麻醉下感官預測的變化告訴我們意識認知的運作方式 | MIT新聞

大腦如何預測周遭事物

我們的大腦不斷地在努力預測周圍發生的事情，以確保我們能夠注意到意外的情況。例如，最近的一項研究探討了在清醒狀態和全身麻醉下，大腦是如何運作的。研究結果提供了證據，顯示意識思考需要大腦不同區域之間的同步溝通，這種溝通是由特定頻率的腦波所調節的。

大腦波的作用

之前，麻省理工學院 (MIT) 的皮考爾學習與記憶研究所和范德比特大學的研究團隊描述了大腦波如何幫助大腦準備應對意外情況。負責認知的腦區（通常位於大腦前方）使用相對較低頻率的阿爾法波和貝塔波來抑制感官區域（通常位於大腦後方）對熟悉刺激的處理（例如，你同事的音樂）。當感官區域檢測到意外情況（例如，辦公室的火警警報）時，它們會使用更快的伽瑪波來告訴前面的高級區域，然後高級區域會以伽瑪頻率進行處理，決定該怎麼做（例如，逃離大樓）。

麻醉對大腦的影響

這項新研究於10月7日發表在《美國國家科學院院刊》上，顯示當動物在丙泊酚（propofol）引起的全身麻醉下時，感官區域仍然能夠檢測到簡單的意外情況，但與大腦前方的高級認知區域的溝通卻消失了，這使得該區域無法進行“自上而下”的調節，對簡單和複雜的意外情況都無法反應。

意識的本質

共同作者之一的厄爾·K·米勒（Earl K. Miller）表示：“我們的研究揭示了意識的本質。丙泊酚全身麻醉會關閉認知背後的自上而下過程，基本上使大腦前後半部之間的溝通中斷。”

另一位共同作者安德烈·巴斯托斯（Andre Bastos）補充說，這項研究結果突顯了前額區域在意識中的關鍵角色。

預測能力的變化

在麻醉期間，大腦的預測能力會受到顯著影響。研究發現，與感官區域相比，與認知有關的大腦前部區域的預測能力受損更嚴重。這表明前額區域有助於啟動一個“點火”事件，使感官信息變得有意識。僅僅感官皮層的激活並不會導致意識感知。這些觀察幫助我們縮小了意識機制的可能模型。

研究方法

為了進行這項研究，神經科學家測量了兩隻動物大腦皮層中數百個單獨神經元的電信號和它們的協調活動（在阿爾法/貝塔和伽瑪頻率下）。動物在清醒和麻醉狀態下聽取音調序列，研究人員設計了不同的音調模式，有時是相同的音符，有時則會出現簡單的意外情況，稱為“局部異常”（local oddball），有時則是更複雜的“全局異常”（global oddball）。

結果分析

研究發現，在清醒狀態下，局部異常會使感官區域的活動增加，但在麻醉狀態下，這種反應卻消失了。當動物在清醒時遇到全局異常時，研究人員能夠使用軟體“解碼”前額區域的神經元活動，但在麻醉狀態下，這種解碼無法可靠地檢測到局部或全局異常的表現。

結論

總的來說，這項研究的證據顯示，意識思考需要大腦前後區域之間的協調。研究人員指出，前額皮層的激活對於意識感知非常重要。

這項研究得到了國立衛生研究院 (National Institutes of Health)、JPB基金會 (The JPB Foundation) 和皮考爾學習與記憶研究所的資助。