意识的神经相关性、自发性与意识空间的可拓扑结构化初探，本文主要内容关键词为：意识论文,自发性论文,拓扑论文,相关性论文,结构化论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
中图分类号：N031文献标识码：A文章编号：1003-5680(2006)02-0036-04
近几年，通过发现意识的神经相关性(Neural Correlates of Consciousness,NCCS)寻找意识的科学理论已成为神经科学及意识科学研究的首要步骤和基本常识。[1] 虽然这一研究遇到了许多经验问题，而且似乎在原理上遇到了棘手的困难，然而近年来的一些科学研究导致的进步仍然较大。但是从理论上和哲学上至少存在以下五个方面的概念和基本争论：①意识到底意味什么？②意识的神经相关性意味着什么？③我们怎样发现意识的神经相关性？④意识的神经相关性解释了什么？⑤意识可以还原到神经相关性吗？[2] 文章将对问题②作部分回答，即意识的神经相关性与意识的自发性表明了意识空间的可拓扑结构化。下面我们将从意识的神经相关性及自发性来初步探讨意识空间的可拓扑结构化何以可能。
一 意识的神经相关性、自发性的科学证据
现在，认知神经科学很少怀疑特殊的认知行为要求大量的、广泛分布的脑中区域的连续不变的瞬时相互整合作用。而这种整合作用的发现最合理的机制是，大范围整合作用的动力为多种波段的同时性振动所策划(mediated)。神经展示了一种广泛波段的振动(在theta到gamma波段范围的6-80HZ范围)，并且在有限时期进入精确的同步性。这种同时性振动可以区分为长波和短波两个阶段。对动物的电心理研究处理短波同时性振动或在对应于单个感知模式的临近区域之间的同时性振动。这些定域的同时性振动通常被解释为从属于知觉的结合(perceptual binding)。在认知任务中，脑中的广泛分离区域的长波的同时性振动的详细证据也被发现。[3] 下面我们将从自然科学研究中最权威的《自然》杂志简要介绍意识的神经相关性和自发性的科学证据。并进而在此基础上来探讨意识空间的可拓扑化结构。
沃尔夫·辛格(Wolf Singer)等的研究表明，人类的大脑空间为了形成对零碎分离的物体或运动的知觉表象整体，大脑中的细胞联合激化而不是由单一的高度专门化神经元来完成。通过对视觉皮层的多电极记录表明，视觉表象形成中所有处于特殊汇集状态的神经元之间通过以千分之一秒的精确性而同时活动着，并且汇集在一起。这种同时激活状态通过能够有效地从分离的外部刺激图中形成整体的视觉表象。这种同时性活动导致了可用脑动电流描记器(electroencephalographic,EEG)记录的波动讯号。它们是周期性的，并且覆盖了广泛的频率范围(从最小的2赫兹到最大的60赫兹)，表明大脑皮层的神经元能在不同波段同时振动。这种新的分析工具表明了这种瞬时的振动确实存在于大脑中，并且与认知过程有密切关系。罗德里格斯(Rodriguez)和米尔尼(Miltner)的研究表明了确定的振动反应能够同时横穿不同的大脑皮层区域——这种时间过程和因同时相关性振动不同的拓扑分类表明了它们与高度的专职任务相关联。这种瞬时的同时相关性联系着运动反映而具有不同的拓扑类型。笔者认为，在大脑空间的拓扑类型上的动态变化与分布的神经元群的同时(Synchrony)振动相关，而且能够反映神经元的瞬时汇集的形成，而这种汇集是以同时性(Synchrony)和表象先起的知觉刺激以及接着的运动刺激联系起来的。由此可见，大脑用内在结构机制决定的同时性来理解外部刺激并作反应。[4] 罗德里格斯等在《知觉的影子：人脑活动的长距离同时发生》一文中指出，在受试主体看模糊的视觉刺激(主体把这些刺激感知为人脸或无意义的图象)时，只有主体把这些刺激看作是有意义的人脸时，主体大脑中才诱发出长距离的同时发生的脑活动方式，这一同时性活动与知觉自身的运动及与随起的运动反应相应。并且阵强的不同时发生活动在知觉瞬间和运动瞬间作了分界标志。这反映了神经汇集的同时性过程不同对从一种认知状态过渡到另一种认知状态是必不可少的。[5]
米尔尼在“脑动电流描记器(EEG)记录的脑活动的gamma波段一致性作为大脑联想学习的基础”一文中指出：大脑中的不同区域必须互相联系以便提供形成感觉信息整体化的基础，感觉与运动的协调以及许多其他的功能对学习、记忆、信息过程/知觉和有机体的行为都是关键的。米尔尼的研究进一步证明了胡伯(Hebb)的观点：在知觉、记忆、语言过程以及行为和知觉功能的完成中，神经细胞的汇集及神经细胞的神经腱的联系随着神经细胞之间在任意时间的同时被激化而增加了。米尔尼等以为在联想学习(associative learning)中也是如此。他们并且用实验证明，不同的广阔范围内，分隔的脑中枢是互相关联的。这些区域活动的gamma波段状态是同时发生的，并且在视觉皮层(visual cortex)、躯体运动感知皮层(somatosenory motor cortex)以及波动产生的第三区域都有这种同时发生的gamma波段状态的一致性。这种同步发生的状态不但在联想学习的确立中，而且在其他类型的学习中也是如此。[6]
普里兹(Plenz)和克特尔(Kital)表明，在培养细胞的环境中，在主要神经中枢之一：视丘以下的核(STA)存在同时性振动放电现象，这种振动放电现象在大脑皮层以下区域开始，从视丘开始通过视丘皮层网传递到大脑皮层，可能对大脑皮层过程产生强有力的影响。他们主要研究了这一过程在视觉中的相关联系。然而在很少或无感觉输入时，如快波睡眠状态(REM sleep)，在视丘皮层系统的振动活动主要是同时发生在视丘内的低频振动。清醒状态联系分离视丘皮层振动的同时性，揭示出更少的同时性只是假象，表明在视丘皮层内主要是高频的同时振动所主宰，从而允许视丘活动皮层获得信息的可信度产生，在小规模内改变视丘皮层的功能(如改变注意程度时)能通过视丘皮层网的特殊部分内的精确控制的同时性振动而得以策划。这种同时性振动的时间讯号可以帮助我们理解在视丘皮层的空间上分离区域的协调合作方式。例如，由视丘皮层空间上分离的区域的感觉特征可能使知觉整体化。[7]
达斯(Anriuddha Das)和吉尔伯特(Charles D·Gilbert)的研究表明，脑的基本视觉皮层区域(primary visual cortex)的拓扑图结构由于这一区域的短范围的神经元之间的相关联系不同而得以调整。[8]
莫格尔(Miguel Castelo-Branco)等的研究表明，在视觉皮层的两个区域(A18和PMLS)的神经元，当它们对应同一表面的轮廓图时同时地活动着，而对应不同表面的轮廓图时它们的活动则不同时。这种同时性活动的动态变化可以用组织构造的方式密码化，这一密码化与空间叠合的轮廓图的同时性反映相关，因而联系着不同距离的轮廓图表面。Branco等的研究证据表明，视觉皮层的同时性活动与复杂的视觉方式相联系而分为不同的、空间上叠合的表面。[9]
人类脑的神经元及其大脑空间之间活动的同时性证据还有不少。[10] 而且神经元活动的同时性常常是与自发性结合在一起的，神经元活动的自发性对于脑空间的可拓扑结构化同样重要，我们将先来看看脑空间的自发性活动的证据。
丹尼尔(Daniel M·Merfeld)等的研究证明了，虽然人类的感觉系统常常提供模糊的信息，但人类的神经系统存在解决这种模糊性的自发性的内在模式，通过这一模式我们的神经系统能模拟物理原则，如估计线形加速和重力大小等，即使无真正地外部物理加速刺激提供给受试者。[11]
刘毅军(Yi-jun Liu)等的研究表明，小脑旁侧和神经中枢在认知过程中存在某种合作，在完成触觉识别任务时，脑中的M1区(the primary motor cortex)和SMA区(supplementary motor area)虽然是隔离地接受信息，但同时被激活，并且在这种同时相关性之中还有来自脑中的功能联系的自发性波动。[12]
安多(Andro Zangaladze)等的研究表明，视觉想象隐含在正常的触觉之中，如对物体的形状、性质大小等的触觉都隐含着视觉。这一过程反映了自上而下的视觉表象自发地活动以提供触觉识别物体的位置和形状。而且，所观察到的自发性活动现象只是副现象(epiphenomenon)，即只是大脑内在的属性某种反应。[13]
埃尔(Earl K·Mider)指出，我们的知觉和思维是自上而下的(top-down)和自下而上的(bottom-up)信号互相作用的结果。自下而上的信号源于感官接受到物理信息，而自上而下信号则是对这些感觉信息的解释和理解。自上而下的作用将从经验而来的信息转入综合而成为储藏的知识，这些知识提供给感觉信息输入以结构和意义，从而它们在认知中处于中心地位。蒂姆(Tomita)等的实验提供了自上而下的自发性作用的直接证据。自上而下和自下而上的信号在知觉中的作用是这样的：例如，自下而上的信号分析告诉我们位置、颜色和图中的位置轮廓。自上而下的经验依存过程提供了认知一致性和意义。然而，自上而下的自发性信号不只限于知觉中，它们在我们转换注意以决定事情如何、我们如何行为方面都发生作用。因此，它们使我们的复杂行为得以可能。在正常的脑中，自上而下的自发性作用和自下而上的过程复杂地联系在一起。因此，在动物的意识活动中，非常难以将自上而下和自下而上的结合过程分离开来。Tomita等的实验将猴子的自下而上的感觉信息从较低的颞颥叶皮层(temporal cortex)移走，这一区域涉及到脑中的视觉记忆。剩下的只是从额叶前部皮层的自上而下的讯号。他们研究了当猴子回忆贮藏在初级颞颥皮层的视觉图时自上而下自发性讯号的功能。这一研究表明在没有自上而下的感觉信息输入时，单一的初级的颞颥神经元(inferior temporal neurons)被自上而下的自发性讯号所激活。这一自发性传输语义概念信息是被视觉刺激强使联系的。猴子的行为在失去自上而下的自发性讯号后也严重地减少了。[14]
达里(Dario·L·Ringach)和肯内特(Kenet)的研究表明，在缺少外部视觉刺激的情况下，我们脑中的视觉皮层仍然自发地活动着。而且，这种自发性活动不是任意的，而是表明了视觉皮层有自身的内在的活动方式在特殊状态之间转换。不平常的是，这些状态与一定视觉刺激形成的状态相似。Kenet通过研究麻醉动物的神经元创造自发性活动方式与视觉刺激表象的相似性表明了我们可能要改变我们关于视知觉的观点。并且支持位置图模型基本上由内在皮层之间的联系所决定的观点。[15]
随着神经科学的发展，关于大脑空间的同时性活动和自发性活动的证据一定会越来越多，而且正如上述实验所表明的那样，这种同时性与自发性活动是结合在一起的。这为我们理解意识空间的可拓扑结构化提供了坚实的科学基础，下面我们将从此出发来探讨意识空间的拓扑结构化何以可能。
二 意识空间的可拓扑结构化
用拓扑学来研究人类的认知，并且为认知科学寻找拓扑基础一直是科学和哲学努力的目标。用拓扑学的观念作为认知科学的基础是由布伦塔诺(Brentano)开始。这一传统通过卡尔·斯通姆普(Carl Stumpf)延伸到格式塔心理学派。胡塞尔和库尔特·勒温(Kurt Lewin)是两个最有贡献的人。胡塞尔的逻辑研究包含着部分、整体及其相互依存关系的形式理论，胡塞尔并且用这一理论提供了分析心灵和语言的框架，这一框架正是预先假定为认知科学提供拓扑基础的观念，这就是胡塞尔的纯粹拓扑学(mereotopology)。[16] 库尔特·莱温是运用拓扑学来研究认知科学的最著名的心理学家。莱温1936年发表的《拓扑心理学原理》一书正是运用拓扑学来研究认知科学的典范。[17] 然而这些研究都只是从纯粹理论出发来进行的，而不是奠基于神经科学的成就上，因此就没有从意识空间自身的活动来探询其拓扑结构。下面我们将从意识的神经相关性和自发性出发来初步探讨意识空间的拓扑结构化何以可能。
让我们先看一看集合的拓扑空间化在点集拓扑中是如何定义的：设X为非空集合，
为X的子集簇，如果满足下列条件：
(1)X，
∈。
(2)若A，B∈，则A∩B∈。
(3)若A，B∈，则A∪B∈，则称为X的拓扑。
以上三个条件有时简化为下述两个条件：
(2)中任意成员之并仍为的成员；
(3)如果为集合X的拓扑，则称偶对(X，)为拓扑空间，或称X为相对于拓扑而言的拓扑空间。的每一成员称为拓扑空间(X，)的开集。[18]
我们依照集合的可拓扑化条件来看一看如何用神经相关性和自发性来定义意识空间A的拓扑。由于每一神经元不是孤立的元素，每一神经元可抽象化为一元素，因此可以去掉2[A]中的所有独点集。由于每一神经元在极短的时间t内不是与所有A的其他神经元同时存在相关性，因此可定义一个空集，而且意识空间在每一神经元呈现为可观察的单个神经元的时间的神经元数为确定的，并且保持同一性和整体性，A在2[A]中，我们再去掉2[A]中的所有独点集及那些任意两个相交构成独点集的集合，最终2[A]中一定剩下可满足上述可拓扑化条件的子簇存在。而且上述科学实验证明，处于同时相关联系的神经元之间可能在脑空间内是处于空间上的隔离状态，但却同时关联起来了，正是这种同时关联可将空间上分离的神经元看作处于同一开集之中而属于形成某一意识的所有神经元集合A的拓扑之中。这一子簇表明了可以根据神经元的同时相关性的不同而定义意识空间的拓扑，因而意识空间就因其微观上的神经元同时相关性的不同而拓扑结构化。但是，由于意识就其本性来说，正如康德所指出的那样处于时间的流变之中，[19] 因此意识空间的可拓扑结构必然不是一个静止的、永恒的固定惟一结构，而是处于流变之中的。正是这里我们发现意识的自发性对于每一个瞬间及所有时间的意识空间的可拓扑结构化具有极为根本的意义。由于意识的自上而下的自发性从而决定了处于同一时间的不同神经元之间的空间上的关联程度，并且随着意识在时间中的展开，这种自发性将始终伴随着意识的发生，并且以其自上而下的作用决定在每一瞬间的神经元之间在空间上的同时相关性的差异，从而决定了由同时相关性不同所决定的参与每一时间的意识的神经元之间所处拓扑的开集不同，进而产生了不同时间的意识的拓扑结构的差异性。正是这种差异性表达了意识在时间进程中的如此巨大的、相对短暂的人生来说的无限表象和行为能力。
无疑，我们只是根据意识的神经相关性和自发性的科学证据来部分回答和理解意识空间的拓扑结构化何以可能，至于意识空间的拓扑结构化对于理解意识的本质、人类的表象能力、如何克服事实和价值的二分法所具有的意义只有等待哲学家们去回答了。对于意识的神经相关性、自发性的科学研究只是近几年刚刚兴起的前沿研究，而哲学对这些研究的反思和审视才刚刚开始，本文只是想唤起国内学界对此问题的重视，以此抛砖引玉。