本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定反映《大众科学》的观点
编者注：活细胞的结构由内部和外部之间的差异定义。多年来，生物学家们不遗余力地记录细胞膜开口的微小运作方式，这些开口允许氢、钠、钙和其他离子穿过包围细胞及其内容的屏障进入细胞内部。
五位脑科学学者在这些观察的基础上提出，这些活动可能为理解意识以及构成意识基础的一些认知过程提供基础理论。他们认为，当动物细胞向外界开放和关闭自身时，这些行为可以被理解为不仅仅是对外部刺激的反应。事实上，它们构成了动物王国中感知、认知和运动的基础——并且可能构成意识本身的基础。
这五位作者分别是纽约大学神经学教授奥利弗·萨克斯；南加州大学的安东尼奥·达马西奥和吉尔·B·卡瓦略；日本大阪关西大学的诺曼·D·库克和加拿大安大略省布鲁克大学的哈里·T·亨特。他们以公开信的形式向艾伦脑科学研究所所长克里斯托夫·科赫、《大众科学 MIND》专栏作家（意识再探）和《大众科学》顾问委员会成员提出了他们的想法。阅读这五位作者的观点，然后继续阅读科赫的回应。
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致克里斯托夫·科赫博士的公开信
尊敬的科赫博士：
《大众科学》和《大众科学 Mind》定期提出与意识问题相关的新闻话题。我们想鼓励一种方法，尽管这种方法在进化论中根深蒂固，但在现代时代却在很大程度上被忽视了——并且尚未成为本刊发人深省的系列文章的主题。
该方法需要将意识的潜在属性追溯到原生动物[单细胞生物]的水平，以便识别出基本的细胞水平机制，当这些机制在复杂的神经系统中放大时，会产生通常被称为“心智”的属性。未解答的问题是：活细胞的哪些特征最终导致了各种更高层次的心理现象，而这些现象显然是某些动物生物所独有的？这个问题本质上关系到生物功能——并且与可能在硅系统中实现的“信息处理”方法不同。
从生物学的角度来看，我们认为最低级别的候选机制是膜“兴奋性”：某些类型的活细胞在几毫秒内感知和响应刺激的非凡能力。鉴于所有活细胞都具有包膜膜并与其外部世界交换物质，因此仅代谢活动、生化稳态[保持细胞系统平衡]，或细胞自身与外部世界之间边界的单纯存在，不太可能足以解释心智的起源。相反，跨生物膜的物质交换动力学在不同细胞类型之间差异显著。理解这些差异可能与解释意识有关。
重要的是，已知原生动物“易激性”的潜在机制与后生动物（动物）中所有三种主要类型的可兴奋细胞（即感觉受体细胞、神经元和肌肉细胞）的过敏性机制相同。这些机制本质上是某些孔的开放和关闭，这些孔允许某些离子自由穿过细胞膜。简约性表明，带正电的离子（阳离子）突然涌入碱性细胞质——膜兴奋性的确切定义——是细胞“意识到”其环境（“感知”）的关键现象。换句话说，使具有可兴奋膜的细胞如此不寻常的是它们对外部刺激后威胁扰乱细胞稳态（通常碱性细胞内部轻微酸化）的静电扰动的反应。为了产生动物生物的更高层次的“意识”，这些大量可兴奋细胞的活动必须同步（以尚待确定的方式）才能实现连贯的生物体水平行为。
这种带正电的静电“冲击”信号表明检测到潜在危险（最关键的是质膜破裂和略微酸性的“海水”涌入），这种情况发生在毫秒之内。在单细胞原生动物中，大多数反应是简单的运动，以响应鞭毛、纤毛或伪足中的化学刺激，这些运动由细胞质中离子的浓度决定。在包含数十亿个感觉受体细胞、神经元和肌肉细胞的动物中，这些反应被协调成某些肌肉组织的目标导向运动活动。
自从霍奇金和赫胥黎在 20 世纪 30 年代的工作以来，膜兴奋性当然已成为神经科学的中心舞台。但对动作电位的关注，特别是关于其在细胞内信号传导中的作用，最终导致称为神经递质的化学物质的释放。这种关注忽略了阳离子内流本身的生物学意义。我们假设感知、意识以及最终灵长类动物的自我意识的“难题”始于可兴奋细胞对威胁扰乱细胞稳态的外部刺激的反应。正如植物生理学家所指出的，动物细胞在响应环境刺激方面并非独一无二，在诱导整个生物体的反应方面并非独一无二，甚至在产生动作电位方面也并非独一无二。然而，动物神经系统中神经元的过敏性在快速招募其他类似的可兴奋细胞以驱动可以恢复生物平衡的行为方面确实是非同寻常的。因此，我们认为动物生物的更高层次的意识本质上是数十亿个可兴奋细胞协调“易激性”的结果。
早期的进化论学家（乔治·约翰·罗马内斯、赫伯特·斯宾塞·詹宁斯、阿尔弗雷德·比奈和查尔斯·达尔文本人）对即使是单细胞“小动物”也表现出的看似目标导向的行为印象深刻——尽管完全没有神经系统。他们的兴趣显然集中在细胞和亚细胞现象上，但正确理解离子通量在产生膜兴奋性中的作用还需要一个世纪的时间。离子通道的遗传学和生理学方面的最新进展表明，细胞质静电平衡的破坏和恢复对于神经元和小动物前所未有的感知能力至关重要，这既说明了原因，也说明了方式。
如上所述，考虑阳离子内流为“感知火花”的定性论证或许已经合理，但定量细节还需要进一步研究。正如可兴奋膜科学的最重要贡献者伯蒂尔·希勒所总结的那样，阳离子内流的感知意义在例如鱿鱼的巨大运动轴突中不太可能很强。尽管鱿鱼轴突的大直径使其成为实验研究的理想选择，但这种运动神经元的巨大体积也意味着其动作电位导致电压梯度发生异常小的变化（仅为 1/105）。相比之下，大多数动物神经系统的小树突和轴突中的感觉电位和动作电位（其中阳离子内流导致离子含量变化 10%）更有可能与感知相关，因此更可能成为激励刺激。这些会是点燃“意识”并最终驱动动物行为的细胞水平现象吗？这是构成“心智”并最清楚地区分植物的平静存在和动物的活泼好动行为的相关膜生物学吗？
此致，
诺曼·D·库克
安东尼奥·达马西奥
吉尔·B·卡瓦略
哈里·T·亨特
奥利弗·萨克斯
诺曼·D·库克，日本大阪关西大学教员；安东尼奥·达马西奥和吉尔·B·卡瓦略，南加州大学脑与创造力研究所；哈里·T·亨特，加拿大安大略省布鲁克大学教员；以及纽约大学神经学教授奥利弗·萨克斯。
克里斯托夫·科赫对库克及其同事的回应
尊敬的同事们：
和你们一样，我也是离子、膜结合通道的爱好者，我经常在自己的写作和教学中参考伯蒂尔·希勒关于这个主题的鸿篇巨著。
我完全同意你们的观点，即阳离子内流在细胞兴奋性中至关重要。没有它，我们就不会有意识。当然，如果没有心脏跳动、充足的含氧血液流动、适当的神经调节化学物质（例如皮质-丘脑系统）充斥各个大脑区域等等，我们也不会有意识。这些都是意识发生的背景条件，但它们本身是不够的。还需要更多。
在大发作性癫痫发作期间，皮质被超同步的放电活动吞没；也就是说，大量的阳离子流入细胞，患者迅速失去意识。事实上，如果不加以控制，癫痫发作活动可能导致癫痫持续状态和死亡。因此，对于意识而言，重要的不仅仅是阳离子内流，而是这种内流在时间和神经元之间的模式。
正如安东尼奥·达马西奥（大脑损伤患者结构丧失推断功能的现代大师之一）所知，基底神经节或小脑等区域的丧失（人类大脑中五分之四的神经元的所在地）不会明显影响意识的存在或内容。这些结构似乎对感知没有太大贡献，即使它们包含美丽的、形状各异的神经细胞以高速率发射动作电位。因此，对于意识而言，重要的不仅仅是阳离子流入任何大脑结构中的任何神经元，而是哪些特定结构中的哪些神经元处于活动状态。
此外，如果宇宙诞生时的初始条件略有不同，我们生活在一个由反物质而不是物质主导的世界中，那么在我们宇宙中带正电的氢 (H)、钠 (Na) 和钙 (Ca) 离子的内流可以等效地被这个替代宇宙中带负电的 H、Na 和 Ca 离子的内流所取代，而细胞兴奋性的机制没有任何变化。因此，重要的不仅仅是流入细胞的阳离子，而是带电离子内流对系统的整体因果效应。
这需要对高度组织化和可兴奋的物质如何支持我们存在的中心事实——主观体验——进行有原则的、分析性的、规范性的、经验可检验的和临床有用的解释。
膜兴奋性将在这里发挥作用，但只是众多其他因素和考虑因素之一。事实上，将注意力集中在离子通道上来理解意识（一种典型的系统级属性），就像试图通过关注电子如何流入晶体管的栅极来调节晶体管另外两个端子之间的电流来理解互联网的本质一样有用。是的，晶体管是数字机器计算能力的基础。但我们日常使用的互联网的属性——其近乎普遍的可访问性及其几乎即时检索地球上任何地方的晦涩文章、博客、书籍、音乐文件和视频的能力——更多地与网络信息的索引和检索方式有关，以及构成网络的数十亿台计算机的互连方式有关，而不是与半导体的详细物理学有关。
最后，单细胞生物、蠕虫或其他比拥有大型哺乳动物大脑简单得多的简单后生动物是否具有感知能力，这是一个完全不同的问题。我确实与信件作者们有同样的预感，即“作为一条蠕虫可能是一种感觉”。然而，这是一个目前无法以任何有意义的经验可访问的方式回答的问题。
克里斯托夫·科赫
更多探索
从膜兴奋性到后生动物心理学。诺曼·D·库克、吉尔·B·卡瓦略、安东尼奥·达马西奥，《神经科学趋势》，第 37 卷，第 12 期，第 8-14 页，
植物和蠕虫以及其他生物的精神生活。奥利弗·萨克斯，《纽约书评》，第 LXI 卷，第 7 期，第 4-8 页，2014 年 4 月 24 日。
情感的本质：进化和神经生物学起源。安东尼奥·达马西奥、吉尔·B·卡瓦略，《自然评论神经科学》，第 14 卷，第 145-152 页，2013 年 2 月。
意识：一位浪漫还原论者的自白。克里斯托夫·科赫，麻省理工学院出版社，2012 年 4 月。
自我涌现：构建有意识的大脑。安东尼奥·达马西奥，Vintage，2010 年。
感觉转导。戈登·L·费恩，Sinauer 出版社，2007 年。
可兴奋膜的离子通道。伯蒂尔·希勒，Sinauer 出版社，2001 年。
论意识的本质。哈里·T·亨特，耶鲁大学出版社，1995 年。