您認為您的最新購置品，Roomba 機器人吸塵器在您客廳地板上描繪出其不可預測的路徑，是有意識的嗎？那隻盤旋在您塗滿橘子醬的早餐吐司上方的蜜蜂呢？或者那個終於在吮吸後睡著的新生兒？除了一個鐵桿書呆子，沒有人會認為前者是有知覺的；耆那教（印度最古老的宗教）的信徒相信蜜蜂——實際上是所有生物，無論大小——都是有意識的；然而，幾乎每個人都會將意識的神奇天賦賦予嬰兒。
真相是我們真的不知道這些生物中哪些是有意識的，哪些是無意識的。我們對此事有強烈的感受，這些感受是由傳統、宗教和法律塑造的。但我們沒有客觀、理性的方法，沒有循序漸進的程式來確定給定的生物是否具有主觀狀態，是否具有感覺。
原因是我們缺乏一個連貫的意識框架。儘管意識是我們瞭解自身和周圍世界的唯一方式——讓人聯想到笛卡爾著名的演繹“我思故我在”——但對於意識是什麼，它與高度組織化的物質有何關係，或者它在生命中的作用是什麼，並沒有達成共識。這種情況是令人震驚的！我們有一個關於物質和能量的詳細且非常成功的框架，但沒有關於身心問題的框架。然而，這種令人沮喪的狀況可能即將改變。
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我們這個時代的通用語言是資訊。我們已經習慣了股票和債券價格、書籍、照片、電影、音樂和我們的基因構成都可以轉化為零和一的資料流的想法。這些位元是資訊的元素原子，它們透過乙太網電纜或無線傳輸，被儲存、重放、複製並組裝成巨大的知識庫。資訊不依賴於基質。相同的資訊可以表示為紙上的線條、PC 記憶體庫中的電荷或神經細胞之間突觸連線的強度。
自計算機早期以來，學者們就認為，構成心靈生活的有意識的現象狀態與大腦當時表達的資訊密切相關。然而，他們缺乏將這種預感轉化為具體和預測性理論的工具。威斯康星大學麥迪遜分校的精神病學家和神經科學家朱利奧·託諾尼出現了。託諾尼開發並完善了他稱之為意識的整合資訊理論 (IIT) 的理論。
整合理論
IIT 基於兩個公理支柱。
首先，意識狀態是高度分化的；它們在資訊上非常豐富。您可以意識到無數的事物：例如，您可以觀看您兒子的鋼琴演奏會；您可以看到花園裡的花朵或牆上的高更畫作。想想您看過的或拍攝過的或將要拍攝的所有電影中的所有幀！每一幀，每一個檢視，都是一個特定的意識感知。
其次，這些資訊是高度整合的。無論您多麼努力，您都無法強迫自己看到黑白世界，也無法只看到視野的左半部分而不是右半部分。當您看著朋友的臉時，您無法不注意到她是否在哭泣。無論您意識到什麼資訊，都會完整且完全地呈現給您的心靈；它無法被細分。意識的這種統一性背後是大腦相關部分之間的大量因果互動。如果大腦區域開始斷開連線或變得碎片化和巴爾幹化，就像深度睡眠或麻醉時發生的那樣，意識就會消退甚至完全消失。考慮裂腦患者，他們的大腦胼胝體——連線兩個大腦皮層半球的 2 億條神經纖維——已被切斷以減輕嚴重的癲癇發作。手術實際上將人的意識一分為二，一個意識思維與左半球相關聯，看到視覺場的右半部分，另一個思維從右半球產生，看到視覺場的左半部分。
因此，要成為有意識的，您需要成為一個單一的、整合的實體，具有大量高度分化的狀態。儘管我的 MacBook 上的 60 GB 硬碟容量超過了我一生的記憶，但這些資訊並未整合。例如，我 Macintosh 上的家庭照片彼此之間沒有連結。計算機不知道這些照片中的女孩是我的女兒，她從蹣跚學步的孩子成長為身材修長的青少年，然後成為優雅的成年人。對於我的 Mac 來說，所有資訊都是同樣毫無意義的，只是一張由零和一組成的巨大、隨機的掛毯。
然而，我從這些影像中獲得了意義，因為我的記憶是大量交叉連結的。而且越互聯，它們就變得越有意義。事實上，託諾尼的 IIT 假設實體擁有的整合資訊量與其意識水平相對應。
這些想法可以使用資訊理論中的熵等概念，用數學語言精確地表達 [見下頁方框]。給定一個特定的大腦，及其神經元和軸突、樹突和突觸，原則上可以準確計算出這個大腦的整合程度。從這個計算中，該理論得出一個單獨的數字 Φ（發音為“fi”）。Φ 以位元為單位測量，表示與任何因果相互作用的部分網路相關的意識庫的大小。將 Φ 視為系統的協同作用。系統整合度越高，協同作用就越大，意識就越強。如果各個大腦區域彼此之間過於孤立或隨機互連，則 Φ 將很低。如果生物體擁有許多神經元並且擁有豐富的特定連線，則 Φ 將很高——捕捉意識的數量，而不是任何一種意識體驗的質量。（該值由與 Φ 相關的信幾何產生，但在此不作討論。）
解釋大腦事實
該理論可以解釋許多令人困惑的觀察結果。小腦，位於大腦後部的“小腦”，它包含的神經元比冠狀大腦的複雜大腦皮層還要多，具有規則的、類似晶體的佈線排列。因此，與大腦皮層相比，其以 Φ 測量的電路複雜性較低。事實上，如果您失去小腦，您將永遠不會成為攀巖者、鋼琴家或芭蕾舞演員，但您的意識不會受到損害。另一方面，皮層及其門戶丘腦——大腦中心的鵪鶉蛋形結構——對於意識至關重要，為其提供其精細的內容。由於連線不同皮層區域和皮層與丘腦的廣泛互惠連線，其電路將功能專業化與功能整合結合在一起。這種皮層丘腦複合體非常適合充當具有大量可區分狀態的單一動態實體。失去特定皮層區域的一塊，您可能無法感知運動。如果不同的區域受到損傷，您將對人臉視而不見（但可以看到眼睛、頭髮、嘴巴和耳朵）。
當人們從深度睡眠中醒來時，他們通常回憶起什麼也沒經歷，或者充其量只是一些模糊的身體感覺；這種體驗與我們在快速眼動 (REM) 睡眠期間大腦編織的高度情感化的敘事形成對比。矛盾的是，深度睡眠和安靜清醒狀態下，單個神經細胞的平均放電活動並沒有太大差異。然而，在整個系統層面，頭骨上的腦電圖電極在深度睡眠期間會拾取緩慢、巨大且高度同步的波。由於這些波非常規則，它們會擾亂大腦細胞之間特定資訊的傳遞。
每天，在數以萬計的外科手術中，在各種麻醉劑的幫助下，患者的意識可以快速、安全和短暫地關閉和再次開啟。並非所有麻醉劑都有一種共同的機制。最一致的區域發現是麻醉劑會降低丘腦活動並使內側（中部）和頂葉皮層區域失活。在麻醉的實驗動物中進行的 20 年電記錄提供了充分的證據表明，許多皮層細胞，尤其是初級感覺皮層區域的細胞，在麻醉期間繼續有選擇性地做出反應。似乎被破壞的是皮層丘腦複合體中的大規模功能整合。
IIT 解釋了為什麼意識既不需要感覺輸入也不需要行為輸出，就像每晚在 REM 睡眠期間發生的那樣，在 REM 睡眠中，中樞麻痺阻止了睡眠者將她的夢境表現出來。對於意識而言，重要的是構成皮層丘腦複合體的神經細胞之間的功能關係。在這個整合的動態實體中，可以找到食蓮者的夢想、冥想僧侶的正念、癌症患者的痛苦和你失落的童年家園的田園風光。套用奧斯卡·王爾德的話，我會說，正是動態核心內的因果互動使罌粟花變紅，蘋果散發香氣，雲雀歌唱。
意識是普遍存在的
IIT 的一個不可避免的後果是，所有充分整合和分化的系統都將具有與之相關的最低限度的意識：不僅包括我們心愛的貓狗，還包括老鼠、魷魚、蜜蜂和蠕蟲。
事實上，該理論對神經系統的突觸和全或無脈衝視而不見。至少在原則上，單個細胞內極其複雜的分子相互作用具有非零 Φ。在極限情況下，單個氫離子，一個由三個夸克組成的質子，將具有極少量的協同作用，即 Φ。從這個意義上說，IIT 是泛靈論的科學版本，泛靈論是一種古老而廣泛的信仰，認為所有物質，所有事物，無論是否有生命，都在某種程度上是有意識的。當然，IIT 並沒有淡化普通蛔蟲秀麗隱杆線蟲（擁有 302 個神經細胞）的 Φ 與人類大腦中 200 億個皮層神經元相關的 Φ 之間存在的巨大鴻溝。
該理論不區分頭骨內的軟腦和鈦金屬外殼中的矽電路。只要電晶體和儲存元件之間的因果關係足夠複雜，計算機或網際網路上的數十億臺個人計算機都將具有非零 Φ。Φ 的大小甚至最終可能成為衡量機器智慧的標準。
未來的挑戰
IIT 仍處於起步階段，缺乏完全成熟的理論的優雅。它迄今為止仍未解答的一個主要問題是，為什麼自然選擇會進化出具有高 Φ 的生物？意識對生物體的生存有什麼好處？我希望得到的一個答案是，智慧，即評估以前從未遇到過的情況並迅速做出適當反應的能力，需要整合資訊。然而，另一種可能的答案可能是，高 Φ 電路在生存方面沒有任何特殊地位。正如電荷是宇宙的基本特徵，沒有功能一樣，意識也可能缺乏任何特定的進化作用。它只是存在。
IIT 的第二個絆腳石是，即使對於非常小的系統，Φ 也極其難以計算。即使使用谷歌超過 10 萬臺計算機，準確評估蛔蟲的 Φ 也是完全不可行的。我們能否找到其他演算法來更輕鬆地計算 Φ？
第三個需要理解的問題是，為什麼如此多的大腦處理和我們如此多的日常行為是無意識的。介導這些無意識、殭屍般行為的神經網路是否比產生意識的神經網路具有更低的 Φ？
託諾尼的意識整合資訊理論可能是完全錯誤的。但它以新穎、嚴謹、數學和經驗主義的方式挑戰我們深入思考身心問題。這對這項努力來說是一大幸事。
如果託諾尼的 Φ 方程被證明可以探測迄今為止難以言喻的——意識本身——它將驗證古代畢達哥拉斯的信仰，即“數字是形式和思想的統治者，是神和惡魔的原因”。
注：本文最初以“意識理論”為標題印刷。