以生物學角度理解人類意識已成為21世紀科學的中心挑戰。我們希望理解知覺、學習、記憶、思考、意識以及自由意志的生物學本質。甚至在幾十年前，生物學家能夠探索這些精神過程還是不可想象的。直到20世紀中期，當我開始我的神經科學家職業生涯時，認為宇宙中最複雜的過程——意識，可能會向生物學分析揭示其最深層的秘密，甚至可能在分子水平上做到這一點，是無法認真對待的。
過去50年生物學的巨大成就使這成為可能。詹姆斯·沃森和弗朗西斯·克里克於1953年發現DNA結構，徹底改變了生物學，為理解基因資訊如何控制細胞功能提供了智力框架。這一發現使人們對基因如何調控、如何產生決定細胞功能的蛋白質，以及發育如何開啟和關閉基因和蛋白質以建立生物體的身體結構有了基本的理解。憑藉這些非凡的成就，生物學在科學領域佔據了中心位置，與物理學和化學並駕齊驅。
生物學充滿了新的知識和信心，將其注意力轉向了其最崇高的目標：理解人類意識的生物學本質。這項長期以來被認為是前科學的努力，已經全面展開。事實上，當知識歷史學家回顧20世紀最後二十年時，他們可能會評論一個令人驚訝的事實：在此期間湧現的關於人類意識的最有價值的見解，並非來自傳統上關注意識的學科——哲學、心理學或精神分析。相反，它們來自這些學科與大腦生物學的融合，一種新的綜合，最近因分子生物學的巨大成就而充滿活力。
支援科學新聞報道
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保有關塑造我們當今世界的發現和想法的具有影響力的故事的未來。
意識即大腦
結果是意識的新科學，這門科學利用分子生物學的力量來檢驗生命中剩餘的偉大奧秘。這門新科學基於五個原則。首先，意識和大腦是不可分割的。大腦是一個複雜的生物器官，具有強大的計算能力，構建我們的感官體驗，調節我們的思想和情緒，並控制我們的行為。大腦不僅負責相對簡單的運動行為，如跑步和吃飯，還負責我們認為是人類特有的複雜行為，如思考、說話和創作藝術作品。從這個角度來看，意識是大腦執行的一系列操作，就像行走是腿執行的一系列操作一樣，只不過意識要複雜得多。
其次，大腦中的每項精神功能——從最簡單的反射到語言、音樂和藝術中最具創造性的行為——都由大腦不同區域的專門神經迴路執行。這就是為什麼最好使用“意識生物學”一詞來指代這些專門神經迴路執行的一系列精神操作，而不是“意識的生物學”，後者暗示了一個地點，並暗示了一個執行所有精神操作的單一大腦位置。
第三，所有這些迴路都由相同的基本訊號單元——神經細胞組成。第四，神經迴路使用特定的分子在神經細胞內部和之間產生訊號。最後，這些特定的訊號分子在數百萬年的進化過程中得到了保留——正如它所是——。其中一些分子存在於我們最古老的祖先的細胞中，並且今天可以在我們最遙遠和原始的進化親戚中找到：單細胞生物，如細菌和酵母，以及簡單的多細胞生物，如蠕蟲、蒼蠅和蝸牛。這些生物使用與我們用來管理日常生活和適應環境相同的分子來組織在環境中的行動。
因此，我們從意識的新科學中不僅獲得了對我們自身的洞察——我們如何感知、學習、記憶、感受和行動——而且還在生物進化的背景下對我們自身有了新的視角。它使我們認識到，人類意識是從我們祖先使用的分子進化而來的，並且調節生命各種過程的分子機制的非凡保守性也適用於我們的精神生活。
由於其對個人和社會福祉的廣泛影響，科學界現在普遍認為，意識生物學將成為21世紀的基因生物學，就像20世紀的基因生物學一樣。
系統方法
當我們進入21世紀時，意識的新科學麵臨著非凡的挑戰。記憶儲存研究人員，包括我的同事和我，僅僅站在一個偉大山脈的山麓。我們已經瞭解了記憶儲存的細胞和分子機制，但現在我們必須進步到記憶的系統特性。例如，哪些神經迴路對哪些型別的記憶至關重要？大腦如何編碼面孔、場景、旋律或體驗的內部表徵？
為了開發一種將神經系統與複雜認知功能聯絡起來的方法，我們必須專注於神經迴路，辨別不同迴路中的活動模式如何融合以形成連貫的表徵。為了瞭解我們如何感知和回憶複雜的體驗，我們必須確定神經網路是如何組織的，以及注意力和意識如何塑造和重新配置這些網路中的神經活動。為了實現這些目標，生物學必須更多地關注人類和非人靈長類動物，使用可以分辨單個神經元和神經元網路活動的成像技術。
什麼是注意力？
這些思考讓我思考，如果我要重新開始，我會追求哪些科學問題。我對選擇這樣的研究問題有兩個要求。首先，它必須讓我參與到一個新的研究領域的開闢中，這個領域將長期佔據我的時間。（我喜歡長期的承諾，而不是短暫的浪漫。）其次，問題必須位於兩個或多個學科的交叉點。基於這些標準，以下三組問題對我很有吸引力。
注意力的聚光燈是什麼？它如何觸發空間記憶的神經迴路來編碼資訊？此外，當動物集中注意力時，哪些調節性大腦系統會開啟，它們是如何被啟用的？注意力如何使我能夠開始“精神時間旅行”，回到我在維也納長大的小公寓？為了研究這些問題，我們應該將我們對記憶的研究從實驗動物擴充套件到人類。
第二個問題是，在人身上，無意識和有意識的精神過程如何相互關聯？我們對我們的大部分精神生活一無所知——德國醫生和物理學家赫爾曼·馮·亥姆霍茲在1860年提出的這個觀點——是精神分析的核心。只有透過理解這些問題，我們才能用生物學上有意義的術語來探討西格蒙德·弗洛伊德在1899年提出的關於意識和無意識衝突以及記憶的理論。對於亥姆霍茲的觀點，弗洛伊德補充了一個重要的觀察，即透過集中注意力，我們可以訪問我們的一些無意識精神過程——那些原本會被忽視的過程。
無意識機制
從這個角度來看——大多數神經科學家現在都持有這種觀點——我們的大部分精神生活是無意識的。我們只有透過語言和影像才能意識到許多其他無法訪問的大腦過程。因此，原則上，我們應該能夠使用腦成像技術將精神分析過程與大腦解剖結構和神經功能聯絡起來。這樣的橋樑可能使我們能夠了解疾病狀態如何改變無意識過程，以及心理療法可能如何幫助重新配置它們。無意識的心理過程在我們的生活中扮演著如此重要的角色；也許生物學可以幫助我們瞭解它們。
另一個例子涉及果蠅果蠅的雄性求偶。一種名為Fruitless的關鍵蛋白質控制著這種本能行為，並且Fruitless在雄性和雌性果蠅中的表達方式不同。維也納分子病理學研究所的神經科學家Ebru Demir和Barry J. Dickson做出了非凡的發現，當雌性果蠅表達這種蛋白質的雄性形式時，它們會爬上並引導求偶行為指向其他雌性果蠅——或者指向經過基因工程改造以產生特徵性雌性氣味或資訊素的雄性果蠅。迪克森還發現，為了讓果蠅生長出求偶和性偏好的神經迴路，Fruitless基因必須在果蠅的早期發育過程中存在並活躍。（如果科學家稍後新增這個基因，那麼它不會產生相同的效果。）
第三個例子來自義大利帕爾馬大學的神經科學家Giacomo Rizzolatti。他發現，當猴子用手執行特定動作時，例如將花生放入口中時，前運動皮層中的某些神經元會變得活躍。值得注意的是，當猴子觀察另一隻猴子（甚至一個人）將食物放入口中時，相同的神經元也會做出反應。裡佐拉蒂稱這些細胞為“映象神經元”，表明它們提供了對模仿、認同、共情以及可能模仿發聲能力的洞察——所有這些都是人類互動固有的無意識精神過程。加州大學聖地亞哥分校的神經科學家Vilayanur S. Ramachandran已經在人類前運動皮層中發現了可比神經元的證據。
精神狀態即大腦狀態
僅僅思考這三個研究方向，我就能看到生物學的全新領域正在開啟，提供一種對使我們成為社會性、交流性生物的要素的理解。這種雄心勃勃的嘗試不僅可能揭示一個有凝聚力的群體成員如何相互識別，而且還可以讓我們深入瞭解部落主義，部落主義常常助長對外部人士的恐懼、仇恨和不容忍。
自20世紀80年代以來，融合意識和大腦研究的道路變得更加清晰。因此，精神病學承擔了新的角色，既刺激了生物學思想，又從中受益。在過去幾年中，即使是精神分析界的成員也對意識生物學產生了濃厚的興趣，承認每種精神狀態都是大腦狀態，所有精神障礙都涉及大腦功能障礙。當治療改變大腦的結構和功能時，它們才起作用。
為了讓人們瞭解近年來研究人員的態度發生了怎樣的變化，當我在1962年從研究哺乳動物大腦中的海馬體轉向研究海兔海兔的簡單學習形式時，我遇到了許多負面反應。當時，大腦科學家普遍認為，哺乳動物的大腦與魚類和青蛙等低等脊椎動物的大腦截然不同，並且比無脊椎動物的大腦複雜得多。諾貝爾獎獲得者神經科學家，如已故的艾倫·霍奇金、劍橋大學的安德魯·F·赫胥黎和已故的伯納德·卡茨，透過探測魷魚的神經軸突和青蛙中連線神經和肌肉的突觸，發現了人類神經系統中訊號傳導的基本原理，這一事實在這些哺乳動物沙文主義者看來只是一個例外。當然，所有的神經細胞都是相似的，他們承認，但脊椎動物和無脊椎動物的神經迴路和行為明顯不同。
蒼蠅與人類
這種分裂一直持續到分子生物學家揭示了基因和蛋白質在整個進化過程中（從低等到高等生物）控制所有神經系統的驚人連續性。即便如此，關於在簡單動物研究中揭示的學習和記憶的細胞和分子機制是否會推廣到更復雜的動物，仍然存在爭議。神經科學家爭論諸如敏化和習慣化等基本學習形式是否會產生有用於研究的記憶形式。研究自然環境中動物行為的動物行為學家強調了這些簡單記憶形式的普遍性，而行為主義者則強調了聯想學習形式，如經典條件反射和操作性條件反射，這些形式顯然更復雜。
這些分歧最終透過兩種方式得到解決。首先，加州理工學院的生物學家西摩·本澤證明，對海兔短期敏化很重要的環磷酸腺苷在更復雜動物（即果蠅）的更復雜學習形式（如經典條件反射）中起著關鍵作用。其次，在我的實驗室中首次在海兔中鑑定的調節蛋白CREB，被證明是許多學習形式和生物型別（從蝸牛到蒼蠅，再到小鼠和人）中從短期記憶到長期記憶轉換的關鍵分子成分。顯然，學習和記憶，以及突觸和神經元可塑性或改變能力，涉及一系列過程，這些過程在分子細節上有所不同，但共享各種成分和共同的邏輯。在大多數情況下，這些討論被證明對科學有益，使問題更加清晰，並推動研究向前發展。對我來說，辯論最重要的方面是我們正在朝著正確的方向前進的感覺。
這些辯論影響了我的觀點，我的精神病學培訓和精神分析興趣也是如此，它們是我科學思維的核心。它們共同塑造了我對意識和行為的看法，確立了影響我幾乎所有研究方面的總體思路，並激發了我對有意識和無意識記憶的興趣。
激情與大膽的發現
很少有經歷比發現新事物更令人興奮和激發想象力，無論多麼微不足道。一項新的發現讓人們第一次看到自然謎題的一小部分。沉浸在一個問題中，我發現通過了解以前的科學家對此問題的看法來發展全面的視角很有幫助。我不僅想知道哪些思路被證明是富有成效的，還想知道其他思路在何處以及為何被證明是無效的。因此，弗洛伊德，以及其他早期的學習和記憶研究人員——如經典心理學家威廉·詹姆斯、愛德華·桑代克、伊萬·巴甫洛夫、B. F. 斯金納和康奈爾大學的烏爾裡克·奈瑟——都強烈地影響了我的思想。他們的思想，甚至他們遵循的無效路徑，為我後來的工作提供了豐富的文化背景。因此，我最初在精神分析方面的抱負絕非彎路。相反，它們成為了我試圖學習的一切的教育基石。
重要的是要大膽。應該解決難題，特別是那些最初看起來混亂和無結構的問題。不應害怕嘗試新事物，例如從一個領域轉移到另一個領域，或在學科邊界工作——最有趣的問題通常在那裡出現。大多數優秀的科學家從不猶豫地提出問題、探索不熟悉的領域、遵循他們的直覺或一路學習新的科學知識。沒有什麼比追求新的研究領域更能激發自學。
定義一個問題，或一組相互關聯的問題，並具有長期的發展軌跡，對於成功也至關重要。早些時候，我在研究海馬體和記憶時幸運地偶然發現了一個有趣的問題，然後果斷地轉向研究簡單動物的學習。這兩個問題都具有足夠的智力廣度和範圍，足以支撐我度過許多實驗失敗和失望。
因此，我沒有像一些同事那樣經歷中年危機，他們對自己的科學感到厭倦並轉向其他事物。相反，我熱衷於檢驗新的想法。我的朋友和同事理查德·阿克塞爾是哥倫比亞大學的另一位神經科學家，他因發現氣味有1000種不同的受體而獲得了2004年諾貝爾獎，他經常談到在腦海中回顧新的和有趣的發現所具有的成癮性。除非理查德看到新的資料出現，否則他會變得沮喪——這是我們許多人都有的感覺。這就是成癮的建設性一面，我在追求我終生的熱情——即理解意識的細胞和分子基礎——的過程中體驗到了這種成癮性。