太長不看

很長一段時間以來科學(xué)家都認(rèn)為注意力首先是一種大腦皮層現(xiàn)象。1984年，第一次有人提出了不同意見。

弗朗西斯·克里克認(rèn)為，感覺丘腦不僅是一個中繼站，它會堵住一些數(shù)據(jù)流，以此在某種程度上集中注意力。

對小鼠的實驗發(fā)現(xiàn)，如果小鼠需要優(yōu)先接收聽覺信息，前額皮質(zhì)會告訴視覺抑制區(qū)增強其活動，以抑制視覺丘腦，剝離無關(guān)的視覺數(shù)據(jù)。

我們能在充滿了人聲和各種雜音的房間里交談；能在茫茫多的雜物里找到一把鑰匙；能發(fā)現(xiàn)一只突然沖到車前的小動物。即便感官同時接收著大量信息，我們依然能通過某種方式集中注意力，做好重要的事。

注意過程是大腦對相關(guān)刺激打上探照燈，并過濾其他內(nèi)容的方式。為了確定瞄準(zhǔn)和驅(qū)動這一探照燈的神經(jīng)回路，過去數(shù)十年來，研究主要集中在大腦皮層這一結(jié)構(gòu)進行，它包裹著大腦，通常與智力和高階認(rèn)知有關(guān)。大腦皮層的活動會促進感覺處理，從而提高相關(guān)表現(xiàn)。

一直以來，人們認(rèn)為注意過程是大腦對相關(guān)刺激打上探照燈，并過濾其他內(nèi)容的方式 | Pixabay

但現(xiàn)在，一些研究者試圖換個方向，研究大腦會如何抑制信息，而不是增強信息。更重要的點或許在于，他們發(fā)現(xiàn)這一過程會牽涉到大腦更深處的古老區(qū)域——在研究注意力時通常并不會被納入考量的區(qū)域。

不僅是中繼站，還是看門人

由于注意力似乎與意識和其他的復(fù)雜功能關(guān)系緊密，很長一段時間以來科學(xué)家都認(rèn)為它首先是一種大腦皮層現(xiàn)象。1984年，第一次有人提出了不同意見。當(dāng)時以研究DNA結(jié)構(gòu)聞名的弗朗西斯·克里克（Francis Crick）提出，注意力探照燈是由大腦深處一個被稱為丘腦的部分控制的，它的某些部分負責(zé)從感覺區(qū)接收信息，然后傳遞給大腦皮層。

他認(rèn)為感覺丘腦不僅是一個中繼站，而且還是一個看門人——不僅是一座橋，還是一個篩子——它會堵住一些數(shù)據(jù)流，以此在某種程度上集中注意力。

但幾十年過去了，科學(xué)家尋找確切機制的嘗試并沒有得到多少回報——尤其是要建立方法在實驗室動物身上研究注意力，特別困難。

注意力探照燈是由大腦深處一個被稱為丘腦的部分控制的，它的某些部分負責(zé)從感覺區(qū)接收信息，然后傳遞給大腦皮層 | Pixabay

不過，這并沒有阻止麻省理工學(xué)院麥戈文大腦研究所的神經(jīng)科學(xué)家邁克爾·哈拉薩（Michael Halassa）。他想確定感官輸入的信息在到達大腦皮層之前是如何被過濾的，由此來確定克里克的研究所提出過的那個神經(jīng)回路。

一層薄薄的抑制性神經(jīng)元吸引了他的注意，這層神經(jīng)元被稱為丘腦網(wǎng)狀核（TRN），它像殼一樣包裹著丘腦的其余部分。當(dāng)哈拉薩還是博士后的時候，他已經(jīng)在這一大腦區(qū)域發(fā)現(xiàn)了一個粗略的閥門：TRN似乎會在動物清醒并關(guān)注周圍環(huán)境時讓感覺輸入信息通過，但會在動物睡著時抑制它們。

在2015年，哈拉薩和同事們發(fā)現(xiàn)了另一個更精細的閥門，它能進一步顯示TRN屬于那個克里克長期尋找的回路——這一次的研究中，他們測試了當(dāng)動物的注意力分散在不同感官上時，動物會如何選擇注意的對象。

在這項研究中，研究人員們訓(xùn)練小鼠，讓它們跟隨閃爍的燈光和大范圍音頻的指示奔跑。然后，同時用燈光和聲音向動物們發(fā)出相互沖突的命令，但也同時提示它們應(yīng)該忽略哪些信號。小鼠的反應(yīng)表明了它們會如何有效集中注意力。在整個任務(wù)過程中，研究人員使用成熟的技術(shù)來切斷大腦不同區(qū)域的活動，看看是什么干擾了動物的表現(xiàn)。

研究人員們訓(xùn)練小鼠，讓它們跟隨閃爍的燈光和大范圍音頻的指示奔跑 | Pixabay

與料想的一致，向大腦其他部分發(fā)出高階指令的前額葉皮層十分重要。但研究小組還觀察到，如果某項試驗需要小鼠注意視覺，那么視覺TRN中被激活的神經(jīng)元就會干擾它們的表現(xiàn)。當(dāng)這些神經(jīng)元被壓制時，老鼠更不容易在聲音上集中注意力。

實際上，這套神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)會將旋鈕轉(zhuǎn)到抑制過程，而不是激活過程。TRN會抑制那些被前額葉皮層視為干擾的信息。如果小鼠需要優(yōu)先接收聽覺信息，前額皮質(zhì)會告訴視覺抑制區(qū)增強其活動，以抑制視覺丘腦——剝離無關(guān)的視覺數(shù)據(jù)。

注意力探照燈的比喻與之相反：大腦并沒有照亮相關(guān)的刺激物；它降低了所有其他東西的亮度。

盡管研究取得了成功，研究人員還是發(fā)現(xiàn)了一個問題。他們證實了克里克的直覺：前額葉皮層控制著丘腦中那個感覺信息輸入的過濾器。但前額皮質(zhì)與TRN的感官部分沒有任何直接聯(lián)系。回路的某個部分缺失了。

而現(xiàn)在，哈拉薩和同事們終于補完了剩下的部分。

研究小組采取的方式與他們在2015年所做的研究類似，他們探索大腦不同區(qū)域之間的功能影響，以及它們之間的神經(jīng)元連接。

大腦并沒有照亮相關(guān)的刺激物；它降低了所有其他東西的亮度 | Pixabay

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，整個回路從前額皮質(zhì)一直連接到更深層的基底核（通常與運動控制和許多其他功能相關(guān)），然后再到TRN和丘腦，最后回到高層的大腦皮層區(qū)域。例如，當(dāng)視覺信息從眼睛傳遞到視丘時，如果它與給定的任務(wù)無關(guān)，那它幾乎可以被立即截獲。基底核可以介入并激活視覺TRN，屏蔽外部刺激，與前額皮質(zhì)的指令保持一致。

“我認(rèn)為之前并沒有人描述過這個有趣的反饋路徑，” 神經(jīng)科學(xué)家理查德·克勞茲利斯（Richard Krauzlis）說。他來自馬里蘭國家衛(wèi)生研究院的國家眼科研究所，并且沒有參與這項研究。

此外，研究人員發(fā)現(xiàn)，該機制不僅會為了提高對某種感覺的認(rèn)識而過濾掉另一種感覺，它還會過濾某種感覺本身中的信息。當(dāng)研究人員提示老鼠注意某些聲音時，TRN幫忙抑制了聽覺信號中不相關(guān)的背景噪音。羅徹斯特大學(xué)的神經(jīng)學(xué)家杜杰·塔丁（Duje Tadin）說道：“僅僅為了某個感覺通道而抑制整個丘腦區(qū)域是一種相當(dāng)生硬的抑制形式，”而這種感覺處理的效果“要更為精確”。

當(dāng)研究人員提示老鼠注意某些聲音時，TRN幫忙抑制了聽覺信號中不相關(guān)的背景噪音 | Pixabay

“我們經(jīng)常忽略自己是如何處理那些不那么重要的東西的，” 他補充道，“而通常來說，我認(rèn)為那是一種更有效的處理信息的方式。”如果身處一個嘈雜的房間，你可以試著提高嗓門讓別人聽到你，但其實也可以試試消除噪音的來源。

哈拉薩的發(fā)現(xiàn)表明，大腦會比預(yù)期中更早地將無關(guān)的感知拋到一邊。“有趣的是，”普林斯頓大學(xué)的認(rèn)知神經(jīng)學(xué)家伊安·菲貝爾科恩（Ian Fiebelkorn）說，“在信息到達視覺皮層之前，過濾就早已開始了。”

閃爍的“探照燈”

然而，大腦這種拋棄感官信息的策略有一個明顯的弱點——被拋棄的感知可能出乎意料地重要。菲貝爾科恩的研究表明，大腦有辦法規(guī)避這些風(fēng)險。

菲貝爾科恩說，當(dāng)人們想象注意力探照燈時，他們想到的是一束穩(wěn)定、持續(xù)的光線，照亮了動物應(yīng)該把認(rèn)知資源引向哪里。但“我的研究表明事情不是這樣的，”他說，“正相反，探照燈像是在閃爍。”

根據(jù)他的發(fā)現(xiàn)，注意力探照燈的聚焦大約每秒減弱四次，這估計是為了防止動物過度專注于環(huán)境中的某個方位或某種刺激。這種對重要事物的短暫抑制會間接促進其他次要的刺激，讓大腦有機會在必要時將注意力轉(zhuǎn)移到其他事物上。“大腦似乎被設(shè)定成會周期性地被分散注意力，”他說。

注意力探照燈的聚焦大約每秒減弱四次，這估計是為了防止動物過度專注于環(huán)境中的某個方位或某種刺激 | Pixabay

和哈拉薩的團隊一樣，菲貝爾科恩和他的同事也期望能在大腦皮質(zhì)下區(qū)域找到這一連接的答案。目前，他們正在研究丘腦另一部分的作用，但他們也計劃在將來研究基底核。

這些研究標(biāo)志著一個重要的轉(zhuǎn)變：科學(xué)家們曾認(rèn)為注意過程是獨屬于大腦皮層的領(lǐng)域。但是根據(jù)克勞茲里斯的說法，在過去的五年里，“有一點變得更明顯了，大腦皮層下有事在發(fā)生。”

“大多數(shù)人希望大腦皮層為我們承擔(dān)所有的重擔(dān)，但我認(rèn)為這是不現(xiàn)實的，” 芝加哥大學(xué)的神經(jīng)生物學(xué)家約翰·曼塞爾（John Maunsell）說。

事實上，哈拉薩發(fā)現(xiàn)的基底核在注意力中所起的作用特別迷人。一部分原因是它是大腦中一個非常古老的區(qū)域，而且人們通常不認(rèn)為它屬于選擇性注意的一部分。“魚就有這個，”克勞茲利斯說，“這能一直追溯到最早的脊椎動物，比如七鰓鰻，它沒有顎，”——而且也沒有新皮質(zhì)——“它們大體上只有簡單的基底核和一部分類似的神經(jīng)回路。這種魚的回路可能會提供注意力進化的線索。”

注意力和基底核之間的聯(lián)系可能會揭示像注意力缺陷多動障礙和自閉癥等病癥的病因 | Pixabay

注意力和基底核之間的聯(lián)系可能會揭示像注意力缺陷多動障礙和自閉癥等病癥的病因，這些病癥通常表現(xiàn)為對某些輸入信號過于敏感，哈拉薩對此特別感興趣。

但或許，牽涉到基底核之所以有趣，在于這一結(jié)構(gòu)通常與運動控制有關(guān)，盡管研究也開始逐漸表明它與基于獎勵的學(xué)習(xí)、決策和基于動機的行為有關(guān)。

哈拉薩實驗室完成了他們的工作，基底核的作用也延伸到了感覺控制。這突出了一個事實，“注意力其實就是按照正確的順序從這個排列到那個，同時確保你不會被不應(yīng)該分散注意力的事情分散了注意力，”曼塞爾說，“運動結(jié)構(gòu)與此相關(guān)的觀點……某種程度而言也是合理的——它們應(yīng)該主導(dǎo)決策流程，決定你接下來要做什么、接下來要把感官資源集中在什么上。”

這與某個新興觀點一致，這一觀點認(rèn)為，注意力過程以及整體而言的感知過程都是基于所謂的主動推理。大腦不會被動從環(huán)境中取樣，然后對觀察到的外部刺激做出反應(yīng)。相反的情況也會發(fā)生，像眨眼這樣微小的身體動作也會引導(dǎo)感知。感覺系統(tǒng)和運動系統(tǒng)“不是獨立運作的，而是共同進化的”，菲貝爾科恩說。所以運動區(qū)域不僅會幫助進行輸出（動物的行為）;還會幫助進行輸入。哈拉薩的發(fā)現(xiàn)進一步佐證了它在發(fā)揮更主動的作用。

感覺系統(tǒng)和運動系統(tǒng)“不是獨立運作的，而是共同進化的” | Pixabay

“感知服務(wù)于行動，因為我們必須先呈現(xiàn)出這個世界，才能在里面活動，”阿姆斯特丹自由大學(xué)的認(rèn)知科學(xué)家海琳·斯拉格特（Heleen Slagter）說，“很大程度上，我們是通過行動來學(xué)習(xí)如何感知周圍世界的。”與大腦皮層的高度聯(lián)系表明，即使不考慮注意力，“這些皮層下的結(jié)構(gòu)在高階認(rèn)知中發(fā)揮的作用也比通常認(rèn)為的大得多。”

而這反過來又為我們提供了看待意識的線索，這是神經(jīng)科學(xué)中最難以捉摸的課題。正如哈拉薩的研究和其他研究所證明的那樣，“當(dāng)我們觀察注意力的神經(jīng)關(guān)聯(lián)時，實際上，我們在一定程度上是在觀察感知的神經(jīng)關(guān)聯(lián)，”曼塞爾說，“就試圖理解大腦工作的層面而言，這屬于全局的一部分。”

斯拉格特目前正在研究基底核在意識中可能發(fā)揮的作用，“我們對世界的體驗不僅來自于對身體的使用，也在于我們的身體本身。大腦呈現(xiàn)這個世界是為了在其中進行有意義的活動，”她說，“因此，我認(rèn)為意識體驗一定是與活動緊密相連的”，就像注意力一樣。“意識應(yīng)該是活動導(dǎo)向的。”

作者：JORDANA CEPELEWICZ, QUANTA

翻譯：桃花

編輯：八云

校對：窗敲雨

編譯來源：https://www.theatlantic.com/science/archive/2019/09/how-brain-helps-you-pay-attention/598846/

譯文版權(quán)屬于果殼，未經(jīng)授權(quán)不得轉(zhuǎn)載.

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