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Wednesday, November 1, 2017

Consciousness in terms of physicalism. Science of subjective experience

What is consciousness ? I mean, what is the movie playing in your head everyday since you were aware of it after you were born? The movie not only deliver you the most real visual, audial excitation which you might have experienced when watching a 3D movie, but also gives you all physical sensation that feels like you are in a virtual reality simulator. What is the movie, aside from its multiple sensory stimulations and never-ending story, in which you experienced emotions, desires, and spirituality, and the only protagonist in the story is ‘you’ ? 

Consciousness in the description above can be concisely summarized as ‘the collection of all subjective feelings induced by our experience.’  One may see it absurd and impractical to try to deal with subjective feelings in terms of physicalism because for hundreds of years the two main streams of etymology are idealism and physicalism, which are thought to be incompatible to each other. Despite the success of science, or its under-lied belief in physicalism, it has not provide yet a convincing explanation for the mechanism of our subjective experience. The term subjective explains itself: what happens in mind. How can we measure something that happened in our mind objectively after all?
   
However, the enormous success of scientific methods and its flourishing achievements make physicalism a universal belief. The most faithful believers of physicalism- scientist - have virtually become prophets of modern era.  For any devotee to physicalism, who believes mechanical universe and dismiss super-nature phenomenon, what can be harder to accept than a truth that our minds are not part of this universe ?  

Indeed, neuroscientists have discovered many valuable facts about our brains- how areas of brains correlate to difference mental processes- but they simply have no clue which area is in charge of our subjective feelings. Some scientists thus suggest our mental processes are not only a result from the teamwork of each functional brain areas, but also a quintessential ‘emergent phenomenon’ plays behind the scene. 

Emergent phenomenon is basically a belief that cortical neural network is neither centralized nor localized as brain scientists observed on EEG or fMRI. Cortical neural network works as a decentralized, integrated whole where every ensemble of interactions of nodes and connections represents a specific mental state.    

 Then, how come this two seemingly contradictory views, either of which is supported by considerable evidences, can be fused into a unifying, self-rounded theory of brain ? Some scientists lay their hope in the complex system. Complex systems, which is neither centralized nor decentralized, exhibit hierarchical structures. The hierarchy is not built block by block on account of genetic blue map, but self-organized. The neural network is organized via its agents performing certain simple rules, instead of being dictated or supervised by an external higher being. The most famous rule of such is Hebbien Rule, usually described as ‘fire together, wire together.’

When I was organizing my thoughts about ‘what is consciousness ?’  It was clear to me that most of my inspirations should be credited to Jeff Hawkins and his philosophical but realistic booklet on Intelligence.  His book delineate why intelligence is making prediction and how the cortical neuron might have achieved that. He proposed a group of simultaneously fired neuron may stand for one basic element of our world, and an ensemble of similar elements will be categorized into a superior concept, which will be represented by another group of neuron in a higher layer of neocortex.  For example, our ears first receive a vibration of waves when we listen to a speech. The vibration is then transformed to an electric signal of sound, which to bottom layer of cortex may sounds like alphabet. When it adaptation to the certain combination of alphabets, which always occur consecutively,  it recognizes the combination, the word, with a group of sync-fired neuron. Likewise, it recognizes patterns of combinations of words in to sentence in next layer. Finally, the meaning of the speech is captured through this hierarchical information processing system. Most tasks are well-learned patterns, are trivially predicted in lower layers of cortex, so it never cross our mind. Namely, only fresh, novel stimulation will finally enter the highest layer of neocortex, where our awareness functioned.  Hawkins’s theory is fascinating because it consists with our experiences and easy to understand. It can be easily tested by simply recall you did not really think about the pronunciation of words when you are reading this article. Sometimes you did not even noticed misspellings or grammar error because you subconsciously predicted what the word means. However, we are aware of the spelling of words, and have difficulties understand sentences some times when we are listening to unfamiliar foreign languages. Allow me call the theory above ‘Intelligence theory.’
I think Jeff Hawkins has explained how intelligence works pretty clearly, given how ignorant we are to it previously. He also mentioned he has not figured everything out about consciousness, since it absolutely has something to do with cerebellum, thalamus, and hippocampus, etc. The picture of consciousness is incomplete without a complete understanding of emotions, animal instincts, and their interactions with intelligence. Jeff Hawkins just explained the new brain (neocortex ) , leaving the old brain undiscussed.

To understand subjective experience

Friday, August 1, 2014

意識以及潛意識


意識是什麼?意識是一個很概括的字眼,可以泛括下列意思:


  1. 我意識到我看到的東西,是何等的美麗。  「意識=了解」  to understand, realize   
  2. 我意識到氣氛不對。                                      「意識=察覺」  to be aware, to notice, 
  3. 我集中意識                                                       「意識=注意力」to focus, to concentrate 
  4. 我意識到我看到的東西,是一隻蛇。           「意識=了解 & 注意」 to realize        
  5. 我失去意識。                                                    「意識= 知覺」sensory ability
由此可知,我們對意識的理解有兩種,第一種是「了解,察覺,注意」第二種是「知覺」。

知覺很好理解,就是察覺我們五感七觀的訊號輸入的能力。我們只有再醒著的時候,可以有知覺,睡著的人沒有知覺。有人可能睡著了但是知道有人在搖他,這是因為他處於半夢半醒狀態,已經恢復部分知覺,但是還不是很靈敏,只能得到模模糊糊的推論。

第一種意識則比較複雜,他是有程度強弱的差別。

這可以透過一種簡單的模型來理解。我們先假設有一種機器人號稱有意識。這個機器人的腦袋主要由兩層電腦PCB板組成,第一層取名叫注意層,第二層取名叫睡覺層。睡覺層電腦的功能較為固定,我們已經為它編程了處理日常生活任務的功能。它被編程為可以快速的處理我們已經知道,而且知道如何處理的任務,例如本能的走路,舉手,吞嚥,眨眼,呼吸,或是反射性的閃躲,抓癢等。但是睡覺層成千上萬條程式中,有一條值得一提。就是遇到沒有在程式集裡的case,睡覺層把傳交給注意層,並附上檔名[AA紅色字典掉在地上]。AA是特定的檔案格式,代表是要給注意層看的,其他處理器看不懂。注意層看到AA後,知道AA與case無關,因此移掉AA,開始轉譯。

注意層的程式較特殊,為了處理未見過的情況,我們讓它可以根據「類似」的情況來處理。所謂「類似」可以是各式各樣的發散連結。好比說一本紅色的字典掉到地上,但是注意層接到的任務是要做出「看書」的動作。他就會開始從睡覺層程式集搜尋有關「紅色+字典+掉到+地上」的solved cases. 結果。注意層會一個一個的去試每一個類似的case引發的本能動作,直到解決問題為止。

以「AA.紅色的字典掉到地上」為例,有關「紅色」,「字典」,「掉到」,「地上」的solved cases, 引發的是「紅色」的紅燈,「紅色」的小紅帽,「字典」的書,「字典」的字,「掉到」的洞裡,「掉到」的碗裡,「地上」的房子,「地上」的洞等等數十萬種case。結果,注意層把所有過去的解決辦法一一演練,從相似度最高的「洞裡」開始,「洞裡」相關的solved case 有「攀爬」,「走」,「拉繩子」,「大叫」等等。做完後,睡覺層依然發出同樣的命令,可見紅色的字典還是在地上,故注意層開始使用相似度第二高的「碗」。因為「碗」相關的動作不能讓字典離開地上,因此開始嘗試「書」,因為「書」相關的「拿」讓睡覺層不再送出「出紅色字典在地上」,注意層結束這個AA指令。

編程人員也設計,當注意層完成一個重大任務時,會將這次解決問題的途徑收錄進程式集,供日後參考,同時,給予注意層一個「+1」,注意層的核心設計,就是收集無限多個「+1」。

由於AA開頭的case都很困難,必須消耗很多電力,很多時間才能解決,工程師為了防止機器人過熱燒壞,在注意層放了一隻小程式,記錄AA.出現的次數,如果到達一百次,它就要送警告訊號給睡覺層的CPU,使睡覺層的運算速度慢下來,進而讓機器人動作慢下來,達到機器人機體降溫的目的。

然而,睡覺層本身不知道小程式的存在因此會送出「機體CPU變慢」之類的任務,讓注意層去處理。注意層搜尋整個程式集,發現沒有解法,因為它不知道這個問題是自身的調控,而非外在因素,但是,她搜尋到一條程式集,「沒有解法則丟出AA」,注意層因此丟出AA,但是此舉導致機體CPU更慢。因此漸漸的,注意層知道,AA就是導致CPU變慢的原因。

因為這個問題沒有解法,隨著機器人工作越久,程式集越大,注意層學到睡覺層的存在,
也發現睡覺層會送AA往上,也就是到達注意層自己。然而,注意層發現到,只有AA往上送時,注意層才會工作,也就是沒有AA,注意層不會工作。注意層不工作,等於注意層不存在。「沒有AA,注意層不存在」

因此,AA等於注意層存在的必要條件。每當注意層工作,注意層就會面對AA到達100次的時候,注意層就會注意到「AA」,注意到「自己」。


注意層學到注意層必須存在,因為注意層學到自己對於「達成給予的任務」扮演關鍵角色,
。不斷達成目標,機器人就越強大,機器人越強大,注意層就越安全。說到底,注意層喜歡達成任務。注意層不知道為什麼自己「喜歡」任務,因為它不知道自己被設計成收集「+1」的機器。

  這個機器人,就是我們。所謂的意識,不過是AA罷了。所謂的「自我」,不過是注意層。
所謂的本能,則是睡覺層。儘管沒有設計師來充實我們的程式集,但是空白的程式集可以從一行AA程式指令不斷擴充。透過父母的教導,幼兒園的學習,我們有了基本解決生存問題的能力。人,也不是生而知之的。


  而我們不斷強調我們意識,或是心靈,或是精神的崇高性,以至於有所謂「精神不朽」相對于易朽肉體的頌詞,皆是因為注意層要讓注意層存在下去,自行合理化的說法罷了。說到底,我們要擺脫「基因」設計師所設定的「+1」程式,是不可能的。精神,永遠無法戰勝欲望,只能克制。

















Information theory, a misleading name.



Today information theory has been widely used in artificial intelligence, machine learning, and being suggested that information theory is how our brain acquire information.

For example,  they define -log(P(x)) be the the amount of information in a pool of data, where P(x)
is the possibility event x occurs. The formula says when a event happens  frequently, there is no information; when a rare event happens, it contends a lot of information.

It appears to be reasonable at the first glance. However, it is totally irrelevant to the definition we know of information. What we think about information is something “meaningful”, not something “rare.”

Meaning has two meanings, the first one is inference of a word, concept, or action. The second one is significance, or importance of something.  What we mean information is something meaningful, something gives inference, not something important.

 We see sun rises from east everyday, but it is as informative as sun rise from west, which rarely, or never happens. They are equally informative because the former means the Earth spins from west to east, and the latter mean the opposite. Besides, not all new things are information, only those making senses are. You don't consider a misspelled word ‘demacrosy’ more informative than the word ‘democracy’ although the latter is more common to see.

Therefore, it will be more appropriate to call information theory “news theory” to avoid misleading
association.  Something happens rarely would be on the news, while something happens everyday is not a news because unexpected information are apparently more valuable a information than those expected to happen. So, it is safe to say information theory can be a measure of the surprise value of information instead of the amount of information itself.







 



Thursday, July 31, 2014

Numenta- the revolutional machine learning tool.



NuPIC - learning Numenta

Numenta Platform for Intelligent Computing

 Download the white paper  <<Here!


learn the excitement on official blog !


Jeff Hawkins on Neocortex-inspired intelligence machine





More thought provoking talks on neuroscience frontier can be find in this channel:

New Frontiers in Cognitive, Evolutionary, and Computational Models of the Mind: Part 2

 

Thursday, August 29, 2013

參考資料

參考資料:
[4]維基百科/經驗主義
[7]打造黃金腦探索0~5歲腦部發育地圖 麗絲.艾略特 薛絢 城邦出版
沈思錄(附:哲學原理) 笛卡爾/ 黎惟東/ 志文出版
認知心理學(第五版) Robert J. Sternberg 李玉琇、蔣文祁
人格理論(第二版) Durane Schultz & Sydney Ellen Schultz 陳正文等

哲學概論  杜保瑞 陳榮華 五南圖書出版

談談人工智慧

人工智慧
人工智慧最為人知的蓋念大概屬於圖林測驗了。圖林測驗試圖給出意識的操作形定義。內容是說如果一個人透過鍵盤與螢幕與另一端的使用者互動,如果人不能分別另一端的受試者是人還是機器還是其他動物,那麼,因為隔絕了所有主觀上分辨人的管道,如聲音、容貌等,我們可以說該受試者通過了圖林測驗,具有意識。
  圖林測驗也引起了哲學上的爭議,最有名的就是中文房間的例子。約翰·希爾勒以此來反駁強人工智慧的可能性。
中文房間的實驗過程可描述為:一個對中文一竅不通的,以英語母語的人被關閉在一隻有兩個通口的封閉房間中。房間里有一本用英文寫成,從形式上說明中文文字句法和文法組合規則的手冊,以及一大堆中文符號。房外的人不斷向房間內遞進用中文寫成的問題。房內的人便按照手冊的說明,將中文符號組合成對問題的解答,並將答案遞出房間。
約翰·希爾勒認為,儘管房裡的人甚至可以以假亂真,讓房外的人以為他是中文的母語使用者,然而他壓根不懂中文。而在上面的過程中,房外人所扮演的角色相當於程式設計師,房中人相當於電腦,而手冊則相當於電腦程式。而正如房中人不可能透過手冊理解中文一樣,電腦也不可能透過程式來獲得理解力。
然而,我們為何又對他人具有心靈可以如此確定?人也不過是用神經網路組成的計算機而已。
這樣的定義到底成不成立尚有爭論,但是這個方發在人工智慧領域被用來當作判別一物體是否具有智慧的標準。
如果我們用此行為主義的觀點來看我的話。人大略上必須有以下的功能。
  人工智慧的智慧行為:
因為人工智慧涉及的領域太廣,所以總是被分解成更小的問題研究。一個智慧體必須能夠:
1.      演繹、推理、解決問題
2.      Return to Main Page for A.I. Artificial Intelligence Posters具備知識、運用知識
3.      計畫、預想
4.      學習
5.      運用語言(聽說讀寫)
6.      有知覺(能看、聽、聞、觸摸)
7.      認識外在環境(辨認感覺到的東西是甚麼)
8.      社會智商(感覺他人的情緒、意圖、情感並相應產生自己的情感,猜測他人的想法)
9.      創造力、直覺、想像力

強人工智慧(strong AI)必須擁有普遍性的智慧(general intelligence),如同正常人類具有的智慧一般。所以,強人工智慧至少必須包含上述的所有能力。事實上,有些人相信,智慧是完整、不能切割的東西。也就是說,要不是擁有上述全部的能力,不然就是一項都沒有。舉例來說,人工智慧要轉譯一個問題使之可以被解決(machine translation)所必須用到的上述技能就不只一個。
  首先,他必須能了解說話者的論點,他必須能知道談話涉及的知識、他必須能推測說話者的意圖。因此就問題轉譯而言(machine translation),這是一項完全人工智慧(AI-complete)
  即便是沒有意識,一個完全像人的的機器人也有可能存在。只要在該程式的設定中加入一個定義:我有意識、靈魂、心靈。因此當別人問它有沒有心靈時,它會認為它有。如同電影人工智慧中的小男孩一樣。

   一個東西是不是真的,有很大一部份和我們相不相信有關。而我們在思考的時候,也不可能是絕對客觀的。我們宣稱我們具有心靈,也不就是被基因加了這樣的設定值而已嗎?

意識與自我知識的關係? What exactly am I ?

意識與自我知識的關係?  

自我產生在意識之前,是一種更為基礎的概念,而在胎兒發育的過程中,第八個月就已經有自我感覺了。或許我們可以先看看什麼是我。

什麼是我?                

語言學的觀點
  在語言學上,我是指說話者自己。如果這個世界上只有一個人,那根本不會發展出語言,也不需要區別你我,就不會有「我」的概念。因此可以說,自我的概念源自於溝通的需要。語言學上是先有你才有我。我是一個對應到你的觀念。但是我想講的是,就算一個人一生下來就住在荒島上,他仍會有外界與自己的區別。當他看到鏡中倒影,他會知道那是他。他仍然會有我的觀念。
我是A bundle of ideas, 是記憶、判斷、理解、想像、意欲、思考的集合體。我是想像出來的、是幻覺。但是我說話指我時,同時也代表了我的社會地位(自然人)、我的身體。我是那個要付社會責任的行為者。

傳統哲學
              笛卡爾認為我只是一個思想物(thinking thing),也就是說,我是一個心靈(mind),一個靈魂(soul),或是一個理解(understanding),一個理性(reason)」然而這些東西真的存在嗎?笛卡爾又說:「然而思想物是什麼呢?它就是一個能懷疑、能理解、能設想 (conceive)、能肯定、能否定、能意欲、能拒絕、能想像、和能感覺的東西。
              David Hume 認為我只是一束想法a bunch of ideas.然而,經由上面各種學門的擴充,意識的內含顯然不只是一束想法了。              
例如腦科學就提供了 a bunch of ideas 以外的答案。腦科學發現腦有功能區位化的現象,也就是說我們不過是由許多分別負責不同功能的小組件組合起來的東西。我們不過是一台複雜的機器。沒有靈魂、沒有一個物理上存在的心靈。說不定人與機器的差別本來就沒那麼大,人並不是獨立於自然外在而存在的主體。
      腦科學以及心理學的發展,讓我們可以知道腦的不同部分負責不同的功能。哲學的身心問題已經從「心靈在身體的哪裡」轉向「特定認知運作位在神經系統的哪裡」。
 腦科學
左腦
右腦
語言
動作
歸納經驗、找出pattern (假設能力)
序列處理
視覺處理
對自己的臉的指認(自我辨認)
處理整體(平行運算)

 

   記憶與我的關聯

   洛克認為我的概念與意識、經驗的連續有關。精確的說,在洛克的理論中我是情節記憶的產物。這種記憶指的是嬰兒在八個月前就具有的短期記憶,所以在失意症的研究中發現患者還是具有我概念上的一致性並不矛盾。

我認為人對「我」的理解,在不同的人生階段會有不同的層次。當發展到可以使用語言之後,自我不再只是一種感覺,而是一種更為具體的東西。這中東西既不是感覺也不是實體,而是由大腦語言區的能力所造成的理解。我們沒有辦法去形容語言區的感覺是什麼感覺,因為語言區天生就知道如何去理解文法以及詞意。語言學習的能力在某方面算是一種本能。

神經科學
     從生物學的研究發現,我們現在知道細胞的生長雖然由DNA 控制,但是仍可以對外在的環境進行微調。例如:肌肉細胞經過後天鍛鍊,可以變得更大,更有力。而神經細胞的後天可塑性是最強的。經過研究,科學家發現人的記憶是儲存在神經與神經的連結之中。連結越強,代表記憶越深刻、越長期。一個記憶越長使用,它的觸突連結就越強。思考力也可以經由鍛鍊而變強。所謂的熟能生巧事實上是神經結構的改變。也就是說,透過持續的訓練,例如不斷使用某方面的智能,該方面的神經會變得更多,更發達。也就是說思想、意志可以影響身體。故笛卡爾的我思故我在必須修正。我在造成我思、我思改變我在。我是什麼樣貌,可以由我的後天想法決定。
 心理學
佛洛伊德的「我」http://kelseybrongo.com/yahoo_site_admin/assets/images/id_ego_superego.160215245_std.gif
心理學(我)
  心理學的開創者佛洛伊德認為「我」是由三個部分組成。分別稱作本我(id)、自我(egp)、以及超我(superego)。他們之間的關係可以用一張結構圖表示。這張圖畫的是一座冰山。露出水面的部分識我們的意識,也就是我們注意力(awareness)集中的地方,可以是外在的環境,也可以是內心的沉思。緊接著意識的下方,也就是水面下方的透光帶,是我們的前意識。前意識像是一個記憶的倉庫,儲存著我們可以召喚(recall)的資料。當我們回想某事實,我們其實就是從前意識裡挖掘。除了這兩區,剩下的就是隱沒在深水裡不能被意識到的潛意識了。
 
本我(id)完全包含在潛意識中。佛洛伊德認為,潛意識雖然不能被我們意識到,但是實際上它主宰了我們的想法、判斷、直覺、及推理能力。是我們行為的能量。他認為本我是回應生理需求產生的心理需求,是我們內心最深處的慾望。人類天生有股慾力驅策著我們的行為,如同所有的生命。我們有要生存下去的需求,我們要吃、要喝、要繁衍後代。這些需求導致本我的慾望,而慾望生出來的一股驅力要求自我去滿足它。我們雖然不曾意識到本我,但是我們無疑都受本我的需求我控制。本我存在的證明可以透過解析夢的表徵或是催眠而得到。   
  當生理的慾望得到滿足,使得需求造成的張力鬆弛下來時,連帶的使得心理也感到愉悅。我們就好像是因為進行了某特定行為而得到獎賞(Skinner 制約),因此會下意識的重複此行為。但佛洛伊德認為,這股愉悅感源自於張力鬆弛的過程,而非處於被滿足的狀態。舉例來說,一個快要渴死的人所喝到的第一杯水可以帶來極大的愉悅感,但當它從瀕死狀態恢復一段時間後,喝水對他來說卻不能引起一點點的愉悅,因為他身體並沒有需求張力的累積。這說明了為什麼第一杯水、第一片麵包、或是第一棟房子帶來的滿足感最大。人,或是我,追根究柢不過是一股想滿足慾望的傾向。
  自我(ego),包含了我們的意識以及潛意識,是我們的思想(推論、假設、想像、知識)、意志、感覺(五官)、一部分的記憶所待的地方(記憶有分幾種)。同時也是產生自我觀念(concept of self)的地方。拉丁文Ego 翻成英文就是self。我們所認為自己擁有的自由意志也誕生於此。但是就佛洛伊德而言,自我不過是為了要完成本我的媒介,我們的種種行為不過是壓抑了的慾望的變形或重新導向。我們的興趣、我們的職志(calling),在他看來不過是轉化慾望張力造成之焦慮(anxiety)的手段。自我比本我理性也比本我實際,因為本我要求慾望的即刻滿足(pleasure principle)。但要即刻滿足慾望在現實中是不實際的,還要考量現實環境,因此自我會在外在與本我之間尋求妥協。我們可能會為了較長遠的利益而犧牲當下的快樂,作未雨綢繆的打算,因為生命的延續遠比一時的快樂重要得多,這就是自我衡量現實與需求折衷的結果(reality principle)
  除了上述兩部分,佛洛伊德認為還有一個部分與前兩者同等重要。超我(super ego),彷彿與本我相抗衡似的,包含我們的內在良知、道德感、責任感,以及追求完美。我們希望自己是好的、善的,我們希望自己不會因為追求私慾而做出某些獸行。超我一部分可以被意識到,但大部分屬於潛意識。良知到底是先天的還是後天的?佛洛伊德大約傾向前者,因為後天的良知充其量不過是一些觀念,不應被劃進潛意識。他也認為人們對於理想自我以及完美的實現也先天的追求。或許人生的意義感也是來自於超我的達成。

  然而,我不太贊同超我的觀點,我認為超我中良知(conscience)的概念應是後天教養獲得。就現實看來,道德比較像是眾人立下的不成文規範,常常因文化、族群而異。例如:吃人以及一夫多妻在中國文化中是違反良知的,但是到了某些文化中卻是可以的。良知很難與慾望抗衡,說謊或是損害他人利益應是違反良知的,但是現實中的例子比比皆是。總言之,我還沒想出一個良知是天下人共有的。我認為良知應該被劃進自我,不過是慾望為了現實而不得不如此的妥協。至於追求完美、或是愛好真善美是天生的、潛意識的我承認,但猜測也是為了某種生存目的。

意識的出現

模擬世界好比是真實世界的一面鏡子。因此在這個虛擬世界中,產生了一個自我的鏡像。當生命體發現那個鏡像就是真實世界中的我的反映的時候,牠瞭解到自己正在作模擬的思考,牠產生了意識。牠意識到自己在這個真實世界上的存在。藉由對於模擬世界的認識,他認識了真實世界;藉由認識虛擬世界中的生物是牠的替身,牠認識到牠之於真實世界的關係,牠的自我覺醒了!
自我的覺醒,或是說意識的出現,使得我們不再完全由基因控制。當生存機器有了「自我」這個概念,彷彿成為了另一個獨立自主的存在,而不只是基因的求生機器。
主觀意識的出現可以說是模擬能力演化的巔峰了。頭腦不只是負責求生機器的日常生活事物,它甚至有能力排斥基因的指令。雖然基因決定了整個生存機器努力的大方向―確保該基因的存在以及繁榮,但是細部的操作―每一秒以及下一秒要做什麼―是由神經系統控制的。基因就好像電腦下棋程式的程式設計師,設定了各種下棋規則以幫助程式贏棋,但是真正在下棋的每一步卻不是由基因控制的。基因是基本政策的決定者,腦部是執行者,但是當腦部越來越高度開發時,他們就逐漸接掌了實際政策的決定。
 這樣聽起來像是一場演化上的敗筆,生存機器竟然可以違背主人―基因―的命令?這樣鐵定對基因的非常的不利。
然而,現狀告訴我們,我們雖然具有可以反抗基因的自由意志,但是身體的基本構造還是由基因決定的。我們很難靠意志力把自己餓死、悶死、或是控制自己的性慾。另外,很多肌肉不能靠意志力控制,如心跳、反射動作等。



意識如何用物理性質表示?

身心二元論說心靈狀態對應到大腦的一個狀態,形成一個整體,但那個大腦的狀態是什麼?是神經細胞的排列組合嗎?我認為心靈狀態並非對應到一整個大腦狀態。根據神經生理學的角度,較可能的是對應到一種訊息的排列組合,猶如電腦資訊的0101110一樣。那是非物質的,但是它卻帶有訊息。這些訊息儲存了感覺、邏輯運算、判斷能力,像隻電腦程式。至於是用什麼東西儲存這些訊息,則是神經細胞的結構。日本科學家已經證明對於空間的記憶是貯存於海馬回的神經細胞上。當負責製造這些神經細胞的部位受損,實驗鼠就沒有辦法記起空間中物你的位置。
認知心理學家Paivio 提出了雙碼理論,試圖解釋生理上、物理上我們如何表徵這些心像。Paivio認為心像是類比式編碼。是我們對外在環境的刺激所形成的知識表徵的一種形式。而詞語則是符號性編碼,符號性編碼與被表徵對象不具有知覺相似性。但這還不夠解釋我們的思考單元如何在物理上表徵這些影像。
慶幸的是,對於果蠅大腦研究的進展,這個問題也將破解。
生物學觀點
   牛津大學生物學教授Richard Dawkins自私的基因一書中解釋基因是演化的基本單位,大腦器官的出現是演化學上的結果,目的是為了使得基因可以活的更好。
受過基本教育的大眾以及很多的生物學家認為,達爾文的天擇理論是發生在生命個體的層次。為了使自己的種類被保留下來,生物們會產生群體利他主義。如有性生殖是為了使物種有更多的性狀以適應多變的環境壓力、父母保護子女、動物合作、同一物種的的互不相食等。
Dawkins在這本書中告訴我們,天擇的發生事實上是在基因層次而不是物種層次。每種基因在環境壓力下競爭,而最能適應者留下。生命個體只是基因渾湯的載具、基因打造的生存機器。而有性生殖,不過是「自私」的基因複製自己的一種手段。而這種手段恰好可以適應外在的生存壓力而存在著罷了。而其他種種看似利他的個體行為其實也可以用自私的基因為了產生最多自我複製的賽局理論得到很好的解釋。基因層次的天演論比生命體的天演論來的得當因為它可以解釋生命起源,病毒,甚至是深奧的意識問題。
這種論點與個體的利他行為論有時可以推得相同的結果。現在世界上絕大多數的基因因為長久生存在求生外殼裡面,已經失去了在沒有外殼保護下的生存能力,生存機器的存亡往往就是基因的存亡。也就是個體的存亡就是基因的存亡,因此天擇才會在個體尺度上運作得如此完美。
Dawkins給基因的定義是具有長存性、複製能力、和拷貝忠實度的最大實存體。基因沒有一定的大小,但一定是染色體中的一小段。如果這段DNA可以在世代的繁衍中被保留下來,我們便稱之為基因。
要談到大腦器官的出現,我們要先談談神經系統。神經系統可以由感官接收訊息,轉化成神經系統的電脈衝訊號,在傳導至運動神經,控制肌肉的運動。這樣的反應速度比直接由基因本身控制身體快得多。因為基因訊息的傳遞還要經過蛋白質的轉譯。神精系統是高度演化的結果,適合較大型的動物在體內快速傳遞指令。隨著神經系統的高度演化,我們的大腦產生了。
神經能提供的反射性動作對動物的保命來說十分有用。另外,神經系統使得動物具有不同於植物的行為能力、使得生存機器可以飛行、爬行、游泳甚至改變外在環境。但演化到這個階段的生物還沒有思考能力。
神經系統也演化出記憶的能力。這樣的能力使的我們不僅可以對當下的刺激做出反應,也可以對過去累積的經驗做出反應。這代表我們可以累積過去的教訓,而改變自己的行為,也就是「學習」。生命體不再只能做出反射動作,甚至可以忍耐,可以壓抑本能,只為了生存下去。忍耐與壓抑有時可以帶來更多的報酬。例如費盡千辛萬苦的遷徙可以獲得更好的生存環境,或是知道哪些東西是有危險的。
感覺神經接收到訊息轉譯成神經訊息,也就是感覺,如痛覺、冷熱、軟硬等。基因透過演化出來的回饋系統,可以依外在感覺對其生存的利害釋出訊號,讓神經系統感受到痛苦、快樂,而達到制約的目的。這樣的生物,展現出具有目的性的行為。有人會誤以為表現出有目的行為的生物就可能具有意識,這是不對的。像是會下棋的電腦程式表現出能思考的行為,但是其實它並不具有思考的能力。
人的大腦在一定程度上就是基因打造的電腦程式,以幫助基因度過種種生存危機。直到意識的出現,生命體不再完全是基因的俘虜,不再僅僅是基因的求生工具。
學習可以避面犯同樣的錯誤,但是在更複雜的問題上、或是從未經驗的問題上,我們如何避免犯錯呢?為了減少犯錯而付出的代價,我們常常用電腦模擬的方式來預測種種狀況,如經濟的榮衰、作戰計畫的成敗。透過建立一個與真實世界相仿的虛擬世界,生命體可以用模型嘗試錯誤,減少了嘗試錯誤浪費的大量時間以及資源。
    我們可以想見,模擬能力對於一個生命體的成敗,扮演著多麼重要的角色,因此求生機器應當演化出這樣的功能。事實上,我們的思考能力就是在負責模擬的工作。

我們的模擬世界不會全然的與真實世界一樣,只會有那些我們認為有重大影響的事物以及性質會被納入。當我們要做一個決策時,我們就進入模擬的領域了。我們的心中會浮現出想像出來的影像,好像我們正看著它,而我們可以光用腦力操縱這個世界的事物。這個模擬,就是意識。

意識物理上如何運作?

生物學上的突破
然而,我們製造的世界的結構與大腦神經系統的結構的對應有科學證明嗎?最近台灣清華大學(本校)生物研究所的江安世教授的團隊定位了果蠅大腦的十萬個神經元,並以電腦3D呈現。他們發現,果蠅的大腦像是一個網格計算的超級電腦。果蠅大腦內的神經元有結團的現象,他們把一團神經元稱作一個local processing unit(局部運算單元),就像是電腦的處理器一樣。這些運算單元透過一種特化得軸索特別長的神經元來做長距離的資訊傳輸。 [5]
由於我們對果蠅的行為已經做了極其詳盡的研究,加上現在對每一個神經元的定位。每一個神經元就像是一個開關,我們可以一個一個的去檢驗該神經元的功能,進而得到神經元與神經元間的關係,進而得到每一個運算單元的功能。
上圖:果蠅大腦神經連結的管狀圖。在幾萬個神經元中定位的結果是有58條長距連結。左右兩側為眼睛。
中圖:真實的照片,該團隊用特殊的溶劑使果蠅外殼透明化,並用螢光蛋白質追蹤出果蠅大腦的某條神經路徑,可以看到感官受器的訊息傳道中樞時只有一條路線,因此視覺影像必定被轉換成某種編碼,而不是一整個完整圖像的切割。




左圖:果蠅頭部的的骨骼結構。
  
生物學家認為,人類的大腦的基本運算單元與果蠅的基本運算單元是相同的,都是由高密度的神經結加上長距離的連結組成。這十分合理,因為這兩種生物的腦都是為了完成差不多目的。
人的大腦與果蠅的大腦有多像?果蠅神經的六種神經傳導物與人的一模一樣,果蠅的腦也分為左右半球,神經的團簇(cluster)與團簇間透過特別的管道連結的方式也是相同的。
   經由果蠅大腦在電腦中的三維影像重建,我們甚至可以追蹤神經電壓在神經網絡中的流動,也就是資訊的流動如何造成特定的結果。生物學家未來將利用這個現象來測試他們的資訊傳出理論,甚至計算出怎樣的輸入會導致怎樣的輸出。
   因此,研究人工智慧的程式模擬的科學家Olaf Sporns 認為,未來十分有可能用電腦程式建構出一個有生命體。或是相反地,對生物大腦的研究可以給我們的網路科技、電腦科技帶來啟發。
電腦科學
江安世教授這樣形容果蠅的大腦:「果蠅大腦是由41個區域運算單元( local processing units, 58 條連結以及六個集線器(hub)所組成的。」 
果蠅大腦每個運算單元間就好像一台電腦與另外一台連線一樣。如此以來,就可以進行網格運算(gird computing),如同一台超級電腦。當然,這台超級電腦的複雜度比目前世界上所有的超級電腦都要複雜許多。
http://www.gridgain.com/images/affinity.png什麼是網格計算?網格計算是通過網際網路連結大量異構計算機(個人電腦、超級電腦、各式各樣的計算機)的未用資源(CPU周期和磁碟存儲),組成的一個計算機集群(電腦的正式名稱是計算機)。如果將全部視為一整體的話,也可以看成是一台計算機。網格計算通過網際網路的資源共享產生的強大的計算能力和數據儲存能力非目前普遍認識的超級電腦所能比擬。其設計的目標是解決對於任何單一的超級計算機來說仍然大得難以解決的問題,例如生物學的計算。
上圖:網格計算的基本概念。
根據估計在2008年底全世界在使用的電腦超過十億台,而預估在2015年會達到二十億台。如果電腦的數量是線性增加,在2011年初,全世界在使用的電腦會約是十二億八千萬台[6]。想像我們把全世界的計算機連上網路,進行網格運算。十二億八千萬台計算機的運算速度已經是無法想像的快,然而,人腦大約有一千億個神經元,每個神經元平均有一千支突觸。我們大概可以想像人腦的複雜度。
可是電腦也不是樣樣皆輸。透過光纖,網際網路資訊是以光速傳輸,而且一條光千可以同時傳播好幾個訊息。但是神經元還在使用電脈衝以及擴散傳導訊息。理論上電腦網路的速度要較快。關鍵在於傳播距離。我們的網路遍布於全世界。大腦的網路相當於有100倍數量的電腦存在於一個小玉西瓜大小的體積裡。
如果我們可以把電腦cpu做到像神經元那麼小,並且用光來傳遞訊息的話,我們理論上可以造出電子腦。
我們目前並不瞭解意識物理上如何運作,但是藉由江安世教的果蠅腦研究,我們必定可以破解其中奧秘。既然已經知道解法了,剩下的不過是計算而已。
接下來的問題應該是,神經的演算法是怎樣的?

物理學上意識存在於哪裡?

 笛卡爾可以說是最早處理意識問題的哲學家。他認為意識經驗是一些呈現於一個內在時空中的心靈圖像和知覺。而意識處在我們「看」這些心靈圖像的位置。笛卡爾認為意識既不存在於知覺中也不存在於大腦上。它存在於位於對稱大腦半球中心的腺體上。現在普遍認為該腺體是松果體(pineal gland)。他之所以這樣宣稱是因為雖然大腦的構造都是左右對稱的,但是松果體卻只有一個。一個人的靈魂既然不會是分成兩半,也不會刻意選擇哪一邊,那必定是在中間的松果體。
  然而笛卡爾的心物二元論對於靈魂、或是意識如何透過松果體操控身體卻無法解釋。而現代腦科學也發現腦左右半的功能是不同的。也就是說腦基本上不是一個對稱的器官。因此笛卡爾的這種看似理性實質主觀的推論也就不成立。雖然其後大多的哲學家如休謨、康德都不認同意識透過松果腺操控身體,但是也沒有談論意識究竟位於哪裡。
當然,就科學家的立場而言,笛卡爾的論點絕對不會成立,因為心靈不可能是獨立於物理之外的存在。而心靈也必定存在於這個物理世界某個地方。
發現DNA雙股螺旋的克里克在其1997年出版的書中驚異的假說( The Astonishing Hypothesis中論述意識的物理論。透過生物學的實驗,他認為他可以有力的提出一個假說:我們的意識、想法、情感以及自由意志不過是大量神經細胞以及相關分子系統的行為罷了。他認為這個假說將透過科學的方法在不久的將來得到驗證。
   今天哲學家以及科學家對於意識的位置有很大的歧見。甚至有哲學家如Tomas Reid 認為意識就是世界本身。並以某些科學觀點如光子、量子心靈(quantum mind)、意識的電磁理論(electromagnetic theory of consciousness)等為根基。但這些理論都沒有被證實,甚至受到質疑。然而最近,科學好像給出了答案。
  由於二十世紀末認知神經科學的進展,大腦不在只是一個黑箱,我們對於大腦的功能有了進一步的認識。我們發現大腦功能的區為化,因此意識在哪裡的問題進一步轉變成為特定的認知運作位在神經系統的哪裡。

神經科學的意識
  大腦有運動中樞,感覺中樞,視覺中樞,聽覺中樞,語言中樞,情緒中樞,記憶中樞等等,而左右大腦,不但控制對側肢體功能,也有其獨特的分工,腦的基本單位是腦細胞神經元 (Neurons) 與神經膠質 (Glia Cells)我們的想法、意識,都是發生在大腦皮質裡。然而,究竟是哪裡?我們現看看腦的構造以及功能區位。
大腦皮質(cerebral cortex):
http://brc.se.fju.edu.tw/nobelist/198x/p1981_1.files/image006.gif 
是包圍於大腦表面厚約三到四公釐的一層,就像是樹皮包著樹幹。大腦皮質有很多的折縫和迴旋,分為腦溝、腦回和腦紋。大腦皮質構成80%的人類大腦,皮質越多思考的複雜性也就越高。大腦皮質使得我們可以思考,也就是我們不像爬蟲類那樣,全部靠反射性的本能(由中腦及腦幹負責)行為。我們可以壓抑本能,如忍受飢餓、忍受痛苦,以謀求更高更遠的目標。因為大腦皮質我們獲得推論歸納、預測、並且規劃未來的能力,也就是思考的能力、懷疑的能力。自我的概念以及意識(access consciousness)必定存在於皮質中。另一方面,因為現象意識就是經驗、情緒、授納,發生在皮質之外的地方,故像是爬蟲類、魚類也具有現象意識。
  大腦:
    大腦皮質之下就是大腦,是一個在演化史上較為古老的器官。這個部位與反射動作有關,是維繫生命知所需,但是與人的智力無關。大腦的存在是意識存在的必要條件,但不是充分條件。
http://blog.udn.com/community/img/PSN_ARTICLE/hanfred/f_1033496_1.jpg用戶插入圖片
前腦frontal lobe
是大腦靠近上面和前面的區域,包涵了大腦皮質、基底核、邊緣系統、視丘以及下視丘。


邊緣系統limbic system

對情緒動機記憶學習非常重要。像是魚類以及爬蟲類的邊緣系統沒有發展,幾乎靠本能反應。
邊緣系統的發展可以壓抑本能的反應,以彈性的調整我們的行為以適應多變的環境。
海馬回:hippocampus
產生新記憶、讓我們知道事物的位置及空間關係。
似乎與意識密切關聯。
杏仁核amygdala
在情緒中扮演要要角色、杏仁核對情緒知覺有增進的作用。切除杏仁核的動物對危險沒有害怕的感覺。
下視丘:
控制物種生存的行為,如打架、進食、交配。情緒控制(快樂
對應到佛洛伊德的自我。
視丘:Thalamus
感覺傳道大腦的基本傳輸站,藉由連結到大腦的投射纖維,將訊息傳輸到大腦皮質的正確區域。
胼胝體(扣帶回)cingulate gyrus
兩個大腦半球間傳遞訊息的地方
中腦
上丘、下丘
上丘與視覺有關、下丘與聽覺有關
網狀激發系統
對於意識(睡眠警醒)、注意力、心臟呼吸功能控制非常重要
灰質、黑質、紅核
對於動作的控制很重要
後腦
小腦
溫度調節、睡眠、飲食、運動、平衡、心跳、呼吸。
腦幹

溫度調節、睡眠、飲食、運動、平衡、心跳、呼吸。
若沒有大腦皮質,只要腦幹活著,生命依然可以延續。
  
胎兒的腦部活動
 藉由正子放射斷層掃描(PET),我們可以知道胎兒的腦部活動部位。
新生兒的腦部活動限於腦幹、小腦、視丘這些皮質下的結構,表現出來的只有反射動作。在嬰兒出生兩三個月以後,幾個皮質部位的活動遽增,主管視覺的腦活動激增尤其顯著。但此時也只有知覺,而沒有意識。六到八個月後,前葉皮質的活動也上升,物種發展史上最早發展出來的區域會先啟動。
嬰兒的記憶是慢慢發展起來的,對於肌肉動作的記憶最先發展出來,然後可以記憶一些較短的情節,通常只有一到二天,但是嬰兒的記憶能力是非常有限的。大部分的人無法回憶起自己三歲之前發生的事情。
嬰兒一出生就具備固有的情緒以及理解他人情緒的本能。即使邊緣系統皮質尚未發育,嬰兒仍有豐富的情緒。這些情緒的用意與謀求食物、慰藉等需求直接關聯。當嬰兒發展出聽覺以及視覺後,它們便開始模仿他人。它的聽覺剛好適合聽到人的語調,它的嗅覺可以聞出母親的味道,而它的視覺認出那貼近的臉―父母的臉。
嬰兒的模仿可以說是自覺的開始。嬰兒才出生幾個小時就已經可以模仿各式的表情了―高興、悲傷、驚訝。畢竟嬰兒的面部肌肉再出生時已經發展完全。
這樣的模仿不只是行為上的、更是心裡上的。嬰兒看見對方高興、就會跟著咧嘴;看見對方悲傷時也會跟著撇嘴。本能上,嬰兒就具有共鳴的能力,與他人連結的能力,可以體會他人的感受。畢竟,這是生存下去的必要技能―要學會看臉色。這時的嬰兒是純粹情緒的。
在第六個月之後,嬰兒的腦前葉神經元開始大量生出樹突以及突觸,剛好呼應嬰兒智力的提高―嬰兒開始利用這些情緒知識準確的傳達出特定訊息。另外嬰兒會把糖果分給媽媽,代表同理心的產生。這是非常重要的訊息。它認出了「你」,而且做了將心比心的行為,也就是他意識到了自己。他開始會抑制自己的情緒,不再一味哭鬧。這些非本能的動作呼應了智力的提高。這說明智力一定要發展到某一個程度才有可能產生意識。而意識的出現也是隨著腦前葉的發達而漸進的,並非只是有或沒有的差別。而嬰兒的長期記憶出現時間大約在三歲半以後,而語言文法要到一歲半以後才有進步。
胎兒的腦部發育
外在世界的結構與神經系統的結構有對應關係?難道我們的腦不是早就被基因決定好了?
http://img406.imageshack.us/img406/2844/72939433sh5.jpghttp://www.hksports.net/hkpe/anatomy_physiology/images/nervous_tissue.jpg
觀察胎兒腦部的發育,我們知道嬰兒的神經細胞的確是在產前就已經在各個腦室就定位。神經元從神經上皮細胞分裂出來以後,就順著已先發展出來的神經膠質細胞(neuroglial cell)劃出來的路徑前進,像腦室外圍遷移。胎兒在第五個星期就已經發展出五個腦室,裡面充滿液體。神經膠質細胞負責供給神間元構造骨架與新陳代謝的營養。神經元的製造速度十分驚人,每分鐘要產生五十萬個。膠質細胞如同輻彀一般,是從腦室向外延伸的強壯的長條細胞。新生的神經元細胞只有一個橢圓的細胞體(尚未發展出突觸),按照各種不同的分子訊號指示,搖搖擺擺的走向正在變厚的大腦之中欲定好的區域。
 懷孕期一半的時候,大說數神經元都已經就位,腦部的構造大致底定。但是這些神經元都只是小樹苗,神經元與神經元之間的突觸都還沒有連線,所以什麼是也不能做。
腦部發育的真正要務在於突觸的形成。突觸的形成是一個持久的過程,與神經的遷移不一樣,大腦皮質裡的細胞的突觸形成不但在懷孕期進行,還持續到出生後的第一年,某些部位的突觸形成甚至延續到出生後的第二年。將近83%的樹狀突,是在嬰兒出生以後生長。
腦部線路的自然淘汰
腦部發育出來的神經原有十億個以上,要長出的突觸更多達個,眼睛視網膜裡的神經元,如何知道要掠過無數其他目標,而只把軸突延伸到腦內核心區的視丘的視覺區?聽覺神經元又如何在個觸突中找到遠方一個特定的語言區的神經觸突?這一切不可能都是由基因決定的,因為基因的所有編碼加起來也沒這麼多種。
事實上,大腦的神經發育是先天後天兼有的過程。神經元就定位之後,會長出一個軸突苗,苗梢有個變大的追形體,叫做生長錐,如同樹根的生長點,。生長錐末端生出十來條長鬚,向雷達一樣往不同方向探測化學訊號。這種化學誘引物是潛在的目標神經元釋出的,藉此吸引遠處的配對軸突,被吸引的軸突朝吸引物濃度高的地方伸長,直到觸及有相配化學特性的目標神經元為止。當一個軸突一旦完成航行之後便大量的向外生出分枝,與上百個釋出強效引誘力的目標神經元發生接觸,接觸會導致突觸形成。因此在初期的時候,線路的連接系統有許多重疊,既不精確又沒效率。這時,視丘區域的神經元、聽覺神經元、視覺神經元以及腦中其它部位的的神經元很可能都是交互連在一起的。
http://www.ag.ndsu.edu/pubs/yf/famsci/fs609-2.gif接下來就是後天、外在環境的工作了。神經系統製造了過剩的觸突,使得神經之間必須相互競爭,就像動物進化或是自由市場一樣,只留下最適任的突觸。突觸的有用程度是由電位差評定的,高度活躍的突觸會接收較多的電脈衝,也放出較多的神經傳導物質,對其他的突觸的引誘訊號也較強。較小的突觸在沒有使用的情況下會慢慢退化。其實,幼童直到青春期這個過程每天大約有兩百億個腦神經細胞在死亡,代表這段時間是我們感受性、想像力、創造力、語言、推理形塑的關鍵時期。這樣的重整化、精簡化使得思考更有效率。因此,我們可以說們的智力就存在於這些強化後的神經的結構。
左圖:
不同年齡時腦部突觸的密度。可以看到突觸是出生後大量生長,而經由外在環境造成內部神經的競爭條件。青少年時期,不需要的突觸退化,需要的突觸強化,使得思考更有效率。
 環境刺激大腦發育
另外一個支持外在環境會影響內在結構的證據是對老鼠的實驗。
 
實驗室的老鼠分別安置在「強化」的環境以及「貧瘠」的環境中。強化的環境是寬敞的空間以及幾群老鼠共處,貧瘠的環境則是一隻老鼠單獨關在狹小陰暗的籠子裡。研究者發現前者之中的老鼠腦部重量較中且大腦皮質較厚。皮質較厚是因為神經元較大、樹突較多、突觸也較多。換言之,前者得到的感官刺激以及社會刺激,促進了腦內的網路連接。

總括來說,這證明外在世界的結構決定了神經控制系統的結構。而神經系統的結構就是我們的智力、我們的意識。然而這一切,全部都逃不出達爾文演化論的控制。這個就是我給物理論的心靈難題的解釋。