科学的现实已不满足于现象上的解释，而是追求数学上的解释。
——加斯东·巴什拉，《科学精神的形成》（1938）
意识通达通过在全脑工作空间中塑造激活和未激活的神经元的发放模式来雕刻我们的想法。虽然这个形象的比喻有助于理解意识，但它最终还是会被更精妙的数学理论所取代，因为数学理论可以解释神经网络是如何工作的以及神经网络为什么能够产生可以被宏观记录的神经生理信号。基于在这方面的努力，我和让－皮埃尔·尚热开始开发神经网络的计算机模拟，它们已经可以捕获到意识通达的一些基本性质 45 。
我们的粗略目标是根据全脑工作空间理论的观点来探寻神经元连接后是如何工作的（见图5-4）。为了在计算机中重新构建神经元联合体的动态变化，我们以“整合并激活”（integrate and fire）的神经元作为切入点，简化模拟神经细胞形成锋电位的方程。每个神经元都具有拟真的突触，并且有几个主要类型的神经递质受体的参数。
图5-4 计算机模拟出的无意识知觉和意识知觉信号
我和让－皮埃尔·尚热用计算机模拟了参与无意识和有意识加工的视觉区、顶叶和前额叶等多个区域的子集（见图5-4a、图5-4b），四个等级区域是由前馈和长距反馈的方式相连接的（见图5-4c、图5-4d）。每个模拟区域包含与丘脑神经元相连接的层层排列的皮质细胞。当我们用简单的输入信息刺激神经网络的时候，激活在消失之前是自下而上传播的，这样我们就捕捉到了在无意识知觉中皮质通路的短暂激活。持续时间稍长的刺激会引发全脑启动：自上而下的连接将输入刺激扩大化，并导致下一个持久的激活，这样我们就捕捉到了在意识知觉中被观察到的激活。
然后，我们将这些虚拟神经元连接成局部皮质柱——模仿皮质再进一步细分的一种结构，由互相连接的一层层神经细胞组成。之所以叫“柱”，是因为这些神经元是头尾相互连接的，并垂直于皮质的表面，相互之间紧密相连以产生相似的反应。这些神经元是从同一个初始细胞发育而来的。我们的模型遵循这种生理布局——同一皮质柱内的神经元倾向于互相支持，并对相似的信息输入做出反应。
我们还模拟了一个小型丘脑，这是一个有着多个核团的结构，每个核团都和一块或者一系列广泛的皮质区域紧密相连。我们用真实的连接强度和时间延迟来构建丘脑，同时也考虑了锋电位沿着轴突行进的距离。我们得到了灵长类动物脑中关于基本运算单元的粗略模型：丘脑皮质柱。我们确保这个模型是按照现实情况运行的，即使缺少输入信息，虚拟神经元也可以自行激活并产生类似于从人脑皮质产生的脑电图。
得到了完善的丘脑皮质柱模型后，我们就将它们连接成具有功能的长距离脑神经网络。我们模拟了四个脑区的层级结构，并假定每个脑区都有两个皮质柱分别对声音和光线这两个对象进行编码。为了易于对模拟进行追踪，我们的网络不得不采用这种过于简化的模型，只能区分两种知觉。但我们认为，如果将更多的性质纳入模型，其物理结构也不会发生巨大的改变 46 。
在边缘区域，知觉是平行进行的：编码声音和光线的神经元可以同时被激活，而且不会互相干扰。然而，在更高级的皮质体系中，它们会相互抑制，使得这些区域只允许存在激活神经元的单一整合状态——单个“想法”。
就像在真实的脑中一样，皮质区彼此间以前馈方式进行串联投射：第一个区域接收感觉输入，然后将其锋电位传送到第二区域，第二区域又投射到第三区域，随后传至第四区域。重要的是，高级区域可以将兴奋信号传回引起兴奋的感觉区域，于是神经网络通过长距离反馈投射进行自我回馈。结果产生了一个简化的全脑工作空间：在神经元、皮质柱、皮质区域和长距离连接等多种嵌套规模上的一系列前馈和反馈连接。
在经过这么多计算机编程后，我们很欣慰最后能够通过运行模拟程序，了解虚拟神经元是如何激活的。为了模仿知觉，我们向丘脑视觉神经元中导入了一小股电流，粗略模仿了视网膜上的光感受器如何被激活，以及在视网膜预加工后，部分外侧膝状体上的中间神经元是如何被激活的。紧接着，我们让模拟程序根据公式运行。虽然模型被极大地简化了，但是正如我们所期望的，我们的模型展现了许多在真实实验中可以看到的生理特征，并且我们可以进一步调查这些特征产生的原因。
最先出现的特征是全脑启动。当我们呈现一个刺激脉冲，它以固定的顺序在皮质体系中慢慢爬升，从第一区传到第二区、第三区和第四区。这种前馈电波模仿了我们所熟知的神经活动在视觉区中的传播方式。经过一段时间后，编码知觉对象的整组皮质柱开始激活。由于大规模的反馈连接，编码相同知觉信息的神经元相互交流，共同加强兴奋信号，从而导致激活瞬间发生。与此同时，另一种知觉被抑制。这种激活持续几百毫秒，其持续时间基本上和最初的刺激无关，即使短暂的外部脉冲也可以导致持续的回响。这些实验发现了脑在本质上如何对一闪而过的图像形成持久的表征并将其一直保持在意识中。
该动态模型再现了我们在脑电图和颅内所记录到的特性。大多数模拟神经元在接收到突触电流的后期，激活会突然增强。激活向前传递，但也会回到最初触发激活的感觉区——这是模仿了我们在意识通达过程中所观察到的知觉区域的信号在晚期放大的现象。在模拟过程中，启动状态也会导致模型的多个嵌套回路中的神经元活动发生回响：在皮质柱内，激活从皮质到丘脑再从丘脑到皮质，穿过了很长一段距离。产生的实际结果是多个频率波段的振幅增加，并且在γ波段出现了30赫兹或更高的显著波峰。在全脑启动时，为意识表征进行编码的神经元的峰值呈现出更高的耦合性和同步性。简单来说，计算机模拟出了实验中所获得的四个意识标志。
通过模拟这个过程，我们获得了新的数学洞见——意识通达和理论物理学家所说的“相变”相对应，“相变”即某一物理系统从一种状态突然变成另一种状态。例如，我在第4章介绍的，当水变成冰时就发生了相变：H2 O分子突然组合成了刚性的结构并带有了新的特性。在相变过程中，系统的物理性质往往发生间断性的突变。类似地，在我们的计算机模拟中，锋电位活动从持续的低自发活动状态，跃升至暂时更高的锋电位和同步交流状态。
我们很容易看出为什么这种转变几乎是不连续的。由于上级神经元将兴奋信号传给先前激活它们的单元，这个系统被一个不稳定的状态分离成两个稳定状态。模拟过程要么保持低水平活动，要么在输入增加到超过某一临界值的时候，如滚雪球般演变成自我扩增式的雪崩，使一部分神经元突然进入疯狂的激活状态。因此，中等强度刺激产生的结果是不可预测的——不是激活迅速消失就是突然跃升到高活动水平。
我们模拟的这一方面和一个有着150年历史的心理学概念非常吻合，即意识具有一个阈值，可以明显地区分阈下的无意识思维和阈上的意识思维。无意识加工对应的神经元激活从一个区域传播到另一个区域，没有触发全脑启动。另一方面，意识通达则是脑的活动突然转变成更高的同步激活状态。
但是，脑远比雪球复杂得多。要建立足够完善的理论体系以解释发生在真实动态的神经网络中的相变是如何进行的，还需要很多年 47 。其实，我们的模拟系统已经包含了两个嵌套的相变。其中之一，就是我在上文所说的全脑启动。然而，启动的阈值本身是由另一相变控制的，这个相变对应于整个神经网络的“觉醒”状态。我们的模拟皮质上的每个锥体神经元都会收到一个警觉信号，这种警觉信号是一小股电流，高度综合了由脑干、基底前脑以及下丘脑中的乙酰胆碱、去甲肾上腺素、5-羟色胺所产生的激活效应，并且这个警觉信号也同时“激活”了大脑皮质。因此我们的模型可以捕捉到意识“状态”从无意识脑到有意识脑的转变。
当警觉信号较弱时，自发活动大大减少，启动特性也消失了，即使有强感觉信号输入，初级以及次级区域的丘脑和皮质神经元的激活也会很快消逝，无法超过阈值以启动全脑。这种状态下，我们的神经网络表现得像一个昏昏欲睡或麻醉的脑 48 。它只对边缘感觉区域中的刺激做出反应，激活一般无法到达工作空间以启动整个细胞集群。但是，当我们增加警觉参数时，结构化的脑电图出现了，由外部刺激导致的启动突然恢复。启动阈值随模型的困倦程度变化，表明了加强的警觉信号是怎样增加我们可以探测到微弱感觉输入的概率的。
