大脑的特征性活动引导科学家接近意识的宝座

劳拉·桑德斯

人类最敏锐的心灵，已经理解了大自然的某些最深刻的秘密。为什么太阳普照？人类如何从单细胞生命进化而来？为什么苹果会落到地上？人类已经设计并建造出巨大的望远镜，可以看见几十亿光年之外的星系，还有显微镜，能照亮单个原子的轮廓。但是让这些光芒万丈的科学见解和伟大的成绩成为可能的特质，却依然很神秘：意识。

虽然对被意识掌控的人们来说，某种程度上，其对意识非常熟悉，但与此同时，人们对意识也是全然陌生的。解码大脑的秘密图谋——它们如何创造心灵——乃是科学界面临的最终的主要挑战之一。

长期以来，这个特别的问题被认为是低级趣味，人们会对其进行哲学沉思，但始终处于真正的科学之外。低声说低级话语（C-word），受到文雅的科学界的轻蔑。

到了20世纪末，人们的看法随着某些受人尊敬的科学家开始大声说低级话语而发生改变。最初，这些讨论撩起人们的好奇心，但却是模糊不清的：就像孩子模仿大人说脏话，但不知道这些话的意思。科学家们在猜测意识是什么，却没有掌握实际的数据。尽管一段时间后，研究人员开发出了方法，利用仪器向内探究，来研究这些特别的东西。

今天，对很多科学家来说，意识研究已经成为一种热情，不仅仅是那种说顽皮话带来的兴奋感了。数据洪流涤荡着脑科学家们的头脑，这远远地超越了他们的直觉，这让关于意识本质的讨论第一次成为基于证据的有意义的讨论。

“你并非注定就行走在那只有哲学和猜测的认识论的迷雾之中，”加州理工学院（Caltech）和西雅图艾伦脑科学研究所（Allen Institute for Brain Science in Seattle）的神经科学家克里斯托夫·科赫（Christof Koch）说，“过去是一团迷雾，但现在我们能用实验方法来动手解决这些问题，利用美好的、古老的科学手段，设法来扫清迷雾。”

从这些工作中积累而来的知识，能把研究人员带入一种丰富的发展循环。新的实验结果已经在引导意识的概念的理论发展，其本身已经做出一些预测，而且可以用更精确的试验来检验这些预测。最终，这些新的见解可以回答很多问题，比如动物，或是互联网，或是下一代iPhone是否会拥有意识的问题。

虽然精细的定义依然晦涩难懂，不过用简单的话说，意识就是你晚上熟睡之时会失去、你早上清醒之时会得到的东西。一个完全清醒并且能构筑体验的大脑，可以说是完全有意识的。

研究人员比较了这类大脑和其他不同的知觉状态的大脑，鉴别出了一个意识清醒的大脑所需的某些关键要素。

“在寻找这些关键要素的过程中，我们决定去研究重大的意识改变。”威斯康星麦迪逊大学的朱利奥·托诺尼（Giulio Tononi）说。他和其他人在研究麻醉甚至昏迷状态下的熟睡的大脑，寻找能让整体意识水平升高或降低的调节开关。

仔细研究与这类意识水平相应的大脑变化，促使某些科学家去探究大脑深处的中枢，这个中枢被称为丘脑，这个结构负责发送并接收川流不息的神经信息。其他有关意识的线索来自大脑所产生的特殊的电信号，当大脑察觉到外界的事物时，就会产生电信号。但意识有赖于很多区域和信号的协作，而不是某个特殊的动作，或是某个统领全局的脑结构。关键可能在于大脑里数万亿连接的精细复杂的涨落起伏。

活动枢纽

严重受损的丘脑成了美国第一例主张死亡权利的斗争的核心。1975年，21岁的凯伦·安·昆兰（Karen Ann Quinlan）心脏病发作，这让她陷入无反应、无意识的植物人状态达十年之久。她最终自然死亡，尸检发现了令人惊讶的消息：昆兰的大脑皮质，似乎相对完整，未受损伤，这是大脑的外层，思想就在这里形成，但丘脑损坏了。

丘脑由两个知更鸟蛋状的结构组成，居于脑干上方要充当大脑中最忙的“大忙人”，这个位置很完美。这是眼睛、耳朵、舌头和皮肤的刺激进入大脑的第一站。丘脑就像一位接线员，收集到来自特定感官的信息后，就沿着特殊的神经纤维发射信号，把正确的信号和大脑布满褶皱的皮质上的正确的区域连接到一起。

这些强连接，连同从植物人状态的病人身上得到的证据，让丘脑成了可能承载意识的宝座的头号嫌犯。举个例子，2010年《神经创伤杂志》（Journal of Neurotrauma）发表过一个研究，发现植物人身上有丘脑萎缩的现象。

“不但丘脑本身受牵连，甚至它的连接——输送神经信号的白质束——在神智不完全清醒的人身上似乎也有功能失调。”研究人员在2011年的《神经图像》（Neuro Image）上发表报告说。

“我忍不住想，关于功能回路，有些基本的东西存在，”圣地亚哥神经科学研究所的神经科学家大卫·埃尔德曼（David Edelman）说，“有一个基本的环存在于……丘脑和皮质之间。如果这些连接切断，如果你损坏连接，那个人就不会有意识了，永远不会有，不论以什么标准来衡量。”

最令人吃惊的一条指向丘脑的证据，来自一位已有六年都处于最低意识状态的病人偶尔进入或出离意识。医生对他实施了手术，把电极植入他的脑中，以刺激丘脑，手术之后，这个人开始对指令做出更一致的反应，能活动肌肉，甚至讲话。

但是丘脑在意识中发挥的作用，并不是一目了然的。它与大脑其他部位的连接，如蜘蛛网般复错综杂，而它的作用也像那些连接一样复杂。

“丘脑有两个灵魂。”加州大学洛杉矶分校的神经科学家马丁·蒙蒂（Martin Monti）说。一个灵魂接收直接来自外界的信息，而另一个灵魂接收来自大脑其他部位的信息。“其实，有更多的连接是从皮质回到丘脑，”他说，“ ‘大脑里闲聊’有好多。”

有大量信息从皮质流入，可能意味着丘脑只是个非常灵敏的皮质行为读出器，就像一篇发表在2007年《麻醉学》（Anesthesiology）的报告所暗示的那样。研究的参与者们都处在麻醉状态，皮质的活动并不稳定，但丘脑依然正常运作了10分钟左右。如果丘脑是意识的最终裁决者，那么丘脑行为的变化，应该要先于皮质行为的变化。

丘脑可能是作为意识的测量仪，而非传动器。同样，温度计能告诉你，得拿件外套穿，但事实上不会让天气变凉；丘脑可以告诉你，这个人有意识，但丘脑不会让意识产生。

读波

有些研究人员关注的是皮质上起伏波动的长距离扩散的脑波，而不是丘脑本身。在这样的波动里，一个被称为γ波的电信号得到了很多关注。这些脑波有时候是从丘脑扩散而出的，由行为相似的神经细胞群的复合电活动生成。γ波在大脑里传递，速率大约为40赫兹每秒；其他脑波——比如说那些被认为是极度专注或者说注意力的标志的波——要慢一点。

在像记忆、注意力，聆听声音或是看见物体这样的心理过程中，都发现过γ波的存在。还有研究发现，快速动眼睡眠（REM）中也有γ波的出现，这个阶段的标志是频繁做梦。

这种关联使得某些研究人员提出，γ波把不相干的情景片段结合到一起——舷窗外的阵阵轰鸣，清爽的微风，和黑色的拉布拉多狗的记忆——使之成为一种统一的湖上乘船体验。

但是某些新的数据发现，信号也会在没有意识的情况下出现，因此人们对γ波在意识中的作用产生了疑问。包括托诺尼在内的一组研究人员监测了人在麻醉状态下的大脑中的电信号。八位健康人接受了二丙泊酚（强效麻醉剂，迈克尔·杰克逊用来睡觉）麻醉，他们在麻醉状态下，γ波确实增强了。该团队在去年的《睡眠》（Sleep）杂志中发表了报告。显然，虽然意识减弱了，但是γ波持续存在。

特殊的大脑信号，比如说γ波，可能是意识的重要的表现，但不是大脑里主要的驱动力量。“我可以把γ波放进任何机器，”托诺尼说，“但这么做，并不会让机器有自主意识。”

思想的不同层级 典型情况下，觉醒就会有觉知——尤其是在正常的意识状态下（粗体字）。昏迷或全身麻醉的人，在两项测量上的得分都低，看起来像无觉知迹象的熟睡。有时候，觉醒和觉知会相互分离，比如说持续的植物人状态。这种情况下，人看来是觉醒的，有时候甚至能动，但是不能觉知周围的环境。

这同样适用于丘脑这样的脑结构，还有科学家们关注的其他脑区，其中包括顶叶和额叶皮质、脑干里的网状激活系统，以及被称为屏状核的那薄薄的扁平状结构。

意识清晰的大脑在运行的时候，究竟有哪些要素在参与？对此，精微的见解越来越多，这让一些科学家有了新的怀疑：也许在大脑里，成为意识的基础的根本不是一种东西，而是一种过程。信息一直都以复杂的模式活跃在大脑各处，就好像是数以万亿的小弹珠，同时掉进弹珠机，每一个弹珠都沿着规定好的、负责关键任务的路线移动。可能就是这种恒常的信息流动，创造了意识——而信息流的中断，会破坏意识。

关键的连接

寻找信息流中断的信号的一个方法，是在二丙泊酚起效之际进行大脑扫描。2011年7月发表在《神经图像》上的一个研究报告称，该研究给18位健康志愿者打上麻醉药，用功能性核磁共振成像（functional MRI，fMRI）脑扫描仪进行扫描。fMRI是通过测定脑血流来近似地了解脑区活动：哪个脑区越忙碌，该处的脑血流就越丰富。

“深度麻醉的时候，有些在正常情况下会协同工作的脑区丧失了同步性。”比利时列日大学的杰西卡·施勒夫（Jessica Schrouff）和同事报告说。特定脑区内部，以及相距遥远的脑区之间的交流，都变得支离破碎了。

把植物人状态的病人和健康志愿者做了比较之后，列日大学的梅兰妮·波利（Mélanie Boly）和同事发现，植物人也表明有脑连接的中断。给受试者听一系列的音调，大多数都很相似，但偶尔会有奇特的“怪”调出现，大脑会有明显的反应。这种初始的大脑反应，在植物人状态的病人身上是正常的，如EEG的监测结果所示。

信号似乎是从大脑的听觉区域传递到皮质上其他区域，但是信号在那里停了下来。和健康人不一样，从皮质上不同部位发出的、像弹珠一样移动的信息，无法回到最初对音调有响应的听觉区域。该团队在去年五月的《科学》上发表了这一报告。

是什么导致了这种断开，原因并不清楚。可能的疑凶和其看上去一样违反直觉——也许是同步性的过载，德国汉堡-埃普多夫大学医学中心的诺特祖普（Gernot Supp）在2011年12月的《当代生物学》（Current Biology）上发表了报告。在麻醉药起效的时候，很多脑区采取了缓慢的、统一的行为。这种同步性过强（hypersynchrony）的行为和它的名字一样，可能是麻醉药压制大脑里来回传递的信息的方法之一。

意大利米兰大学的托诺尼，马塞洛·马西米尼（Marcello Massimini）和同事决定直接处理大脑，而不只是观察大脑行为，推测其连接情况。团队想到利用一种被称为经颅磁刺激（Transcranial Magnetic Stimulation，TMS）的技术来电击一小块大脑，并用电极对所产生的信号进行监测。

“基本上，这触发了大脑皮质上的反应链，”马西米尼说，“就像是我们用这个脉冲来敲击大脑，然后我们见到这种敲击是如何传播的。” 就像池塘里的涟漪，来自TMS的反响（reverberation），在健康的、警觉的人的大脑里，是一种复杂的、广泛传播的模式持续大约300毫秒。

在大脑处在深度睡眠状态的时候这种复杂的表现也会大为简化。这个信号在其开始的地方会很快消退，大约150毫秒后信号消失，而不像食物色素滴落水中，先搅浑周围然后消失那样，从一种形态变成另一种形态。在麻醉的大脑中，也见到了同样简化的模式。

“要是敲击木头桌子，或者敲击没装东西的空桶，你听到的声音是不一样的。而要是敲击健康的有意识的大脑，你会听到一个非常复杂的声音。” 马西米尼说。

马西米尼、托诺尼和同事近来发现植物人状态的病人身上有同样的响应受阻的情况。团队测试了五位植物人，五位最低意识状态的病人和两位完全有意识但不能活动的病人（这种状态被称为闭锁综合征）。很大程度上，闭锁综合征的病人和最低意识状态的病人表现出了复杂且持久的大脑信号，和完全有意识的人类似。但是植物人的大脑显示出短暂的、停滞的信号，该团队在1月的《大脑》（Brain）上发表了在线报告。

大脑的这种明确差异，终有一天能帮助诊断那些拥有少许意识但是不能与医生交流的患者。当研究人员对五位新的病人进行实验，这些病人昏迷几个月之后成了植物人，五个人里面有三个恢复了意识。在医生看到临床症状改善之前，他们所使用的方法提高了大脑的连接水平。

马西米尼认为，在这个阶段，在某种程度上，测量的手段很粗糙，但是进一步的改进，可能会让医生更好地评估意识的水平。

观察大脑里的这些大范围的变化，可能会给那些对意识的含义苦思不得其解的科学家提供新的思路。其他的灵感很可能来自科学家在不同方面开展的意识研究：大脑是如何利用许许多多的小片段，比如说苹果脆甜的口感，落叶的沙沙声以及喜悦之感，来构建完整的经验的。

“从多个不同的角度来研究意识是最终理解意识的最好的办法。”英国伯明顿的赛克勒意识科学中心（Sackler Centre for Consciousness Science）的神经科学家阿尼尔·赛斯（Anil Seth）说。

同样地，既然无法对“生命”做出一种单一的、明确的定义（生长、繁殖或健康的新陈代谢均适用），那么意识也许原本是很多不同寻常的现象的集合，赛斯说：“如果我们能解释意识的不同方面，既然意识在宇宙中普遍存在，我希望它开始看起来不那么神秘。” AmXyLj9V//HLK0a5X2gm9F8HDlXqn0gu/HaZStjs+A0la1GbrrPkm7NKC0yjdeZ0