意識如何自下而上地湧現？來自系統生物學的啟示 | 長文綜述
來自專欄複雜性科學
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編譯：集智翻譯組
來源：http://sagepub.com原題：The biology of consciousness from the bottom up
本文主要觀點
- 對於意識的科學研究方法：
- 應該以自下而上的方法為主
- 需要自上而下的方法輔助
- 系統生物學是目前最好的框架
- 提出研究意識的科學框架：
- 對於意識的定義
- 自我與自創生
- 提出「生命=意識」
- 腦洞：群體智能與意識研究的關係
- 總結：
- 意識涉及到很多不同的領域和層級
- 需要各領域、使用不同研究方法的科學家們相聚一堂共同討論共同協作
智識健全的成年人通過內省而認知、感受到的「意識」，被稱為現象意識。這往往是與意識相關的定義中最讓人摸不著頭腦、而又最令人著迷的概念。然而它終究是從一些不那麼複雜的事物中，自下而上地湧現出來的。但即使是在研究意識的科學社群，也很少有人深入思考這一點。
現象意識：主體從客觀世界輸入的信息中所獲得的主觀感受，又稱「主觀體驗」。
1.與意識研究相關的科學方法
1.1. 自下而上的方法
自下而上的科學研究方法來源於物理，它假定我們對於一個單元擁有完整的知識，每次只考慮同一類型的、小而原始的、遵循少量簡單的規則的單元，目標是對於單元間特定的交互動力機製得到完整且完美的解釋。
想像一個大致為圓錐形的，通過一顆一顆地添加沙粒而產生的沙堆。有的時候，添加的單顆沙粒會引起崩塌，從而影響到大量其他的沙粒。這樣的崩塌便是一個自下而上的結構，因為每顆沙粒只會影響到鄰近的沙粒，一顆沙粒的不穩定性會導致旁邊兩顆沙的不穩定，這兩顆沙可能會接著引起四顆沙的不穩定，以此類推。沙堆大體的形狀，最終是由這一系列的崩塌所決定的，而不是通過任何自上而下的方式所規定的。小型事件（單顆沙粒）能夠引起大型事件或結構（崩塌），這裡的大型事件，被稱為自組織臨界性（self-organized criticality (SOC)）。
從工程的角度來說，對於意識的完全自下而上的研究方法，意味著從基本組件開始，構建出一個真實的生命體。目前，這個方法在工程上的實施主要是優化建模（Battiti，Brunato 和 Mascia，2008）。機器人領域通常以建造「智能」為目標，但直到最近，才開始有人提出對意識這個現象建模的想法（Tani，2016）。
目前為止的嘗試中最成功的，是將人工的基因組放入真實的細胞質中（Hutchison 等， 2016）；若要反過來人工製造細胞質，技術上暫時不可能實現。1.2. 自上而下的科學自組織臨界性：
https://en.wikipedia.org/wiki/Self-organized_criticality
人造生命：http://dx.doi.org/10.1126/science.aad6253
在意識研究中已經有很多人提出過，像人類個體這樣的集合體結構是非常有組織的，而且整個生命周期都保持這樣的組織結構。
譯者註：這也就是說，即使對於集合體下方各層級組成單元並沒有完整的知識，通過在集合體本身的層級觀察、研究其本身，我們已經能夠得到許多關於其屬性的知識。這些知識中，有許多是無法從關於集合體組成單元有關的知識中得到的。
想像一個三維空間中的湍流能量級聯工程。這個工程首先從一個大型結構開始，通過不穩定性與拆解，得到小一些的結構。在大氣層中，大的湍流拆解成小的，可直到毫米級以下，直到阻力使其停止。自上而下的研究方法可以比喻為這樣一個工程。
自上而下的方法論中，認知神經科學扮演了重要的角色，另外還包括傳統意義上的心靈哲學、心靈形式、人工智慧等。 心靈形式：以喬姆斯基流派為主的語言學流派 在科學思想的發展中，這個自上而下的時期是較早的時期，對於形式化、量化、理清概念、以及建立傳統來說，是非常必要的（Braun，1991）。從工程的角度，用自上而下的方法研究意識，意味著對已知的意識現象進行反向工程（Eilam，2005）。
在任何科學領域中（如數學、物理、生物、或心理學），同時結合了自下而上與自上而下兩種角度的科學研究方法，都算是在系統理論的範圍之內（Bruggeman 和 Westerhoff，2007）。
上世紀 80 年代開始，系統理論開始被稱為「複雜性科學」，成為了 70 年代拉開序幕的、以混沌理論與分形學為代表的「非線性革命」的一部分。系統理論認為，儘管人類意識的現象很大程度上包括了人類文化的元素，它仍然可以通過自下而上的角度來研究，就像任何單純的自然現象能夠通過自上而下的方式研究一樣。自下而上的過程是群體智能行為中公認的一個重要組成部分，人們也曾認為群體演算法能夠為人工智慧領域帶來豐碩的成果（Beni 和 Wang，1993）。然而，在真實世界中群體智能的應用，似乎也需要來自於自上而下的「擬合」（van Ast，Babuska 和 De Schutter，2008）。群體智能的目標是在不同的拓撲學結構中，通過相對簡單、局部的規則，控制大量的，相互協作的自治智能體。對於群體智能系統的分析，通常專註於整個群體大局的動態，而非單個智能體的動態。目前意識研究的相關文獻都完全忽略了群體智能，所以我們想在本文中展現它與意識研究之間的多種關聯。非線性物理(Ｎonlinear physics)：
https://www.worldscientific.com/worldscibooks/10.1142/5195智能體(Agent)：https://en.wikipedia.org/wiki/Agent
http://campus.swarma.org/gcou=10419 (二維碼自動識別)
2.基於科學視角的意識新定義
2.1. 科學界之外對於意識的詮釋在科學界之外，對於意識的詮釋大致可分為兩個陣營。
第一個陣營認為意識的存在是神聖而特殊的，對其充滿崇拜的激情；這一陣營最完備的論點，可在大部分唯心主義哲學家（如柏拉圖）的著作中找到。對於他們來說，意識是一個神跡般的存在，而不是任何我們可辨識的物質。他們認為意識是不可還原的，且喜歡用「感質」的概念來挑戰另一個陣營。
另一個陣營，由泰勒斯、赫拉克利特、德謨克利特的觀點作為代表，則憎惡抽象概念，更傾向於通過將事物還原為它們的具象組成單元來將其簡單化。他們的觀點大致是「意識」這個概念是毫無意義的，僅是一種儘管具有實用價值，但沒有理論價值的幻象，或是大自然使生命體留存在生態位所用的技法 (Wegner，2003）。
這些定義與解釋在科學方法出現之前就早已存在，也啟發了大量的意識研究者。然而，它們現在已經遠遠無法滿足我們科學研究的目的。2.2. 意識的複雜性
若把意識的複雜性看做一條長河，那麼它有三個相互交錯的支流：系統發生，個體發生以及微觀發生。自底向上的模型，對於研究這三個支流都是適合的。
人的自主行動總是浸沒在這三個不可分開的支流當中。Braun(2003) 提出了對任何生物都適用的「行動公理」，其中必要的元素包含了 where——在哪裡做，what to act on——對什麼做，when——什麼時候做，why——為什麼做，以及 how——怎麼做。其他動物所擁有的神經迴路只支持對這五個行動元素進行隱性的控制，這樣的大腦結構人類也有。然而，人類從兒童時期開始便發育出另一種神經迴路，這個網路在物種演化過程中出現更晚，能支持顯性的行為控制。更原始的系統，容變程度更小、更模塊化、更自動、速度更快（Badgaiyan 和 Posner，1997），較晚進化的系統則反之；成年人類在所有場景下都同時使用這兩種神經網路系統。
人類的高階意識是人腦中特定系統的激活，然而這些活動時刻受到系統發生學上結構更原始的其它腦區中無意識過程的影響。較原始的與較晚近的神經處理迴路系統層層疊加、相互交錯，貫穿生命中所有進程，而這其中我們通過內省能夠感知到的只有冰山一角。系統發生，個體發生以及微觀發生這三道支流，縱橫交錯，在人腦中實時、實地整合發生著。
系統發生：
表明被認為具有共同祖先的各物種間演化關係。https://en.wikipedia.org/wiki/Phylogenetic_tree個體發生：
有機體從卵子受精到性成熟成年的發育過程。https://en.wikipedia.org/wiki/Ontogeny微觀發生：一種更精細的或特殊的發生法或反方向追蹤設計方法。https://baike.baidu.com/item/%E5%BE%AE%E8%A7%82%E5%8F%91%E7%94%9F%E6%B3%95/22299214?fr=aladdin知識分類：http://wiki.mbalib.com/wiki/%E7%9F%A5%E8%AF%86
一個生命體有時或許是一個單一的物種，但絕大部分生命體其實是由多個生物組成的，包括通常在體內和體外攜帶病毒與細菌（Foulger 等， 2015）。無論一個生命體是一個擁有單一基因組的單元，還是包含多個擁有各自基因組的單元，當我們說這個生命體有一個具有主動性的「自我」，或者說它有「意識」，這裡討論的都是生命體作為一個整合的單元適應其生態位的過程。
在本文的範疇內，我們將意識嚴格定義為其最原始的意義：在一個生命體中，共同引導著相對有組織規劃的適應行為的，對身體與生態位的管理以及對物我二者之別的把握。這樣的定義，完全允許我們使用自下而上的方法進行研究。生態位：http://blog.sciencenet.cn/blog-40825-1073569.html
本文中，對於「自我」的邊界的定義很好理解：一個生命體最外層的「膜」。這是因為，每個已知的生物體都是由「一袋物質」組成的，最外層的膜就是袋子，兜著裡面的物質。
一個生命體里總是有「知覺」的存在，但這種「知覺」不一定需要是陳述性的。對於任何生命體來說，主要的組織原則是從生態位中汲取能量，以支持自身的生長、生存及繁殖；它們與其生態位進行複雜的物質交換，以維持其生命過程中的完整性。
這個過程被稱為「Autopoesis」，中文譯作「自創生」（Maturana，1970；
Varela，Maturana 和Uribe，1974）。在這個複雜的過程里，這個生命體看起來像是能夠顯性地感知到完整的自己是什麼樣的，有一種想要活下來的目的與意圖（Bray，1998），
對於世界也有最基本的理解（Margulis，2001）。然而，確切地說，這裡的「理解」，「知覺」，「目的」和「意圖」都是隱喻的說法。事實上，自創生包含的，不過是高度複雜的、動態的、整合性的分子信號傳播，僅此而已。自創生的過程不能單純地理解為生命體與非生命體間的物質交換。一個計算機晶元每時每刻都在與其環境進行物質交換：費米子在它之中通過，熱能會讓它變脆，濕度會腐蝕它。它內部的原子鍵結構總有一天會毀壞。然而這個結構從來不會利用這些物質交換來替換損壞的部件，也從不考慮繁殖的問題。它從不生長，也從不主動從生態位中汲取能量，對於自我或是生態位也沒有感知；它不是自創生的。自創生系統：
https://en.wikipedia.org/wiki/Autopoiesis
意識並不是注意力、記憶、語言或沒有目標的刻板動作；這些機器都能做到。儘管如今機器已能夠進行許多認知任務，也被看作是「智能的」，但是根據我們的定義，它們還不是「有意識的」，也顯然不是有生命的。
2.5. 意識即是生命生命和意識，都是進化過程中被互相選擇的物質（原子，分子，組織，器官）。它們在每個生物的發育過程中復現，在不同的情境中，通過控制生命體與世界之間的信號交互，來經歷自然選擇、演繹，都是為了適應，而適應的目的便是生命。
細菌是系統發生學角度來說最古老、最簡單的生物。它們的複雜性在於，它們有與人類一樣的基本DNA結構、表觀遺傳機制、細胞免疫防禦系統，以及同樣的基本行為慣例：休眠與活躍的周期，飢餓與飽足感，覓食行為，性慾，繁殖，對於同族個體的感知、選擇與抱團，對於敵人的搏殺，對有毒或無利用價值的環境的探測與躲避。它們努力避免死亡，也能夠學習和適應。它們的整個身體，也就是一整個細胞，就是它們的活躍的意識 (Braun, 2015)（見圖 2 ）。一些理論學者曾提出過一種思想：「生命=認知」（Maturana，1970；Stewart，1996；Varela 等， 1974）。而我們認為，將「認知」一詞換成「意識」，更加準確、更有前景。所以我們提出，「生命=意識」 (Braun，2015）。
http://campus.swarma.org/gcou=10135 (二維碼自動識別)
3.群體智能現象與意識研究的聯繫
3.1. 細菌集群與意識研究細菌群落大小能夠達到十億的數量級，而神經元也可達到類似的規模。通過研究細菌群落得來的許多複雜的原則，很可能也適用於神經元等細胞所組成的集群的發展過程， 幫助我們理解它們如何能夠支持大腦實現高級的意識功能，例如語言。神經元與細菌在幾個方面非常相似：它們都是細胞，都會變形和遷移，都能夠被冰凍然後復活，都在很大的程度上依賴集群，並都具有形式廣泛的生化受體。某種意義上來說，神經元細胞在人體中是特異化程度最低的細胞，也最像一個獨立的生物體。若當他們是控制了身體其他部分，並利用這些部分來為自己尋求食物，那麼這和弓形蟲等寄生生物對於比自己複雜許多的其他種群（包括人類）所做的便非常相似 (Lafferty，2006）。當然，這個神經元/細菌的類比不是絕對的；在大腦的發育過程中，神經元們逐漸組成一個多細胞矩陣，每個神經元嵌入在矩陣中。這讓它們發展出比細菌群落更複雜的信息傳遞能力，也失去了細菌中常見的，捕食所需的自由移動能力。
昆蟲社群展現的群體智能比細菌更加複雜，而其規模也和神經元一樣能達到十億的數量級。它們驚人的社會化完成度，歸功於社交結構上的異化與每個社交階層中充足的行為主體數量。昆蟲群體智能展現的是一種系統發生學意義上極具創造力的，村落狀或工廠狀的組織。這種在拓撲學與時間發展上都安排慎密，點到點，如同機器一樣的突觸信息傳遞功能，對於成年人的認知是必需的。
不過，賦予我們情感、情緒等伴隨了周身強直反應的意識狀態的，是類群體的、非突觸的信號傳遞 (Bach-y-Rita, 1994)。突觸連接傳導機制在時間與拓撲空間上都受到限制，但人類意識並非如同一台死板的機器，所以神經元必須擁有一個巨大的受體庫，以供給大腦群體智能超越突觸連接機制的其他傳導機制。
(Braun & Leblanc, 2016; Fuxe et al., 2012; Vizi, Fekete, Karoly, & Mike, 2010)。機器般安排縝密的突觸信號傳遞與非突觸的、更類似於意識狀態的神經信號傳遞之間的區別，請參見圖 3。
人類神經元也有類似的能力，儘管這和上述的蒼蠅例子非常不同。人類神經元有幾百種不同的受體類型，這讓它們能夠實時地了解人體全局的情況，並支持我們稱之為「元意識」的，體現了自我認識的、有意圖的思想和行為。3.2.2 「負反饋共識」演算法「贏家通吃」演算法對於昆蟲社群來說也有很大的風險，如沒有檢查機制，容易出現失控的狀態。所以，群體生物學家已致力於找出昆蟲是如何決定何時停止集群狀態的。一個例子便是準備遷移的蜜蜂集群如何決定在什麼時候停止偵察、停止爭論哪個新殖民地點最好，並實際開始遷移的過程。偵察蜂們從不同的地點回來，通過各自進行其搖擺的舞蹈，蜂鳴，比劃，並釋放費洛蒙，向其他蜜蜂描述它找到的地點 (Schlegel，Visscher 和 Seeley，2012）。準備決定遷移的過程中，一部分蜜蜂會開始用頭撞那些正在跳舞、比劃的偵察蜂，促使它們從一個刻板動作換到另一個。這個用頭撞的動作，以及其他一些目的類似的社交行為（例如用翼部肌肉進行特定頻率的振動），在昆蟲學領域被稱為「停止信號」 (Schlegel 等， 2012）。這些停止信號會一直積累到達成停止集群行為的共識為止。將這個過程抽象為演算法，便叫做「負反饋共識演算法」。蒼蠅群體智能:：https://www.nature.com/articles/nature14024#main
大腦也大規模地包含了這樣的系統。首先，神經元高強度地對自身以及向自身傳播信號的其他神經元進行反向傳播，傳播路徑一路持續到皮膚上的感覺神經元(Vullhorst 等， 2015）。其次，沒有任何神經元是只有興奮性或抑制性突觸的(Brickley 和 Mody，2012）。成年人的大腦，相對其他哺乳動物種群，具有最高比例的抑制性突觸 (Sherwood 等， 2006）。這表面上看起來不可思議並且浪費資源，但事實上，這對大腦不陷入失控的激活狀態是十分重要的。傳送門：https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/23149930
原文還討論了：
1.昆蟲隨機漫步演算法2.大腦中實際存在的集群現象3.腸道菌群集群
4.意識科學研究最大挑戰是融合不同科研方法4.1. 對於意識，自下而上的理解更重要
我們平時通過內省所感知到的意識，在因果關係上仍然來源於「無意識」的物質。在未來，另一種完全不同的意識，或許會從當前類型的意識上湧現。而就現在來說，無論是在本體論還是知識論的角度上，對於意識的自下而上的理解都應該優先於自上而下的分析。如果忽略了這一點，難免會違背幫助我們理解了大爆炸、物種進化、以及意識具身化本質的現代科學框架。
4.2. 融合兩個分離的科研者社群
我們認為，使來自許多不同領域的科學家相聚一堂，彼此分享對於意識這一主題的觀點，並尊重彼此的觀點，是可能的，並且會是非常有成效的。
本文認為自下而上的框架暫時尚未能夠解釋所有哲學家們通常關心的複雜問題（如自由意志、主觀能動性、目的性、感質等），也暫時不能比唯心主義者們更好地解決那些尚未得到解釋的，與意識有關的經典哲學問題；在這些方面的貢獻，目前大多來自於自上而下的研究方法。
已經有部分科學家試圖採用自下而上的方法提出解釋，但距離自下而上和自上而下的科學研究彼此之間能夠流利地溝通，還有很長的路要走。其中一個很重要的阻礙，就是許多自下而上的科學研究者一直不願意在他們的理論框架中包含「意識」這個概念。意識是分子細胞信息傳遞，僅此而已——就像文中再三強調的，它完全適合自下而上的科學研究框架。我們認為，目前意識研究領域存在的一大難題，是如何才能使平時從不溝通交流、不讀彼此文獻、不理解彼此的研究方法與成就的兩個不同的科學家社群進行融合。4.3. 系統生物學可以作為橋樑在意識的科學研究上，如果說有一個有希望打通成為自下而上與自上而下的研究方法之間壁壘的方法論或框架，那一定是系統生物學。
與湧現主義強調高層級複雜性不能被還原的主張不同，它的目的是在一個系統中，從最複雜的到最簡單的集合體單元層級，對於其間的具象交互進行辨識，描述以及量化。
確實，為什麼複雜現象就不能被還原呢？系統科學並不依附於這些悲觀的視角。在對於意識的科學研究方法上，系統理論是最完整的，為整合極其多樣化的多個不同領域作出著不懈努力（見表 1）。
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審校：李曉煦、楊緒疆原文地址：https://www.researchgate.net/publication/324178929_The_biology_of_consciousness_from_the_bottom_up註：篇幅有限略有刪減，閱讀原文更多發現。
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