由《自然》科学杂志全球征询著名科学家，组织编写了一份关于基础科学奥秘研究的专题报告：“科学中最大的问题”。这份专题报告归纳总结了全球科学界所公认的当代科学所面临的6大基本难题。意识是什么？是被列为当代科学6大基本难题的第三个。下面，我们尽量用通俗易懂的方式来解说这篇报告论文（Nature:,S8-S12,,doi:10./d---x）。
意识是什么？意识就是你所经历的一切，是你头脑中所产生的对物体的感觉、对事情的认知、对事物的感情、对世界的观点等等。
为什么有意识？一个人所经历的，它的起源及其本质是什么？从古到今都是一个谜。许多心理学家、哲学家认为，意识是“自我感觉”到的“自我”的存在，是一种难以捉摸的特殊幻觉，永远无法通过自然科学的研究方式进行有意义的探索。
如果这个断言是真的，那么这篇文章就会觉得是多余的。但是，比如需要解释的是，为什么你、我和他（她）都相信我们都具有感觉。如果这种感觉是虚幻的，我们就将对许多问题的解决方案感到是虚幻的。
越来越多的研究者接受这样一个观点：意识作为一种给定的存在，应该试图理解它与自然科学所描述的客观世界的关系。现代科学家们开始在放弃对意识的哲学讨论（至少在亚里士多德时代以来就已经做的够多），而是寻找其物理的足迹。引起意识的大脑的物质存在是什么？如果能够了解这一点，有希望能够更接近解决基本的问题。
意识的神经元相关性
科学家们现在特别地寻求意识的神经元相关性（NCC：neuronalcorrelatesofconsciousness），其定义为，对任何特定意识体验的、具有共同性的、足够最小的神经元机制。比如说，你的大脑感到牙痛，一些神经细胞是否必须以某种神奇的频率振动？是否必须激活一些特殊的“意识神经元”？这些细胞位于哪个大脑区域？
在定义NCC时，限定符“最小”（minimal）很重要。毕竟，大脑作为一个整体可以被视为NCC，它可以日复一日地产生经验。但意识的具体所在位置需要进一步地探索。比如以脊髓为例，脊髓内一英尺半长的柔性神经组织管，约有十亿个神经细胞。如果脊髓因受到颈部创伤而被完全切断，会致腿部、手臂和躯干瘫痪，无法控制肠道和膀胱，也无法控制身体感觉。然而，这些四肢瘫痪者仍可继续体验各种生活，依然会看到、听到、嗅到、感知到，就像此事发生之前一样并未从根本上改变他们的生活。
或者考虑小脑，大脑后面的“小脑”，在进化术语中最古老的脑回路之一。它涉及运动控制，姿势和步态以及复杂的运动、运动序列的流畅执行。弹钢琴、打字、跳舞或攀岩，所有这些活动都涉及到小脑。它拥有大脑中最荣耀的神经元，称为浦金氏细胞（Purkinjecells,或Purkinjeneurons），它具有像海扇珊瑚一样传播的卷须，并具有复杂的电动力学。它还具有大多数神经元，大约亿，是大脑其他部分的4倍。
如果小脑的某些部位由于中风或外科医生的手术刀的闪失出现缺陷，会发生什么影响呢？影响很少！小脑病者会抱怨，例如钢琴演奏或键盘打字不再流畅，但并未失去意识。他们依然能听到、看到、感知良好，保持自我意识，回忆过去并继续筹划未来。即使出生时没有小脑，也不会明显影响个人的意识体验。
所有的小脑器件都与主观经验无关。为什么？在其回路中我们可以找到重要的提示，就是异常的均匀性与平行性（就像电池并联一样）。小脑几乎是一个前馈电路：一组神经元提供给下一组，再影响到第三组。不存在复杂的反馈回路来反复地传递电子活动。此外，小脑在功能上被分成数百个或更多个独立的计算模块。每一个都并行运行，具有不同的、不重叠的输入和输出，控制不同运动或认知系统的运动。它们几乎没有相互作用，这是意识必不可少的另一特征。
上面脊髓和小脑的范例表明的重要之点是，意识的精灵并不来源于任何神经的激发，需要更多的神经组织的被激发才会出现。这一附加因素存在于构成著名的大脑皮层的脑灰质中。它是一个相互复杂连接的神经组织的层压板状结构。两层之间高度叠合，有数以亿计的联结线路，即颅骨里的脑白质。目前所有证据都表明，感觉是由新皮质组织（neocorticaltissue）产生。
现在进一步地缩小意识的所在位置。举例来讲，实验中对左眼和右眼施以不同的刺激。假设左眼只看到特朗普的照片，而右眼只看到希拉里的照片。一般想象，特朗普和希拉里的图像会重叠在一起。实际上所看到的是：特朗普几秒钟，然后消失；希拉里出现，然后消失；特朗普重新出现，……，等。这两幅图景交替反复，神经科学家称此为“双眼竞争”。大脑得到的是一个模棱两可的输入，它无法决定：是特朗普，还是希拉里？
如果是躺在记录大脑活动的磁扫描仪内，此时会发现一大堆活跃的皮质区域，统称为后热区，处在皮质后部的顶叶，枕骨和颞区。它们在跟踪我们所看到的起着最重要的作用。奇怪的是，接收并传递从眼睛传出的信息的主要视觉皮层，不会发出主体看到的信号。类似的情况也适用于声音和触觉：初级听觉和初级躯体感觉皮层并不直接促成听觉或体感所经验的。相反，是在后热区的下一个处理阶段产生有意识的感知。
大脑结构
更有启发性的是两个临床体现的因果证据：皮质组织的电刺激，和由损伤或疾病引起的特定区域丧失后患者的研究。比方说，在移除脑肿瘤或患者癫痫发作的位置之前，神经外科医生通过用电极直接刺激它，来映射附近皮质组织的功能。刺激后热区可以触发多种不同的感觉和知觉。比如是闪光、几何形状、面部扭曲、听觉或视觉幻觉、熟悉或虚幻的感觉、移动特定肢体的冲动，等等。刺激皮质的前部是另一回事：总的来说，它不会引发任何直接经验。
第二种证据来源于20世纪上半叶的神经病患者的观察。外科医生有时不得不切除一大片前额皮质带，以去除肿瘤或改善癫痫发作。引人注意的是，这些患者出现的后遗症并不显着。额叶的一部分的损失确实带来某些不便：导致患者不适当的情绪或动作、运动缺陷、或不可控制的重复特定动作或单词。然而手术后，他们的性格和智商却得到了改善，继续地活了很多年。没有证据表明，即使去除热区所在的后皮层的小区域，会导致意识内容型的丢失，如患者无法识别面部或不能看到运动、颜色或空间。前额组织的严重切除并没显著影响他们的意识体验。
所以，我们所体验到的生命中的景象、声音和其他感觉，看来是由后皮层内的区域产生的。几乎所有有意识的经历都来源于此。这些后部区域和大部分前额叶皮层之间的关键区别是什么？这些差异是否直接导致主观的内容？这些我们还不知道。即便如此，令人兴奋的是，最近的一项发现表明，神经科学家可能会越来越近，开始在揭开长期困扰哲学家的神秘面纱。
意识仪表
对于如何能够可靠地检测受损或丧失能力的个体中是否存在意识的装置，这种需求一直未能满足临床的需要。例如，在手术期间，患者被麻醉，以使他们保持不动，使他们的血压稳定并且消除疼痛和创伤的知觉。遗憾的是，这个目标并不总是得到满足，每年有数百名患者在麻醉下有一定的意识。
另外，由于意外，感染或极度中毒而患有严重脑损伤的一类患者，即使无法说话或回应口头要求，也可以存活多年。如何确定他们对生活的体验，是对临床艺术的严峻挑战。这犹如设想宇航员漂浮在太空中，试图联系听取任务控制指令。可是通讯系统出了毛病不能交流，宇航员似乎迷失了世界，大脑会处于一种孤立状况，一种极端形式的单独禁闭。
在21世纪初，威斯康星大学麦迪逊和意大利米兰大学的神经学家和物理学家团队开创了一项名为链条压缩(zapandzip)的技术，以探究某人是否有意识。科学家们在头皮上夹着一层护套线圈并“敲打”它，向头骨发出强烈的磁能脉冲，在头骨下面的神经元中产生短暂的电流，扰动激发并抑制连接区域中神经元的伴侣细胞，在链中回荡穿过皮层，直到活动消失。位于颅骨外部的脑电图（EEG）传感网络记录这些电信号。当它们随着时间的推移展开时，这些痕迹，每个都对应于头骨下方大脑中的特定位置，产生一套影象。
这些展开的记录既没有描绘出一种刻板的模式，也不是完全随机的。引人注意的是，这些敲打及其减慢的节奏越可预测，大脑就越有可能失去意识。研究人员通过使用常用于“压缩”计算机文件的算法，压缩这套影象中的数据来量化这种直觉。这个链条产生了对大脑反应复杂性的估计。清醒的志愿者的“扰动复杂性指数”在0.31和0.70之间，在深度睡眠或麻醉时降至0.31以下。研究团队对48名脑损伤但有反应和清醒的患者进行了测试和测试。发现在每种情况下，该测试都证实了意识的行为证据。
该团队对81名患有最低限度意识或处于植物人状态的患者进行了链条压缩测试。对于显示出一些非反射行为迹象的前一组，该方法正确地发现38名患者中有36名有意识。只有两名患者误诊为无意识。在所有临床尝试建立沟通失败的43名植物人患者中，有34人被标记为无意识，但有9人没有。他们的大脑对那些有意识的控制的反应相似，暗示他们有意识却无法与亲人沟通。
正在进行的研究旨在为神经病患者标准化和改善链条压缩测试，并将其扩展到精神科和儿科患者。科学家迟早会发现产生任何一种体验的特定神经机制。虽然这些研究结果具有重要的临床意义，可能为家人和朋友提供帮助，但这些还不能解答一些基本问题：如为什么是这些神经元而不是那些神经元？为什么是这个特定的频率而不是那个特定的频率？
事实上，一直不解的谜团是，任何高度组织化的活跃物质，是如何以及为什么引起有意识的感觉的。毕竟，大脑就像任何其他器官一样，受到与心脏或肝脏相同的物理定律。是什么让它与众不同？这么一大块高度兴奋的大脑物质的生物物理学是什么？它如何将灰色粘性物质形式生成了，作为日常体验的构建快的，如清晰的立体声和光彩夺目的颜色？
最终我们需要的，是一种令人满意的科学意识理论，它可以预测任何特定物理系统：无论是神经元还是硅晶体管的复杂电路，都具有体验。此外，为什么这些体验的质量会有所不同？为什么清澈的蓝天与严重走调的小提琴的尖叫的感觉是如此不同？感觉上的这些差异作用是否存在？如果有，那是什么？这样的理论将使我们能够推断出哪些系统会经历什么样的事情。但是还没有一个可测试预测的理论。任何关于智能机器意识的猜测，都完全是基于我们的直觉。科学发展史表明，直觉并不是一个可靠的指导。
有两种流行的意识理论，出现了激烈的争论。一个是全球神经元工作区（GNW）理论。该理论从观察出发，当意识到某事时，大脑的许多不同部分都可获得这些信息。如果是无意识行为，该信息被本地化为所涉及的特定感觉运动系统。例如，当快速键入时，会自动执行此操作。当被问到是怎么做到的时候不会知道：很少有意识地获取这些信息，而这些信息也恰好局限于连接眼睛和快速手指运动的大脑电路。
走向基本理论
这个理论认为意识源于特定类型的信息处理。从人工智能的早期，当专门的程序访问一个小的共享信息库时，人们就熟悉这一点。无论在这个“黑板”上写入什么数据，都可以用于许多辅助流程：工作记忆，语言，计划模块等。根据这个理论，当记入到这样的黑板上的传入感官信息被全局传播到多个认知系统时意识出现。多个认知系统处理这些数据，从而可以交谈、存储或调用存储器、或执行动作。
由于黑板的空间有限，只能在任何特定时刻发现一些信息。传播这些信息的神经元网络被假设位于额叶和顶叶。一旦这些数据在该网络上传播并且全局可用，则信息变得清醒。也就是说，主体意识到了这一点。虽然目前的智能机器还没有达到这种认知复杂程度，但这只是一个时间问题。全球神经元工作区理论认为未来的计算机将是有意识的。
另一种理论是综合信息（IIT）理论。其突出的出发点是经验本身。每种体验都有一定的基本属性。它是内在的，仅作为其“所有者”的主体存在；它是有条理的；它与任何其它有意识的体验具体不同。而且，它是统一而不可分的。当你在温暖而阳光明媚的日子，坐在公园的长椅上，看着孩子们玩耍，体验不同的部分，如吹在你头发上的微风、或听到孩子快乐的笑声。如果所经验的没有停止，这种经验就不能被划分成几个部分。
这个理论假定，任何复杂且相互关联的机制，其结构编码一组因果关系将具有这些属性，因此将具有一定程度的意识。从内到外会感觉像是什么。但是，如果像小脑一样，机制缺乏整合和复杂性，它就不会意识到任何事情。综合信息理论认为，意识是与人类大脑等复杂机制相关的内在因果力量。
这个理论还从潜在的互联结构的复杂性中推导出一个非负数Φ来量化这种意识。如果Φ为零，则系统不会感觉到任何东西本身。相反，这个数字越大，系统拥有的内在因果能力就越强，它就越有意识。具有巨大且高度特异性连接的大脑具有非常高的Φ，这意味着高水平的意识。
这个理论解释了许多观察结果，例如为什么小脑对意识没有贡献，以及解释为什么链条压缩测量仪工作机理。仪表测量的数值是Φ的粗略近似值。
这个理论还预测，即使数字计算机能够以与人类无与伦比的方式交流，也无法模拟人脑的复杂意识。意识编程永远不会创造出有意识的计算机。意识无法计算：它必须建立在系统的结构中。
未来将面临两大挑战。一种是利用我们所掌握的日益完善的工具，来观察和探索构成大脑的高度异质神经元的广泛联结，以进一步描绘神经的意识足迹。考虑到中枢神经系统的极端复杂性，这项工作需要数十年的时间。另一种是验证或证伪当前的理论。或者，或许，从当前的理论片段中构建一个更好的理论，它将令人满意地解释我们存在的核心难题：具有豆腐般稠度的三斤重的大脑器官，如何散发出生命的感觉。