我们的大脑不断地对我们周围发生的事情做出预测，例如，确保我们能够注意并考虑到意外情况。一项新的研究调查了这在清醒状态下是如何工作的，以及在全身麻醉下是如何分解的。研究结果进一步证明，有意识的思维需要大脑的基本感觉区域和高级认知区域之间的同步交流，这种交流是由特定频段的大脑节律介导的。
此前，麻省理工学院Picower学习与记忆研究所和范德比尔特大学的研究小组成员已经描述了大脑节奏如何使大脑保持对意外事件的准备。
认知导向的大脑区域(通常在大脑的前部)，使用相对低频的α和β节奏来抑制感官区域(通常在大脑的后部)对环境中熟悉和平凡的刺激(例如你同事的音乐)的处理。当感觉区域检测到意外(例如办公室的火灾警报)时，它们使用更快的频率伽马节律告诉高级区域，高级区域处理伽马频率来决定该做什么(例如离开大楼)。
10月7日发表在《美国国家科学院院刊》(Proceedings of The National Academy of Sciences)上的新研究结果表明，当动物处于异丙酚诱导的全身麻醉状态时，一个感觉区域保留了检测简单惊喜的能力，但与大脑前部的高级认知区域的交流失去了，这使得该区域无法进行“自上而下”的感觉区域活动调节，使其对简单和更复杂的惊喜都视而不见。
“我们在这里做的事情说明了意识的本质，”共同资深作者厄尔·k·米勒说，他是皮考尔学习与记忆研究所和麻省理工学院大脑与认知科学系的皮考尔教授。“异丙酚全身麻醉使自上而下的认知过程失效。它基本上切断了大脑前半部和后半部之间的交流。”
共同资深作者安德烈·巴斯托斯(Andre Bastos)是范德比尔特大学心理学系的助理教授，也是米勒在麻省理工学院实验室的前成员，他补充说，研究结果强调了额叶区域在意识中的关键作用。
巴斯托斯说:“考虑到意识机制以及意识与大脑形成预测能力之间的关系，这些结果尤其重要。”
“在麻醉期间，大脑的预测能力发生了巨大的变化。有趣的是，与认知相关的大脑前部区域的预测能力比感觉区域下降得更严重。这表明前额叶区域有助于引发“点火”事件，从而使感官信息成为意识。感觉皮层的激活本身不会导致有意识的知觉。这些观察有助于我们缩小意识机制的可能模型。”
领导这项研究的巴斯托斯实验室的研究生熊毅汉(音译)表示，麻醉剂减少了大脑内部区域间交流的时间
“在清醒的大脑中，脑电波给神经元提供了一个短暂的机会窗口，使其达到最佳状态——可以说，这是大脑的‘刷新率’，”熊说，“这种刷新率有助于组织不同的大脑区域进行有效的交流。”麻醉会减慢刷新率，从而缩小大脑区域相互交流的时间窗口，降低刷新率的有效性，因此神经元在何时可以激活时变得更加混乱。当刷新率不再像预期的那样工作时，我们的预测能力就会被削弱。”
为了进行这项研究，神经科学家测量了两只动物在听音调序列时，大脑表面或皮层的两个区域中数百个单个神经元的电信号，“或峰值”以及它们聚集活动的协调节奏(在α / β和γ频率)。
有时候序列会是相同的音符(例如AAAAA)。有时会有一个简单的惊喜，研究人员称之为“当地的怪人”(例如AAAAB)。但有时惊喜会更复杂，或者是一个“全球怪人”。例如，在看到一系列aaa之后，突然就会出现aaa，这违反了全局模式，而不是局部模式。
米勒说，先前的研究表明，一个感觉区域(在这种情况下是颞顶叶区，简称Tpt)可以自己发现局部的怪人。检测更复杂的全局奇球需要更高阶区域的参与(在这种情况下是额眼场，或FEF)。
这些动物在清醒和异丙酚麻醉下都能听到这些音调序列。醒着的状态没有什么令人惊讶的。研究人员重申，FEF自上而下的α / β节律可以预测到Tpt，当一个奇怪的人出现时，Tpt会增加伽马节律，导致FEF(和前额叶皮层)也以伽马活动的上升做出反应。
但通过几项测量和分析，科学家们可以看到，在动物失去意识后，这些动力就会消失。
例如，在异丙酚的作用下，大脑的尖峰活动总体上有所下降，但当局部出现一个古怪的东西时，大脑的尖峰活动仍然显著增加，但现在FEF的尖峰活动不像清醒时那样随之增加。
与此同时，当一个全球性的怪球出现在清醒状态时，研究人员可以使用软件来“解码”FEF和前额叶皮层(另一个认知导向区域)神经元之间的表征。他们还可以解码Tpt中当地的古怪人物。但在麻醉状态下，解码器无法再可靠地检测FEF或前额叶皮层中局部或全局异常的表征。
此外，当他们比较清醒和无意识状态下大脑区域的节律时，他们发现了明显的差异。当动物醒着的时候，古怪的人增加了Tpt和FEF的伽马活动，而α / β节律下降。常规的、非怪异的刺激会增加α / β节律。但是当动物失去意识时，局部古怪的伽马节律在Tpt中的增加甚至比动物清醒时更大。
作者写道:“在异丙酚介导的意识丧失下，α / β的抑制功能减弱和/或消除，导致感觉皮层中奇怪的抑制解除。”
其他对区域间连通性和同步性的分析显示，这些区域在麻醉期间失去了沟通能力。
研究人员写道，总的来说，这项研究的证据表明，有意识的思考需要大脑皮层从前到后的协调。
研究人员写道:“因此，我们的研究结果表明，除了感觉皮层的激活外，前额叶皮层的激活对有意识的感知也起着重要作用。”
除了熊、米勒和巴斯托斯，该论文的其他作者还有雅各布·多诺霍、米凯尔·伦德奎斯特、梅雷迪斯·马恩克、亚历克斯·梅杰和埃默里·n·布朗。
更多信息:Yihan (Sophy) Xiong等人，异丙酚介导的意识丧失破坏了神经活动的预测路径和局部场相位调制，美国国家科学院院刊(2024)。DOI: 10.1073 / pnas.2315160121期刊信息:美国国家科学院院刊由麻省理工学院提供引文:麻醉下感官预测变化的方式可以揭示意识认知是如何工作的(2024,10月7日)除为私人学习或研究目的而进行的任何公平交易外，未经书面许可，不得转载任何部分。内容仅供参考之用。
