意识是如何在大脑中产生的？非常复杂的全脑动态互动
https://n.sinaimg.cn/tech/transform/244/w630h414/20190320/Io6o-hukwxnv9030795.jpg尽管科学家在许多世纪以来一直试图理解意识，但它仍然是现代神经科学中最重要的未解谜题之一。新浪科技讯 北京时间3月20日消息，据国外媒体报道，人类已经学会了在太空中旅行，治疗各种疑难杂症，并且能在极其微小的尺度上认识基本粒子。然而，今天的我们仍然不知道意识是如何在大脑中产生的。 意识代表了我们体验和了解世界的能力。事实上，尽管科学家在许多世纪以来一直试图理解意识，但它仍然是现代神经科学中最重要的未解谜题之一。近日，在发表于《科学进展》（Science Advances）期刊的一篇新论文中，研究人员揭示了当我们意识清醒时大脑中正在运作的神经网络。 意识不仅仅是一个哲学问题。无论是对医生还是家属，确定一个患者在遭受严重脑损伤后是否有“意识”都是一个巨大的挑战，他们需要做出如何护理的决定。现代脑成像技术正在消除这种不确定性，使我们对人类意识的了解达到了前所未有的程度。 举例来说，我们知道前额叶皮质或楔前叶等复杂的大脑区域负责一系列更高的认知功能，通常涉及有意识的思考。然而，大片的大脑区域可以同时完成许多事情。因此，我们想要了解在特定网络层面上，大脑中的意识是如何呈现的。 研究意识体验十分困难，因为这完全是在大脑内部进行，无法被他人触及。打个比方，我们可以让所有人同时在屏幕上看同一张照片，但却无法判断我看这张照片时的体验是否和你一样，除非你告诉我。 只有意识清醒的人才具有主观体验，因此，评估某人是否意识清醒的最直接方法，就是让他们说出关于自己的事情。但是，如果你失去说话能力会怎么样？在这种情况下，我们仍然可以提一些问题，而你或许能够做出回应，比如点头或摆手。 当然，通过这种方式获得的信息可能不会那么丰富，但仍然足以确定你确实具有意识体验。如果你无法做出任何回应，我们就没有办法判断你是否有意识，并且很可能假设你已经失去意识。 扫描神经网络https://n.sinaimg.cn/tech/transform/128/w630h298/20190320/2amX-hukwxnv9031702.jpg 在有意识和无意识状态中，我们的大脑会随着时间推移有不同的自组织模式。当我们意识清醒时，大脑区域之间交流频密，既有积极也有消极的联系。图中显示了两种主要的大脑区域交流模式。
在一项国际合作的新研究中，来自7个国家的研究人员识别出了能够在不依赖自我报告，或者需要让患者参与特定任务的情况下表明意识的大脑特征，并且能够区分出大脑损伤之后有意识和无意识的患者。 当大脑受到严重损伤时，比如在严重的交通事故中，伤者可能会陷入昏迷状态。在这种状态下，你会失去醒来并感知周围环境的能力，需要机械装置来辅助呼吸。通常情况下，昏迷状态不会持续超过几天，在这之后，患者有时会醒来，但不会表现出对自己或周遭世界有任何意识，这就是所谓的“植物人状态”。 另一种可能情况是，患者表现出仅有极少意识的证据，这被称为“最低程度意识状态”（minimally conscious state，简称MCS）。对于大多数患者，这意味着他们的大脑仍会感知事物，但他们对此没有体验。 然而，这些患者中有一小部分确实是有意识的，只是无法做出任何行为性的反应。研究人员使用了一种名为功能性磁共振成像（fMRI）的技术，对大脑活动以及某些大脑区域和其他区域“交流”的方式进行测量。 具体而言，当某一大脑区域更活跃时，它会消耗更多氧气，而且需要更多的血液供应，以满足能量需求。即使参与者处于静止状态，研究人员也可以测量出这些变化，从而了解不同大脑区域间的差别，最终获得整个大脑的连接模式。 研究人员将这一方法运用在53位处于植物人状态的患者、59位处于最低程度意识状态的患者和47位健康的参与者身上。他们来自巴黎、列日、纽约、伦敦和安大略省的医院。来自巴黎、列日和纽约的患者接受了标准化的行为评估诊断，比如被要求摆手或眨眼。 相比之下，来自伦敦的患者通过其他先进的大脑扫描技术进行评估，这要求患者调整他们的大脑以产生神经反应，而不是做出外部的物理反应。换句话说，患者是想象自己在摆手，而不是真的摆手。 研究人员发现了两种跨大脑区域的主要交流模式。一种只是简单地反映了大脑的物理连接，比如只存在于两个有直接物理连接的区域之间的交流。这种情况见于实际已经没有意识体验的患者，另一种模式表现出非常复杂的全脑动态互动，涉及总共42个大脑区域，它们分属6个大脑网络，对于认知具有重要作用。这种复杂的模式几乎只出现在具有某种意识水平的人身上。 重要的是，当患者处于深度麻醉状态时，这种复杂的模式消失了。这进一步证实了研究人员的方法确实对患者的意识水平敏感，而不是对他们的一般脑损伤或外部反应敏感。 像这样的研究或许能让我们更进一步了解客观生物标志物在医疗决策中如何发挥关键作用。或许在不久的将来，科学家将开发出在外部调节这些意识标记的方法，并使失去意识的患者能够在某种程度上恢复意识或做出反应，比如使用非侵入性的大脑刺激技术（如经颅电流刺激疗法等）。 事实上，在英国伯明翰大学，达维尼亚·费尔南德斯-埃斯帕乔（Davinia Fernández-Espejo）的研究小组已经开始探索这些方法。令人兴奋的是，这项研究将使我们更深入了解意识在大脑中如何产生。 人们会经历各种各样的意识状态——从服用致幻药物到体验“清醒梦”——随着对这些状态中大脑意识的神经标记了解得越多，相关的数据越来越丰富，我们终有一天会破解“意识”这个难题。 其他研究的发现https://n.sinaimg.cn/tech/transform/250/w630h420/20190320/ghiS-hukwxnv9032618.jpg 研究人员使用了一种名为功能性磁共振成像（fMRI）的技术，对大脑活动以及某些大脑区域和其他区域“交流”的方式进行测量。图中是一台磁共振成像扫描仪
研究人员正试图填补对意识理解的空白，了解“清醒”状态变成无意识状态（以及相反过程）的转折点。 在2016年发表于《英国皇家学会学报：界面》（Journal of the Royal Society Interface）的一篇论文中，研究人员通过麻醉剂诱导了志愿者的无意识状态，然后用功能性磁共振成像（fMRI）技术追踪了他们的大脑活动。 志愿者在失去意识的同时接受了fMRI扫描，研究人员测量了当他们在不同意识状态间切换时大脑血流量的变化。扫描结果显示，意识清醒的大脑显示了“一系列不断变化的活动”。这意味着神经网络受到许多活动的影响。 该研究指出，意识是一种大脑处于“神经网络连接性”最佳水平的状态。（任天）
注意力如何帮助大脑感知物体
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科学家发现，注意力可以穿透大脑中损害视觉感知的“噪音”你很容易错过你不想要的东西。在一个著名的例子中，人们被要求仔细观察两组人——一组穿着黑色衣服，另一组穿着白色衣服——在他们之间传递一个球。观众被要求数一数球从黑球传到白球的次数。值得注意的是，大多数观察者并没有注意到一个穿着大猩猩服装的男人在球员中间走动。大脑忽略外部视觉信息的能力对我们的工作和功能至关重要，但是控制感知和注意力的过程还没有完全被理解。长期以来，科学家们一直认为，对特定物体的注意力可以通过放大特定的神经元活动和抑制其他神经元的活动(大脑的“噪音”)来改变感知。现在，索尔克的科学家已经证实了这一理论，他们展示了来自神经元的太多背景噪音是如何干扰集中注意力，并导致大脑难以感知物体的。“这项研究告诉我们信息是如何在大脑的电路中编码的，”索尔克教授约翰雷诺兹说，他是这篇论文的资深作者。“当刺激出现在我们面前时，它会激活一群神经元，这些神经元对刺激具有选择性。在刺激引发的反应之上是神经活动的低频大波动。雷诺兹实验室之前的研究发现，当人们的注意力转向刺激时，这些低频波动会被抑制。神经信息处理的理论模型表明，这种波动会损害感知，而注意力通过过滤这些波动来改善感知。为了直接验证这一观点，研究人员求助于一种名为光遗传学的前沿技术，这种技术可以通过将激光照射到光激活的蛋白质上来影响神经元的活动。研究小组使用了一种针对动物大脑视觉区域的低频激光刺激方案来产生低频反应波动——注意力抑制的正是这种神经波动。他们测量了这对动物检测电脑屏幕上视觉刺激方向微小变化的能力的影响。正如该理论预测的那样，增加的噪音会损害感知能力。然后，他们重复了这个实验，但使用了不同的激光协议，在注意力无法抑制的高频范围内诱导波动。与理论相符，这对感知没有影响。耶鲁大学医学院助理教授Anirvan Nandy说:“增加背景噪音会伤害感知的理论观点首次得到验证。”“我们已经证实，注意力在很大程度上是通过抑制这种协调的神经元放电活动来起作用的。”“这项工作打开了一扇通往神经代码的窗户，并将成为我们理解感知背后的神经机制的一部分。”对感知的神经语言有更深入的理解，这对于构建视觉假肢至关重要。接下来，科学家们计划研究构成大脑视觉回路的不同类型的细胞，以便更好地理解注意力和感知的神经基础。 由点及面：大脑检索记忆的方式与记忆建立过程相反
大脑并不是通过事件的细节来构建过去的记忆，而是先形成总体性的“要点”，然后再检索更多的细节，使故事变得完整。
https://n.sinaimg.cn/tech/transform/184/w630h354/20190303/1GOA-htstzcc6000299.jpg大脑对概念的优先级高于细节，这进一步暗示了记忆可以随着每次检索的过程而改变。
新浪科技讯 北京时间3月3日消息，据国外媒体报道，近期发表的一项研究发现，人类在检索某一事件的记忆时，采用的是与看到该事件时相反的方式。换句话说，大脑并不是通过事件的细节来构建过去的记忆，而是先形成总体性的“要点”，然后再检索更多的细节，使故事变得完整。 这一过程似乎与大脑在事件发生时的处理方式截然相反。该研究或许能让科学家更深入了解记忆的可靠性和准确性，以及更好地评估与犯罪等事件有关的证言。 在研究中，英国伯明翰大学的研究人员向参与者展示了特定的图像，并要求他们将每个图像与一个特定单词关联起来。之后，研究人员给出单词，要求参与者尽可能详细地回忆图像。 在整个过程中，每位参与者的大脑活动都通过连接在头皮上的128个电极记录了下来。这些电极使科学家能以毫秒级的精度观察大脑模式的变化，并通过解码算法计算出不同时间点在大脑中形成的图像类型。 “记忆是一个重建过程，会受到个人知识和世界观的影响，”研究第一作者胡安·林德·多明哥（Juan Linde Domingo）说，“但是，记忆到底如何在大脑中逐步重建，目前尚不清楚。” 该研究的结果与大脑第一次遇到图像时的处理过程形成了鲜明对比。当我们最初看到一个复杂物体时，它的视觉细节——图案和颜色等——最先被我们感知。之后我们才会感知到更抽象和有意义的信息，从而了解所看到物体的性质，无论它是狗、吉他，还是杯子、花草。 研究结果还表明，大脑对概念的优先级高于细节，这进一步暗示了记忆可以随着每次检索的过程而改变。目前尚不清楚这种反向过程是否为“天生”的，以及在更复杂的情况（涉及到不仅仅是图像）下是否有所不同。 该研究或许还能为治疗创伤后应激障碍等疾病提供参考。玛利亚·温博（Maria Wimber）是该研究的作者之一，她补充道：“我们的研究显示，参与者会在听到提示词后很短时间内检索更高级别的抽象信息，在此之后他们才会检索具体的细节。”这项研究的完整结果发表在近日的《自然-通讯》（Nature Communications）杂志上。 我们如何学习？ 人类大脑由数十亿个神经元组成，这些可以被电激活的细胞能接收、处理并传递电子和化学信号。神经元相互连接在一起，组成数十亿种不同的神经通路。当我们遇到新的体验时，大脑就会形成新的神经通路，而每个新体验都能改变我们未来的行为。重复的体验会使神经通路变得更强，而不断的重复可以使其巩固为习得技能。 加州大学欧文分校的神经科学家在研究中分离并观察了小鼠学会新任务时的大脑活动，结果证实了他们长久以来的推测。他们发现，当两个神经元频繁互动时，它们会形成一种连接，使它们能更容易且更准确地传递信息。这一过程使记忆更加完整，而且更容易回忆起来。相反地，如果两个神经元很少互动，则信息传递往往是不完整的，这会导致记忆错误或者根本没有记忆。
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