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[健康顾问] 为什么有人能在乱哄哄的自习课写作业?因为大脑自动降噪了

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 楼主| 发表于 2019-11-3 02:00:43 | 显示全部楼层 |阅读模式

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很长一段时间以来科学家都认为注意力首先是一种大脑皮层现象。1984年,第一次有人提出了不同意见。

弗朗西斯克里克认为,感觉丘脑不仅是一个中继站,它会堵住一些数据流,以此在某种程度上集中注意力。

对小鼠的实验发现,如果小鼠需要优先接收听觉信息,前额皮质会告诉视觉抑制区增强其活动,以抑制视觉丘脑,剥离无关的视觉数据。

我们能在充满了人声和各种杂音的房间里交谈;能在茫茫多的杂物里找到一把钥匙;能发现一只突然冲到车前的小动物。即便感官同时接收着大量信息,我们依然能通过某种方式集中注意力,做好重要的事。

注意过程是大脑对相关刺激打上探照灯,并过滤其他内容的方式。为了确定瞄准和驱动这一探照灯的神经回路,过去数十年来,研究主要集中在大脑皮层这一结构进行,它包裹着大脑,通常与智力和高阶认知有关。大脑皮层的活动会促进感觉处理,从而提高相关表现。



一直以来,人们认为注意过程是大脑对相关刺激打上探照灯,并过滤其他内容的方式 | Pixabay

但现在,一些研究者试图换个方向,研究大脑会如何抑制信息,而不是增强信息。更重要的点或许在于,他们发现这一过程会牵涉到大脑更深处的古老区域——在研究注意力时通常并不会被纳入考量的区域。

不仅是中继站,还是看门人

由于注意力似乎与意识和其他的复杂功能关系紧密,很长一段时间以来科学家都认为它首先是一种大脑皮层现象。1984年,第一次有人提出了不同意见。当时以研究DNA结构闻名的弗朗西斯克里克(Francis Crick)提出,注意力探照灯是由大脑深处一个被称为丘脑的部分控制的,它的某些部分负责从感觉区接收信息,然后传递给大脑皮层。

他认为感觉丘脑不仅是一个中继站,而且还是一个看门人——不仅是一座桥,还是一个筛子——它会堵住一些数据流,以此在某种程度上集中注意力。

但几十年过去了,科学家寻找确切机制的尝试并没有得到多少回报——尤其是要建立方法在实验室动物身上研究注意力,特别困难。



注意力探照灯是由大脑深处一个被称为丘脑的部分控制的,它的某些部分负责从感觉区接收信息,然后传递给大脑皮层 | Pixabay

不过,这并没有阻止麻省理工学院麦戈文大脑研究所的神经科学家迈克尔哈拉萨(Michael Halassa)。他想确定感官输入的信息在到达大脑皮层之前是如何被过滤的,由此来确定克里克的研究所提出过的那个神经回路。

一层薄薄的抑制性神经元吸引了他的注意,这层神经元被称为丘脑网状核(TRN),它像壳一样包裹着丘脑的其余部分。当哈拉萨还是博士后的时候,他已经在这一大脑区域发现了一个粗略的阀门:TRN似乎会在动物清醒并关注周围环境时让感觉输入信息通过,但会在动物睡着时抑制它们。

在2015年,哈拉萨和同事们发现了另一个更精细的阀门,它能进一步显示TRN属于那个克里克长期寻找的回路——这一次的研究中,他们测试了当动物的注意力分散在不同感官上时,动物会如何选择注意的对象。

在这项研究中,研究人员们训练小鼠,让它们跟随闪烁的灯光和大范围音频的指示奔跑。然后,同时用灯光和声音向动物们发出相互冲突的命令,但也同时提示它们应该忽略哪些信号。小鼠的反应表明了它们会如何有效集中注意力。在整个任务过程中,研究人员使用成熟的技术来切断大脑不同区域的活动,看看是什么干扰了动物的表现。



研究人员们训练小鼠,让它们跟随闪烁的灯光和大范围音频的指示奔跑 | Pixabay

与料想的一致,向大脑其他部分发出高阶指令的前额叶皮层十分重要。但研究小组还观察到,如果某项试验需要小鼠注意视觉,那么视觉TRN中被激活的神经元就会干扰它们的表现。当这些神经元被压制时,老鼠更不容易在声音上集中注意力。

实际上,这套神经网络会将旋钮转到抑制过程,而不是激活过程。TRN会抑制那些被前额叶皮层视为干扰的信息。如果小鼠需要优先接收听觉信息,前额皮质会告诉视觉抑制区增强其活动,以抑制视觉丘脑——剥离无关的视觉数据。

注意力探照灯的比喻与之相反:大脑并没有照亮相关的刺激物;它降低了所有其他东西的亮度。

尽管研究取得了成功,研究人员还是发现了一个问题。他们证实了克里克的直觉:前额叶皮层控制着丘脑中那个感觉信息输入的过滤器。但前额皮质与TRN的感官部分没有任何直接联系。回路的某个部分缺失了。

而现在,哈拉萨和同事们终于补完了剩下的部分。

研究小组采取的方式与他们在2015年所做的研究类似,他们探索大脑不同区域之间的功能影响,以及它们之间的神经元连接。



大脑并没有照亮相关的刺激物;它降低了所有其他东西的亮度 | Pixabay

结果发现,整个回路从前额皮质一直连接到更深层的基底核(通常与运动控制和许多其他功能相关),然后再到TRN和丘脑,最后回到高层的大脑皮层区域。例如,当视觉信息从眼睛传递到视丘时,如果它与给定的任务无关,那它几乎可以被立即截获。基底核可以介入并激活视觉TRN,屏蔽外部刺激,与前额皮质的指令保持一致。

“我认为之前并没有人描述过这个有趣的反馈路径,” 神经科学家理乍得克劳兹利斯(Richard Krauzlis)说。他来自马里兰国家卫生研究院的国家眼科研究所,并且没有参与这项研究。

此外,研究人员发现,该机制不仅会为了提高对某种感觉的认识而过滤掉另一种感觉,它还会过滤某种感觉本身中的信息。当研究人员提示老鼠注意某些声音时,TRN帮忙抑制了听觉信号中不相关的背景噪音。罗彻斯特大学的神经学家杜杰塔丁(Duje Tadin)说道:“仅仅为了某个感觉信道而抑制整个丘脑区域是一种相当生硬的抑制形式,”而这种感觉处理的效果“要更为精确。”



当研究人员提示老鼠注意某些声音时,TRN帮忙抑制了听觉信号中不相关的背景噪音 | Pixabay

“我们经常忽略自己是如何处理那些不那么重要的东西的,” 他补充道,“而通常来说,我认为那是一种更有效的处理信息的方式。”如果身处一个嘈杂的房间,你可以试着提高嗓门让别人听到你,但其实也可以试试消除噪音的来源。

哈拉萨的发现表明,大脑会比预期中更早地将无关的感知抛到一边。“有趣的是,”普林斯顿大学的认知神经学家伊安菲贝尔科恩(Ian Fiebelkorn)说,“在信息到达视觉皮层之前,过滤就早已开始了。”

闪烁的“探照灯”

然而,大脑这种抛弃感官信息的策略有一个明显的弱点——被抛弃的感知可能出乎意料地重要。菲贝尔科恩的研究表明,大脑有办法规避这些风险。

菲贝尔科恩说,当人们想象注意力探照灯时,他们想到的是一束稳定、持续的光线,照亮了动物应该把认知资源引向哪里。但“我的研究表明事情不是这样的,”他说,“正相反,探照灯像是在闪烁。”

根据他的发现,注意力探照灯的聚焦大约每秒减弱四次,这估计是为了防止动物过度专注于环境中的某个方位或某种刺激。这种对重要事物的短暂抑制会间接促进其他次要的刺激,让大脑有机会在必要时将注意力转移到其他事物上。“大脑似乎被设定成会周期性地被分散注意力,”他说。



注意力探照灯的聚焦大约每秒减弱四次,这估计是为了防止动物过度专注于环境中的某个方位或某种刺激 | Pixabay

和哈拉萨的团队一样,菲贝尔科恩和他的同事也期望能在大脑皮质下区域找到这一连接的答案。目前,他们正在研究丘脑另一部分的作用,但他们也计划在将来研究基底核。

这些研究标志着一个重要的转变:科学家们曾认为注意过程是独属于大脑皮层的领域。但是根据克劳兹里斯的说法,在过去的五年里,“有一点变得更明显了,大脑皮层下有事在发生。”

“大多数人希望大脑皮层为我们承担所有的重担,但我认为这是不现实的,” 芝加哥大学的神经生物学家约翰曼塞尔(John Maunsell)说。

事实上,哈拉萨发现的基底核在注意力中所起的作用特别迷人。一部分原因是它是大脑中一个非常古老的区域,而且人们通常不认为它属于选择性注意的一部分。“鱼就有这个,”克劳兹利斯说,“这能一直追溯到最早的脊椎动物,比如七鳃鳗,它没有颚,”——而且也没有新皮质——“它们大体上只有简单的基底核和一部分类似的神经回路。这种鱼的回路可能会提供注意力进化的线索。



注意力和基底核之间的联系可能会揭示像注意力缺陷多动障碍和自闭症等病症的病因 | Pixabay

注意力和基底核之间的联系可能会揭示像注意力缺陷多动障碍和自闭症等病症的病因,这些病症通常表现为对某些输入信号过于敏感,哈拉萨对此特别感兴趣。

但或许,牵涉到基底核之所以有趣,在于这一结构通常与运动控制有关,尽管研究也开始逐渐表明它与基于奖励的学习、决策和基于动机的行为有关。

哈拉萨实验室完成了他们的工作,基底核的作用也延伸到了感觉控制。这突出了一个事实,“注意力其实就是按照正确的顺序从这个排列到那个,同时确保你不会被不应该分散注意力的事情分散了注意力,”曼塞尔说,“运动结构与此相关的观点……某种程度而言也是合理的——它们应该主导决策流程,决定你接下来要做什么、接下来要把感官资源集中在什么上。”

这与某个新兴观点一致,这一观点认为,注意力过程以及整体而言的感知过程都是基于所谓的主动推理。大脑不会被动从环境中取样,然后对观察到的外部刺激做出反应。相反的情况也会发生,像眨眼这样微小的身体动作也会引导感知。感觉系统和运动系统“不是独立运作的,而是共同进化的”,菲贝尔科恩说。所以运动区域不仅会帮助进行输出(动物的行为);还会帮助进行输入。哈拉萨的发现进一步佐证了它在发挥更主动的作用。



感觉系统和运动系统“不是独立运作的,而是共同进化的” | Pixabay

“感知服务于行动,因为我们必须先呈现出这个世界,才能在里面活动,”阿姆斯特丹自由大学的认知科学家海琳斯拉格特(Heleen Slagter)说,“很大程度上,我们是通过行动来学习如何感知周围世界的。”与大脑皮层的高度联系表明,即使不考虑注意力,“这些皮层下的结构在高阶认知中发挥的作用也比通常认为的大得多。”

而这反过来又为我们提供了看待意识的线索,这是神经科学中最难以捉摸的课题。正如哈拉萨的研究和其他研究所证明的那样,“当我们观察注意力的神经关联时,实际上,我们在一定程度上是在观察感知的神经关联,”曼塞尔说,“就试图理解大脑工作的层面而言,这属于全局的一部分。”

斯拉格特目前正在研究基底核在意识中可能发挥的作用,“我们对世界的体验不仅来自于对身体的使用,也在于我们的身体本身。大脑呈现这个世界是为了在其中进行有意义的活动,”她说,“因此,我认为意识体验一定是与活动紧密相连的”,就像注意力一样。“意识应该是活动导向的。”
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