当某个意识与某个脑状态相对应的时候，就会发生一些事情，对此只有科学的洞察才能真正有所贡献。在它面前，过往的一切成就都将黯然失色。
——威廉·詹姆士（William James，1899）
你驻足欣赏深蓝色的花朵；孩子滑稽的动作让你觉得愉悦；肩关节炎让你感到疼痛；聆听韩德尔的弥赛亚（Handel's Messiah），乐曲的宏伟庄严感染了你；你为朋友的病痛感到难过；你感到对一项工作你能作出自由意志的选择，即做什么和如何去做；你觉知到自己的思想、信念和奇思妙想；你觉知到自己的自我是一个真实的、有反应的存在。
所有这些感受（feeling）与觉知（awareness）都是主观的、内在的生活的一部分。在唯有正在体验到它们的个体才能通达它们的意义上，它们是主观的。它们在对物理大脑的观察中既非显而易见，也不能被这些观察所描述。
作为人，我们的主观内在生活对于我们至关重要。可是我们对它是如何出现的以及它在我们有意识的行动的意志中起什么作用等问题却所知甚少。的确，我们知道物理的脑对于我们有意识的主观体验是不可或缺的，而且密切地参与了这些体验的显示（manifestations）。
这个事实引起了一些本质上重要的问题。
1.1 问题：脑活动与心智功能的关联
毫无疑问，适当的神经细胞活动会影响主观体验的内容，甚至是它的存在，反之亦然吗？也就是说，在实施一个自由自愿的活动（freely voluntary act）中，我们有意识的意图真的能够影响或指导神经细胞的活动吗？
我们的主观体验基于广泛分布的网络，这些网络是由位于大脑各个独立区域的成千上万的神经细胞构成的，而我们的体验（如一个视觉意象（image））是如何以一种统一的形式主观地表现出的呢？
当我们考虑意识体验，就会出现一个更进一步的重要问题。我们的心智功能有许多是无意识地完成的，它们并没有被我们有意识地觉知到。在后面的章节中，我们会涉及大量的佐证这一论断的实验和临床证据。当然，西格蒙德·弗洛伊德（Sigmund Freud）还有其他一些人突出地揭示了无意识的心智过程在我们的情感生活中所发挥的作用。基于当下的兴趣所在，我们的问题是：脑是如何在有意识和无意识的心智事件之间作出区分的？
最后，这些问题中最神秘的则在于，脑中神经细胞的物理活动是如何产生非物理的现象：有意识的主观体验，包括对外在世界的感官觉知、思想，对美的感受、灵感、灵性、深切的情感？如何才能沟通物理（脑）与心智（我们有意识的主观体验）之间的鸿沟呢？
面对这些深邃的问题，人们已经给出了许多回答（例如，Hook，1960）。尽管近年来神经科学家已经开始加入进来，但这些回答主要仰仗的还是哲学和宗教。宗教的方案很明显是形而上学的信念，这些信念无法加以科学的验证。那些来自哲学家的方案在很大程度上提供的是大多无法验证的理论思辨的模型。
正像科学哲学家卡尔·波普尔（Karl Popper，1992）所指出的，如果一个方案或假设不能够以一种潜在被证伪的方式加以验证，那么这一方案就能够提供任何观点而不会面临遭遇矛盾的可能性。如此一来，一种方案就可以提供任何观点而不会被否证。不仅是哲学家和神学家，甚至是有些科学家也提出了在这一意义上无法验证的方案。许多科学家都热衷于认为他们自己的实验研究——例如，在免疫学、电动控制、理论物理学或者宇宙学领域的研究——为意识体验和脑的本性作出有根据的思考提供了基础。虽然这些思考常常都是很有趣味的，但它们多半都无法验证。虽然如此，有些方案还是提供了处理这些问题的有启发意义的科学方法，而有些哲学分析则有助于明确问题的本性，并且对一个人能够期望获得何种答案设置了某些限制。
本书无意对这些领域的文献提供一个全面的回顾，它的目标是要表明借助实验处理脑与意识体验的关系问题是可能的。我们自己的研究产生了一些直接的发现，这些发现具有至关重要的含义，而它们形成了本书的主要内容。我们的颅内生理学观察与由清醒的人类被试所做的意识体验的报告之间存在直接的关系。在这一兴趣领域，这个进路相对来说是独特的。我们会讨论相关的实验研究和哲学观点，以便帮助读者理解我们的研究（探索人类大脑的一般历史，参见Marshall and Magoun，1998）。
1.2 有关心智和物质的一般观点
处于一极的是决定论的物质论立场。按照这种哲学，唯一的实在是可观察的物质，万事万物，包括思想、意志和感受，只能根据物质和支配物质的自然法则加以解释。卓越的科学家弗朗茨·克里克（Francis Crick，遗传分子密码的共同发现者）简洁地表达了这一观点（Crick and Koch，1998）：“你、你的快乐与悲伤、记忆与渴望、你对人格同一性与自由意志的感觉，事实上只不过是数量众多的神经细胞及其相关的分子的集群行为。就像刘易斯·卡罗尔（Lewis Carroll）的书中人物爱丽丝（Alice）所说：‘你不过是一堆神经元（神经细胞）’。”按照这种决定论观点，你对自己和对周围世界的觉知仅仅是神经活动的副产品或副现象（epiphenomenon），它们并没有能力来影响或控制神经活动。
这种立场是一种获得证明的科学理论吗？我会毫不犹豫地说，这种决定论的物质论观点是一个信念系统，而并非是一个已经由直接的检验证实的科学理论。的确，对于心智能力，甚至是人格的本性依赖于并且有可能是受控于脑的具体结构和功能的各种方式，科学发现不断提供强有力的证据。尽管如此，单凭物理证据并不能直接地描述或解释主观觉知，包括灵性的感受、创造性、有意识的意志和想象。
作为一个研究这些问题30多年的神经科学家，我的看法是，对于神经功能的知识并不能预测这些主观现象。这与我早年还是一个年轻科学家时的观点相左，那时，我相信决定论的物质论是正确的。我当时40岁，还没有开始研究意识体验的脑过程。而目前所掌握的物理学并不能确保对觉知这种现象及其相关方面作出解释。
事实上，有意识的心智现象既不能被还原到我们对神经细胞活动的知识，也不能由这种知识获得解释。人们可以观察脑，可以看到神经细胞间的联系，看到极其丰富的神经信息不断地涌现，但你不会看到哪怕一丁点的有意识的主观的心智现象。只有通过经历这些现象的个体的讲述，人们才会对此有所了解。
弗朗茨·克里克将自己的物理主义-决定论的观点称之为惊人的假说，以此来展示他的科学的信条，他寄望未来的发展能对这个假说作出更加充分的响应。但许多科学家和哲学家好像还没意识到他们所持有的决定论是奏效的这样一个严格的观点其基础仍旧只是一个信念。事实上，对这个信念的真假他们还没有给出回答。
实际上，即使是非心智的物理世界也存在混沌的行为使得对事件不可能作出决定论的预测，而且还表现出不确定性（量子理论）。在一次关于这些问题的小型会议上，有人问杰出的理论物理学家尤金·魏格纳（Eugene Wigner），物理学是否终将对意识作出解释。魏格纳回答说：“物理学甚至不能解释物理现象（Physics can’t even explain physics），更不要说意识了。因此，更有意义的问题将是：有意识的体验这种现象及其与物理的脑的关系完全遵循已知的关于物理世界的法则和规律吗？”（后面对此将有更详细的论述）
心智与脑相互独立的二元论信念是与决定论的物质论相对立的另一极。二元论的宗教版本会相信存在灵魂，在有生之年，灵魂以某种方式是肉体的一部分，而在肉体死去以后，它会与肉体分离，前往各个确定的不朽的终点。
我要毫不犹豫地说，作为信念，二元论完全站得住脚。对于其他大多数哲学与宗教方案也同样如此。没有任何科学证据与这些信念直接相左，实际上科学知识对这些信念是无能为力的（参考前面描述的卡尔·波普尔的立场）。
爱因斯坦提出，光也像物质一样受到引力的影响，对这个思想的证实是对科学活动过程的一个美妙的例证。要证实引力对光的效应，无论如何要求光要经过一个质量巨大的物体，而这个质量远非地球上的任何东西可比。难以提供一个适当的测试阻碍了人们彻底地接受爱因斯坦的观点。幸运的是，在1920年左右发生了一次日全食。来自于太阳另一侧的恒星的光线从太阳近前经过到达地球，在日全食发生的过程中，人们观测到了这样的光线。事实上，当光线由于受到太阳的“拉扯”在其路径上变弯，恒星看起来的位置就改变了。要是光线没有变弯，爱因斯坦的观点就会是错误的（与观测相矛盾）。
1.3 存在关于心-脑问题的科学进路吗？
对于有意识的主观体验是如何出现的这个问题是否有什么方式可以让人们获得令人信服的知识呢？可以基于可观察的证据做到这一点吗？
首先，我们必须承认，脑是实现有意识和无意识的心智功能的物理器官。我们知道，脑的适当的功能和结构对于生命的必要性是无可置疑的。没有任何客观的证据表明离开了脑还存在意识现象（如上所述，并不能排除对可分离的有意识灵魂的信念）。完全切断脊髓与脑的联系所造成的后果也许是最令人信服的证据，它表明，至关重要的不是任何其他的身体结构，而是脑。在那些造成颈部断裂的事故中，这样的不幸事件时有发生，近来广为人知的、发生在演员克里斯托弗·里弗斯（Christopher Reeves）身上的事故就属于这种情况。（1）里弗斯仍旧是那个事故以前同样的有意识的人，但是他完全丧失了对颈部以下身体运动的控制，包括呼吸运动，以及从身体通过脊髓神经传向大脑的所有感觉。经由脊髓连接到脑的神经通路的中断是造成颈部以下感觉与运动控制丧失的原因，而所有基于与头部完整的神经联系而产生的重要的感觉都没有丧失。如果大脑运转正常，颈部断裂的病人仍旧能觉知到自己的思想、感受以及自我。
另一方面，取决于损伤的部位，脑本身的损伤则可能造成各种意识功能的丧失，甚至是意识的永久性丧失。正是脑功能的丧失正确地定义了有意识的人的生命的终结，即死亡。即使是身体的其他部分（包括脊髓、骨骼肌、心脏）仍旧运行的情况下也是如此。事实上，在脑死亡的情况下，其他的器官或组织还可以移植给其他的人。
早先，心脏常常被看作是意识和情绪感受（emotional feelings）之所在（参见Aristotle），但是移植他人的心脏（甚至是安装一个机械装置）并没有改变个体的情绪构成或体验。
所以，对有意识的体验所提出的问题，我们能够期待成功地获得什么样的基于事实的答案？我们目前又已经获得了哪些答案呢？原则上说，可以对脑活动如何与有意识和无意识的心智功能相关联这个重要的问题进行描述的和实验的研究，但要做到这一点，我们需要先对有意识的主观体验给出一种可操作的定义——对研究实际可行的定义。
我们的起点是这样一个铁的事实：只有体验者本人才能直接地通达那个有意识的主观体验。因此，对于外部观察者而言，唯一有效的证据就只能来自主体对体验的内省报告。
1.4 对主观体验的内省报告
同哲学家一样，科学家一直在冥思心脑是如何联系的。但是，直到最近，包括神经科学家，还很少有人尝试直接通过实验来研究大脑的神经细胞活动是如何参与有意识的主观体验的产生或出现的。为什么会是这样呢？除了用人类被试做这样的实验所面临的技术困难之外，哲学上的障碍也不可小视。
在学术共同体中，人们往往不愿意涉足这样的研究，这些研究要用到来自对主观体验作出内省报告所得出的材料。这种消极的态度在很大程度上是由于心理学中的行为主义和哲学中的逻辑实证主义，在20世纪的前75年，它们占据着主导地位。在这些学说看来，只有可直接观察的事件才有资格成为科学的素材。内省报告与实际的主观体验只有间接的联系，也就是说，他们所报告的是一些并不能由研究者直接观察到的事情，这些报告是一些不可采信的观察。可是，除非能够发现一种途径获得有效的内省报告，否则科学家就绝不可能研究有意识的心智如何与脑相联系这个极其重要的问题。已故伟大的物理学家理查德·费曼（Richard Feynman）说：“我只是期待对世界有更多的发现？？无论它出现的方式是什么，它就是自然，它依其所是的方式出现！所以，当我们踏上探索之路，我们不要去预先决定我们要去发现的是什么。”
当然，我们必须承认内省报告并不提供关于体验的绝对证据。（顺便插一句，物理学家们同意即使是严格的物理测量也不能要求绝对的可靠性。）正如勒内·笛卡尔（René Descartes）、贝克莱主教（Bishop Berkeley）等人所提到的，唯有一个人自己的主观体验是他能够绝对确定的。然而，在日常的社会交往中，我们通常都会接受其他人对体验的内省报告，把这些报告当作是对他们体验的有意义的反省，尽管我们也会试图评估这些报告的正确性。
诚然，体验的转换和传达，也就是体验的报告有可能失真，但将研究限定在那些非常简单，不包含情绪内容的体验还是可能的。这些体验的可靠性甚至也能被检验。在我们的研究中用的是非常简单的感觉体验，在这些体验中没有会造成对体验的报道失真的情绪内容。进一步地，通过以研究者可控的方式改变感觉输入，并比较通过这一方式引出的不同报告，我们还能检测报告的可靠性。因此，对可以获得一种方法来科学地研究主观体验这一点应该是没有什么疑问的。
我应当补充一点，那就是，并非一定要通过言语和口头的表述来作出内省报告。不诉诸言语的报告，比如敲击适当的按键指示一个感觉是否已经被被试感觉到，是完全能接受的，只要被试理解了这个指示事实上代表了一个主观的内省体验。
在我还是大学生的时候，我意识到言语表达并不能完全充分地表征实在。受制于我们如何理解词语，言语表达仅仅是对实在近似的表征。因此，我决定用一种非言语的方式来思考实在，也就是说，用一种完全整合的和直觉的方式来把握真实情况。在后来对实验问题的思考中，我实际上的确倾向于用非言语的方式审视这些问题。
在科学的看待内省报告的用处这方面，认知心理学在20世纪70年代以来的发展起到了主要作用。认知科学家想要处理诸如人们知道什么，感受到什么，以及它们又是如何与实在相关联这样的问题。要研究这些问题，就只有让人们讲述他们自己的主观体验。我将提到，在心理学家中仍旧有传统的行为主义者，而还有一大批哲学家墨守着与行为主义相关联的被称为功能主义的运动。
我没有等着认知科学的支持，从20世纪50年代后期，我就开始在我们的研究中使用内省报告。作为心理学家，我对这个问题的处理没有乞灵于行为主义或功能主义。从一开始，我的态度就是，可以像对待任何可观测的脑功能一样来研究和处理有意识的体验。作为一个实验科学家，无论是过去还是现在，我都坚信一个人对意识体验的报告应当被看作是主要的证据。这些证据不应当被削足适履以便符合于关于意识本性的一种先入为主的观点或理论。除非其他的证据确凿无疑地影响了内省报告或者与内省报告相矛盾，否则就应当像看待其他客观证据一样看待通过适当的方式获得的对有意识体验的内省报告。事实上，当我发现行为科学家的支配性的意见（a controlling body of opinion）与我的并不一致时，我感到很惊讶。其实，由国家健康研究所的行为科学家组成的访问团曾经对我说，我所从事的并不是一个合适的研究主题。他们否决了我对一项研究经费的申请。
有趣的是，在那些世界顶尖的实验神经生理学家那里，我倒没有看到如此这般的异议。这些人包括，阿德里安勋爵（Lord Adrian）、约翰·埃克尔斯爵士（Sir John Eccles）、赫伯特·加斯帕（Herbert Jasper）、查尔斯·菲利普斯（Charles Phillips）、维尔德·彭菲尔德（Wilder Penfield）、罗杰·斯佩里（Roger Sperry）、弗雷德里克·布雷默（Frederic Bremer）、拉格纳·格拉尼特（Ragnar Granit）、安德斯·伦特伯格（Anders Lundberg）、罗伯特·多蒂（Robert Doty），以及霍华德·谢弗林（Howard Shevrin）。这些研究者对我们的工作给以赞扬，而且将其视作先驱性的工作。在1964年召开的“脑与有意识的体验”座谈会上，与会者也表达了这样的看法。这次座谈会由埃克尔斯爵士任主席的教宗科学院（Pontifical Academy of Sciences）主办，会议在庇护四世的15世纪的宅邸（held in the fifteenth-century house of Pius IV）举行。保罗教皇非常重视这次会议，也和我们一起作为会议的一名正式听众。大约25个与会者坐在大厅的一边，大厅的另一边是人数相当的红衣主教，他们身着红袍面向我们。当教皇走下来向我们致意时，天主教科学家屈膝亲吻他的戒指，我们其余的人则和他握手。我还保留有那次会议印有金色字母的（gold lettering）、厚厚的红色皮质铭牌。自此以后，我参加了许多附加的（additional）、有趣的关于意识的讨论会，并在这些会上发言。事实上，约翰·埃克尔斯爵士在1988年组织了另一场在梵蒂冈的讨论会。
除了神经生理学家，诸如已故的卡尔·波普尔爵士（Sir Karl Popper）、托马斯·内格尔（Thomas Nagel）和已故的斯蒂芬·佩佩尔（Stephen Pepper）这样一些重要的哲学家在如何研究有意识的主观体验这个问题上也同意我的观点。斯蒂芬·佩佩尔是加利福尼亚大学贝克莱分校的哲学教授，他是所谓同一论（identity theory）的坚定拥趸，这个理论认为可外部观察的脑的物理属性与主观体验的内在属性只是同一基质（substrate）的不同的现象学侧面。然而，在仔细听了我对我们团队的观点和发现的讨论以后，佩佩尔甚至得出这样的结论：我们关于感觉计时回指的证据（our evidence for a retroactive referral of sensory timing）可以证明同一论是不成立的。
1.5 觉知
在我们的研究中使用内省报告让我更加清楚地认识到它们的意义之所在。我认识到有意识体验的内省报告的本质特征在于觉知（aw areness），或觉知到某种东西。一个人的觉知囊括了各种各样的体验内容，包括对外在世界、我们的内在的身体世界（经由感官输入）、我们的感受（气愤、快乐、沮丧）、我们的思想、想象和我们的自我的觉知。
许多哲学家，即使不是绝大多数，都谈及不同种类和层次的有意识的体验。通常，自我觉知被认为是独特的，它们仅限于人类，也有可能包括黑猩猩。我们不能确定，即使是相似事件，对它们的体验内容在不同人那里也是相同的。例如，我看见黄色也许与你看见黄色并不相同，尽管我们都学会用同一个名称来称呼这种体验。但我们可以更确信的是，在别人那里的觉知，其本身的特征在根本上与我们自己的觉知是相同的，即使黄色这个体验的内容也许并不相同。
因此，我认为无需将意识或有意识的体验归入不同的种类或范畴来处理各种体验，所有情形的共同特征是觉知，差异只在于觉知的内容是不同的。正如我将通过实验证据来表明的，就其本质而论，觉知是一个独特的现象，而且它与意识体验所不可或缺的独特的神经活动存在着关联。
哲学家将诸如疼痛、颜色、谐和（harmonies）、气味等感觉体验称之为感受质（qualia）。这些体验所代表的那些现象无法由造成它们的刺激的物理性质或者相对应的神经活动加以解释。这样一来，它们给解释有意识体验的物质论的理论造成了困难。但是，我看不出什么理由可以认为与其他的觉知相比，这些感受质所造成的问题有什么根本的不同。所有种类的觉知都同样的不能为物质论的理论所解释。
我们应当在“意识体验”与清醒和有反应的状态（换言之，处在一个“有意识的”状态）之间作出区分。当然，除了梦境这种情况，要出现有意识的主观体验，一个先决的条件就是要处在有意识的状态中。然而，清醒和有意识的状态以及出现梦境的睡眠阶段都要求经由脑干和丘脑中的各种结构（前脑基部的结构，位于大脑半球下方）对大脑皮层的弥散性激活。脑中的这种活动是产生有意识体验的必要的背景条件。
1.6 我们如何研究脑与有意识的主观体验之间的关系
我的态度始终如一：永远别太在乎那些思辨的、未验证的理论。相反，要想着搞清楚脑实际上是如何处理或造成有意识的主观体验。我认为这种态度源自我的实验神经生理学背景。我的任务是，基于证据，发现神经系统在造成个体行为的过程中是如何工作的。
这种研究的最主要困难是需要人类被试，要直接研究他们的脑功能，当然，是在受到严格限制的情况下。许多关于记忆与学习、视觉过程的表征（空间、颜色）等的工作可以在行为层面上通过研究动物来完成，但是，所有这些功能都可以在没有有意识的体验的情况下进行，正如它们甚至在人类被试上也一样。正如马里奥·斯塔姆·道金斯（Marion Stamp Dawkins）指出的：“人们要留心，不要混淆了聪明与有意识之间的重要差别。”也就是说，我们应当提防“这样一种印象：在研究动物（或人）的心智时，我们所要做的全部就是表明它们能够从事各种复杂的智能任务，而我们会不可避免地表明它们是有意识的（换言之，它们有主观觉知）”。
只是到最近才有一个实验设计（Stoerig and Cowey，1995）让人们相信，猴子为了执行一个精细的任务用到了有意识的觉知。这个实验设计中的猴子都有初级视觉皮层的损伤，在人类中，相同区域的损伤会导致有意识视觉的丧失，或者失明。研究者向猴子呈现视觉刺激，然后测试猴子察觉这些刺激的能力。当一只猴子必须对一个强迫性选择（forced choice）作出响应（是或否）时，呈现在有缺陷的、“盲的”视觉区域中的刺激完全被识别到了。在视觉皮层中有相似缺陷的人类病人也能够正确地指向目标，尽管他们声称他们并没有看到它（一种被称为“盲视”（blindsight）的现象）。但是，如果允许猴子自由地作出响应，那么那个在有缺陷的视觉区域中呈现的刺激在它这里就是一片空白，换句话说，就是什么也没有。在这种情况下，猴子似乎是在传达说，“在那个盲的视觉区域中我没有有意识地看到任何东西”。这个结果佐证了这样一种观点：这个实验中的猴子可以区别有意识的视觉与无意识的识别（detection）。
对如何研究脑与有意识的主观体验之关系而言，我为我们的实验方法制定了两项我相信必须要遵守的认识论原则：一是内省报告作为实验的操作标准；二是不存在任何心脑关系的先天（a priori）法则。
1.作为操作标准的内省报告。我已经讨论了持内省报告的情况。在此是这个原则的一个重要推论：任何不需要一个令人信服的内省报告的行为证据，都不能被认为是有意识的主观体验的一个指示器；不论行动的目的性本性，也不论认知和解决抽象问题这一过程的复杂性，情况都是如此。这两种情况的确常常都是在主体没有觉知的无意识情况下发生的。人们必须小心地在识别一个信号的能力与觉知到一个信号之间作出区分。
可观察的肌肉活动和自主变化（心率、血压、出汗等方面的变化）是行为式活动（behavioral action）。并不报告内省体验的纯粹行为式活动不可能对有意识的主观体验提供有效验的证据。要报告内省体验，被试就要对有关他私人体验的问题作出回答，并且我们要相信他能够理解这个问题。缺少这一条件作出的行为式活动事实上可以被无意识地执行。
2.没有心身关系的先天法则。接下来的问题就是，通过检查脑的神经活动，而没有任何内省报告，能够描述一个人的感受和思考（换句话说，这个人的主观体验）吗？回答是否定的。如果你查看活动的脑并观察在各种脑结构中丰富多彩的神经细胞的活动，你不会看到任何诸如心智或有意识的现象。17世纪伟大的哲学家和数学家莱布尼茨（Leibniz）就已经强调了这一点。
与此对照，另一个伟大的数学家，拉普拉斯（Laplace）却钟情于出现在牛顿物理学中的新的机械模型。拉普拉斯提出，如果他能够知道宇宙中所有分子的位置以及能量或运动状态的全部信息，那么他就能够预测所有未来的事件。他论证说，如果知道脑中分子所有这些信息，那么他就能够预测和详细说明心智中发生的一切。首先，这个论断是无法获得验证的，脑中分子的数量极其庞大，要详细获得这些分子的数据不仅没有指望，而且当代物理学也已经表明要同时测量任何一个粒子的位置和动量原则上是不可能的。第二，即使我们能够满足拉普拉斯的条件，我们也只是看到分子的各种分布，而没有看到任何心智现象。令人奇怪的是，仍旧有为数不少的哲学家，也就是那些功能主义者，奉行一种行为主义的、拉普拉斯式的观点。
与行为主义相反，要遵循的一般原则是，外在可观察的“物理”事件和内在可观察的“心智”事件在现象学上分属相互独立的范畴。两者之间无疑是有关联的，但它们之间的关系只能通过对两个独立的现象进行同时观察方能发现。这种关系不可能先天地得以预测。这两种现象既不能相互还原也不能相互预测。
举一个简单的例子，在对接收来自身体感觉信息的脑皮层施加电刺激以后，被试并没有在脑中感受到任何感觉。相反，他报告说，他在身体的某个部位（比如手部）感受到某种东西，尽管他的手并没有出现任何状况。如果不要求被试对他的主观体验作出内省报告，任何外部观察者都无法描述这种体验。
这个原则可以让我们断然驳斥还原论的观点，这个观点在许多科学家和哲学家那里很有市场（例如，Churchland，1981；Dannett and Kinsbourne，1992）。按照这种观点，知道了神经的结构和功能（或者它们的分子基础）就足以定义和解释意识和心智活动，但我们已经看到这种还原论观点是站不住脚的。
1.7 与有意识体验相关联的过程位于脑中何处？
杰出的神经外科医生维尔德·彭菲尔德（Wilder Penfield）和他的同事们（尤其是赫伯特·雅思贝尔（Herbert Jasper））对病人的大脑皮层施以局部的电刺激（在治疗过程中，皮层暴露出来并受到检测以确定造成癫痫发作的具体位置，病人是清醒的，只是头皮进行了局部麻醉），并观察病人为响应这样的刺激所作出的内省报告，他们做了数以千次这样的观察。其他的神经外科医生也图示了这些响应的脑区。刺激大脑皮层的初级感觉区，病人就会报告有关感觉，无论是体觉（身体感觉）、视觉还是听觉。很明显，对初级感觉皮层施加电刺激是研究产生一个有意识的、可报告的事件所需条件的一个好方式。
对大脑皮层的许多区域施加电刺激并没有得到任何一种有意识的报告，但是在这些“静默”区域里的神经细胞的确对刺激作出了响应：可以记录下所有刺激点附近的电反应（直接的皮层反应，或DCR）。或许，比起初级感觉皮层来说，在静默区造成可报告的有意识的事件需要更加复杂的激活；或者，静默区并不调节意识功能。
但无论如何，值得强调的是，这一证据以及其他的证据表明，大量的神经活动并不一定会引发任何有意识的体验。
彭菲尔德和雅思贝尔观察到，大脑半球中大面积的不可修复的损伤并没有造成意识的丧失；相反，在那些激活系统（activating system），位于脑干或丘脑板内核（intralaminar nuclei）上的小损伤却会造成意识的丧失，造成昏迷，这让他们印象深刻。因此，彭菲尔德提出意识的所在位于他称之为中央脑系统（centrencephalic system）的这些居于中间位置的皮层下结构（these medially situated subcortical structures）。与此类似，另一位杰出的神经外科医生，约瑟夫·伯根（Joseph Bogen），最近提出意识功能位于丘脑的板内核，它是中央脑系统的组成部分。
彭菲尔德和伯根的观点有其逻辑上的困难，人们无法分辨这个观点所指的究竟是产生意识的必要条件还是充分条件。也就是说，即使一个结构对于意识功能是必要的，这一点本身也并不使那个结构在造成意识体验上成为充分的。例如，如果心脏停止跳动，人们会在几秒钟之内丧失所有意识功能，但心脏并非像早先许多人认为的那样是意识功能的所在地。一个人可以移植别人的心脏，甚至是使用一个机械装置替代心脏，却并不改变他的意识过程或人格。进一步的，实际上有许多证据都支持这样一个观点：大脑中特定种类的神经活动为有意识事件的出现奠定了基础。
对与有意识的事件或行为事件相关联的神经细胞活动位于脑中何处这个问题，我们已经从各种研究中得到了重要的信息。这些研究可以分为两类：神经心理学研究和测量脑神经细胞活动变化的技术。
1.神经心理学研究要检查心智功能的变化，这些变化是由特定脑区的不可修复的损伤造成的。开这一领域研究先河的也许要算菲尼亚斯·盖奇（Phineas Gage）案例了，盖奇大脑的两个半球的前部都遭受意外损伤。当时盖奇正躺在铁轨上，一根金属棒意外地从颞叶前部扎入，从右侧贯穿了他的头部。盖奇活了下来，但他的人格却发生了显著的变化，从以前沉稳、可靠、合群的一个人变成了一个毫无约束（动不动就咒骂，激动）、工作经常出问题、缺乏预见和计划的人。盖奇的案例凸显了大脑前额叶在自我控制、计划等功能上的重要性。自那以后，人们已经作出了关于大脑前额叶功能的诸多发现。
近来，神经心理学家一直在发展心智功能中细微差异的表征（representation），对于这些差异我们以前所知寥寥。例如，由于血栓或出血引起的局部伤害（damage）造成的某些特定损伤（lesion）（换句话说，轻微中风）会导致患者无法听出口语中的辅音，却仍旧可以理解元音。结果这些患者几乎完全不能掌握口语。
2.多种技术都能够测量脑中神经细胞活动强度的变化。这些技术依据的是这样一个原则：局部神经活动的增强伴随着神经细胞能量代谢的增长。代谢增强会导致更高的局部耗氧量并将代谢终产物释放进神经元周边的局部空间。最为显著的是，葡萄糖的氧化产生二氧化碳。众所周知，二氧化碳会造成小动脉的扩张，由此增加这一区域的血液循环。
最早成功测量局部脑血流（rCBF）变化的技术是由瑞典的临床神经生理学家大卫·英瓦尔（David Ingvar）和他的同事设计的（参见Lassen and Ingvar，1961；Ingvar，1979，1999）。大体上来说，这项技术涉及在将相对安全剂量的放射性化合物注射进脑血流以后测量并绘制放射性的局部变化。许多闪烁计数器被附着在被试的头皮上，每一个计数器都会计量它那一点的放射性并记录注射的化合物在这一局域的放射性程度。在注射化合物以后，在某些校准时间（at certain calibrated times）放射性水平的增长表明携带放射性物质进入该区域的血液循环的增长。
英瓦尔和他的同事不仅研究了在感觉输入和肌肉运动情况下rCBFs的变化，而且还研究了它在思考状态下的变化。例如，他们发现在被试只是想动动手指而没有实际这样做时，那些在被试自愿运动手指时rCBF会增长的区域在这种情况下rCBF也会增长。进一步的研究（Roland and Friberg，1985）显示在默算减法时，皮层场（cortical field），尤其是前额叶会激活，在没有感觉或运动区被激活的情况下这种激活也会发生。
人们可能会认为这样的结果就是有意识的心智过程能够影响脑神经活动的明证。人们也可以研究各种病理学状况以寻找大脑循环的局部或整体的异常，无论大脑皮层是处在静息状态（resting state）还是在响应相关的刺激或任务。例如，在早期阿尔茨海默（Alzheimer）症、精神分裂症（schizophrenia），以及其他健康问题的患者那里都可以发现脑中血液循环的某种不足。
路易斯·索科洛夫（Louis Sokoloff）及其团队（1977）率先改善了对完好无损的脑（intact brain）中局部代谢变化的测量。这一工作直接导致人们发明了探测代谢变化的更加强有力的方法。与英瓦尔的技术一样，这些方法可以用于人类被试而无需再使用外科手段介入脑。目前有两种方法已经获得了广泛的应用，它们不仅提高了脑部空间分辨精度，而且也加快了测量的速度。
第一种方法名为正电子发射断层成像（positron-emission-tomography）（PET扫描）。这一方法是将正电子而非电磁辐射的微量放射性物质注入人体。排列在头皮上的众多小装置可以探测到释放的正电子。
第二种方法则是使用磁共振成像（MRI）来显示各种原子（例如氧原子和碳原子）数量上的变化。这些变化以一种高度局域化的方式与神经功能相关联。
所有这些研究——神经心理学研究、rCBFs、PET扫描、功能性磁共振成像（functional MRIs）——提供的信息只是关于与各种心智活动相关联的神经活动在脑中的具体位置，它们并不告诉我们究竟何种神经细胞活动（局部模式的变化、激发的频次等等）参与其中。它们也不足以表明在神经细胞活动的变化与一个心智功能相互关联中的时间因素（诸如脑活动变化的计时相对于一个给定事件的有意识觉知的关系）。实际上，那些显示活动增强的区域有可能在那些被检测功能的启动或组织中并没有起到根本的重要性。那些发挥根本重要性的位置有可能更小，并且在被检测的成像中变化也更微弱。
即使当这些方法之一可以非常迅速地分辨时间的变化，就好像功能性磁共振能够做到的那样，对于神经变化的计时评估还是受到我们所测量的生理过程的限制。磁共振成像的方法（就像PET扫描）测量局部血流的变化或神经细胞中由于代谢变化所导致的化学成分的变化。通常，神经细胞中与功能相关的变化（无论这些变化是突触响应还是神经脉冲激发的变化）都会紧接着这样一些代谢上的变化。神经细胞活动中那些重要的相关变化可以在毫秒的尺度上发生，但是由这些神经活动所引发的代谢能量的变化则会耗时数秒，由此造成了可由这些技术加以测量的变化。这样一来，就不可能回答诸如有意识的意图是先于还是跟随着自愿行动的脑启动（cerebral initiation of a voluntary act）。
1.8 电生理学
电事件是相关神经活动内在的构成成分，记录这些事件的确可以让我们获得对神经细胞活动变化的瞬间指示。这些记录是由电流（和电压）场造成的，传导的神经脉冲（通过它们的动作电位）的实际放电与更加局部的、非传导的突触电位共同建立了电场。当另一个神经细胞的纤维向其末梢——神经细胞在这里与下一个神经细胞表面膜的特异性部位形成连接——释放信息时，就产生了突触电位。输出信息的神经纤维与接收信息的神经细胞之间所形成的特异性连接被称为突触（希腊语，两个要素的紧紧相连）。绝大多数突触的输出末梢会释放特定的化学物质，及神经递质。突触接受一端的细胞膜有专门对神经递质作出反应的接收器。
突触后部的反应通常会导致局部的电变化，使得接收膜的外部要么带更多负电（兴奋效应），要么带更多正电（抑制效应）。无论哪一种情况，都造成了在细胞膜的局部突触后部与同一个细胞的毗邻膜之间（adjament membrane）的神经元膜电位之间的差异。这个电位差导致了围绕细胞的电场。在这个电场中的电压变化可以通过置于紧邻细胞的外部介质中的电极精确探测。通过使用合适的放大器，即使距离更远也能够记录电场中更小的电压。
这样一来，即使在头皮上也能够探测到微伏范围内的极小的电压。它们是脑电图（electroencephalogram）的基础（EEG，也叫脑电波）。人类脑电波的电节律最初是由汉斯·伯格（Hans Berger）在1929年报告的。如今脑电图被广泛应用于研究正常和临床条件下的脑功能。例如，从清醒状态过渡到各种睡眠状态伴随着典型的脑电波的变化，而癫痫发作时脑电波的典型变化则被用来诊断和定位癫痫病灶的位置。
近来，脑磁图（Magnetoencephalogram）也开始投入使用。脑磁图是对由电流造成的微小磁场的记录。有人主张置于头皮上的探测器记录的脑磁图在指示源发神经场（the originating neural fields）方面比脑电图做得更好。然而，与任何置于头皮的探测器所做的记录（无论是脑电图还是脑磁图）相比，插入颅内与皮层表面形成直接联系的小电极或插入更深的皮层下结构的小电极所记录的电变化位置更加明确，也更有意义。
对没有全身麻醉、处在清醒状态的病人实施神经外科手术既可能，而且常常很可取。要做到这一点，需要对头皮和覆盖颅骨的组织进行局部麻醉，这足以让病人不会感到任何疼痛，无论是在颅骨上钻洞还是接触到脑组织都不会产生疼痛。并没有专门的神经末梢会对脑部损伤作出反应，而身体的其他部位则不同，当这些部位的神经末梢将损伤信息传递到大脑的某个区域时就会造成疼痛感。疼痛对于让我们知道组织受到损伤来说是非常重要的，正是由于疼痛，我们才试图避开造成损伤的东西。或许，在脑中有这样一套报警系统（warning system）并没有什么适应性价值。脑被密封在保护性的颅骨内，如果一个东西要对脑造成损伤，它就会由于穿过头皮、颅骨以及覆盖脑部的膜（脑膜）而首先造成疼痛。然而，在脑内增生的肿瘤却不会造成疼痛，因此这样的肿瘤是造成损伤的潜在的、危险的“凶手”。
美国神经外科医生哈维·库什因（Harvey Cushing，1909）是最早表明对适当的感觉皮层施加电刺激会引发被试刺痛感的人之一（那时还没有对电活动的记录）。将施加刺激的电极置于中央后回（位于大脑皮层中央沟后的圆形表面），被试身体的某个部位就会产生刺痛感，而不是大脑被刺激的区域感到刺痛。对中央前回（就位于中央沟的前面）的刺激，会造成被试身体的各个部位的局部运动。这些被刺激的区域属于初级感皮层和初级动皮层。
这之后，德国神经外科医生奥特弗里德·福斯特（Otfrid Foerster）（在Penfield，1958年被提到）和美籍加拿大裔神经外科医生维尔德·彭菲尔德以这种研究方式极大地拓展了关于大脑皮层的知识（参见Penfield and Boldrey，1937）。在不同病人身上，他们全面地检查了整个皮层表面。他们（自此以后，其他人也加入进来）发现对皮层的大多数区域的刺激都不会造成可报告的感觉、运动或感受。这些区域被称作“静默”区。那些产生反应的“活跃”区域局限于负责躯体感觉所谓的初级感觉区、视觉区（皮层后部枕叶的划定区域）和听觉皮层（颞叶上部靠前的区域）。在刺激颞叶的某些区域时，彭菲尔德还观察到患者对幻觉和记忆的精神报告（psychic reports）。（事实上，颞叶及其皮层下结构——海马体和杏仁核——现在被认为是记忆的形成以及某些情绪感受（尤其是恐惧和攻击性）的重要中介物。）
我们和其他人的工作表明对静默区的刺激也会造成神经细胞以电活动的形式作出显著的反应。那么为什么被试不会对这些区域的刺激作出主观报告呢？我的看法是，局部的神经纤维束的粗糙的（crude）兴奋不太可能造成激活主观体验所必需的那种有组织的神经活动。事实上，在刺激“初级”感觉和运动区域会诱发主观反应这一点上我们是幸运的。因为在那些位置上，兴奋的神经纤维能够充分地通达直接调节主观体验的神经细胞，我们就能够猜测发生了主观体验。
另一方面，研究者（罗伯特·多蒂和其他人，参见Doty，1969）已经发现对动物（猫、猴子）脑皮层的静默区的电刺激参与了条件反射。在一个通常的条件反射中，一个有效的非条件刺激会造成一个无需学习的自然反应。例如，对爪子施以温和的电击会让动物收回爪子。如果在非条件刺激以前不到一秒施加一个不相关的条件刺激，动物会学会在单独施加条件刺激（例如一个音调）的情况下收回爪子。对静默皮层施加电刺激会像一个更加惯常的条件刺激一样发挥作用，就好像动物听到了一个音调。也就是说，在单独施以皮层刺激的情况下，动物也能够学会收回爪子。这一点，以及其他的证据都表明被试能够以一种在功能上有效的方式对大脑皮层几乎任何一个部分的神经元的特定刺激作出识别。如果我们从对人类被试的相似刺激并不造成任何有意识的体验这一点来推想，对大脑皮层静默区的电激活的神经响应的识别大概是无意识作出的。
对人类被试的静默皮层的刺激是否能够被无意识地识别是一个应该加以实验检验的有趣问题（虽然我想做这样的实验，但直到退休以后才得以进行）。我们的其他实验证据的确表明，对感觉通路的某些刺激，即使是在并不足以造成任何有意识体验的情况下，也能被人类被试识别（Libet et al.，1991，第4章）。由此，一个重要的推论是，即使那些不足以造成任何主观体验或觉知的神经活动也有助于调节无觉知的功能。事实上，这是我们大多数大脑活动的本性。
1.9 我们的实验入口
我能有机会从事这样的研究要拜我的同事和朋友伯特拉姆·范斯坦（Bertram Feinstein）所赐。伯特是加州大学旧金山分校生物力学实验室的实验神经学家。在这个实验室我协助他从事与运动有关的肌肉功能的研究工作。20世纪50年代早期，在与伟大的瑞典神经外科医生拉尔斯·莱克塞尔（Lars Leksell）共同做了三年研究以后，伯特转向了神经外科学。
之后，伯特将立体定位神经外科学（stereotaxic neurosurgery）引入了旧金山，实际上是引入了整个美国西部（参见Feinstein，1960）。在立体定位的神经外科手术中，一个治疗用的电极或探针被植入大脑，达到指定的深层结构而无需将脑切开来达到这一位置。一个带有三维坐标的框架被固定在患者的颅骨上，而用来读取脑内目标的坐标事先已经画好。在当时，这一方法主要用来缓解帕金森氏症患者的颤抖，其方法是通过一根加热的探针来阻碍某些深层结构的活动。
这种莱克塞尔式的框架让范斯坦可以在为数众多的可能路径中选择一个来达到目标结构。插入脑中的杆状物是一个半球形装置，它可以从前到后移动到任何一个位置。这样一来，伯特就能够采用任何一个进入角度来达到指定的目标。在能够达到需要治疗的目标的各种路径中，伯特能够选择这样一个路径，在这个路径中，插入的杆状物能够经过令研究者感兴趣的其他结构。
伯特是一个与众不同的神经外科医生。他热衷于利用治疗的机会来研究基础问题，只要在做这些研究的时候不会给患者造成额外的风险（当然，前提是患者对研究知情同意，并且取得审查人类实验的医院委员会的批准）。
当范斯坦让我来设计有价值的基础研究（这些研究要求可以接触到处在清醒状态的被试的脑）时，我立刻决定我们应该试着找出脑中的活动是如何与有意识的体验相关联或者是如何造成了有意识的体验。我们无法通过非人动物来处理这个问题，因为动物无法对主观体验作出内省报告。
研究脑活动是如何与有意识的体验相关联或者如何产生了有意识的体验一直是我的长久的目标。我们的脑是如何产生了有意识的主观体验这个问题一直使我着迷。我在杰出的神经科学家拉尔夫·杰拉德（Ralph Gerard）的指导下从事被分离出的青蛙脑的电生理活动的研究，杰拉德是我在芝加哥大学的教授。在我跟随他的第一年，杰拉德向我提出了这样一个问题：自发性的脑电波在青蛙这里有何作用，并要求我罗列我的观点。我提出的一个看法是，脑电波也许是对青蛙意识的神经表达。对大脑功能，杰拉德有一个总的、整合的观点，他对我所提出的任何观点和作出的评论都抱着一种开放的态度。我很幸运能够和他一起从事那项研究。
出于临床和基础实验的考虑，范斯坦在旧金山锡安山（Mt.Zion）医院建了一间新的手术室以方便研究工作的展开。这个实验室采用电屏蔽设计，并且安装了用来记录脑内神经细胞电活动以及传递电刺激的导线管。这些导线管通到紧邻的控制室，操作员在这间控制室中操作电子设备。
研究开始于1958年，在最初几年，研究是在手术室的神经外科手术中进行的（参见Libet et al.，1964）。患者是清醒的，只是对头皮和覆盖在头盖骨上的骨膜组织实施了局部麻醉。当然，在手术以前，患者就已经对这个本质上并无风险的手术过程作出了知情同意，这其中包括患者可以随时终止研究的内容，通常患者在他们的反应中都非常配合并且始终如一。然而我们在手术室中进行研究的时限是大约三十分钟，因此要想让研究富有成果，对研究作出周密的组织和安排就非常关键。之后我们需要一段时间的放松休息，以便从这个过程的高度聚精会神的训练中平静下来。
但范斯坦在20世纪60年代改变了治疗流程，这使得我们的研究不那么受到限制，而且也更富有成果。他更愿意将用于治疗的植入物留在脑中几天或一周，以便这个要被医治的治疗损伤保持在病人处于更正常和走动状态时的情境中。由于这个改变，我们对于患者的研究更加充分，而且可以在手术室外以更加从容的节奏进行研究。后来，范斯坦通过在患者大脑皮层下的感觉通路植入永久性的刺激电极来治疗罹患顽固性疼痛的患者。
1978年，范斯坦辞世。我失去了一位亲爱的朋友，这个世界失去了一位实验神经外科学的先驱。他的辞世也改变了我的研究方向，我转而研究有意识的意志如何与脑功能相联系。这个研究可以在健康的被试那里进行。在头皮上的记录电极足以探测到伴随意志活动的电变化，而这正是我所设计的实验需要的东西。（参见第4章更为详尽的描述）
当然，即使有像范斯坦这样的神经科学家与合适的被试一起参与研究，完整的研究所能获得的被试数量还是极其有限的。但就像约翰·C·马歇尔（John C.Marshall，1989）在为蒂姆·沙立克（Tim Shallice）的著作（《从神经生理学到心智结构》，1989）作的书评中所讨论的那样，即使是对单个案例的研究也是有其道理的。19世纪末伟大的生理学家克劳德·伯纳德（Claude Bernard）论证了在医学和生理学中运用群体平均值（group averages）“不可避免地会导向错误”。作为支持，我们引证了伯纳德论及的一个研究，在这个研究中，一个生理学家“从各个种族的人都经过的火车站采集尿液，并且他相信由此他能够对一般欧洲人的尿液作出分析？？如果我们已经学到了任何东西，那么只有满足模型建构的一个患者的表现的各种细节，以及在这个层次上理论上重要的个体变异才是真正重要的（paramount）”。
本书接下来将围绕着我们所发展的独特实验及其发现来展开，我们有幸能在一个非常基本的问题上作出这些发展和发现。这个问题就是，脑中神经细胞的活动如何与有意识的主观体验以及无意识的心智功能相联系。我也将提及那些对我们所作出的发现的含义有直接影响的研究。
我希望读者能够看到我们是怎样设计和用实验来检验人们作出的用来解释新发现的各种假设，我也希望能够和读者一起分享这个科学探索的故事，分享这些令人兴奋、激动人心的发现。与绝大多数关于意识的其他书籍不同，即将呈现给读者的是直接的实验证据和在这个问题上可以验证的理论，而绝非思辨的并且基本上未经检验的构想。
注释：
（1）演员克里斯托弗·里弗斯因饰演超人而闻名。1995年，里弗斯从受惊的马上坠落，造成身体自颈椎以下的瘫痪，2004年里弗斯辞世——译者注
