意識是如何在大腦中產生的?非常複雜的全腦動態互動

人類已經學會了在太空中旅行，治療各種疑難雜症，並且能在極其微小的尺度上認識基本粒子。然而，今天的我們仍然不知道意識是如何在大腦中產生的。

意識代表了我們體驗和了解世界的能力。事實上，儘管科學家在許多世紀以來一直試圖理解意識，但它仍然是現代神經科學中最重要的未解謎題之一。近日，在發表於《科學進展》（Science Advances）期刊的一篇新論文中，研究人員揭示了當我們意識清醒時大腦中正在運作的神經網絡。

意識不僅僅是一個哲學問題。無論是對醫生還是家屬，確定一個患者在遭受嚴重腦損傷後是否有「意識」都是一個巨大的挑戰，他們需要做出如何護理的決定。現代腦成像技術正在消除這種不確定性，使我們對人類意識的了解達到了前所未有的程度。

舉例來說，我們知道前額葉皮質或楔前葉等複雜的大腦區域負責一系列更高的認知功能，通常涉及有意識的思考。然而，大片的大腦區域可以同時完成許多事情。因此，我們想要了解在特定網絡層面上，大腦中的意識是如何呈現的。

研究意識體驗十分困難，因為這完全是在大腦內部進行，無法被他人觸及。打個比方，我們可以讓所有人同時在屏幕上看同一張照片，但卻無法判斷我看這張照片時的體驗是否和你一樣，除非你告訴我。

只有意識清醒的人才具有主觀體驗，因此，評估某人是否意識清醒的最直接方法，就是讓他們說出關於自己的事情。但是，如果你失去說話能力會怎麼樣？在這種情況下，我們仍然可以提一些問題，而你或許能夠做出回應，比如點頭或擺手。

當然，通過這種方式獲得的信息可能不會那麼豐富，但仍然足以確定你確實具有意識體驗。如果你無法做出任何回應，我們就沒有辦法判斷你是否有意識，並且很可能假設你已經失去意識。

掃描神經網絡

在一項國際合作的新研究中，來自7個國家的研究人員識別出了能夠在不依賴自我報告，或者需要讓患者參與特定任務的情況下表明意識的大腦特徵，並且能夠區分出大腦損傷之後有意識和無意識的患者。

當大腦受到嚴重損傷時，比如在嚴重的交通事故中，傷者可能會陷入昏迷狀態。在這種狀態下，你會失去醒來並感知周圍環境的能力，需要機械裝置來輔助呼吸。通常情況下，昏迷狀態不會持續超過幾天，在這之後，患者有時會醒來，但不會表現出對自己或周遭世界有任何意識，這就是所謂的「植物人狀態」。

另一種可能情況是，患者表現出僅有極少意識的證據，這被稱為「最低程度意識狀態」。對於大多數患者，這意味著他們的大腦仍會感知事物，但他們對此沒有體驗。然而，這些患者中有一小部分確實是有意識的，只是無法做出任何行為性的反應。研究人員使用了一種名為功能性磁共振成像（fMRI）的技術，對大腦活動以及某些大腦區域和其他區域「交流」的方式進行測量。

具體而言，當某一大腦區域更活躍時，它會消耗更多氧氣，而且需要更多的血液供應，以滿足能量需求。即使參與者處於靜止狀態，研究人員也可以測量出這些變化，從而了解不同大腦區域間的差別，最終獲得整個大腦的連接模式。

研究人員將這一方法運用在53位處於植物人狀態的患者、59位處於最低程度意識狀態的患者和47位健康的參與者身上。他們來自巴黎、列日、紐約、倫敦和安大略省的醫院。來自巴黎、列日和紐約的患者接受了標準化的行為評估診斷，比如被要求擺手或眨眼。

相比之下，來自倫敦的患者通過其他先進的大腦掃描技術進行評估，這要求患者調整他們的大腦以產生神經反應，而不是做出外部的物理反應。換句話說，患者是想像自己在擺手，而不是真的擺手。

研究人員發現了兩種跨大腦區域的主要交流模式。一種只是簡單地反映了大腦的物理連接，比如只存在於兩個有直接物理連接的區域之間的交流。這種情況見於實際已經沒有意識體驗的患者，另一種模式表現出非常複雜的全腦動態互動，涉及總共42個大腦區域，它們分屬6個大腦網絡，對於認知具有重要作用。這種複雜的模式幾乎只出現在具有某種意識水平的人身上。

重要的是，當患者處於深度麻醉狀態時，這種複雜的模式消失了。這進一步證實了研究人員的方法確實對患者的意識水平敏感，而不是對他們的一般腦損傷或外部反應敏感。

像這樣的研究或許能讓我們更進一步了解客觀生物標誌物在醫療決策中如何發揮關鍵作用。或許在不久的將來，科學家將開發出在外部調節這些意識標記的方法，並使失去意識的患者能夠在某種程度上恢復意識或做出反應，比如使用非侵入性的大腦刺激技術（如經顱電流刺激療法等）。

事實上，在英國伯明罕大學，達維尼亞·費爾南德斯-埃斯帕喬（Davinia Fernández-Espejo）的研究小組已經開始探索這些方法。令人興奮的是，這項研究將使我們更深入了解意識在大腦中如何產生。

人們會經歷各種各樣的意識狀態——從服用致幻藥物到體驗「清醒夢」——隨著對這些狀態中大腦意識的神經標記了解得越多，相關的數據越來越豐富，我們終有一天會破解「意識」這個難題。

其他研究的發現

研究人員正試圖填補對意識理解的空白，了解「清醒」狀態變成無意識狀態（以及相反過程）的轉折點。在2016年發表於《英國皇家學會學報：界面》的一篇論文中，研究人員通過麻醉劑誘導了志願者的無意識狀態，然後用功能性磁共振成像（fMRI）技術追蹤了他們的大腦活動。

志願者在失去意識的同時接受了fMRI掃描，研究人員測量了當他們在不同意識狀態間切換時大腦血流量的變化。掃描結果顯示，意識清醒的大腦顯示了「一系列不斷變化的活動」。這意味著神經網絡受到許多活動的影響。該研究指出，意識是一種大腦處於「神經網絡連接性」最佳水平的狀態。