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大腦幽靈的漣漪:我們?nèi)绾位貞浲簦?/h1>
2023-01-12 07:14
來源:澎湃新聞·澎湃號·湃客
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原創(chuàng) Marco Altamirano 神經(jīng)現(xiàn)實(shí)

記憶科學(xué)中最大的難題之一,也正是關(guān)于記憶最顯而易見的事實(shí):沒錯(cuò),我們可以回憶起它們。問題是,沒有人知道我們究竟如何輕而易舉地回憶起上周末的派對,想起那些跳著桑巴舞的人們、杯子里冰塊的叮當(dāng)聲、屋子里縈繞著的開胃菜的香氣、以及隔著人群與心上人對視時(shí)小鹿亂撞的感覺。我們知道,所有這些情感與感官元素都被記錄在大腦的不同區(qū)域內(nèi)——但我們?yōu)槭裁茨軐⑺鼈兺瑫r(shí)從記憶中召喚出來,將這個(gè)心理事件當(dāng)作一個(gè)整體的經(jīng)歷來回憶呢?

一群來自加州大學(xué)圣地亞哥分校的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種機(jī)制,它不僅有望解釋回憶是如何運(yùn)作的,更廣泛地講,它還能解釋意識體驗(yàn)是如何產(chǎn)生的。

在一篇近期發(fā)表于PNAS的文章中,該論文的第一作者、神經(jīng)生理學(xué)家查爾斯·迪基(Charles Dickey)發(fā)現(xiàn)了一種漣漪狀的神經(jīng)活動——即短暫、高頻的振蕩[1]。當(dāng)人們在清醒狀態(tài)下回憶時(shí),這種神經(jīng)活動會在整個(gè)大腦中同步進(jìn)行。這些漣漪發(fā)散至整個(gè)大腦皮層(大腦褶皺的表面)中負(fù)責(zé)心理事件中的感官元素的腦區(qū),并延伸至海馬體(一個(gè)對記憶至關(guān)重要的海馬形結(jié)構(gòu))。許多研究曾經(jīng)探究過大鼠海馬體中的漣漪及其與記憶的關(guān)系,但直至最近迪基才發(fā)現(xiàn)人腦皮層中的漣漪。

論文題目:

Widespread ripples synchronize human cortical activity during sleep, waking, and memory recall

DOI:

https://doi.org/10.1073/pnas.2107797119

神經(jīng)元活動網(wǎng)絡(luò)是如何促進(jìn)大腦不同區(qū)域之間的交流,從而產(chǎn)生意識體驗(yàn)的呢?[2]關(guān)于這個(gè)問題,有幾種相互競爭的理論,但前面提到的“漣漪”可能是第一個(gè)被直接觀察到的機(jī)制。這一發(fā)現(xiàn)有可能解決所謂的“意識的簡單問題”(the soft problem of consciousness),即大腦中哪些物理過程使我們產(chǎn)生心理活動。與簡單問題相對的是所謂“意識的困難問題”(the hard problem of consciousness)[3]:像大腦這樣一個(gè)“客觀存在的物質(zhì)”,如何產(chǎn)生了生活體驗(yàn)中如此豐富且完全是心理(而無法從物理層面解釋)的部分(即感質(zhì)*)?

*譯者注

感質(zhì)(qualia):心理狀態(tài)如其然的特征。例如,疼痛的感質(zhì)正是使我們將其感知為“疼痛”的特征。也可以將感質(zhì)理解為使兩段相似經(jīng)驗(yàn)相似、使兩段不同經(jīng)驗(yàn)不同的感覺材料(qualitative characters)。一種論證感質(zhì)確實(shí)存在的常用例子是,當(dāng)我們盯著一個(gè)紅色的東西,會產(chǎn)生一種紅色的知覺(perception)A;此時(shí)當(dāng)我們閉上眼,則會產(chǎn)生一種同樣是紅色的視覺后像(afterimage)B——B的產(chǎn)生與純粹物理的視覺刺激無關(guān),只是一種感覺(sensation)。而感覺本身是沒有顏色的,我們之所以在兩種情況下產(chǎn)生相同的感覺經(jīng)驗(yàn),只是因?yàn)槲覀兡芡ㄟ^心理而非物理的方法,內(nèi)省并注意到感覺B與知覺A的感覺成分(sensory component)在某一方面是相同的。因此,知覺A的感覺材料Q和感覺B的感覺材料Q*是同一感質(zhì)下的兩個(gè)個(gè)例。

漣漪:與其說我們是一個(gè)住在機(jī)器里的靈魂,不如說我們的身體里可能住著無數(shù)個(gè)幽靈:它們以一行不可思議的漣漪的形式游蕩著,并發(fā)散至整個(gè)大腦。

Bryan Coleman

“我們必須先解決意識的簡單問題,而困難問題其實(shí)并不妨礙我們的探索。”埃里克·哈爾格倫(Eric Halgren)說道。哈爾格倫是該研究的通訊作者,也是迪基在加州大學(xué)圣地亞哥分校做博士研究的實(shí)驗(yàn)室的主任。

意識的簡單問題[4]背后的難題是,盡管幾個(gè)世紀(jì)以來人們提出了許多可能性,意識在神經(jīng)系統(tǒng)中仍沒有一個(gè)清晰的位點(diǎn)。17世紀(jì)的哲學(xué)家勒內(nèi)·笛卡爾(Rene Descartes)認(rèn)為意識位于松果體(pineal gland),一個(gè)坐落在大腦中心的小腺體。但是我們現(xiàn)在知道,松果體其實(shí)負(fù)責(zé)為我們的睡眠周期生產(chǎn)和調(diào)節(jié)褪黑素。兩百年后,一位名叫約翰內(nèi)斯·穆勒(Johannes Müller)的德國生理學(xué)家提出延髓(medulla oblongata,腦干底部的莖狀結(jié)構(gòu))是負(fù)責(zé)意識的地方。(我們現(xiàn)在知道它主要負(fù)責(zé)非自主功能,例如心跳、呼吸、嘔吐和打噴嚏。)

后來,英國生理學(xué)家威廉·B·卡彭特(William B. Carpenter)提出丘腦(thalamus,位于大腦中部的靴狀結(jié)構(gòu))是意識的樞紐,隨后著名的生物學(xué)家弗朗西斯·克里克(Francis Crick)又認(rèn)為是屏狀體(claustrum),一個(gè)看起來像皮層周圍的荊棘冠冕的神經(jīng)結(jié)構(gòu)。人們后來發(fā)現(xiàn),屏狀體和丘腦可能確實(shí)在意識的某些方面發(fā)揮了重要作用[5],但關(guān)于它們是意識的協(xié)調(diào)中心的說法,在很大程度上仍然只是猜測。

在大腦中尋找意識的最大阻礙,是二十世紀(jì)的神經(jīng)外科醫(yī)生懷爾德·彭菲爾德(Wilder Penfield)在無意中發(fā)現(xiàn)的。他在治療重度癲癇患者時(shí),會破壞其大腦中導(dǎo)致癲癇發(fā)作的病變區(qū)域。在手術(shù)中,彭菲爾德發(fā)現(xiàn)他可以通過刺激大腦皮層的不同區(qū)域來(讓病人)產(chǎn)生不同的動作或感覺:用電極刺激額頭會使你聞到繃帶的氣味,而刺激腦后可能使你看到佛陀并搖動小指。這就帶來了一個(gè)“大腦地理學(xué)”的問題,有時(shí)又被稱為“綁定問題”(the binding problem):大腦中相隔較遠(yuǎn)的區(qū)域(比如說,讓你聞到繃帶氣味的區(qū)域、和讓你繃帶下的傷口感到刺痛的區(qū)域)是如何相互溝通,從而產(chǎn)生連貫的體驗(yàn)的?這正是大腦漣漪發(fā)揮作用的地方。

- Ashley Mackenzie -

腦電波之所以被如此命名,是因?yàn)樵谀X電圖(electroencephalogram,EEG),也就是大腦皮層電活動的圖像上,這些神經(jīng)活動的高頻振蕩看上去就像漣漪。

“大腦皮層中有我們所有的感覺區(qū)域,所以感官體驗(yàn)主要是一個(gè)皮層中的現(xiàn)象?!钡匣f,“也就是說,當(dāng)感覺經(jīng)驗(yàn)發(fā)生時(shí),它會影響某些感覺神經(jīng)元之間的放電,加強(qiáng)它們之間的突觸連接。”他補(bǔ)充道:“大腦漣漪或許可以調(diào)節(jié)這種突觸活動,以鞏固大腦皮層中的記憶?!?/p>

“從研究意識和記憶的角度講,大腦漣漪這種機(jī)制真正有趣的地方在于它們主要是隨著時(shí)間推移而變化。”哈爾格倫說。誠然,空間上,漣漪在整個(gè)大腦皮層內(nèi)發(fā)散、疊加,但更像是以一種音樂隨時(shí)間而流動、填滿整個(gè)房間的方式。這些漣漪形成短暫但重復(fù)的模式。它們來來去去、循環(huán)往復(fù),就如同我們的記憶和經(jīng)驗(yàn)本身。

雖然這些人腦皮層中的漣漪是最近才發(fā)現(xiàn)的,但其理論基礎(chǔ)早在20世紀(jì)70年代末就已經(jīng)建立了。有一種流行的意識理論叫做“同步化綁定”(binding-through-synchrony)。該理論假設(shè),正是神經(jīng)活動之間的同步把來自不同皮層區(qū)域的不同感官信息組織成了連貫的體驗(yàn)。這個(gè)理論已經(jīng)存在了幾十年,但支持它的證據(jù)十分有限(只有一些對貓的視覺系統(tǒng)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)[6])。大腦漣漪是第一個(gè)可以被觀察、測試的能證實(shí)“同步化綁定”理論的機(jī)制。

- mikemelrinho -

這對于意識和心智的研究意味著什么呢?大腦漣漪的機(jī)制似乎說明了我們腦內(nèi)并不存在一個(gè)“意識中樞”或者一個(gè)固定的器官來統(tǒng)一控制意識。相反,漣漪表明了意識是去中心化的,腦電波的頻率就像一個(gè)電幽靈一般伴隨并保持著我們的思想,來去匆匆。與其說意識是一個(gè)住在機(jī)器里的幽靈,不如說我們的身體里可能住著無數(shù)個(gè)幽靈:它們以一行不可思議的漣漪的形式游蕩于大腦之中,在一個(gè)個(gè)瞬間統(tǒng)一我們的所有體驗(yàn)。這些幽靈從我們各式各樣的感覺器官中獲取一個(gè)個(gè)音符,并將它們串成一首名為記憶的歌,在我們腦內(nèi)播放。

最后,也許對意識的探索之所以被阻礙了這么久,是因?yàn)槲覀円恢闭义e(cuò)了方向:我們一直在尋找一些物理或結(jié)構(gòu)性的東西,而非現(xiàn)象性的東西。我們在尋找松果體,而非電信號——在大腦皮層中搏動的神經(jīng)化學(xué)幽靈。

若要真正測試大腦漣漪是否構(gòu)成意識體驗(yàn)的基礎(chǔ),可能需要在人類身上進(jìn)行皮層刺激實(shí)驗(yàn),以測試大腦漣漪是否能使人產(chǎn)生某些類型的體驗(yàn)(或者反過來,破壞皮層內(nèi)的漣漪是否會打斷意識體驗(yàn))。如果進(jìn)一步的研究表明,漣漪確實(shí)能協(xié)調(diào)大腦各個(gè)不同區(qū)域間的交流(比如,當(dāng)你八月在海邊時(shí),大腦的不同區(qū)域參與了這場經(jīng)歷:炎炎烈日下,四處是滾燙的沙子、冰涼的海水,海浪嗖嗖作響,你正曬著日光浴……),那么迪基的研究也許讓我們離解決意識的簡單問題又更近了一步。

參考文獻(xiàn)

1.Dickey, C.W., et al. Widespread ripples synchronize human cortical activity during sleep, waking, and memory recall. Proceedings of the National Academy of Sciences 119 (2022).https://doi.org/10.1073/pnas.2107797119.

2.Maillé, S. & Lynn, M. Reconciling current theories of consciousness. The Journal of Neuroscience 40, 1994–1996 (2020).https://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.2740-19.2020.

3.https://nautil.us/whats-so-hard-about-understanding-consciousness-238421/

4.https://nautil.us/are-the-brains-electromagnetic-fields-the-seat-of-consciousness-238013/

5.https://nautil.us/where-is-my-mind-237648/

6.Fries, P., Schr?der, J., Roelfsema, P.R., Singer, W., & Engel, A.K. Oscillatory neuronal synchronization in primary visual cortex as a correlate of stimulus selection. The Journal of Neuroscience *22*, 3739–3754 (tel:3739%E2%80%933754)(2002).https://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.22-09-03739.2002.

作者:Marco Altamirano l 譯者:Mollie l 校對:P

編輯:M.W. l 排版:海星 l 封面:Ashley Mackenzie

原文:

https://nautil.us/how-we-remember-last-weekend-240328/?_sp=5207446d-5644-456f-924a-f8ea5f8de848.1664683653182

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