首发于脑人言
屏状核:大脑的意识开关?

屏状核:大脑的意识开关?

此文已被知乎日报收录:科学家们的这次发现,可能找到了大脑中的意识开关

文 / @东华君

前言:近日,美国艾伦脑科学研究院 (Allen Institute for Brain Science)的科学家们在小鼠大脑的屏状核中发现了3个巨大神经元,这种神经元的轴突环绕了整个大脑的外周。国内外媒体炸开了锅,纷纷表示这很可能是我们大脑意识的开关。

Nature NEWS链接:A giant neuron found wrapped around entire mouse brain

2. What is the biological basis of consciousness?

2. 意识的生物学基础是什么?

— Science创刊125周年公布的125个科学问题

意识的本质是是什么?过去的几个世纪以来,讨论这个问题一直是哲学家们的特权。但是随着科学技术的进步,科学家们也慢慢开始进入这个游戏。

“意识”在哲学、心理学和生物学里有截然不同的定义,一般认为意识是人对环境及自我的认知能力。对意识的探讨受到了哲学家笛卡尔所支持的二元论(图1)的巨大影响。笛卡尔认为世界的本源是意识和物质两个实体,而意识是脱离物质独立存在的。身体和思想就是两种绝对不同的实体,身体具备时间和空间属性,而思维没有空间属性。

图1.笛卡尔、二元论和他的名言。

最近的科学研究结果基本否定了笛卡尔的观点。科学家们普遍支持一元论,认为身体和思想是同一个事物的两个不同的表现形式。简单的说,意识是从脑中的大量神经元的协作中涌现出来的。但是,意识为什么会存在?意识具体是如何发生的?意识是否为人类所特有?能否通过一些特定的方法访问他人的意识?以及,我们能否在神经元以外的物质载体上制造出意识?这些问题仍然深深的困扰着我们。

1、如何研究意识?

早期,关于意识一些见解主要来自对脑损伤导致意识状态改变的病人们的研究。大脑中某些进化上相对古老的结构的损害能完全剥夺人们的意识,使他们处于昏迷或者持续的意识丧失(例如,植物人)状态。这暗示我们,这些脑区可能是意识的开关所在。虽然大脑中可能存在某个特殊的意识开关,但它们不太可能是意识的唯一来源。意识的不同方面可能在不同的大脑区域产生。例如,大脑视觉皮层的损伤可能会产生一些限于视觉意识的奇怪缺陷。一个被广泛研究的病例是D.F.,她不能识别物体的形状或确定插槽的方向。然而,当被要求拿起一张卡片并将其滑过插槽时,她却很容易就能完成。在某种程度上,D.F. 绝对知道插槽的方向,因此才能完成这一任务,但她似乎并没有意识到她自己知道这一点。

其实只要通过合适的方法,在没有脑损伤的情况下,我们也能造成意识丧失或者分离的现象。研究人员希望通过研究从事此类任务的受试者的大脑来揭示有关意识和意识所需的神经活动的线索。已经有不少在猴子上开展了的研究,特别是在视觉意识方面。一个实验方法是给猴子提供一些视错觉(optical illusions)图片,创造一个“双稳态知觉”,即图片中的物体在不同的时刻能在意识里产生不同的形态(图2)。经过训练之后,猴子可以指示出他们所感觉到的物体形态。同时,研究人员在猴子脑内寻找参与编码感知特定物体形态的神经元,希望这些神经元能引导他们了解参与视觉认知的神经系统(Logothetis & Sheinberg 1996),并最终解释为何光子以特定的模式撞击视网膜就能让我们产生特定的视觉意识,比如,看到一朵玫瑰时的体验。

图2. “双稳态知觉”实例:Necker立方体和Rubin花瓶可以以多种方式被感知。

这里要生硬的植入一个广告。我正在专栏里面写“解密视错觉”的专题,主要给大家介绍常见的视错觉及其神经机制。我将持续更新,欢迎大家关注~

第一篇文章的地址:解密视错觉 | 人人都能看懂3D立体图 - 知乎专栏

2、寻找意识的开关

虽然绝大多数的人认为我们的意识是涌现于脑中多个神经网络的相互作用中,但是仍有一部分人认为意识的产生由相对独立的脑结构来主导,这一脑结构被称为意识开关/意识中枢。持这一观点的代表人物就是DNA双螺旋结构的发现者Francis Crick和他的小伙伴Christof Koch。他们认为我们的意识就犹如一部交响乐。脑内意识的产生,既需要各位演奏者(不同脑区)的参与,也需要一位乐团指挥(意识开关)来指挥,以便将大脑内部和外部的感知联系在一起,进而产生意识。

他们所认为的意识开关便是屏状核(claustrum)。屏状核是一个薄如纸片(1-2 mm厚)的不规则的神经结构,隐藏在新大脑皮层的内表面、脑岛的深面。它和大脑皮层的几乎所有区域之间有双向连接(图3A),但目前对屏状体的功能知之甚少(Crick & Koch 2005, Gattass et al 2014)。2014年,Koch在科学美国人杂志上写道:“屏状核是一个巨大的神经中央车站,大脑皮层的几乎每块区域与其都有纤维连接。”

图3. 屏状核的位置及其神经投射情况。A) 辣根过氧化物酶示踪结果表明,猴子的屏状核与大脑皮层的多个区域之间有双向连接(Crick & Koch 2005)。B)14年所进行的深度脑刺激(DBS)控制意识实验的示意图。

14年华盛顿大学的Mohamad Koubeissi和同事的研究表明,他们可以通过刺激“屏状核”来控制一个女子的意识(Koubeissi et al 2014)。该名女子患有癫痫症,所以实验人员用植入大脑深处的电极来记录不同大脑区域在癫痫发作时的信号,并试图治疗。其中一个电极紧挨着屏状核(图3B),当他们用高频率电流发出脉冲刺激这个区域,这名女子失去了意识。她停止了阅读,毫无表情地出现了“断片儿”,对观众和视觉指令毫无反应,甚至呼吸都变慢了。当刺激停止的一瞬间,她立刻恢复了意识并对刚发生的一切全然不知。同样的情况数次出现在测试中。

2015年的另一项实验,同样也支持屏状核便是我们的意识开关。科学家们检查了171位有创伤性脑损伤的退伍军人,查看了他们的屏状体损伤对意识的影响(Chau et al 2015)。他们发现,屏状体的损伤与意识丧失的持续时间有关,而与频率无关。并且,他们认为屏状体在意识的恢复中扮演一个重要的角色,而与意识的维持关系不大。

图4. Christof Koch领导的团队所发现的3个巨大神经元。

总之,之前的证据主要来自脑损伤、深度脑刺激等方面,这次终于来了细胞层面上的证据。这次造成神经科学界的大新闻的巨大神经元(Giant Neuron)正是Christof Koch领导的团队所发现的(图4)。简单的说,Koch等人首先通过培育一支特殊品系的小鼠,使它们屏状核中神经元的特定基因可以被某种药物激活,进而表达一种可以遍布整个神经元的绿色荧光蛋白,然后再对小鼠大脑进行10000层断层扫描和3D重建,来追踪整个神经元。这是第一次,科学家侦测到一种(3个)巨大神经元缠绕在一只老鼠的整个大脑周围,并且跨越大脑两个半球,非常密集地连接在一起。正是由于这种巨大神经元来自于屏状核,并且与多个脑区存在广泛连接,因此人们猜测这些神经元有可能与意识的产生密切相关

3、关于意识研究的一些思考

在寻找意识开关的道路上所进行的这些实验的设计思路及其实验结果是令人惊叹的。大量的科学家们也的确为之做出了杰出的贡献。当然,科学的问题还需要以科学的眼光来看待。我们不应该过度解读这次实验的结果。这次巨大神经元所衍生的大新闻的背后,其实涉及到三个逐步深入的问题:

1、大脑中是否存在意识开关?

2、屏状核是否就是这个开关?

3、巨大神经元是否是屏状核这个意识开关的关键组件?

说实话,我个人也认为屏状核有可能就是我们大脑中的那个意识开关。但是,平心而论,光凭科学家们目前所掌握的证据,我们似乎还远不能证明巨大神经元能够控制意识的开关;甚至,我们现在还不能肯定的说大脑中的确存在意识开关。原因至少有以下几点:

1、光凭与大脑皮层的之间具有广泛的双向连接,并不能表明屏状核就是意识开关。因为相比屏状核,丘脑(Thalamus)显然更有资格,它才是脑内是最重要的感觉传导接替站。来自全身各种感觉的传导通路(除嗅觉外),均在丘脑内更换神经元,然后投射到大脑皮层。


2、对退伍军人的研究值得商榷。虽然被试人数众多,但是损伤部位不精确(屏状核状如一张小纸片),并且行为表现(意识丧失)难以定量测量,这让我们很难确切的得出这两者之间的关系。

3、在电刺激控制意识的实验中,只有一名被试。并且,被试为了治疗癫痫,曾经切除了一部分海马组织,所以并不能代表一般的大脑。今后,如果我们可以通过电刺激植物人的屏状核使之恢复意识的话,证据可能会显得更充分。

4、Koch的这项研究的亮点在于神经元成像技术。他们的确在屏状核发现了3个巨大神经元。但是,没有任何证据表明这些巨大神经元与人类的意识的产生有关系,更不能证明屏状核就是人类意识的开关。我想,Koch等人一定会试图通过光遗传一类的技术来精确操纵这些巨大神经元。

5、Koch等人所使用的小鼠是啮齿类,它们本身是否具有意识?如果有的话,与我们人类的意识相同吗?如果没有/不同的话,这些巨大神经元还可能是控制意识开关吗?

6、啮齿类里面有巨大神经元,包括人在内的灵长类体内就一定会有么?如果有的话,我们能否通过“是否具备巨大神经元”来判断其他物种是否有意识呢?

意识的研究才开始不久,自然会有数不清的问题和想法。早在读本科期间,我脑海里就有过一些乱七八糟的想法。比如,我们目前虽然否定了笛卡尔所主张的“意识和物质是两个独立的实体”的观点(当然,N年之后也有可能会被推翻啦)。但是,意识产生的物质基础(目前认为是神经元)是否是唯一的?

这一问题和目前很火的人工智能是紧密相关的。如果答案是肯定的,我们大可不必担心今后人工智能会统治地球、奴役人类。如果答案是否定的,随着科技的发展,人工智能最终几乎绝对能获得意识。今后,如果AI能拥有自我意识,恐怕人类社会也会因此而崩溃。因为这能证明人类并非我们所标榜的那样独特。换句话说,我们自己可能也是“机器人”,而我们却不自知,这反过来也证明了我们事实上并没有掌握真正的意识。

所以,真的,我打心里希望科学家们能证明这次发现的巨大神经元就是控制人类意识的关键。

参考资料:

Chau A, Salazar AM, Krueger F, Cristofori I, Grafman J. 2015. The effect of claustrum lesions on human consciousness and recovery of function. Conscious Cogn 36: 256-64

Crick FC, Koch C. 2005. What is the function of the claustrum? Philosophical Transactions of the Royal Society of London B: Biological Sciences 360: 1271-79

Gattass R, Soares JG, Desimone R, Ungerleider LG. 2014. Connectional subdivision of the claustrum: two visuotopic subdivisions in the macaque. Frontiers in systems neuroscience 8: 63

Koubeissi MZ, Bartolomei F, Beltagy A, Picard F. 2014. Electrical stimulation of a small brain area reversibly disrupts consciousness. Epilepsy & Behavior 37: 32-35

Logothetis NK, Sheinberg DL. 1996. Visual object recognition. Annu Rev Neurosci 19: 577-621

What Is the Biological Basis of Consciousness?

Science Online Special Feature

A giant neuron found wrapped around entire mouse brain

《大脑进化论》专题qi

欢迎大家阅读我其他专题的文章:

东华君的知乎《文章目录》

本人相关知乎问答:

神经科学领域有哪些你认为的「神级」人物? - 知乎用户的回答 - 知乎

意识的生物学基础到底是什么? - 知乎用户的回答 - 知乎

编辑于 2017-04-16

文章被以下专栏收录