贝勒医学院的研究人员发现，尽管缺乏主观意识，但在全身麻醉状态下，大脑仍保留了令人惊讶的复杂处理能力。这项发表在《Nature》杂志上的研究成果，挑战了传统关于意识与思维关系的假设，并可能为理解大脑如何处理记忆和语言提供全新视角，进而推动神经损伤后辅助患者交流的技术发展。
贝勒医学院神经外科教授、库ullen基金会讲席教授兼麦克奈尔学者 Sameer Sheth 博士表示：“我们的研究表明，在无意识状态下，大脑的活跃度和能力远超以往认知。即使在患者完全麻醉的情况下，他们的大脑仍在持续分析周围的世界。”
在全身麻醉期间记录大脑活动
为了探究无意识大脑内部的运作机制，同时也是贝勒圣路易斯医学中心神经外科医生的 Sheth 及其同事，对在全身麻醉下接受癫痫手术的患者进行了研究。
这些手术为检查海马体（一个与学习和记忆深度相关的脑区）提供了一个不寻常的机会。海马体位于大脑颞叶内，负责组织信息并在形成新记忆中发挥关键作用。
研究人员使用了名为 Neuropixels 探针的先进记录设备，监测海马体中数百个单个神经元的电信号。这些微型探针能够同时检测许多神经元的活动，从而详细描绘出神经元群体如何对信息做出反应。
据研究人员介绍，这种技术此前尚未用于以这种方式研究这一特定的脑结构。它使研究团队能够检测在患者处于无意识、无法报告自身体验的情况下，海马体如何对声音和语言做出反应。
第一项实验涉及播放一系列重复的音调，其中偶尔插入一个与其他声音不同的声音。
尽管患者处于麻醉状态，但其海马体中的神经元对意外的声音做出了不同的反应。更令人惊奇的是，随着实验的继续，这些脑细胞区分异常音调的能力变得更强了。
这种改善表明海马体表现出了神经可塑性的迹象——即大脑通过经验改变其反应的能力。换句话说，某些与学习相关的基本过程似乎在没有意识觉知的情况下依然保持活跃。
无意识的大脑可以处理语言并预测词汇
随后，研究人员测试了无意识的大脑是否能够处理比简单声音更复杂的事情。
他们在对麻醉患者播放短篇故事的同时，继续记录海马体中神经元的活动。
结果揭示了惊人的语言处理水平。独特的神经活动模式包含关于不同词类（包括名词、动词和形容词）的信息。这表明海马体对语言的有意义特征做出了反应，而不仅仅是检测到声音的发生。
但最引人入胜的发现更进一步。
研究人员发现，神经活动还携带可用于预测句子中即将出现的词汇的信息。尽管患者处于无意识状态，但他们的大脑似乎在预判周围展开的语言将如何继续。
得克萨斯儿童医院邓肯神经罗学研究所戈登与玛丽·凯恩小儿神经病学研究基金会实验室主任 Sheth 指出：“大脑似乎在预判故事中的下一个内容，甚至在没有意识觉知的情况下也是如此。”
这种能力与一种被称为预测编码的过程有关。大脑不是被动地接收信息，而是持续利用模式和先前的经验来预判接下来可能发生的事情。例如，在听人说话时，大脑可以利用已经听到的词汇来对随之而来的内容形成期望。
科学家通常是在清醒且注意力集中的人群中研究这种复杂的预测。在全身麻醉期间发现它的证据，表明至少部分潜在的神经过程可以独立于主观意识而运作。
贝勒大学神经外科教授 Benjamin Hayden 博士说：“这种预测编码是我们通常与清醒和专注联系在一起的，然而它却在这里的无意识状态下发生了。”
这一发现对意识意味着什么？
这些发现引发了关于意识对大脑信息处理能力实际贡献的重要问题。
意识通常与主观觉知相关联，包括听到、思考和理解我们周围世界的体验。然而，该研究表明，即使在缺乏这种觉知的情况下，参与解释语言和预测未来信息的一些神经过程仍然可以继续。
这并不一定意味着麻醉状态下的患者有意识地理解了播放给他们的故事。相反，它表明大脑可以在个人并未意识到这一过程的情况下，执行惊人复杂的语言处理方面的工作。
这种区别可以帮助研究人员更好地理解意识是如何产生的。
一种可能性是，觉知不仅取决于各个脑区是否保持活跃，还取决于信息如何在更大范围的大脑网络中进行协调和共享。
按照这种观点，诸如海马体之类的结构可能即使在破坏了意识体验所需的更广泛脑区间通讯时，仍会继续分析信息。
大脑与人工智能之间令人惊叹的联系
这一发现还突出了人类大脑活动与人工智能（AI）之间令人着迷的相似性。
大型语言模型（许多现代 AI 聊天机器人背后的技术）通过利用从海量语言数据中学习到的模式来预测接下来应该出现什么，从而生成文本。
研究人员在海马体中观察到了相关的预测能力，即使在无意识状态下，神经信号也反映了即将出现的词汇的信息。
尽管生物大脑和人工智能模型的运作方式有着根本的不同，但两者都可以利用语言中的模式来预判未来的信息。研究这些相似之处可能有助于科学家更好地理解自然系统和人工系统中预测机制的运作原理。
这些发现还可能对脑机接口产生实际影响，脑机接口利用从大脑记录的信号与外部设备进行通信。
一个潜在的应用涉及语音假体，这是一种旨在帮助因受伤或神经系统疾病而损害说话能力的患者进行沟通的技术。
如果科学家能够可靠地识别出大脑中有意义的语言信号，这些信号最终可能会被用来支持那些失去说话能力患者的沟通技术。
贝勒大学神经外科住院医师、该研究的第一作者 Vigi Katlowitz 博士表示：“我们能否利用这些信号来部署和运行针对中风或损伤破坏的部分大脑的语音假体？这些是我们现在可以结合大脑这一部分来思考的问题。”
科学家正在重新审视无意识大脑的极限
尽管取得了惊人的结果，但研究人员强调，仍有一些问题亟待解答。
这些实验是在某种特定类型的全身麻醉下进行的，因此这些发现不能自动推广到其他麻醉方法或无意识状态。
目前尚不清楚在睡眠或昏迷期间是否也会发生类似的语言处理，这两种状态与医学诱导的无意识状态有很大不同。
另一个重要的局限性在于，研究人员将焦点集中在海马体上。未来需要进行更多研究来确定在其他脑区是否存在类似的能力，以及当意识缺失时这些区域是如何相互作用的。
尽管如此，这些结果提供了令人信服的证据，表明无意识并不一定意味着大脑已经停止执行复杂的信息处理。
相反，即使一个人对周围世界没有主观觉知，大脑也可能继续分析模式、对意外事件做出反应并预判语言。
Sheth 总结道：“这项工作促使我们重新思考‘有意识’究竟意味着什么。在大脑幕后发生的运作，远比我们目前完全理解的要多得多。”
Author: Vigi Katlowitz, Benjamin Hayden, Sameer Sheth et al. (Baylor College of Medicine)