导语


相比无意识的时间,当你有意识时,你会有怎样的直观感受?是觉得更加不可预测,还是能够用相距更长的事件进行描述?如果将有意识时的大脑活动记录下来,并找出与无意识时大脑活动的区别,就能够佐证某些对意识的解释。


11月3日,自然子刊《Communications Biology》上发表的论文「The complexity of the stream of consciousness」,通过动力学和复杂度,对比健康人和意识障碍(Disorders of consciousness,即常说的植物人)患者脑活动的时序和空间核磁,发现了意识相关动力学的独特特征,并为已有的数种意识理论提供了佐证。

郭瑞东 | 作者

廖戴丽 编辑



原文链接:

https://www.nature.com/articles/s42003-022-04109-x


要想了解一个事物,不妨看看其缺失时会发生什么。故此,该研究将人分为 4 类状态,分别是正常(CON)、催眠后静卧(SED)、陷入植物人状态(UWS)以及处于最小意识状态(MCS),并使用磁共振成像记录并提取其时序脑活动数据。

1)发现:有意识的大脑更复杂

首先基于 TDSM (temporal decay of similarity model)计算不同时间点之间的相似程度。对比不同分组。可以看出,正如预期的那样,无意识状态相比于有意识状态的大脑活动,在短时间内更为相似(图 1)。这可能表明,当一个主体处于无意识状态时,他们过去和未来的状态更可预测地类似于现在的状态,这可能表明在短期连通性状态重构过程中更为迟缓,也可能意味着无意识者的大脑状态在长期上更为相似。

图1 :TDSM 模型中的元矩阵相似性可预测不同程度的清醒(有意识)水平


接下来看不同时间点之间的相关性,发现无意识状态下,大脑不同状态间改变的程度更大(图 2c),变化的标准差更大(图 2d)。这意味着相比无意识,意识者大脑的变化更缓,内部更为一致,网络配置的变化更加稳定,与之对应的,是时间序列的复杂度(即熵)更高(图 2e)

图2:临近网络转换的描述和分析,对比四种状态下,大脑活动元矩阵变化的均值,方差以及信息熵。


之前关注的是近距离的大脑活动,接下来看时间差距更大的状态间大脑活动的关系,这里考察的是不同状态差异之间的可压缩性(compressibility),如果一个数据更难被压缩,说明其中的有效信息更多。对比不同状态下,大脑活动远端的可压缩性,可以发现清醒,睡眠及最小意识状态时的大脑活动再这一指标上依次降低,而无意识组的下降更加明显。这意味着无意识者的大脑活动,从较长的时间尺度(30s)来看,是更可预测的,这一发现,也与之前的发现(图 2e)能对应。

图3:对比不同状态下远距离大脑活动的可压缩性


之后比较不同状态下,各个脑区的功能动态。可以发现,不论是皮层,皮层下还是脑干,无意识状态下的大脑活动复杂性都在下降(图 4),这支持了脑干在意识活动中也发挥作用这一观点,与之前的预期(即由于脑干没有参与高级认知,故与意识无关)不符合,对此可能的解释是脑干在意识活动中提供了反馈。

图4:不同状态下脑的功能-结构动态复杂度对比



2)讨论

西雅图艾伦脑科学研究所的首席科学家兼所长克里斯托弗·科赫(Christof Koch)提出了整合信息论(IIT),该理论被认为是意识活动的多种解释中,较有希望的一种。该理论把意识看作系统借以「改变」自身的因果效力(causal power)。科赫说意识是「系统被自身过去的状态影响,并影响自身未来状态的能力。一个系统的因果作用力越强,它就越具有意识」。

通过对比缺少意识的异常状态和正常状态的区别,该研究的结论支持了 IIT 理论,即意识活动会让大脑的活动变得更为复杂,更难以预测。在短时间内的变化,也会更平滑。通过这一研究,从方法论上,指出了复杂性科学,可用来量化意识存在的程度,这种交叉研究可以促进了解意识的本质。而从实际的应用潜力来看,未来也许可以通过核磁,判断处于植物人状态的患者是否更有可能醒来,或者处于辅助判定是否处于最小意识状态。


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