科技行者人类集中注意力的真相:大脑在过滤,而非聚焦

人类集中注意力的真相:大脑在过滤,而非聚焦

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人类集中注意力的真相:大脑在过滤,而非聚焦

2019年10月14日 23:39:11 科技行者
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“我们不仅在操纵自己的身体,也通过自己的身体体验整个世界。大脑负责表达这个世界,以引导我们在其中采取有意义的行动。”

来源:科技行者 2019年10月14日 23:39:11

关键字:大脑意识 神经科学 大脑皮质 丘脑网状核 神经元

科技行者 10月14日 北京消息:我们可以在嘈杂的房间里,不受干扰地进行对话;我们也能够在杂乱无章的办公桌上,找到自己的钥匙串;也能在驱车前行时,快速发现路面跑过的小动物——总之,即使面对大量混乱而复杂的信息,我们仍然能够专注于真正重要的事情并快速作出反应。

有没有想过,根源是什么?

人类集中注意力的真相:大脑在过滤,而非聚焦

人类集中注意力的过程,实际就是大脑“探照灯”在关注「相关刺激」的同时过滤掉「其余刺激」的过程,而神经科学家们一直希望找出答案,大脑究竟哪些回路在具体控制聚焦与集中反应,然而数十年来,他们的研究一直围绕着大脑皮层部分——即大脑外部的折叠结构,其通常与智能以及高级认知能力相关。很明显,大脑皮层的活动促进了感官处理能力,从而增强了人们对所关注对象的跟踪效果。

但现在,一些研究人员正在尝试另一种方法,希望了解大脑如何拟制信息——而非增强信息。也许更重要的是,他们发现,大脑深处某些更古老的区域可能才是实现集中能力的关键——这是以往的研究一直没有重视的探索方向。

通过这种方式,科学家们也在无意中获得了一定进展,开始真正了解到,身体与思想如何通过感官体验、肢体运动以及更高层次的意识以深刻且密不可分的方式交织在一起。

寻找脑回路

很长一段时间以来,由于注意力似乎一直与意识以及其他复杂的功能紧密联系,因此科学家们首先将其假定为大脑皮层中的活动。1984年,Francis Crick提出,这种理解方式可能完全背离了实际情况。他认为,注意力集中是由于大脑深处被称为丘脑的区域所控制,该区域的一部分负责接收来自感觉区域的信号并向皮质提供信息。他提出一种理论——丘脑不仅充当中继站,同时也扮演着守门人的角色(不只是通道,而且是种筛子)。它会阻断某些数据流,从而让其它正常通过的信息成为关注重点。

但几十年过去,人们一直无法真正建立起具有说服力的功能机制体系——这是因为,对实验动物的注意力进行研究始终困难重重。

但这并没有吓退Michael Halassa,这位来自麻省理工学院麦戈文脑科学研究所的神经科学家,希望确定信息在到达大脑皮层之前,究竟经过了怎样的过滤过程。只要能够确定这一点,他就可以建立起Crick理论中暗示的精确脑回路结构。

 人类集中注意力的真相:大脑在过滤,而非聚焦

▲ 图:麻省理工学院神经科学家Michael Halassa探讨了以往被忽视的大脑区域在高级认知过程中发挥的作用。

他首先注意到,一层被称为丘脑网状核(TRN)的抵制性神经元,该层像壳一样包裹着丘脑的其余部分。在Halassa成为博士后研究员时,他已经在大脑区域中发现了一种粗略的门控机制:TRN似乎可以让动物在清醒时关注感觉输入,并注意到周边环境中的某些事物,但当动物进入睡眠状态后,TRN又会抑制其对这些感受的感知与反应。

2015年,Halassa和他的同事们发现了另一种更精细的门控机制,这进一步将TRN与Crick理论的长期证明联系了起来。此次成果的重点在于,动物如何主动将注意力集中在不同的感受身上?研究人员首先让经过训练的小鼠学会在闪烁的灯光与纯音声调下奔跑,接下来,他们利用灯光与声调向动物下达了相互矛盾的命令,并以暗示的方式引导动物忽略其中一种信号,而老鼠的反应即代表它们完成注意力集中切换的效率。在整个过程中,研究人员利用完善的技术关闭大脑中各个区域的活动,从而去观察,到底是什么左右着动物的行为。

与预期相符,向大脑其他部位发出高级指令的「前额叶皮层」仍然至关重要。但是研究小组也观察到,如果在试验室要求小鼠关注视觉元素,那么视觉TRN就会开启神经元以干扰听觉活动。当听觉神经元被屏蔽后,小鼠将很难注意到声音方面的变化。实际上,大脑回路调整的实际是抑制过程,而非兴奋过程,其中TRN负责抑制前额叶皮层不想关注的信息。如果老鼠需要区分听觉信息的优先级,那么前额叶皮质会指挥视觉TRN,增强其抑制视觉丘脑的活动——剥离无关的视觉数据。

事实证明,所谓集中注意力的真实过程恰恰相反:大脑并没有聚焦至需要关注的刺激,而是降低了对其他信息的关注度。

人类集中注意力的真相:大脑在过滤,而非聚焦

尽管研究取得了成功,但研究人员们又发现了一个新问题。他们确实证明了Crick的直觉:前额叶皮层控制着对丘脑所传入感知信息的过滤机制。但是,前额叶皮层与TRN的感知部分并没有任何直接连接,那么过滤究竟是如何实现的?

但现在,Halassa和他的同事们找到了这块拼图的缺失,研究结果让我们找到了新的注意力研究方向。

遮挡、变暗、闪烁

研究小组采用了与2015年类似的实验方式,研究了各个大脑区域彼此之间的功能影响,及其神经元的连接方式。他们发现,脑回路从前额叶皮层接入更深层的基底神经节(通常与运动控制等其他功能相关),而后进一步接入TRN与丘脑,最后又返回更高层级的皮质区域。例如,当视觉信息从眼睛传递至视觉丘脑时,如果这部分内容与当前关注任务无关,则几乎可以被立即拦截。基底神经节能够按照前额叶皮层的指示,快速介入并激活视觉TRN,从而过滤掉多余的信号刺激。

马里兰州国立卫生研究院眼科研究所神经科学家Richard Krauzlis表示,“这是一条有趣的反馈途径,我之前从来没有听说过。

此外,研究人员们还发现,该机制不仅能够过滤掉一种感知以提高对另一种感知的感受能力,也能够在同一种感知之内过滤掉某些具体的信息。例如,当小鼠想要认真聆听某一种声音时,TRN有助于抑制掉听觉信号中与此无关的其他背景噪声。罗彻斯特大学神经科学家Duje Tadin表示,这对感知处理的影响“可能比针对某一种感知方式的丘脑区域抑制精确得多。相比之下,后者只是一种比较粗糙的控制方法

他补充道,“我们通常会忽略掉那些不太重要的信息,通常来讲,我认为这是一种更高效的信息处理方法。这就好比当你身处嘈杂的房间,既可以提高想听的声音音量,也可以消除不想听的声音音量。”(Tadin研究了其他过程中的这种背景抑制作用,并发现这类过程比选择性关注速度更快,且自动程度更高。

Halassa的发现表明,大脑过滤多余信号的时间点要比预期中早得多。普林斯顿大学认知神经科学家Ian Fiebelkorn表示,“有趣的是,过滤甚至在信息刚刚抵达视觉皮层时就已经开始了。

但是,大脑采取的这种感知信息过滤策略存在着明显的弱点:被忽略的感知信息中可能包含意料之外的重要内容。Fiebelkorn的研究表明,大脑很清楚这种风险,并为其准备了对应的解决方案。

Fiebelkorn解释道,当人们想到集中注意力时,第一反应总是将其理解成,把意念汇聚成稳定的一束,并借此引导自己的认知资源。但就现在来看,“我们的研究证明,这种想法并不靠谱。相反,这道「意念之光」似乎会不断闪烁。

根据他的发现,注意力的集中性并不强,每秒大约四次,以防止动物过分关注环境中的某种单一对象或者刺激。大脑会非常短暂地抑制当前关注对象,从而为其它刺激保留一点起效空间,并在必要时快速完成关注点切换。他解释道,“大脑似乎会周期性地分散注意力。

与Halassa的团队一样,Fiebelkorn和他的同事们也希望,通过皮层下的其他区域解释这种连接机制。目前,他们在研究丘脑中另一部分的作用,但后续也有计划对基底神经节进行一番探索。

认知扎根于行动当中

这些研究标志着一种关键性的转变:集中注意力的过程,曾经被理解为纯皮质区域的活动。但根据Krauzlis的说法,过去五年,“人们逐渐意识到,皮质之下才是注意力变化的根源位置。

芝加哥大学神经生物学家John Maunsell表示,“大多数人都觉得所有繁重的工作都是由大脑皮层完成的,但我认为实际情况并非如此。

人类集中注意力的真相:大脑在过滤,而非聚焦

▲ 图:Michael Halassa主要关注多电极阵列上,他和他的同事们一直在探寻,大脑如何利用这种结构控制负责信息过滤的神经回路。

事实上,供职于麦戈文脑科学研究所的Michael Halassa发现,基底神经节在人脑关注活动中有着令人着迷的神奇作用。基底神经节是大脑中的一种古老区域,以往人们一直觉得它跟选择性关注活动毫无关系。Krauzlis表示,“鱼也拥有基底神经节,或者说新皮层,其最早能够回溯到连下颌都没有的七爪鳗。这些动物拥有一种简单的基底神经节形式,其中一些拥有相同的回路结构。”鱼的神经回路也许能够为我们揭开脑部注意力机制的演变之谜。

Halassa认为,注意力与基底神经元之间的联系,可能为注意力缺陷多动障碍以及自闭症等疾病找到可靠的解释方式。这类病症的常见表现,就是对某些类型的输入信息特别敏感。

但基底神经节最有趣的事实之一,在于该结构通常与运动控制有关。而且近期研究也发现,基底神经节确实与学习奖励、决策以及其他基于动机的行为有所关联。

随着Halassa实验室研究成果的发布,如今基底神经节的作用已经正式扩展至感知控制领域。Maunsell解释道,这也凸显出新的事实,“注意力的本质在于按照正确的顺序进行排序,以确保大脑不会被不应分心的事物所干扰。从某种意义上讲,这也与基底神经节的运动结构关联有着和谐的逻辑关系。基底神经节应该负责决定下一步要做什么,而这也涉及下一步应该把资源集中在什么身上。

这与基于主动推理过程的注意力(以及整体认知水平)提升观点同样并行不悖。大脑会主动从环境当中提取信息,而后对观察到的外部刺激做出反应。反之亦然,身体通过运动——包括眨眼这类微小的活动——对感知进行引导。Fiebelkorn解释道,感知与运动系统“并非彼此独立,而是共同演进。”因此,运动区域不仅有助于塑造输出(表现为动物的某种行为),同时也有助于调整输入。Halassa的发现,为这种主动作用提供了更稳固的理论基础。

阿姆斯特丹大学认知科学家Heleen Slagter指出,“感知服务于行动,因为我们需要首先认识世界,之后才能改变世界。我们通过动作引导来学习如何感知周边环境。”与皮层之间的高度互连结构表明,即使在注意力机制之外,这些皮层下结构在高级感知中的作用也比我们以往认为的重要得多。

这反过来又能帮助我们探索「意识」的形成。意识是神经科学当中最难以捉摸的主题。Maunsell表示,正如Halassa等相关研究所得出的结论,“当我们研究注意力与神经之间的关联时,实际上也是在研究注意力感知的神经相关性。此次发现,有望成为大脑工作原理研究这一广阔愿景中的重要组成部分。

Slagter目前正在研究基底神经节在意识当中发挥的作用。她总结道,“我们不仅在操纵自己的身体,也通过自己的身体体验整个世界。大脑负责表达这个世界,以引导我们在其中采取有意义的行动。因此我认为,有意识的体验必然与行动紧密关联,”集中注意力就是其中的典型表现。“意识,应该以行动为导向。