近日，北京师范大学心理学部张鸣沙教授课题组与合作团队在《科学》发布最新研究成果，揭示了位于人脑深部的丘脑高阶核团在人类意识体验产生中的关键作用。该成果通过直接在丘脑和前额叶中同时记录立体定向脑电图信号（sEEG），发现了丘脑高阶核团通过丘脑-前额叶环路瞬时调控人类意识体验的新机制，极大挑战了当前意识研究领域以大脑皮层为中心的主流观点，为理解人类意识的神经基础和原理提供了重要证据。
论文发表在《科学》杂志
该成果得到主流媒体关注报道，新华社报道《人的意识如何产生？我国科学家有新发现》，《中国科学报》头版刊发报道《中国科学家在人脑深处发现意识体验的关键门控》，《科技日报》刊发报道《意识产生时大脑发生了什么？新研究揭示丘脑-皮层环路作用》。此外，《自然》在新闻栏目以《大脑如何控制意识？深部结构》为题对此进行了报道。
人的意识如何产生？我国科学家有新发现
触景生情、举一反三、心驰神往……人类的意识无处不在，无时不有。以往的意识研究主要聚焦于大脑皮层，对丘脑等大脑皮层下的结构研究较少。传统观念认为，意识体验产生过程中，丘脑仅负责将感觉信息传入大脑皮层进行加工，并未直接参与信息处理。
北京师范大学心理学部教授张鸣沙说，团队深耕多年，创新心理学研究范式，运用眼动追踪技术、人类立体定向脑电图技术等开展实验。结果发现，人在接收到视觉信号并产生意识体验时，相比位于大脑皮层的前额叶，丘脑高级核团产生的电信号时间更早、强度更高。
视觉意识任务、心理测量曲线和电极定位
“这就证明，人的视觉意识并不是由单一脑区调控，而是由丘脑和前额叶等组成的大尺度神经网络环路来调控。”该科研团队成员、北京师范大学心理学部博士生房泽鹏说，在意识产生过程中，丘脑的板内核、内侧核要比腹侧核团发挥更重要的作用；丘脑高级核团对前额叶活动起到了调节作用。
张鸣沙表示，该成果不仅在理论上加深了对人类意识神经基础的理解，也有望助力对临床上意识障碍病人（如“植物人”）残存意识的精准检测与干预治疗，还可能为人工智能研究带来启发。
中国科学家在人脑深处
发现意识体验的关键门控
“该论文的发表，预示我国在人类意识领域的研究成果得到了国际同行的认可，并走在了人类意识领域研究的世界前沿。”论文通讯作者、北京师范大学教授张鸣沙告诉《中国科学报》。
当前关于意识的生物学基础（即神经机制）研究主要分为两种，分别关注意识的两个最重要的方面：全局意识状态和特定意识内容。虽然很多研究报道了全局意识状态（如清醒、睡眠、麻醉、昏迷等）转换背后的神经基础，但这类研究难以回答日常生活中如何产生特定的意识体验。因此，另一部分研究者通过结合心理学、行为学与脑成像的方法来探索特定意识体验的神经基础。视觉意识则是此类研究最广泛使用的方法。
不同丘脑核团中意识相关ERP活动的特征
基于数十年的实验和理论研究，研究者发现了诸多意识相关的脑活动，并据此提出了不同的意识理论（如全局神经元工作空间理论、整合信息理论等），来理解和预测人类意识的本质与原理。张鸣沙表示，“虽然这些理论对意识的神经基础提供了重要见解，但不同理论之间关于意识的解释和预测存在巨大差异，亟须进一步的实验证据验证”。例如，主流理论通常假定大脑皮层为产生意识体验最重要的区域，而脑深部的皮层下结构，并不直接贡献于特定的意识体验，如丘脑仅仅用于传递感觉信息。
然而，基于来自解剖学与神经影像研究的证据，近期有新的学说对上述主流理论提出了挑战，提出丘脑的高阶核团可能通过丘脑-皮层环路直接贡献于特定意识体验。但是，由于无创脑成像技术的时间和空间分辨率限制，这种理论难以在人脑中进行直接验证。
主要研究成果示意图
传统观点认为，丘脑的功能在于传递感觉信息和维持整体意识状态和，因而是意识体验的前提条件，而非直接参与意识体验。这一传统观点受到来自解剖学和神经影像学研究的挑战，发现人类丘脑直接参与了多种认知功能，并提出丘脑-皮层环路在人类意识体验中可能发挥关键作用。
“然而，由于研究技术限制，在人类大脑内实时获取高空间分辨率的神经活动非常困难，”张鸣沙说，截至目前，对意识体验相关信息在脑内如何处理和传递基本是未知的。
为解决之前的研究瓶颈，联合研究团队设计了一种新的视觉意识任务范式，在脑内植入电极的患者执行一任务时，同时采集了丘脑和前额叶皮层的立体定向脑电图（sEEG）数据。
丘脑核团与 PFC 之间意识相关的相位同步及信息流向
谈到该研究的意义，论文第一作者、北京师范大学心理学部博士生房泽鹏说，“通过立体定向脑电图研究，该研究首次发现了在快速发生的意识体验产生过程中（数百毫秒内），丘脑核团及丘脑-前额叶环路中的意识体验相关神经活动的特征及信息传导模式。这些结果提供了人脑内的直接证据，支持了丘脑板内核和内侧核团在意识体验产生时作为“门控”来调节前额叶皮层活动的理论，为解决当前意识理论间的争议提供了重要支撑。本研究被审稿人称赞为‘里程碑式的’、‘非常有趣，原创和有影响力’的研究及‘令人激动的发现’。”
张鸣沙表示：“对大脑高级功能的研究，包括意识的神经机制研究，往往需要在精心设计的行为范式下进行。眼睛是心灵的窗口，视觉诱导的眼动是心理学、认知神经科学等领域最常采用的行为范式，具有对视觉刺激控制精细，对眼动行为检测精准的独特优势”。
该研究中，研究人员采取呈现视觉感知阈限附近亮度的视觉刺激，在视觉刺激特征性一致的情况下，被试者根据是否看到了视觉刺激，选择位于左、右视野的两个眼跳靶点中的一个，以眼跳的方式对意识体验进行报告。
在此范式下，研究者发现人类大脑中丘脑高级核团，在意识体验的形成中起重要的“门控”作用。“该成果不仅加深了对人类意识神经机制的理解，还有望助力于临床上意识障碍患者（如“植物人”）的干预治疗。后续我们将进一步结合基础研究与临床转化，争取早日将前沿理论转化为社会价值。”张鸣沙说。
意识产生时大脑发生了什么？
新研究揭示丘脑-皮层环路作用
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。
丘脑核团与 PFC 之间意识相关的跨频耦合
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。
大脑如何控制意识？深部结构
在《自然》新闻栏目的报道中，澳大利亚悉尼大学的系统神经科学家Christopher Whyte说，“这是首次在执行意识体验相关任务的人类丘脑-皮层环路同步记录，这项工作很了不起，它使研究团队能够观察不同区域神经活动的时间是如何变化的”。
以色列特拉维夫大学神经科学家Liad Mudrik说，“这是对丘脑在意识中作用最为精细和广泛的研究之一”。
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来源：心理学部、新华社、中国科学报、科技日报等
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来源：北京号
作者：北京师范大学
