如何從神經機制上理解意識？最新研究成果公布

意識如同海面上漂浮的冰山，我們能看到的其實只是很小一部分，而絕大部分則藏在了深海。

意識的生物學基礎是什么?如何從神經機制上理解意識?

4月20日，中國科學院深圳先進技術研究院腦認知與腦疾病研究所戴輯團隊的最新研究成果發表于The Innovation。該研究成果從感知覺層面，揭示了視覺感知從無意識到意識下再到意識上涌現過程中，大腦各區域神經信號的動態變化特征，從而大大增進了對意識形成的神經生物學基礎的理解。

一直以來，理解意識的生物學基礎一直是科學上的巨大挑戰。在生物學層面，意識研究可分為兩個主要方向：一個是研究大腦形成清醒、昏迷等整體意識狀態的神經基礎;另一個是研究感知覺層面的意識，如我們眼睛所看到的景象，在經由視覺系統傳入大腦之后是如何讓我們產生意識上的視覺感知。

然而，眼睛“見”到并不等于意識“感知”到，“視而不見”的現象也時常發生。這種經過視覺系統加工卻不能形成視覺感知的信息就稱為“意識下”的視覺信息，而成功形成視覺感知的信息則稱為“意識上”信息。

研究人員發現，在實驗條件下，利用雙眼競爭的連續閃爍抑制(CFS)范式，可以調控視覺輸入是進入意識下還是意識上加工。例如，給左眼呈現強烈的快速閃爍馬賽克刺激，同時給右眼呈現亮度較低的物體圖像，可以給人造成在感知覺上完全“看”不到物體的現象，此時即為“意識下”的感知;只有當右眼的圖案亮度增加到一定程度之后，人才能逐漸看到右側物體的存在，此時才形成“意識上”的感知。

那么，視覺感知在從意識下逐漸涌現到意識上的過程中，大腦的神經信號是如何變化的呢?

研究人員利用CFS范式，通過顱內電生理(iEEG)技術結合機器學習的分析方法，清晰地描繪了這一變化過程。首先，研究人員采集了受試者(均為因自身治療需要而植入顱內電極的病人)在執行CFS任務時全腦尺度的iEEG信號，獲得了大腦不同區域在無刺激狀態、意識下狀態以及意識上狀態的神經電活動數據。通過定量化分析展示了iEEG信號在不同意識階段的信號特征，包括時頻特點、不同頻段的能量變化規律等。

研究發現，在從無刺激到意識下轉換的過程中，全腦的功能連接強度是增強的，而從意識下到意識上的轉換則是減弱的。這表明，大腦在形成感知意識的過程中，需要增強全腦的同步性。而在意識形成之后，則不需要再維持全腦的高同步性。

為了從海量的全腦尺度iEEG信號中發掘出導致不同意識狀態轉換的關鍵信息，同時避免先驗假設的誤導，研究團隊引入了機器學習，通過數據驅動的方式來挖掘不同意識階段的信號特征。研究團隊構建了基于機器學習的數據分析管道流，利用隨機森林模型訓練決策樹，獲得了描述不同意識階段iEEG信號差異的數值指針(AUC);再通過AUC去尋找哪些腦區在意識的轉換過程中起主導作用。

研究發現，在從無意識到意識下的轉換中，起主要作用的是額葉-頂葉聯合區，以及部分的顳葉/枕葉區，而在從意識下到意識上的轉換過程中，主導的則是額葉區和顳葉區。此外，在這兩次狀態轉換中，有9個腦區的AUC值在第二次轉換中顯著高于第一次，表明這些腦區在意識的涌現過程中扮演關鍵作用，并且這些腦區在分布上形成了一個以顳上回-顳上溝為中心的集群。

iEEG信號的眾多特征中，其中哪些特征與意識涌現最為相關呢?

研究分析了42個iEEG信號特征，發現相對能譜功率和方差在所有頻段信號，及兩次意識狀態轉換中都展示了相對較高的特征重要性。以此，研究人員推測，這些特征或許可以用作臨床上檢測意識狀態的生理標記。

該研究成果綜合運用意識調制CFS范式、大規模的顱內腦電記錄技術及基于機器學習的分析方法，揭示了視覺意識涌現過程中全腦尺度的神經信號變化特征，指出主導不同意識狀態轉換的關鍵腦區以及腦電信號中的關鍵特征，從而大大增進了我們對意識形成的神經機制的理解。

“我們的結論在部分符合經典的意識理論的同時，也對過往的一些實驗和理論研究提出了新的挑戰，從而有望促進新的意識理論形成，助力科學界充分理解‘意識的生物學本源’的終極問題。”論文通訊作者戴輯表示。(作者：刁雯蕙 )

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