麻省理工新研发的“大脑探测器”，有望揭开意识之谜

尽管经颅聚焦超声技术已存在数年，但它尚未成为神经科学研究的标准工具。如今，麻省理工学院的两位研究人员正准备利用该技术开展新实验，并发表了一篇论文，作为将其应用于意识研究的详细指南，或称“路线图”。
麻省理工学院研究员、论文合著者丹尼尔·弗里曼表示：“经颅聚焦超声能让你以以前无法实现的方式刺激健康受试者大脑的不同部位。这不仅是医学或基础科学的有用工具，还有助于解决意识的难题。它可以探究大脑中哪些神经回路产生疼痛感、视觉感，甚至像人类思维这样复杂的东西。”
与其他大脑刺激方法不同，经颅聚焦超声无需手术。与经颅磁刺激或电刺激等技术相比，它能更精准地到达大脑更深区域。
研究意识的麻省理工学院哲学家、论文合著者马蒂亚斯·米歇尔说：“能安全且有效操纵大脑活动的可靠方法非常少。”
这项题为《经颅聚焦超声用于识别有意识感知的神经基质》的研究发表在《神经科学与生物行为评论》上。除弗里曼和米歇尔外，作者还包括佛罗里达大学心理学助理教授布莱恩·奥德加德，以及布莱根妇女医院和哈佛医学院放射学副教授柳承植。
为何研究大脑如此具有挑战性？
理解人类大脑尤其困难，因为研究人员通常无法对健康人进行侵入性实验。在神经外科之外，科学家探索深部脑结构的选择有限。磁共振成像（MRI）和各种超声等成像工具可显示解剖结构，而脑电图（EEG）则记录全脑的电信号。然而，这些方法主要是观察活动，而非直接影响活动。
经颅聚焦超声的工作原理不同。它通过颅骨发送声波，并将其集中在精确的目标上，有时目标仅几毫米宽。这使研究人员能够刺激特定脑区并观察效果，使其成为精心控制实验的有前景工具。
弗里曼说：“这确实是历史上首次能够调节大脑深处（距头皮数厘米）的活动，并以高空间分辨率检查皮层下结构。大脑深处有许多有趣的情绪回路，但直到现在，在手术室之外都无法对其进行操纵。”
测试意识中的因果关系
这项技术最重要的优势之一是有助于识别大脑中的因果关系。许多当前的意识研究依赖于观察人们处理视觉刺激或执行与意识相关任务时的大脑活动。虽然这些研究揭示了相关性，但并不总能表明大脑信号是产生有意识体验，还是仅仅是随之而来的结果。
通过主动改变大脑活动，经颅聚焦超声可能帮助研究人员确定哪些神经过程对意识至关重要，哪些是次要影响。
米歇尔说：“经颅聚焦超声为我们解决了这个问题。”
关于意识如何运作的不同观点
在论文中，研究人员概述了该技术如何用于测试两种广泛的意识理论。一种被称为认知主义方法，认为有意识体验依赖于更高层次的心理过程，如推理、反思以及全脑信息整合。这种观点通常强调额叶皮层的作用。
另一种观点有时被称为非认知主义方法，认为意识不需要复杂的认知机制。相反，特定的大脑活动模式可能直接产生特定的体验。从这个角度来看，意识可能产生于更局部的脑区，包括皮层后部区域或更深的皮层下结构。
研究人员提议使用聚焦超声来探索诸如前额叶皮层在感知中的作用、意识是否依赖于局部脑活动或大规模网络、不同脑区如何将信息整合成单一体验，以及皮层下结构在有意识觉知中扮演什么角色等问题。
疼痛和视觉能揭示什么
使用视觉刺激的实验有助于确定哪些脑区是有意识感知所必需的。类似方法也可应用于疼痛——有意识体验的另一个基本组成部分。例如，人们常常在有意识地感到疼痛之前就把手从热的表面移开。这引发了关于疼痛感觉实际产生位置和方式的问题。
弗里曼说：“疼痛在大脑中是如何产生的，这是一个基础科学问题。令人惊讶的是，对此存在如此多的不确定性……疼痛可能源于皮层区域，也可能源于更深的脑结构。我对疗法感兴趣，但我也好奇皮层下结构是否可能比人们认为的发挥更大作用。疼痛的生理表现可能是皮层下的。这是一个假设。但现在我们有了一个工具来检验它。”
麻省理工学院的实验和日益增长的兴趣
弗里曼和米歇尔不仅概述了未来研究的想法，还在积极规划实验——首先从刺激视觉皮层开始，然后转向额叶皮层的更高层级区域。虽然脑电图等工具可以显示神经元对视觉输入的反应时间，但这些新研究旨在建立大脑活动与人们实际体验之间更清晰的联系。
弗里曼说：“说这些神经元有电反应是一回事，说一个人看到了光则是另一回事。”
米歇尔还在麻省理工学院帮助建立一个更广泛的意识研究社区。他与麻省理工学院脑与认知科学系的皮考尔神经科学教授厄尔·米勒共同创立了麻省理工学院意识俱乐部。该团体汇集了来自多个学科的学者，并每月举办聚焦意识研究进展的活动。
麻省理工学院意识俱乐部得到了麻省理工学院人类洞察协作组织（MITHIC）的部分支持，该组织是由人文、艺术与社会科学学院支持的一项倡议。
对米歇尔来说，经颅聚焦超声代表了该领域一个有前景的方向。
他说：“这是一种新工具，所以我们真的不知道它能在多大程度上发挥作用。但我觉得风险低、回报高。为什么不选择这条路呢？”
论文中描述的研究得到了美国空军部的支持。