原創 Eric W. Dolan 酷炫腦

Via：Pixabay

作者 | Eric W. Dolan

翻譯 | Caroline

審校 | 酷炫腦

美工 | Jenny

編輯 | 加薪

新研究發現，當我們保持清醒時，大腦會像探險家一樣，不斷“探索”多樣化的連接模式；然而，一旦進入深度睡眠或被麻醉，大腦的活動就會變得相對可預測且僵化，其功能活動與其結構線路之間呈現出更為緊密的對應關系。

我們的大腦非常活躍，不斷在各種活動狀態之間轉換，反映出我們的思想、感知和意識。

發表在《通訊生物學》上的一項新研究表明，這種動態性是區分意識和無意識的關鍵。研究團隊發現，當我們保持清醒時，大腦會像探險家一樣，不斷“探索”多樣化的連接模式；然而，一旦進入深度睡眠或被麻醉，大腦的活動就會變得相對可預測且僵化，其功能活動與其結構線路之間呈現出更為緊密的對應關系。

意識代表了我們體驗、感知和回應世界的能力。長久以來，有關意識的研究一直都是神經科學領域最令人困惑的課題之一。科研人員一直在努力尋找可靠且客觀的標志用以區分有意識和無意識狀態，從而加深我們對意識的了解。

大腦連通性主要分為兩大類：結構連通性和功能連通性。前者指的是大腦的物理架構，即那些構成大腦基礎的神經元和通路的固定網絡；而后者則反映了大腦的活動模式，揭示了不同區域在特定時刻如何協同工作，呈現出動態的交互狀態。

以往的研究表明，大腦的功能連通性會在不同的配置之間不斷轉換，從而反映出各種認知過程。這項新研究旨在通過重點研究清醒、全身麻醉或處于深度睡眠狀態的人的大腦動態，探討功能連通性的變化模式是否能可靠地區分有意識和無意識狀態。

“意識無疑是神經科學領域中最吸引人的課題之一，盡管這是一個深奧且尚未被完全理解的基本問題。”該研究的作者、來自巴黎-薩克雷神經科學研究所的阿蘭·德斯特克舍（Alain Destexhe）和羅德里戈·科夫雷（Rodrigo Cofré）解釋道。

“我們對從無意識狀態到迷幻藥誘導的各種意識狀態都充滿興趣。我們的目標是揭示支撐意識的動態功能機制，并觀察當意識受到干擾時，這些機制會發生怎樣的變化。靜息態功能磁共振成像（fMRI）為我們提供了一種獨特的視角來觀察大腦活動，使我們能夠捕捉到自發活動及其轉換過程，這可能反映出與意識相關的更深層次機制。

在研究中，科研人員深入剖析了兩個數據集中的fMRI數據。第一個數據集涵蓋了16名健康參與者在清醒、全身麻醉（采用靜脈注射藥物異丙酚）及麻醉恢復后三種狀態下的掃描結果；而第二個數據集則包含了18名健康參與者在清醒和深度睡眠（N3階段）期間的掃描數據。

研究的焦點在于“相位一致性”，即評估不同大腦區域在任意時刻的同步程度。這種方法使科研人員能夠辨識大腦活動的重復性模式，并追蹤它們隨時間的變化軌跡。借助統計聚類技術，這些模式被細致歸類為不同條件下的特定“狀態”。隨后，科研人員對這些狀態在有意識和無意識狀態下的出現頻率及分布特征進行了詳盡分析。

為了全面描繪大腦的動態特性，研究采用了兩種核心測量方法。首先，利用香農熵量化大腦活動模式的多樣性，熵值越高意味著狀態范圍越廣泛。其次，通過結構-功能耦合評估大腦功能活動與磁共振成像結構所確定的物理線路的緊密程度。此外，科研人員還運用了馬爾可夫鏈模型，以評估狀態間轉換的可能性，進而深入洞察大腦動態在各種情境下的穩定性與靈活性。

研究結果顯示，有意識和無意識狀態下的大腦動態呈現出顯著差異。在清醒狀態下，大腦展現出豐富多變且靈活的活動模式，這體現在較高的香農熵上。這些模式對大腦結構連接的依賴性較低，表明有意識的大腦在探索狀態時并不受物理線路的束縛。清醒狀態下狀態間的頻繁轉換進一步凸顯了有意識大腦的動態性和適應性。相反，無意識狀態（如全身麻醉或深度睡眠N3階段所誘導的狀態）下的大腦活動模式多樣性明顯減少。香農熵顯著降低，意味著大腦探索的狀態范圍變得狹窄。同時，無意識狀態下的功能活動與大腦結構連接呈現出更緊密的關聯，這表明無意識狀態下的大腦更加依賴于其解剖線路。狀態間的轉換也不那么頻繁，反映出一種更為僵化和重復的動態特性。

德斯特克舍和科夫雷告訴《PsyPost》："簡而言之，當我們處于清醒且有意識的狀態時，大腦的活動模式展現出更高的動態性。這些豐富多樣的大腦連接動態模式對于意識而言似乎至關重要。然而，在麻醉或深度睡眠狀態下，大腦仍然非常活躍，但所依賴的動態模式較少，更接近于解剖學上的連通性，顯示的轉換也較少。這些發現使我們更接近于確定客觀可靠的意識指標，有朝一日可以幫助我們更好地理解甚至跟蹤臨床環境中的意識。”

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有趣的是，研究人員觀察到，某些通常與無意識相關的活動模式在清醒狀態下也會偶爾出現，反之亦然。這一發現揭示了意識可能存在于一個連續的光譜之中，意識狀態和無意識狀態之間存在重疊的特征。盡管存在這些重疊現象，但總體研究結果仍然一致地表明，豐富且動態的大腦活動是意識的顯著標志。

“我們對研究結果的穩健性和普遍性感到十分驚訝。”研究人員表示，“此外，我們還驚奇地發現，某些通常與無意識更緊密相關的連接模式甚至會在我們清醒時出現短暫的小爆發，反之亦然。這表明意識并非一種絕對的全有或全無的狀態；相反，它可能是一種具有重疊特征的流動光譜。這一發現引發了關于意識狀態和無意識狀態之間界限的深刻思考。”

與所有研究一樣，這項研究也存在一定的局限性。數據來源于兩個不同的研究小組，他們采用了不同的掃描和預處理方法，這可能會帶來一定的差異。此外，該研究僅關注了一種麻醉劑的影響，其他藥物對大腦動態的具體作用仍有待進一步探索。同時，深度睡眠涉及的不僅僅是意識的喪失，還可能伴隨著本研究未完全揭示的復雜問題。

德斯特克舍和科夫雷解釋道：“雖然我們的研究方法相當穩健，看起來能適用于全身麻醉、深度睡眠等多種狀態，但不同研究在數據收集和預處理上仍存在局限。比如說，數據采集設備和預處理技術的差異，可能會導致一些微妙的不同。還有，雖然我們這次研究的是異丙酚這種麻醉劑的效果，但其他藥物對大腦活動的影響可能會有所不同。”

“從長遠來看，我們期望能打造出一種通用的意識標記，廣泛應用于各種臨床場景，無論是監測全身麻醉狀態，還是評估腦損傷患者的意識水平。我們也很想探索腦電圖等其他成像技術，因為它們能提供更多關于大腦有意識和無意識狀態的信息。另外，我們還希望能將研究結果進一步拓展到迷幻狀態。”

總而言之，這項研究發現，大腦的動態模式對意識至關重要。通過深入研究這些模式，我們不僅能增進科學知識，還能將其應用于醫療實踐，例如評估腦外傷或昏迷病人的大腦狀況，以及監測迷幻藥物作用下的麻醉程度和狀態。未來，研究人員期望將這些方法推廣到更多物種、不同麻醉劑和各種數據采集技術上。

Via：《Adventure Time》

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參考文獻（點擊滑動查看）

1.Castro, P., Luppi, A., Tagliazucchi, E., Perl, Y. S., Naci, L., Owen, A. M., ... & Cofré, R. (2024). Dynamical structure-function correlations provide robust and generalizable signatures of consciousness in humans. Communications Biology, 7(1), 1224.

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原標題：《意識的秘密，藏在大腦的“連接地圖”里》

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