头脑可塑性
头脑可塑性
图.. 9.15突触结和树突柱。树突柱的长大和缩小很容易影响结的效果。
根据长效记忆如何记录的主导理论之一，突触连接的这种变化正是提
供储存必要信息的方法。如果真如此，那么我们就看到，头脑可塑性不仅
是偶发的复杂性，而且是头脑活动的主要特征。
这些连续变化的基础机制是什么呢？这些变化可进行得多快？第二个
问题的答案似乎很有争议，但是至少有一学派坚持可在几秒钟内进行这种
变化。如果永久记忆的储存归功于这种变化，那是可以预料到的，因为记
忆的记录确实是在几秒钟之内的事（参阅肯达尔.. 1976）。这对于我们下面
的讨论有重大的含意。在下一章我们将回到这个重要的问题上来。
什么是头脑可塑性的基础机制呢？有一种天才理论（归功于道纳尔
德·赫伯1954）提出，具有如下性质的某些突触（现在称作“赫伯突触”）：
每当神经元.. A激发后跟着神经元 B亦激发，在这两个神经元之间的赫伯突
触就会被加强，否则就会被减弱。这和赫伯突触本身是否影响到.. B的激发
没有关系。这引起了某种形式的“学习”。基于这种理论，出现了各种试
图模拟一个学习/解决问题的活动的数学模型。这些被称为神经网络。这
类模型似乎的确具有某些基本的学习能力，但迄今它们离开头脑的实际模
型还遥远得很。不管怎么说，控制突触联结变化的机制很可能比已经提及
的机制更复杂，这很明显需要我们去更深入理解。
与突触结释放神经传递物相关的还有另一方面。这些释放有时根本不
发生在突触裂，而是进入一般的细胞之间的液体，也许是为了影响非常远
处的其他神经元。许多不同的神经化学物质似乎是以这种方式发射出来。
而且有些记忆理论和我在前面指出的不同，这些理论依赖于不同种类可能
涉及的化学物质。头脑状态肯定以一般方式受头脑其他部分产生而存在的
化学物质（譬如荷尔蒙）的影响。神经化学的整个问题是复杂的，提供涵
盖所有有关方面的可靠而精细的电脑模拟将是非常困难的。
并行电脑和意识的“一性”
并行电脑和意识的“一性”
在这里必须说明两点。首先，并行和串行电脑在原则上没有什么不
同。事实上两者皆为图灵机（参阅第二章
52页）。不同处只在于整个计
算的效率或速度。有些类型的计算用并行组织的确更有效率，但并不总是
这样。第二点，至少我自己的意见是，并行经典计算不可能掌握我们意识
思维的关键。意识思维的一个显著特征是它的“一性”（至少当一个人处
于正常心理状态，而且不是“头脑分裂”手术的患者时！），这和同时进
行大量独立活动成显明对比。
类似“你怎么能期望我同时想两件事情呢？”的抱怨乃是司空见惯的
事。一个人的意识究竟能同时进行许多不同的思考吗？也许有人能同时进
行一些思考，但是与其说像是同时、有意识地、独立地实际思考不同的题
目，不如说像是在这些题目之间跳来跳去。如果一个人在意识中完全独立
地想两件事，甚至那怕是在短暂的时间里，则就似乎具有两个分开的意
识。而对于正常人而言，所能体验到的是一个单独的意识，该意识可以模
糊地知悉许多事，但是在任一个时刻只能集中于一件特定的事情。
当然，我们这里所说的“一件事”的含义一点也不清楚。在下一章我
们将在彭加莱和莫扎特灵感中遇到一些“单独思想”的非常显著的例子。
但是，为了辨识一个人在任何时刻都可能有非常复杂的意识，我们不必舍
近求远。例如，想象一个人决定晚饭要吃什么。这样一个意识思维之中牵
涉到大量信息，而且要用相当长的言语才能完全描述清楚。
对我来说，这种意识认知的“一性”似乎和并行电脑图像相去甚远。
另一方面，那个图像也许更合适作为头脑无意识行为的模型。不同的独立
动作——散步、扣钮扣、呼吸或者甚至讲话可同时多多少少自动地进行，
人们不必在意识上感觉到任何动作在进行！
另一方面，我认为在意识的“一性”和量子平行主义之间可以想见具
有某种关系。我们记得量子理论中，在量子程度上允许不同选择在线性叠
加中共存！这样子，一个单独的量子态在原则上可由大量不同的、而且同
时发生的活动组成。这就是所谓的量子平行主义。我们很快就要考虑“量
子电脑”的理论观念，这样的量子平行主义在原则上可用于同时进行大量
的计算。如果意识的“心理状态”在某种形式上和量子态同类，那么思维
中某种形式的“一性”或整体性对量子电脑就比对普通并行电脑更为适合。
这个观念中有一些方面引人注意，我在下一章再回到这上面来。但是在认
真接纳这个思想之前，我们必须提出以下问题，就是量子效应究竟和头脑
活动有何相关。
量子力学在头脑活动中有作用吗？
量子力学在头脑活动中有作用吗？
事实上，至少在一个明显的地方，单量子水平的作用对于神经活动很
重要，这就是视网膜。（我们记得视网膜事实上是头脑的一部分！）以蟾
蜍做的实验显示，在适当条件下，一颗单独光子打到已适应黑暗的视网膜
上就足以触发一个宏观的神经讯号（贝勒、兰姆和邱
1979）。这也适用于
人眼（赫希特、施劳尔和皮莲逊
1941），但是在此情况下还存在额外的压
抑这种弱信号的机制，使得它们不会由于太多的视觉“噪音”而混淆了感
觉到的视像。为了能使已适应黑暗的人实际上得知光子的来临，大约需要
七颗光子的组合的信号。尽管如此，对单光子敏感的细胞的确存在于人类
的视网膜中。
既然在人体中存在单量子的情况下就能触发的神经元，寻找人脑主要
部分何处能发现这类细胞就是很合理的了，据我所知，对此还未找到证据。
所有考察过的细胞类型都有一个临界值，要激发该细胞就得需要大量的量
子。然而人们猜测，在头脑的某一深处可望找到对单量子灵敏的细胞。如
果证明情形的确如此，则量子力学对头脑活动的意义就非常重大。
即便如此，在这里量子力学还不显得非常有用。这是由于量子只是一
种用来激发信号的手段。没有得到量子特有的干涉效应。我们从这些得到
的，最多似乎只是确定一个神经元是否会激发，这很难看出对我们有多大
用处。
然而，这里牵涉到的问题不是那么简单。让我们重新考虑视网膜。假
定从一半镀银的一面镜子反射来一颗光子到达视网膜。它的状态涉及以下
状况的复线性叠加：光子打到视网膜细胞和光子没打到视网膜细胞，譬如
穿过窗户飞到空中去（参阅图
6.17第
292页）。到达它可以打到视网膜
的时刻，只要量子理论的线性规则
U（也就是薛定谔态矢量演化，参阅
287
页）成立，则我们就能得到有神经讯号和没有神经讯号的复线性叠加。当
它作用到主体的意识上时，两个不同选择中只有一个被感知发生，这时另
一个量子步骤
R（态矢量减缩，参见
287页）应该起了作用。（我在此不
理会多世界观点，它本身有许多问题！参阅
341页。）连同上一章结尾触
及的考虑，我们应该问，讯号的通过是否扰动了足够的物质，达到那一章
的单引力子水平。虽然把光子能量转变成实在讯号中的物质运动时，视网
膜的放大效应真是令人印象深刻——运动质量的放大也许达到
10
20倍——
但这个质量仍比普郎克质量
m
p小许多数量级（譬如大约为
10
8）。然而，
一个神经讯号在它周围产生了可以探测得到变化的电场（一个以神经为
轴，沿着神经运动的圆环形电场）。这场会显著地扰动周围环境，单引力
子标准在这些环境中可容易地达到。这样，按照我提出的观点，R过程在
我们感知或没有感知闪光之前早就已经进行过了。由此观之，我们的意识
对于态矢量缩减不是必要的！
量子电脑
量子电脑
章
168页），然后看看是否和这里的讨论有相关之处。
正如前面指出的，其基本概念是利用量子平行主义。根据这个原理，
两个完全不同的事情应当被认为在量子线性叠加中同时发生。正如光子被
半面镀银的镜子反射，同时光子又穿过镜子或者是通过两个缝隙中的每一
个。对于量子电脑，这两个叠加的不同情况就是两个不同的计算。我们对
两个计算的答案不感兴趣，而是对利用从这对叠加抽取出的部分资料感兴
趣。最后，当两个计算都完成时，对这些计算进行适当的“观察”以得到
必须的答案
9。仪器用这种同时进行两个计算的办法来节约时间！迄今这
个方法并没获得什么重大好处，这是因为可以想见利用一对分开并行的经
典电脑（或一台单独的经典并行电脑）比用量子电脑更直截了当得多。然
而，量子电脑可能要到需要非常大量的（也许是无限大的数目）并行计算
时才会有真正的好处。我们对个别计算的答案不感兴趣，而对所有答案适
当的组合感兴趣。
量子电脑的建造在细节上会涉及量子形式的逻辑门，其输出为应用在
输入上某个“么正运算”的结果。这是
U作用的一种情形，而电脑所有的
运行就是
U过程进行到最后阶段，直到最后的“观察行为”
R为止。
根据德义奇的分析，量子电脑不能用来进行非算法的运算（也就是超
越图灵机功能的事）。但是在非常巧妙的设计情形下，在复杂性理论意义
来说（参阅
162页），它能比标准的图灵机获得更大的速度。对于这么杰
出的设想，目前的结果仍有点令人失望，但是这有点言之过早。
量子电脑和包含极多数目单量子敏感神经元的头脑，两者行为会有如
何关系呢？这个类比的主要的问题是量子效应在“噪音”中很快就消失了
——头脑太“热”不能在足够长的时间内维持量子相干性（就是通常可以
用
U的连续作用有效地描述的行为）。以我的术语，这表明连续达到单引
力子的水平，使得
R作用持续不断地进行，其间穿插着
U演化。
我们期望量子力学对了解头脑有所帮助，但目前看来希望并不大。也
许我们注定只是电脑而已！我个人不这么认为。但是如果我们要找到答案，
就必须要更深入地思考。
超越量子理论？
超越量子理论？
为
R
作用提供一个和意识完全无关的判据（“单引力子水平”），如果类似的
判据能发展成完全连贯的理论，那就出现一个用量子描述头脑的方法，比
迄今存在的描述都更清楚明白。
然而，我相信不仅在我们试图描述头脑行为时才引起这些基本问题，
数字电脑本身的作用必须依赖量子效应。依我的看法，这些效应并没有完
全摆脱量子理论根本的困难。这种“必须的”量子依赖性是什么呢？为了
理解量子力学在数字电脑中的作用，我们首先必须问，如何使完全经典的
物体能像数字电脑那样行为。我们在第五章考虑了弗列得钦—托弗里经典
的“撞球电脑”（参阅
197页）；但是我们还注意到这个理论“仪器”有
赖于某种理想化，这种理想化回避了经典系统中固有的不稳定性问题。这
个不稳定性问题可在相空间中被描述成随着时间演化的弥散（第
209页图
5.14），导致经典仪器运作的准确性几乎不可避免地连续损失。能终止这
种准确性降级的最终是量子力学，现代电子电脑分立态的存在是必须的
（譬如以数字
0和
1来编码），这使得电脑处于此态或彼态一清二楚。这
是电脑操作的“数字”性质的要素。这种分立性最终有赖于量子力学。（我
们还记得能级、谱频率、自旋等等的量子分立性，参阅第六章。）甚至老
的机械计算仪器也依赖于不同零件的坚固性，而坚固性实际上也有赖于量
子理论的分立性
10。
但是，不仅从
U的作用才能得到量子的分立性。其实，薛定谔方程在
防止不想要的弥散和“精度损失”方面比经典物理方程更糟！根据
U的时
间演化，一个单粒子原先空间定位的波函数会散开到越来越广的范围去（参
阅
289页）。如果不是
R的作用时时发生的话，更复杂系统有时也遭受到
这种不合情理的无定域性（回忆薛定谔猫的例子！）。（例如，原子之分
立态具有确定的能量、动量和总角动量。一般“散开”的态是这种分立态
的叠加。正是
R的作用在某阶段使原子实际“成为”这些分立态之一。）
我认为，经典力学不能解释我们思考的方式。如果没有一些根本改变
使
R成为“实在”过程，连量子力学也不能解释。也许连电脑的数字行为
都需要对
U和
R之间相互关系有更深入的理解。至少我们知道电脑（由于
我们的设计！）的行为是算法的，而且我们不想采用任何物理定律中推想
出来的非算法行为。但是，我坚持头脑及思维的情形是非常不同的。在（意
识）思考过程中包含非算法的要素是说得通的。我在下一章将探讨我相信
有这种要素的理由，以及猜测究竟是什么了不起的物理效应构成影响头脑
行为的“意识”。
识）思考过程中包含非算法的要素是说得通的。我在下一章将探讨我相信
有这种要素的理由，以及猜测究竟是什么了不起的物理效应构成影响头脑
行为的“意识”。
1．在一次英国广播公司的演讲；见霍奇（1983）419页。
2．第一次这类实验是对猫进行的（参考梅厄和斯帕雷
1953）。有关
头脑分裂实验的进一步情形，见斯帕雷（1966），伽桑尼伽（1970），马
凯（1987）。
3．关于视觉皮层功能研究的可读文献，见胡帕勒（1988）。
4．见胡帕勒（1988）221页。更早的实验曾记录到只对一只手的图像
有感应的细胞。
5．现在已确立的理论认为神经系统由分开的个别细胞（即神经元）组
成，它是由伟大的西班牙神经解剖学家拉蒙·卡雅勒在
1900年左右大力倡
导。
6．事实上，所有的逻辑门都可仅仅由“～”和“＆”构成（甚至只
要从一个运算～（A＆B）就够了）。
7．事实上，利用逻辑门比利用第二章内详细考察的图灵机更接近于制
造电子电脑。那一章强调图灵方式是基于理论上的原因。杰出的匈牙利/
美国数学家约翰·冯·诺依曼和阿伦·图灵的研究对实际电脑的发展的贡
献可谓旗鼓相当。
8．这些比较在许多方面是误导的。电脑中绝大多数晶体管和“记忆”
而不是和逻辑运算有关。而且，电脑记忆总是可以从外界在本质上无限地
扩展。随着平行运算的增加，比现在正常情形下更多的晶体管可直接涉及
逻辑运算。
9．在德义奇的描述中喜欢用量子理论“多世界”观点。但是要紧的是
要明白，了解采取什么观点不是主要的。不管人们采用哪一种标准量子力
学观点，量子电脑的概念一样合适。
10．如果允许“经典”构件为整个齿轮、轴等等，则这个评论不适用。
我在这里是取通常的（例如，点状或球状的）粒子为构件。
第十章精神物理的寻求
精神是做什么的？
精神是做什么的？
在以这种方式表达该问题时，涉及到几个隐含的假设。首先，有人相
信意识实际上是一种可以科学描述的“东西”。这里假定这个“东西”实
际上“会做一些事情”，而且其作为对拥有它的生物有助，所以其他没有
意识的同等生物行为就不是那么有效。另一方面，人们也许相信，意识只
不过是在足够复杂的控制系统中被动的伴随，而它自身实际上并无任何作
为。（例如，强人工智能支持者就采取这种观点。）另外的看法是，在意
识现象中或许存在某种神圣或神秘的目的，可能是还未被我们揭示的目
的。仅仅按照自然选择的思想去讨论这个现象会完全忽视这个“目的”。
我的思考方式有点倾向于这种论证的更科学的形式，即是所谓的人择原
理。该原理断言，我们存在其中的宇宙的性质受到如下强烈的限制，即必
须存在像我们这样有知觉的生物以便对它进行观察。（在第八章
410页已
经稍微提到了这个原理，下面还要进一步讨论。）
我将依序讨论这些问题的大部分。但是，我们首先应该注意到，“精
神”这个术语在我们提及“精神—身体”问题时也许有点误导。人们经常
讲到“无意识的头脑（精神）”。这表明我们认为“精神”和“意识”两
个术语不是同义词。也许当我们提到无意识的精神时，我们有个模糊印象
认为“后面有人”在幕后活动，但他通常不直接触及我们的感知“也许除
在睡梦、幻觉、着迷或佛洛伊德事故以外）。也许无意识的精神实际上自
己有知觉，但是在正常情况下这知觉和平常我们所指头脑中“我”的那部
分完全分离。
这也许不像初看起来那么强词夺理。某些实验指出，甚至病人在全麻
醉状态下被动手术时，还存在某种“知觉”。例如，当时进行的谈话会在
以后“无意识地”影响病人，以后在催眠下有时能回忆起这些谈话，如同
当时实际“体验到”似的。此外，被催眠暗示阻挡于意识外的知觉在进一
步催眠之后可以当做好像“体验过的”被回忆起来，但似乎是“处于不同
的意识轨道上”（参阅奥克利和伊蒙斯
1985）。尽管我猜想，赋予无意识
精神任何通常的“知觉”是不正确的，我对这些问题一点也不清楚，而且
我也不想在这里讨论这些猜测。尽管如此，在意识和无意识的精神之间进
行划分，肯定是一个既微妙又复杂的问题，我们以后还要涉及。
我也不想在这里讨论这些猜测。尽管如此，在意识和无意识的精神之间进
行划分，肯定是一个既微妙又复杂的问题，我们以后还要涉及。
还有一个问题就是“智慧”这个术语表明什么。毕竟是人工智能专家
要关心的是智慧，而不是更模糊的“意识”的问题。阿伦·图灵（1950）
在其著名的论文中（参阅第一章第
5页）没有这么直接地提到“意识”，
但是提到了“思维”并且在标题上用“智慧”这个词。依我自己看待事物
的方法，智慧的问题属于意识的问题范围内。我相信，如果没有意识相伴
随，真正的智慧是不会呈现的。另一方面，如果人工智能专家最终能模拟
不存在意识的智慧，则在定义术语“智慧”时应该包括这种模拟智慧才会
令人满意。在这情形下我真正关心的不是“智慧”问题。我首先要关心的
是“意识”。
当我断言自己相信真正的智慧需要意识时（由于我不相信强人工智能
的只要制定一个算法即能召唤起意识的论点），根据我们现在术语的意义，
我的意见暗示智慧不能用算法的方法，也就是电脑，正确地模拟智慧。（参
见第一章关于图灵机的讨论。）因为我很快就要有力地论证（特别是参看
第
480页以下三节有关数学思维的讨论），在意识行为中必须有本质的非
算法成份。
下面让我们讨论，某种有意识的东西和另一种在其他方面都“等效”
而无意识的东西是否有操作上的差异。某些意识的物体永远会呈现它的存
在吗？我想，对这个问题必须回答“是”。然而，因为对动物王国中何者
有意识完全缺乏共识，所以我的信念几乎得不到任何赞同。有些人根本不
允许非人类动物拥有意识（还有人甚至不允许早于公元前一千年左右的人
类拥有意识，参阅琼恩斯
1980），而另外的人则赋予昆虫、蛆虫甚至砖头
意识！至于我自己则怀疑蛆虫或昆虫会有、而岩石肯定不会具备这种品质。
但是，一般来讲，我觉得哺乳动物真的具有一些知觉。我们由缺乏共识至
少可以推论，没有一般可以接受的呈现意识的标准。不过仍然可能存在一
种意识行为的标志，只是还没被普遍承认而已。尽管如此，这也只是标明
意识的主动作用。若没有相关活动的对象，很难看出何以直接确定知觉的
存在。这是从以下悲惨的事实中得知的。在本世纪四十年代，对年幼孩子
动手术时用箭毒来进行“麻醉”，而箭毒的实际效用是麻痹肌肉上的运动
神经，所以这些不幸的孩子实际经历了在当时外科医生不可能知道的灾难
（参阅德涅特
1978，209页）。
让我们转向意识可能具有的主动作用。意识有时候的确能够具有操作
上辨别得出的主动作用，但必须如此吗？我相信这种说法的原因有点与众
不同。首先，利用我们的“常识”，我们经常觉得能直接知觉到他人实际
上有意识。那个印象不太可能会错①。虽然有时候一个有意识的人（正如受
了箭毒的小孩）看起来不明显，但是一个无意识的人更不可能显得有意识！
所以必须有一种行为模式作为意识的特征（尽管不一定被意识所证实），
而我们可以通过自己的“常识直觉”可以敏锐地感觉到它。
第二点，考虑到自然选择的无情过程。正如我们在上一章所看到的，
意识不能通达至头脑所有的活动。的确，“较老的”小脑中神经元的局部
密度极大，小脑似乎进行着意识根本不直接参与的非常复杂的行为。然而
大自然已经选择演化像我们这样有知觉的生物，而不愿演化利用完全无意
识的控制机制来指示行为的生物。如果意识没有选择的目的，而像小脑这
样没有知觉的“自动”头脑似乎也能达到目的时，大自然为何要这么不厌
其烦地去演化意识的头脑呢？
此外，有一个简单的“底线”原因令人相信意识必须具备某种主动效
应，即使这效应不是一种选择优势。否则为什么像我们这样的生物有时候，
尤其是在探索此事时，会被“自我”的问题所烦恼呢？（我可以说：“你
为何在读这一章？”或者“为什么起先我会有强烈欲望要写这本论题著
作”？）很难想象一台毫无意识的自动机会为这类想法而浪费时间。另一
