您认为您的最新购置品，Roomba 机器人吸尘器在您客厅地板上描绘出其不可预测的路径，是有意识的吗？那只盘旋在您涂满橘子酱的早餐吐司上方的蜜蜂呢？或者那个终于在吮吸后睡着的新生儿？除了一个铁杆书呆子，没有人会认为前者是有知觉的；耆那教（印度最古老的宗教）的信徒相信蜜蜂——实际上是所有生物，无论大小——都是有意识的；然而，几乎每个人都会将意识的神奇天赋赋予婴儿。
真相是我们真的不知道这些生物中哪些是有意识的，哪些是无意识的。我们对此事有强烈的感受，这些感受是由传统、宗教和法律塑造的。但我们没有客观、理性的方法，没有循序渐进的程序来确定给定的生物是否具有主观状态，是否具有感觉。
原因是我们缺乏一个连贯的意识框架。尽管意识是我们了解自身和周围世界的唯一方式——让人联想到笛卡尔著名的演绎“我思故我在”——但对于意识是什么，它与高度组织化的物质有何关系，或者它在生命中的作用是什么，并没有达成共识。这种情况是令人震惊的！我们有一个关于物质和能量的详细且非常成功的框架，但没有关于身心问题的框架。然而，这种令人沮丧的状况可能即将改变。
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我们这个时代的通用语言是信息。我们已经习惯了股票和债券价格、书籍、照片、电影、音乐和我们的基因构成都可以转化为零和一的数据流的想法。这些比特是信息的元素原子，它们通过以太网电缆或无线传输，被存储、重放、复制并组装成巨大的知识库。信息不依赖于基质。相同的信息可以表示为纸上的线条、PC 内存库中的电荷或神经细胞之间突触连接的强度。
自计算机早期以来，学者们就认为，构成心灵生活的有意识的现象状态与大脑当时表达的信息密切相关。然而，他们缺乏将这种预感转化为具体和预测性理论的工具。威斯康星大学麦迪逊分校的精神病学家和神经科学家朱利奥·托诺尼出现了。托诺尼开发并完善了他称之为意识的整合信息理论 (IIT) 的理论。
整合理论
IIT 基于两个公理支柱。
首先，意识状态是高度分化的；它们在信息上非常丰富。您可以意识到无数的事物：例如，您可以观看您儿子的钢琴演奏会；您可以看到花园里的花朵或墙上的高更画作。想想您看过的或拍摄过的或将要拍摄的所有电影中的所有帧！每一帧，每一个视图，都是一个特定的意识感知。
其次，这些信息是高度整合的。无论您多么努力，您都无法强迫自己看到黑白世界，也无法只看到视野的左半部分而不是右半部分。当您看着朋友的脸时，您无法不注意到她是否在哭泣。无论您意识到什么信息，都会完整且完全地呈现给您的心灵；它无法被细分。意识的这种统一性背后是大脑相关部分之间的大量因果互动。如果大脑区域开始断开连接或变得碎片化和巴尔干化，就像深度睡眠或麻醉时发生的那样，意识就会消退甚至完全消失。考虑裂脑患者，他们的大脑胼胝体——连接两个大脑皮层半球的 2 亿条神经纤维——已被切断以减轻严重的癫痫发作。手术实际上将人的意识一分为二，一个意识思维与左半球相关联，看到视觉场的右半部分，另一个思维从右半球产生，看到视觉场的左半部分。
因此，要成为有意识的，您需要成为一个单一的、整合的实体，具有大量高度分化的状态。尽管我的 MacBook 上的 60 GB 硬盘容量超过了我一生的记忆，但这些信息并未整合。例如，我 Macintosh 上的家庭照片彼此之间没有链接。计算机不知道这些照片中的女孩是我的女儿，她从蹒跚学步的孩子成长为身材修长的青少年，然后成为优雅的成年人。对于我的 Mac 来说，所有信息都是同样毫无意义的，只是一张由零和一组成的巨大、随机的挂毯。
然而，我从这些图像中获得了意义，因为我的记忆是大量交叉链接的。而且越互联，它们就变得越有意义。事实上，托诺尼的 IIT 假设实体拥有的整合信息量与其意识水平相对应。
这些想法可以使用信息论中的熵等概念，用数学语言精确地表达 [见下页方框]。给定一个特定的大脑，及其神经元和轴突、树突和突触，原则上可以准确计算出这个大脑的整合程度。从这个计算中，该理论得出一个单独的数字 Φ（发音为“fi”）。Φ 以比特为单位测量，表示与任何因果相互作用的部分网络相关的意识库的大小。将 Φ 视为系统的协同作用。系统整合度越高，协同作用就越大，意识就越强。如果各个大脑区域彼此之间过于孤立或随机互连，则 Φ 将很低。如果生物体拥有许多神经元并且拥有丰富的特定连接，则 Φ 将很高——捕捉意识的数量，而不是任何一种意识体验的质量。（该值由与 Φ 相关的信几何产生，但在此不作讨论。）
解释大脑事实
该理论可以解释许多令人困惑的观察结果。小脑，位于大脑后部的“小脑”，它包含的神经元比冠状大脑的复杂大脑皮层还要多，具有规则的、类似晶体的布线排列。因此，与大脑皮层相比，其以 Φ 测量的电路复杂性较低。事实上，如果您失去小脑，您将永远不会成为攀岩者、钢琴家或芭蕾舞演员，但您的意识不会受到损害。另一方面，皮层及其门户丘脑——大脑中心的鹌鹑蛋形结构——对于意识至关重要，为其提供其精细的内容。由于连接不同皮层区域和皮层与丘脑的广泛互惠连接，其电路将功能专业化与功能整合结合在一起。这种皮层丘脑复合体非常适合充当具有大量可区分状态的单一动态实体。失去特定皮层区域的一块，您可能无法感知运动。如果不同的区域受到损伤，您将对人脸视而不见（但可以看到眼睛、头发、嘴巴和耳朵）。
当人们从深度睡眠中醒来时，他们通常回忆起什么也没经历，或者充其量只是一些模糊的身体感觉；这种体验与我们在快速眼动 (REM) 睡眠期间大脑编织的高度情感化的叙事形成对比。矛盾的是，深度睡眠和安静清醒状态下，单个神经细胞的平均放电活动并没有太大差异。然而，在整个系统层面，头骨上的脑电图电极在深度睡眠期间会拾取缓慢、巨大且高度同步的波。由于这些波非常规则，它们会扰乱大脑细胞之间特定信息的传递。
每天，在数以万计的外科手术中，在各种麻醉剂的帮助下，患者的意识可以快速、安全和短暂地关闭和再次开启。并非所有麻醉剂都有一种共同的机制。最一致的区域发现是麻醉剂会降低丘脑活动并使内侧（中部）和顶叶皮层区域失活。在麻醉的实验动物中进行的 20 年电记录提供了充分的证据表明，许多皮层细胞，尤其是初级感觉皮层区域的细胞，在麻醉期间继续有选择性地做出反应。似乎被破坏的是皮层丘脑复合体中的大规模功能整合。
IIT 解释了为什么意识既不需要感觉输入也不需要行为输出，就像每晚在 REM 睡眠期间发生的那样，在 REM 睡眠中，中枢麻痹阻止了睡眠者将她的梦境表现出来。对于意识而言，重要的是构成皮层丘脑复合体的神经细胞之间的功能关系。在这个整合的动态实体中，可以找到食莲者的梦想、冥想僧侣的正念、癌症患者的痛苦和你失落的童年家园的田园风光。套用奥斯卡·王尔德的话，我会说，正是动态核心内的因果互动使罂粟花变红，苹果散发香气，云雀歌唱。
意识是普遍存在的
IIT 的一个不可避免的后果是，所有充分整合和分化的系统都将具有与之相关的最低限度的意识：不仅包括我们心爱的猫狗，还包括老鼠、鱿鱼、蜜蜂和蠕虫。
事实上，该理论对神经系统的突触和全或无脉冲视而不见。至少在原则上，单个细胞内极其复杂的分子相互作用具有非零 Φ。在极限情况下，单个氢离子，一个由三个夸克组成的质子，将具有极少量的协同作用，即 Φ。从这个意义上说，IIT 是泛灵论的科学版本，泛灵论是一种古老而广泛的信仰，认为所有物质，所有事物，无论是否有生命，都在某种程度上是有意识的。当然，IIT 并没有淡化普通蛔虫秀丽隐杆线虫（拥有 302 个神经细胞）的 Φ 与人类大脑中 200 亿个皮层神经元相关的 Φ 之间存在的巨大鸿沟。
该理论不区分头骨内的软脑和钛金属外壳中的硅电路。只要晶体管和存储元件之间的因果关系足够复杂，计算机或互联网上的数十亿台个人计算机都将具有非零 Φ。Φ 的大小甚至最终可能成为衡量机器智能的标准。
未来的挑战
IIT 仍处于起步阶段，缺乏完全成熟的理论的优雅。它迄今为止仍未解答的一个主要问题是，为什么自然选择会进化出具有高 Φ 的生物？意识对生物体的生存有什么好处？我希望得到的一个答案是，智能，即评估以前从未遇到过的情况并迅速做出适当反应的能力，需要整合信息。然而，另一种可能的答案可能是，高 Φ 电路在生存方面没有任何特殊地位。正如电荷是宇宙的基本特征，没有功能一样，意识也可能缺乏任何特定的进化作用。它只是存在。
IIT 的第二个绊脚石是，即使对于非常小的系统，Φ 也极其难以计算。即使使用谷歌超过 10 万台计算机，准确评估蛔虫的 Φ 也是完全不可行的。我们能否找到其他算法来更轻松地计算 Φ？
第三个需要理解的问题是，为什么如此多的大脑处理和我们如此多的日常行为是无意识的。介导这些无意识、僵尸般行为的神经网络是否比产生意识的神经网络具有更低的 Φ？
托诺尼的意识整合信息理论可能是完全错误的。但它以新颖、严谨、数学和经验主义的方式挑战我们深入思考身心问题。这对这项努力来说是一大幸事。
如果托诺尼的 Φ 方程被证明可以探测迄今为止难以言喻的——意识本身——它将验证古代毕达哥拉斯的信仰，即“数字是形式和思想的统治者，是神和恶魔的原因”。
注：本文最初以“意识理论”为标题印刷。