導(dǎo)語(yǔ)
Cogitate項(xiàng)目是一個(gè)創(chuàng)新的開(kāi)放科學(xué)研究計(jì)劃,旨在通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究加速意識(shí)科學(xué)的發(fā)展。該項(xiàng)目聚焦于兩種主要意識(shí)理論——整合信息理論(IIT)和全局工作空間理論(GNWT)之間的對(duì)抗性合作(Adversarial Cooperation),旨在驗(yàn)證和挑戰(zhàn)這些理論。通過(guò)理論驅(qū)動(dòng)的研究方法,項(xiàng)目目標(biāo)是推動(dòng)意識(shí)科學(xué)研究的進(jìn)展,并促進(jìn)理論的驗(yàn)證與完善。Cogitate項(xiàng)目是湯普頓基金會(huì)資助的加速意識(shí)研究的第一個(gè)項(xiàng)目。該基金會(huì)還資助了其他關(guān)于高級(jí)理論以及其他理論的研究,研究對(duì)象包括人、猴子和老鼠等。這表明TWCF基金會(huì)致力于從多個(gè)角度推動(dòng)意識(shí)研究的發(fā)展。
意識(shí)科學(xué)是哲學(xué)與神經(jīng)科學(xué)交叉的核心問(wèn)題。1995年,哲學(xué)家David Chalmers和神經(jīng)科學(xué)家Chris Koch分別提出了關(guān)于意識(shí)的不同看法,Chalmers認(rèn)為意識(shí)難以通過(guò)科學(xué)手段研究,而Koch則主張通過(guò)尋找意識(shí)相關(guān)的神經(jīng)標(biāo)志物(NCC)來(lái)解答這一謎題。從那時(shí)起,意識(shí)研究逐漸從哲學(xué)領(lǐng)域轉(zhuǎn)向?qū)嵶C科學(xué),形成了多種理論,如整合信息理論(IIT)和全局工作空間理論(GNWT)[1]。
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關(guān)鍵詞:整合信息論,全局工作空間理論,開(kāi)放科學(xué)
集智編輯部 | 作者
目錄
1. 背景
2. Cogitate項(xiàng)目的方法
2.1 對(duì)抗性合作研究
2.2 開(kāi)放科學(xué)
2.3 多模態(tài)神經(jīng)影像技術(shù)
3. 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
3.1 被試任務(wù)
3.2 腦活動(dòng)記錄
3.3 數(shù)據(jù)分析
3.4 預(yù)期結(jié)果
4. 初步結(jié)果
5. 數(shù)據(jù)共享與再分析
6. 項(xiàng)目意義
7. 未來(lái)展望
1. 背景
意識(shí)研究長(zhǎng)期以來(lái)面臨著哲學(xué)思辨與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證之間的鴻溝。歷史上的意識(shí)研究也面臨諸多爭(zhēng)議。1995年國(guó)際意識(shí)大會(huì)上,David Chalmers和Chris Koch等學(xué)者就意識(shí)研究的方法和意義展開(kāi)了討論,他們的觀點(diǎn)至今仍對(duì)該領(lǐng)域產(chǎn)生著深遠(yuǎn)影響。David Chalmers認(rèn)為意識(shí)存在一個(gè)“易問(wèn)題”和一個(gè)“難問(wèn)題”,其中“難問(wèn)題”涉及主觀體驗(yàn)的本質(zhì),難以通過(guò)還原主義的科學(xué)方法完全解釋?zhuān)鳦hris Koch則支持通過(guò)神經(jīng)科學(xué)和整合信息理論(IIT)來(lái)探索意識(shí)的本質(zhì)和科學(xué)基礎(chǔ)。
然而,長(zhǎng)期以來(lái),意識(shí)科學(xué)研究都局限于哲學(xué)討論和思辨。直到近期,一系列相互競(jìng)爭(zhēng)的解釋意識(shí)現(xiàn)象的理論才被逐漸提出來(lái),這包括整合信息理論(IIT)、全局工作空間理論(GWT)、意識(shí)現(xiàn)象學(xué)理論、意識(shí)的進(jìn)化理論、高階思維理論(HOT)、泛心論、神經(jīng)達(dá)爾文主義等。這其中,整合信息理論和全局工作空間理論是兩個(gè)能夠提出具體預(yù)測(cè)的理論。
如何將將哲學(xué)層面的意識(shí)理論轉(zhuǎn)化為心理學(xué)上可操作的概念,并將抽象的意識(shí)概念轉(zhuǎn)化為可操作的實(shí)驗(yàn)范式,如何解讀實(shí)驗(yàn)結(jié)果并將其與理論框架相聯(lián)系,是該領(lǐng)域面臨的主要挑戰(zhàn)。Cogitate項(xiàng)目正是在這樣的背景下應(yīng)運(yùn)而生,旨在通過(guò)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、開(kāi)放的數(shù)據(jù)共享和跨學(xué)科的合作,推動(dòng)意識(shí)研究的科學(xué)化進(jìn)程,特別是針對(duì)整合信息理論和全局工作空間理論這兩個(gè)理論進(jìn)行比較驗(yàn)證。
2. Cogitate項(xiàng)目的方法
Cogitate項(xiàng)目采用了一系列創(chuàng)新方法來(lái)應(yīng)對(duì)意識(shí)研究的挑戰(zhàn):
2.1 對(duì)抗性合作研究
對(duì)抗性合作(Adversarial Collaboration)研究是指一種研究方法,它通過(guò)由持不同理論立場(chǎng)的研究者共同參與設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),直接比較和驗(yàn)證各自理論的預(yù)測(cè),以尋找各自理論的優(yōu)勢(shì)和不足。Cogitate項(xiàng)目選擇了整合信息論和全局神經(jīng)元工作空間理論這兩種代表性的意識(shí)理論,通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),直接比較這兩種理論的預(yù)測(cè),從而找出它們各自的優(yōu)勢(shì)和不足。這種對(duì)抗性合作有助于研究者更清晰地認(rèn)識(shí)不同理論的特點(diǎn),促進(jìn)理論的完善和發(fā)展。
2.2 開(kāi)放科學(xué)
所謂的開(kāi)放科學(xué)(Open Science),是指一種以開(kāi)放獲取、透明度和協(xié)作為核心的科學(xué)研究和學(xué)術(shù)交流模式。它強(qiáng)調(diào)研究數(shù)據(jù)、方法、結(jié)果和論文的自由訪問(wèn)與共享,促進(jìn)科學(xué)研究的透明度、可重復(fù)性和共同進(jìn)步。
在開(kāi)放科學(xué)中,研究者通常回顧同一個(gè)開(kāi)放研究協(xié)議(Protocol),這是該研究的具體操作手冊(cè)或標(biāo)準(zhǔn)操作規(guī)程(SOP),它詳細(xì)說(shuō)明了研究的設(shè)計(jì)、方法、步驟和預(yù)期結(jié)果。開(kāi)放科學(xué)中的protocol通常是公開(kāi)的,這樣其他研究者可以:清楚地理解研究的具體過(guò)程、重復(fù)實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證結(jié)果、提供改進(jìn)建議或擴(kuò)展研究,并確保研究的可重復(fù)性和科學(xué)性。
Cogitate項(xiàng)目遵循開(kāi)放科學(xué)的原則,它不僅將所有研究數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)流程、分析代碼等公開(kāi)共享,而且為了提高研究的透明度和可重復(fù)性,允許其他研究者驗(yàn)證和擴(kuò)展研究結(jié)果,項(xiàng)目組于2024年8月在OHBM bioRxiv上發(fā)布了一份數(shù)據(jù)集,鼓勵(lì)研究者參與到意識(shí)問(wèn)題的研究中。
除此之外,Cogitate項(xiàng)目還在實(shí)驗(yàn)前就公布了一個(gè)研究協(xié)議(Protocol)[2],它詳細(xì)說(shuō)明了研究的設(shè)計(jì)、方法、步驟和預(yù)期結(jié)果。同時(shí),該項(xiàng)目要求對(duì)抗性合作的兩個(gè)理論要事先在開(kāi)放研究協(xié)議中就公布各自的計(jì)算方法。這種做法保證了比較兩種理論的公平性。
2.3 多模態(tài)神經(jīng)影像技術(shù)
Cogitate項(xiàng)目利用多種神經(jīng)影像技術(shù),包括腦電圖(EEG)、顱內(nèi)腦電圖 (iEEG)、腦磁圖(MEG)和功能性磁共振成像(fMRI),從不同層面測(cè)量大腦活動(dòng),從而更全面地了解意識(shí)的神經(jīng)關(guān)聯(lián)。 以下是腦電圖(EEG)、腦磁圖(MEG)和功能性磁共振成像(fMRI)的簡(jiǎn)要對(duì)比:
各種技術(shù)的對(duì)比表
這些數(shù)據(jù)的特點(diǎn):
EEG:電壓的時(shí)間序列,適合分析腦波頻段。
MEG:磁場(chǎng)的時(shí)間序列,時(shí)間和空間分辨率較高。
fMRI:血流相關(guān)的三維圖像數(shù)據(jù),反映腦區(qū)活動(dòng)。
Cogitate項(xiàng)目在數(shù)據(jù)采集和分析過(guò)程中,實(shí)施了嚴(yán)格的質(zhì)量控制措施,包括數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測(cè)、標(biāo)準(zhǔn)化分析流程和重復(fù)性分析等,確保數(shù)據(jù)的可靠性和結(jié)果的有效性。
3. 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
Cogitate項(xiàng)目設(shè)計(jì)了多個(gè)實(shí)驗(yàn),旨在檢驗(yàn)IIT和GNWT對(duì)意識(shí)的不同預(yù)測(cè)。其中一個(gè)實(shí)驗(yàn)范式是,向被試呈現(xiàn)不同內(nèi)容和呈現(xiàn)時(shí)長(zhǎng)的刺激,并記錄他們的腦活動(dòng)。根據(jù)這兩種理論的預(yù)測(cè),實(shí)驗(yàn)考察了以下幾個(gè)方面:
意識(shí)內(nèi)容解碼:確定哪些腦區(qū)能夠解碼出特定的意識(shí)內(nèi)容(如類(lèi)別、身份、朝向等)。GNWT認(rèn)為意識(shí)內(nèi)容主要在額葉皮層(PFC)解碼,而IIT認(rèn)為主要在后部皮層解碼。
時(shí)間動(dòng)態(tài):考察不同意識(shí)理論對(duì)意識(shí)體驗(yàn)時(shí)間動(dòng)態(tài)的預(yù)測(cè)。
除了已經(jīng)提到的意識(shí)內(nèi)容解碼和時(shí)間動(dòng)態(tài),實(shí)驗(yàn)還可以包括以下更具體的設(shè)計(jì):
3.1 被試任務(wù)
包括:
意識(shí)內(nèi)容解碼任務(wù):被試需要識(shí)別呈現(xiàn)的刺激(如圖片、聲音或文字),并根據(jù)指示進(jìn)行分類(lèi)(例如,識(shí)別是動(dòng)物還是工具)。
時(shí)間動(dòng)態(tài)任務(wù):被試需要報(bào)告他們何時(shí)意識(shí)到刺激以及感知的持續(xù)時(shí)間。
刺激呈現(xiàn):刺激的呈現(xiàn)方式,如視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、多感官刺激等。
使用EEG、MEG或fMRI記錄腦活動(dòng),特別關(guān)注后部皮層和前額葉皮層(PFC)的激活。 同步記錄反應(yīng)時(shí)間和主觀報(bào)告,結(jié)合神經(jīng)數(shù)據(jù)分析。
3.3 數(shù)據(jù)分析
分析不同腦區(qū)在不同刺激條件下的激活程度,比較IIT和GNWT的預(yù)測(cè)。 統(tǒng)計(jì)分析時(shí)間動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù),觀察意識(shí)體驗(yàn)的時(shí)間模式是否符合理論預(yù)測(cè)。
3.4 預(yù)期結(jié)果
最后,實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)給出了一些評(píng)判標(biāo)準(zhǔn),包括:
如果后部皮層激活與意識(shí)內(nèi)容解碼相關(guān),支持IIT;如果PFC激活相關(guān),支持GNWT。
時(shí)間動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)將揭示意識(shí)體驗(yàn)的持續(xù)時(shí)間是否符合各理論的預(yù)測(cè)。
這些補(bǔ)充的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)將為驗(yàn)證IIT和GNWT提供更全面的數(shù)據(jù)支持,并有助于理解意識(shí)的神經(jīng)機(jī)制。
圖1 | 預(yù)測(cè)與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。a. 整合信息論(IIT)與全局神經(jīng)工作空間理論(GNWT)的預(yù)測(cè)。對(duì)于預(yù)測(cè)1(意識(shí)內(nèi)容的解碼),IIT預(yù)測(cè)意識(shí)內(nèi)容在大腦后部區(qū)域解碼能力最強(qiáng),而GNWT強(qiáng)調(diào)前額葉皮層(PFC)在其中的必要作用。對(duì)于預(yù)測(cè)2(意識(shí)內(nèi)容的維持),IIT認(rèn)為意識(shí)內(nèi)容在后部皮質(zhì)被主動(dòng)維持,而GNWT預(yù)測(cè)刺激開(kāi)始和結(jié)束時(shí),PFC會(huì)有約0.3–0.5秒的短暫特定內(nèi)容點(diǎn)燃,刺激間內(nèi)容則以無(wú)意識(shí)的靜默狀態(tài)被儲(chǔ)存。波形圖(左)和時(shí)間泛化矩陣(右)說(shuō)明了基于振幅和信息的時(shí)間特征:彩色矩形表示PFC(GNWT)和后部皮質(zhì)(IIT;左)三個(gè)刺激持續(xù)時(shí)間;箭頭標(biāo)示刺激開(kāi)始(棕色)和結(jié)束(紅色),預(yù)測(cè)的時(shí)間泛化用綠色(GNWT)和藍(lán)色(IIT)表示(右)。對(duì)于預(yù)測(cè)3(支持意識(shí)的腦區(qū)間連接),腦圖上的星星和箭頭表示預(yù)測(cè)的同步模式,綠色代表GNWT,藍(lán)色代表IIT。腦表面圖源自Freesurfer。b. 意識(shí)體驗(yàn)是多面的。例如,觀看《蒙娜麗莎》時(shí),人們不僅感知其處于特定空間位置,還將其歸類(lèi)為臉部、識(shí)別身份,并注意其朝向左側(cè),這種復(fù)雜體驗(yàn)會(huì)持續(xù)一段時(shí)間。c. 為了操控意識(shí)內(nèi)容,刺激在四個(gè)維度上變化:類(lèi)別(臉部、物體、字母和偽字體)、身份(各類(lèi)別內(nèi)的不同樣本)、朝向(左、右、正面)和持續(xù)時(shí)間(0.5秒、1.0秒、1.5秒)。展示了刺激示例。d,實(shí)驗(yàn)范式。參與者在高對(duì)比度單個(gè)刺激序列中檢測(cè)預(yù)定義目標(biāo)(例如,特定的臉和物體,或字母和偽字體)。每個(gè)試次包含三種刺激類(lèi)型:目標(biāo)(紅色,彩色框僅為示意)、與任務(wù)相關(guān)的刺激(橙紅色,與目標(biāo)類(lèi)別相同)和與任務(wù)無(wú)關(guān)的刺激(紫色,其他類(lèi)別)。刺激間的空白間隔未顯示。面板c、d中的物體刺激圖像由卡內(nèi)基梅隆大學(xué)Michael J. Tarr提供,網(wǎng)址:http://www.tarrlab.org/;臉部刺激由FaceGen Modeler 3.1制作。
4. 初步結(jié)果
Cogitate項(xiàng)目的初步結(jié)果已在Nature雜志上發(fā)表[1]。該研究整合了實(shí)驗(yàn)一和實(shí)驗(yàn)二的結(jié)果,旨在探討實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)GNWT和IIT的支持程度。
研究結(jié)果表明,不同的神經(jīng)影像技術(shù)(fMRI、MEG、IEEG)在一定程度上支持了GNWT的預(yù)測(cè),例如在額葉發(fā)現(xiàn)了與意識(shí)相關(guān)的活動(dòng)。同時(shí),解碼和活動(dòng)分析結(jié)果也顯示IIT得到了一定的支持。然而,連接性分析并未完全支持IIT的預(yù)測(cè),對(duì)V1與高級(jí)視覺(jué)皮層之間的關(guān)系提出了挑戰(zhàn)。總體而言,實(shí)驗(yàn)一的結(jié)果對(duì)IIT的證據(jù)稍顯不足。
對(duì)IIT的實(shí)驗(yàn)結(jié)論
對(duì)GNWT驗(yàn)證的實(shí)驗(yàn)結(jié)果
5. 數(shù)據(jù)共享與再分析
Cogitate項(xiàng)目強(qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)共享的重要性。項(xiàng)目組已經(jīng)公開(kāi)了實(shí)驗(yàn)一的所有數(shù)據(jù),并整理成易于分析的數(shù)據(jù)集。他們鼓勵(lì)其他研究者利用這些數(shù)據(jù),從不同角度分析意識(shí)問(wèn)題,并期待能夠發(fā)現(xiàn)新的結(jié)果。
6. 項(xiàng)目意義
Cogitate項(xiàng)目具有重要的科學(xué)意義和社會(huì)價(jià)值,包括了:首先,它促進(jìn)意識(shí)理論的發(fā)展,通過(guò)對(duì)抗研究,Cogitate項(xiàng)目有助于研究者更清晰地認(rèn)識(shí)IIT和GNWT的優(yōu)缺點(diǎn),從而促進(jìn)意識(shí)理論的完善和發(fā)展。
其次,它提高了意識(shí)研究的科學(xué)性,通過(guò)開(kāi)放科學(xué)的實(shí)踐,Cogitate項(xiàng)目提高了研究的透明度和可重復(fù)性,增強(qiáng)了研究結(jié)果的可靠性。
再次,該項(xiàng)目推動(dòng)了意識(shí)研究不同理論陣營(yíng)之間的合作,打破了各自為營(yíng)的局面,有助于推動(dòng)意識(shí)研究領(lǐng)域的整合。
最后,該項(xiàng)目通過(guò)結(jié)合多種神經(jīng)影像技術(shù)和大數(shù)據(jù)分析,有望加速意識(shí)神經(jīng)機(jī)制的揭示,為最終解決意識(shí)難題奠定基礎(chǔ)。
7. 未來(lái)展望
盡管Cogitate項(xiàng)目已經(jīng)取得了一些初步成果,但未來(lái)的研究仍然面臨著諸多挑戰(zhàn),例如如何從海量數(shù)據(jù)中提取有意義的信息,需要開(kāi)發(fā)更高效的分析方法、如何解讀復(fù)雜多樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,并將其與理論框架相結(jié)合,需要更深入的理論分析。最后,尋找意識(shí)的神經(jīng)關(guān)聯(lián)(NCC)并非唯一的邏輯,還需要考慮人工智能等其他因素。
集智俱樂(lè)部因果涌現(xiàn)讀書(shū)會(huì)由集智俱樂(lè)部創(chuàng)始人,北京師范大學(xué)教授張江發(fā)起,目前已經(jīng)進(jìn)行到第六季。他們研究團(tuán)隊(duì)提出的因果涌現(xiàn)的理論也逐漸豐富起來(lái),試圖用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方式從信息論的角度理解生命、意識(shí)等復(fù)雜系統(tǒng)。這里推薦張江老師早期的一次講座,如果你對(duì)這一話(huà)題感興趣,歡迎掃碼觀看
您也可以從閱讀因果涌現(xiàn)的集智百科詞條開(kāi)始:
未來(lái),Cogitate項(xiàng)目將繼續(xù)深化理論對(duì)抗,擴(kuò)大數(shù)據(jù)收集,開(kāi)發(fā)新的分析方法,加強(qiáng)跨學(xué)科合作,為最終揭示意識(shí)的奧秘而努力。
參考文獻(xiàn)
[1] Cogitate Consortium., Ferrante, O., Gorska-Klimowska, U. et al. Adversarial testing of global neuronal workspace and integrated information theories of consciousness. Nature (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-08888-1
[2] Melloni L, Mudrik L, Pitts M, Bendtz K, Ferrante O, Gorska U, et al. (2023) An adversarial collaboration protocol for testing contrasting predictions of global neuronal workspace and integrated information theory. PLoS ONE 18(2): e0268577. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0268577
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整合信息論讀書(shū)會(huì)
為什么我們?cè)谇逍褧r(shí)有意識(shí),而在無(wú)夢(mèng)的睡眠中意識(shí)水平大大降低?為什么我們的意識(shí)由大腦的某些部分產(chǎn)生,而非其他部分?為什么大腦的特定部分與視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)等意識(shí)體驗(yàn)密切相關(guān)?這些具體的問(wèn)題本質(zhì)上涉及到,理解決定一個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生意識(shí)體驗(yàn)的條件,以及理解決定一個(gè)系統(tǒng)具有何種意識(shí)的條件。整合信息論(IIT)試圖用幾何學(xué)一般的公理體系來(lái)解釋意識(shí)是什么,意識(shí)如何測(cè)量。根據(jù)該理論,意識(shí)對(duì)應(yīng)于一個(gè)系統(tǒng)整合信息的能力。
為了深入探索意識(shí)奧秘,系統(tǒng)梳理整合信息論的理論體系,北京師范大學(xué)系統(tǒng)科學(xué)學(xué)院教授、集智俱樂(lè)部創(chuàng)始人張江領(lǐng)銜發(fā)起,組織對(duì)本話(huà)題感興趣的朋友,深入研讀相關(guān)文獻(xiàn),激發(fā)科研靈感。讀書(shū)會(huì)分為以下幾個(gè)部分:整合信息論綜述,基礎(chǔ)理論框架,近似計(jì)算方法,在神經(jīng)科學(xué)中的應(yīng)用,在復(fù)雜系統(tǒng)中的拓展應(yīng)用,Φ與系統(tǒng)臨界態(tài),以及機(jī)器意識(shí)。2024年9月28日開(kāi)始,每周六上午9:00-11:00進(jìn)行,持續(xù)時(shí)間預(yù)計(jì) 10 周,歡迎感興趣的朋友報(bào)名參與!
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