大腦意識之謎

三倉心理學界2019-08-18 00:38:04

薈萃心理學各領域新進展、新動態

來源 |  Nature自然科研

進一步瞭解意識的起源和運作模式不僅有助於找到治療大腦損傷和恐懼症的新方法,也有助於更深入地瞭解我們自己。

20世紀90年代,神經科學家Melvyn Goodale開始研究一種叫做視覺形式失認症(visual form agnosia)的疾病。罹患這種疾病的人不能有意識地分辨眼前物體的形狀或方向,但是他們的行為又表現得像他們能看見這些物體一樣。“如果你在他們面前拿起一支鉛筆,問他們鉛筆是水平的還是垂直的,他們是回答不出來的,”加拿大韋仕敦大學大腦與精神研究所創始主任Goodale説,“但奇怪的是,他們可以伸手去抓住鉛筆,而且手的方向完全正確。”

來源:Sam Falconer

Goodale最初的研究方向是大腦如何處理視覺相關信息,為此他對有意識和無意識視覺體系進行了觀察記錄,隨着時間的推移,他的研究引起了哲學家的注意,他們把他拉入了關於意識問題的探討中——當科學遇到哲學,二者都已為之改變。

依靠新型腦活動檢測技術,科學家得以進一步完善他們的意識理論——意識是什麼、意識是如何形成的、有意識和無意識的界限在哪裏。隨着對意識的瞭解逐漸深入,一些研究人員開始思考如何對意識進行操縱以治療大腦損傷、恐懼症和心理精神疾病,如創傷後應激障礙(PTSD)和精神分裂症。


但即便研究不斷推進,科學和哲學思想不斷融合,最基本的問題卻仍然沒有答案。“我們對於意識是如何產生的這一問題仍一籌莫展。”英國蘇塞克斯大學薩克勒意識科學中心副主任、認知和計算神經科學家Anil Seth説。

無反應等於無意識?

意識通常被描述為大腦的主觀體驗。哲學科學家、巴黎索邦大學在讀博士Matthias Michel説,最基礎的機器人可以無意識地檢測顏色、温度或聲音等條件,但意識則會描述與這些感知相關的定性感覺,幷包含思考、交流、聯想等深層過程。


Michel表示,其實科學家們在十九世紀下半葉就已經開發出了和現在相似的意識研究方法。但意識研究在二十世紀卻始終不見起色,因為心理學家並不認可內省法,而仍將注意力集中在可觀察的外化行為和引起這些行為的刺激上。即使到了二十世紀七八十年代,認知科學已經建立,意識仍是一個頗具爭議的話題,科學家們公開質疑它是否是一個站得住腳的科學研究領域。諾貝爾獎獲得者、分子生物學家 Francis Crick 在其職業生涯早期曾想過要以意識為研究方向,但最終還是選擇了實實在在的DNA。


儘管如此,傑出的科學家們(包括Crick)終究還是決定着手解決意識的問題,由此帶來了二十世紀九十年代的思維轉變,當然這也得益於功能性磁共振成像(functional magnetic resonance imaging,fMRI)等大腦掃描技術的日益普及。自那時起,科學家們終於開始探索與有意識的信息處理相關的大腦機制。


隨之而來的是一系列重大的科研突破,其中包括一名23歲女性的案例:她在2005年7月的一場車禍中遭受嚴重的大腦損傷,整個人處於無反應狀態,或者叫做清醒無意識狀態。她可以睜開眼睛,擁有睡眠-覺醒循環,但對於指令無反應,也沒有任何自主運動的跡象。車禍發生五個月後她依然處於這樣的狀態。當時在英國劍橋大學,現如今在韋仕敦大學工作的神經科學家Adrian Owen和他的同事們開展了一項史無前例的研究,他們向患者發出一系列口頭指令,在此過程中同時使用fMRI對該患者的大腦活動進行監測【1】。當團隊要求該患者想象打網球時,他們觀察到她大腦中的輔助運動區(supplementary motor area)出現了活動。團隊又讓她想象穿過自己家,結果患者大腦中三個與運動和記憶相關的腦區活動明顯增加。健康志願者接到相同的指示時,其大腦中也會有類似表現。

部分患者看起來對外界刺激無反應,但是其大腦活動與健康個體的類似。

來源:Adrian M. Owen


Seth説,部分昏迷的人可能存在意識這一發現對於神經科學而言具有變革性意義。這項研究表明,一部分看似對醫生、家人無反應的人其實可以理解語言,甚至可能可以進行交流。


在Owen的研究發表後的數年裏,大量腦損傷患者研究提供了更多支持性證據——在多達10-20%的無反應患者中可以檢測到意識存在的跡象。2010年的一項研究使用fMRI對來自比利時和英國的54名大腦遭受嚴重損傷的患者進行了監測。當這些患者被要求想象打網球或在他們的房子或城市中行走時(與當初Owen的研究方法類似),共有5名患者表現出大腦活動的跡象【2】。這5人中有2人從未在傳統牀邊評估中表現出任何意識的跡象。


科學家們也開始嘗試不再給予口頭指令而進行意識監測的方法。在2013年開始的一系列研究中【3】,米蘭大學的神經科學家Marcello Massimini及其同事使用經顱磁刺激(transcranial magnetic stimulation,TMS)在大腦內製造“回聲”並用腦電圖進行記錄。加州大學洛杉磯分校的神經科學家Martin Monti表示,這種方法就好比敲擊大腦,原理跟敲牆估測牆的厚度是一樣的。當一個人處於全身麻醉或無夢睡眠狀態時,製造出的“回聲”會非常簡單。但是如果是有意識的大腦,“回聲”將會非常複雜並會在大腦皮層(大腦外層)表面廣泛傳播。該研究結果或有助於開發新的意識檢測工具,用於那些無法看到、聽到或響應口頭指令的人。

定位,定位,還是定位

隨着意識檢測技術的逐步成熟,科研人員已經開始着手確定哪些大腦區域和神經迴路對於意識的產生最為重要。但是在神經方面,關於意識的構成仍存在很多分歧,特別是那些對意識產生最重要的大腦過程和區域。


至少從十九世紀開始,科學家就已經知道大腦皮層對意識很重要。新的證據進一步強調了負責感官體驗的後皮質“熱區”。例如,在2017年的一項睡眠研究中,研究人員在夜間不斷喚醒受試對象,同時用腦電圖對其進行監測【4】。大約30%的時候,從睡眠中被叫醒的受試對象報告他們在醒來前沒有特別的體驗。研究表明,睡眠期間沒有意識體驗的人在醒來前,其大腦的後皮質區域存在很多低頻活動。而那些報告自己醒來前在做夢的受試對象,其後皮質區域低頻活動明顯減少,高頻率活動顯著增加。因此,研究人員認為也許可以通過對後皮質進行監測,預測受試對象在睡眠期間是否在做夢——甚至可以預測他們夢的具體內容,包括面容、言語和動作。


但是越來越多的證據表明,意識並不侷限於大腦的某一個區域。感知內容或感知類型不同,涉及的細胞和通路也就不同。研究神經信號的協同調動或有助於研究人員找到可靠的意識特徵。2019年的一項研究收集了159名受試對象的fMRI數據,研究人員發現與處於最低意識狀態和麻醉狀態的人相比,健康個體的大腦中的神經信號協調模式更加複雜且不斷變化【5】。


關於意識的起源還有很多未解之謎。對於如何對研究結果進行解讀,科研人員總是各執己見。此外,衡量有意識和無意識始終是一個挑戰,這和判斷大腦接受到不同信息後發生了怎樣的活動並非同一個問題。儘管如此,對各種意識水平下的大腦功能的研究至少提供了機械解剖以外的新角度。Seth表示,他希望意識領域的研究人員可以“更多地以二十一世紀的方式進行精神病學探索,從而根據特定症狀背後的機制制定干預策略”。

意識調節或為疾病治療提供新的可能

基於意識研究的干預策略研究已在如火如荼地展開,大腦損傷患者或將成為最早的受益者。例如,之前有研究指出丘腦在意識形成中發揮了重要作用,因此Monti和他的同事一直在嘗試使用基於超聲的無創技術刺激大腦損傷患者的丘腦區域。

他們的第一個試驗對象是一名25歲男性,因車禍昏迷了19天。治療3天后,該患者逐漸恢復了語言理解能力,能夠對指令做出迴應並用點頭或搖頭的方式回答是或否的問題。5天后,他已經能夠下牀試着走路了。


這起病例報道於2016年,其中明確提到該患者的康復可能是巧合——有一部分患者本身就會從昏迷中自行醒來【6】但尚未發表的後續研究卻表明,超聲治療手段或許真的有效。後來,Monti團隊以一名幾年前發生車禍的男性患者為治療對象,該患者因大腦損傷長期處於最低限度意識狀態,這種狀態下的人表現出些許對於環境或自身有意識的跡象。實驗治療幾天後,患者的妻子問他是否能認出家庭照片中的人。他能夠通過眼球運動做出明確回答,向上看是認識,向下看是不認識。Monti記得他在治療後很快去探望了病人和他的妻子。“她看着我,甚至都沒有打招呼。她説,‘我想要更多’。”Monti説。那是自車禍以來她第一次與丈夫交流。

由機器學習算法構建的模擬視幻覺。

來源:Keisuke Suzuki/Univ. Sussex

Monti和他的同事在其他幾名長期昏迷的患者身上也發現了同樣令人鼓舞的結果,但目前還不清楚療效能夠持久,還是患者會在幾周後重新進入昏迷狀態。團隊的研究仍在進行中,研究人員希望知道重複治療是否能使治療效果維持更長時間。“我真的認為這有望成為一種可以幫助患者康復的手段,”Monti説,“有人曾經稱它為‘速啟大腦’。我們並非真正意義上的速啟大腦,但這個比喻卻是合理的。”


加州大學洛杉磯分校的神經科學家Hakwan Lau及其同事表示,進一步研究意識的發生將有助於找到更好的治療焦慮、恐懼症和創傷後應激障礙等疾病的手段。目前治療恐懼症的標準方法是暴露療法,即讓患者反覆暴露在他們最害怕的事物面前。這種方法的體驗非常不好,因此50%或以上的患者會選擇退出治療。


相反,Lau的團隊正在嘗試使用基於fMRI的技術對人們的無意識狀態進行調節,當特定大腦區域被激活時,人們會獲得一定獎勵。在一項雙盲試驗中,研究人員邀請了17名受試對象接受挑戰——他們可以進行任何精神活動或採取任何精神策略,目標是讓面前電腦屏幕上的點變大——點越大,研究結束時他們得到的報酬就越多,挑戰不會對其所想的內容加以限制【7】。但受試對象不知道的是,只有當他們大腦特定區域被激活時屏幕上的點才會變大,而根據之前的大樣本研究,這個特定區域只有在他們看到自己害怕的動物的照片時才會被激活,譬如蜘蛛或蛇。


隨着研究的進行,受試對象能夠越來越有針對性地激活特定區域,但他們並未意識到自己想到了那些自己害怕的動物。實驗結束後,受試對象再看到這些動物時掌心出汗明顯減少——掌心出汗反映了他們的緊張程度;杏仁核激活水平也明顯降低——杏仁核區域往往在面對威脅時被激活。這種方法似乎在人們未意識到的時候改變了大腦的恐懼反應。


Lau和他的同事目前正在測試使用這種方法來治療恐懼症,他們希望最終這項技術能夠推廣用於治療PTSD。但這種方法的侷限性也相當明顯。儘管恐懼相關的身體症狀減少了,但人們對蜘蛛和蛇的主觀感覺卻似乎並沒有受到影響。“如果你問他們是否害怕(這些動物),”Lau説,“他們的回答是害怕。”


紐約大學的神經科學家Joseph LeDoux認為要解決恐懼,歸根究底可能需要同時針對無意識和有意識兩條通路,二者在大腦中以不同的方式發揮作用。他説無意識通路起源於杏仁核,但是這種對於威脅的自然反應不應該被視為恐懼。而有意識的恐懼來自認知以及對情境的情感解釋,因此產生的體驗並非以杏仁核為中心。LeDoux説這種差異在盲視者身上最明顯,他們無法有意識地感知視覺刺激,但其行動卻彷彿他們能看到一般。當出現威脅時,他們的杏仁核區域會被激活,同時出現相應的身體反應,但他們主觀上並未感到害怕。


LeDoux説,這種生理反應與主觀感受的不匹配可能有助於理解現有的抗焦慮藥物為何對部分患者無效。這些藥物多基於動物實驗開發而成,可能靶向杏仁核中的神經迴路,影響個體的行為,譬如膽怯程度——讓他們更易於參加社交活動。但是這些藥物並不一定會影響有意識的恐懼體驗,這表明未來的抗焦慮治療可能需要分別解決無意識和有意識兩個過程。“基於大腦的研究方法將不同症狀看作不同神經通路的產物,我們可以據此設計針對不同神經通路的治療方法,”他説,“調低音量不會改變歌曲——只是改變音量。”


精神疾病是意識研究人員感興趣的另一個領域,Lau説,其理論基礎是部分心理精神疾病,包括精神分裂症、強迫症和抑鬱症等可能是由無意識層面的問題引起的,甚至可能是有意識和無意識兩條通路發生衝突引起的。意識和精神疾病之間的聯繫到目前為止僅僅是假設,但Seth一直在利用“幻覺機器”探索幻覺的神經基礎;“幻覺機器”是一個虛擬現實程序,通過機器學習模擬健康人腦的視幻覺體驗。經過實驗,Seth及其同事已經證明這種視幻覺體驗與服用致幻藥物後的體驗相近,致幻藥物越來越多地被用於研究意識的神經基礎。


如果研究人員可以發現幻覺產生的機制,那麼他們就有可能對大腦相關區域進行調節,進而從根本上治療精神異常——而不是僅僅解決症狀。另外這項研究通過展示人的感知是多麼容易被操控,證明了所謂的現實感不過是我們對世界體驗的一個方面而已,Seth補充道。

期待堂堂正正地走上科學紅毯

每年,美國有成千上萬的人在全身麻醉期間恢復意識。他們不能動彈或説話,但可能會聽到説話聲音或設備噪音,也能感受到疼痛。這種經歷可能具有創傷性,因此相關醫生必須承擔相應的倫理和法律責任。部分科學家正致力於推廣相關指南,指導與無反應患者進行溝通,並設法尋找此類患者出現不適的跡象。此外,他們也呼籲增強專業培訓和制定法律條款以應對這樣一種可能性:新的意識檢測方法或將改變醫療操作中“知情同意”的定義。


研究人員也開始重視與社會公眾的溝通,解釋意識科學能夠和不能夠實現什麼。Michel説,意識研究中出現了大量沒有實證數據支持的論斷。其中特別突出的一個被稱為“整合信息理論”,雖然Michel和意識研究領域內的其他專家都公開否定了這一理論的合理性,但相關研究仍獲得了大量的私人資助和媒體關注。在2018年一項針對249名研究人員的非正式調查中,Michel和他的同事發現,大約22%的“非專家”(即沒有發表過意識相關論文,也未參加過重要的意識相關會議的人)相信整合信息理論【8】。Michel推測“大師效應”(Guru Effect)可能是罪魁禍首,即 “非專家認為業內權威所做的複雜模糊的論斷比那些較為簡單的理論更有可能是真的。“在某種意義上,理論的複雜性被用來代表理論為真的可能性,”Michel説,“他們並非真的理解某個理論,而是認為如果自己真的理解了,可能就會把它當作正確的意識理論。


為了鞏固意識科學的正當性並鼓勵科研人員及公眾接受循證意識理論,Michel和來自其他多個學科的57名同事,包括Seth、Lau、Goodale和LeDoux,對上述非正式調查做了進一步的隨訪,並於2019年發表論文對意識研究領域的現狀進行了概述。他們的發現喜憂參半【9】。美國國家心理健康研究所目前尚未承認意識研究的戰略意義,他們寫道。該領域創造的就業機會明顯落後於其他新興學科,如神經經濟學和社會神經科學。關於意識科學研究的公共資助相對匱乏,這一點在美國尤為明顯。但意識科學的某些方面已吸引了越來越多的關注。自本世紀00年代中期以來 ,美國國立衞生研究院已為多項相關研究提供了資金支持,研究內容包括有意識與昏迷狀態之間、清醒與睡眠狀態之間的神經學差異等。這些研究或可以為我們打開一個窗口來了解意識的神經特徵。Goodale表示部分主流私人慈善基金會和慈善組織也在為意識領域內的重要研究課題提供幫助,他本人就從一個類似的組織——加拿大高級研究所獲得過研究資助。


隨着研究資金和研究發現的不斷積累,意識相關內容越來越多地出現在科研人員的研究計劃中,即便目前尚不是核心內容,至少其存在是合理正當的。“意識科學正在逐漸向神經科學、心理學、醫學等標準化成熟領域靠攏,”Seth説,“學科研究正在逐步規範化,這是讓人欣喜的一件事。


參考文獻:

1. Owen, A. M. et al. Science 313, 1402 (2006).

2. Monti, M. M. et al. N. Engl. J. Med.362, 579–589 (2010).

3. Casali, A. G. et al. Sci. Transl. Med. 5, 198ra105 (2013).

4. Siclari, F. et al. Nature Neurosci. 20, 872–878 (2017).

5. Demertzi, A. et al. Sci. Adv.5, eaat7603 (2019).

6. Monti, M. M., Schnakers, C., Korb, A. S., Bystritsky, A. & Vespa, P. M. Brain Stimul.9, 940–941 (2016).

7. Taschereau-Dumouchel, V. et al. Proc. Natl Acad. Sci. USA 115, 3470–3475 (2018).

8. Michel, M. et al. Front. Psychol.9, 2134 (2018).

9. Michel, M. et al. Nature Hum. Behav. 3, 104–107 (2019).


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原文以Decoding the neuroscience of consciousness為標題

發佈在2019年7月24日Nature OUTLOOK上

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Nature|doi:10.1038/d41586-019-02207-1


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