长期以来，科学家和哲学家一直在努力解释大脑如何产生有意识的体验。 有些人怀疑科学的客观工具是否能够处理如此主观的现象。 即便如此，研究人员已经开始确定伴随意识而来的大脑活动变化，并且他们对意识进化的原因也有了一些有趣的想法。

大脑如何从数十亿个神经细胞的电活动中唤起有意识的意识，仍然是生命中悬而未决的重大问题之一。

我们每个人都知道我们有意识，有思想、知觉和感觉，但我们无法向任何人证明这一点。 只有我们才能接触到让我们体验那些思想、知觉和感受的神秘本质。

在 1990 年代，哲学家大卫·查默斯 (David Chalmers) 将这种无法接受外部客观审查的情况描述为意识的“难题”。

他提出，对于科学家来说，一项更容易解决的任务是它的“神经关联”——当人们有意识体验时，大脑活动在何处以及如何发生变化。

除了好奇之外，科学家们最有可能被激发去发现意识的神经关联，以帮助诊断和治疗意识障碍，例如持续性植物人状态和一些精神疾病。

意识的三个维度

意识有几个不同的维度可以衡量。 其中最重要的三个是：

觉醒或生理唤醒

意识或有意识的心理体验的能力，包括思想、感觉和知觉

感官组织，或者不同的感知和更抽象的概念如何交织在一起以创造无缝的意识体验。

这三个维度相互作用，时时刻刻产生我们的整体意识状态。 例如，当我们完全清醒时，我们处于高度意识状态，但当我们在晚上渐渐入睡时，清醒和意识都会减弱。

在 REM（快速眼动）睡眠期间意识和生理觉醒恢复，这是最有可能发生生动梦境的时候。 但这些感官体验大多与外部刺激脱节，与清醒时将我们锚定在现实中的概念脱节。

以类似的方式，改变的意识状态，例如由迷幻药或低氧水平引起的意识状态，涉及正常水平的觉醒但混乱的感官体验。

这些可能包括声音、气味或视觉的幻觉，但也包括联觉，通常是离散的感官之间存在串扰，例如唤起视觉体验的声音。

处于昏迷或麻醉状态的人的觉醒和意识水平甚至可能低于非快速眼动睡眠期间的水平。

与此同时，在一种奇怪的混合意识状态下，被称为反应迟钝的觉醒综合症，或植物人状态，患者每天都会经历睡眠和清醒的循环，但没有任何意识迹象。

尽管他们长时间睁着眼睛，但他们不会表现出对外部刺激的行为反应。

其中一些患者将恢复有限的意识迹象，称为“最低意识状态”

例如对指令做出反应或用眼睛跟随移动物体的能力。

意识的神经关联

处于不同意识状态的患者提供了关于意识的神经关联的重要线索。

功能磁共振成像 (fMRI) 和脑电图 (EEG) 等技术揭示了伴随这些状态的神经活动。

科学家通过功能连接的测量来检测活动模式，使用统计技术来揭示大脑不同部位神经事件时间之间的相关性。

例如，这揭示了涉及工作记忆、注意力和走神的大脑区域网络。

当他们将来自 fMRI 和脑电图的数据结合起来时，研究人员发现大脑深处的活动，在丘脑中，在清醒期间与默认模式网络中的活动同步变化。

丘脑的运作就像一个感觉中继站，而默认模式网络是大脑皮层（大脑的最外层）内区域的集合，这些区域与走神和自我意识密切相关。

相比之下，在非快速眼动睡眠和麻醉期间，丘脑与默认模式网络和参与注意力的皮层网络之间的功能连接中断。

在意识障碍中，研究人员可以看到影响意识的功能连接性降低和物理损伤

皮层和大脑深部结构之间的联系。

这证明了这些连接对于维持整个大脑的清醒和信息交换是多么重要。

大脑活动的地形

尽管我们对意识的神经相关性的理解有所进步，但是医生仍然难以诊断无法对问题或命令做出反应的患者。

他们无法判断这样的患者是完全无意识、有意识但与外部刺激脱节，还是有意识并意识到他们的环境，但无法做出反应。

最近在 Nature Communications 上报道的一种全新方法可能会提供一种评估此类患者清醒度、意识和感觉组织的方法。

新技术不是记录特定大脑区域或区域网络的活动，而是测量整个大脑活动的梯度。

这类似于在地图上记录地形的陡度，以及该陡度如何随时间变化，而不仅仅是道路、城镇和村庄的位置。

这种研究大脑活动的创新方法考虑了功能几何形状如何塑造时间动态，并考虑到每个区域和网络都具有多种功能和连接这一事实。

“意识是复杂的，研究它就像解决一个乱七八糟的魔方。”第一作者、密歇根大学医学院麻醉学系研究助理教授 Zirui Huang 博士说。

“如果你只看一个表面，你可能会对它的组织方式感到困惑。 你需要从各个方面来解决这个难题。”他补充道。

意识的三个梯度

Huang 博士和他的同事研究了神经活动的梯度——由 fMRI 测量——如何随着意识的三个主要维度而变化：

唤醒能力或觉醒意识

感觉统合。

研究人员利用了现有的 fMRI 数据，这些数据是清醒的、处于麻醉状态、处于所谓的植物人状态——被称为“反应迟钝的清醒综合症”——或被诊断为精神分裂症等精神病的人的大脑记录的。

他们发现了一个活动梯度，该梯度对应于从视觉和默认模式区域延伸到涉及注意力的网络的唤醒水平的变化。

另一个梯度随着意识的变化而变化，从涉及感知和行动的区域延伸到负责信息整合和抽象概念形成的区域。

第三个梯度与感觉组织有关，跨越视觉系统和有助于控制运动的躯体运动皮层。

“我们证明了人类意识的中断——由于药理学、神经病理学或精神病学原因——与一种或多种主要皮质梯度的退化有关，具体取决于状态。”黄博士指出。

他告诉《今日医学新闻》，一些无法以任何方式做出反应的患者可能仍有意识。 “因此，开发独立于行为和任务的评估方法非常重要。”他说。

“根据我们的工作，皮质梯度测量有可能降低这些患者意识临床评估的不确定性。”他补充说。

经颅磁刺激

像黄博士这样的科学家已经发现了很多关于它的神经相关性，但他们的发现并没有揭示大脑如何产生意识——这个“难题”。

其他科学家认为，要想更多地了解意识的起因，就必须操纵大脑活动，看看会发生什么。

经颅磁刺激 (TMS) 是一种非侵入性技术，可以以严格控制的方式改变大脑活动。

该技术涉及通过靠近参与者头部的导电线圈传递强电脉冲，产生短暂的磁脉冲，在最靠近线圈的大脑部分引起电活动。

这会增强直径仅几厘米的区域内数百万个神经元的电活动。

在清醒的参与者中，TMS 脉冲会触发跨多个皮层区域的复杂活动链，而在非快速眼动睡眠中，相同的脉冲会产生更短暂、更局部的效果。

然而，在快速眼动睡眠期间，脉搏会唤起一种类似于完全清醒的人大脑中所见的活动模式。

有趣的是，在清醒但处于植物人状态的患者中，TMS 会引起短暂的局部效应，类似于健康人在非 REM 睡眠期间所见的效应。

但在清醒的、最低意识的患者的大脑中，TMS 会引起与健康、清醒的人相似的反应。

因此，研究人员得出结论，大脑区域之间交流的复杂性和空间范围会随着清醒和意识的水平而减弱

落下。

意识理论

尽管我们对意识的神经相关性的理解有所进步，但问题仍然存在：意识是如何从大脑活动中产生的？

科学家们提出了几种理论。 两个突出的想法是全局神经元工作空间理论 (GNWT) 和综合信息理论 (IIT)。

全局神经元工作空间

简而言之，GNWT 提出存在一个跨越大脑的远程连接网络，称为全局工作空间。

当神经信息能够访问这个工作空间时，它就会变得有意识，这使得它可以在整个大脑中传播，包括记忆、感知、运动输出和注意力的专门中枢。

至关重要的是，当获得对全局工作空间的访问权限时，对于感官数据的特定解释是“赢家通吃”的情况。

根据新泽西州普林斯顿神经科学研究所心理学和神经科学教授 Michael Graziano 教授以及加利福尼亚州欧文市查普曼大学克里恩健康与行为科学学院助理教授 AaronSchurger 博士的说法，这解释了，例如， “双稳态”视错觉。

其中的两个例子是内克立方体和人脸花瓶错觉，其中有意识的意识在对相同感官数据的两种不同解释之间切换。

综合资讯

大脑区域之间的信息交流和整合是许多意识理论的核心。

其中之一，IIT，使用一个复杂的方程式来计算一个实体的意识程度，根据它整合信息的程度。

根据方程式，即使是没有生命的物体，如岩石和茶壶，也有一丝意识。

这与泛心论的哲学理论一致，泛心论认为意识是所有物理系统的基本属性。

控制注意力是什么感觉

格拉齐亚诺教授对所有这些意识理论都有疑问。 他争辩说，它们甚至不能被称为理论，因为它们实际上并没有解释意识，它们只是描述了意识。

他将此比作牛顿万有引力定律（计算引力的方程式）与爱因斯坦广义相对论（解释引力的实际含义）之间的区别。

Graziano 教授自己的意识理论，注意力图式理论，或 AST，并没有声称已经解决了意识的难题，而是试图解释为什么我们相信我们是有意识的。

根据 AST，动物大脑进化出了一种模型——或图式——它们当前的注意力状态，它们可以用来预测和控制它们持续的注意力焦点。

为了控制我们的身体，大脑使用我们四肢的内部模型、它们在空间中的位置以及它们的工作方式。 Graziano 教授认为注意力的控制没有什么不同。

更重要的是，他认为注意力图式会让人们相信他们有一种内在本质——意识——可以让他们集中注意力。

无内容意识

令人惊奇的是，专业的冥想者可能能够达到一种纯粹的意识状态，没有任何思想、知觉、感觉，甚至没有自我、时间或空间的感觉。

这种特殊的意识状态为意识的神经关联提供了更多线索。

德国弗莱堡大学的研究人员使用脑电图研究一位前佛教僧侣的大脑，他将此描述为“清晰、有意识的开放”。

他们发现无内容意识与 alpha 波的急剧下降和 theta 波的增加有关。

感觉皮层和背侧注意力网络的活动也存在脱钩，但注意力网络本身的活动很强。 同时，默认模式网络的活动有所下降。

Graziano 教授说冥想中的无内容意识可能符合他的理论中描述的注意力预测模型。

本文由院校官方新闻直译，仅供参考，不代表指南者留学态度观点。