想象一下每天沿著相同的路線開車上班。你的思緒從一件事遊蕩到另一件事：下午的員工會議、週末的計劃、你需要為朋友買的禮物。突然，一輛車超車，這些想法立刻消失——你所有的注意力都集中在操縱方向盤以避免碰撞。雖然一時慌亂，但你——和你的想法——在一兩分鐘後又回到了同樣的遊蕩模式。
在我們進行清醒生活時，我們的意識流通常會在內省和對外關注之間迴圈轉換。內在和外在精神狀態之間的來回舞動似乎是大腦功能的基礎。密歇根大學意識科學中心神經科學家黃子銳領導的一項新研究表明，負責環境意識的網路和負責自我意識的另一個網路之間不斷變化的平衡可能是意識的一個決定性特徵。
證據來自對無反應人群（無論是麻醉還是神經病理學疾病導致）大腦活動模式的缺失。除了增進我們對意識的理解之外，這項工作還可能促成監測意識的技術的開發，無論是在手術前還是在治療意識障礙患者（如植物人或“閉鎖綜合徵”患者）期間。
支援科學新聞報道
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保有關塑造我們今天世界的發現和想法的具有影響力的故事的未來。
在過去的二十年中，神經科學家已經確定了一個大腦區域網路，該網路負責各種內省，從胡思亂想到回憶和計劃。“背景”大腦活動的概念開始引起關注，當時神經學家馬庫斯·雷切爾和他在聖路易斯華盛頓大學的同事表明，當執行專注的腦力任務時，器官的能量消耗僅上升不到 5%，這表明它從未真正處於閒置狀態。2001 年，雷切爾創造了“預設模式”一詞來描述這種活動。隨後，匯聚的證據線索導致了預設模式網路 (DMN) 組成區域的識別，該網路是這種自我導向認知的基礎。
DMN 中的活動與所謂的背側注意力網路 (DAT) 中的活動“反相關”：兩個網路中一個越活躍，另一個往往就越不活躍。DAT 中的活動對應於 направленное 向外的注意力，而 DMN 是自我意識的基礎。這種安排從兩個相反的神經網路之間的相互平衡的角度提供了對我們意識體驗的潛在解釋。“這不是一個非此即彼的事情；你只是在傾斜平衡，”雷切爾說。“我們來回滑動，但它們都在一定程度上存在。”
這項研究的一部分仍然存在爭議，因為使用了一種從腦部掃描資料中清除噪聲的方法，一些研究人員認為，這種方法總是會生成反相關的模式，作為資料處理的人為產物。在週三發表在《科學進展》雜誌上的這項研究中，黃和他的同事們避免了這個問題，他們採用了一種不使用這種處理方法的方法。相反，他們利用機器學習技術將大腦啟用模式分為八組。其中兩組對應於 DMN 和 DAT，六組與其他已知的大腦功能網路有關：感覺和運動網路、視覺網路、腹側注意力網路、額頂網路以及代表大腦啟用和去啟用交叉狀態的兩個網路。
為了捕捉大腦活動，該團隊使用了一種稱為靜息態功能性磁共振成像 (rsfMRI) 的技術。研究人員沒有像通常在使用 rsfMRI 估計區域之間連線程度時那樣對長時間內的活動進行平均，而是希望研究瞬時大腦啟用如何在時間上展開。
他們表明，器官在不同的狀態之間快速迴圈，對應於八個網路中的每一個，有些轉換比其他轉換更可能發生——黃將其描述為“時間電路”。值得注意的是，大腦在 DMN 和 DAT 啟用之間的中間狀態中傳遞，而不是在這兩個極端之間瞬間切換，這代表了最高級別的認知過程。
研究人員掃描了 98 名參與者，他們要麼靜靜地躺著但有意識，要麼處於無反應狀態。後一種情況是由異丙酚或氯胺酮麻醉或由稱為無反應覺醒綜合徵的神經病理學疾病引起的——這是一種由腦損傷引起的植物狀態。所有這些無反應狀態都有一個共同點：DMN 和 DAT 與時間電路網路之間的持續轉換“隔離”，並且它們幾乎從不啟用。
每種型別的無反應性在分子機制、神經迴路和涉及的體驗方面各不相同（例如，接受氯胺酮麻醉的人報告有幻覺）。這些觀察結果可能表明，DMN-DAT 活動的缺失是任何形式的意識減退的共同特徵，而它的存在可能是完全意識的必要特徵。“[研究人員] 在這裡暗示的是：如果你破壞了這種平衡，你會看到意識方面的代價，”雷切爾說，他沒有參與這項研究。“這是一種有趣的框架 [DMN-DAT 活動] 的方式，它描述了我們的意識。但它能解釋它嗎？我不確定。”
在另一項實驗中，研究人員表明，播放聲音會增加腹側注意力網路（將我們的注意力轉移到意外刺激）的啟用，並抑制有意識參與者而非無反應參與者中 DMN 的啟用。最後一項對照實驗評估了精神病患者腦部掃描資料庫中的網路啟用情況。科學家們發現，該組與有意識的參與者在 DMN 和 DAT 活動方面沒有差異，這表明其喪失是特定於反應能力降低，而不是任何形式的認知障礙。
各種無反應狀態之間也存在差異。例如，接受氯胺酮的參與者更頻繁地進入啟用和去啟用的交叉大腦狀態。在精神分裂症患者的掃描中也看到了這種模式，這表明過度啟用的模式可能對應於氯胺酮使用和精神分裂症共有的幻覺體驗。“如果所有處理器都在大腦的每個地方共享資訊，我想你可能會失去自我和環境之間的差異，”黃說。“一切同時發生，你就會扭曲你的精神內容。”
這項工作可能用於開發意識測量方法，以評估意識障礙治療的有效性或用於麻醉的線上監測。“一旦我們看到這兩個網路減少，我們就認為個體沒有意識到他們的環境，”黃說。衡量個體是否有意識的措施可以幫助外科手術室的醫生。他接下來計劃研究調節時間電路中這些轉換的神經機制，該時間電路包含這些大腦網路——探索編排意識活動舞蹈動態的機制。