科學(xué)界可能距離理解意識停留在腦內(nèi)何處更近一步。一項新的研究表明了特定神經(jīng)連接在定位意識位置的重要性。

這項發(fā)表在《大腦皮層》（Cerebral Cortex）上的研究，由東京大學(xué)廣域系統(tǒng)科學(xué)系的北園淳（Jun Kitazono）主導(dǎo)，他是這篇文章的通訊作者和項目研究員。

論文題目：

Bidirectionally connected cores in a mouse connectome: towards extracting the brain subnetworks essential for consciousness

DOI：

https://doi.org/10.1093/cercor/bhac143

" 意識存在大腦何處，一直是科學(xué)界最重要的問題之一。" 副教授大泉匡史（Masafumi Oizumi）說。他是這項研究的通訊作者之一，也是這個實驗室的主管人。

" 盡管我們還沒得到一個決定性的答案，但在尋找提供意識體驗的基礎(chǔ)機制，或者說意識的神經(jīng)聯(lián)接這個課題上，累積了許多實證性的證據(jù)。"

通過這個研究，整個團隊在定位腦內(nèi)能夠充分支持意識體驗的最小次級網(wǎng)絡(luò)上邁進了一步。

為了確定意識在大腦的哪片區(qū)域，研究者們找到了一個在大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中一個表示意識的特殊標記：雙向通路。當我們看到某些東西或者體驗?zāi)撤N感覺的時候，我們的大腦接受了信息。

這種就叫做前饋信號（feed-forward signal），但是僅僅接受前饋信號是不足以滿足意識的出現(xiàn)。我們的大腦還需要將信息發(fā)回去，也就是所謂的反饋（feedback）。當然，并不是大腦的每一部分都既能接受前饋，又能將反饋信息發(fā)送回去。

- WFlemming Illustration -

研究者們假定這種雙向連接是負責意識的大腦部分的重要標記。

"僅僅前饋加工是不足以讓主體有意識地感受到刺激的；反而，反饋也是必要的，這表明了意識需要雙向加工。"

" 反饋部分不僅在清醒狀態(tài)下意識的具體內(nèi)容缺失時消失；而且在無意識狀態(tài)下也會消失，也就是意識體驗基本缺失的情況，例如全身麻醉、睡眠以及植物人狀態(tài)。" 北園說。

他還解釋道，無論你看的是人、猴子、老鼠、小鳥還是蒼蠅，這個加工過程的雙向性仍然是至關(guān)重要的。

研究者們利用小鼠的連接組（connectome）和計算技術(shù)驗證了他們的想法。連接組是展示腦內(nèi)連接的詳細地圖。

首先，他們研發(fā)了一個高效的算法來找出那些腦內(nèi)有著強雙向連接的部分，也就是復(fù)合體（complexes）。接著，他們將算法應(yīng)用到小鼠的連接組上。

" 我們發(fā)現(xiàn)，挑選出來的雙向性最強的復(fù)合體并非平均地分布在所有的主要腦區(qū)，而是集中在皮質(zhì)和丘腦區(qū)域。" 北園說，" 另一方面，其他主要腦區(qū)中的區(qū)域雙向性較低。特別是小腦中的區(qū)域，它們有著低得多的雙向性。"

研究者們提出，能夠支撐起意識的大腦網(wǎng)絡(luò)區(qū)域應(yīng)當是雙向性連接的，因為對于意識體驗來說，前饋和反饋處理都是必要的。舉個例子，前人對視知覺的研究表明，僅僅只有前饋加工時，有意識的知覺并不會出現(xiàn)；而當前饋加工和反饋加工一起出現(xiàn)的時候，才能引起有意識的知覺。

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北園淳

這些發(fā)現(xiàn)與科學(xué)家們長期認為的意識在大腦中所在的位置相符合。位于大腦表面的大腦皮層包含感覺區(qū)、運動區(qū)以及聯(lián)合區(qū)，這些區(qū)域被認為是意識體驗必要的腦區(qū)。而位于大腦內(nèi)部中間的丘腦，也被認為與意識相關(guān)聯(lián)，特別是丘腦與皮質(zhì)區(qū)域之間的交互，稱為丘腦 - 皮質(zhì)回路，被認為對意識十分重要。這些實驗的結(jié)果支持了這樣的一種觀點，即大腦網(wǎng)絡(luò)的雙向性是識別意識位置的關(guān)鍵。

研究者們強調(diào)，他們?nèi)栽谂ふ乙庾R所在的位置。

" 這項研究集中在‘靜態(tài)’的神經(jīng)元或者腦區(qū)間的解剖連接。然而意識是‘動態(tài)’的，它存在神經(jīng)活動，是無時無刻不在變化的。" 匡史說道。" 盡管解剖學(xué)上的連接能夠告訴我們神經(jīng)活動如何傳播以及腦區(qū)間是如何交互，但我們還需要直接地研究神經(jīng)活動的動態(tài)變化，來確定在任意給定的時刻下意識的位置。"

而下一步，他們的團隊正在分析不同種類的神經(jīng)記錄下，基于活動的腦內(nèi)網(wǎng)絡(luò)。

" 我們實驗室的最終目標是找到大腦與意識之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。" 匡史說。" 在這個新的研究中，我們嘗試將大腦的網(wǎng)絡(luò)的性質(zhì)與意識存在的位置聯(lián)系起來。我們將更進一步地探索意識與大腦之間的關(guān)系，這是我們的最終目標。"

摘要

小鼠腦內(nèi)連接組的雙向連接核：揭示了對于意識來說必要的腦內(nèi)次級網(wǎng)絡(luò)

意識在大腦中的位置仍是未解之謎。研究者們提出大腦網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部能夠支撐起意識的區(qū)域應(yīng)當是雙向性連接的，因為對于意識體驗來說，前饋和反饋加工都是必要的。因此，判斷哪些次級網(wǎng)絡(luò)是雙向連接的以及評估這些連接的強度，很有可能可以幫助我們識別那些對于意識必要的區(qū)域。

在這個研究中，我們提供了一個將網(wǎng)絡(luò)按照層級分解成有多種不同雙向連接強度的核心，從而表達出復(fù)合腦內(nèi)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)。我們將這種方法應(yīng)用到整個小鼠腦內(nèi)的連接組研究中。我們發(fā)現(xiàn)有著強烈雙向連接的核心組成了那些被認為意識出現(xiàn)所必要的區(qū)域（例如，同形皮層區(qū)，丘腦區(qū)和屏狀體），而且不包含那些被認為與意識出現(xiàn)無關(guān)的區(qū)域（例如，小腦）。

相對的，當我們將其他忽視雙向性的簡略的研究手段應(yīng)用到這些區(qū)域時，無法在核心群和意識之間找到這樣的聯(lián)系。這些結(jié)果表明，我們的方法為雙向性大腦神經(jīng)結(jié)構(gòu)和意識之間的關(guān)系的研究提供了一個新的切入點。