有時候最簡單的問題也最難回答。例如，你是如何決定擺動手指的？我們對涉及的肌肉和神經結構瞭解很多——就像木偶和絲線一樣——但木偶師呢？
人類如何發展出有意願地促成事情發生的能力仍然是個謎。在最近的一項研究中，我們試圖捕捉嬰兒發現他們影響世界的能力的行為。正如我們在去年九月發表在《美國國家科學院院刊》上的報告中指出的那樣，我們識別出了這些頓悟時刻以及它們周圍發生的事件，首次揭示了自主意識是如何形成的。
50多年來，研究人員一直使用一種非常簡單的方法來研究嬰兒期的學習。他們將嬰兒放在一個嬰兒床中，上方懸掛著一個移動玩具。然後，科學家將繩子的一端系在移動玩具上，另一端系在嬰兒的腳上。如果嬰兒移動，玩具也會移動。在多次實驗中，科學家可以觀察到嬰兒學習並回憶起一個簡單的因果互動：踢一下腳，移動玩具就會移動。
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我們使用該裝置來確定嬰兒首次意識到他們可以控制移動玩具運動的時刻。我們與 16 名三到四個月大的嬰兒合作，採用運動捕捉技術來測量嬰兒和移動玩具在三維空間中的運動。與以往的此類實驗一樣，當嬰兒的腳被拴在移動玩具上時，他們踢腿的次數明顯多於未拴住時。但他們知道是自己的動作在推動移動玩具嗎？
當實驗人員拉動繩子使移動玩具移動，而不是讓嬰兒自己移動時，出現了一條線索。在這種情況下，嬰兒的動作比移動玩具靜止時要少。這一發現排除了嬰兒只是在看到移動玩具移動時興奮地踢腿的想法。事實上，我們的資料表明，是腳和移動玩具的協調運動促使了嬰兒的活動。
此外，當我們移除繩子後，嬰兒仍然以他們被拴在移動玩具上時達到的最高頻率踢腿，這表明他們期望玩具會做出反應。當這種情況沒有發生時，一些嬰兒明顯感到沮喪。
那麼，在他們被拴住的某個時刻，嬰兒一定已經意識到他們可以控制了。為了精確定位這個頓悟時刻，我們開發了一種演算法來搜尋嬰兒被拴住期間腳部運動頻率的峰值。對於一些嬰兒，我們發現活動突然爆發，同時運動頻率也發生了劇烈變化，包括停頓以及速度的突然增加或減少。這種波動和轉變是複雜系統——從股票市場到大腦活動——即將發生變化的典型特徵。我們認為，最初的活動峰值與嬰兒的頓悟發現同時發生。
我們的觀察還揭示了一種模式：在被拴住的最初一分鐘左右，每次移動玩具對嬰兒的動作做出反應時，他們都會靜止不動，等待移動玩具停止後再踢腿。移動玩具不熟悉且出乎意料的運動引發了嬰兒身上一種奇怪的動態舞蹈：移動、暫停、移動、暫停。我們懷疑他們在某種意義上是在進行自己的實驗：“如果我這樣做（踢腿），我就會看到（移動玩具移動）”，反之，“如果我不踢腿，我就看不到移動玩具移動。”
值得注意的是，嬰兒的行為方式並不完全相同。事實上，即使有一個孩子在與移動玩具互動時活動量增加了一倍，但她並沒有表現出任何發現她的行為可能如何影響移動玩具的跡象。因此，這種方法可以幫助我們理解和預測健康嬰兒以及有發育遲緩風險的嬰兒的運動和認知發展的個體路徑。
但是，這個實驗告訴我們關於自主意識的起源什麼呢？我們認為，很多。幾年前，我們中的一位（Kelso）提出，自主意識的誕生是一個動態的、自組織的過程，並與已故物理學家 Armin Fuchs 一起，開發了它的模型。為了分解一下：“動態”意味著模式和關係會隨著時間推移而演變。“自組織”指的是自然界中的許多複雜系統在沒有任何指令的情況下自行組織成特定形式。在這些情況下，回到我們最初的問題，沒有具體的木偶師在拉線。相反，模式在開放能量、物質和資訊與其周圍環境交換的系統中自發地出現和變化。
我們的理論是，當一個有機體（這裡是嬰兒）及其環境（移動玩具）相互作用時，它們會形成一個自組織的動態系統。當有機體意識到它的運動導致世界發生變化時，目標導向的行動就會自發地出現。
我們的發現與我們的理論完美契合。嬰兒最初的動作包括蠕動和推撞，沒有明顯的目的或方向。但是，一旦被拴在移動玩具上，他們移動得越劇烈，他們的注意力就越被他們踢腿的效果所吸引（既有繩子拉扯的感覺，也有移動玩具做出反應的景象）。當嬰兒對他們與玩具的關係的注意力達到臨界水平時，他們意識到他們可以使移動玩具旋轉。自發運動變成了有目的的行動。在那個轉折點，我們觀察到腳部活動爆發，以及嬰兒和移動玩具之間緊密的協調。
從歷史上看，生物的目的和自主意識的整個問題——甚至可以說“自由意志”——一直籠罩在哲學辯論和爭議之中。許多論點都落在了兩個極端之一：要麼必須有一個內在的指導者——一個做出決定的自我——要麼自由意志實際上不存在，因為環境和 circumstances 預先決定了一個人的行為。但我們的嬰兒研究強調了理解有機體與其環境之間的關係對於揭示定向行為的起源至關重要。正如我們的模型所提出的，自主意識的體驗只有當一個有機體（嬰兒）感覺到它與它的環境（在這種情況下，是移動玩具裝置）耦合時才會出現。在這種思維方式中，兩者之間的互動和關係對於目的的產生至關重要。
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這是一篇觀點和分析文章，作者或作者表達的觀點不一定代表《大眾科學》的觀點。