大腦是一個非常活躍的器官。我們灰質的各個角落的數百萬個神經元發出無休止的訊號流。許多神經元似乎自發地放電，沒有任何可識別的觸發因素。藉助腦電圖 (EEG) 和微電極記錄等技術，大腦研究人員正在傾聽我們頭腦中的復調音樂會。任何精神活動都伴隨著背景處理的持續增強和減弱。這種看似混亂的背後原理尚不清楚。然而，正如每個人都知道的那樣，這種混亂創造了我們自己獨特的、連續的意識流。
然而，將注意力長時間集中在一個物體上是非常困難的。我們的意識不斷地從一個輸入跳到另一個輸入。我剛寫完這句話，我的眼睛就從電腦螢幕移到窗外的樹上。我能聽到遠處有狗叫聲。然後我想起了這篇文章的截止日期——不會再延期了。我堅定地強迫自己輸入下一行。
這種印象流是如何形成的？我們的感知真的像看起來那樣連續嗎？還是像電影中的幀一樣，被分成離散的時間片段？這些問題是心理學家和神經科學家正在研究的最有趣的問題之一。答案將滿足的不僅僅是我們的好奇心——它們將告訴我們，我們對現實的體驗是準確的還是虛構的，以及我的虛構是否與你的不同。
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你看到那隻動物了嗎？
我們感知、思考或感覺到的任何事物都不會憑空進入我們的內心視野。每一個精神壯舉都紮根於大腦中的特定過程。科學研究方法不太適合研究伴隨我們意識體驗的神經元過程。然而，關於主觀體驗的神經基礎已經瞭解了很多。我的老朋友和同事，已故的弗朗西斯·克里克，和我一起創造了一個術語來描述這些迷人的過程：意識的神經關聯物，或 NCC——與我們體驗到的每一絲意識相關的神經元放電集。
我們該如何理解這些 NCC 的產生和消失？ 它們是否像雅典娜從宙斯的頭中誕生一樣——完全從無意識的大腦活動中形成，然後又立即溶解？ 這樣一種全有或全無的原則肯定符合我們的主觀體驗，在這種體驗中，一個想法或感覺突然出現，然後又消失了。 另一方面，NCC 可能會在較長時間內積累，直到它們侵入我們的意識，然後可能只會緩慢消退，直到它們變得非常微弱，以至於我們再也無法感知到它們。
愛沙尼亞塔爾圖大學的心理學家塔利斯·巴赫曼提出了類似於第二種理論的觀點。 巴赫曼認為，任何一種感覺的意識都需要時間，這與照片的顯影過程相當。 任何有意識的感知——比如紅色——都不會立即出現； 我們會逐漸意識到它。 大量實驗工作似乎支援這一假設。
測量反應時間是研究意識時間結構的最明顯方法。 早在 19 世紀，心理學家就讓測試物件接觸持續時間和強度各不相同的閃光。 他們試圖發現一個人必須暴露在刺激中多長時間才能有意識地感知到它，以及兩個刺激必須在時間上有多接近才能被感知為一個連續的感覺。
今天，研究人員在電腦螢幕上閃爍一個黑色小條，並要求受試者在識別出該條是垂直還是水平時立即按下按鈕。 然而，以這種方式測量，反應時間不僅包括眼睛和大腦處理刺激所需的時間間隔，還包括所需的運動反應（按下按鈕）所需的時間。
為了分離這些成分，法國圖盧茲大腦與認知研究中心等的研究人員西蒙·J·索普測量了所謂的誘發電位——神經元電活動的改變。 這種大腦訊號可以透過連線到頭皮的電極捕獲，就像在腦電圖記錄中一樣。 在一項實驗中，受試者被要求快速決定在螢幕上閃爍幾分之一秒的影像是否包含動物。 即使他們不知道會投射出哪種動物，這項任務也並不困難。
結果表明，個人需要不到半秒的時間才能給出正確的答案。 當他們被要求按下按鈕以指示影像是否顯示汽車或其他交通工具時，時間也差不多。 然後，研究人員將動物影像觸發的大腦反應與不含動物的場景引起的大腦反應進行了比較。 在呈現後的最初幾分之一秒內，腦電圖模式幾乎相同。
神經衝動從眼睛視網膜傳到頭部後部的視覺中樞大約需要 30 到 50 毫秒。 到 150 毫秒時，動物影像反應的誘發電位與非動物影像之後的腦電位有所不同。 換句話說，在大約十分之一秒後，大腦皮層中的某些東西開始區分動物影像和非動物影像。 鑑於單個神經元的處理時間在毫秒範圍內，這種分類非常迅速，並且只能透過大規模並行處理來完成。
然而，這個結果並不意味著資訊“動物或非動物”可以在 150 毫秒內有意識地訪問。 視覺是一閃而過的，但大腦需要更多時間來產生有意識的印象。
掩蓋現實
當刺激快速連續出現時，可能會發生奇怪的事情，無論它們是視覺的、聽覺的還是觸覺的，都無關緊要。 例如，註冊一個影像可能會扭曲之前或之後的影像，或者如果它們在監視器上快速閃爍，則會完全抑制它們。 心理學家將這種效應稱為掩蔽。
掩蔽清楚地表明，我們的感知可能會嚴重偏離現實。 這種對感知的系統性扭曲教會了研究人員大腦用來構建其世界觀的規則。 最常用的技術是後向掩蔽，其中掩蔽發生在初始刺激之後。 加利福尼亞大學戴維斯分校的神經心理學家羅伯特·埃夫隆發現，在這裡，兩種刺激可以完全融合。 當埃夫隆在一個 10 毫秒長的紅光之後立即閃爍一個 10 毫秒長的綠光時，他的受試者報告說只看到一個閃光。 他們看到了什麼顏色？ 黃色，而不是變成綠色的紅光。 快速連續的兩個影像有時會導致一個有意識的印象。
最近，法國奧賽 INSERM 的認知研究員 Stanislas Dehaene 使用掩蔽技術研究詞語處理。 Dehaene 向躺在功能性磁共振成像 (fMRI) 掃描器中的受試者快速連續地展示了一系列幻燈片。 幻燈片上是一些簡單的單詞，比如“獅子”。 這些單詞出現的時間僅為 30 毫秒——剛好足夠個人正確解碼它們。 然而，如果目標詞前後出現一系列隨機影像，識別率就會急劇下降。
當看到這個詞時，fMRI 機器記錄到多個位置的劇烈大腦活動，包括視覺和語言中樞。 然而，當“獅子”這個詞在螢幕上被緊隨其後的隨機影像掩蓋時，大腦活動變得遲鈍，並侷限於視覺皮層中參與視覺早期階段的部分。 掩蔽消除了對“獅子”的有意識識別； 只有視覺大腦的輸入階段被啟用。
研究人員延長了刺激之間的時間間隔，但仍然實現了掩蔽——長達 100 毫秒。 這意味著，即使一個影像在先前影像十分之一秒後擊中視網膜，也可能抵消對第一個影像的有意識感知。 然而，儘管掩蔽阻礙了視覺印象的發展，但它無法阻止無意識處理：受到鼓勵猜測的測試物件通常正確識別了初始影像，即使它們已被掩蓋而無法進行有意識的感知。
一瞬間有多長？
我們如何解釋這種異常現象？ 第二個刺激甚至如何改變對已經到來的刺激的感知？ 想想兩股海浪正逼近海灘； 如果它們以相同的速度移動，第二個海浪永遠無法趕上第一個海浪。 但反饋機制參與了神經處理。 正如視覺皮層內甚至皮層和更深層大腦區域之間的神經訊號開始來回穿梭一樣，隨後的資訊可能會扭曲早期資訊的處理。
掩蔽可以向後延伸多遠的時間告訴我們大腦反饋迴路中的時間延遲。 如果我們將實驗得出的最大掩蔽跨度（約 100 毫秒）加到辨別視覺訊號所需的 150 毫秒上，這意味著至少需要大約四分之一秒才能有意識地看到刺激。 根據其特徵，時間跨度可能會更長，但幾乎永遠不會更短。 我們的感知似乎大大落後於現實——而我們並沒有注意到這一點。
意識的神經關聯物具有某種最短壽命，這種存在或多或少對應於我們經驗中可以稱為最小感知時刻的東西。 在所有可能性中，後向掩蔽期間隨後的腦活動會干擾那些標誌著目標刺激的開始和消失的過程。 反過來看，先前活動的殘餘會停留很短一段時間，並可能暫時阻止新的 NCC 的發展。 這種重疊的神經聯盟之間的競爭可能是意識的一個重要特徵。
感覺印象來來往往的原因有很多：眼球運動、注意力轉移，或者只是感覺細胞變得疲勞。 例如，隨著視覺輸入的增加，視覺皮層的放電活動穩步上升，並且一旦達到某個閾值，可能會急劇上升。 這就是為什麼，例如，短暫閃爍的光比相同強度的穩定光束顯得更亮。 在最初的快速增加之後，穩定光束的感知亮度逐漸開始漂移到較低的值。
如果感知如此簡單的輸入都可能如此多變，那麼想象一下大腦評估真實世界必須有多麼複雜。 意識研究面臨的重大問題之一是，我們周圍的世界非常複雜且多方面。 物體很少能簡化為像簡單亮度或顏色那樣容易測量的特性。 例如，一張臉的特徵在於獨特的形狀、輪廓、顏色和紋理。 眼睛的位置和目光、嘴巴的表情、鼻子的形狀、皮膚褶皺和瑕疵——我們如何將所有這些細節整合到一個統一的影像中，以傳達一個人的身份、性別和情緒狀態？
這個問題觸及了所謂的結合問題的核心。 如果 NCC 在大腦中不同的處理中心在不同的時間出現，那麼是否不應該以時間延遲來感知每個屬性？ 大腦如何能夠整合所有這些個體活動？
倫敦大學學院的神經生物學家塞米爾·澤基多年來一直在研究這個問題。 透過測量受試者如何感知在螢幕上移動時可以隨機改變顏色的正方形，他表明，物體顏色的變化比物體運動方向的變化快 60 到 80 毫秒被看到。 也就是說，同一時刻的一個屬性的註冊時間與另一個屬性的註冊時間不同。 這一發現表明，意識的假定統一性可能沒有太多真實性——至少當我們觀察極短的時間跨度時是這樣。
然而，這種差異很少在我們的日常生活中顯現出來。 當一輛汽車從我身邊疾馳而過時，它的形狀似乎並沒有落後於它的顏色，即使每個處理步驟——對形狀、顏色、聲音、速度和運動方向的感知——都需要我大腦的不同區域進行單獨評估，每個區域都有其自身的動態和延遲。 由於大腦沒有註冊非同步性的機制，因此可以快速達成統一的印象。 我們幾乎從不意識到不同的時間延遲。 我們只是同時感知到一個物體的所有屬性——儘管這個合成影像可能是不連貫的。
時間快照
意識的一個常見比喻是，我們生活在時間的河流中並體驗事物。 這意味著感知從我們一天醒來的第一刻起一直順利進行，直到我們晚上將頭枕在枕頭上。 但這種意識的連續性可能又是另一種錯覺。 考慮一下患有嚴重偏頭痛而導致電影視覺的患者。 根據提出這個術語的神經學家和著名作家奧利弗·薩克斯的說法，這些男女偶爾會失去他們的視覺連續感，而是看到一系列閃爍的靜止影像。 這些影像不會重疊或看起來疊加； 它們只是持續時間太長，就像一部電影卡在定格畫面上，然後突然向前跳躍以趕上即時移動場景。
薩克斯描述了一位醫院病房裡的婦女，她開始往浴缸裡放水洗澡。 當水升到一英寸深時，她走到浴缸邊，然後站在那裡，被水龍頭迷住了，浴缸裡的水溢位來，流到地板上。 薩克斯走到她身邊，碰了碰她，她突然看到了溢位的水。 她後來告訴他，她腦海中的影像是水從水龍頭流到一英寸深的水中，直到他碰了她，才發生進一步的視覺變化。 薩克斯本人在飲用薩卡烏（一種在密克羅尼西亞流行的醉人飲料）後也經歷過電影視覺，他將搖曳的棕櫚樹描述為一系列靜止影像，就像電影放映得太慢，其連續性不再保持。
這些臨床觀察表明，在正常情況下，我們幾乎或根本不會注意到感覺的時間分裂。 我們的感知似乎是一系列單獨快照的結果，是一系列瞬間，就像單獨的、離散的電影幀，當快速滾動過去時，我們將其體驗為連續運動。 重要的是，我們體驗到在或多或少同一時刻發生的事件是同步的。 而按順序到達我們的事件則按該順序感知。
根據研究的不同，這種快照的持續時間在 20 到 200 毫秒之間。 我們尚不知道這種差異反映了我們儀器的粗糙程度，還是神經元的某些基本特性。 儘管如此，這種離散的感知快照可能解釋了時間有時似乎過得更快或更慢的常見觀察。
假設由於某種原因，每個時刻的快照持續時間增加，因此每秒拍攝的快照更少。 在這種情況下，外部事件看起來會更短，時間似乎會飛逝。 但是，如果單個影像的持續時間較短——單位時間內影像數量較多——那麼時間似乎會過得更慢。
經歷過車禍、自然災害和其他創傷事件的人經常報告說，在戲劇性事件的高潮時，一切似乎都慢動作了。 目前，我們對大腦如何調節我們的時間感知知之甚少。
事實上，如果較大的神經元群體的變化聯盟是意識的神經關聯物，那麼我們最先進的研究技術不足以跟蹤這個過程。 我們的方法要麼以粗略的時間解析度（例如，fMRI，它跟蹤秒級時間尺度上的緩慢功耗）覆蓋大腦的大片區域，要麼我們精確地（在千分之一秒內）記錄數十億神經元中的一個或少數神經元的放電率（微電極記錄）。 我們需要覆蓋整個大腦的精細儀器，以瞭解分散在各處的數千個神經元如何協同工作。 最終，這種程度的詢問可能會使我們能夠利用技術來操縱我們的意識流。 就目前情況而言，這只是一個夢想。