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意识是如何在大脑中产生的?全脑动态互动非常复杂

导语:据外媒报道,人类已经学会了在太空中旅行,治疗各种疑难杂症,并且能在极其微小的尺度上认识基本粒子。然而,今天的我们仍然不知道意识是如何在大脑中产生的。 ...
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[网络] 意识是如何在大脑中产生的?全脑动态互动非常复杂

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据外媒报道,人类已经学会了在太空中旅行,治疗各种疑难杂症,并且能在极其微小的尺度上认识基本粒子。然而,今天的我们仍然不知道意识是如何在大脑中产生的。

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意识代表了我们体验和了解世界的能力。事实上,尽管科学家在许多世纪以来一直试图理解意识,但它仍然是现代神经科学中最重要的未解谜题之一。近日,在发表于《科学进展》(Science Advances)期刊的一篇新论文中,研究人员揭示了当我们意识清醒时大脑中正在运作的神经网络。

意识不仅仅是一个哲学问题。无论是对医生还是家属,确定一个患者在遭受严重脑损伤后是否有“意识”都是一个巨大的挑战,他们需要做出如何护理的决定。现代脑成像技术正在消除这种不确定性,使我们对人类意识的了解达到了前所未有的程度。

举例来说,我们知道前额叶皮质或楔前叶等复杂的大脑区域负责一系列更高的认知功能,通常涉及有意识的思考。然而,大片的大脑区域可以同时完成许多事情。因此,我们想要了解在特定网络层面上,大脑中的意识是如何呈现的。

研究意识体验十分困难,因为这完全是在大脑内部进行,无法被他人触及。打个比方,我们可以让所有人同时在屏幕上看同一张照片,但却无法判断我看这张照片时的体验是否和你一样,除非你告诉我。

只有意识清醒的人才具有主观体验,因此,评估某人是否意识清醒的最直接方法,就是让他们说出关于自己的事情。但是,如果你失去说话能力会怎么样?在这种情况下,我们仍然可以提一些问题,而你或许能够做出回应,比如点头或摆手。

当然,通过这种方式获得的信息可能不会那么丰富,但仍然足以确定你确实具有意识体验。如果你无法做出任何回应,我们就没有办法判断你是否有意识,并且很可能假设你已经失去意识。

  扫描神经网络  

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在有意识和无意识状态中,我们的大脑会随着时间推移有不同的自组织模式。当我们意识清醒时,大脑区域之间交流频密,既有积极也有消极的联系。图中显示了两种主要的大脑区域交流模式。

在一项国际合作的新研究中,来自7个国家的研究人员识别出了能够在不依赖自我报告,或者需要让患者参与特定任务的情况下表明意识的大脑特征,并且能够区分出大脑损伤之后有意识和无意识的患者。

当大脑受到严重损伤时,比如在严重的交通事故中,伤者可能会陷入昏迷状态。在这种状态下,你会失去醒来并感知周围环境的能力,需要机械装置来辅助呼吸。通常情况下,昏迷状态不会持续超过几天,在这之后,患者有时会醒来,但不会表现出对自己或周遭世界有任何意识,这就是所谓的“植物人状态”。

另一种可能情况是,患者表现出仅有极少意识的证据,这被称为“最低程度意识状态”(minimally conscious state,简称MCS)。对于大多数患者,这意味着他们的大脑仍会感知事物,但他们对此没有体验。

然而,这些患者中有一小部分确实是有意识的,只是无法做出任何行为性的反应。研究人员使用了一种名为功能性磁共振成像(fMRI)的技术,对大脑活动以及某些大脑区域和其他区域“交流”的方式进行测量。

具体而言,当某一大脑区域更活跃时,它会消耗更多氧气,而且需要更多的血液供应,以满足能量需求。即使参与者处于静止状态,研究人员也可以测量出这些变化,从而了解不同大脑区域间的差别,最终获得整个大脑的连接模式。

研究人员将这一方法运用在53位处于植物人状态的患者、59位处于最低程度意识状态的患者和47位健康的参与者身上。他们来自巴黎、列日、纽约、伦敦和安大略省的医院。来自巴黎、列日和纽约的患者接受了标准化的行为评估诊断,比如被要求摆手或眨眼。

相比之下,来自伦敦的患者通过其他先进的大脑扫描技术进行评估,这要求患者调整他们的大脑以产生神经反应,而不是做出外部的物理反应。换句话说,患者是想象自己在摆手,而不是真的摆手。

研究人员发现了两种跨大脑区域的主要交流模式。一种只是简单地反映了大脑的物理连接,比如只存在于两个有直接物理连接的区域之间的交流。这种情况见于实际已经没有意识体验的患者,另一种模式表现出非常复杂的全脑动态互动,涉及总共42个大脑区域,它们分属6个大脑网络,对于认知具有重要作用。这种复杂的模式几乎只出现在具有某种意识水平的人身上。

重要的是,当患者处于深度麻醉状态时,这种复杂的模式消失了。这进一步证实了研究人员的方法确实对患者的意识水平敏感,而不是对他们的一般脑损伤或外部反应敏感。

像这样的研究或许能让我们更进一步了解客观生物标志物在医疗决策中如何发挥关键作用。或许在不久的将来,科学家将开发出在外部调节这些意识标记的方法,并使失去意识的患者能够在某种程度上恢复意识或做出反应,比如使用非侵入性的大脑刺激技术(如经颅电流刺激疗法等)。

事实上,在英国伯明翰大学,达维尼亚·费尔南德斯-埃斯帕乔(Davinia Fernández-Espejo)的研究小组已经开始探索这些方法。令人兴奋的是,这项研究将使我们更深入了解意识在大脑中如何产生。

人们会经历各种各样的意识状态——从服用致幻药物到体验“清醒梦”——随着对这些状态中大脑意识的神经标记了解得越多,相关的数据越来越丰富,我们终有一天会破解“意识”这个难题。

其他研究的发现  

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研究人员使用了一种名为功能性磁共振成像(fMRI)的技术,对大脑活动以及某些大脑区域和其他区域“交流”的方式进行测量。图中是一台磁共振成像扫描仪

研究人员正试图填补对意识理解的空白,了解“清醒”状态变成无意识状态(以及相反过程)的转折点。

在2016年发表于《英国皇家学会学报:界面》(Journal of the Royal Society Interface)的一篇论文中,研究人员通过麻醉剂诱导了志愿者的无意识状态,然后用功能性磁共振成像(fMRI)技术追踪了他们的大脑活动。

志愿者在失去意识的同时接受了fMRI扫描,研究人员测量了当他们在不同意识状态间切换时大脑血流量的变化。扫描结果显示,意识清醒的大脑显示了“一系列不断变化的活动”。这意味着神经网络受到许多活动的影响。

该研究指出,意识是一种大脑处于“神经网络连接性”最佳水平的状态。

来源:新浪科技  作者:任天


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