本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，反映了作者的觀點，不一定反映《大眾科學》的觀點
編者注：活細胞的結構由內部和外部之間的差異定義。多年來，生物學家們不遺餘力地記錄細胞膜開口的微小運作方式，這些開口允許氫、鈉、鈣和其他離子穿過包圍細胞及其內容的屏障進入細胞內部。
五位腦科學學者在這些觀察的基礎上提出，這些活動可能為理解意識以及構成意識基礎的一些認知過程提供基礎理論。他們認為，當動物細胞向外界開放和關閉自身時，這些行為可以被理解為不僅僅是對外部刺激的反應。事實上，它們構成了動物王國中感知、認知和運動的基礎——並且可能構成意識本身的基礎。
這五位作者分別是紐約大學神經學教授奧利弗·薩克斯；南加州大學的安東尼奧·達馬西奧和吉爾·B·卡瓦略；日本大阪關西大學的諾曼·D·庫克和加拿大安大略省布魯克大學的哈里·T·亨特。他們以公開信的形式向艾倫腦科學研究所所長克里斯托夫·科赫、《大眾科學 MIND》專欄作家（意識再探）和《大眾科學》顧問委員會成員提出了他們的想法。閱讀這五位作者的觀點，然後繼續閱讀科赫的回應。
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致克里斯托夫·科赫博士的公開信
尊敬的科赫博士：
《大眾科學》和《大眾科學 Mind》定期提出與意識問題相關的新聞話題。我們想鼓勵一種方法，儘管這種方法在進化論中根深蒂固，但在現代時代卻在很大程度上被忽視了——並且尚未成為本刊發人深省的系列文章的主題。
該方法需要將意識的潛在屬性追溯到原生動物[單細胞生物]的水平，以便識別出基本的細胞水平機制，當這些機制在複雜的神經系統中放大時，會產生通常被稱為“心智”的屬性。未解答的問題是：活細胞的哪些特徵最終導致了各種更高層次的心理現象，而這些現象顯然是某些動物生物所獨有的？這個問題本質上關係到生物功能——並且與可能在矽系統中實現的“資訊處理”方法不同。
從生物學的角度來看，我們認為最低級別的候選機制是膜“興奮性”：某些型別的活細胞在幾毫秒內感知和響應刺激的非凡能力。鑑於所有活細胞都具有包膜膜並與其外部世界交換物質，因此僅代謝活動、生化穩態[保持細胞系統平衡]，或細胞自身與外部世界之間邊界的單純存在，不太可能足以解釋心智的起源。相反，跨生物膜的物質交換動力學在不同細胞型別之間差異顯著。理解這些差異可能與解釋意識有關。
重要的是，已知原生動物“易激性”的潛在機制與後生動物（動物）中所有三種主要型別的可興奮細胞（即感覺受體細胞、神經元和肌肉細胞）的過敏性機制相同。這些機制本質上是某些孔的開放和關閉，這些孔允許某些離子自由穿過細胞膜。簡約性表明，帶正電的離子（陽離子）突然湧入鹼性細胞質——膜興奮性的確切定義——是細胞“意識到”其環境（“感知”）的關鍵現象。換句話說，使具有可興奮膜的細胞如此不尋常的是它們對外部刺激後威脅擾亂細胞穩態（通常鹼性細胞內部輕微酸化）的靜電擾動的反應。為了產生動物生物的更高層次的“意識”，這些大量可興奮細胞的活動必須同步（以尚待確定的方式）才能實現連貫的生物體水平行為。
這種帶正電的靜電“衝擊”訊號表明檢測到潛在危險（最關鍵的是質膜破裂和略微酸性的“海水”湧入），這種情況發生在毫秒之內。在單細胞原生動物中，大多數反應是簡單的運動，以響應鞭毛、纖毛或偽足中的化學刺激，這些運動由細胞質中離子的濃度決定。在包含數十億個感覺受體細胞、神經元和肌肉細胞的動物中，這些反應被協調成某些肌肉組織的目標導向運動活動。
自從霍奇金和赫胥黎在 20 世紀 30 年代的工作以來，膜興奮性當然已成為神經科學的中心舞臺。但對動作電位的關注，特別是關於其在細胞內訊號傳導中的作用，最終導致稱為神經遞質的化學物質的釋放。這種關注忽略了陽離子內流本身的生物學意義。我們假設感知、意識以及最終靈長類動物的自我意識的“難題”始於可興奮細胞對威脅擾亂細胞穩態的外部刺激的反應。正如植物生理學家所指出的，動物細胞在響應環境刺激方面並非獨一無二，在誘導整個生物體的反應方面並非獨一無二，甚至在產生動作電位方面也並非獨一無二。然而，動物神經系統中神經元的過敏性在快速招募其他類似的可興奮細胞以驅動可以恢復生物平衡的行為方面確實是非同尋常的。因此，我們認為動物生物的更高層次的意識本質上是數十億個可興奮細胞協調“易激性”的結果。
早期的進化論學家（喬治·約翰·羅馬內斯、赫伯特·斯賓塞·詹寧斯、阿爾弗雷德·比奈和查爾斯·達爾文字人）對即使是單細胞“小動物”也表現出的看似目標導向的行為印象深刻——儘管完全沒有神經系統。他們的興趣顯然集中在細胞和亞細胞現象上，但正確理解離子通量在產生膜興奮性中的作用還需要一個世紀的時間。離子通道的遺傳學和生理學方面的最新進展表明，細胞質靜電平衡的破壞和恢復對於神經元和小動物前所未有的感知能力至關重要，這既說明了原因，也說明了方式。
如上所述，考慮陽離子內流為“感知火花”的定性論證或許已經合理，但定量細節還需要進一步研究。正如可興奮膜科學的最重要貢獻者伯蒂爾·希勒所總結的那樣，陽離子內流的感知意義在例如魷魚的巨大運動軸突中不太可能很強。儘管魷魚軸突的大直徑使其成為實驗研究的理想選擇，但這種運動神經元的巨大體積也意味著其動作電位導致電壓梯度發生異常小的變化（僅為 1/105）。相比之下，大多數動物神經系統的小樹突和軸突中的感覺電位和動作電位（其中陽離子內流導致離子含量變化 10%）更有可能與感知相關，因此更可能成為激勵刺激。這些會是點燃“意識”並最終驅動動物行為的細胞水平現象嗎？這是構成“心智”並最清楚地區分植物的平靜存在和動物的活潑好動行為的相關膜生物學嗎？
此致，
諾曼·D·庫克
安東尼奧·達馬西奧
吉爾·B·卡瓦略
哈里·T·亨特
奧利弗·薩克斯
諾曼·D·庫克，日本大阪關西大學教員；安東尼奧·達馬西奧和吉爾·B·卡瓦略，南加州大學腦與創造力研究所；哈里·T·亨特，加拿大安大略省布魯克大學教員；以及紐約大學神經學教授奧利弗·薩克斯。
克里斯托夫·科赫對庫克及其同事的回應
尊敬的同事們：
和你們一樣，我也是離子、膜結合通道的愛好者，我經常在自己的寫作和教學中參考伯蒂爾·希勒關於這個主題的鴻篇鉅著。
我完全同意你們的觀點，即陽離子內流在細胞興奮性中至關重要。沒有它，我們就不會有意識。當然，如果沒有心臟跳動、充足的含氧血液流動、適當的神經調節化學物質（例如皮質-丘腦系統）充斥各個大腦區域等等，我們也不會有意識。這些都是意識發生的背景條件，但它們本身是不夠的。還需要更多。
在大發作性癲癇發作期間，皮質被超同步的放電活動吞沒；也就是說，大量的陽離子流入細胞，患者迅速失去意識。事實上，如果不加以控制，癲癇發作活動可能導致癲癇持續狀態和死亡。因此，對於意識而言，重要的不僅僅是陽離子內流，而是這種內流在時間和神經元之間的模式。
正如安東尼奧·達馬西奧（大腦損傷患者結構喪失推斷功能的現代大師之一）所知，基底神經節或小腦等區域的喪失（人類大腦中五分之四的神經元的所在地）不會明顯影響意識的存在或內容。這些結構似乎對感知沒有太大貢獻，即使它們包含美麗的、形狀各異的神經細胞以高速率發射動作電位。因此，對於意識而言，重要的不僅僅是陽離子流入任何大腦結構中的任何神經元，而是哪些特定結構中的哪些神經元處於活動狀態。
此外，如果宇宙誕生時的初始條件略有不同，我們生活在一個由反物質而不是物質主導的世界中，那麼在我們宇宙中帶正電的氫 (H)、鈉 (Na) 和鈣 (Ca) 離子的內流可以等效地被這個替代宇宙中帶負電的 H、Na 和 Ca 離子的內流所取代，而細胞興奮性的機制沒有任何變化。因此，重要的不僅僅是流入細胞的陽離子，而是帶電離子內流對系統的整體因果效應。
這需要對高度組織化和可興奮的物質如何支援我們存在的中心事實——主觀體驗——進行有原則的、分析性的、規範性的、經驗可檢驗的和臨床有用的解釋。
膜興奮性將在這裡發揮作用，但只是眾多其他因素和考慮因素之一。事實上，將注意力集中在離子通道上來理解意識（一種典型的系統級屬性），就像試圖透過關注電子如何流入電晶體的柵極來調節電晶體另外兩個端子之間的電流來理解網際網路的本質一樣有用。是的，電晶體是數字機器計算能力的基礎。但我們日常使用的網際網路的屬性——其近乎普遍的可訪問性及其幾乎即時檢索地球上任何地方的晦澀文章、部落格、書籍、音樂檔案和影片的能力——更多地與網路資訊的索引和檢索方式有關，以及構成網路的數十億臺計算機的互連方式有關，而不是與半導體的詳細物理學有關。
最後，單細胞生物、蠕蟲或其他比擁有大型哺乳動物大腦簡單得多的簡單後生動物是否具有感知能力，這是一個完全不同的問題。我確實與信件作者們有同樣的預感，即“作為一條蠕蟲可能是一種感覺”。然而，這是一個目前無法以任何有意義的經驗可訪問的方式回答的問題。
克里斯托夫·科赫
更多探索
從膜興奮性到後生動物心理學。諾曼·D·庫克、吉爾·B·卡瓦略、安東尼奧·達馬西奧，《神經科學趨勢》，第 37 卷，第 12 期，第 8-14 頁，
植物和蠕蟲以及其他生物的精神生活。奧利弗·薩克斯，《紐約書評》，第 LXI 卷，第 7 期，第 4-8 頁，2014 年 4 月 24 日。
情感的本質：進化和神經生物學起源。安東尼奧·達馬西奧、吉爾·B·卡瓦略，《自然評論神經科學》，第 14 卷，第 145-152 頁，2013 年 2 月。
意識：一位浪漫還原論者的自白。克里斯托夫·科赫，麻省理工學院出版社，2012 年 4 月。
自我湧現：構建有意識的大腦。安東尼奧·達馬西奧，Vintage，2010 年。
感覺轉導。戈登·L·費恩，Sinauer 出版社，2007 年。
可興奮膜的離子通道。伯蒂爾·希勒，Sinauer 出版社，2001 年。
論意識的本質。哈里·T·亨特，耶魯大學出版社，1995 年。