科學界可能距離理解意識停留在腦內何處更近一步。一項新的研究表明了特定神經連接在定位意識位置的重要性。

這項發表在《大腦皮層》（Cerebral Cortex）上的研究，由東京大學廣域系統科學系的北園淳（Jun Kitazono）主導，他是這篇文章的通訊作者和項目研究員。

論文題目：

Bidirectionally connected cores in a mouse connectome: towards extracting the brain subnetworks essential for consciousness

DOI：

https://doi.org/10.1093/cercor/bhac143

" 意識存在大腦何處，一直是科學界最重要的問題之一。" 副教授大泉匡史（Masafumi Oizumi）說。他是這項研究的通訊作者之一，也是這個實驗室的主管人。

" 盡管我們還沒得到一個決定性的答案，但在尋找提供意識體驗的基礎機制，或者說意識的神經聯接這個課題上，累積了許多實證性的證據。"

通過這個研究，整個團隊在定位腦內能夠充分支持意識體驗的最小次級網絡上邁進了一步。

為了確定意識在大腦的哪片區域，研究者們找到了一個在大腦神經網絡中一個表示意識的特殊標記：雙向通路。當我們看到某些東西或者體驗某種感覺的時候，我們的大腦接受了信息。

這種就叫做前饋信號（feed-forward signal），但是僅僅接受前饋信號是不足以滿足意識的出現。我們的大腦還需要將信息發回去，也就是所謂的反饋（feedback）。當然，并不是大腦的每一部分都既能接受前饋，又能將反饋信息發送回去。

- WFlemming Illustration -

研究者們假定這種雙向連接是負責意識的大腦部分的重要標記。

"僅僅前饋加工是不足以讓主體有意識地感受到刺激的；反而，反饋也是必要的，這表明了意識需要雙向加工。"

" 反饋部分不僅在清醒狀態下意識的具體內容缺失時消失；而且在無意識狀態下也會消失，也就是意識體驗基本缺失的情況，例如全身麻醉、睡眠以及植物人狀態。" 北園說。

他還解釋道，無論你看的是人、猴子、老鼠、小鳥還是蒼蠅，這個加工過程的雙向性仍然是至關重要的。

研究者們利用小鼠的連接組（connectome）和計算技術驗證了他們的想法。連接組是展示腦內連接的詳細地圖。

首先，他們研發了一個高效的算法來找出那些腦內有著強雙向連接的部分，也就是復合體（complexes）。接著，他們將算法應用到小鼠的連接組上。

" 我們發現，挑選出來的雙向性最強的復合體并非平均地分布在所有的主要腦區，而是集中在皮質和丘腦區域。" 北園說，" 另一方面，其他主要腦區中的區域雙向性較低。特別是小腦中的區域，它們有著低得多的雙向性。"

研究者們提出，能夠支撐起意識的大腦網絡區域應當是雙向性連接的，因為對于意識體驗來說，前饋和反饋處理都是必要的。舉個例子，前人對視知覺的研究表明，僅僅只有前饋加工時，有意識的知覺并不會出現；而當前饋加工和反饋加工一起出現的時候，才能引起有意識的知覺。

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北園淳

這些發現與科學家們長期認為的意識在大腦中所在的位置相符合。位于大腦表面的大腦皮層包含感覺區、運動區以及聯合區，這些區域被認為是意識體驗必要的腦區。而位于大腦內部中間的丘腦，也被認為與意識相關聯，特別是丘腦與皮質區域之間的交互，稱為丘腦 - 皮質回路，被認為對意識十分重要。這些實驗的結果支持了這樣的一種觀點，即大腦網絡的雙向性是識別意識位置的關鍵。

研究者們強調，他們仍在努力尋找意識所在的位置。

" 這項研究集中在‘靜態’的神經元或者腦區間的解剖連接。然而意識是‘動態’的，它存在神經活動，是無時無刻不在變化的。" 匡史說道。" 盡管解剖學上的連接能夠告訴我們神經活動如何傳播以及腦區間是如何交互，但我們還需要直接地研究神經活動的動態變化，來確定在任意給定的時刻下意識的位置。"

而下一步，他們的團隊正在分析不同種類的神經記錄下，基于活動的腦內網絡。

" 我們實驗室的最終目標是找到大腦與意識之間的數學關系。" 匡史說。" 在這個新的研究中，我們嘗試將大腦的網絡的性質與意識存在的位置聯系起來。我們將更進一步地探索意識與大腦之間的關系，這是我們的最終目標。"

摘要

小鼠腦內連接組的雙向連接核：揭示了對于意識來說必要的腦內次級網絡

意識在大腦中的位置仍是未解之謎。研究者們提出大腦網絡內部能夠支撐起意識的區域應當是雙向性連接的，因為對于意識體驗來說，前饋和反饋加工都是必要的。因此，判斷哪些次級網絡是雙向連接的以及評估這些連接的強度，很有可能可以幫助我們識別那些對于意識必要的區域。

在這個研究中，我們提供了一個將網絡按照層級分解成有多種不同雙向連接強度的核心，從而表達出復合腦內神經網絡的結構。我們將這種方法應用到整個小鼠腦內的連接組研究中。我們發現有著強烈雙向連接的核心組成了那些被認為意識出現所必要的區域（例如，同形皮層區，丘腦區和屏狀體），而且不包含那些被認為與意識出現無關的區域（例如，小腦）。

相對的，當我們將其他忽視雙向性的簡略的研究手段應用到這些區域時，無法在核心群和意識之間找到這樣的聯系。這些結果表明，我們的方法為雙向性大腦神經結構和意識之間的關系的研究提供了一個新的切入點。