【科學家們的這次發現,可能找到了大腦中的意識開關】

ADVERTISEMENT

前言:近日,美國艾倫腦科學研究院 (Allen Institute for Brain Science)的科學家們在小鼠大腦的屏狀核中發現了3個巨大神經元,這種神經元的軸突環繞了整個大腦的外周。國內外媒體炸開了鍋,紛紛表示這很可能是我們大腦意識的開關。

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

意識的本質是是什麼?過去的幾個世紀以來,討論這個問題一直是哲學家們的特權。但是隨著科學技術的進步,科學家們也慢慢開始進入這個遊戲。

“意識”在哲學、心理學和生物學里有截然不同的定義,一般認為意識是人對環境及自我的認知能力。對意識的探討受到了哲學家笛卡爾所支持的二元論(圖1)的巨大影響。笛卡爾認為世界的本源是意識和物質兩個實體,而意識是脫離物質獨立存在的。身體和思想就是兩種絕對不同的實體,身體具備時間和空間屬性,而思維沒有空間屬性。

圖1.笛卡爾、二元論和他的名言。

最近的科學研究結果基本否定了笛卡爾的觀點。科學家們普遍支持一元論,認為身體和思想是同一個事物的兩個不同的表現形式。簡單的說,意識是從腦中的大量神經元的協作中湧現出來的。但是,意識為什麼會存在?意識具體是如何發生的?意識是否為人類所特有?能否通過一些特定的方法訪問他人的意識?以及,我們能否在神經元以外的物質載體上製造出意識?這些問題仍然深深的困擾著我們。

1、如何研究意識?

早期,關於意識一些見解主要來自對腦損傷導致意識狀態改變的病人們的研究。大腦中某些進化上相對古老的結構的損害能完全剝奪人們的意識,使他們處於昏迷或者持續的意識喪失(例如,植物人)狀態。這暗示我們,這些腦區可能是意識的開關所在。雖然大腦中可能存在某個特殊的意識開關,但它們不太可能是意識的唯一來源。意識的不同方面可能在不同的大腦區域產生。例如,大腦視覺皮層的損傷可能會產生一些限於視覺意識的奇怪缺陷。一個被廣泛研究的病例是D.F.,她不能識別物體的形狀或確定插槽的方向。然而,當被要求拿起一張卡片並將其滑過插槽時,她卻很容易就能完成。在某種程度上,D.F. 絕對知道插槽的方向,因此才能完成這一任務,但她似乎並沒有意識到她自己知道這一點。

其實隻要通過合適的方法,在沒有腦損傷的情況下,我們也能造成意識喪失或者分離的現象。研究人員希望通過研究從事此類任務的受試者的大腦來揭示有關意識和意識所需的神經活動的線索。已經有不少在猴子上開展了的研究,特別是在視覺意識方面。一個實驗方法是給猴子提供一些視錯覺(optical illusions)圖片,創造一個“雙穩態知覺”,即圖片中的物體在不同的時刻能在意識里產生不同的形態(圖2)。經過訓練之後,猴子可以指示出他們所感覺到的物體形態。同時,研究人員在猴子腦內尋找參與編碼感知特定物體形態的神經元,希望這些神經元能引導他們了解參與視覺認知的神經系統(Logothetis & Sheinberg 1996),並最終解釋為何光子以特定的模式撞擊視網膜就能讓我們產生特定的視覺意識,比如,看到一朵玫瑰時的體驗。

ADVERTISEMENT

圖2. “雙穩態知覺”實例:Necker立方體和Rubin花瓶可以以多種方式被感知。

2、尋找意識的開關

雖然絕大多數的人認為我們的意識是湧現於腦中多個神經網絡的相互作用中,但是仍有一部分人認為意識的產生由相對獨立的腦結構來主導,這一腦結構被稱為意識開關/意識中樞。持這一觀點的代表人物就是DNA雙螺旋結構的發現者Francis Crick和他的小夥伴Christof Koch。他們認為我們的意識就猶如一部交響樂。腦內意識的產生,既需要各位演奏者(不同腦區)的參與,也需要一位樂團指揮(意識開關)來指揮,以便將大腦內部和外部的感知聯系在一起,進而產生意識。

他們所認為的意識開關便是屏狀核(claustrum)。屏狀核是一個薄如紙片(1-2 mm厚)的不規則的神經結構,隱藏在新大腦皮層的內表面、腦島的深面。它和大腦皮層的幾乎所有區域之間有雙向連接(圖3A),但目前對屏狀體的功能知之甚少(Crick & Koch 2005, Gattass et al 2014)。2014年,Koch在科學美國人雜誌上寫道:“屏狀核是一個巨大的神經中央車站,大腦皮層的幾乎每塊區域與其都有纖維連接。”

圖3. 屏狀核的位置及其神經投射情況。A) 辣根過氧化物酶示蹤結果表明,猴子的屏狀核與大腦皮層的多個區域之間有雙向連接(Crick & Koch 2005)。B)14年所進行的深度腦刺激(DBS)控製意識實驗的示意圖。

14年華盛頓大學的Mohamad Koubeissi和同事的研究表明,他們可以通過刺激“屏狀核”來控製一個女子的意識(Koubeissi et al 2014)。該名女子患有癲癇症,所以實驗人員用植入大腦深處的電極來記錄不同大腦區域在癲癇發作時的信號,並試圖治療。其中一個電極緊挨著屏狀核(圖3B),當他們用高頻率電流發出脈衝刺激這個區域,這名女子失去了意識。她停止了閱讀,毫無表情地出現了“斷片兒”,對觀眾和視覺指令毫無反應,甚至呼吸都變慢了。當刺激停止的一瞬間,她立刻恢複了意識並對剛發生的一切全然不知。同樣的情況數次出現在測試中。

2015年的另一項實驗,同樣也支持屏狀核便是我們的意識開關。科學家們檢查了171位有創傷性腦損傷的退伍軍人,查看了他們的屏狀體損傷對意識的影響(Chau et al 2015)。他們發現,屏狀體的損傷與意識喪失的持續時間有關,而與頻率無關。並且,他們認為屏狀體在意識的恢複中扮演一個重要的角色,而與意識的維持關係不大。

ADVERTISEMENT

圖4. Christof Koch領導的團隊所發現的3個巨大神經元。

總之,之前的證據主要來自腦損傷、深度腦刺激等方面,這次終於來了細胞層面上的證據。這次造成神經科學界的大新聞的巨大神經元(Giant Neuron)正是Christof Koch領導的團隊所發現的(圖4)。簡單的說,Koch等人首先通過培育一支特殊品系的小鼠,使它們屏狀核中神經元的特定基因可以被某種藥物激活,進而表達一種可以遍布整個神經元的綠色熒光蛋白,然後再對小鼠大腦進行10000層斷層掃描和3D重建,來追蹤整個神經元。這是第一次,科學家偵測到一種(3個)巨大神經元纏繞在一隻老鼠的整個大腦周圍,並且跨越大腦兩個半球,非常密集地連接在一起。正是由於這種巨大神經元來自於屏狀核,並且與多個腦區存在廣泛連接,因此人們猜測這些神經元有可能與意識的產生密切相關

3、關於意識研究的一些思考

在尋找意識開關的道路上所進行的這些實驗的設計思路及其實驗結果是令人驚歎的。大量的科學家們也的確為之做出了傑出的貢獻。當然,科學的問題還需要以科學的眼光來看待。我們不應該過度解讀這次實驗的結果。這次巨大神經元所衍生的大新聞的背後,其實涉及到兩個問題:

說實話,我個人也認為屏狀核有可能就是我們大腦中的那個意識開關。但是,平心而論,光憑科學家們目前所掌握的證據,我們似乎還遠不能證明巨大神經元能夠控製意識的開關;甚至,我們現在還不能肯定的說大腦中的確存在意識開關。原因至少有以下幾點:

意識的研究才開始不久,自然會有數不清的問題和想法。早在讀本科期間,我腦海里就有過一些亂七八糟的想法。比如,我們目前雖然否定了笛卡爾所主張的“意識和物質是兩個獨立的實體”的觀點(當然,N年之後也有可能會被推翻啦)。但是,意識產生的物質基礎(目前認為是神經元)是否是唯一的?

這一問題和目前很火的人工智能是緊密相關的。如果答案是肯定的,我們大可不必擔心今後人工智能會統治地球、奴役人類。如果答案是否定的,隨著科技的發展,人工智能最終幾乎絕對能獲得意識。今後,如果AI能擁有自我意識,恐怕人類社會也會因此而崩潰。因為這能證明人類並非我們所標榜的那樣獨特。換句話說,我們自己可能也是“機器人”,而我們卻不自知,這反過來也證明了我們事實上並沒有掌握真正的意識。

所以,真的,我打心里希望科學家們能證明這次發現的巨大神經元就是控製人類意識的關鍵。

ADVERTISEMENT

參考資料:

Chau A, Salazar AM, Krueger F, Cristofori I, Grafman J. 2015. The effect of claustrum lesions on human consciousness and recovery of function.Conscious Cogn36: 256-64

Crick FC, Koch C. 2005. What is the function of the claustrum?Philosophical Transactions of the Royal Society of London B: Biological Sciences360: 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 neuroscience8: 63

Koubeissi MZ, Bartolomei F, Beltagy A, Picard F. 2014. Electrical stimulation of a small brain area reversibly disrupts consciousness.Epilepsy & Behavior37: 32-35

Logothetis NK, Sheinberg DL. 1996. Visual object recognition.Annu Rev Neurosci19: 577-621

What Is the Biological Basis of Consciousness?

Science Online Special Feature

A giant neuron found wrapped around entire mouse brain

客官,這篇文章有意思嗎?

好玩!下載 App 接著看 (๑•ㅂ•) ✧

再逛逛吧 ˊ_>ˋ

ADVERTISEMENT