研究发现丘脑在人类视觉意识中起关键作用

Neuroscientists identify key gatekeeper of human consciousness

一项发表在《科学》杂志上的新研究确定，丘脑在人类如何有意识地感知视觉信息方面起着核心作用。通过在五名患者进行视觉任务时直接记录他们的大脑电活动，科学家们发现，在视觉意识时刻，特定丘脑区域会更早且更强烈地被激活。这些发现表明，层内核和内侧丘脑核充当了一个“门户”，通过影响前额叶皮层的活动来启动意识感知。

丘脑是一个位于大脑深处的小型卵形结构，它作为传递感官信息（如视觉、听觉和触觉）到大脑皮层的枢纽，而大脑皮层则是感知和解释发生的地方。除了这种中继作用外，丘脑还有助于调节警觉性、睡眠和注意力。

尽管长期以来丘脑一直被视为感官信息的中继站，但它通常被认为只是一个辅助角色——对于维持清醒状态很重要，但并非意识体验的实际来源。当前的研究挑战了这一观点，提供了新的证据表明丘脑不仅仅是传递信号，还可能积极塑造进入我们意识的内容。

为了研究这一点，研究团队利用了一次独特的机会来记录人类大脑深处的活动。五名成年男性在接受严重抗药性头痛治疗时，植入了立体脑电图（sEEG）电极。这些电极使研究人员能够实时监测多个大脑区域的神经活动，包括丘脑和前额叶皮层的不同部分。

参与者完成了一项视觉意识任务，该任务呈现了处于意识可见边缘的图像。在每次试验中，一个图案化的刺激短暂出现在中央注视点的一侧。一些图像明亮且清晰可见，而另一些则模糊且难以检测。偶尔，根本没有刺激显示。每次试验后，参与者通过眼动反应指示他们是否看到了刺激及其出现的位置。

这种设置使研究人员能够在参与者有意识看到刺激的试验与未看到刺激的试验之间进行比较，即使视觉输入几乎相同。这一关键对比有助于分离出与意识相关的神经过程，而不是简单的感官输入。

结果显示，在参与者报告看到刺激时，丘脑深处的某些区域——特别是中央内侧核、背内侧核和旁束核——表现出增强的活动。这些被称为层内核和内侧丘脑核的区域比其他丘脑区域（如腹侧核）甚至比前额叶皮层更早、更强烈地作出反应。

通过一系列分析，研究人员发现，这些高级丘脑核在意识时刻表现出更强的电信号、增加的低频振荡以及更同步的活动。重要的是，这种活动的时间——大约在刺激呈现后200毫秒开始——与已知最早的大脑意识感知特征相符，例如之前头皮研究中记录的视觉意识负性信号。

为了理解这些信号如何在大脑中传播，研究人员检查了在有意识和无意识试验中不同大脑区域之间的通信情况。他们测量了神经振荡的同步性，特别是在θ频率范围（约4-8赫兹），该频率与认知控制和意识有关。他们还分析了跨频率耦合，描述慢速脑节律如何协调其他区域的快速活动。两项测量均显示层内核和内侧丘脑区域在有意识感知期间驱动了与前额叶皮层的神经协调。

换句话说，当参与者意识到刺激时，丘脑不仅仅是在对感官输入做出反应，而是积极塑造大脑的反应，向前额叶皮层发送信号并帮助组织支持意识的大脑活动。

进一步分析表明，丘脑和前额叶皮层中的神经模式编码了参与者是否意识到刺激的信息，而不是简单反映任务的其他方面，如对比度、运动反应或反应时间。这加强了这些区域直接参与意识感知的论据，而不仅仅是其他认知过程的下游反射。

有趣的是，研究人员还发现，丘脑的活动，特别是在层内核和内侧核中的活动，甚至可以在刺激出现之前就开始。这种前刺激活动在参与者随后报告意识到刺激的试验中更加同步，这表明这些区域可能通过影响大脑的准备状态来为意识感知奠定基础。

这项研究首次提供了来自人类多丘脑核在设计用于探测有意识和无意识视觉感知边界的任务中的详细记录。先前使用功能性磁共振成像或脑磁图等成像方法的研究暗示了丘脑在意识中的参与，但缺乏精确的时间和空间定位。这里使用的sEEG提供了一种罕见的机会，以高时间和空间分辨率捕捉深层脑结构的动态。

这些发现为意识不仅是一种皮质现象的观点提供了强有力的支持。相反，丘脑——尤其是其高级核——似乎在使感官信息可供我们意识获取方面发挥着积极且早期的作用。这可能反映了丘脑作为枢纽的独特位置，它与皮质和皮质下脑区广泛连接，使其能够协调复杂神经活动模式，从而促使意识的产生。

然而，作者指出了一些限制。该研究在一个由五名男性患者组成的小样本中进行，所有患者都因头痛治疗相关临床原因植入了电极。虽然他们的认知能力和视力完好，但这些参与者并不代表普通人群。此外，电极放置是由医疗需求决定的，而不是研究目标，这意味着一些脑区可能被低估或完全错过。

此外，尽管研究表明层内核和内侧丘脑核启动了意识感知过程，但这并不排除皮质的重要贡献。前额叶皮层，特别是外侧区域，仍然显示出显著的活动，并在意识期间参与同步神经网络。研究人员建议，丘脑可能充当“门”或“启动者”，而皮质则详述经验内容。

本研究题为《人类高级丘脑核通过丘脑额环路控制意识感知》，作者为Zepeng Fang、Yuanyuan Dang、An’an Ping、Chenyu Wang、Qianchuan Zhao、Hulin Zhao、Xiaoli Li和Mingsha Zhang。

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