新研究揭示丘脑皮层环路作用

作为人类思维活动的基础与核心，意识体验如何产生，它的本质和物质基础是什么？北京师范大学和中国人民解放军总医院等单位的科研人员展开合作，发现大脑中大尺度的神经网络共同参与意识体验的产生过程，传统上被认为只是“二传手”角色的丘脑在其中发挥了重要作用。相关论文于4月4日在《科学》期刊上在线刊发。

论文通讯作者、北京师范大学心理学部、认知神经科学与学习国家重点实验室/IDG麦戈文脑研究所张鸣沙教授告诉科技日报记者，非侵入式方法很难捕捉微小空间和时间尺度上不同脑区间的信号处理和传导。此次，在遵守伦理规范的前提下，团队将5名因临床治疗需要已在脑内植入电极的患者作为被试，揭开意识体验产生时大脑活动之谜。

不过，如何用实验找到意识体验产生的那一刻？张鸣沙说，这也是研究的难点和亮点，要让被试在清醒状态下执行一项特定视觉任务。简单来说，他们通过反复调试，将某种图像信号的刺激强度调试在被试的视觉感知阈值附近，即同一被试者面对同样的视觉刺激，有可能看得见，也有可能看不见。当被试报告看到时，则可认为意识参与其中。团队还进行了一系列设计，分离出和视觉意识相关的神经活动。“我们发现，当被试报告‘看见了’的时候，脑内部分区域的活动信号明显增强。”张鸣沙说。

结合眼动追踪技术及人类立体定向脑电图技术，研究发现，意识体验产生期间，丘脑内的高级核团早于大脑皮层中部分区域如前额叶开始活跃，其活跃强度也高于前额叶。尽管只有毫秒差别，但该研究仍然精准捕捉到信号先到丘脑中央核团再流向前额叶的过程。具体来说，丘脑板内核和内侧核比腹侧核团发挥着更重要的作用。此外，外侧前额叶与板内核和内侧核之间的相互作用在意识体验中起关键作用，这种相互作用起源于板内核和内侧核。

此前一般认为，丘脑的主要作用是传递信息，但该研究证明，丘脑部分核团其实扮演了“门控”的角色，在意识体验产生期间调节前额叶活动。

张鸣沙表示，研究为进一步认识意识体验产生时脑区间信号通路如何建立、大脑如何进行信息加工和处理提供了新的洞见。“意识体验不单是在大脑皮层完成，实际上，相关脑区形成了大尺度的神经网络来支撑意识体验的产生。”张鸣沙表示，研究可为临床上意识障碍病人残存意识的精准监测和相关干预治疗提供帮助，还能为类脑AI的研发提供新的思路。