人的思维模式，其物质基础是大脑神经系统，思维的模式系统与大脑神经系统是相互作用的，它们共同决定了人的精神活动的过程。那么，思维活动与思维的模式，是否由大脑的生理基础决定的呢？在这个问题上，物质决定精神的原则是否就能推出细胞决定意识呢？事情当然不会这么简单。
1.脑生理决定论是否可行
人们常常会说，这个事情，你“心里”是怎么想的？当然，现在大家都知道，意识不发生在心里，思维是大脑的产物。但是人脑如何产生出心智来，却是众说纷纭。是大脑神经回路的效应叠加，还是某些神秘“小妖”的努力加工？是大脑某些模块的功能运作，还是整个大脑的系统运行？有没有所谓的“笛卡尔剧场”，或者所谓神秘的“核心赋义者”？或许意识的过程像有的物理学家所说的，是“各个动力场吸引子之间的一系列突变”？神经心理学家和认知科学家们在这些方面进行了很多分析，也做了不少实验。意识的产生作为科学之谜，始终是人们追寻探索的重大课题。预计在21世纪，人类有可能在这个领域获得意想不到的突破。
最早的大脑研究，可以追溯到19世纪中叶，当时有一个叫布罗卡（Broca）的法国科学家发现，人脑额叶前面的一个区域如果被损坏，人就会发生运动性失语。这种从大脑的结构出发研究功能的方法，对后来的脑科学产生了极大的影响。后来，布罗德曼（Brodmann）按功能将人脑划分了50多个区域，成为描述脑成像的基准，沿用至今。随着脑科学的发展，对脑的解剖揭示了许多大脑结构及其奥秘。通过正电子成像术（PET），可以监测脑的活动过程。现在认知科学家都知道，人们的各种认知功能如知觉、视觉、语言、运动等，基本上是定位于大脑的某个特定区域，但是随着科学的进展也发现，这方面的研究还未有止境。如以往认为，视觉器官与视皮质有关，但研究发现一个人盯看某物时，脑的扫描清楚地显示出脑的其他一些部位也是活跃的。所以，“在功能定位上，的确有许多未完成的工作。”思维模式是以神经系统为物质基础的。人的中枢神经系统尤其大脑，是产生智力的关键部位。主体的神经网络系统和思维模式系统这两个最基本条件相互联系、缺一不可。科学研究表明，思维活动的模式与神经活动的模式紧密相关，在两者的关系上，当代脑科学专家、诺贝尔奖获得者斯佩里说，脑的生理决定着精神效果，反过来，精神现象对神经生理学也起原因性影响。他认为，处在大脑组织的层级体系最高层的顶级司令部的这个位置，这些主观的特性……对处在次级层次的生物物理和化学活动施加影响。
这就是说，思维模式实现功能的发挥（思维活动），又反过来对神经系统产生影响。因此，不能把思维模式归结为神经模式，这里存在着“软件”与“硬件”的质的区别。可以把这种现象看做是脑内的物质与精神的相互作用的关系，不过这种关系会通过某种复杂的关系和变化体现出来。
大脑是逐渐发展出来的高度发达的物质系统，是自然进化史和社会发展史的产物。据科学家们估计，人脑有1000亿个神经元，每个神经元可以与几百个到上万个其他神经元相联结。大脑既有许多具特化功能的离散的子系统（例如，它有三个不同级别的机能联合区），又作为有机的整体发挥功能；它既精细分工，又紧密合作，它的高度组织化和层次化的神经元集团之间的协同作用，使得高级心理活动得以完成。神经生物学家威廉·卡尔文认为，大脑皮层只有2毫米厚，但它具有深深的皱褶。新皮层有极均匀的神经元密度（除了初级视皮层的一层外）。不管是语言皮层还是运动皮层，如果你在皮层表面做一个网格，每平方毫米的新皮层约有148000个神经元。
但是，若从侧面看，在2毫米深度的各层，可见某些区域上的差异。具有相似功能的神经元，会倾向于在皮层中作垂直排列，形成柱状结构，被称为皮层柱，贯穿皮层的大多数层次。它几乎像一个俱乐部，在一次聚会上把人群中相同趣味的人自发组织起来。
思维模式的水平，可能与人脑中的神经胶质细胞的多少有关。1955年著名科学家爱因斯坦去世后，美国的一些脑外科专家对他的大脑进行了解剖，试图找出这位天才的脑中秘密。解剖结果表明，爱因斯坦的大脑并没有什么惊人之处，大脑体积也并不大，但是，发现他的大脑神经胶质细胞比一般常人多73％。也许，智慧的秘诀就在这些胶质细胞所组成的联结中。
脑科学家E.康德尔认为：每个人的感觉、思想、记忆、性格等的倾向性，可能是存在于脑神经元之间的突触互相连接的精确形式之中。但神经系统的部分障碍并不妨碍思维模式的整体功能。例如，语言障碍并不影响音乐演奏、书写或逻辑推理。这种机制可能是人脑进化的结果，虽然大脑有功能定位，但并不机械：多迥路的神经联结模式能弥补某个区域的功能缺陷。
脑科学研究表明，意识的活动肯定会引起大脑神经皮层的物理生化方面的反应。美国脑科学家狄克曾记录了受试者在做一个简单的意愿运动（如弯曲手指）开始前两秒钟的脑电位变化。实验表明，大脑表面有缓慢升起的负电位。对此，澳大利亚脑科学家艾克尔斯是这样解释的：这是“自我意识精神”在大脑皮层内细微缓慢地起作用，准备电位延缓约850毫秒，它用于大脑皮层数亿神经元中建立必要的时空模式。这种准备电位表明，思维活动推动了大脑中复杂的神经活动。
大脑受伤或者产生病变会影响人的思维功能。有一个著名的病例表明，一位会计师额叶底部（眼睛的上方）生了肿瘤，他智商很高，对一系列神经心理学测试反应良好，但他在安排自己的生活上力不从心，经常不能作出简单、迅速的决定，如买什么衣服，什么牙膏。他会无休止地进行比较和对照，最终常常作不出决定，要么就是纯粹胡乱地进行挑选。外出晚餐时，他会考虑每个可能的餐馆的座位布置、菜单、气氛和管理，他甚至会因此驾车去看一看一些餐馆有多忙碌，但还是犹豫不决，不能决定在哪里用餐。还有一些临床事实表明，大脑使用过度或者受到惊吓刺激等，也会导致脑的损伤，从而表现出神经系统的各种紊乱症状。可以肯定，大脑这个部位的病变，会影响到人的决策，特别是对众多的信息无法作出选择。现在人们已经知道，人的大脑皮层不同部位，对应着人们不同的意识功能，如空间知觉、语言表达、抽象推理、音色感知、模式识别，这些功能都和大脑皮层特定部位相对应。
比较基础的神经生理活动，如何促成人的较高级的心智活动呢？神经科学家、人工智能专家戴维·马尔提出，在解释任何心智现象的研究时，都应该追求三层分析。顶层或最抽象的层次是运算层，分析信息处理这个任务。中间层或算法层则是分析实际的过程，这个信息处理任务就是由这个过程来完成的。最底层即物理层，提供关于神经机制的分析，并指明它如何执行在中间层描述的算法，从而实现在运算层抽象描述的任务。马尔建议在所在三个分析层上为心理现象建模，他强调，先理清顶部的运算层，之后才一路奔向底层的建模工作。连丹尼特也都觉得这个想法有点过于简单。
确实，人的大脑在活动过程中，意识的各种所谓层次经常是互相串在一起的，有些意识掺着无意识活动，有些重要的心智过程呈现多样性的特征。其实，如果对思维模式的层次性有充分了解，应当能够对这种情况有所掌握。
最主要的是，我们无法在意识的过程中，区分哪些层次是优先的，哪些是需要先清理的。一个清晰的心理模型的构建，远远没有一些人想象的那样线条分明、程序固定。
诺贝尔奖得主弗朗西斯·克里克提出的假说认为：意识可能是底层运算的结果，它牵涉到一种关注机制，该机制利用40赫兹的振动把相关神经元的峰值同步化，从而暂时把这些神经元连到一起。意识的脑定位可能在大脑的扣带回上。一些同时代的科学家、哲学家虽然赞同克里克的直截了当和大胆设想，但是如果把人的意识直接归结于40赫兹的神经元放电，还是太唐突和不慎重了。和克里克相类似，当代一些神经科学家把意识归结为神经元活动，归结为大脑生理的底层运行结果，可是仍解决不了心智的许多问题。正如塞尔所介绍的那样，虽然像艾克尔斯、斯佩里等著名的脑科学家，在探讨大脑的神经机制方面取得了很大的成就，但就目前而言，脑科学家都慎言意识问题，典型的脑教科书都不含专门讨论意识问题的章节，而且也基本上没什么话来说明意识是一个重要的科学问题。
笔者以为，科学家们慎言的原因，是由于他们都害怕陷入二元论，或者害怕把意识归结于物质的唯物论。但是，从发生学和本质上看，意识确实与物质的高度发展分不开。从本质上说，意识与高度发达的物质——大脑之间的关系，并不存在简单的因果关系：要么认为是脑的活动引起意识，要么认为是意识引起脑的活动。这两者是一个事物的两个方面，它们具有同步的发生学的意义。我们已知大脑的神经元活动的一些情况，我们也知道我们的意识在想些什么、感觉器官感知到什么，但是我们现在并不清楚神经元活动和大脑运作，是如何引起意识、引起思维的；或者换句话说，我们也不清楚由概念驱动或外部信息引发，大脑是如何开展神经网络运作的。这不仅是各门关于脑的及认知科学方面的难题，也是哲学上的难题。
把意识归于神经元的这种还原论，虽然有很强的神经科学数据支撑，但对于人们脑中一瞬间的千变万化，较难作出令人信服的解释。大脑怎样把千千万万电脉冲组成一幅反映外界事物的丰富而多样的世界图景呢？试图在神经元层次上理解大脑，就如同在气缸体中金属的分子层次上理解汽车发动机一样，是没有希望的。在2010年北京召开的第七届国际认知科学大会上，不少科学家不同意把人的意识，比如“故意”等现象，看做是可以用“计算”来比喻的精神现象。有的学者指出，“精神计算派理论”（computation Theory of Mind，CTM）认为精神现象可以用计算机类比，但最大的问题是，正如福多尔（Jerry Fodor）看到的那样，它缺乏各种资源来计算人类认知的全球性特征。实际上就是，它没有看到人类认知的社会属性原则，而这正是一般认知科学家容易忽视的地方。而且，认知不单单是智力的活动，它th还包括情感、意志等，构成一个完整的思维模式系统。科学家们也发现，人类的认知确实不仅仅只是认知方面的事情。因为，“通过对210名在校大学生所做的测试，可得出这样的结论，在日常生活中的各种决策，取决于他们的自信心。”解释大脑产生意识的机制，目前在神经科学家中大致有两种思路。一种是联结主义，认为大脑是由神经元的各种子系统和网络结构有机组成的，这些结构互相联结，产生模式识别等功能。找到这种大脑内部结构的联结图，是神经生理学家的重要任务。另一种是功能主义，认为意识的产生是人脑的一种功能，尽管现在还不能完美地解释其物理机制，但是整个大脑皮层是全部的工作空间。这种思路可以解释人脑皮层区的一部分功能可以由另外的大脑皮层区替代的现象。不少科学家研究大脑的思维机制，正越来越注重把自下而上的神经细胞层次活动，与自上而下的心理功能表现结合起来。神经元微观尺度上的事件，是如何与信息加工、记忆等思维过程之间联系起来，科学家们还在不断作深入的研究。
科学家们发现，神经元的反响回路可能是记忆的生理基础。当外界刺激作用环路的某一部分时，回路便产生神经冲动，刺激停止后，这种冲动并不立即停止，而是继续在回路中往返传递持续一段时间。还有的科学家假定，记忆是由神经元内的核糖核酸分子结构来承担的。至于高级的思维过程发生在大脑的哪个区域，美国加州大学心理学系的若宾（Nina Robin）等人在1995年发表了论文《前额叶皮层的功能和关系复杂性》，指出“前额叶皮层”是控制人类最高级思维形式的神经生理基础。这篇论文探讨了人类高级思维模型与脑神经机制之间的关系。随着对大脑神经系统研究的深入，现在许多科研人员认为，大脑中的语言区和创意区是互相竞争的关系，大脑语言能力与人的创造力可能会此消彼长。以色列海法大学的西蒙娜·沙迈-楚里和她的团队，通过对大脑受损者与正常人的对比分析，发现独创能力与大脑受损的部位直接相关。那些独创能力得分明显高于正常志愿者的人，左脑受损较严重，受损区域负责处理语言。那些得分最低的志愿者右脑受损严重，受损的是一处负责计划和决策的区域。沙迈-楚里说，尽管创造力很可能产生于右脑，但它也许受到左脑语言处理过程的抑制，语言区域th或许在与右脑的创造力较劲。
