一直以来，人们认为它们是一个而非三个基因。因为最初DNA测序技术不完善，最早发现的不是基因的DNA序列，而是由它们编码的蛋白产物。这些蛋白产物基本长得一样，并不能让人想到基因组里还有三段编码它的DNA序列。由于它与细胞膜上的一个有名受体NOTCH非常相像，而被命名为NOTCH2NL，意思是“类似NOTCH2蛋白N端的片段”。

不久之后，人们发现该基因为灵长类所特有，而且只在人类中活跃表达。

NOTCH在神经系统中为人熟知的功能之一，是维持祖细胞的自我更新能力，防止其分化为不再分裂增生的神经细胞或其它终末细胞。由于NOTCH2NL与NOTCH的相似性，一个自然的联想是，前者是否会增强后者的功能，让更多祖细胞分裂增生，产生更多神经元？

的确，马普所分子细胞和遗传研究所的维兰德·胡特纳（Wieland Huttner）发现该基因活跃于胚胎大脑之后，将人类的NOTCH2NL塞进了小鼠胚胎，看到神经祖细胞的分化被延迟了，数量增多了，结果汇报在了今年3月出版的《eLife》上。

同样的结果在体外培养的人类干细胞上得到了验证。比利时布鲁塞尔自由大学的神经发育学家皮埃尔·范德哈根（Pierre Vanderhaeghen）在他的《细胞》论文中报道：在NOTCH2NL本该较不活跃的发育早期抬高了它的表达量，确实得到了更多细胞。

范德哈根还探索了NOTCH2NL是如何通过增强NOTCH信号来做到这一点的。NOTCH信号通路有一个神奇的性质：来自邻近细胞的信号分子可以激活它，而自己细胞的信号分子却会抑制自己的NOTCH（考虑到该信号分子是固定在细胞膜上的，这种相反的效果可能和它与NOTCH结合时的相反方向有关，想象一下像蜘蛛侠一样倒挂着接吻好了）。不管怎样，由于NOTCH2NL也可以与该信号分子结合，它减弱了后者对自家NOTCH的抑制，从而激活了NOTCH，促进了神经祖细胞的增生，最终产生了更多了神经细胞。

范德哈根的数据证实了NOTCH2NL与该信号分子的相互作用和它对NOTCH信号产生的效果，“非常有说服力的生物学数据，”耶鲁大学的进化遗传学家詹姆斯·努南（James Noonan）评论道，“在之前涉及人类进化的基因研究中，人们发现划出从基因差异到表型、再到生物化学的机制的联系并不容易。”

由于最早只发现了蛋白产物，而且三兄弟如此相像，导致基因组数据拼接错误，人们一直并没有搞清楚编码NOTCH2NL的是什么是什么基因。这次，范德哈根和生物信息学家戴维·豪斯勒（David Haussler）及其合作者各自用了不同的方法，鉴定出了编码它们的三个同源基因（NOTCH2NLA，NOTCH2NLB和NOTCH2NLC），准确地说是四个同源片段，只不过最后一个是没有功能的假基因（pseudogene）。

利用人类、黑猩猩和大猩猩的基因组数据，他得以重构NOTCH2NL在灵长类中的进化历程：在一千四百万年前，大猿的共同祖先的一个NOTCH基因被错误的复制了一部分，成为了基因组中的一个不完整、无功能的假基因。这个假基因在大猩猩和黑猩猩中继续存在，期间又被错误复制了几轮，各自产生了总共3个和8个假基因；而在人类的共同祖先那里，三四百万年前，在人类大脑体积膨胀前不久，NOTCH2NL意外获得了功能并充分表达，之后又经历了两轮错误复制（是的猿类基因组的这一块区域就是那么容易错误复制），产生了三个NOTCH2NL基因和一个假基因。

看到这里你大概在想，再多几个NOTCH2NL拷贝、再多激活NOTCH信号、再多一点神经祖细胞，是不是会让你的孩子脑子更大、智商更高？

很不幸地告诉你，前者或许成立，后者可不一定对。有一类神经发育疾病叫做“1号染色体长臂2区1带1子带远端删除/重复综合征（1q21.1 distal deletion/duplication syndrome）”，它的症状包括小头症、巨头症、精神分裂症或自闭症。之前由于基因组数据拼接错误，很少有人考虑NOTCH2NL在该疾病中发挥的作用。根据豪斯勒的报道，它与那些症状是相关的。

杜克大学的进化发育生物学家格雷格·雷（Greg Wray）认为该基因与脑疾病的关联相当有说服力，“这些基因很有可能在大脑皮层发育中发挥重要错误，而错误的调控则导致疾病，”他说。不过他并不完全相信它们在人类进化中的作用，因为NOTCH2NL所在的基因组区域实在是太复杂多变了，多个重复片段加大了测序难度。并且，从人类和其它物种的基因数据中推断进化过程中的功能差异，证据并不直接。

豪斯勒却认为这些基因在人类大脑进化中发挥的作用将会得到印证。“一个基因的改变当然不一定能推动大脑体积的膨胀，但总有几个基因发挥的是根本性的作用。”他说。

本文主要参考自《科学》（Science）杂志网站新闻《基因三重奏驱动人类大脑进化》（Trio of genes supercharged human brain evolution），作者Elizabeth Pennisi，该文亦以标题《旧基因的新拷贝推动大脑膨胀》（New copies of old gene drove brain expansion）出现在杂志纸刊上。NOTCH2NL在本月有了自己的维基百科页面，你可以在这上面了解更多。

神经学家埃里希·贾维斯发现，鸣禽的发声技巧和人类的语言都源于控制运动学习的神经通路。

当洛克菲勒大学的神经科学家埃里希·贾维斯（Erich Jarvis）在2015年荣获美国细胞生物学学会颁发的Ernest Everett Just奖时，他发表了一篇讲述引领他走上生物学之路的文章《生存在大环境下的少数族裔科学家》。文中提到“我相信，有证据显示文化经验会影响科学研究和科学发现”，而一切从这个信念开始。

贾维斯在纽约的哈莱姆区长大。他最初是一名舞者，在表演艺术高中学习芭蕾舞，获得了多个奖学金以支持他继续深造。在亨特学院读本科时，在父母的鼓舞下，他决定转而学习生物学。他的母亲一直鼓励他从事对社会有益的工作，而他的父亲虽从事音乐工作，但一直对科学抱有浓厚的兴趣（贾维斯父亲多年饱受精神疾病和无家可归的折磨，在他攻读硕士期间，父亲被一个青少年帮派枪杀。）

在洛克菲勒大学获得博士学位后，贾维斯在杜克大学建立了自己的实验室，并于2016年返回洛克菲勒大学任教。在过去的二十年里，他致力于研究鸟类可以模仿新声音以及产生复杂多变发声（也叫做声音学习）的神经学和遗传学机制。他使用鸣禽来阐述语言能力如何进化，并为人类语言障碍提供新的思路。

他的探索包括：改进基因组组合，探寻不同生物群体间大脑结构的相似之处，并通过操控基因使鸟类和小鼠更好地发声。贾维斯完全改写了鸟类大脑的命名法则，从而使科学家们能更容易找出鸟类与脊椎动物大脑之间的关系。他领导了一系列的鸟类基因组测序工作（他现在是“基因组10K工程”的联合主席，在为脊椎动物进行测序工作），用来构建精确的进化史。这项工作促成了他的主要理论之一：鸣禽、人类及其他生物的声音学习是独立出现的，是由于大脑中的一条原始的运动学习通路被复制而产生的。

《量子杂志》最近采访了贾维斯，讨论了声音学习和语言的进化，父母及舞蹈背景对他学术事业的影响，以及科学界所需的多样性。

声音学习和语言之间的区别是什么？

声音学习是模仿和学习非天生声音的能力。语言则包括了一系列的特质，包括了声音学习这一语言中最独特和专业的组成部分。

你可以训练狗懂得“坐下”或者“跑”的意思。这是通过听觉习得的，将声音与听到的事物相结合。但是狗并无法直接发出“坐下”的声音，而这才是声音学习。

只有极少的物种能够进行声音学习。在鸟类里，只有鸣禽、鹦鹉和蜂鸟能进行声音学习。世界上有大约40种鸟类谱系，但除了上述三种外，其余的鸟类均不具备声音学习的能力。在哺乳动物中，除了人类，还有海豚、鲸鱼、蝙蝠、大象和海豹具备这种能力。

那声音学习是如何进化的呢？

我刚提到的所有物种都有不能模仿声音的相近物种。比如与人类相近的黑猩猩或者亚鸣禽类鸟类均不具有这种能力。所以能进行声音学习的物种更有可能是独立进化出这种能力的。但是当我们观察声音学习的大脑通路时发现，这些通路都是相似的。它们都嵌入在控制学习如何移动肌肉群的通路中。但若它们是独立进化的，又怎么会发生这种现象呢？我们假设这可能产生于胚胎发育过程中运动学习通路的复制。人类和鸟类的声音学习通路来自于已经存在的结构中，它们有相似的联通性和功能：只不过它并不用来控制手脚或眼睛的运动，而是控制着产生声音的肌肉。正因为这种相似性，所以即使是独立进化的，它仍从周围的运动区域中继承了相似的特质。

那这是否意味着，在声音学习乃至语言的发展过程中存在限制因素呢？

正是如此。翅膀的进化就是一个好的比喻。脊椎动物的翅膀至少经历了三次进化：蝙蝠、鸟类、和翼龙（一种远古会飞的爬行动物）。翅膀的每次进化都在身体的上肢完成。其中的一个限制是重心。换句话来说，因为上肢是飞行所需能力最少的地方，所以翅膀在此处进化。另一个限制是已经存在的手臂。

对于语言通路来说，它存在的基础是用来控制肢体运动而非声音的运动学习通路。事实上我们最近发现，鹦鹉具有两个声音系统，就像人类有两个声音学习通路一样：鹦鹉的两条通路是一条包含着另一条，而人类的通路是紧紧相连的。这样看起来鹦鹉大脑中复制的通路又再次被复制了。

为什么其他动物身上没有发现这一现象呢？

有很多假说可以解释这一现象。我认为动物的天敌是声音学习进化选择的克星。我们提出性别选择有利于声音学习的进化：声音的多样性会吸引异性的注意，而性别选择是至关重要的。但为什么声音学习没有更普遍呢？我们认为天敌是其中的阻碍因素：脊椎动物的听觉通路会调整声音。也就是说，具备声音学习能力的物种可以不断变化它们的声音，而这种变化更容易吸引捕食者的注意并被其捕食。

但这种复制现象甚至没有在相近物种中产生，这不令你感到惊讶吗？

是啊，这种现象为什么没有更普遍呢？或者我们换个角度想吧：我们能不能找到一个这种通路的雏形呢？事实上，我们已经在某些物种中找到了。我们正在关注一种亚鸣禽的物种，声音学习的部分脑区已经在其脑中产生了。另外，我们在小鼠脑中找到了仅在人类（而非其他哺乳动物）脑中产生的原始通路。

由此我们提出了“声音学习的连续进化假说”。首先你的脑干控制着天生的声音系统。然后，你的前脑中产生一条复制的声音通路，这条通路是从运动学习通路中复制出来的。但它像小鼠脑中的通路一样只是一个雏形。之后，这条复制的通路与运动学习通路分离，并形成了鸣禽脑中类似语言的通路。最终，这条通路再次复制成一条或者多条相邻或相绕的声音学习通路，就像鹦鹉和人类脑中的一样。这可能是我们通过声音产生语言表达能力的解释。

在小鼠身上找到声音学习通路的雏形有什么意义吗？这是否意味着，小鼠正在进化出声音学习的能力？

是的，它们有可能正在向着更高级的方向进化，并逐步进化出声音学习的能力。当然这是在不存在天敌的情况下。但这一能力并不是它们所需要的。我们正在尝试通过基因操纵将它们引向那个方向。雄性小鼠在求偶时使用的是一串特殊的超声序列，这种声音本身是很复杂的。但他们不能像人类一样改变声音。

人类之于灵长类以及鸣禽之于其他不具备声音学习能力的鸟类而言，在特有的语言区域存在基因差异。而我们并没有在小鼠脑中发现这种基因。我们正在试图将人脑中这类特殊的基因植入小鼠脑中的原始通路，去观察这种做法能否促使小鼠的通路进化成与人类一样的。我们希望能够训练它们改变声音、声调以及他们求食时发出的特定声音。理想的状况是我们训练出可以发出某种特定声音的老鼠，另一群小鼠发出另一种声音，再用基因操控去看它们能不能互相模仿对方。

是什么控制着物种模仿声音的动机呢？

我们提出了一个假设，但还需要更多证据来证明。小孩通常不会从教他们说话的人身上学说话，他们更容易通过倾听并复述其他人说话并获得奖赏这个过程中进行学习。这其中包含了社会互动问题。当你说“爸爸”或者完成了一个完整的句子，你的父母会将你抱起并给你一个拥抱作为鼓励。

我们认为正面反馈是声音学习机制的一部分。

听自己同类声音的录音的鸟长大后并不能模仿听到的声音。他们发出的声音是异常的。但如果与他们相处的是活的鸟类，即使他们来自不同种族，他们也会对其他鸟类的声音进行模仿。鸟类更倾向于模仿其他种族的活鸟，而非模仿自己种族的录音。社会互动及从其他生物获得反馈的过程对声音的模仿有决定性作用。

这就是为什么人类没办法模仿全部鸣禽的声音。我的一个博士学生Constantina Theofanopoulou和我共同发表了一篇论文，提出催产素（一种亲密荷尔蒙）可能控制着声音学习的社交机制。当孩子说出“爸爸”时会得到拍拍背或者一个微笑作为反馈，这种反馈给了孩子被奖励的感觉。这种感觉在声音学习通路中释放催产素，从而强化声音学习通路中如何发声的记忆。

你对鸟类的研究对人类的口语有何意义呢？

我们一直在研究一种叫做FOXP2的基因。这种基因在人类的突变会造成语言障碍。携带FOXP2基因突变的人有着良好的听觉能力，他们能够相对较好地在认知和听觉层面上理解语言。但他们很难发出声音。将这个基因从鸣禽的脑中取出后，它们也出现了无法模仿声音的症状。所以我们最初认为该基因对声音学习有决定作用。

但是我们最近发现，提取人类变异基因植入小鼠的基因组，它们仍然能发出声音，只是无法发出雌性小鼠喜欢的更复杂、先天的声音序列。这个现象启发我们，这个基因可能已经存在于老鼠体内了，并被用于进行声音排序，它的存在可能比高级的声音学习进化更早。人类和鸣禽比小鼠更依赖这个基因。它也说明了，我们可以使用小鼠、鸣禽，结合连续理论，作为研究语言障碍的模型。

但在此之前，我们要先去研究鸣禽和人类脑区的对比，以及其中同源与聚合的细胞类型都是什么。

你最初并没有投身科学，而是学习舞蹈。它对你的科学追求有何影响？

我在高中时是一名舞者。我大部分的家庭成员，尤其是我母亲这边，都是从事表演艺术的。我在纽约的表演艺术高中就读，主修芭蕾舞。我也学过一些爵士和非洲舞蹈。在我高中毕业之后，我听从了我妈从小到大教导我的道理：做对社会有正面作用的事。我认为从事科研工作比做舞者能更好地影响社会，而且我也的确非常喜欢科学。我学习成为一名舞者的过程也教会了我如何成为一名科研工作者。

作为一名科研工作者，你需要非常自律，而我已经从大量的舞蹈练习中学到了。你还需要有创新精神，就如同要设计舞蹈动作。你需要在成功之前成熟很多次失败。很多实验不只失败一两次，练舞也是这样。另外，科研和舞蹈一样，都不是朝九晚五的工作，他们都是需要抱以巨大的热情去做的工作。

你现在还跳舞吗？

还在跳。我想总有一天我会停止跳舞，但直到现在还没有停下来[笑]。我上大学后跳了好多年的非洲舞，直到我去杜克大学当教授也还没有停止。然后，大概六年前，我改跳萨萨舞，在来纽约前还会和科博兄弟舞蹈团一起表演。

你提到了你的母亲对你成为科学家的影响。那你父亲呢？

我的父母都在高中学习音乐和艺术，并成为了歌手。但是我的父亲对科学有很大热情，在大学的时候他的专业是化学。后来他因为有了我们四个孩子而辍学，与社会也有些脱节了。我的父母最终离婚了。虽然在6岁之后我就没在和父亲一起生活，我还是常常见到他。他影响着我的思考：他试图成为一名科学家是为了什么？他试着去解释宇宙奥秘和文明起源。某种程度上，我认为我继承了他未竟的事业。是他的热情影响了我。

作为一名非洲裔美国人，他获得的机会比我少得多。比如他会觉得自己被一些老师区别对待了。他学习非常用功，在小学和初中跳了两级。他过世前给我讲过，他从布朗克斯的一座少数族裔学校出来，被安排在一所都是白人的学校里，他认为学校的老师都厌恶他并且有意在考试上刁难他。这样的经历也影响着我，影响我思考作为有色人种意味着什么。我也有孤立的感觉：即使在本科的时候，我参加的国际学术会议也基本都是白人。我去杜克大学之后，即使在南方有更多非裔美国人口，在校园里仍旧不是这样的情景。我开始留意人们的想法。他们没有意识到自己说出了种族歧视的话，比如当我去面试研究生的时候，有人告诉我：不要去纽黑文的那片区域，那里是黑人和波多黎各人的居住区，那里挺危险的。我会想，我刚刚听到了什么？或者我会成为史上第一个获得某奖项的非裔美国人，有人也许会暗示说，我是因为肤色才得了这个奖。

就像我母亲说的：“你不能只做到和他们一样好，你需要做到更好。”对于一个有少数族裔背景的人来说，这句话司空见惯了。

在你执教的过程中，你致力于发展针对少数族裔学生的项目，找他们来洛克菲勒从事研究。你的经历对此有何影响？

有很多既有才华又努力的人，但他们并没有得到平等的机会，他们的才能和努力都无处发挥。亨特学院给了我一个机会。我们一起在洛克菲勒执行一个项目，把本科学生带入到高强度的科研机构、诺贝尔得主实验室中，给这些学生一个机会。

我们应该开始“修补漏水的水管”了，支持少数族裔作为博士后和教职人员把他们留在科学领域里。霍华德·休斯医学研究所的一个新项目，提供了八年的奖学金。这个项目叫做汉娜·H·格雷研究计划，它是以一名前董事的名字命名的。我们应该修正社会的思维方式。我们在研讨会和课堂上讨论着无意识偏见，并为受到偏见影响的人创造机会，使他们相信自己的价值。我相信榜样的力量。

不同背景的人对科学是有价值的。当背景多样时，你需要去注意文化差异的同时，文化差异本身也会产生新点子（好点子）。毋庸置疑，多样性使得科学进程更加广阔和更有效率。

翻译：史天

校对/编辑：EON

原文：https://www.quantamagazine.org/erich-jarvis-in-birds-songs-brains-and-genes-he-finds-clues-to-speech-20180130/

意识的绝技是设想各种可能的未来中的行动与时间。

我要坦白。作为一名物理学家兼精神病学家，我发现我很难跟人讨论有关意识的问题。最让我看不惯的是，哲学家和认知科学家在提出那些问题时，总是把心灵看做一个物体，可以由它具有的属性和它实现的目的来确证它的存在。

但在物理学领域，认为物体是任何传统意义上的“存在”都是不谨慎的。这背后其实有更深层的问题：怎样的过程让我们认为（或者误认为）一物存在？例如，牛顿在解释物质世界时，论述的是有质量的物体如何对力做出反应。而在量子物理学产生之后，人们发现，测量的本质及意义才是根本问题，因为质量和力的概念都依赖于它。但这一问题至今没有定论。

这些问题迫使我把意识当做一种有待理解的过程，而不是一个有待定义的物体。简而言之，我认为意识仅仅是一种自然过程，与进化或天气一样。为了更好地说明“意识是一种过程”，我很喜欢这么做：把一个问题中的“意识”一词替换成“进化”，然后看看它还能不能成立。比方说，把“为什么要有意识？”这个问题换成“为什么要有进化？”按照科学的说法，进化当然没有任何目的。进化没有任何功能，也没有任何理由；它是一个演变的过程，只能依其自身而被理解。既然我们都是进化的产物，意识和自我同样能够作这种‘是一种自然过程’的理解。

Consciousness is not a thing, but a process of inference | Aeon Essays

The special trick of consciousness is being able to project action and time into a range of possible futures

我对意识的观点与哲学家丹尼尔·丹尼特（Daniel Dennett）的观点相似。丹尼特整个学术生涯都在探寻心灵的本源。他很在意这个问题：无意识的、纯粹的“起因”（A导致B）如何演变为我们所了解的有意识的“理由”（A发生，所以B能发生）。丹尼特的结论被他称为“达尔文的危险思想”：可以存在没有设计者的设计、不源于理解的能力、和无人提出就自己产生的理由（或者说“无根基的根据”）。一个甲虫种群如果超越了另一个甲虫种群，我们一定能从中找出某种“理由”来。比如一个有利的变异增强它们的隐蔽色。在《从细菌到巴赫：心智的进化》（From Bacteria to Bach and Back）中，丹尼特写道，“自然选择是一个自动寻找理由的机制，在跨越很多个世代的时间内‘发现’各种理由、‘选用’一些理由并‘专注’于发展它们。我之所以打引号，是要提醒人们：自然选择不是一个有意识的过程，它本身也没有理由，但它却能胜任完善设计的‘任务’。”

我希望能让各位读者明白，大自然本身不需要任何理由，就能产生出理由来。我接下来想说的是，事情不是因为某种理由而存在，但某些过程确实相当于在找理由。我说“找理由”，是指通过推理或溯因找到解释，也就是为观察到的现象寻找潜在的原因、规律或原理。

用“推理”的视角来理解“过程”，我们就能优雅地解释心灵为何存在，不过这个解释可能会让“心灵”的内涵贬值。推理的过程近乎万物至理，可以解释进化、意识乃至生命本身。推理的过程，就是一路溯因到底。我们呱呱坠地时，已经是一个正在运行的过程了；而任何过程都只能根据极少量的信息来推断外部的世界，前提是那些信息还必须选对了。这一观点消解了心灵和物质、自我与世界、表征主义（我们如实把握现实）与涌现论（我们在溯因推理中接触世界，在此过程中涌现出现实）这几组常见矛盾。那么，推理是如何先于推理者而存在的呢？最终产生了意识的那个过程，是如何被无生命的物质开启的呢？

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首先我们需要明确关于过程的一些基本规则，然后我再逐渐阐明。我们只关心构成复杂系统的过程。这些复杂系统，整体大于各组成部分之和。为了方便各位理解，不妨对比一下此类过程的相反面：如果你在打靶，物理学家能根据子弹离开枪膛时的角度和动量来确定子弹在靶子上的落点。这是因为射击过程是一个近乎线性的系统。射击过程的各组成部分之间的相互作用，单向决定着射击过程整体的行为。相比之下，你却不能确定一个围绕原子运动的电子具体在什么位置，也不能确定纽约明年会不会受到飓风侵袭。这是因为飓风、原子、以及一切自然过程，都不完全由其初始条件所决定，因为系统整体的行为会反过来影响其组成部分之间的相互作用。因此我们称其为复杂系统。

物理学家们认为，复杂系统可以通过其状态来表征；状态由一些变量和取值范围来表述。比如说，在量子系统中，一个粒子的状态可由包含了其位置、动量、能量和自旋的波函数来描述。而对于宏观系统，例如我们自己，我们的状态包括身体各部分的位置和动作、大脑的电化学状态、器官的生理活动，等等。系统的状态对应于它在可能状态空间中的坐标，每一个变量形成该空间的一个坐标轴。

一切都应该随着时间的推进，变得更加随机、更加分散、更加混乱。为什么没有变成那样呢？

事物在状态空间中运动的方式取决于它的李雅普诺夫函数（Lyapunov function）。该数学量能够描述一个系统在具体条件之下有怎样的行为。它表达的是有多大概率作为某个具体状态的函数处于那种状态（即：系统在状态空间中坐标的函数。可以类比气压——气压是空气分子被测量时的密度的函数）。如果我们知道系统每一个状态的李雅普诺夫函数，我们就能得出从一个状态到下一个状态的流（flow），并通过这个流来表征整个系统的存在。这就好比知道山地每一点的高度，以此推知一条小溪如何流过这一地形的表面。李雅普诺夫函数就好比那座山的地形，而系统随着时间的发展过程就好比水的流动方式。

复杂系统的一个重要特点是，它们似乎根据各自的李雅普诺夫函数向更加可能的状态演变。也就是说，函数的输出值越来越小。这意味着，复杂系统通常只占据很少量的状态，并且那几种状态被反复占据。如果接着用山与溪流的比喻来解释，就是水向下汇入大海之后，会蒸发、形成雨云并最终通过降水返回山上。你也可以用自己的身体作为例子：你的体温总是维持在恒定范围内，你的心脏有规律地跳动，你有规律地吸气、呼气，而且你大概还遵循某种每日或每周的时间安排。

此类周而复始的自组织行为与宇宙通常的行为间有着强烈反差。一切都应该随着时间的推进，变得更加随机、更加分散、更加混乱。这是热力学第二定律——一切都趋向于混乱，而熵通常会增加。为什么没有变成那样呢？

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复杂系统能够自组织，是因为它们有吸引子（attractors）。吸引子是那些能够相互加强的状态形成的一种循环：它会使过程达到稳定点，但这不是通过损耗能量而最终停止运动，而是会达到动态平衡。稳态就是一个最直观的例子。如果你被猛兽吓到了，你的心率和呼吸频率都会加快，但你会（在“战或逃”反应之后）自动做出一些反应，让你的心血管系统恢复平静。每当偏离了吸引子，就会引发思想、感情和行动的“流”，最终将你拽回你所熟悉的吸引循环。就人类而言，我们身体和大脑的一切兴奋状态都可以被理解为是在靠近吸引子，也就是靠近我们最可能的状态。

这样来看，人类不过是“奇怪的循环”（哲学家侯世达（Douglas Hofstadter）的说法）。我们都在一个巨大的、高维的、由多种可能性组成的状态空间中流动，但我们的吸引子迫使我们在闭合圆圈内运动。我们就像一片秋叶；在湍急的溪流旋涡中打转，画出一个永无止境的轨迹，并把那个小小的轨迹当成整个世界。把我们自己描述为这种调皮的循环，从目的论的角度似乎没有多大意义。但它对于理解任何具有吸引状态的复杂系统（比如你、我），有着深远影响。

每当遇到新的体验，你的生理系统都会进行推理，试图将正在发生的事情套入某种熟悉的模型。

小结：只有当复杂系统（包括我们自己）的李雅普诺夫函数能够精确描述其过程时，复杂系统才能存在。并且，如果我们要存在，我们的全部过程，我们的全部思维和行为，都必须降低李雅普诺夫函数的输出值，让我们进入更加可能的状态。那么在实际操作中，这是怎么样的呢？（了解这一点的）秘诀在于理解李雅普诺夫函数的本质。如果我们能理解它，我们就能知道是什么在驱动我们了。

事实上，李雅普诺夫函数有两种很有启发性的表述。第一种表述源自信息论。按照这种表述，李雅普诺夫函数就是意外度（surprise），也就是处于某一具体状态的不可能程度。第二种表述源自统计学。按照这种表述，李雅普诺夫函数就是（负）证据（evidence)，即边际似然（marginal likelihood），也就是对某一状态给出正确解释或模型的概率。简而言之，这意味着如果我们要存在，我们必须要增加自己模型的证据（或者增加它不证自明的程度），同时最小化我们的意外度。有了这两种表述，我们就能为“存在性动力学”赋予意义和目的论了。

我们现在可以探讨“推理”的问题了。推理的过程，也就是找到最合适的原理或者假设，来解释“世界”这个系统中的现象。严格意义上来说，推理意味着为解释世界的模型找到尽可能多的证据。由于我们总要让证据尽可能多，我们实际上就相当于用自己作为模型，来对世界做出推理。因此，每当你有了新的经历时，你就会作出某种推理，来把这种经历套入某种熟悉的模式，或是调整你的内在状态从而使这一新情况也被考虑在内。与此相同的是，当一名统计学家在考虑要不要引入新的规律来解释某场疫情的传播，或是衡量自己需不需要因为某家银行的倒闭而修改自己的经济模型时，她也是在经历这样的过程。

这就是为什么吸引子至关重要。吸引状态的意外度低、证据多。因此，复杂系统总是进入熟悉而可靠的循环——只有这样的过程才能维持它们赖以存在的先决条件。吸引子会促使系统进入可预测的状态，从而强化系统为自己所处的世界建立的模型。如果这样一个总在降低意外度的不证自明的推理行为失败了，系统就会衰变，进入令人意外的陌生状态，直至形神俱灭。过程通过推理来为自己的存在“招魂”，便产生了吸引子。换句话说，吸引子就是生命之源。

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如果你能够接受上面的解释，你就拥有了一个关于一切复杂系统（包括生命体）的极限收缩论。任何一个反复占据特定状态的过程（包括你我），只要存在，就一定在进行某种推理。

但真的是这样吗？怎么可能把进化或者自然选择的过程理解为推理呢？难道真的可以？事实上，这种解释真的就是理论神经生物学给出的最新解释。例如，自然以生存和繁殖能力来“选择”生物体，就是基于推理。以一个螃蟹种群为例，并以即个体的表现型为“状态”：这群螃蟹可以有大小不一的钳子、或软或硬的壳；有些螃蟹的眼睛在水下看得更清楚，有些螃蟹的眼睛在水面以上看得更清楚。有众多的表现型，就相当于假设了众多的可行性方案。群体中的每一个个体都是这样一个假设或者模型，该模型可用来推测（具备哪些表现型的）个体适合占据这个生态位，以及（具备哪些表现型的）个体必须在环境压力下为了生存而竞争。

由于进化也是一个复杂系统，它就也必须是不证自明的。也就是说，进化总是会“选择”那些越来越有可能站稳各自生态位的生物体。大钳子有利于螃蟹捕食，因此该性状很有可能会流传；坚硬的壳能帮助螃蟹抵御捕食者；水下视觉能让螃蟹在食物最充足的地方更容易找到食物。于是，适应性就等价于能在某一环境中找到某一表现型的边际似然（marginal likelihood）。换句话说，它的生存完全等价于能作为其生态位优良模型的证据。

一个病毒具有推理过程所需的全部的自组织的动力学性质；但它不具有一个人具有的性质。

把这种思维方式应用到意识的问题时，我们可以得出结论：意识也应当是一种推理过程。意识的过程就是推理知觉状态起因的过程，并以此在世界上生存，回避意外事件。自然选择通过筛选不同的生物来进行推理；而意识则是通过筛选同一生物（特别是其大脑）的不同状态来进行推理。这种观点有大量的解剖学及生理学证据支持。如果把大脑视为一种进行不证自明推理的器官，那么它的每一个解剖学和生理学特征都似乎都能够降低意外度。例如，人脑用不同的脑区来运算某物在哪里和某物是什么。这不难理解，毕竟知道一个东西是什么，通常并不能让你知道它在哪里；反过来也一样。这种对外部世界因果结构的内部化，反映了这样一个事实：若想预测自己的状态，你就必须有一个内部模型来描述这些知觉的生成。

可是，如果意识就是推理，那么这是否意味着所有复杂的推理过程都是有意识的呢？比如从进化到经济体到原子的这一切？未必如此。一个病毒具有推理过程所需的全部的自组织的动力学性质；但很显然病毒不具有人具有的性质。那么差别在哪里呢？

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有意识的生物与无意识的生物之间，区别在于它们如何作出关于行动与时间的推理。我的这一论点，部分基于系统与世界之间的互补关系。世界作用于系统，提供感官上的印象，从而提供推理的基础。同时，系统对世界作出反应，以改变知觉流，从而符合它所对世界推断出来的模型。这只是有关行动与感知的循环的另一种解释。例如，我们去看，我们看到，然后以此决定接下来往哪里看。

如果行动依赖于推理，那么系统必须对行动的后果做出推理。你不推测事情的可能结果，你就没法决定该做什么。然而，这里有一个重要的转折。如果一个生物对自己的未来没有形成一个模型，那么它就无法推测行动的结果。它需要知道自己做这件事、做那件事，分别该有怎样的预期。比方说，我需要知道（或者下意识地模拟）当我分别往左看、往右看、合上眼时我的知觉会有怎样的变化。可是由于时间总是向前运行，除非一个行动被执行，否则就无法在感官上知道这一行动的后果。

时间的箭头，意味着凡是能够预测自身未来行动的系统，都必须拥有时间的厚度（temporal thickness）。它们必须对自己和世界有着内部的模型，才能对尚未发生和有可能不会发生的事情做出推测。这样的模型或厚或薄、或深或浅，取决于它们能向后预测多远、向前“马后炮”多远——也就是取决于它们能否推断如果自己采取不同的行动，事情有怎样不同的结果。具有更深时间结构的系统，能够更加有效地推测自己行动带来的反事实的后果。神经科学家阿尼尔·赛斯（Anil Seth）称之为“反事实的深度”。

那么，如果系统具有一个在时间厚度上很厚的模型，它会推测出或者选择哪些行动呢？答案很简单：它会尽量减少行动中可以预期的意外。证明过程用到了归谬法，从我们已知的这件事开始归谬：若要存在，就必须尽可能降低意外度、增强不证自明度。那么系统具体是如何让预期中的意外度降至最低呢？首先，它们会采取行动以减少不确定性，即避免未来可能遇到的意外（例如受冻、挨饿甚至死亡）。我们几乎所有的行为都可视为减少不确定性的机制：无论是受到有害刺激（例如滚烫的盘子不小心脱手）时本能的躲避行为，还是看电视或者开车时为了获取重要信息的那种“认知觅食”（epistemic foraging）。第二，上述这类系统对世界采取的行动似乎有某种目的，也就是尽可能地减少尚未发生但有可能发生的意外。

这样的系统可以算作一个主体，或者一个“自我”，总之它能够用有厚度的时间模型，对自己的未来作出积极的、有目的的推理。时间模型的厚薄之间存在的差别意味着病毒没有意识。尽管病毒能对外部环境采取推理式的反应，它们却既不能深刻理解自己的过去，也不能长远规划自己的未来。因此，它们不能采取行动防患未然，降低未发生之事的意外度。与此相反，人会积极地、有目的地采取行动来降低意外度、增强不证自明度；而在行为的决策过程中，主体未来的状况是重要的指标。比方说，假如我们像病毒一样活着，我们可以本能地调动自己的葡萄糖储备来抵抗低血糖症状。但是人类可能会做出更长远的规划：开始做饭。类似地，我们一般也不会说进化有意识。自然选择的过程确实会尽可能降低意外度（也就是尽可能增强适应性），但不会降低不确定性，也不会减少整个系统的预期中的意外度（也就是另类的，非达尔文式进化历程下预期的适应性）。

所以说，意识活动与更普遍的自组织行为之间最大的不同在于选择的规则。在无意识的过程中，选择是在“此时此地”完成的。例如：多个相互竞争的系统（例如进化中的表现型）之间的选择，或者条件反射的触发（例如简单生物具有化学趋向性，它们会靠近或远离某种化学物质浓度更高的区域）。相反，与意识相关的选择过程虽然也是并行运作，但它们都在同一系统之内——该系统同时模拟多种未来、多种不同场景，最终选择采取的行动会使意外度最小。有意识的自我仅仅是这样一种途径：以能够促进主动推理的方式，获取这些反事实的未来。

从进化到意识活动的一切生物学过程都可视为是在进行推理。

“意识是主动推理”这种说法真的有现实意义吗？我认为有。对精神病学家来说，意识状态的改变可分为两类。一类是意识程度的变化，例如睡眠、麻醉和昏迷状态。另一类意识状态的变化则与精神病症状、精神药物、致幻剂等相关。意识程度不同，就会对行为有不同的影响。简而言之，意识减弱的人，通常会缺少反应。请想象一个无意识的人，她如何对刺激作出反应。她仅有的反应就是一些条件反射，只能降低此时此地的意外度。相反，等到她清醒了，她就能调动起来推测过去与未来的能力了。这意味着，在我们的日常生活中，时间的厚度或深度会随着睡眠觉醒周期波动，而我们的意识程度与我们推理的厚度正相关。因此，当我们的模型失去“厚度”，变得与病毒的模型一样“薄”时，我们就会丧失意识。

作为一名精神病学家，我有很多理由认为意识状态的改变就是推理的改变。关键是要把精神异常理解为错误推理。例如在统计学中，就有两种错误推理：假阳性和假阴性。假阳性就是推理出某事物存在，但它并不存在，例如幻觉和错觉。而假阴性则是某事物存在，却未能推理出它存在。例如不能识别某事物，或者对不该有疑虑的事物怀有疑虑（例如，常有患者问道：“我是谁？”“我现在是头朝上吗？”）。这些错误推理在医学上对应着定向障碍和各种形式的失忆症，是痴呆症和其它大脑器质性病变的症状。这种观点很有实用性，因为主动推理的神经机制正被逐渐阐明。

我们的讨论过程比较快，总结一下：首先，如果我们想要讨论复杂系统（包括生命体），我们就必须弄清楚这些过程有怎样的必要特征。不难发现，生存意味着存在于一系列周而复始的吸引状态之中。这就意味着存在一个对应着（负向的）不证自明度或者信息论中意外度的李雅普诺夫函数。也就是说，从进化到意识活动的一切生物学过程都可视为是在进行某种推理。

如果是这样，那么推理到什么程度才会有意识呢？本文给出的理论认为，心灵产生的条件是，不证自明具有时间上的厚度或者反事实的深度，从而能够对未来行为的后果作出推理。心灵的存在并无理由。之所以看起来是有理由的，是因为存在本身就是“找理由”过程的结果。因此我认为，意识不外乎对我未来的推理过程。

翻译：ZDFFF

校对：幺幺Phil

编辑：EON