经典实验再遭质疑,自由意志是否存在?
2019-10-09 15:17

经典实验再遭质疑,自由意志是否存在?

本文来自微信公众号:神经现实(ID:   neureality),作者:GHOLIPOUR,翻译:小聂,审校:EON,编辑:小葵花,封面来自:东方IC


自由意志走向终末?


自由意志的终结始于数千个手指的轻触。1964年,两个德国科学家监测了十几个人的脑电活动。在长达几个月的时间里,每一天志愿者都会来到位于弗赖堡大学的实验室里。在这里,他们头皮上接上电线,另一端连在头顶一个淋浴花洒状的装置里。他们坐进椅子,被齐整地塞进一个像高速路收费站一般的金属盒子,只为了做一件事:轻微弯曲一下他们的右手手指。他们可以随意选择动作的间隔,每次实验可以活动500次。


这项实验的目的是找寻触发活动手指这一动作的脑部信号。当时的科学家们已经可以测量大脑对于外部事件的反应,比如说听到歌声或是看到照片。但是还没有人搞清楚如何分辨出大脑中触发行动的信号。


实验的结果是一大堆弯曲的虚线图,代表脑电波的变化。在手指活动之前的几个毫秒,虚线上有一个几乎无法察觉的微弱上扬,脑电波信号持续增强大约一秒钟,如同重要人物出场之前的鼓声,然后就迅速跌落。这种被称之为准备电位(readiness potential)的脑电波迸发,就像一个迷你时间机器,让科学家们可以首次一窥大脑在动作之前的准备活动。



准备电位,图片来源:blutner.de


这个重大发现给神经科学界带来了很多麻烦。二十年后一个美国生理学家本杰明·利贝特(Benjamin Libet)借鉴了准备电位的相关研究,认为这不仅仅表明大脑在行动之前就有了决定动作的迹象,还惊人地展示了大脑活动甚至先于人有意识地做决定。突然之间,就算是如同活动手指这么基础的动作,貌似都是由意识之外的某些因素决定。


早在利贝特做实验之前,自由意志问题作为一个哲学问题已经被讨论了几百年。但是利贝特引入了一个全新的神经学论据来反对自由意志。他的发现在科学和哲学界引发了一轮新的有关自由意志的讨论。日积月累,对自由意志的怀疑逐渐渗入大众文化。



— Troy DeShano


时至今日,“大脑替我们做决定”已经成为聚会话题,或是出现在新一季《黑镜》的讨论中。自由意志怀疑论充斥主流报道媒介,包括 This American Life、Radiolab和《大西洋月刊》。利贝特的研究频频被诸如萨姆·哈里斯(Sam Harris)和尤瓦尔·诺瓦·赫拉利(Yuval Noah Harari )等大众知识分子提到,用来论证科学已经证明了人类不是自己行动的发起人。


如果这个比主要脑电波微弱100多倍的脑电波信号真的能解答有关自由意志的问题,这确实是个了不起的成就。但是准备电位的故事现在有了一个新的转折——它可能和自由意志根本没有关系。


发现准备电位


有关准备电位的研究从来都不是为了讨论自由意志的。就算有什么关联,也仅仅只是为了显示大脑自己具有某种想法。当初做出发现的两位德国学者,神经科学家汉斯·赫尔穆特·科恩胡贝尔(Hans Helmut Kornhuber)和他的学生吕德尔·德克(Lüder Deecke),不满于同时期仅将大脑局限于应对外部环境来产生思想和行为的研究思路。于是在1964年一次午餐的谈话中,他们决定研究大脑如何自发产生行动。“科恩努博和我当时都相信自由意志。”现年81岁的戴克说。


为了能够实现他们的实验设想,两位学者想出了一个摆脱当时技术局限的方法。他们拥有当时最先进的脑电波测量计算机,但是只能用于事后测量。所以如果要想测出手指活动之前大脑里发生了什么,他们可以另外单独将脑电波记录在磁带上,然后倒着回放给计算机。正是这个被称为是“瞬态平均倒回放”的方法让研究者发现了准备电位。


这一发现引起了广泛的注意。诺奖获得者约翰·埃克尔斯(John Eccles)和著名的科学哲学家卡尔·波普尔(Karl Popper)认为这一研究的独创性可以和伽利略用斜面实验来发现运动学规律媲美。只是用一些电极和磁带,科恩努博和戴克就像伽利略那样开始发现大脑的奥秘。



汉斯·赫尔穆特·科恩胡贝尔(Hans Helmut Kornhuber)(左图)和他的学生吕德尔·德克(Lüder Deecke)(右图),图片来源:Wikipedia


而准备电位的存在到底意味着什么,就没人说得清了。渐强的脑电波图示可能反映着行动之前神经活动的多米诺效应。科学家们把准备电位解释为计划和发起一个动作的电生理学迹象。这背后的逻辑假设是准备电位导致了行为。这个假设是如此自然通顺,以至于没引起任何怀疑,更别说检验了。


利贝特,当时作为加州大学旧金山分校的研究员,从另一种角度审视了准备电位理论。为什么在决定要弯曲手指和实际上去做之间会有大约半秒的时间差呢?他重复了科恩努博和戴克的实验,但是要求被试盯着一个类似钟表的装置以便能让他们记得什么时候做了弯曲手指的决定。结果显示,虽然准备电位发生在手指活动的大约500毫秒之前,但是被试对于决定活动的报告仅仅比实际行动提前了150毫秒。“显然是大脑‘决定’要发起行动”,利贝特总结道,而这时候被试还不知道决定已经发生了。


本杰明·利贝特(Benjamin Libet),图片来源:sfgate.com


我们对决定的意识体验仅仅是种事后的幻觉,这对于很多科学家来说难以接受。学者们质疑利贝特的实验设计,包括脑电波测量仪的精度和被试回忆决定时间的准确度。但他们很难找到确凿的设计瑕疵。利贝特死于2007年,生前他的支持者和反对者几乎一样多。在利贝特实验之后的几十年里,人们不断使用诸如功能性磁共振成像(fMRI)的新技术来重复他的实验,并得出了同样的结果。


但是人们忽略了利贝特实验的一个重要关节,即有可能他所观察到的是准确的,但是他的结论却是基于可疑的前提假设。如果准备电位实际上并不导致行为,结果又会如何呢?一些值得注意的研究确实提到了这种可能性,但是它们也没有提出准备电位到底是什么的替代假设。想要彻底推翻一个如此强大的理论,可行的替代假设是必须的。


只是一次“涨潮”


2010年,亚伦·舒格(Aaron Schurger)迎来了他的顿悟时刻。他是巴黎国家卫生和医学研究院的一名研究员,主要研究神经活动的涨落。几十万个互相连接的神经元自发颤动明灭,构成了大脑中摇摆的低鸣。这股持续的电生理学噪音此起彼伏,就如同海浪,或者更确切的说,如同一切由无数微小活动部件构成的事物。“几乎所有我能想到的自然现象都是如此。比如说股票市场的时间序列,或是天气。”舒格说。


亚伦·舒格(Aaron Schurger),图片来源:actu.epfl.ch


大体上来看,所有的这些噪音的数据都一样,没有任何特征。但是舒格想到如果能把它们的波峰(风暴天气,或是市场记录高点)连接起来,并且像科恩努博和戴克那样作一个瞬态平均倒回放的处理,得到的图示可能会看起来像爬升的趋势(乌云聚集,或是股价抬升)。但这样外显的趋势背后是无目的的,没有事先计划的风暴或是做高股票市场。实际上,这样的趋势仅仅表明其内部无数微小因素在那个时候正巧重合。


“我脑中灵光一现。”舒格回想道。假如他用同样的方法模拟脑内的自发活动产生的噪音,会得到什么样的趋势呢?“我盯着屏幕,看到了某种类似准备电位的东西。”舒格意识到,或许准备电位所具有的抬升趋势并非大脑中正在酝酿的意图,而是某种更为基础的东西。


— Francesco Bongiorni


两年后,舒格和他的同事雅各布·西特以及斯坦尼斯拉斯·迪昂(Stanislas Dehaene)提出了一个解释。神经科学家已经知道我们在做出任何类型的决定之前,神经元要为各个选项搜集证据。假如某组神经元积累了足够多的证据,越过一个阈值之后,大脑就会做出决定。某些情况下这些证据来自于外部感官,比如说当你在注视飘落的雪花的时候,你的大脑会比较下落的雪花数目和偶尔有几个被风吹起的雪花数目,并迅速得出雪花在飘落的结论。


但是利贝特的实验,舒格指出,并没有提供任何外部提示。在决定何时活动手指时,被试仅仅是随心而动。而这种随心而动,舒格认为,必然对应着被试大脑神经活动的随机涨落。被试更有可能在运动神经系统接近触发阈值的时候活动手指。


如果这是事实,那么利贝特所认为的大脑在人们觉察之前就做出决定的推论就不成立。这一理论显示了我们大脑里的神经元噪音有时候会打破平衡,特别是在没有任何基础做选择的时候。这样我们就不用在每个随意决定面前踌躇不定了。而准备电位就是大脑神经活动涨落时的涨潮部分,只是之后正巧对应着一个决定而已。这种缺乏外部信息输入的情况非常特殊,我们的大部分决定都不是这样做出的。


“150毫秒”不是幻觉


近期的其他研究也支持准备电位是打破平衡的信号这一主张。在一项对猴子的研究里,研究者提供给猴子两个同样的选项。他们发现猴子的最终选择对应着它们大脑的内在活动,即使当时猴子还没看到选项。


在一项正被《美国国家科学院院刊》审稿的研究中,舒格和两个普林斯顿的研究者重复了利贝特实验的一个版本。为了避免像利贝特那样无意间只选择了触发行动的神经元噪音,他们增加了一个对照实验,让被试什么都不用做。他们使用一个人工智能分类器来判断在何时两组大脑活动出现分野。如果利贝特是对的,算法应该在行动的500毫秒前就能看出区别。但事实上算法直到150毫秒前都不能看出实验组和对照组的任何区别,而这正是利贝特原初实验中被试所报告的决定时间。


换句话说,人们对于决定的主观经验,在利贝特的研究中是一个幻觉,而在这个实验中却显示出大脑确实是在那个时间产生了决定。


— Stephan Schmitz


当舒格在2012年首次提出他的神经元噪音理论时,外界并没有太多关注,倒是在神经科学界激起了一阵涟漪。他还因推翻了一个长久以来的错误观念而获了奖。“他的工作向人们显示了准备电位不是我们想像的那样,而是某种人为造成的现象,取决于我们怎么分析数据。”查普曼大学的计算神经学家乌瑞·毛兹(Uri Maoz)说。


作为一个范式转移来说,舒格的成果没有遭到什么反对。他显然是发现了一个经典的科学谬误。这个谬误是如此微妙以至于没人注意,也没法用重复研究来解决,除非人们开始质疑谬误背后的因果关系。如今当初质疑和支持利贝特的学者们都不再将他们的实验建立在准备电位上了(少数几个还持有过时观点的人承认他们没有读过舒格2012年的论文)


“我被点化了。”帕特里克·哈加德(Patrick Haggard)说。他当初和利贝特合作重复了原初的实验,现在是伦敦大学学院的神经科学家。


自由意志是真是幻?


舒格仍有可能是错的。学者们大体上认同他的工作将利贝特的准备电位打回原型,但是大脑建模本质上是推论性质的,未来仍有可能出现截然不同的解释。并且很不幸的是,从大众科学讨论的角度来看,舒格的重大发现并没有比利贝特的工作更能回答那些恼人的自由意志问题。如果非要说些什么的话,舒格只是加深了问题的难度。


是否我们所有的行为都是被基因、环境以及大脑里的细胞所建立的因果链决定的呢?还是我们有能力自由的产生想法并由此改变世界?这个话题太复杂了。舒格对谬误的破除,说明我们在这个话题上需要更准确知情的研究纲领。


“哲学家们已经就自由意志问题争论了上千年,他们确实作出了一些贡献。但是神经科学家们如瓷器店里的大象般闯进了这个领域,声称他们一举解决了这个问题。”毛兹说。为了让人们不再自说自话,他领衔了人类史上首次大规模的神经科学和哲学跨学科研究,背后是来自约翰·坦伯顿基金会(John Templeton Foundation)和费策尔基金会(Fetzer Institute)的七百万美元资助。在三月举办的开幕大会上,与会人员讨论了哲学上靠谱的实验设计方案,并一致同意需要给“自由意志”的各种含义做更加精确的界定。


这样一来,他们就加入了利贝特的征途。尽管利贝特本人一直维持他对自己研究的解读,他依然认为实验本身并不足以证明完全的决定论,即认为所有事件都是由之前事件决定的,甚至包括我们的心理功能。“考虑到这个问题对于我们如何审视自身是如此重要,声称自由意志是幻觉需要更为直接的证据,”他在2004年的一本书里写道,“而这样的证据还不存在。”


https://www.theatlantic.com/health/archive/2019/09/free-will-bereitschaftspotential/597736/  


本文来自微信公众号:神经现实(ID:   neureality),作者:GHOLIPOUR,翻译:小聂

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