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。

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

Chang, S., Zhang, X., Cao, Y., Pearson, J., & Meng, M. (2025). Imageless imagery in aphantasia revealed by early visual cortex decoding. Current Biology, 35(3), 591-599.

People who can’t picture images in their ‘mind’s eye’ still represent them in their brains. (n.d.). Retrieved February 7, 2025, from

https://www.science.org/content/article/people-who-can-t-picture-images-their-mind-s-eye-still-represent-them-their-brains

放眼国内，由抖音所领导的短视频行业的国内市场规模如今已达3000亿。据《第54次中国互联网络发展状况统计报告》显示，截至2024年6月，短视频用户已占全体网民的95.5%^[1]。《中国网络视听发展研究报告（2024）》指出，我国短视频用户人均日使用时长为151分钟^[2]。

随着短视频不断侵占我们的注意力和时间，你是否好奇过，在沉迷短视频的背后，我们的大脑究竟发生了什么？

为什么会上瘾？

浙江大学的一项功能性核磁共振成像研究为我们揭示了短视频与成瘾之间的关联（如图所示）^[3]。该研究对浙江大学的153位抖音用户进行了一次问卷调查。其中，约45.8%的调查参与者存在轻中度的抖音上瘾问题，且有5.9%的人对抖音严重上瘾。统计分析显示，自控能力越差，上瘾程度越高。现代常见的焦虑情感可能会促使人们将小视频视为逃离压力的避风港，而缺乏自控力的人可能更难从这种逃避中抽离出来，进而对短视频产生过度的依赖。

青少年短视频沉迷是人们重点关注的问题。由大脑生长发育导致的荷尔蒙水平变化会影响青少年的自控力，并使他们面临更高的心理健康风险^[4]。这可能会让他们更容易对短视频成瘾，并反过来影响他们的心理健康水平。西南大学2021年发布的一项针对3000多名中国青少年的调查研究显示，过度依赖抖音的青少年更易产生抑郁、焦虑等的心理问题，这些心理问题可能会导致短期记忆的下降^[5]。沉迷手机也容易导致青少年睡眠质量降低，影响大脑的健康成长^[6]。同时，短视频的内容还会影响到青少年的自我评判。对于女性受调查者，使用抖音等社交媒体的频率与外貌焦虑成正相关^[7]。短视频也可能带来更多的向上社会比较*，降低青少年的自信心与自尊心^[6]。

*作者注：向上社会比较（upward social comparison）描述的是一个个体与（他自认为）比他优秀的个体相比较的现象。

此外，短视频也是中老年人退休后的新精神寄托。北京师范大学新闻传播学院执行院长喻国明教授认为^[8]，中老年人社会生活相对单一，这使得他们能将大量时间投入到短视频平台。同时，因为他们缺少互联网的推荐算法的相关经验，所以在接收这类信息时会更容易沉浸、成瘾。随着年龄增加，认知能力的衰退会干扰到中老年人的自控力^[9]，对社会认同的需求也会诱发对短视频的沉迷^[10]。尽管短视频对中老年人大脑的影响尚不明晰，但可以明确的是，延缓大脑衰老需要规律的体育运动与丰富多彩的社交生活^[11]，刷短视频的行为可能会取代更加健康的生活习惯，对大脑的健康老化造成不利影响。

沉浸时的大脑

默认模式网络（default mode network）活动的降低是大脑在集中注意力时最明显的信号。默认神经网络主要由内侧前额叶皮质，后扣带回皮质和角形脑回（angular gyrus）组成，是一个横跨整个大脑的大型神经网络。在人们无事可做、胡思乱想的时候，默认神经网络会变得非常活跃。同时，它也参与包括环境观测、自我参照、社会认知等其他复杂的认知功能。

自我参照（self-referential processing）指一个个体在思考跟自我有关的信息时的认知过程，这包括了追忆过去、计划未来以及体会当下。在短视频中，个性化推荐的内容往往与用户喜好、兴趣、经验有比较高的契合，因此，它们会触发观看者的自我参照过程。在这个过程中，负责投射过去与未来的内侧颞叶子系统*的活跃度会降低，处理当下觉知的背内侧前额叶皮质的子系统**的活跃度会升高。于是，人们关于过去和未来的思维活动被抑制，注意力完全集中在当下。与此同时，默认模式网络与初级视觉皮层、初级听觉皮层以及额顶叶网络（frontoparietal network）的沟通被加强。初级感觉皮层解码和加工基础的视觉和听觉刺激。额顶叶网络则负责维持注意力与短期记忆。这些网络的密切合作调动了过去积极的观影体验，这些体验自上而下地调控了注意力的分配，使用户的注意力更多地集中在视频提供的视觉和听觉刺激上。

*作者注：内侧颞叶子系统（medial temporal lobe subsystem，MTL）包含了腹内侧前额叶皮质、顶下小叶后部（posterior inferior parietal lobule，IPL）、海马旁皮质（parahippocampal cortex，PHC）、海马结构（hippocampal formation，HF+）等区域。

**背内侧前额叶皮质子系统（dorsomedial prefrontal cortex subsystem，dmPFC）包含了背内侧前额叶皮质、颞顶交界区域（temporoparietal junction）和颞极（temporal pole）。

集中的注意力

后扣带回皮质是默认模式网络的重要枢纽，其主要功能之一是平衡向内与向外的注意力。向内注意力（internally oriented attention）指的是对内部思考的专注，向外注意力（externally oriented attention）指的是对外部刺激的关注。推送视频会使后扣带回皮质与负责短期记忆的额上回（superior frontal gyrus）、额中回（middle frontal gyrus）的连接增强，使观看者的注意力从外部转向内部，同时通过整合短期记忆中储存的视频信息，让大脑对视频信息进行更深度、更有意义、更高级的处理。

在一部分脑区变得更加活跃的时候，另一部分脑区的活动出现了减弱。背前扣带回皮质 、尾状核（caudate），还有一部分的丘脑（thalamus）负责注意力分配以及对抑制的控制（inhibition control）*。当我们在看短视频时，这些区域的活动同时减弱，彰示了自控能力的降低。同时，它们与默认模式网络连接的减弱还会降低个体对自控力的把控和对意识的觉察，使人们在观看短视频时更加沉浸忘我，无法自拔。

*作者注：抑制控制指的是一个个体在抑制自己的冲动时的认知过程，比如在饥饿的时候拒绝食物的诱惑。

上瘾与沉迷

观看视频时，视频的刺激会激活大脑的奖赏通路。奖赏通路内的神经元会释放大量的多巴胺，让大脑将特定的行为与快乐联系起来，使人们产生再次执行这个行为的渴望。2019年的一项新研究表明，小脑可能也是奖赏通路的一部分，它与腹侧被盖区直接相连，而腹侧被盖区则是处理奖赏的核心区域之一^[12]。腹侧被盖区和黑质（substantia nigra）会共同强化那些能够获得奖励的特定行为。其中，黑质的神经元倾向于编码信息的显著性，让这些信息更容易从其他噪音信息中脱颖而出。同时，腹侧被盖区的神经元会对奖励的价值高低进行编码。这个过程允许大脑着重处理视频提供的感官信息，并让这些刺激显得弥足珍贵。研究发现，相较一般视频，个性化推送的视频会显著激活腹侧被盖区，说明这些算法推荐的视频对于观看者有更高的奖励价值，也会让人更容易上瘾。

人的认知能力会因此受到影响吗？

鉴于短视频的流行是近年来才有的现象，当下并没有足够的证据来表明短视频本身会对我们的认知能力造成什么确切的影响。不过，现在已有不少科学家着手研究信息技术可能会给人类大脑带来的变化，学术界也存在一些相关的研究案例可供人们参考和推测。

一些研究发现，互联网上短暂而即时的快速信息摄入会使人们更难长时间维持注意力。2020年于《自然》发表的一项关于“社交媒体使用症”（social-networks-use disorder）的研究显示，社交媒体的成瘾程度与注意冲动（attentional impulsivity）*的强度成正比。同时，注意冲动与社交媒体成瘾存在着一种双向影响，即有注意冲动倾向的人也更易受到社交媒体吸引。该研究团队还猜测，网络上的刺激或许能够通过影响大脑的注意过程来削弱自控力，这种冲动会让人们追求即时奖励而忽视长期风险。人们会更容易被社交媒体的铃声和视觉刺激吸引，从而对奖励产生渴望，这会使他们更难抑制自己的冲动[^13]。

*作者注：在心理学中，注意冲动指代无法集中注意力的现象。

另外一项在《世界精神病学》发表的研究综述称，网络中的“信息奖励”（information reward）会通过刺激人的皮质-纹状体多巴胺系统（cortico-striatal dopaminergic system）来强化不断检查手机的强迫性行为^[14]。在综述提到的一项脑成像研究发现，经常一心多用的人在分心任务上的表现更差，但是相关脑区的活跃程度却有所增加^[15]。这说明大脑的工作效率正在“事倍功半”——大脑付出了更多的努力，却获得了更糟的结果。另外一项关于大脑结构的研究显示，在互联网高度使用者前额叶皮质中，那些与对抗分心、保持任务目标相关的脑区*灰质质量减少了，而灰质是由大量的神经元聚集形成的重要神经组织。这或许暗示了过度使用互联网对大脑健康的损害。然而，这只是科学家对互联网下大脑变化的初步探索，它们的可靠性还需要更多的重复实验支撑^[14]。

*作者注：对抗分心，维持目标聚焦的脑区包括右额极（right frontal pole）与前扣带回皮层。

尽管不少研究都指向了过度使用网络的负面影响，但目前还没有足够的证据证明其导致的认知能力下降是长期的、不可逆转的。因此，只要合理分配看小视频的时间，多与家人朋友在现实中喝茶聊天，我们还是能够做到娱乐生活两不误的。

环境中的线索总能激活我们大脑中对某段回忆的表征。但记忆未必总是在充盈我们的人生体验，创伤性记忆也可能成为一部分人无法逃离的梦魇。在对颅骨中的三寸黑箱有了更加深入认识的今天，我们能否帮助人们重写过去的创伤回忆，让他们重拾面对未来的勇气？

重写记忆曾经只是科幻作品中的情节，但针对啮齿类动物（如小鼠和大鼠）的研究证明，操纵记忆在细胞层面似乎是可能的。2013年，生物学家利根川进（Susumu Tonegawa）率领团队通过光遗传学[1]技术成功改写了小鼠的记忆。[2]

在他们的研究中，经过基因编辑的小鼠被放置在房间A中进行自由探索。基因编辑使得小鼠在探索时，其大脑海马体中的“记忆痕迹细胞”能表达一种对蓝光敏感的光敏蛋白。在实验的第二天，研究者将小鼠放置于房间B中，对其施加微弱电击，并通过蓝光照射激活小鼠用于编码房间A的记忆细胞。该操作置换了小鼠的记忆，让小鼠将电击与房间A联系了起来。因此，在实验的最后阶段，当研究者将小鼠重新放回房间A时，他们发现，小鼠表现出了明显的恐惧僵直反应。

尽管先进技术为改写记忆提供了新的道路，但该研究中事件联结的调换与复杂的人类记忆修改尚且相距甚远，这意味着目前我们还无法将该技术成功应用到人类大脑中。改写记忆面临的主要难题是：人类大脑对同一事件有多种表达形式，每一种形式都对应着复杂的神经表征。因此，在无法精确定位记忆表征的今天，直接刺激大脑似乎无法成为改写记忆的有效方式。那我们还能运用什么方式呢？

对于一个创伤事件（如一场严重的车祸），人们的大脑可能进行多种表征。一种是与记忆事件相关的细节，比如车祸发生时的天气、地点等。这类表达被称作情景记忆（episodic memory），它们一般存储于海马体内，随后转移或长期转移至大脑皮层中；另一种则是由该事件引发的生理、心理反应。与车祸相关的环境刺激可能让受害者重复产生应激表现或防御行为，这类记忆一般与杏仁核有关；此外，对这场车祸的回想可能会激活消极的主观感受。目前，大多数研究着眼于通过相应的技术改变情景记忆和应激反应这两种表达，从而修改人们的创伤记忆。

有了修改对象之后，我们应该如何改变人们的记忆表达呢？鉴于记忆表征的空间网络复杂且分布较广，科学家首先定位记忆表征更易被改写的时间节点，即表征记忆的神经元群被激活之时。记忆神经元被激活的时间窗口一般分为记忆的巩固（consolidation）期和再巩固（reconsolidation）时期。记忆的巩固期又可分为编码、存储和提取三个阶段。在编码过程中，事件通过海马体进行重演并存储于其中。随后，这段记忆通过前额叶加工，被分布式地存储于新皮质中。巩固期的时程较长，并且通常伴随着神经元被重复激活的过程，这意味着我们能在记忆编码后的几分钟到一天时间内对记忆进行改写。

记忆巩固阶段的记忆改写技术通常针对的是由海马体调控的情景记忆，这些技术在一定程度上改变了人类被试的创伤记忆。此外，存储于我们大脑的记忆是高度动态和可变的。每次经过提取后，表征记忆的神经元都将被激活，进行再巩固，随后再次被存储。再巩固时期是记忆极易被改写的另一个时间窗口。每一次提取过后的再加工过程，都可能导致原始记忆发生改变。相较巩固期，再巩固时期的时程较短，因此，针对后者的记忆操纵研究通常在神经元被激活后的数小时内进行。

研究显示，相较中性事件，人们通常对引发更高情绪唤醒的事件记得更牢。[3]比如，当某一事件引发我们的惊恐或悲伤情绪时，我们的应激激素水平也会随之上升，从而提高记忆巩固的效果。研究还发现，即使在记忆编码之后再提升被试的生理唤醒水平，依然能提高该事件的记忆效果。因此，在采用记忆改写技术时，通常会施加能改变神经激素水平的药物，通过药物加强行为训练的效果。目前，已获批的人类被试使用的激素类药物中，有两类能够调控记忆巩固：第一类药物通过阻断神经激素来降低情绪唤醒水平，如普萘洛尔（propranolol）等，其一般作用于杏仁核的β肾上腺素受体，调节在海马体内发生的记忆巩固；另外一类药物则通过模拟神经激素（如肾上腺素或糖皮质激素等）的作用来增强记忆巩固。

大部分结合药物的行为训练针对的是创伤事件引发的应激反应，但这类技术的效果并不稳定。我们知道，如果在创伤性事件发生后立即对该事件进行处理，可能导致二次创伤，并使这一后果的影响持续数年。这或许是因为，在创伤记忆的巩固期内让受害者重述记忆，会提升他们的情绪唤醒水平，从而增强受害者的创伤记忆。[4, 5]那么，我们能否通过在心理疏导之前给患者施加阻断剂，从而阻止创伤记忆的巩固呢？研究显示，在创伤事件发生后立即对被试施加普萘洛尔，虽然能成功降低被试回忆创伤事件时的生理唤醒水平，却无法有效降低其创伤后应激障碍的水平。[6]

将模拟神经激素与行为治疗相结合的手段似乎更加有效。在巩固期施加模拟神经激素能增强事件记忆的表征，加强暴露疗法（exposure therapy）的效果，最终有效地改写记忆。暴露疗法的理念源自消退学习：当人们重复暴露于看似危险的情境中，却并没有遭受生理伤害时，人们会逐渐认识到该情境是安全的。同样地，重复回想创伤经历可能会让受害者意识到，回忆并不会带来实在的物理伤害。需要注意的是，在这个学习过程中，受害者逐渐将原先的创伤性记忆替换为新的安全记忆，而非改变了原先的创伤记忆。研究显示，这个替换过程可能与前额叶对杏仁核的抑制表达相关。[7]由于消退学习的表达较弱，创伤性记忆带来的危害可能随时会“卷土重来”。为了加强安全记忆的巩固，一些研究者在采取暴露疗法的同时，会让受害者使用神经激素。研究显示，在加入药物后，暴露疗法的疗效能持续6周以上。临床结果也发现，施加糖皮质激素能有效调节被试的创伤后应激障碍反应。

除了上述两种药物以外，还有一类药物结合了消退学习编辑记忆的方法，同时利用外界线索的呈现。前文已经提到，记忆巩固是通过反复激活表征记忆的神经元集群来实现的，这类神经元的激活通常与记忆的巩固与整合相关。基于此，研究者开发了靶向记忆激活（TMR）疗法，用以调节创伤性事件带来的应激反应。我们可以在被试记忆某一事件的同时，给其施加一个外在刺激。随后，在被试处于静息甚至睡眠状态时，再给其施加一个相同的外在刺激，以在被试的海马区激活与编码事件相同的神经活动。[8-10]TMR疗法能改善由杏仁核调控的应激反应。在2017年的一项研究中，研究者在给被试施加惊恐刺激的同时呈现气味刺激，使得被试将两者进行配对，并产生防御反应。随后，研究者在被试的慢波睡眠期再次呈现气味刺激。实验发现，该操作导致了恐惧的消退，被试的应激反应也显著降低。[11]

近年来的研究显示，TMR疗法不仅能削弱应激反应，还有可能主动引导被试遗忘情景记忆。这项研究结合了另外一种被称为“主动遗忘”的记忆编辑技术——该技术指通过引导，增强被试抑制记忆提取的动机，从而形成对某一事件记忆的消退。在实验中，研究者让被试学习代表着不同规则的线索-目标的配对，一类线索的配对目标是随后需要报告的，另一类线索的配对目标是需要抑制提取的。训练过后，研究者将检测被试是否成功习得了这些规则。研究发现，人们能通过习得规则来抑制事件记忆的提取，此外，抑制的次数还与遗忘水平相关，重复的主动遗忘能带来叠加的记忆抑制效果。神经成像结果显示，主动遗忘与前额叶环路的抑制调控相关，这可能意味着主动遗忘技术是通过调节海马体至前额叶投射的过程，削弱创伤性记忆的巩固的。[12]

在记忆巩固窗口进行记忆改写的局限在于，这项技术对即时性的要求较高——神经激素的施用或行为标记技术的成功窗口在事件发生后的几分钟到数小时之内，TMR疗法或主动遗忘技术的窗口虽然更长，但也无法延长到数日之后。由于受害者通常在创伤性事件发生很久之后才开始寻求帮助，这样严格的时间要求严重限制了上述疗法的应用情景。

对记忆再巩固阶段的研究已进行了近半个世纪。如今，人们认为再巩固一般有两种功能：记忆的增强以及更新。前者指向再次激活记忆表征将提高记忆效果；后者则意味着，倘若在记忆的再巩固发生之时，环境中存在其他相关刺激，人们可能会将这个新的刺激整合到原先的记忆中，从而更新记忆。这给科学家带来了两个思路：如果在再巩固时期调节激素水平，我们或许能消解人们对创伤性事件的记忆；此外，如果在该时期呈现特定刺激，我们或许能将原先的创伤记忆改写为无害的新记忆。

那么，我们能否在再巩固时期调节应激反应呢？针对啮齿类动物的研究显示，普萘洛尔能通过有效阻断再巩固过程，消解有害记忆。而在人类被试中，其效果并不稳定。虽然在记忆再次激活之前施加普萘洛尔能降低人们的创伤后应激障碍水平，但我们无法确定这类效果是通过阻断记忆提取的过程而达到的，还是通过真正阻断了创伤记忆的再巩固过程而达到的。如果在记忆再激活之后施加药物，则无法有效调节应激症状。

较为有效的成果来自睡眠研究。在我们的睡眠过程中，快速眼动（REM）睡眠约占总体睡眠时间的五分之一。研究显示，大脑通常会在这个时期对前一天发生的事件进行重演，以进行记忆的再巩固。睡眠研究学者马修·沃克（Matthew Walker）曾从一位在退伍军人事务部医院工作的医生那里听说，这位医生通过施加一种血压药物，缓解了创伤后应激障碍病人反复做噩梦的症状。这种血压药物的其中一个副作用是降低大脑中去甲肾上腺素的水平——该激素与我们的压力感受息息相关。此前的研究显示，正常被试在REM期间，大脑中的去甲肾上腺素水平较低，而在患有情绪障碍的被试中则没有观察到这种现象。

沃克推测，正常人在REM睡眠期进行记忆再巩固时，如果体内激素水平较低，其情绪反应可能会得到缓解。而由于情绪障碍患者没有这道保护机制，睡眠的记忆重演反而加剧了创伤性情绪反应。随后的研究验证了沃克的猜想。沃克让一组被试在白天开始和结束的时候观看一组图片，另一组被试则是在睡前和醒来后观看一组图片。由于后一组被试在REM睡眠期对情绪记忆进行了再巩固，当他们再次观看这组图片时，情绪反应得到了缓解。在他们的大脑杏仁核中，也观察到了较低的活动水平。研究进一步发现，由于大脑在REM睡眠期的去甲肾上腺素水平较低，如果在这个“情绪安全期”对记忆时间进行再巩固，可能会导致我们对创伤性记忆的情绪反应下降。

前文提到，消退学习能影响应激反应。该训练提供了一个新的安全记忆，这个新的竞争者能降低创伤性记忆的表达，从而减少人们的应激反应。但由于该方法并不能改变原记忆，这使得应激反应有再次发生的可能性。研究显示，在记忆的再巩固窗口进行消退学习有更好的效果，因为我们有机会在该窗口真正改写创伤记忆，而不仅仅为有害记忆提供竞争对手。针对大鼠的研究发现，通过重现条件激活记忆的再巩固阶段，随后再进行消退训练，可使应激反应不再出现。通过分析大鼠的大脑活动，研究者发现这类消退训练触发了杏仁核的突触可塑性，而不仅仅带来前额叶对杏仁核表达的抑制。这一点可能意味着，这类技术成功地改写了有害记忆。[13]

随后的研究显示，这种做法对于人类被试切实有效。通过再整合后对被试进行消退训练，能在至少一年的时间内阻止防御反应的重现。[14, 15]在随后的神经成像研究中，研究者进一步发现，相比普通的消退训练，在记忆再巩固（提取）阶段进行该训练时，观察到的前额叶活动水平更低。[16]这与针对啮齿类动物的研究结论一致，这样的结果可能也意味着，通过杏仁核表征的威胁性记忆已经得到了编辑，因而前额叶的抑制也就不再必要。

2000年，纽约大学的神经学家卡里姆·奈德（Karim Nader）提出杏仁核在记忆再巩固阶段的作用，[17]进而促进了该领域记忆研究的兴起。然而，在20年后的今天，我们仍未开发出清晰有效的临床治疗方案。许多成果显著的研究无法被重复，微小的策略改变可能会导致实验结果相差甚远。这样的现状一方面显示出人类大脑中记忆表征的复杂程度，同时也证明了在进行实用性探索之前，我们还需要更加深入地了解记忆机制。所幸，许多研究者已经在一些方向踏出了探索的脚步，比如如何精确定位记忆的脆弱窗口，记忆的复杂程度如何影响修改难度，或者如何找到能代表记忆被修改的神经标记。而在另一方面，目前我们还没能探索出可以大规模应用的记忆修改技术，这或许也在一定程度上反映了行为主义在面临个体差异层面时的局限性。

如今，我们已经开发出了许多有待应用的记忆编辑范式，脑科学的发展提供了可进行记忆编辑的大脑机制，通过对机制的深入了解，我们也能在未来进一步提升记忆编辑技术的有效性。在个体心理、物理预测模型以及颅内刺激技术急速发展的今天，我们有理由相信，能深入各个患者之中的记忆改写方案即将到来。

参考文献

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[15] 此前有重复科学研究者表示，该试验成果来自选择性报告数据，参见: https://www.the-scientist.com/careers/when-researchers-sound-the-alarm-onproblematic-papers-69086.[16] SCHILLER D, KANEN J W, LEDOUX J E, et al. Extinction During Reconsolidation of Threat Memory Diminishes Prefrontal Cortex Involvement[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2013, 110(50): 20040-20045.

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