状态通常不被视为典型的“意识”状态，例如睡眠、麻醉或昏迷。威斯康星大学麦迪逊分校的神经学家Melanie Boly指出，这类研究至关重要，它有助于将真正的“意识的神经相关物”与那些仅仅代表“清醒”或“对周围环境有反应”的脑活动区分开来。
“这是一个重大突破：我们能够剥离出意识的真正特征，而不是仅仅去测量那些与意识体验相关、或是意识体验所带来的后果，”Boly说道。
通过这些研究，科学家们发现，约有四分之一在医学上表现为“无意识”状态的个体，实际上正处于一种“隐性意识”（covert consciousness）中——他们依然能够感知周围的世界。在2024年的一项里程碑式研究中，研究人员对241名因脑损伤而看似毫无反应的受试者进行了测试，要求他们想象自己正在进行某些活动，例如打网球，或者反复张开和合上手掌。在这些任务中，数十名患者的大脑在影像扫描中表现出了活跃迹象——这一发现引发了人们的思考：在看似静止的状态下，意识是否依然存在？1
基于这一发现，研究人员不再将意识视为一种“有”或“无”的二元状态，而是将其理解为一个存在于连续谱上的动态过程。根据这些理论，科学家们得以开发出相应的指标，用于检验关于意识的科学假设。其中最有前景的指标之一被称为“扰动复杂性指数”（Perturbational Complexity Index，简称PCI）2。
PCI通过评估大脑对短暂磁脉冲的反应来衡量个体的意识水平。这种反应通过脑电图（EEG）进行测量——EEG利用电极来追踪大脑的电活动。在清醒的大脑中，神经反应通常会扩散开来，同时保持高度的复杂性，且不同脑区之间的反应各不相同——这些特征分别被称为“整合性”（integration）和“分化性”（differentiation）。而在睡眠或麻醉状态下，这种反应会变得更加简单且重复。
奥斯陆大学的神经生理学家Johan Frederik Storm表示：“PCI被认为是意识的一个非常准确的关联指标，在许多研究场景中都极具价值。”他补充道，遗憾的是，由于该指标的获取过程较为繁琐，阻碍了其在临床上的广泛应用，“但即便如此，它正逐渐获得越来越多的关注与认可”。
对理论进行“压力测试”
随着人们对此的理解不断加深，一些新的假说应运而生。这些假说不再仅仅局限于对意识各个层面的测量，而是试图从更本质的层面去探究意识究竟为何物。目前，这类理论已有450多种；它们虽在研究规模或侧重点上各不相同，但其中许多理论在特征上存在重叠。其中最广为人知的两种是“全局神经工作空间理论”（Global Neuronal Workspace Theory，简称GNWT）和“整合信息理论”（Integrated Information Theory，简称IIT）。
GNWT认为，大脑中的大多数活动仅限于特定的功能区域——例如，视觉区域负责处理形状和颜色，而语言区域则负责处理词汇。当信息变得足够重要，并被“广播”到大脑的各个区域时，意识便随之产生。如果一张人脸的表征仅停留在视觉系统内，它或许只会引发某种简单的、无意识的反应；但如果这张人脸能够激活大脑中广泛分布的区域——这些区域共同构成了所谓的“全局工作空间”——那么多种系统便能利用这些信息，构建出一种意识体验。
IIT则试图回答另一个问题：体验究竟是怎样的？当我们观察世界或回溯记忆时，我们所感知到的是一个连贯的整体场景，而非颜色、声音和触觉等孤立要素的简单堆砌。IIT主张，意识取决于系统各组成部分之间相互影响的强度，同时这些部分又必须保持各自的独立性——即系统既要有“整合性”，也要有“区分度”，唯有如此，才能产生丰富多样的状态与体验。一个具备意识的系统，绝非仅仅是若干独立部分的集合；它必须构成一个整体，且该整体所呈现出的状态，无法通过单独考察其各个组成部分来完全解释。
在验证此类假说时，一个主要难题在于，研究人员所采用的测试方法往往缺乏真正的中立性和严谨性。2022年的一项分析涵盖了数百项实验，结果发现，在意识研究中，实验设计往往带有预设偏见，从而使研究结果倾向于支持某一种特定的理论3。华盛顿州西雅图艾伦脑科学研究所的意识研究专家Christof Koch指出，这种现象使得不同意识研究之间的直接对比变得十分困难；他本人在该领域已深耕数十年。
“人们往往会对自己提出的理论产生深厚的情感依恋，而这种‘确认偏误’（confirmation bias）有时会阻碍诚恳且富有成效的合作，”他说道。
德国波鸿鲁尔大学的认知神经科学家Lucia Melloni近期领导了一项开创性研究，旨在对这两种理论流派进行直接对比。她召集了这两种理论的支持者以及中立的参与者，并让他们预先就一系列实验方案和预测达成共识。研究团队利用三种测量技术——脑电图（EEG）、功能性磁共振成像（fMRI，通过检测血流的微小变化来追踪大脑活动）以及脑磁图（MEG，用于测量大脑电流产生的磁场）——对这两种理论的基础假设4进行了探究。
植物虽然没有大脑，却具备决策和解决问题的能力。图片来源：Jason Milligan/Courtesy of Understory
这两种理论的一大分歧在于：大脑中哪个区域对于产生“意识体验”最为关键。全局神经工作空间理论（GNWT）预测，当刺激引发意识体验时，大脑中会突然出现广泛的“点火”（ignition，即大规模的神经活动爆发）；因此，前额叶皮层被认为发挥着重要作用，因为它能利用信息来构建复杂的行为。相比之下，整合信息理论（IIT）则聚焦于大脑后部的一个“热区”（hot zone），该区域涵盖了负责视觉、听觉和触觉的部分系统；根据该理论，相关刺激会汇聚于此，从而产生完整的意识体验。
研究团队发现，在这两个区域中都能观察到与意识相关的信息表征。然而，研究结果也对这两种理论各自的关键预测提出了挑战：IIT所预测的、应出现在大脑皮层后部的持久性活动并未得到明确体现；而GNWT所预期的“点火”现象也十分有限。因此，这项研究并未彻底终结这场争论，反而表明这两种理论或许都只是答案的一部分。
Melloni并不认为这是一种失败，反而觉得这样的结果是最令人振奋的。“我对我们的发现感到高兴，因为这两种理论都没有被‘原封不动’地保留下来，”她说，“如果你的预测总是得到证实，你就没有了进步的空间；而当你的思维受到挑战时，反而能促使你做出更严谨的科学研究。”
意识的疆界究竟能延伸到多远？
科学家们正尝试通过跨学科合作来拓展思维，从植物生物学、动物生物学、机器人学，乃至地外生命探索等迥然不同的领域汲取证据，旨在阐明意识产生所需的条件。例如，我们尚不确定意识是否一定需要大脑，甚至是否一定需要神经元。天体生物学家长期以来一直在搜寻具有感知能力的生命；然而，考虑到已知宇宙的浩瀚，我们无法理所当然地认为这些生命会与我们相似。
在神经科学中，“基质”（substrate）指的是中枢神经系统中驱动认知过程的特定部分。在5月份发布的一篇工作论文中，来自加州大学河滨分校的哲学家Eric Schwitzgebel和里斯本大学的哲学家Jeremy Pober提出，意识很可能与具体的“基质”无关——正如同一本书既可以印在纸上，也可以以数字形式发布一样（详见go.nature.com/4igrquf）。他们写道，如果将人类置于宇宙别处可能演化出的复杂实体之上，那将是一种“不当的偏见”。
在地球上，非人类物种为验证这一观点提供了契机。越来越多的证据揭示了动物意识的诸多侧面——包括自我识别能力、对过去经验的回忆，以及在相互冲突的需求之间进行权衡的能力。这些证据涵盖了非人灵长类、鸟类、鱼类、爬行动物，甚至是无脊椎动物等多种多样的动物群体。2024年，纽约市立大学研究生中心的哲学家Kristin Andrews召集了数十位研究人员，共同编制了《关于动物意识的纽约宣言》（New York Declaration on Animal Consciousness）。该宣言肯定了“现实的可能性”，即所有脊椎动物和许多无脊椎动物都具备意识。
“不久前，‘动物具有意识’这一观点还被视为边缘思想；但随着我们认知的深入，科学共识已发生了根本性的转变，”Andrews说道。她补充说，目前已有超过600名科学家签署了这份宣言。
目前，一组研究人员正致力于通过动物实验，重现Melloni对GNWT与IIT所做的对比研究。该项目与前述对比研究由同一方资助——即总部位于巴哈马拿骚的邓普顿世界慈善基金会。该项目不仅旨在深入了解动物意识，还将致力于完善利用非人灵长类动物和小鼠等模式生物来研究人类意识起源的方法。
西班牙穆尔西亚大学的科学哲学家兼认知科学家Paco Calvo认为，植物虽然没有大脑，却展现出某种程度的主观体验。Calvo指出，植物能够做出决策并解决问题，其方式远不止是对外部环境的简单应激反应，这符合IIT中的多项标准5。植物体内有一种被称为“分生组织”（meristem）的结构——由未分化且处于活跃分裂状态的干细胞组成——它似乎能够同时且迅速地整合来自多方面的信息。
成熟的植物体内可能拥有成千上万个分生组织，它们充当着“中央枢纽”，负责整合并传递来自植物各部位的信息。例如，当植物被昆虫啃食时，它不仅会在受损部位增加产生令昆虫厌恶的化学物质，还会通过分生组织向全身发送信号。这会促使植物优先在全身范围内合成这些化学物质（以及其他防御性物质），即便这意味着要以牺牲整体生长为代价。Calvo表示，这绝非仅仅是对捕食者的一种简单应激反应；植物会根据不断变化的感觉信息流，权衡如何最有效地分配其有限的资源。
“我们常说植物会对光做出反应，但这其实是对它们行为的一种过于简化的理解。实际上，植物是在响应海量的信息，并权衡各类信息源的相对重要性，从而做出决策，”他说，“关键在于，为了实现整体性的适应性反应，信息必须经过整合——至于这种整合是通过神经机制还是非神经机制实现的，反倒没那么重要了。”
“意识可能在不同实体中呈现”这一观点，正日益成为机器人学和人工智能（AI）领域争论的核心；近年来，正是这些领域对意识研究产生了最深远的冲击。一种长期存在的哲学观点——“计算功能主义”（computational functionalism）——将心智和意识视为运行在大脑生物“硬件”上的“软件”；然而，随着“生物自然主义”（biological naturalism）的复兴，这一观点正逐渐“失宠”。生物自然主义主张，生物学特性（而非计算过程）才是构成意识的关键要素。
“AI智能体已成为我们日常生活的一部分；它们之所以显得具有意识，是因为我们在训练它们时，是以人类自身为蓝本的，”柏林自由大学的神经认知研究员Adrien Doerig说道。他于6月发布了一篇关于这一思维转变的预印本论文6。不过他补充说，尽管该领域内许多人坚信现有的AI系统并不具备意识，但他们未必能说出其中的缘由。
这场争论或许终有一天会随着技术的进步而尘埃落定。英国曼彻斯特大学的认知机器人研究员Wenjie Huang指出，他和同行们正以人类心智和意识理论为蓝本，构建机器人系统。随着这些能力与具身机器人技术（即赋予机器人物理形态，使其能够探索周围世界）的进步相融合，机器人或许能向拥有完整主观体验的目标更进一步。
“如果我们认定人类具有意识，且这些机器人架构又是以人类为蓝本构建的，那么推而广之，机器人也应被视为具有意识——即便这种意识与我们人类所理解的意识有所不同，”Huang说，“如果未来机器人能够完成我们所能做的一切，而两者唯一的区别仅在于构成物质不同——一个是碳基，一个是硅基——那么当这一天真正到来时，我们怎能不将其称之为‘意识’呢？”
Amanda Heidt是一位居住在美国犹他州东南部的自由撰稿人。
参考文献：
1.Bodien,Y.G.et al.N.Engl.J.Med.391,598–608(2024).
2.Casali,A.G.et al.Sci.Transl.Med.5,198ra105(2013).
3.Yaron,I.,Melloni,L.,Pitts,M.&Mudrik,L.Nature Hum.Behav.6,593–604(2022).
4.Cogitate Consortium et al.Nature 642,133–142(2025).
5.Calvo,P.,Baluška,F.&Trewavas,A.Biochem.Biophys.Res.Commun.564,158–165(2021).
6.Klatzmann,U.&Doerig,A.Preprint at arXiv https://doi.org/10.48550/arXiv.2606.02121(2026).
原文以“Why are we conscious?Nature investigates the theories”为标题发布在2026年11月4日出版的《自然》增刊“自然聚焦-神经科学”上
©nature
Nature|doi:10.1038/d41586-026-03413-4
