本章摘自朱利奧·託諾尼的《PHI：從大腦到靈魂的旅程》（Pantheon，2012），描述了託諾尼的意識理論，認為意識是資訊的一種度量。託諾尼假設，大腦由數十億個神經元組成：把它們想象成類似電晶體的位元，當總計起來時，其總和大於各部分之和。這種超出部分的總和，託諾尼稱之為phi，代表了任何存在（無論是人類還是騾子）保持意識的程度。
摘自即將出版的書籍《PHI：從大腦到靈魂的旅程》，作者：朱利奧·託諾尼
版權© 2012 朱利奧·託諾尼
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經與蘭登書屋公司的一個部門 Knopf Doubleday Publishing Group 的 Pantheon Books 出版社安排出版。
整合資訊：多與一
其中顯示，意識存在於資訊被一個超越其各個部分的單一實體整合的地方
何時一個實體才是一個實體？多個元素如何成為一個單一的 事物？這是一個簡單的問題，但伽利略認為，這個問題尚未得到解答。或者，也許，它還沒有被提出。
數碼相機的感測器當然有大量的 狀態——它可以拍攝任何可能的照片。但它是一個單一的實體嗎？ 你把相機作為一個單一的實體來使用，你用手把它握成 一個整體。你把照片看作一個單一的實體。但這都是在 你自己的意識之內。如果不是為了你這個觀察者，它還會是 一個單一的實體嗎？這到底是什麼意思？
在思考這些問題時，伽利略被一個聲音嚇了一跳。J，一個 額頭像古代神祇的男人，用一種優雅的語氣對他說話：“拿一句十幾個單詞的句子，然後拿十二個人，告訴 每個人一個單詞。然後讓這些人排成一排或擠成一堆，讓每個人儘可能專心地思考自己的單詞；任何地方都不會有 對整個句子的意識。或者拿一個十幾個字母的單詞，讓每個人儘可能專心地思考自己的字母；任何地方都不會有 對整個單詞的意識，” J.說。
或者拍攝一張一百萬個點的圖片，然後拿一百萬個光電二極體， 讓每個光電二極體顯示它自己的點。然後讓光電二極體 整齊地排列在一個方形陣列上，讓每個光電二極體儘可能精確地分辨它自己的點的明暗；任何地方都不會有 對整個影像的意識，伽利略說。 “所以你看，伽利略，” J.繼續說，“不存在所謂的時代精神、人民的情感或公眾輿論。 私人思想不會聚整合更高的複合思想。 他們說整體大於部分之和；他們這樣說，但是 怎麼可能呢？”
一個影像浮現在伽利略腦海中。一位天文學家在 帕多瓦觀看日食，與此同時，另一位天文學家在 地球的另一端觀看夜空。 是否會有一個單一的意識，在一個偉大的 影像中，思考整個天空的穹頂，南北天空在 地平線處無縫連線？一個單一的整個天空的影像，在 一個意識中體驗？伽利略認為，這很荒謬， 而且它的荒謬之處與科學家之間的距離無關。 無論兩者相隔地球的直徑，還是像相機感測器上的兩個光電二極體一樣， 相隔一小部分英寸，都沒有區別。因為在這兩種情況下，雙方都 無法互動。如果他們不能互動，他們就不能形成一個單一的實體， 他們就不能擁有一個單一的、統一的意識體驗。
“當然，” J.同意道，“一個盲人和一個聾人無法比較 聲音和顏色。一個人聽到它們，另一個人看到它們， 但如果他們在一起，他們可以比較它們嗎？即使他們 永遠住在同一所房子裡，即使他們是連體 雙胞胎也不行。”就像以實瑪和以勒，伽利略想。
“好話，”站在伽利略旁邊的阿爾圖裡說。“但重點是什麼？ 我們正在討論相機中的資訊，而你看到，如果相機足夠大， 它所產生的資訊可以和大腦產生的資訊一樣多，甚至更多。 正如S.所說，這表明資訊與意識關係不大。不是這樣嗎？”
伽利略猶豫了。如果用S.的方式來衡量資訊， 相機會比大腦更好：系統可用的狀態越多， 不確定性的減少就越多——系統所處特定狀態產生的 資訊就越多。但這衡量資訊的方式對嗎？ 他想起了J.所說的話，想起了南北半球的科學家，想起了以實瑪的左右半球。所以他 嘗試了：
如果資訊是由一個 單一系統產生，而不是僅僅由各部分集合產生，那麼情況應該有所不同。
“很有可能，”阿爾圖裡說。“那如何證明這種差異呢？” 他笑了，好像他知道伽利略無法提供 答案。
“我希望我知道，” J.說，好像他知道不可能有答案。 伽利略停頓了一下，似乎找不到合適的詞語，然後轉向J.，問道：
如果用一把非常薄而鋒利的刀片，比如說，奧卡姆剃刀， 把相機的感測器切成兩半，一半的 光電二極體在一側，另一半的 光電二極體在另一側，那麼相機看到的影像會發生什麼變化？
“當然什麼都不會發生，” J.回答道。“相機會 像以前一樣工作，拍攝完整的照片，照片 可以透過無線傳輸，隨意儲存和重放，沒有人會 注意到任何差異。”
伽利略舉起相機，用分裂的感測器拍攝了 他們面前螢幕上的東西。那是一個義大利單詞，SONO，“我是”的意思，而SONO被無縫 顯示出來。
伽利略對J.說，的確如此。只要感測器還在原位，什麼都 不會改變，因為每個光電二極體都會 繼續報告自己單獨的點，而不知道它的同伴看到了什麼。
但是，如果用一把薄而鋒利的刀片把 大腦切成兩半呢？回想一下以實瑪在維諾薩王子地窖裡的大腦，當時 薩勒諾凍結了他兩個半球之間的連線。會 像相機一樣什麼都不會改變嗎？ 伽利略不等回答就說，你已經知道了。 以實瑪分裂成以實瑪和以勒，以實瑪看到了那位女士，以勒看到了 野獸，但沒有人同時看到他們兩個——只要兩個半球分裂開來，就沒有能 看到通姦的以實瑪。但是，當半球再次 溫暖地擁抱在一起時，以實瑪又回來了，以實瑪看到這對夫婦結合在一起。
那你已經知道答案了：以實瑪會看到SO，義大利語中“我知道”的意思，以勒會看到NO，“不”的意思，但 不會有以實瑪看到SONO，並說，“我是”。與 相機影像不同，刀片會分裂意識影像，而意識 本身會被分割。
J.和阿爾圖裡保持沉默，所以伽利略繼續說。但是，如果半球之間的連線是溫暖的，就像你在 自己的大腦中一樣，你可以盡最大努力嘗試將你的體驗分成兩部分，將SO和NO分開來看，但你不會成功的。 正如你不會成功地看到事物的形狀而沒有它們的顏色，或者沒有它們的形狀而看到它們的顏色一樣——你仍然是一個J.，一個體驗，一個意識。
“無懈可擊的邏輯，” J.說。“一加一等於二，但不完全是，”他補充道。
伽利略說，有一件事是確定的：做相機的感測器沒有什麼意義——意識不能存在於那裡，因為 感測器不是一個單一的實體，儘管它可能有數百萬個光電二極體。 就像成為兩個科學家一樣，一個在北部，一個在南部。成為一排十二個人，每個人都在想著一個不同的字母，也沒有什麼意義。
“我明白了，” J.說。“相機可能很大，但意識卻很貧乏：它一無所有，並且在經驗領域中缺乏存在。 與它相比，即使是一個光電二極體也更豐富，它擁有微弱的意識，最模糊的體驗，一個位元，因為它的每種狀態都是兩種狀態之一，而不是數萬億分之一。然而，成為一個光電二極體比根本不存在更有意義。我想，” J.繼續說。“如果把大腦分成一百萬個部分呢？首先是左右，然後是前後，分成四個部分，然後透過其白質進行一百次其他切割，分成一百萬個單獨的顆粒，像玉米棒上的顆粒一樣分離，或者像相機感測器上的光電二極體一樣分離：意識會崩潰嗎？”
“沒關係，”阿爾圖裡說。“伽利略還沒有證明數字上的差異。如果意識存在於資訊中，那麼就必須從公式中榨取錢財，S的公式。”
伽利略立刻說，請允許我，他沒有抬起眼睛。如果我們把相機感測器切成一百萬個部分，也就是光電二極體陣列，那麼每個光電二極體會產生多少資訊？
“當然是一個位元，”阿爾圖裡回答道。“這就是S的公式告訴我們的。”
伽利略說，現在，相機感測器產生多少資訊？
“真是個問題，”阿爾圖裡說。“它由一百萬個光電二極體組成，將產生一百萬個位元。”
伽利略說，好吧。相機感測器產生的超出其各部分的資訊是多少？我是說，超出它的一百萬個光電二極體的資訊是多少。
“當然是零，”過了一會兒，阿爾圖裡說，他沒想到會被這樣問。 伽利略說，正是如此，他感覺自己正在取代阿爾圖裡的角色。相機產生的資訊不會超過其各部分的總和。因此，至少就資訊而言，我們不需要呼叫超出其各部分的相機。我們不妨把它從有用的實體目錄中刪除，用奧卡姆剃刀把它切掉，然後堅持使用一百萬個光電二極體。Entia non sunt multiplicanda praeter necessitatem.
“這只是一個視角問題，”阿爾圖裡插話道，他似乎正忙著把菸斗裡冒煙的菸草倒在地板上。“你喜歡談論光電二極體並禁止相機，我可能更喜歡相機而鄙視光電二極體。”
並非如此，並非如此，伽利略急忙說道，想想以實瑪利。他本應看到 SONO 並理解“我存在”。但當他兩個大腦之間的連線被凍結，以實瑪利消失後，將沒有人能夠看到和理解 SONO，“我存在”。以實瑪和艾爾加在一起也無法彌補，因為一個看到 SO 並理解“我知道”，另一個看到 NO 並理解“不”。在這種情況下，與照相機不同，整體大於其各部分之和，不能簡化為它們；以實瑪利大於以實瑪和艾爾，SONO 不能簡化為 SO 和 NO。
“我想我明白了，”J 說。“整體在其各部分之上產生的、超出的資訊——稱之為整合資訊——是將以實瑪利與照相機區分開來的原因。阿爾圖裡，這看起來對嗎？”
“什麼才算對？”阿爾圖裡驚呼道，他正忙著用腳跟碾碎菸草。“如果一個系統狀態的分佈，如果它不能分解成其各部分分佈的乘積，就不可還原，這難道是對的嗎？當然，但這又如何呢？這有什麼特別的？有很多東西不能分解，不能在不損失的情況下拆分，但這一切對意識有什麼意義呢？此外，將一個系統劃分為多個部分有很多種方法，分解分佈也有很多種方法，你將得到不同的答案，這取決於你如何將它切成碎片。”
“沒錯，”J 說。“如果整合資訊與意識有關，那麼它不應該根據你如何劃分一個系統而改變。伽利略，難道不是這樣嗎？”
伽利略說，最關鍵的切割是最小切割，是最殘酷的切割——切穿系統最薄弱的環節，將它分成最強大的部分——這些部分本身產生儘可能多的資訊，而為整體留下的資訊儘可能少。
“太棒了，”J 說。“整合資訊是系統在其各部分之上產生的資訊，其中各部分是那些獨立存在時，產生最多資訊的部分。既然我們有了一個定義，我們需要一個符號來表示它。”
“如果你需要一個符號，它應該是 Φ，”阿爾圖裡說。“那是黃金分割的符號——將某物分成若干部分的正確方法。而最小切割揭示了整合資訊是多少，是正確地將一個系統劃分成若干部分的方法，難道不是嗎？你應該稱之為 Φ。”
伽利略說，那會很有趣。畢竟，黃金分割是由一位比薩同鄉，偉大的斐波那契研究的。
“這比那更好，”J 說。“Φ 就像現象學，就像經驗，而這正是意識的本質。”
伽利略說，這比那更好。Φ 有一個 I，代表資訊，和一個 O，一個圓，代表整合。那麼我們就叫它 Φ 吧。
“太棒了，”阿爾圖裡說。“既然你有了你的量和你的符號，讓我們看看接下來會發生什麼。顯然，每次一些元素相互作用時，你都會有一些整合資訊：一個不能簡化為各部分的整體。那麼，如果整合資訊與意識有關，正如你似乎認為的那樣，接下來發生的事情很簡單：接下來就是意識就像洋蔥。”
“拿我和我大腦中的神經元來說。當然，在我大腦的某個地方有我，但我並不孤單。如果你逐個剝離我的神經元，你會發現其他我，數百萬個我，每個都缺少一部分，但在某種程度上都有意識。我只是我眾多我中最有意識的，但那些被削弱的自我也有權主張自己的權利，只是我聽不到他們，但他們都在一路相伴。“
然後拿我的身體來說。毫無疑問，我的身體也是由相互作用的部分組成的，一個不能簡化為各部分的整體——無論是物理上還是資訊上——事實上，大腦本身只是其中一部分。所以身體也是另一種意識，一個比我想象的更大的洋蔥。它的 Φ 可能比我的小得多——它的最小切割可能相當弱，比如在我的脖子上——但它也在進行著自己的有限存在。自我的倍增，一種擴散，對此我一無所知，而他們對我一無所知。”
“但這並沒有就此停止。然後我們兩人在交談，不，我們三個人作為一個整體在相互作用，這個整體不能僅僅簡化為我們三個人獨立存在。一個思考著它微小的三位一體思想的聖三位一體。“
“然後是一個城市、一個國家，或整個世界，都是宇宙洋蔥的各個層次，它們中的每一個都有意識，有些多一些，有些少一些。”
“我明白了你的意思，”J 說。“然而，意識似乎只存在於我的頭腦裡一次，你的頭腦裡一次，伽利略的頭腦裡一次。那麼 Φ 就不是答案。”
伽利略說，洋蔥也必須用奧卡姆剃刀來剝皮。當你這樣做時，只會留下它的核心——整合資訊達到最大值的核心——在其餘部分脫落時，將一切聚集在一起的核心。
“所以意識不是洋蔥，它是洋蔥的核心！這確實取得了一些進展，”阿爾圖裡說。“但是，如果我和你交談，那又如何呢？難道你和我現在這樣交談，不會形成一個更大的核心嗎？”
伽利略再次用奧卡姆剃刀回答。你剛才說：“你和我，在交談。”“你和我，在交談”在物理上或資訊上都比一個想要把你和我混合在一起的嵌合體簡單得多。那個怪物沒有保持力，會在它各個接縫處破裂，你和我，那裡現實被雕刻成一個個獨立的實體。不要想怪物，而要想雨滴。在雨滴內部，分子之間的相互作用比與外部空氣的相互作用更強，因此會形成一個表面。雨滴是一個單一的實體，被包含在邊界內。當兩個水滴相遇時，它們要麼彈開並保持分離，要麼融合併成為一個更大的水滴。沒有重疊，也沒有其他水滴內的水滴。意識也可能是這樣：意識存在於整合資訊達到最大值的系統內，存在於它自己的水滴內。
“所以你理解的是這個，”阿爾圖裡說：“經驗不能簡化為比它更少的東西。確實令人印象深刻。”
J 沒有理會阿爾圖裡，轉向伽利略。“如果你是對的，我們應該給一個整體在其各部分之上產生的資訊達到最大值的系統起一個名字，也就是洋蔥的核心，意識的雨滴。一個複合體，也許？”
伽利略說，就這麼叫吧——一個複合體。
“所以複合體是意識存在的地方，”J 說。“在那裡，意識建立它的房子，豎起它的牆壁，而你就是裡面的東西，世界的其餘部分就是外面的東西。意識的房子是獨一無二的，不能被分享：只有一個，只有一個主人，它排除了所有其他人。”
尚不清楚阿爾圖裡是否喜歡這樣，但他接著說：“我想當你把這種分析應用於相機的感測器時，它會分解成單個光電二極體的複合體，每個光電二極體只能區分兩種狀態，開或關，但不會有對應於感測器的整合實體——一個複合體。但是，當你分析你的大腦時，你會發現其中一組神經細胞形成了一個大型複合體：一個可以以其各部分無法做到的方式區分大量狀態的複合體；以及一個以最大化方式這樣做的複合體，比任何其他神經細胞集合都多，比整個身體都多，比任何人群都多，比世界本身都多。”
伽利略說，正是如此。
“那我有東西給你，”阿爾圖裡說，並將一些筆記遞給伽利略。筆記來自弗裡克，上面畫滿了代表大腦各部分的圖表。有大腦皮層：沒有它，哥白尼永遠失去了他的意識。伽利略還記得他和弗裡克曾將皮質和丘腦比作一個大城市。圖表顯示，大腦系統的很大一部分形成了一個具有高 Φ 值的單一複合體。這是因為它的元素，不同的神經元組，專門用於不同的功能，但這些專家彼此交談——它們被整合到一個可以區分大量不同狀態的單一大型複合體中，每種狀態對應一種體驗。
還有小腦，它有更多的元素，但它們被分成許多不相互交流的小模組。它們中的每一個都形成一個小的、獨立的複合體，並且對於每個小複合體，Φ 的值都很低。伽利略想，就像光電二極體的集合一樣，並想起了普桑：沒有小腦，畫家的手會顫抖，但他的頭腦卻豐富而充實。
然後還有一些圖表解釋了為什麼你的眼睛可能是瞎的，但你的意識可以有內在的視覺，就像他那幅偉大寓言畫作前的盲人畫家一樣。它們顯示視覺輸入如何到達大腦皮層，影響其功能，但沒有成為產生意識的高 Φ 值的大型複合體的一部分。
還有他的朋友 M.，也表明所有從大型複合體伸出的神經，雖然對於說話和行動是必要的，但並沒有參與其中，因此對他的意識沒有貢獻。有伽利略的繆斯，女詩人和古岡巴琴演奏者，她們的迴路伸出並進入大型複合體，但迴路本身仍然在外面。這就是為什麼，伽利略想，如此多的神經過程讓我們理解語言，找到正確的詞語，或者說出它們，或者記住它們，完成驚人的壯舉，但仍然停留在意識的特殊領域之外。
最後還有以實瑪利，他的連線左右半球的神經纖維被分開，而大型複合體被一分為二，產生了兩個 Φ 值相似的意識，以實瑪和艾爾。其他較小的分裂，也許可以解釋為什麼特蕾莎能看見卻不知道，伽利略想。當然，在癲癇發作的狂亂中，或是在無意識睡眠的深波中，Φ 的值很低，因為可區分的大腦狀態的範圍肯定會縮小。
“你認為這也許可以解釋它嗎？”過了一會兒，J 問道。
伽利略說，意識就像一隻高貴的鳥，必須用方程式來捕捉。首先要抓住概念，然後用數學的語言來描述它。只有這樣，知道如何測量它，才能真正瞭解它是什麼。伽利略說，意識的本質可能就是整合資訊。
這可能是一種理解這個概念的方式——一種捕捉這隻鳥的方式：一種找到什麼是單一實體，是經驗核心的方式。
“有些事情仍然困擾著我，”J沉思著說。“大腦極其複雜，如此之複雜，以至於試圖透過方程式網路來理解它的奧秘，就像試圖用漁網收集大海一樣。大腦擁有的樹木比叢林還多，街道比大城市還多，可塑性比沙漠的沙子還強，變化比海浪還快。誰又能希望將沙丘無休止的搖擺、市場熙熙攘攘的交通、叢林樹冠中盤根錯節的樹葉和動物，簡化為一系列的方程式，或者更糟，簡化為一組數字呢？數學家們或許會編織他們的網路，但最終，恐怕他們什麼也抓不到。”
“別害怕，因為原則中蘊含著美，” 阿圖裡從遠處說道，J 轉過身去詢問伽利略。
但伽利略也走遠了。因為他在弗裡克筆記的末尾讀到了一些東西，一些他很久以前就認識到的東西：
哲學寫在這本宏偉的書——我說的是宇宙——它在我們眼前敞開著。但是，除非我們先學會理解它的語言，並瞭解它的文字，否則這本書是無法理解的。它是用數學的語言寫的，它的文字是三角形、圓形和其他幾何圖形，沒有這些，人類不可能理解其中的一個字；沒有這些，就像在迷宮中徒勞地徘徊一樣。
所以，伽利略在很久以來第一次覺得，他必須寫下他所學到的東西。這就是他寫下的內容
整合資訊衡量的是整體超越其各部分所能區分的程度，Φ是它的符號。一個複合物是Φ達到最大值的地方，那裡存在著一個意識——一個單一的經驗實體。
註釋 “整體大於部分之和” 這句話出自亞里士多德的《形而上學》，伽利略對此非常熟悉。威廉·詹姆斯認為整合是意識的關鍵，並努力理解它，正如本章中整合了他《心理學原理》中的一些節選所揭示的那樣。不幸的是，他從未成功，最終在懷疑和否認中放棄了，寫了一篇題為“意識是否存在？”的揭示性文章。詹姆斯的照片來自哈佛大學霍頓圖書館。 北銀河半球的全天夜景照片（左側）由 Tunç Tezel 在加那利群島拍攝；南銀河半球（右側）由 Stéphane Guisard 在阿塔卡馬沙漠拍攝。將兩張全天影像的地平線拼接在一起得到的圖片是 2011 年 7 月 30 日的每日天文圖片（兩個半球的故事）。 如果用 Φ （希臘字母 phi）衡量的整合資訊確實是人們聲稱的意識核心的重要概念，那麼本章以一種相當輕鬆的方式介紹了它。也許作者試圖不惜一切代價避免使用方程式，但結果遠不能令人滿意。在 Tononi 和 Sporns 的《BMC 神經科學》（2003 年）；Tononi，《BMC 神經科學》（2004 年）；《生物學公報》（2008 年）；Balduzzi 和 Tononi，《PLoS 計算生物學》（2008 年）；Tononi，《義大利生物學檔案》（2010 年，2011 年）中可以找到用方程式描述的 Φ 版本，但最終同樣令人不滿意。格雷戈裡·貝特森在《邁向生態心智的步驟》（芝加哥大學出版社，1972 年）中將資訊定義為“一個產生差異的差異”。克利的《成熟的收穫》收藏於德國漢諾威的施普倫格爾博物館。最後一幅肖像由阿爾欽博爾多繪製（伽利略不喜歡，並且以惡俗的方式進行了修改，如果不是惡意的話），被稱為亞當（夏娃的對應物，私人收藏）。