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利用脑成像技术,科学家开始触及意识的本质

来源:环球科学
人类已经可以遨游太空、消灭疾病,甚至在基本粒子的微观层面上去理解自然。然而我们仍然不知道意识——我们体验世界、了解世界并将其传达给他人的能力——是怎样在大脑中产生的。
事实上,虽然几个世纪以来科学家们都在全力以赴地理解意识,但是这个现代神经科学最重要的问题仍然未得到解决。我们发表在《科学进展》(Science Advances)上的新研究试图通过揭示意识的脑网络阐释了这个谜团。
意识的本质不仅仅是一个哲学问题。判断一个病人在遭受严重的脑损伤之后是否还有“意识”对于医生和家属来说都是巨大的挑战,然而他们需要以此为依据来为病人的治疗做决定。现代脑成像技术消减了这种不确定性,给我们带来了前所未有的洞悉人类意识的机会。
举例来讲,我们知道,包括前额叶和楔前叶在内的一些复杂脑区负责一系列高级认知功能,这些脑区通常与意识思维有关。然而,大面积的脑区能负责更多的任务。因此我们想要知道意识在大脑的特定网络层面上的表现方式。
因为意识是完全内在的,不能为他人所触及,因此研究意识体验十分困难。比如说,当我们都在观察屏幕上的同一张图片时,我没有办法知道我看到这张图片的体验是否与他人相似,除非有人主动告诉我。有意识的个体才能拥有主观体验,因此,要检验一个人是否有意识,最直接的方法是让他们自己告诉我们。
但是如果你不能说话呢?在这种情况下,我仍然可以向你提一些问题,你可以通过点头或者动手等方式作出回应。当然,我通过这种方式获得的信息也许没那么丰富,但也足够让我知道你是否拥有主观体验。如果你不能给出任何回应,我将不能判断你是否有意识,这种情况下,我可能会假设你没有。
脑网络扫描
我们的研究是七个国家的研究者的共同成果。我们找出了代表意识的脑信号,因此我们不需要病人进行自我报告或完成某个特定任务,就能够判断遭受脑损伤的病人是否还有意识。
当大脑严重受损,比如遭受了一场严重的车祸时,人可能会陷入昏迷。在这种情形下,人无法清醒地感受到周围的环境,并且需要医疗器械来维持呼吸。一般来说这种情形不会持续很多天。之后病人有时会醒来,却表现不出有任何对自我或是周围世界的意识,这就是人们所说的“植物人状态”。病人也可能表现出极其微弱的意识,这就是“微意识状态”。对绝大多数病人来说,这意味着他们的大脑仍然有知觉,但他们无法产生体验。不过,有很小一部分的病人确实是有意识的,只是单纯地无法产生任何行为反应。
功能性磁共振成像(fMRI)扫描仪。(图片来源: Wikipedia)

我们使用了功能性磁共振成像(fMRI)技术来测量大脑的活动以及不同脑区之间的“交流”方式。具体来说,脑区处于活跃状态时会消耗更多的氧,因此需要更多的血液供应来满足它的需要。即使病人处在静息状态下,我们也可以通过追踪测量这种变化,创建出大脑里的连接模式。
我们用这种方法测量了53个处于植物人状态的病人,59个微意识状态的病人,以及47个健康的被试。他们来自巴黎(Paris)、列日(Liège)、纽约(New York)、伦敦(London)以及安大略(Ontario)的医院。研究者通过标准化行为测量对来自巴黎、列日和纽约的病人进行了诊断,比如让他们动一只手或是眨一只眼睛。作为对照,研究者们使用了其他先进的脑成像技术来评估伦敦的病人。在测验过程中,病人需要在大脑里产生神经回应(比如想象移动自己的手),而非产生外部的身体回应(实际地移动手)。 
在有意识与无意识状态下,我们大脑随时间变化的自我组织方式是不同的。当我们有意识的时候,脑区之间的交流具有丰富的变化,同时呈现出了积极与消极的连接。(图片来源:Credit: E. Tagliazucchi & A. Demertzi)

我们发现,脑区之间主要有两种连接方式。一种简单地反映了大脑的生理连接,比如成对脑区彼此直接相连。这在几乎没有意识体验的病人身上可以看到。另一种方式非常复杂,呈现出全脑6个具有重要认知功能的脑网络里,42个脑区的动态交互。
值得注意的是,当病人处于深度麻醉状态时,这种复杂的连接模式就消失了。这表明我们的方法能灵敏地反映病人的意识水平,而不是仅仅反应普通的大脑损伤或者对外部反应。
这样的研究或许可以使人们了解到客观的生物指标在医疗决策中的重要角色。在未来,我们有可能从外部调节这些意识信号,并让失去意识的病人恢复一定的意识或反应,比如使用像经颅电刺激这样的非侵入性脑刺激技术。事实上,我在伯明翰大学的研究小组正在探索这条道路。
这个研究让我们在理解意识起源的路上又迈出了令人激动的一步。若能有更多不同意识状态下人的神经信号数据——从服用迷幻药到做清醒梦——我们也许有一天能彻底解开这个谜团。

作者:Davinia Fernández-Espejo
翻译:杜佳蔚
审校:戴晨
引进来源:the Conversation
引进链接:https://theconversation.com/how-we-identified-brain-patterns-of-consciousness-111275

本文来自:环球科学
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