大脑意识之谜:了解意识的起源有助于脑损伤修复

  • 日期:08-13
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Nature Natural Research

更好地理解意识的起源和运作模式不仅有助于找到治疗脑损伤和恐惧症的新方法,而且有助于更深入地了解自己。

在20世纪90年代,神经科学家Melvyn Goodale开始研究一种叫做视觉形式失认症的疾病。患有这种疾病的人不能有意识地区分他们面前的物体的形状或方向,但他们的行为就像他们可以看到的那样。 “如果你在他们面前拿起一支铅笔,问他们铅笔是水平的还是垂直的,他们就无法回答它,”加拿大韦斯利大学脑与精神研究所的创始主任古德尔说。 “但奇怪的是,他们可以伸手拿铅笔,手的方向完全正确。”

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Goodale最初的研究方向是大脑如何处理视觉相关信息。出于这个原因,他观察了有意识和无意识的视觉系统。随着时间的推移,他的研究引起了哲学家们的注意,他们把他拉进了在关于意识问题的讨论中.当科学遇到哲学时,两者都发生了变化。

利用新的大脑活动检测技术,科学家们可以进一步完善其意识理论。什么是意识,意识是如何形成的,以及有意识和无意识的界限在哪里。随着对意识的理解加深,一些研究人员开始思考如何操纵意识来治疗脑损伤,恐惧症以及创伤后应激障碍(PTSD)和精神分裂症等精神和精神疾病。

但即使研究继续推进,科学和哲学思维仍在继续融合,最基本的问题仍未得到解决。 “我们仍然无法应对意识如何产生的问题,”英国苏塞克斯大学萨克勒意识科学中心的认知和计算神经科学家Anil Seth说。

没有回应等于无意识?

件,但意识会描述与这些感知相关的定性观念,包括思维,沟通,联想等深层过程。

事实上,在十九世纪下半叶,科学家已经开发出一种类似于现在的意识研究方法,米歇尔说。但有意识的研究在二十世纪没有得到改善,因为心理学家不承认内省法则,但仍然关注可观察的外化行为和引起它们的刺激。即使在20世纪70年代和80年代,认知科学也已建立,意识仍然是一个有争议的话题。科学家公开质疑这是否是一个可以成立的科学研究领域。诺贝尔奖获得者兼分子生物学家弗朗西斯克里克(Francis Crick)在其职业生涯的早期就有意识地思考,但最终选择了真正的DNA。

尽管如此,杰出的科学家(包括克里克)决定开始解决意识问题,这导致了20世纪90年代的思维转变。当然,这也受益于功能磁共振(功能磁共振)。成像,fMRI)和其他脑部扫描技术正变得越来越流行。从那时起,科学家终于开始探索与意识信息处理相关的大脑机制。

随之而来的是一系列重大科学突破,其中包括一名23岁女性在2005年7月车祸中遭受严重脑损伤的案例,整个人处于无反应状态,或处于清醒昏迷状态。她可以睁开眼睛并进行睡眠 - 觉醒周期,但她没有回应指示,也没有任何自主运动的迹象。车祸发生五个月后,她仍处于这种状态。当时,在英国剑桥大学,现在在韦斯利大学工作的神经科学家阿德里安欧文和他的同事进行了一项前所未有的研究。他们在此过程中使用fMRI向患者发出了一系列口头指示。监测大脑活动[1]。当团队要求患者想象打网球时,他们观察到大脑中辅助运动区域的活动。然后,团队让她想象穿过自己的家,导致与运动和记忆相关的三个大脑的大脑活动显着增加。当他们收到相同的指示时,健康志愿者的大脑会有类似的表现。

048a-iaqfzyv8253071.jpg有些患者似乎对外部刺激没有反应,但他们的大脑活动与健康个体相似。

塞思说,一些昏迷的人可能有意识的发现对于神经科学来说是革命性的。该研究表明,一些似乎对医生和家庭成员没有反应的人可以理解这种语言,甚至可以进行交流。

在Owen的研究之后的几年中,大量脑损伤患者提供了更多的支持证据。多达10-20%的无反应患者可以检测到意识征兆。 2010年的一项研究使用fMRI监测来自比利时和英国的54名严重脑损伤患者。当这些患者被要求想象在他们的房子或城市打网球或走路时(类似于欧文的研究方法),共有5名患者表现出大脑活动的迹象[2]。在传统的床边评估中,五个中的两个从未表现出任何意识迹象。

科学家也开始尝试停止使用口头指示进行意识监测。在2013年开始的一系列研究[3]中,米兰大学的神经科学家Marcello Massimini及其同事使用经颅磁刺激(TMS)在大脑中创造“回声”并用脑电图记录它们。根据洛杉矶加利福尼亚大学的神经科学家马丁蒙蒂的说法,这种方法就像攻击大脑一样。原理与墙壁的厚度相同。当一个人处于全身麻醉或不眠时,所产生的“回声”非常简单。但如果它是一个有意识的大脑,“回声”将非常复杂并广泛传播到大脑皮层(大脑外层)的表面。这些发现可能有助于为那些无法看到,听到或回应口头指示的人开发新的意识检测工具。

定位,定位或定位

随着意识检测技术的逐渐成熟,研究人员已经开始确定哪些大脑区域和神经回路对于意识的产生最为重要。但在神经方面,意识的构成仍然存在许多差异,特别是那些对意识最重要的大脑过程和区域。

至少自十九世纪以来,科学家们已经知道大脑皮层对意识很重要。新证据进一步强调了负责感官体验的后皮层“热区”。例如,在2017年的一项睡眠研究中,研究人员在晚上用EEG监测它们时唤醒了受试者[4]。大约30%的时间,从睡眠中醒来的受试者报告说他们在醒来之前没有特殊经验。研究表明,在睡眠期间没有意识经验的人在醒来之前在他们大脑的后皮质中有许多低频活动。那些报告说他们在醒来之前做梦的人大大减少了皮层区域的低频活动,并且高频活动显着增加。因此,研究人员认为,有可能通过监测后皮质来预测受试者是否在睡眠中做梦。甚至可以预测他们梦想的具体内容,包括面部,言语和动作。

但越来越多的证据表明,意识并不局限于大脑的某个区域。感知的内容或感知类型是不同的,并且所涉及的细胞和途径是不同的。研究神经信号的协调动员可以帮助研究人员找到可靠的意识特征。 2019年的一项研究收集了来自159名受试者的fMRI数据,研究人员发现,健康个体大脑中神经信号的协调模式比最低意识状态和麻醉状态下的神经信号协调模式更复杂和变化[5]。

关于意识的起源还有许多未解之谜。研究人员总是对如何解释研究结果有自己的看法。此外,测量有意识和无意识总是一个挑战,并且它与判断大脑接收到不同信息后发生的事情并不是同一个问题。尽管如此,对各种意识水平的大脑功能的研究至少提供了一种超越机械解剖学的新视角。塞思说,他希望意识领域的研究人员能够“探索21世纪更多的精神病学探索,以制定基于特定症状背后机制的干预策略。”

意识调节或疾病治疗的新可能性

基于意识研究的干预策略研究正在全面展开,脑损伤患者可能成为最早的受益者。例如,先前的研究已经指出丘脑在意识形成中起着重要作用,因此Monti和他的同事一直在尝试使用基于超声波的非侵入性技术刺激脑损伤患者的丘脑区域。

他们的第一次测试是一名25岁的男子,他在车祸中昏迷了19天。治疗3天后,患者逐渐恢复了语言理解,对说明做出了回应,并通过点头或摇头回答是或否的问题。五天后,他能够起床并尝试走路。

该病例于2016年报告,明确提到患者的康复可能是巧合。一些患者自己会从昏迷中醒来[6]。但未发表的随访研究表明,超声治疗可能确实有效。后来,Monti团队治疗了几年前发生车祸的男性病人。由于脑损伤,患者长时间处于意识最低状态,并且该状态的人显示出一些意识到环境或自己的迹象。在实验治疗几天后,患者的妻子问他是否能够识别家庭照片中的人。他可以通过眼球运动做出明确的回答,抬头是一种理解,俯视是不知道的。 Monti记得他很快就在治疗后去看了病人和他的妻子。 “她看着我,甚至没有打招呼。她说,'我想要更多',“蒙蒂说。这是她自车祸以来第一次与丈夫沟通。

2d53-iaqfzyv8253142.jpg由机器学习算法构造的模拟视觉错觉。

Monti和他的同事们在其他几位长期昏迷患者中也发现了同样令人鼓舞的结果,但目前还不清楚这种效应是否会持续,或者患者是否会在几周后重新陷入昏迷状态。该团队的研究仍在进行中,研究人员希望知道重复治疗是否能延长治疗时间。 “我真的认为这可以帮助患者康复,”蒙蒂说。 “曾经有人称之为'快速大脑'。我们并不是真正快速开始的大脑,但这种类比是合理的。“

加州大学洛杉矶分校神经科学家Hakwan Lau及其同事表示,进一步研究意识将有助于找到治疗焦虑,恐惧症和创伤后应激障碍等疾病的更好方法。目前治疗恐惧症的标准方法是暴露疗法,其涉及反复将患者暴露于他们最害怕的事物。这种方法的经验非常糟糕,因此50%或更多的患者会选择退出治疗。

相反,Lau的团队正在尝试基于fMRI的技术来调节人的无意识状态,当某些大脑区域被激活时,人们会获得一定的奖励。在一项双盲试验中,研究人员邀请了17名受试者挑战。他们可以进行任何心理活动或采取任何心理策略。目标是使计算机屏幕上的点更大。分数越大,研究结束。他们得到的报酬越多,挑战就越不会限制他们的想法[7]。受试者不知道的是,当他们的特定大脑区域被激活时,屏幕上的点只会变大,根据之前的大型样本研究,这个特定的区域只有在他们看到动物的照片时才会出现。害怕。将被激活,如蜘蛛或蛇。

随着研究的进展,受试者能够越来越具体地激活特定区域,但他们没有意识到他们认为动物是他们害怕的。在实验结束时,受试者在看到这些动物时看到手掌出汗显着减少。手掌出汗反映了他们的紧张情绪;杏仁核活化水平也显着降低。面对威胁,杏仁核区域经常被激活。当人们没有意识到这种方法时,这种方法似乎改变了大脑的恐惧反应。

Lau和他的同事目前正在测试使用这种方法来治疗恐惧症,他们希望这项技术最终能够用于治疗创伤后应激障碍。但这种方法的局限性也很明显。尽管与恐惧相关的身体症状已经减少,但蜘蛛和蛇的主观感觉似乎并未受到影响。 “如果你问他们是否害怕(这些动物),”刘说,“他们的回答是恐惧。”

纽约大学神经科学家Joseph LeDoux认为,为了解决恐惧问题,可能有必要针对无意识和有意识的途径,这两种途径在大脑中都有不同的作用。他说,无意识的途径起源于杏仁核,但这种对威胁的自然反应不应被视为恐惧。有意识的恐惧来自对情境的认知和情感解释,因此产生的经验不是以杏仁核为中心。 LeDoux说,这种差异最明显的是盲人,他们无法有意识地感知视觉刺激,但行动就好像他们可以看到它一样。当威胁发生时,他们的杏仁核区域被激活并且存在相应的身体反应,但他们并不主观地害怕。

LeDoux说,生理反应和主观感受之间的这种不匹配可能有助于理解为什么现有的抗焦虑药物对某些患者无效。这些药物基于动物实验,可能针对杏仁核中的神经回路,影响个体行为,例如怯懦程度,使他们更有可能参与社交活动。但这些药物并不一定会影响有意识的恐惧体验,这表明未来的抗焦虑治疗可能需要解决无意识和有意识的过程。 “基于脑的研究方法将不同症状视为不同神经通路的产物,我们可以设计针对不同神经通路的治疗方法,”他说。 “音量不会改变歌曲只会改变音量。” p>

精神疾病是意识研究者感兴趣的另一个领域。刘说,理论基础是一些精神和精神疾病,包括精神分裂症,强迫症和抑郁症,可能是由无意识问题引起的,甚至可能是有意识的。造成两种无意识渠道之间的冲突。意识与精神疾病之间的联系到目前为止只是一个假设,但塞思一直在使用“幻觉机器”来探索幻觉的神经基础; “幻觉机”是一个虚拟现实程序,通过机器学习模拟健康人脑的视觉幻觉。经验。经过实验,Seth及其同事已经证明,这种视觉错觉经历与服用致幻药物后的经历类似,致幻药物越来越多地用于研究意识的神经基础。

如果研究人员能够发现幻觉发生的机制,他们可能能够调节大脑相关区域,从根本上治疗精神障碍,而不仅仅是对症。此外,这项研究表明,操纵人类情感是多么容易,证明所谓的现实只是我们世界经验的一个方面,Seth补充道。

我期待着在科学的红地毯上。

每年,美国成千上万的人在全身麻醉期间恢复知觉。他们不能移动或说话,但他们可以听到语音或设备的声音,他们可以感受到痛苦。这种经历可能是创伤性的,因此相关医生必须承担相应的道德和法律责任。一些科学家正在努力推广指导方针,以指导与反应迟钝的患者进行沟通,并找到这些患者不适的迹象。此外,他们还呼吁增加专业培训和法律规定,以解决新的意识检测方法可能改变医疗业务中“知情同意”的定义的可能性。

研究人员也开始重视与公众的沟通,并解释意识科学能够和不能实现的目标。米歇尔说,在意识研究中存在大量断言,而这些断言并未得到经验数据的支持。其中一个最突出的被称为“综合信息理论”。虽然米歇尔和意识研究领域的其他专家公开否认了这一理论的合理性,但相关研究仍然获得了大量私人资金和媒体的关注。在2018年对249名研究人员进行的非正式调查中,米歇尔和他的同事们发现,大约22%的“非专家”(即没有发表有意识的相关论文或参加重要的意识相关会议)。人们)相信信息理论的整合[8]。米歇尔推测,“古鲁效应”可能是罪魁祸首,也就是说,“非专家认为,行业当局提出的复杂而含糊的断言比简单的理论更有可能。”从某种意义上说,理论复杂性用于表示理论的可能性,“米歇尔说。”他们并不真正理解一个理论,但认为如果他们真正理解它,他们可能会认为它是正确的意识理论。

为了巩固有意识科学的合法性,鼓励科学研究人员和公众接受循证意识理论,Michel和来自其他学科的57位同事,包括Seth,Lau,Goodale和LeDoux,对非正式调查进行了跟进并发表了论文2019年概述了意识研究领域的现状。讲述。他们的研究结果参差不齐[9]。他们写道,国家心理健康研究所尚未认识到意识研究的战略意义。在这一领域创造的就业机会明显落后于其他新兴学科,如神经经济学和社会神经科学。有意识的科学研究相对缺乏公共资金在美国尤为明显。但意识科学的某些方面已经引起越来越多的关注。自20世纪90年代中期以来,美国国立卫生研究院(NIH)为许多相关研究提供了资金支持,包括有意识和昏迷状态之间以及清醒和睡眠状态之间的神经学差异。这些研究可以为我们了解意识的神经学特征打开一扇窗口。 Goodale说,一些主流的私人慈善基金会和慈善组织也为意识领域的重要研究课题做出了贡献,他本人也获得了类似组织加拿大高等研究院的研究经费。

随着研究经费和研究结果的积累,越来越多的与意识相关的内容出现在科研人员的研究计划中。即使它不是目前的核心内容,至少它的存在是合理和合法的。 “意识科学正在逐渐接近神经科学,心理学,医学等成熟的标准化领域,”塞思说。 “纪律研究逐渐标准化是一件令人愉快的事情。”

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