我們的意識(shí)存在于何處？這是 Science 雜志列為125個(gè)未解決的前沿科學(xué)問題之一。大腦是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，其全局意識(shí)水平的波動(dòng)在時(shí)間尺度上引領(lǐng)著我們不同的主觀體驗(yàn)。例如從清醒到睡眠的交替、麻醉藥物作用下的意識(shí)消失、精神疾病或致幻劑引發(fā)的異常精神狀態(tài)等，分別對(duì)應(yīng)著不同的意識(shí)狀態(tài)。是否存在簡(jiǎn)要的規(guī)律對(duì)應(yīng)跨意識(shí)狀態(tài)下的復(fù)雜腦活動(dòng)改變？正如哲學(xué)家 David Chalmers 所說，我們能否發(fā)現(xiàn)簡(jiǎn)要到可以寫在T恤上的自然規(guī)則去理解意識(shí)。
該研究通過發(fā)展多模態(tài)跨尺度融合的計(jì)算建?？蚣埽治霾煌庾R(shí)狀態(tài)（包含麻醉、睡眠、靜息、困倦、精神疾病、迷幻等）下的功能影像數(shù)據(jù)，揭示了全局的意識(shí)狀態(tài)可能并不限于單獨(dú)的孤立腦區(qū)，而是取決于拓?fù)淇臻g中的層級(jí)動(dòng)態(tài)模式，提出壓縮的腦時(shí)空嵌套特征作為意識(shí)狀態(tài)的簡(jiǎn)要神經(jīng)表征；并結(jié)合獼猴大范圍的顱內(nèi)腦電數(shù)據(jù)、全腦轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)等進(jìn)行了模型驗(yàn)證及分子機(jī)制探索。
研究團(tuán)隊(duì)首先發(fā)現(xiàn)全局意識(shí)狀態(tài)的改變伴隨著腦自發(fā)活動(dòng)可變性的變化，這種變化空間上形成了從初級(jí)皮層，到額頂、默認(rèn)等功能網(wǎng)絡(luò)的連續(xù)拓?fù)涮卣鳎虼思僭O(shè)：腦的時(shí)空（時(shí)域的腦自發(fā)活動(dòng)可變性與空域的腦層級(jí)化拓?fù)浣M織模式）嵌套表征可能反映當(dāng)前大腦系統(tǒng)的意識(shí)狀態(tài)水平，更高的意識(shí)狀態(tài)需要更多地向高層級(jí)腦區(qū)靈活性配置。
利用這一思想，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)展了時(shí)空嵌套表征的個(gè)體化動(dòng)態(tài)定量指標(biāo)-層級(jí)分?jǐn)?shù)，并發(fā)現(xiàn)這一指標(biāo)：可在個(gè)體水平區(qū)分清醒、麻醉與恢復(fù)等不同的意識(shí)狀態(tài)；可在個(gè)體水平動(dòng)態(tài)捕捉到不同的睡眠分期，與人類專家標(biāo)注的睡眠深度高度吻合；可捕捉到傳統(tǒng)靜息態(tài)掃描中被試?yán)Ь氲臓顟B(tài)，與睡眠質(zhì)量、反應(yīng)速度以及任務(wù)準(zhǔn)確率等相關(guān)；可有效鑒別同一個(gè)體何時(shí)位于較高的"能量狀態(tài)"，且與個(gè)體自主報(bào)告的注意力、困倦水平相關(guān)。 研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)相比于安慰劑，致幻劑可以引起志愿者層級(jí)分?jǐn)?shù)的升高；在跨診斷精神疾病患者中層級(jí)分?jǐn)?shù)與陽性癥狀正相關(guān)，尤其是非常規(guī)思維、幻覺、定向力喪失等有關(guān)，提示該時(shí)空嵌套表征的偏離可能幫助理解異常意識(shí)狀態(tài)的神經(jīng)機(jī)制。
研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步揭示了時(shí)空嵌套神經(jīng)表征的連續(xù)腦狀態(tài)維度，伴隨著全腦網(wǎng)絡(luò)水平更復(fù)雜的整合與連接模式變化，潛在支持了高意識(shí)狀態(tài)所需的網(wǎng)絡(luò)配置。進(jìn)而結(jié)合時(shí)空動(dòng)態(tài)循環(huán)模式、轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)和高場(chǎng)磁共振的聯(lián)合分析，提示這種時(shí)空嵌套神經(jīng)表征可能受到與覺醒有關(guān)的大范圍循環(huán)時(shí)空活動(dòng)所調(diào)節(jié)，并且與下丘腦的中樞組胺能神經(jīng)系統(tǒng)關(guān)聯(lián)。以上發(fā)現(xiàn)從多維度視角支持了經(jīng)典意識(shí)理論模型的不同方面，進(jìn)而構(gòu)建了新的意識(shí)狀態(tài)的可解釋模型。研究人員同時(shí)也分析了在睡眠、麻醉等不同意識(shí)狀態(tài)下稠密采樣的2只獼猴的顱內(nèi)腦電數(shù)據(jù)，復(fù)現(xiàn)了相關(guān)的核心實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
神經(jīng)活動(dòng)可變性與層級(jí)化拓?fù)涞哪X時(shí)空嵌套模式作為意識(shí)狀態(tài)的神經(jīng)表征
該研究可以引出一些新的問題。例如，人類清醒狀態(tài)下腦區(qū)的復(fù)雜動(dòng)態(tài)性是如何支持人類行為？如何優(yōu)化個(gè)體化預(yù)測(cè)模型以減輕不同意識(shí)狀態(tài)的潛在影響？研究團(tuán)隊(duì)正在開展一些新的工作來回答這些問題。
中科院生物物理研究所李昂研究員為論文第一和共同通訊作者。北京師范大學(xué)劉冰教授、中科院生物物理研究所王曉群教授和首都醫(yī)科大學(xué)天壇醫(yī)院麻醉科韓如泉教授為論文共同通訊作者。首都醫(yī)科大學(xué)天壇醫(yī)院麻醉科劉海洋博士、西南大學(xué)心理學(xué)部的雷旭教授為論文共同第一作者。該研究受到科技部、中國科學(xué)院、國家自然科學(xué)基金委員會(huì)等的資助支持。
