说明：研究人员测试了麻醉状态下大脑判断感官刺激是否新颖的能力。尽管大脑后部的感觉区域仍能处理声音，但它们无法将新颖性的信息传递给大脑前部 —— 负责行为决策的区域。

我们的脑子时刻在预测周围的变化，以确保能够应对意外事件。一项新研究深入探讨了大脑在清醒状态下是如何运作的，同时也研究了在全身麻醉下这些机制如何失效。研究结果进一步支持了这样一种观点：有意识的思考需要大脑的感觉区域与高级认知区域之间，通过特定频段的大脑节律进行同步通信。

麻省理工学院皮考尔学习与记忆研究所和范德堡大学的研究团队此前曾揭示，大脑节律是如何帮助我们时刻准备应对突发事件的。位于大脑前部的认知区域通常通过较低频率的 alpha 和 beta 节律，抑制后部感觉区域对已熟悉的日常刺激（例如同事的背景音乐）的处理。而当感觉区域检测到突发事件（例如办公室的火警）时，它们会使用更快的 gamma 节律向高级区域发出信号，高级区域会利用 gamma 频率处理信息并作出决定（例如迅速撤离）。

10 月 7 日发表在《美国国家科学院院刊》上的最新研究显示，丙泊酚全身麻醉下的动物虽然保留了一定的检测简单意外的能力，但大脑后部的感觉区域与前部高级认知区域之间的通信中断。这种通信中断使得高级区域无法对感觉区域进行“自上而下”的调控，导致对简单和复杂的意外都失去了反应能力。

沟通中断的地方

“这项研究揭示了意识的本质，”研究的共同资深作者 Earl K. Miller 说道，他是麻省理工学院皮考尔学习与记忆研究所和大脑与认知科学系的皮考尔教授。“丙泊酚麻醉削弱了支持认知的自上而下的过程，基本上切断了大脑前部和后部之间的交流。”

另一位共同资深作者、范德堡大学心理学助理教授、曾是麻省理工米勒实验室成员的 Andre Bastos 补充道，这一发现强调了前额叶区域在意识中的关键作用。

“随着科学界对意识机制及其与大脑预测能力的关系日益关注，这些结果显得尤为重要，”Bastos 表示。

麻醉显著改变了大脑的预测能力。值得注意的是，大脑前部的认知区域在预测能力上的下降，比感觉区域更加明显。这表明前额叶区域在启动“点火”事件中起到了重要作用，从而使得感觉信息进入意识。单靠感觉皮层的激活并不足以产生有意识的感知。这些发现帮助我们缩小了意识机制的潜在模型。

领导这项研究的研究生 Yihan Sophy Xiong 指出，麻醉剂缩短了大脑皮层不同区域之间的交流时机。

“在清醒状态下，脑电波为神经元提供了短暂的最佳激发窗口，这就是所谓的大脑‘刷新率’，”Xiong 解释道。“这种刷新率有助于组织大脑各个区域的有效沟通。而麻醉不仅减慢了刷新率，缩短了大脑区域之间交流的时间窗口，还降低了刷新效率，导致神经元的激发时间变得更加混乱。当刷新率无法正常工作时，我们的预测能力就会大幅减弱。”

从“怪异现象”中学习

在这项研究中，神经科学家测量了两只动物大脑皮层中数百个神经元的电信号（即神经脉冲），以及它们的协同活动节律（alpha/beta 和 gamma 频率），同时动物在听一系列音调。有时这些音调都是相同的（例如 AAAAA），有时会出现简单的意外，研究人员称之为“局部异常”（例如 AAAAB）。但有时意外会更复杂，称为“全局异常”，例如，在看到一系列 AAAAB 之后突然出现 AAAAA，这违反了全局模式，而不是局部模式。

Miller 指出，先前的研究表明，感觉区域（在本研究中为颞顶区，简称 Tpt）可以自行检测局部异常。而检测更复杂的全局异常则需要高级区域（本例中为额叶眼区，简称 FEF）的参与。

动物在清醒状态和接受丙泊酚麻醉时都听了这些音调序列。在清醒状态下，研究人员观察到 FEF 通过自上而下的 alpha/beta 节律向 Tpt 传递预测信号，当出现异常时，Tpt 的 gamma 节律增加，FEF 也对 gamma 活动的上升做出反应。

然而，通过多项测量和分析，研究人员发现，当动物失去意识后，这些动态就会崩溃。

例如，尽管在麻醉下局部异常仍然显著增加了 Tpt 的神经脉冲，但 FEF 的活动却不再像清醒时那样同步上升。

同时，在清醒状态下，当全局异常出现时，研究人员可以使用软件解码 FEF 和前额皮层（另一个认知区域）中的神经元活动，识别异常的表征。他们同样可以解码 Tpt 中的局部异常。然而在麻醉状态下，解码器无法再可靠地识别 FEF 或前额皮层中的局部或全局异常。

此外，研究人员还发现，清醒与麻醉状态下的脑区节律存在明显差异。清醒时，异常刺激会增加 Tpt 和 FEF 中的 gamma 活动，并减少 alpha/beta 节律。而在麻醉状态下，局部异常在 Tpt 中引发的 gamma 活动甚至比清醒时更强烈。

研究人员写道：“丙泊酚麻醉下，alpha/beta 节律的抑制功能减弱或消失，导致感觉皮层对异常刺激的抑制能力下降。”

对区域间连接和同步性的进一步分析表明，这些区域在麻醉期间失去了有效交流的能力。

总体而言，这项研究的证据表明，有意识的思考需要从大脑前部到后部的广泛协调。

研究人员总结道：“除了感觉皮层的激活外，前额皮层的激活对于意识感知也至关重要。”

这项研究得到了美国国立卫生研究院、JPB 基金会和皮考尔学习与记忆研究所的资助。

除了Xiong、Miller和Bastos，本文的其他作者还包括 Jacob Donoghue、Mikael Lundqvist、Meredith Mahnke、Alex Major 和 Emery N. Brown。

原文链接：

https://news.mit.edu/2024/how-sensory-prediction-changes-under-anesthesia-tells-us-how-conscious-cognition-works-1010