最近发表在PNAS的一项研究，首次在深度冷冻的小鼠大脑组织中恢复了关键的神经功能，使这一长期属于科幻的设想在实验室中向前迈出了一小步。

长期以来，科学家已经能够在一定程度上保存神经组织。例如，一些实验表明，在冷冻和复温后，神经元在细胞结构层面可以存活，甚至能够恢复部分功能。然而，大脑真正的运作依赖一整套复杂过程——神经元放电、细胞代谢以及突触可塑性等。如果这些过程无法恢复，大脑就无法重新运转。因此，问题的核心变成：当大脑在极低温度下完全停止分子运动之后，它是否还能重新启动？

来自德国的神经学家亚历山大·格尔曼（Alexander German）及其团队试图回答这个问题。他们关注的关键挑战，是冷冻过程中产生的冰晶损伤。在传统冷冻中，水分子会形成冰晶，而这些微小晶体会刺破或挤压细胞内部的纳米级结构，破坏细胞膜和突触连接。对于高度精密的神经网络来说，这种结构破坏几乎是致命的。除了冰晶本身，冷冻还会带来渗透压变化和冷冻保护剂毒性等问题，使大脑组织在复温后难以恢复功能。

为了避免冰晶形成，研究团队采用了一种称为玻璃化（vitrification）的冷冻方法。这种技术通过极快的降温速度，使液体在来不及形成晶体之前进入一种类似玻璃的无序固态结构。在这种状态下，分子运动几乎完全停止，但组织结构可以被整体“冻结”下来。研究者希望验证，在这种完全静止的状态之后，大脑的功能是否还能重新启动。

他们首先从小鼠大脑中切取厚度约350微米的组织切片，这些切片包含了海马体——一个与记忆和空间导航密切相关的关键脑区。组织在含有冷冻保护剂的溶液中预处理后，被迅速降温至液氮温度（约–196℃），随后在–150℃左右的玻璃态中保存，从十分钟到七天不等。之后研究人员将这些组织在温热溶液中逐步复温，并检测其结构和功能是否仍然存在。

显微镜观察显示，神经元和突触膜的结构基本保持完整。对线粒体活性的检测表明，细胞代谢系统并未受到明显破坏。更关键的是，电生理记录显示，这些神经元在接受电刺激时仍能产生接近正常的反应。尽管与对照组相比存在一定偏差，但神经元仍然能够放电并传递信号。

研究团队进一步测试了神经网络层面的功能。他们发现，海马体神经通路仍然能够产生长时程增强（long-term potentiation，LTP）——这是一种被认为是学习和记忆基础的突触强化机制。换句话说，在深度冷冻之后，这些神经回路依然保留了形成记忆相关可塑性的能力。不过，由于脑切片在实验条件下本身会逐渐退化，这些功能只能维持几个小时，因此研究者只能在有限时间内观察这些现象。

在成功验证脑组织切片后，研究团队尝试将方法扩展到整个小鼠大脑。他们将完整大脑保持在–140℃左右的玻璃态中，最长可达八天。然而，在这一过程中，研究者不得不反复调整实验方案，以减少冷冻保护剂带来的毒性，以及避免大脑组织在冷却过程中发生收缩。复温后，研究人员再次从这些大脑中取出海马体切片进行电生理记录，结果表明相关神经通路仍然能够产生LTP，这意味着关键的神经网络结构在冷冻过程中得以保存。

不过，这并不意味着小鼠的大脑能够在整体层面“复活”。由于实验是在切片中进行的，研究人员无法验证冷冻前动物所形成的记忆是否仍然存在。大脑是否能够在整体层面恢复意识或行为功能，仍然完全未知。

尽管如此，这项研究仍然代表了神经冷冻保存领域的重要进展。一些研究者认为，这种逐步推进的技术进展，正是科幻概念逐渐转化为现实可能性的过程。例如，来自新罕布什尔大学的机械工程研究者姆里廷朱伊·科塔里（Mrityunjay Kothari）指出，这项研究展示了脑组织冷冻保存技术的显著进步，但距离实际应用仍然相当遥远。尤其是在大型器官甚至整个人体层面，热传导、机械应力以及组织开裂等问题都会变得更加严重。

研究团队目前正在尝试将该技术扩展到人类脑组织。根据他们的初步数据，人类皮层组织在类似条件下也表现出一定程度的存活性。同时，研究者也在探索将玻璃化冷冻应用于其他器官，例如心脏。理论上，如果大型器官能够在玻璃态中长期保存并恢复功能，这将为器官移植提供一种全新的“器官银行”。

但要实现这一目标，还需要更先进的冷冻保护剂、更均匀的冷却和复温技术，以及对大型组织热力学过程更深入的理解。在当前阶段，这项研究更像是一个概念验证：它表明，大脑这种极其复杂的生物结构，在完全停止活动之后，仍然有可能恢复部分功能。

在科幻故事中，冷冻舱意味着跨越时间的旅行。而在现实科学中，这项技术更可能首先改变医学实践，例如在严重脑损伤、缺血性疾病或器官移植等待过程中保护关键组织。尽管距离真正的“冷冻睡眠”仍然十分遥远，但这项研究至少证明了一点：即使大脑进入了看似完全静止的状态，它的功能并不一定永远消失。某些关键的神经过程，或许仍然可以在解冻之后重新启动。

参考文献：
1. German, A., Akdaş, E. Y., Flügel-Koch, C., Erterek, E., Frischknecht, R., Fejtova, A., … & Zheng, F. (2026). Functional recovery of the adult murine hippocampus after cryopreservation by vitrification. Proceedings of the National Academy of Sciences, 123(10), e2516848123

这一研究主要由澳大利亚公司Cortical Labs推动。早在2021年，团队就展示了一种名为DishBrain的实验系统：研究人员在微电极阵列上培养了约80万个人类神经元。这种阵列既能向神经元发送电信号，也能记录它们的活动。通过这种双向接口，神经元能够接收来自游戏的“感官信息”，并以电信号形式输出“行动指令”。

在当时的实验中，神经元被训练玩经典游戏《乓》（Pong）。系统会将屏幕上球的位置转化为不同的电刺激信号，例如球向上移动时刺激阵列上方区域，向下移动则刺激下方区域。神经元网络在不断接收反馈后逐渐形成活动模式，这些模式会被解释为控制球拍移动的指令。经过长时间训练，这些神经元能够在一定程度上成功击回球。

这一成果已经足够惊人，但它仍然属于一个相对简单的输入—输出系统。《乓》是二维游戏，规则非常直接：球的位置几乎可以线性映射为球拍移动方向。对于神经网络来说，这是一种较容易建立映射关系的环境。

然而，研究团队很快意识到，如果生物计算机真的有潜在价值，它必须能够处理更加复杂的情境。于是他们将目标升级为一款技术圈常用来测试设备性能的经典游戏：《毁灭战士》。

《毁灭战士》与《乓》完全不同。它是一个三维（准确说是2.5D）环境，包含复杂空间、敌人、武器、移动和攻击等多种行为。玩家需要在不断变化的视觉场景中做出实时决策。这种环境更接近现实世界中的感知与行动循环。

为了实现这一目标，Cortical Labs开发了新一代神经计算平台CL1。与早期系统相比，CL1最大的变化在于其软件接口：研究人员将系统开放为可以通过Python编程的接口，使开发者能够更容易地控制神经元网络。

这一改变极大降低了实验门槛。一个名叫Sean Cole的独立开发者——此前几乎没有生物计算经验——仅用了大约一周时间，就成功让神经元系统运行《毁灭战士》的开源版本Freedoom。

关键挑战在于：这些神经元没有眼睛，也无法真正“看到”屏幕。研究人员必须将视觉信息转换为电信号模式。例如，当游戏画面左侧出现敌人时，阵列左侧的电极会刺激对应区域的神经元，模拟一种“感官输入”。神经元对刺激作出反应，产生不同的放电模式。系统再将这些放电模式解读为行动指令，比如移动、旋转或开枪。

实验中使用的神经元数量约为20多万，远低于人脑约860亿个神经元的规模。但即便如此，这些神经元仍然能够表现出某种适应性行为。它们可以寻找敌人、射击、转向，尽管经常“死亡”，但研究人员观察到神经元的活动模式会随着反馈逐渐改变，显示出学习的迹象。

Cortical Labs的科学家Brett Kagan将这一成果描述为一个重要里程碑，因为它展示了生物神经网络能够进行实时目标导向学习。换句话说，这些神经元并不是简单地被动响应刺激，而是在不断调整自身活动模式，以更好地适应环境。

尽管如此，研究人员也强调，目前的系统与真正的大脑仍然存在巨大差距。首先，这些神经元并不具备意识，也不知道自己正在“玩游戏”。它们只是对电刺激做出反应。其次，科学家仍然不完全理解神经元网络是如何在这种环境中形成行为策略的。

英国曼彻斯特大学计算机工程师Steve Furber指出，虽然让神经元玩《毁灭战士》是一项显著进展，但我们仍然不知道神经元是如何“理解任务”的。没有视觉系统，也没有真正的身体，这些细胞究竟如何从电刺激中提取信息并形成行为模式，仍然是一个重要的科学问题。

不过，从技术发展的角度来看，这种能力本身已经具有潜在意义。英国西英格兰大学计算机科学家Andrew Adamatzky认为，《毁灭战士》实验展示了生物神经系统能够处理复杂、不确定、实时变化的环境，这正是未来生物计算机必须面对的挑战。

另一些研究者则把这类实验看作机器人控制技术的前奏。雷丁大学神经科学家Yoshikatsu Hayashi指出，让神经元在虚拟环境中控制游戏角色，其实与未来控制机器人手臂的任务类似。例如，一个生物计算机可能通过触觉信号学习如何抓取物体。

除了控制机器人，这种技术还可能带来另一项优势：能耗效率。现代人工智能模型通常依赖巨大的计算资源和能源消耗，而神经元本身是一种高度高效的信息处理系统。理论上，生物计算机可能在某些任务上比传统硅芯片更节能。

不过，这一领域的发展也引发了一些伦理讨论。随着实验规模扩大，人们可能会开始担心实验室培养神经元的地位问题。例如，如果未来培养出更复杂的神经组织，它们是否会具有某种形式的意识？是否需要新的伦理规范？

目前来看，这些担忧还停留在理论层面。研究人员强调，当前实验使用的神经元只是简单的细胞网络，没有意识或自我体验。它们更像是一种特殊材料，一种能够处理信息的生物基底。

即便如此，从《乓》到《毁灭战士》的跨越仍然具有象征意义。在科技圈有一句著名的玩笑：“任何设备最终都会有人问——它能不能运行《毁灭战士》？”几十年来，人们已经让这款游戏在各种设备上运行，从计算器到拖拉机，再到ATM机。

如今，这个名单上又多了一种设备——由活体人类神经元驱动的生物计算机。

参考来源

在一项发表于《科学报告》（Scientific Report）的新研究中，来自伦敦国王学院、拉夫堡大学与斯科尔科沃科技学院的研究人员提出了一个理论模型，显示大脑形成与保持记忆的能力，可能取决于它所感知的“感官世界”的维度数。

结果表明，存在一个“最佳感官维度数”——大约是7——在这一点上，记忆存储的效率达到峰值，而在更高维度时则开始下降。

研究者写道：“模型一个有趣的结果是，它暗示在神经系统或类神经系统演化中，存在一个‘最佳感官数’。当感官数量等于7时，概念空间的容量最大——也就是说，对外部世界的感知最为丰富，此时不同概念得以保存的数量也达到最大。”

这项研究的核心问题是：一个智能系统需要多少种感官，才能记住关于其环境的最多信息？

为探讨这一问题，研究者建立了他们所谓的“记忆痕迹动力学模型”。这些是数学表示，用来展示记忆如何在一个“概念空间”中形成、变化与消退——这个空间可被理解为一个多维的经验地图。在该模型中，每个记忆痕迹几乎就像一个“活的”对象，会根据受到刺激（如视觉、听觉、触觉等）的频率而扩张、收缩或融合。

研究者写道：“如果每种特征对应一种感官，那么这个临界维度就意味着一个系统若想保持最多不同概念，其最佳感官数量正是这一维度。”

换言之，如果每个感官代表感知中的一个维度，那么似乎存在一个自然的极限——七维——超过这一点后，大脑区分不同概念的能力就会下降。

这项研究基于德国生物学家理查德·塞蒙（Richard Semon）在1904年提出的“记忆痕迹”概念。一个多世纪以来，神经科学家们通过脑成像与光遗传学实验，试图在大脑中找到这些神经性的“记忆踪迹”，并识别出在回忆时重新激活的特定神经元群。然而，尽管这些研究揭示了记忆可能存在的位置，却无法解释记忆如何随着时间演变、相互竞争。

这项新研究通过数学弥补了这一空白。研究者利用蒙特卡洛模拟与解析解，建模了在持续刺激下记忆痕迹的动态行为。

在模拟中，当多种感官印象聚集时，记忆就会形成，并在重复刺激下变得更强；若缺乏刺激，它们会逐渐扩散、模糊——就像隐喻性的“遗忘”。

这种记忆与遗忘的拉锯最终形成一种平衡。然而，当研究团队在不同维度的概念空间中模拟记忆痕迹时，他们发现了令人惊讶的结果。

随着维度增加，独特记忆的数量也随之上升——直到某一点。超过第七维后，记忆容量反而开始下降，因为不同记忆痕迹之间的重叠与干扰使系统效率降低。

斯科尔科沃人工智能研究所教授、论文合著者尼古拉·布里连托夫（Nikolai Brilliantov）在新闻稿中指出：“当我们考虑给定维度下的概念空间的最大容量时，我们意外地发现，在稳态中，记忆中储存的不同记忆痕迹数量在七维时达到最大。因此，我们称之为‘七感假说’。”

这一“临界维度”不仅揭示了记忆机制，也可能解释了生物感官系统为何以现在的方式演化。

传统上，人类被认为有五种感官——视觉、听觉、嗅觉、味觉与触觉——但神经科学如今还认可几种额外感官，如本体感受（proprioception，即身体位置感）与平衡感（equilibrioception）。

认知在七个输入左右达到峰值的观点并非新鲜。心理学家乔治·A·米勒（George A. Miller）在1956年提出，人类平均能在工作记忆中保持大约“七个±二”信息单元。这一新模型为这一长期观察到的认知极限提供了潜在的物理与数学依据。

研究者指出，敏感性与精确性之间的平衡——即对新经验的开放与保持清晰记忆之间的权衡——可能反映出一种普遍原理。高度敏感的系统倾向于形成模糊、重叠的记忆；而过于选择性的系统则可能错失新经验。

研究者写道：“感受性越高，所学概念越不清晰。”他们将这种张力类比为机器学习中的“偏差-方差权衡（bias-variance trade-off）”，系统必须在泛化能力与过拟合之间取得平衡。

从生物学角度看，这一发现暗示，演化可能已将人类的感官能力“调谐”在一个最佳点——在这里，感知、学习与记忆的效率都达到最大。增加更多感官或感官维度并不一定能提升认知，反而可能让大脑的概念空间过载，导致记忆间的干扰。

这一“记忆痕迹动力学框架”也可能启发人工智能与类神经计算领域——在这些领域中，模仿生物大脑的记忆系统同样必须在学习的灵活性与信息的稳定性之间取得平衡。拥有过多输入通道的AI系统，可能会像超过最佳感官维度的大脑一样，出现“信息饱和”与混乱。

研究者写道：“除了揭示并证明概念空间中存在临界维度外，所提出的记忆痕迹动力学模型还可能为现有与未来的实证数据提供新的解释。例如，可以通过实验来检验记忆痕迹的融合与分裂机制。”

他们建议，通过向受试者呈现一系列感官刺激并测量其记忆痕迹的区分度，科学家可以在现实中估计模型变量，如学习速率与遗忘速率。

最终，这项研究提供了一个诱人的视角：人类感知的结构——我们看、听、触、平衡的方式——或许不仅仅是生物演化的产物，更是反映了支配记忆系统的深层数学规律。

布里连托夫博士补充道：“我们的结论当然在应用于人类感官时仍属推测，但谁知道呢？未来的人类也许真的会演化出对辐射或磁场的感知能力。”

——奥古斯特·孔德《实证哲学教程》（Cours de Philosophie Positive, 1830–1842）

意识是实在的一个根本的、不可还原的方面吗？或者，依照多数科学家与哲学家的看法，它是否源于有组织的物质？在离世之前，我亟欲求得答案；故我无法忍受无的等待。哲学之争虽引人入胜，甚而有所助益，然而它未能解决根本问题。探寻物质之水如何化为意识之酒的最佳路径，在于理论发展与实验的有机结合。

在现阶段，我将暂不考虑一些琐碎的争论，例如意识的准确定义，以及意识是否只是无法影响世界的副现象。同样，关于“我的内脏是否有意识但无法向我传达”这一疑问，也留待日后研究。尽管这些问题都值得我们深入研究，但现阶段对它们的过度关注只会阻碍我们的进步。我们不应为哲学上哗众取宠的主张和关于意识的“难问题”所误导，认为这些问题将永远困扰着我们。哲学家所依赖的是信念体系、简单的逻辑和各种观点，而非自然规律和事实。他们提出了一些有趣的问题，这些问题确实带来了挑战性的困境，但他们在预言方面的历史记录并不出色。以奥古斯特·孔德为例，这位法国哲学家、实证主义之父曾自信地宣称我们永远无法理解恒星的物质构成；然而几十年后，恒星的化学成分却通过光线的光谱分析被推导出来，进而直接促成了气体氦的发现。不妨听听弗朗西斯·克里克的看法，他是一位在预言方面有着更好记录的学者:“谈论超出科学范围的事物是非常轻率的。”没有任何理由可以阻止我们最终理解现象心智是如何融入物理世界的。

我的进路是直截了当的，但在我所在的学术圈，这一进路被不少同人视为不明智和不够成熟。我将主观体验视作给定的事实，并认为脑活动对于任何形式的体验来说已经足够。尽管内省和语言在社会生活中扮演至关重要的角色，且对文化与文明的维系具有支撑作用，但我仍认为它们对于体验某一事物来说并非必要条件。基于这些假设，我们得以以前所未有的精度来研究人类和动物意识的脑基础。让我向你举两个实例，以便更好地阐述我的观点。

严重受损患者的意识测量仪

当你从无梦的深度睡眠中醒来时，你什么都不记得了。前一刻你还在对一天的事情进行回顾，下一刻你就知道自己早上醒来了。与REM睡眠（这时往往伴有生动奇异的梦境体验）不同，意识在非REM睡眠期间处于低潮。可是在身体睡眠时，脑却非常活跃。要证实这一点，只要看看睡眠时脑活动的EEG痕迹——慢而深的规则波——就会一目了然。此外，皮层神经元的平均活动同完全清醒期间的活动是一样的。所以，为什么这一期间意识会消退呢？根据上一章所讨论的朱利奥·托诺尼的理论，如果深度睡眠时的整合程度低于清醒状态，那么意识就会消退。

朱利奥与年轻的同事马塞洛·马西米尼（Marcello Massimini，现为意大利米兰大学教授）开始着手证明这一点。他们利用经颅磁刺激（TMS）技术，向志愿者的脑部发送一个高场磁能脉冲。在实验过程中，他们将塑料绝缘线圈环绕在志愿者的头皮上，通过放电使颅骨下的灰质内产生短暂的电流。由于电流刺激，志愿者会有轻微的刺痛感。这个脉冲成功地激发了脑细胞和附近的通道纤维，它们反过来引起与突触连接的神经元做出一连串反射活动。在不足1秒钟内，这种兴奋就会消失。

在实验中，朱利奥和马塞洛采用64个电极对头皮进行精密操控，观察受试者处于安静休息或睡眠状态时的脑电活动。当受试者清醒时，EEG会随着TMS脉冲呈现出一种典型的快速反复波的动态模式，这种模式大约持续1/3秒。对EEG信号的数学分析表明，存在一个高振幅电位的热点，该热点位于TMS线圈的上方，并会从前运动皮层传递至与另一脑半球相对应的前运动皮层，同时还会传递至脑后部的运动皮层和后顶叶。可以形象地将脑比喻为一个巨大的教堂钟，TMS装置则类似于敲击钟的槌。一旦进行敲击，这个精良铸造的钟将以它独特的音高回荡相当长一段时间。同样，清醒状态下的大脑皮层也会在每秒钟内嗡嗡作响10~40次。

相反，当受试者处于睡眠状态时，其脑部表现得就像一个受到抑制且严重失衡的时钟。尽管其EEG信号的初始振幅在睡眠状态下比清醒状态下更大，但其持续时间却更为短暂，且无法通过皮层向其他关联区域进行反播。尽管从强烈的局部反应来看，神经元仍然保持活跃，但神经元的整合功能却已瓦解。正如所预测的那样，那些在清醒状态下出现的典型的脑电活动（这些活动表现为空间上分化且时间上富于变化的序列）在睡眠状态下几乎完全消失。全身麻醉的受试者同样如此。与朱利奥的理论一致，TMS脉冲无一例外地会产生一个简单的局部反应，这表明皮层之间的交互已瓦解，整合程度降低。至此，该理论胜出一局。然而，情况还有可能进一步改善。

在第五章，我详细阐述了植物状态患者的情形。这些患者由于遭受严重的脑部损伤，虽然仍维持着基本的生命体征，但却处于一种极度的身体和精神障碍状态。虽然他们保持着睡眠和觉醒的周期性变化，但他们的认知和运动能力受到严重限制——他们无法进行任何有目的的活动，并且需要长期卧床。相比之下，处于最小意识状态（MCS）的患者表现出一些非反射性的行为反应，比如能够追踪目标物或对简单的指令做出言语或肢体反应。尽管意识已经从处于植物状态的患者身上消失，但在MSC患者身上还部分保留着。

神经病学家史蒂文·洛雷、马塞洛·马西米尼、朱利奥以及他们的同事测量了这类患者脑整合的范围。他们对睁开眼睛的患者的顶叶或额叶实施了TMS脉冲检测，并进行了严谨的实验分析。实验结果表明，（当确实有任何反应时）处于植物状态的患者表现出简单和局部的脑电反应，通常为一个缓慢的正负波，这与深睡眠和麻醉状态下的反应类似。而对于MCS患者，磁脉冲能够引发预期的复杂脑电反应，这种反应在不同皮层区域具有多重病灶。此外，研究团队还从重症监护室中招募了五名苏醒的患者，其中三名最终恢复了觉知，另外两名则没有。在恢复意识的患者中，意识恢复前表现出磁脉冲延长和复杂化的脑电反应，这些反应从单一的局部波逐渐演变为更丰富的时空模式。综上所述，评估整合程度的马西米尼-托诺尼方法可以充当一个粗略的意识仪，检视严重受损患者的意识水平。与具有少量电极的EEG装置组合的小型TMS线圈能被轻易地组装成一个临床实践仪器。在有意识期间，皮层-丘脑的整合度要高于在植物人或非意识状态期间。基于这一发现，研究者能够更精确地区分真正无意识的患者与部分或完全有意识的患者。

运用光遗传学追踪意识的踪迹

当深入观察狗的眼睛时，你能够察觉到，尽管其心智与我们存在显著差异，但两者之间却存在某种关联。狗与人类都对生命有体验。人类往往自视为与众不同，认为自身因意识的眷顾而凌驾于其他生物之上；这一观点源于犹太-基督教的传统信仰，即人类在万物中有特殊的地位和优选权；然而这一信念完全基于宗教信仰，并无实证基础。实际上，人类并非独一无二。我们只是浩瀚物种中的一个。尽管我们与众不同，但每个物种都有其独特之处。从科学的角度来说，这意味着我们能够通过研究其他有情识的生物来进一步探究意识。

但在此之前，我们需要解决一个紧迫的伦理问题。人类是否有权将其他物种的福祉置于对自身欲望的满足之下？当然，这是一个复杂的议题。但长话短说，唯一可能的理由是减少或预防人类这种习惯自省的生物所遭受的痛苦。

在一起驾车逃逸事故中，我目睹了一只狗的后腿被轧断。在兽医的指导下，这只狗开始使用一种双轮车作为代步工具，通过两条腿和两个轮子的配合来进行移动。尽管它的行动变得迟缓，但它是我见过的最快乐的狗，它似乎完全忘记了自己的伤痛。仅仅看着它，我就深感悲戚。它没有认知能力去思考可能发生的事情——它无法想象如果没有那场事故，它会过着怎样的生活，它会如何东奔西跑。它活在当下。而人类恰恰相反，我们“被赐予了”前额皮层，可以想象未来的各种可能性，思考本可以过上的生活。想象一位因路边炸弹爆炸而失去一条或多条肢体的退伍军人，这样的残疾对于拥有前额皮层的他来说要难以承受得多。

为了减轻人类的痛苦，以一种侵入性的方式研究动物，这是唯一有道德价值的理由。我的一个女儿死于婴儿猝死综合征；我的父亲饱受帕金森病的折磨；他的一个朋友因严重的精神分裂症发作而自杀；阿尔茨海默病在我们生命的最后时刻等待着我们。消除这些折磨脑的疾病需要进行动物实验，这要求实验者具有关爱和慈悲之心，同时尽可能争取动物的配合。

在将实验对象从人类转为动物后，我们能够直接探测动物的脑部活动，这在人类实验中是无法实现的。然而，这种转变也意味着我们失去了受试者向我们报告其体验的可能性。对于婴儿和严重残疾的病人来说，他们同样无法提供此类报告。因此，正如父母通过观察新生儿的举动来推断其感受一样，我们必须采用更为巧妙的方式，通过观察动物的行动来推断其可能的体验。

在研究知觉和认知的过程中，心理学家和神经科学家通常选择旧大陆猴作为实验对象。它们没有濒临灭绝，并且它们的大脑皮层有许多类似于我们的沟回。人脑的重量约为3磅，拥有860亿个神经元，猴脑则相对较轻，仅重3盎司，包含60亿个神经元。正如我在第四章所讨论的，猴子和人一样能够感知到许多视错觉。这一共性为我们提供了一个独特的机会——我们可以使用微电极和显微镜观测单个神经元的活动，深入探究视知觉的机制。

然而，我之前提到的一项惊人的技术突破，使得卑微的小鼠（其脑重不足0.5克，仅有7100万个神经元）成为科学家最有希望率先识别意识的细胞踪迹的生物。

每一代天文学家在探索宇宙的道路上，都会发现宇宙的浩瀚远超前人的想象。同样，在研究脑的复杂性方面，每个时代最尖端的技术也会揭示出更多层次的嵌套复杂性，就像俄罗斯套娃一般无穷无尽。

动物体内含有众多不同类型的细胞，如血细胞、心脏细胞、肾细胞等。同样的逻辑也适用于中枢神经系统。在神经系统中，存在多达上千种不同的亚类型神经细胞以及胶质细胞和星形胶质细胞等配角。这些不同种类的细胞均由各自的分子标记、神经元形态、位置、突触架构以及输入-输出加工方式进行界定。在视网膜上，大约存在60种神经细胞类型，每一种类型都能完全覆盖视觉空间（这意味着视觉空间中的每一个点都至少为一种类型的细胞所处理）。这一数字在脑区的代表性大致相同。

各种细胞类型以特定的方式相互连接。在新皮层中，第五层存在一种锥体神经元，其轴突细如蛛丝，能够蜿蜒伸展至中脑内的丘系。同时，附近的锥体细胞的轴突在发送信息至另一个皮层半球之前，会分出侧枝，与邻近区域进行交互。此外，还有一些锥体细胞能够向后传递信息至丘脑，通过一个复本（经由一个分支轴突）传递到网状核。我们可以合理地推测，每种细胞类型都向其目标传递独特的信息。这是因为，如果单一轴突通过分叉能够激活不同的目标，那么就没有必要存在多种类型的细胞。此外，存在大量的局部中间神经元，这些神经元具有抑制功能，并且每个神经元都以自己独特的方式来减弱其目标。所有这一切都为细胞之间基于大量的组合回路模体进行交互提供了非常丰富的基质。请想象一个场景，其中存在1000种不同颜色、形状和大小的乐高积木，这些积木被巧妙地组合成一个建筑体。人类大脑皮层有160亿个积木，这些积木是从这些类型中挑选出来，按照非常复杂的规则组装起来的；比如，一块2×4的红色砖块与一块2×4的蓝色砖块相连，但前提是它靠近一块2×2的黄色屋顶瓦片和一块2×6的绿色瓦片。由此，脑的巨大互联性得以实现。

诸如fMRI之类的容积组织技术能够准确地识别出与视觉、图像、痛苦或记忆相关的脑区。这是颅相学思维的复活。脑成像能够记录100万个神经元的动力功耗，不论它们是处于兴奋还是抑制状态，是局部投射还是全局投射，是锥体神经元还是多棘的星状细胞都是如此。然而，它们无法分辨极为重要的回路层次的细节，因此在应对当前任务时仍显不足。

随着我们对脑的理解不断深入，我们对干预和改善心智病理状态的渴望也在相应增强。然而，现今的工具——药物、脑深部电刺激和经颅磁刺激——尚显简陋和迟钝，且存在诸多不良副作用。我在加州理工学院的同事戴维·安德森（David Anderson）将它们比作试图给引擎注满油来改变汽车油料状况:虽然一些油料最终能到达恰当位置，但大部分油料会流至不当之处，其结果是弊大于利。

一项技术突破为我们提供了救星，这就是将分子生物学、激光和光导纤维融合在一起的光遗传学。该技术源于德国生物物理学家彼得·黑格曼（Peter Hegemann）、恩斯特·班贝格（Ernst Bamberg）和格奥尔格·内格尔（Georg Nagel）的开创性工作。这三位科学家专注于单细胞绿藻的光感受器工作，这些光感受器直接（而不是像你眼睛里的那样间接）将入射的蓝光转换为兴奋的正向电信号。他们成功分离出这种蛋白质的基因，这是一种跨越神经元膜的光门控离子通道，名为ChR2。此后，班贝格和内格尔与斯坦福大学的精神病学家兼神经生物学家卡尔·迪赛罗斯以及现就职于麻省理工学院的神经工程师爱德华·博伊登展开了卓有成效的合作，进一步推动了光遗传学的发展。

该团队精心提取ChR2基因，经过缜密的操作，成功将其嵌入一个小病毒。随后，利用这种改造后的病毒来精准地感染神经元。神经元在接收到外来指令后，合成ChR2蛋白质，并将不合适的光感受器纳入它们的膜。在暗环境下，这些光感受器保持静默，对宿主细胞无任何干扰。然而，当蓝光瞬间照射时，每一个光感受器都会微妙地影响其宿主细胞。它们的协同作用触发了动作电位。因此，每当蓝光定时闪烁时，神经元都能够精确地发放一个峰值电位。通过这种精确的蓝光调控，神经元就会受到驱动从而产生峰值电位。

生物物理学家成功将一种自然出现的光敏蛋白质纳入他们的研究工具箱。这种蛋白质源自生活在撒哈拉干盐湖中的古老细菌。当黄光照射它时，它会产生一种抑制性的负向信号。利用相同的病毒策略，科学家成功构建了一个神经元，该神经元能够在其膜内稳定合成各类蛋白质，以至于它们可以被蓝光激活或被黄光抑制。每次蓝光刺激都会诱发神经元的峰值电位，如同按下琴键听到特定的音符一样。同时发生的黄光刺激则能够抑制这种峰值电位。这种在个体神经元水平以毫秒级精确度控制电活动的能力，是前所未有的科研成果。

这项技术具有更加深远的益处，因为我们可以对携带光感受器基因的病毒进行改造，使其携带有效载荷（某种启动子），该载荷只在具有适当分子标记的细胞中才会开启病毒基因指令。因此，与其激发特定邻域的所有神经元，不如将激发限制在合成特定神经递质或将其输出发送到特定位置的神经元上。所需要的只是特定细胞类型，例如所有表达生长抑素的皮层抑制性中间神经元的分子代码。至于这些细胞为何会合成这种物质并不重要，重要的是这种蛋白质可以作为一种独特的分子标签来标记细胞，使它们易于被激光激发或抑制。

迪赛罗斯团队利用分子标记技术，成功将ChR2引入位于小鼠脑深处的外侧下丘脑内的一个神经元子集。在此处，不足1000个细胞会产生食欲肽（也被称为下丘泌素），这是一种能够促进觉醒的激素。食欲肽受体的突变与嗜睡症这种慢性睡眠障碍存在密切关联。经过ChR2的引入操作，几乎所有的食欲肽神经元都成功搭载了ChR2光感受器，而其他混合神经元并未实现搭载。另外，通过光纤传递的蓝光能够精准且稳定地在食欲肽细胞中形成峰值波。

若在一只沉睡的小鼠身上实施此项实验，将产生何种结果？在未采用分子标记这一特定基因操作的情况下，对动物进行控制时，几百束蓝闪光会在1分钟后唤醒这些啮齿动物。这是评估光纤埋植手术效果的基准条件。当向携带ChR2通道的动物传递相同的光信号时，这些动物会在半分钟内醒来。由于光的照射激活了脑部特定区域的神经元，这些具有已知功能和定位的神经元就会产生电信号峰值，从而唤醒该动物。正是来自外侧下丘脑的食欲肽的释放驱动了这个行为。该示范研究成功地构建了脑神经元子集的电活动与睡眠-觉醒周期之间的可靠因果关系。

在过去的几年中，数十项这样漂亮的干预性小鼠实验已经让我们了解了一些有关厌恶性条件作用、帕金森病、交配、雄性-雄性攻击及其他社会互动、视觉分辨和焦虑等方面的回路要素。这些实验甚至让因视网膜退化而失明的小鼠成功恢复了视力。

在基因工程的帮助下，上述实验的各种变体均已被开发出来。在其中一些研究中，通过蓝光脉冲刺激，某些神经元能够在短时间内被激活，黄光脉冲则能将它们重新关闭，这种操作方式与电灯开关类似。在药物遗传学领域，将某种无害的化合物注入脑区，就能够开启或关闭经基因鉴定的细胞子集，从而实现对神经元集群的长期调控。随着研究的深入，神经工程师的工具集在分子层面不断丰富。

来到新视域

2011年，我有幸以首席科学官的身份加入位于西雅图的艾伦脑科学研究所。这家非营利医学研究机构成立于2003年，由微软创始人兼慈善家保罗·艾伦慷慨提供种子基金，旨在推动神经科学研究的进步[座右铭是“为发现加油”（fueling discovery）]。为了达成这一目标，艾伦研究所致力于开展一种独特的、高效的神经科学研究，这种研究在高校学院式环境中是难以实现的。我们荣誉推出的旗舰成果，即在线艾伦小鼠脑图谱（Allen Mouse Brain Atlas），实现了细胞级别的精细化解析。该图谱以高度的标准化为基础，全面覆盖了鼠脑中所有2万个基因的表达模式，并以开放的形式供公众查阅。对于任何特定基因，你可以通过网络查找其相关的RNA在脑中的表达位置信息，这些信息是依据原位杂交（in situ hybridization）协议绘制的。在人类对哺乳动物脑回路建构的理解过程中，这个大规模项目具有里程碑式的意义。其他在线公共资源包括人脑图谱和鼠脑神经投射图谱。该研究所正在深入探索神经信息的编码和转换机制。众多天文学家、物理学家和工程师共同合作，倾力打造出能够观测遥远时空的星载望远镜和地面望远镜，借此探寻宇宙及其星球成分的起源。这些大型天文台的建设将耗费十年或更长时间，并需要动用数百甚至上千名专业技术人员的专业知识。目前，我们正处于筹划心智“天文台”的初始阶段，这个“天文台”将专门被用于观测心智在（颅骨下的）脑中的运作机制。我将其命名为“心智探测镜计划”（Project MindScope）。此项计划的关键挑战在于:在小鼠进行视觉行为时，如何利用光学仪器、电子设备和计算机技术，观测数以万计的、可从基因层面辨识的回路元件的同步放电活动？

尽管我致力于探索意识的奥秘，但我选择小鼠作为研究对象，而非在演化上与智人更为接近的猴子。这并非出于偶然。从遗传学和神经解剖学的角度来看，鼠脑与人脑之间存在诸多相似之处。例如，鼠脑的新皮层相对较小且光滑，拥有约1400万个神经元；尽管这一数字远低于人类——比我们少1000倍——但在神经元的组织结构上，一小块鼠脑皮层与一块人类灰质的差异并不显著。不过，选择小鼠的最重要原因在于其适合进行基因操作。在所有脊椎动物中，目前人们对小鼠的分子生物机制的了解最为深入，包括DNA如何转录成RNA并转化为蛋白质。自20世纪70年代中期以来，科学家已成功开创了重组小鼠DNA的技术，并能够熟练地创造出转基因小鼠。对于我的研究而言，一个关键点在于研究者正在逐步揭示主要神经细胞类型的独特分子特征以及它们的投射路径。以艾伦研究所的曾红葵为例，她精于利用基因图谱技术改造小鼠。她成功地使健康的小鼠神经元表达ChR2，这意味着在特定波长的光照射下，这些小鼠的抑制性中间神经元会发出荧光，呈现奇特的绿色或番茄红色。

这种光学与遗传学巧妙结合的重要性在于，它允许对有关心智回路的具体的想法进行测试。当小鼠眼前出现图像时，峰值波首先被触发生成，然后通过视神经传导至初级视觉皮层。在初级视觉皮层中，信号被进一步传递至其他八个视觉区；之后，信号穿过运动皮层，最终到达控制头部、前脚掌或其他肢体运动的神经元。第四章简述了弗朗西斯·克里克和我个人的猜想，即这类单一的峰值波可引发某些简单的行为，比如在几百毫秒的时间内推动一个杠杆，但却未产生有意识的感觉。在第六章，我们探讨了所有人整天都在从事的许多此类僵尸行为。我们假设，一旦皮层-皮层反馈通路或皮层-丘脑反馈通路参与其中，建立起反响活动，意识便会产生；这种反响活动表现为神经元联合体的强烈放电，这与物理学中的驻波概念有些相似。当神经活动在视觉皮层中从高层次向低层次或从前部向后部传播时，这个神经元联合体所表征的整合信息就会涌现出来，进而引发有意识的感觉或思想。现在，我们可以在经过适当改造的小鼠身上验证这类假设:对它们进行任何一种视觉辨别行为的训练，然后瞬时阻断从高级皮层区反馈到低级皮层区的神经连接。若弗朗西斯和我判断无误，那么天生的、刻板的或者经过高度预演的视觉-运动行为将只会受到微乎其微的影响。然而，依赖小鼠意识的复杂行为将会失败。为了验证我们的假设，我们需要训练小鼠对光学双稳态错觉（optical bistable illusions）做出反应，区分背景和图形，或者学会将视觉标志与美味的食品相关联。如果皮层-皮层反馈在整个脑中被关闭，我们将创造真正的、没有现象体验的僵尸小鼠!如果反馈被重新激活，有意识的感觉就会恢复。

斯坦尼斯拉斯·迪昂所做的一项经典fMRI实验比较了可见的、短暂一闪而过的词与呈现时间相同但因掩蔽而不可见的同一个词之间的差异（见第四章）。实验结果显示，当该词被有意识地觉知时，前部和后部的相当大一批脑区会出现明显的激活现象。然而，当该词不可见时，血流动力学的活动则仅局限于一小批脑区。这一结果在其他研究团队使用声音掩蔽而非图像掩蔽的实验中也得到了验证。此外，阈下刺激仅能引起微弱的活动，有意识的知觉则会显著放大刺激的影响。我们没有理由不在小鼠身上重复这一实验的变体，不过，现在我们可以使用微电极阵列或共焦双光子显微镜来观测与有意识知觉相关的广泛激活所依赖的所有神经元。对构成皮层-丘脑复合体的庞大、异质和纠结不清的网络的结构和功能进行系统和全面探索，其难度可想而知。几年内，艾伦研究所将对构成小鼠皮层及其输入的所有细胞类型进行完整的分类。确实，解剖学在科学领域占据至关重要的地位。正因如此，我的左臂上文着一幅由西班牙著名神经科学家圣地亚哥·拉蒙-卡哈尔绘制的啮齿动物大脑皮层微回路图。这一文身对于我所从事的研究工作而言，是一种无声的证明。这些时刻令人振奋，激动人心。西雅图拥有壮丽的景色、丰富的户外文化和完善的自行车道，我在此尽情享受生活的美好。然而，有时候我也会感到些许苦恼，因为我同时担任加州理工学院的教授，肩负着指导众多学生和博士后研究人员的责任。但我始终秉持鞠躬尽瘁的精神（the you-can-sleep-when-you-are-dead school）。

在微观的分子-细胞层面，生物学面临着前所未有的复杂性和特异性挑战。当物质被设想为由古希腊的四种经典元素——土、水、气、火构成的混合物时，化学就无法取得实质性进展。对于意识，情况亦是如此。现象体验不是产生于活动或沉默的脑区，而是产生于神经元联合体的不断形成和分解之中，这些神经元的复杂性和表征能力是我们最亲密的思想的最终基质。

本文节选自克里斯托夫·科赫（Christof Koch）所著《意识探索》（Consciousness: Confessions of a Romantic Reductionist），神经现实平台经授权转载。

不过，我平时也喝咖啡。尽管我想要控制在每天一杯，但我总有各种各样的理由多喝一杯。早上的第一杯是为了驱赶残存的睡意，而第二杯是为了消除午饭后的困倦，为了和朋友在咖啡店聚会，或是为了多喝牛奶补充钙质。习惯了这样的日程之后，一旦因为这样那样的原因喝不到咖啡，我就会感到心情烦躁、轻微头痛。

我怀疑自己喝咖啡喝得太多，咖啡因随昼夜节律的涨落已经融入了我的身体，成为神经信号分子“本底噪音”的一部分。咖啡因不断塑造着我的意识，从全世界每天的咖啡消费量来看，说它影响了人类的意识也不为过。

人造节律

那天我喝的第一杯，是在酒店房间里泡的挂耳咖啡，苦涩的味道很好地抵消了早餐蛋糕的甜腻。咖啡因会很快从胃肠道吸收，进入血液，遍布全身。血液中的咖啡因浓度通常在摄入后30-60分钟达到峰值，但咖啡因的吸收代谢能力个体差异非常大 [1]。一些人需要120分钟来让咖啡因水平达到峰值，而这个时间对于另一些人来说已经是代谢的半衰期。咖啡因在体内的半衰期最高可达12小时。那些下午喝了一杯奶茶就会彻夜失眠的人，或许就属于这种类型。

摄入咖啡因就好像人为制造了一种生物节律，试图与日升月落相抗衡，调整出理想的睡眠-觉醒周期。有观点认为在早餐时喝咖啡更多是出于心理需要，起床后过一段时间再喝咖啡的提神效果更好。这是因为咖啡因可以通过促进皮质醇分泌提升觉醒水平，而在起床之后，大脑中的皮质醇水平会自然上升，这时候喝咖啡带来的额外收益就相对较低 [2]。

咖啡因的作用更多地通过另一种机制实现，那就是阻断腺苷受体。腺苷是神经系统的一种代谢产物，当它与腺苷受体结合时，就会向大脑释放出困倦的信号。而咖啡因结构与腺苷分子高度相似，可以占据腺苷受体，阻止大脑感受到疲倦。但是在此期间，累积的腺苷仍然在神经系统中游荡，伺机而动。当咖啡因分子分解，抑制作用失效，这些腺苷就会卷土重来。

所以，有人将喝咖啡形容成一种借贷行为——当下清醒的时间，需要在未来加倍偿还。这种借贷甚至还附带了利息：用咖啡因对抗睡眠不足带来的疲倦，会导致接下来无法获得充足的睡眠。

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近日，一项由国际研究团队参与的意识合作研究在《自然》杂志正式发表，为人类理解意识的本质迈出了重要一步。该研究首次系统地对比测试了神经科学中两大意识理论——整合信息理论（IIT）与全局神经工作空间理论（GNWT），但研究发现两者都未能完全解释意识的产生机制。此次研究由名为Cogitate Consortium的跨学科联盟组织完成，集结了意识研究领域的众多代表性学者。

研究团队采用“对抗式合作”（Adversarial Collaboration）方式：不同理论的支持者共同制定实验设计、预测及失败标准。研究围绕三条预注册的核心预测，系统性地检验了IIT和GNWT对意识的解释能力。

第一条预测关注意识内容在大脑中的编码位置：IIT认为意识内容应主要在大脑后部（如视觉皮层、颞叶等感知区域）被解码，而GNWT认为前额叶皮层（PFC）对意识至关重要。

第二条预测涉及意识内容的维持方式：IIT预测在整个知觉持续期间，后部皮层应保持对内容的持续激活；而GNWT预测意识的产生依赖于刺激开始和结束时前额叶区域的瞬时“点火”（ignition）响应，中间阶段则处于沉默状态。

第三条预测则关注意识所依赖的脑区间连接机制：IIT认为意识依赖于后部皮层不同感知区域之间的持续性高频同步（如γ波）；而GNWT认为应存在前额叶与高阶感知区之间的远程、短暂同步，以实现意识内容的全局广播。研究团队通过功能性磁共振（fMRI）、脑电图（EEG）、磁脑图（MEG）和脑内电极（iEEG）等多模态手段，对256名受试者的脑活动进行了详细记录与分析，全面检验了这三条预测在神经层面上的表现。

在实验过程中，被试需要观看呈现不同信息的视觉刺激图像（如面孔、物体、字母等），每类图像包含不同方向、身份和时长。研究者分析不同脑区的活动，以评估是否符合各理论的预测。研究发现，IIT与GNWT均未能全面解释意识的神经机制，部分预测虽被支持，但关键假设均遭挑战。

实验显示，与意识内容相关的信息主要存在于视觉皮层和颞叶等后部感知区域，而非长期被视为核心的PFC，质疑了GNWT对前额叶“点火”机制的关键预测。同时，研究未能观测到IIT所主张的在后部皮层持续、高频的同步连接。此外，尽管PFC在任务无关的类别表征中敏感，但未表征身份，这引发了有关PFC是否参与广泛的意识广播的疑问。

此次研究首次采用对抗式合作+多模态成像+大样本+预注册假设，为理论验证提供更高透明度与严谨性。尽管结果未一锤定音，但为两大理论的修正与新模型的构建提供了丰富数据与思路，也为整个意识科学提供了开放协作的研究范式。

参考文献：Cogitate Consortium, Ferrante, O., Gorska-Klimowska, U., Henin, S., Hirschhorn, R., Khalaf, A., … & Melloni, L. (2025). Adversarial testing of global neuronal workspace and integrated information theories of consciousness. Nature, 1-10.

这导致了很多有意思的现象，例如非注意盲视（inattentional blindness）：人们经常会忽略视野里的很多东西，即便他们必然“看”到了，也并未“意识到”这些东西的存在。魔术师就利用了这一现象，将人们的注意力转移到一个不相关的物体上，然后光天化日之下在其它道具上做手脚。不光是魔术师，经历过找手机之苦的人也一定知道，连它们都会“利用”人类的非注意盲视“躲起来”：当你的注意力没有放到茶几上时，即便你扫过茶几无数次，也不会发现手机就摆在眼前。

是什么决定了我们应该关注哪些东西？当我们注意力集中时，大脑发生了怎样的变化？注意力又是怎么转移的呢？

是谁揪着我的关注？

一般来讲，有两种方式来决定大脑会关注什么：一是自下而上，由外源刺激主导的注意力；二是自上而下，由内源刺激主导的注意力。自下而上的注意力一般是由外界一些显著刺激决定，这些刺激大多与周围环境有很大不同。例如，当你处在一片寂静的树林时，你会不由自主地关注一个一闪而过的影子。这种注意力使我们在做一件事情时，仍有能力探测到周围意想不到的变化。而自上而下的注意力则指的是主观地把注意力放在一个物体上，例如捕猎者会在捕猎时主动去搜寻有关猎物的踪迹。

无论如何决定注意力的去向，大脑都需要一个过滤器来决定哪些是相关的，哪些是不重要的，这样那些不相关的信息才能被过滤掉。早期理论（early theory）认为，我们的感官系统通过进行简单的基本信息处理，过滤并且衰减掉那些不相关的刺激，使这些过滤掉的信息无法被进一步分析。

举个例子，在下图中，如果任务是找到红色圆圈，那么无论是有十七个绿色圆圈干扰项还是一百四十九个，被试找到红色圆圈的速度是几乎一样的。这说明注意力不需要从一个圆圈转到另一个圆圈来搜寻一个简单的特征，我们的大脑会自动过滤掉绿色的圆圈，只把关注放在红色的圆圈上。这个现象支持了早期理论。同样的现象也适用于形状等单一的简单特征。最近研究显示，我们的顶叶和前额叶参与了刺激的显著性计算（Balan & Gottleib, 2006）。

但是早期理论也有它的问题，简单的视觉搜寻在日常生活中并不多见，因为大多数时候人们看到的生活场景要更加复杂。想象如果你看到一群小老虎在一棵大树下的照片，你更可能会忽略背景里的那棵大树，而不是那些小老虎。根据早期理论，我们应该关注那些“与众不同”的信息，因此我们应该关注大树而不是相似的小老虎。然而这并不是事实，这种现象并不能用早期理论所解释。

人们更多的时候会根据事物的“意义”，而非事物的显著性来决定我们关注什么。在上面的例子中，植物对于人类几乎没有太大的威胁，但是一群小老虎或许意味着它们的父母就在身边，因此人们会更加关注这些有着潜在威胁的动物，而非不动的植物。这就引出了晚期理论（late theory），它表示所有信息在过滤之前都会经历一些复杂的信息处理，从而让事物的意义得到筛选，并且让它们来主导我们的行为。在1967年，雅宝（Yarbus）利用了人类眼动和注意力的紧密联系，观测了普通人在看油画《意外归来》时都会关注哪些东西。他发现当被试没有被问任何问题时，他们的目光会更多的放在画中人的面部。如果问题例如“这个家庭是否富裕？”被问到的话，他们的注意力和目光会更多的放在与问题相关的物品上。这些结果看似不言而喻，但是它证明了我们的外显注意（overt attention）是被物体的意义所引导的，而非简单的显著性。

从演化的角度来讲，关注事物的意义而非关注事物的不同让我们对外界信息的探索变得更加主动，注意力因此不会被动地由一切“显著”的刺激所吸引。在觅食、搜寻目标、捕猎等过程中，这个技能固然十分重要，但是这并不意味着早期理论是错的。大脑会在不同情况下运用不同的机制去决定哪些物体值得我们的关注。如果有一个物体和它周围的环境相比拥有一个明显与众不同的性质，那么不用太多的信息处理我们便可以很快锁定它。但是当我们面对生活中复杂的场景时，我们的注意力往往被那些对于我们自身更有意义的、与自己目标更加相关的事物所指引。

人们的注意力往往被描述为“聚光灯”或者“聚焦镜头”，这允许落入注意力聚光灯范围的信息可以被细致地分析，而那些在聚光灯之外的信息则可以被忽略。但是这种描述是具误导性的，因为它意味着一切落入聚光灯的事物都会被关注。事实上，如果两个物体同时占据同一个空间，这两个叠加的物体依然可以被很好的区分出来。如果我问你下图里是否有一颗圣诞树，你会很轻松地得到答案，并且在你关注圣诞树的同时，同样位置上的红色蛋糕便被忽视了。

显而易见，人类会将注意力放在一个独立个体上，而不是一个固定的空间里。早在1994年，实验便就证明了人们的注意力会不由自主地从一个物体的一部分，转移到整个物体上（Egly et al., 1994）。当一个提示出现的时候，这意味着目标有可能稍后出现在提示的位置，但是也有可能出现在其他位置，而被试需要在发现目标出现后以最快速度按下相对应位置的按钮。研究人员测量了被试做出正确反应所用的时间，如果反应速度很快，那么说明被试将更多的注意力放在那个位置上，而提示的出现会引领被试将注意力放到那个位置上。如下图所示，如果提示出现在左边长条的上方（于位置V），预示着目标将出现在该位置，但是目标却出现在其他位置的时候，被试的反应速度会变慢。

有意思的是，如果提示和目标出现的位置不同，但是它们之间的距离保持一致时，那些出现在同一个长方形上的目标（于位置IS）会比在不同长方形上的目标（于位置ID）被更快地监测到。也就是说，在同一个长方形上的位置得到了更多的关注。因此艾格里等人表示，人们的注意力会不由自主地从一个物体的一个位置延伸到整个物体上，支持了人们会更多地关注一个整体而非位置的理论。

总的来讲，内部和外部的刺激可以决定关注内容，而在这个过程中，信息的筛选十分重要。对于外界的刺激来说，人们会自动筛选出那些更有意义的和更突出的刺激来关注，对于内部刺激来讲，人们会搜寻一个已知的目标特征，并将注意力放在拥有这个特征的物体上。而注意力聚光灯和现实生活中的聚光灯并不一样，它允许人们关注事物的整体而不是一个固定的区域。

当我关注你时，我的脑子在干什么

在空间注意力中，眼跳（saccade）起着很重要的作用。在不同位置上人类的视网膜拥有不同的视觉敏锐度：中央凹的锥体细胞的密度是所有位置里是最高的，因此它拥有最强的视觉敏锐度。而眼跳指的是在有意识控制下的快速眼动，让关注的物体的像落在中央凹，因此一切有关这个物体的视觉信息可以被细致分析。任何在周围视野的显著的刺激都可以引发眼跳，让我们的中央凹接收来自这些刺激的像。事实上，如果没有来自周围视野的刺激也没有注意力的主观转移，我们是不可能做出大幅度眼跳的，所以眼跳意味着注意力的转移必然发生了。谢菲徳等人的实验证明了人们没有办法在眼跳的过程中，将注意力停留在同一个地方（Shepherd et al., 1986）。当被试在指导下将视线转移到目标将要出现的相反区域时，他们检测到目标出现的反应时间要比控制组更长。这个实验证明了，人们在做眼动的过程中，注意力的转移是一个必经过程。

在1980年，里左拉蒂（Rizzolatti）和同事提出了注意力运动前理论（premotor theory），表示空间注意力和眼动是被同一个神经元控制的。其中，前额叶的额眼视野（frontal eye field）在控制眼动和空间注意力中起着很重要的作用，它接受来自视觉皮层的信息，并输出于脑干眼跳发生器（brainstem saccade generator）和上丘来控制眼动。同时它也将信息传送回到视觉皮层，这样眼跳也可以影响视觉的呈现。有趣的是，即使在没有眼跳发生的情况下，额眼视野的刺激也可以转移人们的注意力。摩尔和法拉在2001年利用微弱刺激实验证明了即使当额眼视野的电流刺激不足以导致眼跳运动产生时，空间注意力的转移依然可以被增强（Moore and Fallah, 2001）。很显然，眼跳和注意力的关系不是对称的：没有注意力的转移人们不能实行眼跳，可是没有眼跳人们的注意力也可以被转移。

那么当在关注事物时，大脑处理信息的方式又有什么不同呢？很多实验都支持注意力提高了分析该事物的神经元的活跃程度。对于视觉系统来说，这种神经元发射频率的提高可以发生在信息处理的很早阶段。在接受视网膜信息的背外侧膝状核（dorsal lateral geniculate nucleus）中，神经元的活动便已经可以被注意力调控。可是这些神经元的高活跃程度对于信息的处理又意味着什么呢？众所周知，当一个人的注意力集中之后，他对于信息的敏感度也会提高。高度活跃的神经元可以提高信号强度，让信息可以更顺利地到达下一个神经元。除此之外，注意力还减少了这些神经元里自带的“背景噪音”。综合起来，信息的传递会有一个更高的信噪比。不光是信号的产生更加有效率，连突触传递信号的效率也可以被注意力提高。布里格斯等人发现，当注意力被转移到一些初级视觉皮层（V1）神经元的感受野中，这些神经元更容易被背外侧膝状核的输入所激活（Briggs et al., 2013）。所以注意力允许我们更敏感地用更高效的方式处理关注的信息。

可是注意力对知觉的影响不光局限于此，它还可以将所关注物体所有零碎的信息拼凑起来，让我们感受到统一的完整个体，而不是它的碎片化信息。这叫做特征整合理论（feature integration theory）。特里斯曼和杰拉德（Treisman & Gelade）在1980年代首先提出了这个想法，并且强调了注意力在把同一个事物不同方面的特征粘合起来过程中的必要性。他们的实验对比了被试在对简单特征的搜寻和对简单特征组合的搜寻所用时间有什么不同。如之前所提到，简单特征搜寻只需要被试去做平行搜索（parallel search）便能很快的发现目标，而所用的时间和一共有多少干扰项关系不大。但是他们发现，当被试被要求搜索一个拥有两个特征的目标时，例如绿色的三角形，搜寻时间和干扰项的多少成正相关。这意味着被试会去逐个排查物体是否符合目标条件，而非同时处理在视野里所有的信息。在第二个任务里，因为注意力可以将物体不同的特征粘合在一起，所以人们才会采用序列搜索（serial search）而非平行搜索的方式去注意排查干扰项。有时，这种特征甚至可以是同一类别里的不同种类的结合，例如线条的不同方向：当被试被要求从字母Z和I中间寻找字母T，或者从P和Q中间寻找R，他们同样会采用序列搜索而非平行搜索（Wolfe et al., 2017）。

当然，人们很多时候不会只用序列搜索或只用平行搜索。有很多研究显示搜索一个与众不同的特征可以变得比较困难，而有时组合特征可以很容易地被探测到。引导搜索理论（guided search theory）表示，在视觉搜索的过程中，自上而下和自下而上的信息处理过程提取出“最重要”的信息，然后这些信息将得到更多的关注。因此在做序列搜索的时候，“更重要”的信息会先被重视，让搜寻更加有效，更加简单。而在做平行搜索的过程中，如果特征的显著性并不明显，注意力便不容易被吸引到目标上，搜寻所用的时间也会更加的长。

转移注意力

在工作学习的时候，人们的注意力不会一直停留在一个地方。事实上，对于很多人来说，把注意力持续地放在一个地方才是更加困难的。日常生活中，人类的眼跳大概每秒会发生三次，这不光避免了同一位置的感光体适应当前的刺激，而且还允许高清的中央凹处理视野里更多的区域。尽管运动前理论表示空间注意力和眼动被同一个神经元控制，但是空间注意力的转移一般发生在眼跳之前：在眼跳发生的100-200ms之前，那些在眼跳之后将收到关注物体的信息的神经元会提前做出反应，即便它们仍然接受当下感受野里的刺激。这种视网膜脑图的提前变化和对未来感受野的预测叫做预测性重新映射（predictive remapping）。这种预测虽然不是一直准确，需要进一步的调整，但是它提高了新视野的稳定性。这些会做出预测的神经元不光出现在V4区域，在额眼视野里也有它们的踪迹。

与之相对应的另一个反应是注意力痕迹（retinotopic attentional trace）。一些曾经接受关注物体的信息的神经元将在视线转移的100-200ms之后，仍然保持活跃。注意力痕迹和不准确的预测性重新映射导致关注物体的信息传递变得不清晰，新的映射不稳定，因此我们的感知会在眼跳的过程中更容易出现差错。

2019年，哥伦布（Golomb）利用双聚光灯理论（dual-spotlight theory）结合了这两种现象，并表示注意力的转移包含了减弱旧感受野的活跃性和增强新感受野的活跃性两个同时进行的过程。这意味着有一段时间注意力将被同时分散到两个区域，而预测性重新映射和注意力痕迹会在这段时间同时存在。目前我们还不确定这两种机制是否被同一个神经元所控制。或许旧感受野的活跃性的下降只不过是一个被动的过程，一个刺激消失的必然结果，而预测性重新映射则是一个更加主动的过程，是接受其他神经元刺激的反应。另一种可能性则是它们接受来自同一个神经元的信息，而同样的刺激给出了一个抑制，一个增强的不同结果。

双聚光灯理论很符合我们现在所了解的关于人类注意力的知识，例如人们在眼跳的过程中更倾向于产生感受误差。由于注意力可以将物体的零碎信息拼凑起来（特征整合理论），当注意力被同时分散到两个地方的时候，人们有可能把不同区域的信息错误地连接起来。

这种现象正是哥伦布的实验所展示的：在实验的第一阶段，被试被要求注视着白色空心圆圈（下图左侧），并将注意力放在黑色问号方块里。到了第二个阶段，他们需将目光转移到实心圆圈，但是注意力仍然保持在问号方块上，以回答此时该方块里出现了什么图案。在眼动的过程中，黑色问号方块在第一阶段的视网膜图位置会发生注意力痕迹，而它的新位置将发生预测性重新映射。此时的注意力将被分散到这两个区域，而这两个区域所出现的信息容易被错误地整合起来。由于灰色方块在眼动之后于视网膜图上的位置将刚好是黑色问号方块在第一阶段的位置，出现在这里的干扰项特征更容易被和目标特征混合起来。如果干扰项是绿色，而目标是黄色，常见的错误答案是黄绿色和绿色（下图右侧“Example Error”第一行）。如果目标是略微倾斜的黄色长条而干扰项是更加倾斜的绿色长条，那么常见的错误答案之一是更加倾斜的黄色长条（下图右侧“Example Error”第二行）。若注意力转移是一个绝对的过程，那么被试看到的要么是正确答案要么是干扰项，不会是一个混合的图片。所以这个实验支持了在眼跳的过程中，注意力会被短暂地分散到两个不同的区域，而它的转移是一个逐渐而连续的过程。

多感官系统的注意力

我们的注意力可以同时被分散到多个感官，可是由于注意力的“容量”有限，当我们对一种感官刺激十分关注时，其他感官就会受到影响。类似的例子便是开车的时候打电话：当注意力被放在处理听到的语言信息时，视觉信息处理的能力便被影响，我们对视觉刺激做出的反应也会更慢。但是我们可以一边关注路面情况一边开车，开车这个动作本身不会很大地影响处理视觉信息的能力。这是因为开车这个行为并不被感觉系统所控制，它是一个由运动神经元控制的结果。虽然我们有体感系统来感受物体的质感、温度等等，但我们在开车时并不会把注意力放在感受方向盘的丝滑质感或刹车的坚硬脚感上，因此开车的动作本身不会影响处理视觉信息的能力。

如果想全面解释日常中我们利用多个感官信息来完成认知任务的能力，我们必须了解工作记忆。工作记忆是一个为了完成连续的认知任务而暂时储存下外界信息的系统，而注意力允许这个系统里的信息被细致地分析。注意力和工作记忆之间的关系十分紧密，但具体他们怎么相互影响至今仍旧有很多争议：有些学者表示，注意力所处理和储存的信息是工作记忆的来源，而注意力有限的空间决定了工作记忆的局限性。另外一些学者表示，注意力不过是一种过滤器，提供过滤过的重要信息给工作记忆，而对它的储存空间没有任何影响（Ganeri, 2018）。

工作记忆的模型最早是由巴德利和希区（Baddeley & Hitch）在1974年提出的，用以完善当时其他研究者提出的多贮存模型（multi-store model）。经过多年的改进和修正，如今它包含了四个要素：处理语言的语音环（phonological loop），处理视觉和空间信息的视觉空间模版（visuospatial sketchpad），中央执行系统（central executive）和情景缓冲器（episodic buffer）。语音环里短期储存了听到的和看到的语言信息，而视觉空间模版则是储存了视网膜捕捉到的图像和任何感官系统产生的空间信息，两种模版的记忆并不会彼此影响，但是在同一个模版里的记忆会彼此竞争有限的空间。例如当你利用语音环记住了老师上课的板书，可是做笔记时突然忘了下半句话，这时你视觉空间模版里的记忆会告诉你忘记的那句话大概在黑板上的哪个位置，即使你已经忘记了语音环里所储存的内容。更多的注意力意味着大脑可以储存和分析更多的细节，因此中央执行系统通过合理分配注意力到不同模块来帮助人们完成目标任务。

总的来说，只有在拥有注意力的前提下，工作记忆才能帮助我们完成日常的认知任务。而我们的注意力和工作记忆都是有限的，虽然现在这二者的关系仍不清楚，但是可以肯定，更好的认知表现取决于更合理的注意力分配。

注意力的损伤

注意力对于感知十分重要，因此影响注意力的脑部损伤会导致感知功能受到损害。例如，单侧顶叶、后叶的损伤有可能导致单侧忽视综合症（unilateral negelect syndrome），这些患者虽然没有任何视网膜损伤，但是他们不可以察觉到在他们视野一侧出现的物体。如果损伤在大脑左侧，那么患者通常会忽略视野里右侧的事物，反之亦然。若大脑两侧都被损害，那么患者有可能患有巴林式综合征（Balint’s Syndrome）。这些患者通常不可以同时关注两个物体，并且注意力的转移也十分困难。除此之外，有些注意力受损的患者可以分析一个物体的外形颜色等等物理性质，却无法将这些信息综合起来，意识到这是一个什么物体。这再一次证明注意力对信息整合的重要性。

注意力是一个每天人们都会忽略，可是在生活中至关重要的事情。我们还有太多有关它的问题没有得到解决，太多争论尚未平息，但是研究者相信“长风破浪会有时，直挂云帆济沧海”。

参考文献

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“这是一项技术上的壮举。”华盛顿大学眼科系的神经科学家、教授杰伊·内茨（Jay Neitz，未参与这项研究）表示，“他们所做到的几乎像科幻小说一样，太惊人了——这项技术真是不可思议。”

这项新方法和原型设备被称为“Oz Vision System”（奥兹视觉系统），名字明显是致敬《绿野仙踪》（The Wonderful Wizard of Oz）。而这种新颜色被命名为“olo”，其名字来源于它在理论色彩空间中的坐标值：[0,1,0]。

什么是色彩空间？

色彩空间是用来描述和绘制人类可见色彩的标准方式，它基于“三色视理论”——即大多数人拥有三种视锥细胞。我们眼睛中的感光细胞分别对短波长、中波长和长波长的光敏感，对应蓝色、绿色和红色。正是通过这三种视锥细胞的组合，大多数人可以分辨大约一百万种可见光中的不同颜色。

但即使在可见光范围内，也存在一些颜色是三色视人类无法真正“看见”的。这是因为三种视锥细胞对光的响应曲线存在重叠，特别是中波长的M型细胞（对绿色敏感），其响应区域与长波（L型）和短波（S型）细胞都有交叉。在自然条件下，没有哪种波长的光能只单独激活人类眼中的M型细胞。因此，每当你看到“绿色”时，其实总会掺杂一点别的颜色——比如来自L型细胞的黄色或S型细胞的蓝色。

“Oz系统”打破了这一人类视觉的天然限制。它的研究协议允许科学家精准地刺激某一组特定的视锥细胞，比如单独激活M型细胞。这样一来，被试便能看到一种极其纯粹、强烈的绿色（或蓝绿色，不同人描述略有差异），这种颜色以往被归类为“虚构颜色”（imaginary color），因为在自然状态下，人类眼睛无法感知它。

欢迎来到“Oz”

Oz系统的第一步是为每位被试绘制一张极其详细的视网膜“地图”，对其中的每一个感光细胞进行分类。这份“个性化地图”随后被用来指导一个对眼睛安全的激光器，发射极其精确的光束，做到一次只打在一个细胞上。为了实现这种精准度，电脑系统必须实时侦测并修正眼睛那种微小但不可避免的移动。单独刺激一个视锥细胞并不会产生可感知的颜色，因此Oz更进一步，让激光以锯齿形快速扫过预先选定的细胞区域，只有当激光经过目标细胞时才会发光。在这项新研究中，目标细胞是被归类为M型感光细胞的视锥细胞。

通常，人类感知颜色，是基于不同波长的光以一定比例和模式刺激我们的视锥细胞而产生的。但在Oz视觉系统中，由于可以精确刺激选定的细胞，哪怕只使用一种波长的光，也能让人感受到无数种不同的颜色。

目前的Oz原型装置包括传感器阵列、激光光源、反射镜和光子计数器，它集成了数十年积累下来的多项技术成果。“这是几十年来所有这些技术发展的集大成者。”罗切斯特大学眼科助理教授、神经科学家莎拉·帕特森（Sara Patterson）评价说，她并未参与本项研究。“我觉得这真是太棒了。”

研究团队用五位人类被试验证了Oz系统的效果，并通过多种方式确认他们看到的确实是前所未有的新颜色。“这是一个控制得非常严谨的实验。”帕特森补充说。他们在不同颜色的背景下呈现“olo”颜色，加入运动覆盖图层，并将其与一些位于人类正常色彩边缘的颜色进行对比。在这类试验中，研究人员要求被试使用旋钮调整“olo”色块，直到它看起来与真实颜色块一致。所有情况下，被试都必须加入大量白光来‘稀释’olo颜色，直到他们认为它和正常颜色方块看起来一致为止。”

绿色新纪元

那么，“olo”颜色到底长什么样？

“olo 看起来像是一种蓝绿色，是我见过最饱和的蓝绿色或青绿色。”加州大学伯克利分校的计算机科学家、视觉计算专家吴义仁（Ren Ng）表示。他不仅是这项研究的合著者之一，也亲自作为被试体验了“olo”。“这种颜色很容易命名，也非常清晰可感知”，但它的饱和度远高于自然界中的任何颜色。他把看到“olo”的体验比作第一次看到绿色激光笔的震撼感。“当时我可能会说，‘哇，这是我见过最绿的绿色’”，但现在，olo 更胜一筹。

为了看到“olo”，被试必须保持极度静止，眼睛精准对位——研究中甚至使用了咬合支架来固定头部。被试要盯着一个空间中的固定点，同时激光在视野边缘刺激一个方形区域。吴义仁表示，这种刺激让“olo”以一个视觉斑块的形式出现，面积大约是满月在天空中视觉大小的两倍。只要眨一下眼，系统就必须重新校正运动，因此“olo”每次只会出现几秒，然后消失，再重新闪现。尽管这种体验很短暂，吴义仁仍然激动地表示：“这太酷了，我简直乐坏了！”

彩虹般的可能性

吴义仁对于未来更是充满期待。“olo”的出现证明，精确地激活特定视锥细胞在技术上是可行的。既然这种方法已经被验证有效，接下来还有许多可以拓展的方向。

目前，研究团队正探索Oz系统是否能帮助色盲人士——也就是功能上只有两种视锥细胞（称为“功能性二色视”）的人——暂时拥有完整的人类色觉范围。理论上，这可以通过“人为分类”一部分视锥细胞为他们所缺失的那一种类型，并用激光选择性地、不与其他细胞同步地刺激它们来实现。吴义仁解释说，到目前为止，这项研究进展顺利。

这并不是人类第一次尝试“修复”色盲。在2009年一项里程碑式的研究中，杰伊·内茨（Jay Neitz）和其同事曾通过基因疗法，在色盲猴子眼中引入第三种视锥细胞。结果令人鼓舞——猴子在测试中能够区分它们原本看不出来的物体。

但猴子毕竟无法告诉我们它们的真实感受，因此科学家们也无法确定它们是否真正“看见”了原本无法识别的颜色。“我们其实并不知道它们到底看到了什么。”内茨说。相比之下，如果使用Oz系统让人类色盲者获得第三种视锥细胞刺激，人们就可以明确地描述他们是否真的感受到新颜色。“这其实是我多年前的一个梦想，”他说，“现在看起来真的有希望实现了。”

在更远的未来，吴义仁和同事希望更进一步。他们设想，有朝一日可以利用Oz系统模拟“四色视者”（tetrachromats）的视觉体验——这种能力存在于某些动物（如鸟类、鱼类）以及极少数人类个体身上，他们拥有四种视锥细胞，色彩辨别能力是普通人的100倍。然而，目前的技术还无法做到这一点。

虽然Oz系统的确是一项惊人的技术成就，但它也并非完美。西北大学的神经科学家、助理教授格雷戈里·施瓦茨（Gregory Schwartz）指出，研究本身“非常精彩”，也“令人兴奋”。但Oz系统仍存在一些局限，研究作者们也在论文中诚实地列出了这些问题。

Oz虽然是迄今为止人类最精准的视锥细胞刺激系统，但其准确率并非100%。有相当一部分激光光子没有击中目标细胞，而是“漏光”到了其他细胞——大约三分之二的光子被非目标细胞吸收。施瓦茨说：“他们在论文中对此非常诚实。”尽管有这些“漏光”，他仍然相信“olo”确实处在人类标准色彩空间之外，“但可能没有他们原本设想的那么远”。

施瓦茨还指出，另一项主要限制，是Oz原型设备的体积与可扩展性。我们距离将这种技术变成可穿戴的眼镜或屏幕还很遥远——这些设备不仅需要能够精准追踪眼球运动，还得实现完整的Oz色彩体验。而且，要为每位被试绘制详细的视网膜地图，本身就是一项非常耗费资源的工程（这也是本次实验被试人数如此之少的原因之一）。尽管如此，“超级色彩”的虚拟现实，如今比以往任何时候都更接近现实。

在色彩感知研究这个领域中，科学家们常常在一些基本问题上反复探讨，使用的方法也大同小异，例如关于颜色视觉的神经通路，或视网膜与大脑在色彩感知中各自的作用。但帕特森指出，Oz系统打开了一扇通往全新领域的大门。

她提到，光是这五位被试都对“olo”颜色的描述如此一致，而且他们都能明显将它与人类正常色彩范围内的颜色区分开来，就已经引发了不少有趣的问题：我们的视觉感知系统到底有多“可塑”？过去，神经科学家们一直不确定，人类是否能理解一种从未见过的新颜色。而这项研究则进一步证明，在特定情境下，我们的大脑是有能力识别并理解这些陌生色彩的。

“有时候，当你把系统推向它平常运行范围之外的极限，就像他们现在做的那样，你就真的能学到全新的东西。”帕特森说，“我迫不及待想看到接下来的研究会是什么。”——只是，很难想象未来将会有多“缤纷”了。

作者：LAUREN LEFFER
译者：EY
原文：Five people view a never-before-seen color called ‘olo’

小猕猴桃一直是一个对新鲜事物感到无比好奇的人。这天，它正在路上快乐的行走，而它的目光被一个金色的东西所吸引。“听说过这个金色的东西能给人带来无限的无可比拟的快乐。” 它望着那个金色犹豫了一会儿，决定离开。因为它听说过这个东西的阴暗面：一旦对它产生依赖，它将无法摆脱这个金色东西的诱惑。小猕猴桃继续往前走，可是金色的东西再次出现了。它心里想：或许一次，就体验那种令人疯狂的快乐一次，不会产生依赖吧？它犹豫着，最后决定吸食了这个金色的神奇东西……那种亢奋（euphoria）是它从来没体验过的。在这个金色的世界里，它意识到，这种快乐是任何美食，性和社会成就都比不上的。于是，它忍不住继续寻找这份快乐，以为可以填补生活带来的黑色空洞。

可是，小猕猴桃也意识到，这个金色东西带来的快乐逐渐变得短暂，而在快乐的过后，金色东西的戒断（withdrawal）让它陷入了更深的灰暗里。它渴望金色的世界，更害怕继续处于这种黑暗里，因此它发了疯似得继续寻找更多的金色东西，以来填补短暂的黑暗。在这个漩涡里，小猕猴桃越陷越深。它希望停下来，从生活点滴的美好中寻找快乐以弥补这些黑暗，可是它突然发现，生活中那些它曾经喜欢的东西早已贫乏无味。再次看到金色的东西时，它明确的知道，金色的东西已经无法给它提供快乐，反而会让它事后更加痛苦。但是它依然无法停止对它的渴望，吸食金色东西已经成为一种难以改变的习惯，而华丽的金色在它黑暗的世界里无比闪耀。

这段风靡网络的小猕猴桃视频，至今在Youtube上已有3000多万的观看量，成为了诠释万千药物成瘾故事的一个缩影。

药物成瘾是一种慢性的，具有复发性的行为紊乱。其特点为，在严重不良的后果下，仍强迫性地寻求并使用药物。成瘾性药物包括酒精，香烟里的尼古丁，毒品（如海洛因、可卡因）。根据世界卫生组织在2021年的统计，药物成瘾和滥用影响着大约四千万人口。每年大约六十万人死于药物成瘾带来的后果，而这其中甚至并不包括酒精摄取带来的社会危害。了解药物成瘾背后的机制和更容易受其影响的人群，可以帮助人们更早地介入并减少药物成瘾所带来的健康，心理以及社会危害。本文将从心理学和神经科学的角度，来解释药物使用如何一步步发展成药物成瘾，而一旦成瘾，又为何难以根治。

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或许你能在脑海中“看到”一个红色的球状物，甚至它的纹理细节也“清晰可见”。

然而，在100个人中，可能就有两人无法在脑中形成任何“画面”，这就是所谓的“心盲者”。心盲并不是一种疾病，它只是大脑功能多样性的一种体现。那么，是什么原因导致心盲者无法“看到”内心的画面呢？

*点击此处测试自己的视觉想象水平。

有学者认为，心盲可能是由初级视觉皮层的功能障碍引起的。初级视觉皮层是大脑处理视觉信息的第一个脑区，可视为启动视觉感知的引擎，它的活动和视觉相关的意识体验紧密相关，如果初级视觉皮层没有神经活动，人们通常就不会有视知觉体验。

然而，最近发表在《当代生物学》（Current Biology）上的一项研究表明，即使是心盲者，在尝试想象时初级视觉皮层也会出现神经活动，只是这种活动未能转化为清晰的主观体验。这篇文章是由中山大学中山眼科中心常帅博士，华南师范大学心理学院孟明教授团队和澳大利亚新南威尔士大学乔尔·皮尔森教授合作完成。

来自华南师范大学和中山大学中山眼科中心的研究人员招募了14名潜在的心盲者（心盲组）和18名视觉想象能力正常的成年人（控制组）参与该研究。研究人员通过问卷（Vividness of Visual Imagery Questionnaire, VVIQ）和行为实验（双眼竞争范式）两种方式测量了所有实验参与者的想象能力。结果表明，心盲组的平均VVIQ得分和双眼竞争中的知觉偏差都显著小于控制组，因此可以反映心盲组参与者在尝试想象时缺少类似视知觉的主观体验。

随后，所有参与者都完成了功能性磁共振成像（functional Magnetic Resonance Imaging, fMRI）实验。该实验主要分为感知和想象两个任务：在感知任务中，参与者需要一直注视屏幕中央的圆环，而屏幕左右两侧会依次出现红色水平或绿色竖直的光栅；在想象任务中，参与者需要根据声音提示，在左侧或右侧的虚线圆圈内想象红色水平或绿色竖直的光栅。

fMRI实验结果发现，无论参与者是否具有正常的视觉想象能力，当他们试图想象某一图案时，其视觉皮层的都有显著激活。其次，在感知任务中，心盲组的初级视觉皮层的反应相对较弱，这可能表明，对于来自外界的相同视觉信息，心盲者的视觉皮层中存在不同的处理或加工机制。

值得一提的是，由于视交叉结构（optic chiasm）的存在，大脑通常以“对侧化（contralateral）”的工作方式处理视觉信息，这就是为什么在大部分神经影像学研究中，当视觉刺激出现在某一侧时，大脑视觉皮层另一侧的反应更为强烈。前人研究发现，感知和想象会产生相似的激活模式，而在本研究中，当控制组参与者在左侧想象光栅图案时，右侧视觉皮层的神经反应更为活跃，反之亦然。不过，心盲组参与者的视觉皮层却表现出相反的模式：当他们试图想象时，同侧的脑活动反而比对侧更强。这表明心盲者的大脑在处理大脑顶层区域（如顶叶、前额叶皮层等）传递给视觉皮层的信号时，其神经连接的方式可能有所不同。也就是说，当心盲者试图想象时，其大脑活跃的区域与普通人相比存在差异，这种差异具有统计学意义，并且较为稳健，但是其背后的原因和神经机制还有待进一步探究。

此外，研究人员还通过多体素模式分析（Multi-Voxel Pattern Analysis, MVPA），一种基于机器学习的分析技术，去尝试解码参与者在某段时间内看到或试图想象什么。MVPA可以被视为一种“读心术”，研究人员会用特定阶段的fMRI数据训练算法，随后去解码另一阶段的fMRI数据，从而实现识别特定的心理状态或表征内容的功能。

通俗来说，当你看苹果照片时，视觉皮层会亮起特定区域；而看到西瓜时，又会呈现另一种激活模式。有趣的是，即使只是闭眼想象苹果或西瓜，大脑也会分别产生独特的激活模式。MVPA正是利用这种特性，通过机器学习算法学习不同思维状态对应的大脑活动模式。研究人员还可以根据参与者看到苹果或西瓜时的fMRI数据去训练算法，去判断参与者其他时候在想象什么水果，这种方法被称为“交叉解码”或“跨任务解码”。

MVPA分析结果表明，在感知任务中，两组参与者的初级视觉皮层活动模式都可以较好地被解码，说明他们在看到视觉刺激时，初级视觉皮层能够形成清晰的神经表征。然而，在视觉想象任务中，心盲组的解码准确率远低于控制组，甚至接近随机水平，这表明他们的初级视觉皮层在想象时缺乏稳定的激活模式。此外，交叉解码的结果进一步支持了这一结论：控制组在视觉想象和感知之间保持了较高的一致性，而心盲组在这两种任务中的神经表征差异较大，说明他们难以在没有视觉输入的情况下重建先前看到的图像。

总而言之，尽管心盲者的初级视觉皮层在感知过程中能够正常运作，但在尝试想象时，其激活模式不稳定而且与感知不相似。这或许意味着，心盲者正是由于大脑连接模式的特殊性，他们的“心灵之眼”才被遮蔽，无法“看见”脑中形成的画面。这项研究为理解视觉想象的神经机制提供了重要证据，并支持了初级视觉皮层在视觉表象生成中的关键作用。

该研究受到了同行们的广泛关注。来自乔治华盛顿大学的视觉科学家萨拉·肖姆斯坦（Sarah Shomstein）说：“（该研究的作者）采取了非常严谨的机制研究方法，他们提出了恰当的问题，并使用了合适的方法”。

萨塞克斯大学的神经科学家朱利亚·卡布拜（Giulia Cabbai）表示：“这项研究的结果非常令人震惊，我们一直试图回答的问题是，心盲者之所以无法再脑海中形成图像，是不是因为他们的大脑视觉皮层根本没有形成与图像相关的神经活动。”

在一项早期的研究中，卡布拜和她的同事发现，当心盲者自发想象某个物体时，他们的视觉皮层会有相关活动，但当他们被要求尝试想象特定物体时，却没有相关的神经活动。这项新研究更进一步，比较了人在想象图案时与实际看到图案时视觉皮层的活动模式：对于控制组参与者，这两种任务的活动模式非常相似，而对于心盲者，这两种任务之间的模式却有显著差异。

“这表明，心盲者在视觉皮层中的活动模式具有独特性，反映了他们不同的体验方式”，同样来自苏塞克斯大学的神经科学家索菲·福斯特（Sophie Forster）如此评价，她认为这项研究确实加深了人们对于心盲这一现象的理解。

作为这项研究的共同负责人，乔尔·皮尔森说：“我相信现在大家都在努力弄清楚，当心盲者试图想象一个物体或图案时，他们初级视觉皮层中的信号究竟代表了什么。这可能是下一个前沿的研究领域。”

总之，这项研究不仅为揭示心盲背后的神经机制做出了贡献，还让我们得以深入思考大脑活动与意识之间的关系，重新审视什么才是意识的神经相关物（neural correlates of consciousness）：想象过程中视觉皮层神经元群的激活并非产生类知觉体验的充分条件，其背后是否存在有效的激活或连接模式，同样至关重要。

参考文献

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