NEUROSCIENCE 神經(jīng)科學(xué)

我們可以在嗡嗡作響的背景中聽出一段對話，在散亂無章的雜物中發(fā)現(xiàn)一串鑰匙，在快速駛過的風(fēng)景中注意到飛奔到車前的浣熊。即使感覺信息如洪水般涌入，我們也能夠?qū)Ｗ⒂谥匾氖虑椴⒉扇⌒袆印?br>

注意力就像大腦的探照燈，照在和當(dāng)下相關(guān)的感覺信息上，并過濾掉其余刺激。神經(jīng)科學(xué)家想確定這個探照燈背后的“電路”，弄懂它如何瞄準(zhǔn)和照明。數(shù)十年來，他們的研究一直圍繞著大腦皮層——那一薄層包裹著人腦其它部分的神經(jīng)組織，人們通常把它和智力及高階認(rèn)知聯(lián)系在一起——這些研究已經(jīng)揭示了：皮層的神經(jīng)活動可以通過增強特定的感覺處理來強調(diào)特定信息。

但是現(xiàn)在，一些研究者正在嘗試另一條思路，研究大腦如何抑制信息，而不是增強信息。也許更重要的是，他們發(fā)現(xiàn)此過程涉及到埋在皮層下方，大腦深處的更古老的區(qū)域。在研究注意力時，以往人們通常不會考慮這些區(qū)域。

通過這些研究，科學(xué)家們還無意中觸碰到了古老的心身問題——身體和心靈如何通過自動的感官體驗、身體運動和更高層次的意識而被深刻且密不可分地交織在一起。盡管在這個問題上，他們只是邁出了嬰兒般的一小步。

長期以來，由于注意力總是與意識等復(fù)雜功能緊密聯(lián)系在一起，科學(xué)家們斷定它是一個皮層現(xiàn)象。以發(fā)現(xiàn)DNA結(jié)構(gòu)研究聞名的弗朗西斯·克里克（Francis Crick）卻不這么想，他在1984年猜想，注意力探照燈是由大腦深處稱為丘腦的區(qū)域控制的，該腦區(qū)的一部分接受了感覺器官的輸入并向皮層傳遞。他發(fā)展了一種理論，其中感覺丘腦不僅充當(dāng)中繼站（橋梁），而且充當(dāng)看門人（篩子），從而將某些數(shù)據(jù)流固定下來以建立一定程度的聚焦。

但是幾十年過去了，科學(xué)家們沒有找到一種實際的機制，主要是因為動物實驗不容易設(shè)計。

這并沒有阻止麻省理工學(xué)院麥戈文腦科學(xué)研究所的神經(jīng)科學(xué)家邁克爾·哈拉薩（Michael Halassa）。他想知道大腦在到達皮層之前如何過濾感覺輸入，在丘腦中是否能定位出克里克預(yù)測的看門電路。

Michael Halassa

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圖片來源：Caitlin Cunningham Photography

他被一層稱為丘腦網(wǎng)狀核（TRN）的抑制性神經(jīng)元吸引，這層神經(jīng)元如殼般包裹著丘腦的其余部分。哈拉薩擔(dān)任博士后研究員時，已經(jīng)在該腦區(qū)發(fā)現(xiàn)了一個粗略的門控：TRN似乎可以在動物清醒時讓感覺輸入進入皮層，讓動物注意周圍環(huán)境中的事物，在動物睡覺時抑制感覺輸入。

2015年，哈拉薩和他的同事發(fā)現(xiàn)了另一種更精細(xì)的門控，這進一步證明了克里克所尋找的電路確有其事，且提示了TRN在其中有一席之地。在這項研究中，動物要選擇將注意力集中在不同感覺上。研究人員使用了經(jīng)過訓(xùn)練的小鼠，使其聽從指揮，依據(jù)燈光的閃爍和聲音的音調(diào)來奔跑。然后，他們控制燈光和音調(diào)，分別傳達相互矛盾的命令，并提前告訴小鼠要忽略燈光還是音調(diào)。小鼠的反應(yīng)反映了他們的注意力水平。在小鼠做任務(wù)的過程中，研究人員使用已有的技術(shù)手段來關(guān)閉大腦不同區(qū)域的活動，以查看哪個腦區(qū)會干擾動物的行為。

正如預(yù)期的那樣，向大腦其他部位發(fā)送高階命令的前額葉皮層不可或缺。但是研究小組還觀察到，如果一項試驗要求小鼠注意燈光，在視覺TRN中激發(fā)神經(jīng)元會干擾小鼠的表現(xiàn)。而如果你讓視覺TRN沉默，那小鼠就不能很好地完成聽覺任務(wù)。實際上，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)動的旋鈕控制的是抑制，而不是興奮過程。如果前額葉皮層認(rèn)為一個感覺是干擾，那TRN就會去抑制它。如果小鼠需要優(yōu)先聽從聽覺信息，前額葉皮層會告訴視覺TRN：增強你的活動來抑制丘腦的視覺活動，我們不需要無關(guān)的視覺數(shù)據(jù)。

注意力探照燈的隱喻顛倒過來了：大腦并沒有照亮目標(biāo)刺激的光；它降低了其他所有東西的燈光。

盡管研究取得了成功，他們也證實了克里克的預(yù)感：前額葉皮層控制著丘腦中傳入的感覺信息的過濾器；但是研究人員還是意識到了一個問題：前額葉皮層與TRN的感覺部分沒有任何直接連接。電路還沒補全。

但那只是過去，如今哈拉薩和他的同事們終于找到了最后一根導(dǎo)線，連通了電路，為研究注意力指明了方向。

他們用了與2015年的研究類似的動物任務(wù)，并重點研究了各個腦區(qū)彼此之間的功能影響和神經(jīng)元連接。他們發(fā)現(xiàn)，整個環(huán)路實際上是從前額葉皮層出發(fā)，到基底神經(jīng)節(jié)繞了一圈（基底神經(jīng)節(jié)是大腦深層的一群核團，通常與運動控制和許多其他功能相關(guān)），然后再到TRN和丘腦，最后又回到高級皮層。因此，例如，當(dāng)無關(guān)的視覺信息從眼睛傳遞到視覺丘腦時，幾乎可以被立即攔截：基底神經(jīng)節(jié)可以按照前額葉皮層的指示，介入并激活視覺TRN，以濾除多余的刺激。

美國國立衛(wèi)生研究院（NIH）國立眼科研究所的神經(jīng)科學(xué)家理查德·克勞茲利斯（Richard Krauzlis）說：”這是一條有趣的反饋途徑，我認(rèn)為以前從未有人匯報過?！彼磪⑴c這項研究。

此外，研究人員發(fā)現(xiàn)，該機制不僅可以過濾掉來自一種感官的信息，來提高對另一種感覺的覺知；它還可以在一種感覺內(nèi)過濾信息。當(dāng)提示小鼠注意某些聲音時，TRN有助于抑制聽覺信號內(nèi)無關(guān)的背景噪聲。羅切斯特大學(xué)的神經(jīng)科學(xué)家杜杰·塔?。―uje Tadin）表示，這樣對感覺處理的影響“比僅僅抑制負(fù)責(zé)某感官的一整個丘腦區(qū)域要精確多了”。

他補充說：“我們常常不去考慮我們?nèi)绾魏雎詿o關(guān)事物。” 他補充說，“但我認(rèn)為，通常忽略無關(guān)事物，是處理信息的一種更有效的方式?！痹卩须s的房間中，要讓別人聽到自己的聲音，你既可以提高自己的聲音，也可以嘗試消除噪音源。（塔丁研究的就是另一種背景抑制，不過是比選擇性注意更快，更自動地發(fā)生的那種。）

哈拉薩的發(fā)現(xiàn)表明，大腦比預(yù)期更早地拋棄了無關(guān)的感知。普林斯頓大學(xué)的認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)家伊恩·菲貝爾科恩（Ian Fiebelkorn）說：“有趣的是，在視覺處理的第一步，甚至在信息到達視覺皮層之前，過濾就開始了。”

Michael Halassa用在實驗中的多電極陣列設(shè)備

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圖片來源：Leon Chew

但是，以這種方式將感官信息拋出大腦，該策略存在明顯的弱點，即，被拋棄的感知可能出乎意料地重要，而拋棄它們會帶來危險。菲貝爾科恩的工作表明，大腦有一種對沖這些風(fēng)險的方法。菲貝爾科恩說，當(dāng)人們想到注意力的探照燈時，他們將其視為穩(wěn)定的光束，照亮認(rèn)知資源導(dǎo)向之處。但是他說：“我的研究表明那是不正確的。” “相反，似乎聚光燈在閃爍?！?/p>

根據(jù)他的發(fā)現(xiàn)，注意力聚光燈的焦點似乎每秒變?nèi)跫s四次，大概是為了防止動物過分關(guān)注環(huán)境中的單個位置或刺激。注意力的短暫抑制，使大腦在必要時有機會將注意力轉(zhuǎn)移到其他事物上。他說：“大腦似乎周期性地分散注意力?！?/strong>菲貝爾科恩和他的同事們像哈拉薩的團隊一樣，也希望通過皮層下腦區(qū)來解釋這種連接。目前，他們一直在研究丘腦另一部分的作用，但他們計劃將來也研究基底神經(jīng)節(jié)。

這些研究標(biāo)志著一個關(guān)鍵的轉(zhuǎn)變：注意力曾經(jīng)被認(rèn)為僅是由皮層控制的。但是根據(jù)克勞茲利斯的說法，在過去的五年中，“我們逐漸明白皮層下腦區(qū)也有不少活動?！?/strong>芝加哥大學(xué)的神經(jīng)生物學(xué)家約翰·蒙塞爾（John Maunsell）說：“大多數(shù)人都希望大腦皮層為我們承擔(dān)所有繁重的工作，但我認(rèn)為這是不現(xiàn)實的?！?/p>

事實上，基底神經(jīng)節(jié)具有控制注意力的功能，這個發(fā)現(xiàn)尤為讓人著迷。部分原因是因為它是大腦的一個如此古老的區(qū)域，人們通常不會將其視為選擇性注意的一部分?！棒~有這個，”克勞茲利斯說，“回溯到最早的脊椎動物，例如七鰓鰻，它們沒有下頜，”——也沒有新皮層，非得說的話——“它們基本上具有基底神經(jīng)節(jié)的簡單形式和其中一些差不多的環(huán)路?！?strong>也許魚的神經(jīng)環(huán)路可以提供有關(guān)注意力如何演化的提示。

哈拉薩還對注意力缺陷多動障礙（ADHD）和自閉癥等疾病感興趣，這些疾病通常表現(xiàn)為對某些類型的輸入過敏。注意力和基底神經(jīng)節(jié)之間的聯(lián)系也許能給我們帶來一些啟發(fā)。

但是，關(guān)于基底神經(jīng)節(jié)的參與，最深刻有趣的一點是，該結(jié)構(gòu)通常與運動控制有關(guān)。盡管研究也越來越多地將其牽涉到基于獎勵的學(xué)習(xí)、決策以及其他基于動機的行為類型中，但這些都是關(guān)于行動（action）的。

隨著哈拉薩實驗室的工作完成，基底神經(jīng)節(jié)的作用現(xiàn)已擴展到包括感覺控制（sensory control）。這凸顯了一個事實，即“注意力實際上就是按照正確的順序，一步一步去感知，并確保你不會被不應(yīng)分心的事情所分心，” 蒙塞爾說，“某種意義上說，運動控制參與其中……也是說得過去的。在‘下一步要做什么’和‘下一步要把感官資源集中在什么上’的問題上，它們是控制的核心。”

這與對注意力——甚至整個認(rèn)知——的一個新興觀點不謀而合，該觀點基于所謂的主動推斷（active inference）。大腦不會僅僅被動地從環(huán)境中采樣信息，然后對觀察到的外部刺激做出反應(yīng)。它們也會調(diào)轉(zhuǎn)這個過程：做出合適的動作來從環(huán)境中采樣。像眨眼一樣小的身體運動，也可以引導(dǎo)感知。菲貝爾科恩說，感覺和運動系統(tǒng)“不是獨立運行的，而是一起進化的”。因此，運動腦區(qū)不僅有助于塑造輸出（動物的行為）；它們還有助于調(diào)整輸入（動物的感覺）。哈拉薩的發(fā)現(xiàn)為運動系統(tǒng)這種更主動（proactive）的作用提供了進一步的支持。

 “行動需要感知的服務(wù)，因為我們必須表征世界才能采取行動，” 阿姆斯特丹自由大學(xué)的認(rèn)知科學(xué)家赫林·史萊格（Heleen Slagter）說?！拔覀兓旧贤ㄟ^行動來學(xué)習(xí)如何感知周圍的世界?！迸c皮層的高度互聯(lián)表明，即使不談注意力控制，“這些皮層下結(jié)構(gòu)在高階認(rèn)知中發(fā)揮的作用，也比大家認(rèn)為的重要得多。”

反過來，這也可以為神經(jīng)科學(xué)中最難以捉摸的主題——意識研究——提供思路。正如哈拉薩的研究和其他研究所證明的那樣，“當(dāng)我們關(guān)注注意力的神經(jīng)相關(guān)物時，實際上也在找感知（perception）的神經(jīng)相關(guān)物，”蒙塞爾說?！熬驮噲D了解大腦的工作原理而言，這是更廣闊的圖景的一部分?！?/p>

史萊格現(xiàn)在正在研究基底神經(jīng)節(jié)可能在意識中扮演的角色。“我們不僅使用我們的身體體驗了世界，還因為我們的身體而體驗世界。大腦表征世界，以便在其中有意義地行動。”她說。“因此，我認(rèn)為意識體驗必定與行動緊密相連，”就像注意力一樣 ，“意識也應(yīng)該以‘做什么’為導(dǎo)向?！?/p>