意识的秘密，藏在大脑的“连接地图”里

发布日期: 2025-06-26

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作者|EricW. Dolan
翻译|Caroline
审校|酷炫脑
美工|Jenny
编辑|加薪
新研究发现，当我们保持清醒时，大脑会像探险家一样，不断“探索”多样化的连接模式；然而，一旦进入深度睡眠或被麻醉，大脑的活动就会变得相对可预测且僵化，其功能活动与其结构线路之间呈现出更为紧密的对应关系。
我们的大脑非常活跃，不断在各种活动状态之间转换，反映出我们的思想、感知和意识。
发表在《通讯生物学》上的一项新研究表明，这种动态性是区分意识和无意识的关键。研究团队发现，当我们保持清醒时，大脑会像探险家一样，不断“探索”多样化的连接模式；然而，一旦进入深度睡眠或被麻醉，大脑的活动就会变得相对可预测且僵化，其功能活动与其结构线路之间呈现出更为紧密的对应关系。
意识代表了我们体验、感知和回应世界的能力。长久以来，有关意识的研究一直都是神经科学领域最令人困惑的课题之一。科研人员一直在努力寻找可靠且客观的标志用以区分有意识和无意识状态，从而加深我们对意识的了解。
大脑连通性主要分为两大类：结构连通性和功能连通性。前者指的是大脑的物理架构，即那些构成大脑基础的神经元和通路的固定网络；而后者则反映了大脑的活动模式，揭示了不同区域在特定时刻如何协同工作，呈现出动态的交互状态。
以往的研究表明，大脑的功能连通性会在不同的配置之间不断转换，从而反映出各种认知过程。这项新研究旨在通过重点研究清醒、全身麻醉或处于深度睡眠状态的人的大脑动态，探讨功能连通性的变化模式是否能可靠地区分有意识和无意识状态。
“意识无疑是神经科学领域中最吸引人的课题之一，尽管这是一个深奥且尚未被完全理解的基本问题。”该研究的作者、来自巴黎-萨克雷神经科学研究所的阿兰·德斯特克舍（AlainDestexhe）和罗德里戈·科夫雷（RodrigoCofré）解释道。
“我们对从无意识状态到迷幻药诱导的各种意识状态都充满兴趣。我们的目标是揭示支撑意识的动态功能机制，并观察当意识受到干扰时，这些机制会发生怎样的变化。静息态功能磁共振成像（fMRI）为我们提供了一种独特的视角来观察大脑活动，使我们能够捕捉到自发活动及其转换过程，这可能反映出与意识相关的更深层次机制。
在研究中，科研人员深入剖析了两个数据集中的fMRI数据。第一个数据集涵盖了16名健康参与者在清醒、全身麻醉（采用静脉注射药物异丙酚）及麻醉恢复后三种状态下的扫描结果；而第二个数据集则包含了18名健康参与者在清醒和深度睡眠（N3阶段）期间的扫描数据。
研究的焦点在于“相位一致性”，即评估不同大脑区域在任意时刻的同步程度。这种方法使科研人员能够辨识大脑活动的重复性模式，并追踪它们随时间的变化轨迹。借助统计聚类技术，这些模式被细致归类为不同条件下的特定“状态”。随后，科研人员对这些状态在有意识和无意识状态下的出现频率及分布特征进行了详尽分析。
为了全面描绘大脑的动态特性，研究采用了两种核心测量方法。首先，利用香农熵量化大脑活动模式的多样性，熵值越高意味着状态范围越广泛。其次，通过结构-功能耦合评估大脑功能活动与磁共振成像结构所确定的物理线路的紧密程度。此外，科研人员还运用了马尔可夫链模型，以评估状态间转换的可能性，进而深入洞察大脑动态在各种情境下的稳定性与灵活性。
研究结果显示，有意识和无意识状态下的大脑动态呈现出显著差异。在清醒状态下，大脑展现出丰富多变且灵活的活动模式，这体现在较高的香农熵上。这些模式对大脑结构连接的依赖性较低，表明有意识的大脑在探索状态时并不受物理线路的束缚。清醒状态下状态间的频繁转换进一步凸显了有意识大脑的动态性和适应性。相反，无意识状态（如全身麻醉或深度睡眠N3阶段所诱导的状态）下的大脑活动模式多样性明显减少。香农熵显著降低，意味着大脑探索的状态范围变得狭窄。同时，无意识状态下的功能活动与大脑结构连接呈现出更紧密的关联，这表明无意识状态下的大脑更加依赖于其解剖线路。状态间的转换也不那么频繁，反映出一种更为僵化和重复的动态特性。
德斯特克舍和科夫雷告诉《PsyPost》：\“简而言之，当我们处于清醒且有意识的状态时，大脑的活动模式展现出更高的动态性。这些丰富多样的大脑连接动态模式对于意识而言似乎至关重要。然而，在麻醉或深度睡眠状态下，大脑仍然非常活跃，但所依赖的动态模式较少，更接近于解剖学上的连通性，显示的转换也较少。这些发现使我们更接近于确定客观可靠的意识指标，有朝一日可以帮助我们更好地理解甚至跟踪临床环境中的意识。”
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有趣的是，研究人员观察到，某些通常与无意识相关的活动模式在清醒状态下也会偶尔出现，反之亦然。这一发现揭示了意识可能存在于一个连续的光谱之中，意识状态和无意识状态之间存在重叠的特征。尽管存在这些重叠现象，但总体研究结果仍然一致地表明，丰富且动态的大脑活动是意识的显著标志。
“我们对研究结果的稳健性和普遍性感到十分惊讶。”研究人员表示，“此外，我们还惊奇地发现，某些通常与无意识更紧密相关的连接模式甚至会在我们清醒时出现短暂的小爆发，反之亦然。这表明意识并非一种绝对的全有或全无的状态；相反，它可能是一种具有重叠特征的流动光谱。这一发现引发了关于意识状态和无意识状态之间界限的深刻思考。”
与所有研究一样，这项研究也存在一定的局限性。数据来源于两个不同的研究小组，他们采用了不同的扫描和预处理方法，这可能会带来一定的差异。此外，该研究仅关注了一种麻醉剂的影响，其他药物对大脑动态的具体作用仍有待进一步探索。同时，深度睡眠涉及的不仅仅是意识的丧失，还可能伴随着本研究未完全揭示的复杂问题。
德斯特克舍和科夫雷解释道：“虽然我们的研究方法相当稳健，看起来能适用于全身麻醉、深度睡眠等多种状态，但不同研究在数据收集和预处理上仍存在局限。比如说，数据采集设备和预处理技术的差异，可能会导致一些微妙的不同。还有，虽然我们这次研究的是异丙酚这种麻醉剂的效果，但其他药物对大脑活动的影响可能会有所不同。”
“从长远来看，我们期望能打造出一种通用的意识标记，广泛应用于各种临床场景，无论是监测全身麻醉状态，还是评估脑损伤患者的意识水平。我们也很想探索脑电图等其他成像技术，因为它们能提供更多关于大脑有意识和无意识状态的信息。另外，我们还希望能将研究结果进一步拓展到迷幻状态。”
总而言之，这项研究发现，大脑的动态模式对意识至关重要。通过深入研究这些模式，我们不仅能增进科学知识，还能将其应用于医疗实践，例如评估脑外伤或昏迷病人的大脑状况，以及监测迷幻药物作用下的麻醉程度和状态。未来，研究人员期望将这些方法推广到更多物种、不同麻醉剂和各种数据采集技术上。
Via：《AdventureTime》
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