本章摘自朱利奥·托诺尼的《PHI：从大脑到灵魂的旅程》（Pantheon，2012），描述了托诺尼的意识理论，认为意识是信息的一种度量。托诺尼假设，大脑由数十亿个神经元组成：把它们想象成类似晶体管的比特，当总计起来时，其总和大于各部分之和。这种超出部分的总和，托诺尼称之为phi，代表了任何存在（无论是人类还是骡子）保持意识的程度。
摘自即将出版的书籍《PHI：从大脑到灵魂的旅程》，作者：朱利奥·托诺尼
版权© 2012 朱利奥·托诺尼
关于支持科学新闻
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道： 订阅。通过购买订阅，您将帮助确保有关塑造当今世界的发现和想法的有影响力的故事的未来。
经与兰登书屋公司的一个部门 Knopf Doubleday Publishing Group 的 Pantheon Books 出版社安排出版。
整合信息：多与一
其中显示，意识存在于信息被一个超越其各个部分的单一实体整合的地方
何时一个实体才是一个实体？多个元素如何成为一个单一的 事物？这是一个简单的问题，但伽利略认为，这个问题尚未得到解答。或者，也许，它还没有被提出。
数码相机的传感器当然有大量的 状态——它可以拍摄任何可能的照片。但它是一个单一的实体吗？ 你把相机作为一个单一的实体来使用，你用手把它握成 一个整体。你把照片看作一个单一的实体。但这都是在 你自己的意识之内。如果不是为了你这个观察者，它还会是 一个单一的实体吗？这到底是什么意思？
在思考这些问题时，伽利略被一个声音吓了一跳。J，一个 额头像古代神祇的男人，用一种优雅的语气对他说话：“拿一句十几个单词的句子，然后拿十二个人，告诉 每个人一个单词。然后让这些人排成一排或挤成一堆，让每个人尽可能专心地思考自己的单词；任何地方都不会有 对整个句子的意识。或者拿一个十几个字母的单词，让每个人尽可能专心地思考自己的字母；任何地方都不会有 对整个单词的意识，” J.说。
或者拍摄一张一百万个点的图片，然后拿一百万个光电二极管， 让每个光电二极管显示它自己的点。然后让光电二极管 整齐地排列在一个方形阵列上，让每个光电二极管尽可能精确地分辨它自己的点的明暗；任何地方都不会有 对整个图像的意识，伽利略说。 “所以你看，伽利略，” J.继续说，“不存在所谓的时代精神、人民的情感或公众舆论。 私人思想不会聚集成更高的复合思想。 他们说整体大于部分之和；他们这样说，但是 怎么可能呢？”
一个影像浮现在伽利略脑海中。一位天文学家在 帕多瓦观看日食，与此同时，另一位天文学家在 地球的另一端观看夜空。 是否会有一个单一的意识，在一个伟大的 图像中，思考整个天空的穹顶，南北天空在 地平线处无缝连接？一个单一的整个天空的图像，在 一个意识中体验？伽利略认为，这很荒谬， 而且它的荒谬之处与科学家之间的距离无关。 无论两者相隔地球的直径，还是像相机传感器上的两个光电二极管一样， 相隔一小部分英寸，都没有区别。因为在这两种情况下，双方都 无法互动。如果他们不能互动，他们就不能形成一个单一的实体， 他们就不能拥有一个单一的、统一的意识体验。
“当然，” J.同意道，“一个盲人和一个聋人无法比较 声音和颜色。一个人听到它们，另一个人看到它们， 但如果他们在一起，他们可以比较它们吗？即使他们 永远住在同一所房子里，即使他们是连体 双胞胎也不行。”就像以实玛和以勒，伽利略想。
“好话，”站在伽利略旁边的阿尔图里说。“但重点是什么？ 我们正在讨论相机中的信息，而你看到，如果相机足够大， 它所产生的信息可以和大脑产生的信息一样多，甚至更多。 正如S.所说，这表明信息与意识关系不大。不是这样吗？”
伽利略犹豫了。如果用S.的方式来衡量信息， 相机会比大脑更好：系统可用的状态越多， 不确定性的减少就越多——系统所处特定状态产生的 信息就越多。但这衡量信息的方式对吗？ 他想起了J.所说的话，想起了南北半球的科学家，想起了以实玛的左右半球。所以他 尝试了：
如果信息是由一个 单一系统产生，而不是仅仅由各部分集合产生，那么情况应该有所不同。
“很有可能，”阿尔图里说。“那如何证明这种差异呢？” 他笑了，好像他知道伽利略无法提供 答案。
“我希望我知道，” J.说，好像他知道不可能有答案。 伽利略停顿了一下，似乎找不到合适的词语，然后转向J.，问道：
如果用一把非常薄而锋利的刀片，比如说，奥卡姆剃刀， 把相机的传感器切成两半，一半的 光电二极管在一侧，另一半的 光电二极管在另一侧，那么相机看到的图像会发生什么变化？
“当然什么都不会发生，” J.回答道。“相机会 像以前一样工作，拍摄完整的照片，照片 可以通过无线传输，随意存储和重放，没有人会 注意到任何差异。”
伽利略举起相机，用分裂的传感器拍摄了 他们面前屏幕上的东西。那是一个意大利单词，SONO，“我是”的意思，而SONO被无缝 显示出来。
伽利略对J.说，的确如此。只要传感器还在原位，什么都 不会改变，因为每个光电二极管都会 继续报告自己单独的点，而不知道它的同伴看到了什么。
但是，如果用一把薄而锋利的刀片把 大脑切成两半呢？回想一下以实玛在维诺萨王子地窖里的大脑，当时 萨勒诺冻结了他两个半球之间的连接。会 像相机一样什么都不会改变吗？ 伽利略不等回答就说，你已经知道了。 以实玛分裂成以实玛和以勒，以实玛看到了那位女士，以勒看到了 野兽，但没有人同时看到他们两个——只要两个半球分裂开来，就没有能 看到通奸的以实玛。但是，当半球再次 温暖地拥抱在一起时，以实玛又回来了，以实玛看到这对夫妇结合在一起。
那你已经知道答案了：以实玛会看到SO，意大利语中“我知道”的意思，以勒会看到NO，“不”的意思，但 不会有以实玛看到SONO，并说，“我是”。与 相机图像不同，刀片会分裂意识图像，而意识 本身会被分割。
J.和阿尔图里保持沉默，所以伽利略继续说。但是，如果半球之间的连接是温暖的，就像你在 自己的大脑中一样，你可以尽最大努力尝试将你的体验分成两部分，将SO和NO分开来看，但你不会成功的。 正如你不会成功地看到事物的形状而没有它们的颜色，或者没有它们的形状而看到它们的颜色一样——你仍然是一个J.，一个体验，一个意识。
“无懈可击的逻辑，” J.说。“一加一等于二，但不完全是，”他补充道。
伽利略说，有一件事是确定的：做相机的传感器没有什么意义——意识不能存在于那里，因为 传感器不是一个单一的实体，尽管它可能有数百万个光电二极管。 就像成为两个科学家一样，一个在北部，一个在南部。成为一排十二个人，每个人都在想着一个不同的字母，也没有什么意义。
“我明白了，” J.说。“相机可能很大，但意识却很贫乏：它一无所有，并且在经验领域中缺乏存在。 与它相比，即使是一个光电二极管也更丰富，它拥有微弱的意识，最模糊的体验，一个比特，因为它的每种状态都是两种状态之一，而不是数万亿分之一。然而，成为一个光电二极管比根本不存在更有意义。我想，” J.继续说。“如果把大脑分成一百万个部分呢？首先是左右，然后是前后，分成四个部分，然后通过其白质进行一百次其他切割，分成一百万个单独的颗粒，像玉米棒上的颗粒一样分离，或者像相机传感器上的光电二极管一样分离：意识会崩溃吗？”
“没关系，”阿尔图里说。“伽利略还没有证明数字上的差异。如果意识存在于信息中，那么就必须从公式中榨取钱财，S的公式。”
伽利略立刻说，请允许我，他没有抬起眼睛。如果我们把相机传感器切成一百万个部分，也就是光电二极管阵列，那么每个光电二极管会产生多少信息？
“当然是一个比特，”阿尔图里回答道。“这就是S的公式告诉我们的。”
伽利略说，现在，相机传感器产生多少信息？
“真是个问题，”阿尔图里说。“它由一百万个光电二极管组成，将产生一百万个比特。”
伽利略说，好吧。相机传感器产生的超出其各部分的信息是多少？我是说，超出它的一百万个光电二极管的信息是多少。
“当然是零，”过了一会儿，阿尔图里说，他没想到会被这样问。 伽利略说，正是如此，他感觉自己正在取代阿尔图里的角色。相机产生的信息不会超过其各部分的总和。因此，至少就信息而言，我们不需要调用超出其各部分的相机。我们不妨把它从有用的实体目录中删除，用奥卡姆剃刀把它切掉，然后坚持使用一百万个光电二极管。Entia non sunt multiplicanda praeter necessitatem.
“这只是一个视角问题，”阿尔图里插话道，他似乎正忙着把烟斗里冒烟的烟草倒在地板上。“你喜欢谈论光电二极管并禁止相机，我可能更喜欢相机而鄙视光电二极管。”
并非如此，并非如此，伽利略急忙说道，想想以实玛利。他本应看到 SONO 并理解“我存在”。但当他两个大脑之间的连接被冻结，以实玛利消失后，将没有人能够看到和理解 SONO，“我存在”。以实玛和艾尔加在一起也无法弥补，因为一个看到 SO 并理解“我知道”，另一个看到 NO 并理解“不”。在这种情况下，与照相机不同，整体大于其各部分之和，不能简化为它们；以实玛利大于以实玛和艾尔，SONO 不能简化为 SO 和 NO。
“我想我明白了，”J 说。“整体在其各部分之上产生的、超出的信息——称之为整合信息——是将以实玛利与照相机区分开来的原因。阿尔图里，这看起来对吗？”
“什么才算对？”阿尔图里惊呼道，他正忙着用脚跟碾碎烟草。“如果一个系统状态的分布，如果它不能分解成其各部分分布的乘积，就不可还原，这难道是对的吗？当然，但这又如何呢？这有什么特别的？有很多东西不能分解，不能在不损失的情况下拆分，但这一切对意识有什么意义呢？此外，将一个系统划分为多个部分有很多种方法，分解分布也有很多种方法，你将得到不同的答案，这取决于你如何将它切成碎片。”
“没错，”J 说。“如果整合信息与意识有关，那么它不应该根据你如何划分一个系统而改变。伽利略，难道不是这样吗？”
伽利略说，最关键的切割是最小切割，是最残酷的切割——切穿系统最薄弱的环节，将它分成最强大的部分——这些部分本身产生尽可能多的信息，而为整体留下的信息尽可能少。
“太棒了，”J 说。“整合信息是系统在其各部分之上产生的信息，其中各部分是那些独立存在时，产生最多信息的部分。既然我们有了一个定义，我们需要一个符号来表示它。”
“如果你需要一个符号，它应该是 Φ，”阿尔图里说。“那是黄金分割的符号——将某物分成若干部分的正确方法。而最小切割揭示了整合信息是多少，是正确地将一个系统划分成若干部分的方法，难道不是吗？你应该称之为 Φ。”
伽利略说，那会很有趣。毕竟，黄金分割是由一位比萨同乡，伟大的斐波那契研究的。
“这比那更好，”J 说。“Φ 就像现象学，就像经验，而这正是意识的本质。”
伽利略说，这比那更好。Φ 有一个 I，代表信息，和一个 O，一个圆，代表整合。那么我们就叫它 Φ 吧。
“太棒了，”阿尔图里说。“既然你有了你的量和你的符号，让我们看看接下来会发生什么。显然，每次一些元素相互作用时，你都会有一些整合信息：一个不能简化为各部分的整体。那么，如果整合信息与意识有关，正如你似乎认为的那样，接下来发生的事情很简单：接下来就是意识就像洋葱。”
“拿我和我大脑中的神经元来说。当然，在我大脑的某个地方有我，但我并不孤单。如果你逐个剥离我的神经元，你会发现其他我，数百万个我，每个都缺少一部分，但在某种程度上都有意识。我只是我众多我中最有意识的，但那些被削弱的自我也有权主张自己的权利，只是我听不到他们，但他们都在一路相伴。“
然后拿我的身体来说。毫无疑问，我的身体也是由相互作用的部分组成的，一个不能简化为各部分的整体——无论是物理上还是信息上——事实上，大脑本身只是其中一部分。所以身体也是另一种意识，一个比我想象的更大的洋葱。它的 Φ 可能比我的小得多——它的最小切割可能相当弱，比如在我的脖子上——但它也在进行着自己的有限存在。自我的倍增，一种扩散，对此我一无所知，而他们对我一无所知。”
“但这并没有就此停止。然后我们两人在交谈，不，我们三个人作为一个整体在相互作用，这个整体不能仅仅简化为我们三个人独立存在。一个思考着它微小的三位一体思想的圣三位一体。“
“然后是一个城市、一个国家，或整个世界，都是宇宙洋葱的各个层次，它们中的每一个都有意识，有些多一些，有些少一些。”
“我明白了你的意思，”J 说。“然而，意识似乎只存在于我的头脑里一次，你的头脑里一次，伽利略的头脑里一次。那么 Φ 就不是答案。”
伽利略说，洋葱也必须用奥卡姆剃刀来剥皮。当你这样做时，只会留下它的核心——整合信息达到最大值的核心——在其余部分脱落时，将一切聚集在一起的核心。
“所以意识不是洋葱，它是洋葱的核心！这确实取得了一些进展，”阿尔图里说。“但是，如果我和你交谈，那又如何呢？难道你和我现在这样交谈，不会形成一个更大的核心吗？”
伽利略再次用奥卡姆剃刀回答。你刚才说：“你和我，在交谈。”“你和我，在交谈”在物理上或信息上都比一个想要把你和我混合在一起的嵌合体简单得多。那个怪物没有保持力，会在它各个接缝处破裂，你和我，那里现实被雕刻成一个个独立的实体。不要想怪物，而要想雨滴。在雨滴内部，分子之间的相互作用比与外部空气的相互作用更强，因此会形成一个表面。雨滴是一个单一的实体，被包含在边界内。当两个水滴相遇时，它们要么弹开并保持分离，要么融合并成为一个更大的水滴。没有重叠，也没有其他水滴内的水滴。意识也可能是这样：意识存在于整合信息达到最大值的系统内，存在于它自己的水滴内。
“所以你理解的是这个，”阿尔图里说：“经验不能简化为比它更少的东西。确实令人印象深刻。”
J 没有理会阿尔图里，转向伽利略。“如果你是对的，我们应该给一个整体在其各部分之上产生的信息达到最大值的系统起一个名字，也就是洋葱的核心，意识的雨滴。一个复合体，也许？”
伽利略说，就这么叫吧——一个复合体。
“所以复合体是意识存在的地方，”J 说。“在那里，意识建立它的房子，竖起它的墙壁，而你就是里面的东西，世界的其余部分就是外面的东西。意识的房子是独一无二的，不能被分享：只有一个，只有一个主人，它排除了所有其他人。”
尚不清楚阿尔图里是否喜欢这样，但他接着说：“我想当你把这种分析应用于相机的传感器时，它会分解成单个光电二极管的复合体，每个光电二极管只能区分两种状态，开或关，但不会有对应于传感器的整合实体——一个复合体。但是，当你分析你的大脑时，你会发现其中一组神经细胞形成了一个大型复合体：一个可以以其各部分无法做到的方式区分大量状态的复合体；以及一个以最大化方式这样做的复合体，比任何其他神经细胞集合都多，比整个身体都多，比任何人群都多，比世界本身都多。”
伽利略说，正是如此。
“那我有东西给你，”阿尔图里说，并将一些笔记递给伽利略。笔记来自弗里克，上面画满了代表大脑各部分的图表。有大脑皮层：没有它，哥白尼永远失去了他的意识。伽利略还记得他和弗里克曾将皮质和丘脑比作一个大城市。图表显示，大脑系统的很大一部分形成了一个具有高 Φ 值的单一复合体。这是因为它的元素，不同的神经元组，专门用于不同的功能，但这些专家彼此交谈——它们被整合到一个可以区分大量不同状态的单一大型复合体中，每种状态对应一种体验。
还有小脑，它有更多的元素，但它们被分成许多不相互交流的小模块。它们中的每一个都形成一个小的、独立的复合体，并且对于每个小复合体，Φ 的值都很低。伽利略想，就像光电二极管的集合一样，并想起了普桑：没有小脑，画家的手会颤抖，但他的头脑却丰富而充实。
然后还有一些图表解释了为什么你的眼睛可能是瞎的，但你的意识可以有内在的视觉，就像他那幅伟大寓言画作前的盲人画家一样。它们显示视觉输入如何到达大脑皮层，影响其功能，但没有成为产生意识的高 Φ 值的大型复合体的一部分。
还有他的朋友 M.，也表明所有从大型复合体伸出的神经，虽然对于说话和行动是必要的，但并没有参与其中，因此对他的意识没有贡献。有伽利略的缪斯，女诗人和古冈巴琴演奏者，她们的回路伸出并进入大型复合体，但回路本身仍然在外面。这就是为什么，伽利略想，如此多的神经过程让我们理解语言，找到正确的词语，或者说出它们，或者记住它们，完成惊人的壮举，但仍然停留在意识的特殊领域之外。
最后还有以实玛利，他的连接左右半球的神经纤维被分开，而大型复合体被一分为二，产生了两个 Φ 值相似的意识，以实玛和艾尔。其他较小的分裂，也许可以解释为什么特蕾莎能看见却不知道，伽利略想。当然，在癫痫发作的狂乱中，或是在无意识睡眠的深波中，Φ 的值很低，因为可区分的大脑状态的范围肯定会缩小。
“你认为这也许可以解释它吗？”过了一会儿，J 问道。
伽利略说，意识就像一只高贵的鸟，必须用方程式来捕捉。首先要抓住概念，然后用数学的语言来描述它。只有这样，知道如何测量它，才能真正了解它是什么。伽利略说，意识的本质可能就是整合信息。
这可能是一种理解这个概念的方式——一种捕捉这只鸟的方式：一种找到什么是单一实体，是经验核心的方式。
“有些事情仍然困扰着我，”J沉思着说。“大脑极其复杂，如此之复杂，以至于试图通过方程式网络来理解它的奥秘，就像试图用渔网收集大海一样。大脑拥有的树木比丛林还多，街道比大城市还多，可塑性比沙漠的沙子还强，变化比海浪还快。谁又能希望将沙丘无休止的摇摆、市场熙熙攘攘的交通、丛林树冠中盘根错节的树叶和动物，简化为一系列的方程式，或者更糟，简化为一组数字呢？数学家们或许会编织他们的网络，但最终，恐怕他们什么也抓不到。”
“别害怕，因为原则中蕴含着美，” 阿图里从远处说道，J 转过身去询问伽利略。
但伽利略也走远了。因为他在弗里克笔记的末尾读到了一些东西，一些他很久以前就认识到的东西：
哲学写在这本宏伟的书——我说的是宇宙——它在我们眼前敞开着。但是，除非我们先学会理解它的语言，并了解它的文字，否则这本书是无法理解的。它是用数学的语言写的，它的文字是三角形、圆形和其他几何图形，没有这些，人类不可能理解其中的一个字；没有这些，就像在迷宫中徒劳地徘徊一样。
所以，伽利略在很久以来第一次觉得，他必须写下他所学到的东西。这就是他写下的内容
整合信息衡量的是整体超越其各部分所能区分的程度，Φ是它的符号。一个复合物是Φ达到最大值的地方，那里存在着一个意识——一个单一的经验实体。
注释 “整体大于部分之和” 这句话出自亚里士多德的《形而上学》，伽利略对此非常熟悉。威廉·詹姆斯认为整合是意识的关键，并努力理解它，正如本章中整合了他《心理学原理》中的一些节选所揭示的那样。不幸的是，他从未成功，最终在怀疑和否认中放弃了，写了一篇题为“意识是否存在？”的揭示性文章。詹姆斯的照片来自哈佛大学霍顿图书馆。 北银河半球的全天夜景照片（左侧）由 Tunç Tezel 在加那利群岛拍摄；南银河半球（右侧）由 Stéphane Guisard 在阿塔卡马沙漠拍摄。将两张全天图像的地平线拼接在一起得到的图片是 2011 年 7 月 30 日的每日天文图片（两个半球的故事）。 如果用 Φ （希腊字母 phi）衡量的整合信息确实是人们声称的意识核心的重要概念，那么本章以一种相当轻松的方式介绍了它。也许作者试图不惜一切代价避免使用方程式，但结果远不能令人满意。在 Tononi 和 Sporns 的《BMC 神经科学》（2003 年）；Tononi，《BMC 神经科学》（2004 年）；《生物学公报》（2008 年）；Balduzzi 和 Tononi，《PLoS 计算生物学》（2008 年）；Tononi，《意大利生物学档案》（2010 年，2011 年）中可以找到用方程式描述的 Φ 版本，但最终同样令人不满意。格雷戈里·贝特森在《迈向生态心智的步骤》（芝加哥大学出版社，1972 年）中将信息定义为“一个产生差异的差异”。克利的《成熟的收获》收藏于德国汉诺威的施普伦格尔博物馆。最后一幅肖像由阿尔钦博尔多绘制（伽利略不喜欢，并且以恶俗的方式进行了修改，如果不是恶意的话），被称为亚当（夏娃的对应物，私人收藏）。