动物有意识吗?脑科学作了这些研究与回答

近些年,现代神经科学和脑科学的发展迅速,用于研究人和动物意识功能的新技术和策略被开发出来,意识研究领域取得了前所未有的成果。基于此,2012年剑桥宣言的签发,成为研究动物意识问题历史上的一个重要转折点,它用明确语言表述,非人动物同样也具有与人类相类似的意识状态。动物与人一样能感知,能感到痛痒,有情感上的反应。随着越来越多实验结果的获得,动物也具有意识的观点,将会得到越来越多的证实。

本文为“动物有意识吗?”系列文章之二,为动物意识相关的脑科学研究的漫谈。

撰文 汪云九(中国科学院生物物理研究所脑和认知科学国家重点实验室)

意识的结构基础

绝大多数民众和科学家都认为情感、智能和意识是动物的精神产物,那么动物的意识问题就变成了人脑与其他动物之间的差别问题了。

直观上考虑,第一个反应就认为人脑比其他动物的脑都要大且重。脑科学资料告诉我们的确如此。但是从脑重的绝对值来说,大象的脑重4000g,而人脑只有1300g。于是,马上有人认为脑重的绝对性不能说明问题,应当相对于体重来比较。人的脑/体比为1/50,但是脑/体比在某些鸟类和小型哺乳类中的比值,远大于人的脑/体比,例如:麻雀为1/34,小白鼠为1/12.8,而有的鸟类为1/12,所以在整个动物界中,人的脑/体比不算最高。

脑科学中又想出一个指标,称为大脑指数K,它是由脑重c和体重p按下列公式算出:K=c/(2p/3)。该公式中2p/3相当于身体的表面积,那么K意味着可用于认知功能的大脑体积。表1列出几种动物和人的K值,其中人的K值位列榜首。

脑科学告诉我们,从个体发育和系统进化角度来说,人的大脑由三大部分组成,旧皮质(paleocortex)、古皮质(archicortex)和新皮质(neocortex)。旧皮质发生最早,然后是古皮质,最后才是新皮质。在人的大脑中,新皮质异常发达,覆盖了前二个皮质。旧皮质已见于蛇、鳄、蛙等爬行类动物,故又称爬虫脑。古皮质亦已见于鼠、猫等哺乳动物,又称哺乳类脑。新皮质在高等哺乳动物中得到高度发展,在人的脑中几乎占绝对大的比重。几种动物和人脑中各类皮质的比例列在表2中。

可见,人脑是除海豚以外所有动物中新皮质占首位的。这里必须再提一下海豚,海豚大脑重达1600g,其中是新皮质成分唯一超过人脑的动物,而且皱折也很多(图1)。动物学家认为海豚智力不亚于人类。美国和俄国各自训练了一支海豚突击队,执行海上侦察、起雷、暗杀等任务。

意识与脑功能

从脑功能的三个方面(情、智、意)考虑,情感系统在进化过程中没有太大的变化,只是更复杂、更细致、更细腻而已。人脑中杏仁核,边缘系统负责情感反应,新皮质主要起抑制作用。去皮质的猫仍旧有些龇牙咆哮等愤怒攻击反应。人脑新皮质的高度发展,与人的智能高度发展是平行相关的。

从进化角度考虑,爬虫脑(或脑干)在2.5亿年前就停止进化,所以人的脑与现有爬虫类没有太大不同,控制着个体的心率、呼吸、攻击、躲避等行为。它不会从经验中学习变化,不受意识控制,只有刻板式反应。哺乳脑则在五千万年前停止进化,人的哺乳脑与所有哺乳动物一样,负责感觉、情感活动,包括玩乐、母性等爬虫类动物没有的行为。从意识角度考虑,属于潜意识范围,但又是动物本身的价值系统,它与情绪有联系[1,2,3]

鸟类却是个例外,也许它位于进化树上另外一枝的顶端。它没有新皮质,却有很高的脑体比,小脑和脑干高度发展,掌握着飞行的复杂技巧。鸟类情感系统也高度发展,鸟类情感世界中正面情感大大超过负面情感。莺歌燕舞的生活欢乐又简单。在天愿作比翼鸟,雌雄鸟之间的情爱也常被人颂扬。元朝诗人元好问,16岁时(1205年)赴并州(今太原)科举考试,途遇捕雁者,正收网捕雁,获雁一对,一只被杀死,另一只脱网逃脱,逃脱者并不飞远,只在上空盘旋哀鸣,后来竟投地而死。元好问为之感动,买下两只雁,将其埋葬在河边,垒上石块作为记号,称为“雁丘”,并作词一首,记录于下。

摸鱼儿·雁丘词(上半阙)

问世间,情为何物,直教生死相许?天南地北双飞客,老翅几回寒暑。欢乐趣,离别苦,就中更有痴儿女。君应有语,渺万里层云,千山暮雪,只影向谁去?

美国的一位研究动物认知的科学家Irene Pepperberg,多年来一直研究绿鹦鹉的认知功能。她养的一只绿鹦鹉叫Alex,在学界很有名气。她在Alex身上做的实验写成了两本书Alex and Me(Harper Collins US,2009)和The Alex Studies: Cognitive and Communicative Abilities of Grey Parrots。书中描述了绿鹦鹉的学习过程,Irene拿一块糖果给它看,问:“这是什么?”助手在一旁显示糖果一词,然后再问这是什么,如果说对就给予奖励,让它玩一会糖果。开始学习进展十分缓慢,后来就越来越快了。最后,绿鹦鹉可识别分类50个对象,7种颜色,5种形状,计数到6个,有大小、多少的概念,其智力与幼儿和灵长类动物相比毫不逊色。绿鹦鹉在实验室活了19年,临死前最后一句话是“you be good, I love you”。

行为学研究表明,像绿鹦鹉这样的鸟类能学习人类语言,而且对学习的语句有一定的理解能力。此外,鸟类还可以使用工具从树洞中勾取虫子,有的鸟会欺骗同类,有的鸟能通过简单的心理测试,例如延迟匹配测试。

《动物有意识吗?》一书认为,同情心应当作为有意识的一种表现,因为只有能设身处地考虑对方的感受,才能产生同情心[4]。该书记载了安妮拉莎在肯尼亚沙漠观察到的某一情景。一只小猫鼬在战斗中负伤,不能用前爪抓东西,走路一瘸一拐,也不能捕食,日见衰弱。这时其他猫鼬开始把捕到的小虫子与它共享,帮它舔擦皮毛,清洁卫生。最后小猫鼬气息奄奄,别的猫鼬依偎在它周围。小猫鼬死去后,它们仍守护了几天才散去恢复正常生活。猫鼬在动物进化树中并非最高端,它们属于灵猫科,就已有同情怜悯之心,着实令人惊异。

心理学家设计了一种所谓“镜像测试”来鉴别动物是否有意识。这种测试非常简单,只要把动物放在一面大镜子前面,看它能不能认出镜像是它自己。黑猩猩能通过镜像测试,动物学家认为它们具有自我意识,并且观察到猩猩会说谎、欺骗,甚至搞点恶作剧和小阴谋,来愚弄饲养员。

人类的语言是因为人类有发声器官、接收器官和语言皮质,利用空气作为媒介,传递信息。人的肢体动作也可以传递信息。猴子和猩猩没有语言能力,不会使用语言表达心灵感受,科学家想出办法来与他们“对话”,取得了相当惊人的成效。有的科学家用手势动作与它们交流。有的干脆用美国哑语与它们交谈。最有兴趣的是使用键盘语言与它对话,键盘上有200多个按键,每个按键上印有不同的几何图案,一个图案代表一个单词或数字。侏儒黑猩猩的康兹(图2)很快学会了使用这套语言“系统”(这套系统是在美国亚特兰大叶科灵长类动物研究中心开发的,也称“叶科”语言)与人对话和表达需求。

如你问它:你感觉怎么样?它根据情况回答“好”“饿”或者“渴”。又如,它看到同伴被关在笼子里而难过得哭泣。这时问它,你同伴感觉怎么样?它会回答:“感觉—难过—外面。”科学家还进行过一次测试,考察它与小女孩的语言能力。例如:“把黄瓜放在碗里”或“把胡萝卜从微波炉里拿出来”等等一共600个句子,康兹与小女孩在两岁时打了个平手,到两岁半时小女孩略胜一筹。可见,猩猩会使用“特殊语言”造句遣词,形成概念,表达需求,也能理解别人的感情状况,因此,可以毫不夸张地说,猩猩有一定程度的意识水平。

现代科学技术对动物意识的综合研究

Edelman和Seth于2009在Trends in Neuroscience上发表论文[5],提出用综合途径(synthetic approach)研究动物的意识问题,以人的意识研究为标杆,用现代科学技术为手段,对动物的意识现象从神经生理学、行为学和神经解剖学等途径进行综合研究。他们的研究表明动物具备起码的原始意识(primary consciousness)。

他们选取了两种不同种类的动物:鸟类和头足类(章鱼)作为范例,解释如何进行研究(图3)。从进化角度考虑,这两类动物并不在同一进化树的分枝上,更不在同一进化水平上,但它们都有复杂的意识相关的神经(neural correlates of consciousness)活动,即伴随意识活动的脑区和相关神经核团产生兴奋等生理变化。例如:人在觉醒状态时出现丘脑—皮质间讯号,EEG(脑电图)呈现快速无规则低幅波,伴有与意识内容有关的泛皮层活动等。这些用于研究人的意识的方法和指标,可以用来研究鸟类和章鱼的意识现象。

现代神经解剖学和生理学发现,鸟类的神经结构类似于哺乳动物的脑结构(图4)。鸟禽的发声涉及前脑(X区,包括基底神经节及纹狀核),此处神经结构与哺乳动物的神经结构十分类似。有一点差别是,哺乳动物纹状区中的四类神经细胞在鸟类中都可以找到,而鸟类还有一类细胞却是哺乳类动物所没有的。这些结果表明,用于发音的中枢神经结构在鸟类和哺乳动物中基本上是相似的。

《动物有意识吗?》一书中讲述了一个故事[4]:意大利那不勒斯动物实验室养着一只章鱼,每天早晨有一位试验员穿着白大褂去喂养章鱼,章鱼总会游过来迎接他。后来他想可能白大褂是章鱼识别他的标志。于是他脱下白大褂去喂食,章鱼仍旧出来迎接。后来他叫别人穿上白大褂去喂食,章鱼却没有反应。看来章鱼是利用它异常发达的眼睛和头脑来识别人脸的。人脸识别是相当复杂的认知能力,位于进化树底层的章鱼能具备如此高级的认知能力,是十分令人惊奇的。

章鱼的进化地位虽低,但是它的脑子巨大,眼睛类似人的单眼,还有感知丰富的八只触手。章鱼的感觉细胞和神经细胞有1.7亿~5亿个之多。章鱼十分聪明,常常被科学家用来做实验。乌贼脑中已区分出30个神经核团,其中视核包含六千五百万个神经元,视核的功能不仅与视觉识别有关,而且还参与运动控制和记忆功能。某些核团的功能类似于脊椎动物前脑的功能。章鱼运动控制系统中,有一种平行的分布式网络存在。章鱼使用的神经递质与哺乳动物是完全一样的。生理学家还记录到章鱼的EEG(脑电)图以及事件相关电位,这是清醒的脊椎动物才有的。章鱼EEG比之人的EEG,振幅略小,也是快速无规律的活动。

值得一提的是,庄子的鱼之乐的问题是认识论哲学史上一个著名论题,它的核心在于人与动物之间难于交流和理解,其实这种困难不仅存在人与动物之间,人与人之间、男人与女人之间、正常人与盲人、正常人与聋哑人之间也都存在这种困难。仅用思辨的方法是无法解答的,但是神经科学发展到今日,谜底逐渐接近揭晓。人类的下丘脑是情绪控制中心,用电极插到腹侧被盖区和隔核部位,可以产生快乐的情绪反应,分泌更多的多巴胺神经递质。在老鼠脑中相应部位埋入电极,按动按钮给电极通电后,可使老鼠感到快乐,导致老鼠不停地按动电钮,直至精疲力竭而亡。如果用现代技术实时监测鱼脑内多巴胺递质的多少,是否就可以判断游鱼是快乐还是痛苦呢?这或许可以回答庄子的问题吧!

意识有高低贵贱吗

蒋志刚在“关于动物意识的难题”一文中认为[7]:意识属于永远无法来回答的问题,认为目前意识基本上还是不可探索的。这些论点在笔者看来过于片面和悲观。上文中己经列出许多事例证明动物是有意识的。本文中介绍了Edelman& Seth的研究框架,说明不仅高等动物,即使像鸟类及章鱼这样比较低等动物身上,从神经生理学和神经解剖学角度研究,也证明它们具备人类那样的神经结构和反应。虽然Edelman与Seth认为它们只具备原始(primary)的意识。但笔者认为,动物具有各自特有的意识,对于意识而言无法区别优劣和高低。

达尔文在论及情感问题时,认为情感问题上无法划出区分高低级的清晰界线。同样,意识问题比之情感问题包含更多的内容。设想二维空间内有二个点A(x1,y1)和B(x2,y2),如果x1>x2,y1

笔者认为,动物生活在它们自己的感觉世界之中,许多动物具有有别于人类的感觉器官,从而生成有别于人类的“主观世界”。动物也有不同于人类的感情世界,但是人的表情肌肉远较它们丰富,再加语言文字的帮助,使得人类的情感世界较动物更丰富和细腻。语言和文字是人类特有的社会生活的信息传递工具,从而使得人类在智能方面大大超越其他动物。但是从生存技巧上考虑,人类在许多方面不及其他动物。因此,笔者认为,动物与人类的意识状态处于不同的维度上,各自生活在自己的主观世界之中,不存在优劣贵贱。

*注:新研究成果表明,人脑在大脑皮层的细胞数量多于其他所有动物,脑整体大于人的几种动物,它们的大脑皮层细胞也少于人类。


下载:

分享:

Copyright © 2015 云睿智能 版权所有

粤ICP备15063439号-1
错误