科技行者 10月14日 北京消息：我們可以在嘈雜的房間里，不受干擾地進(jìn)行對(duì)話；我們也能夠在雜亂無(wú)章的辦公桌上，找到自己的鑰匙串；也能在驅(qū)車前行時(shí)，快速發(fā)現(xiàn)路面跑過(guò)的小動(dòng)物——總之，即使面對(duì)大量混亂而復(fù)雜的信息，我們?nèi)匀荒軌驅(qū)Ｗ⒂谡嬲匾氖虑椴⒖焖僮鞒龇磻?yīng)。

有沒(méi)有想過(guò)，根源是什么？

人類集中注意力的過(guò)程，實(shí)際就是大腦“探照燈”在關(guān)注「相關(guān)刺激」的同時(shí)過(guò)濾掉「其余刺激」的過(guò)程，而神經(jīng)科學(xué)家們一直希望找出答案，大腦究竟哪些回路在具體控制聚焦與集中反應(yīng)，然而數(shù)十年來(lái)，他們的研究一直圍繞著大腦皮層部分——即大腦外部的折疊結(jié)構(gòu)，其通常與智能以及高級(jí)認(rèn)知能力相關(guān)。很明顯，大腦皮層的活動(dòng)促進(jìn)了感官處理能力，從而增強(qiáng)了人們對(duì)所關(guān)注對(duì)象的跟蹤效果。

但現(xiàn)在，一些研究人員正在嘗試另一種方法，希望了解大腦如何擬制信息——而非增強(qiáng)信息。也許更重要的是，他們發(fā)現(xiàn)，大腦深處某些更古老的區(qū)域可能才是實(shí)現(xiàn)集中能力的關(guān)鍵——這是以往的研究一直沒(méi)有重視的探索方向。

通過(guò)這種方式，科學(xué)家們也在無(wú)意中獲得了一定進(jìn)展，開始真正了解到，身體與思想如何通過(guò)感官體驗(yàn)、肢體運(yùn)動(dòng)以及更高層次的意識(shí)以深刻且密不可分的方式交織在一起。

尋找腦回路

很長(zhǎng)一段時(shí)間以來(lái)，由于注意力似乎一直與意識(shí)以及其他復(fù)雜的功能緊密聯(lián)系，因此科學(xué)家們首先將其假定為大腦皮層中的活動(dòng)。1984年，F(xiàn)rancis Crick提出，這種理解方式可能完全背離了實(shí)際情況。他認(rèn)為，注意力集中是由于大腦深處被稱為丘腦的區(qū)域所控制，該區(qū)域的一部分負(fù)責(zé)接收來(lái)自感覺區(qū)域的信號(hào)并向皮質(zhì)提供信息。他提出一種理論——丘腦不僅充當(dāng)中繼站，同時(shí)也扮演著守門人的角色（不只是通道，而且是種篩子）。它會(huì)阻斷某些數(shù)據(jù)流，從而讓其它正常通過(guò)的信息成為關(guān)注重點(diǎn)。

但幾十年過(guò)去，人們一直無(wú)法真正建立起具有說(shuō)服力的功能機(jī)制體系——這是因?yàn)?，?duì)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的注意力進(jìn)行研究始終困難重重。

但這并沒(méi)有嚇退Michael Halassa，這位來(lái)自麻省理工學(xué)院麥戈文腦科學(xué)研究所的神經(jīng)科學(xué)家，希望確定信息在到達(dá)大腦皮層之前，究竟經(jīng)過(guò)了怎樣的過(guò)濾過(guò)程。只要能夠確定這一點(diǎn)，他就可以建立起Crick理論中暗示的精確腦回路結(jié)構(gòu)。

▲ 圖：麻省理工學(xué)院神經(jīng)科學(xué)家Michael Halassa探討了以往被忽視的大腦區(qū)域在高級(jí)認(rèn)知過(guò)程中發(fā)揮的作用。

他首先注意到，一層被稱為丘腦網(wǎng)狀核（TRN）的抵制性神經(jīng)元，該層像殼一樣包裹著丘腦的其余部分。在Halassa成為博士后研究員時(shí)，他已經(jīng)在大腦區(qū)域中發(fā)現(xiàn)了一種粗略的門控機(jī)制：TRN似乎可以讓動(dòng)物在清醒時(shí)關(guān)注感覺輸入，并注意到周邊環(huán)境中的某些事物，但當(dāng)動(dòng)物進(jìn)入睡眠狀態(tài)后，TRN又會(huì)抑制其對(duì)這些感受的感知與反應(yīng)。

2015年，Halassa和他的同事們發(fā)現(xiàn)了另一種更精細(xì)的門控機(jī)制，這進(jìn)一步將TRN與Crick理論的長(zhǎng)期證明聯(lián)系了起來(lái)。此次成果的重點(diǎn)在于，動(dòng)物如何主動(dòng)將注意力集中在不同的感受身上？研究人員首先讓經(jīng)過(guò)訓(xùn)練的小鼠學(xué)會(huì)在閃爍的燈光與純音聲調(diào)下奔跑，接下來(lái)，他們利用燈光與聲調(diào)向動(dòng)物下達(dá)了相互矛盾的命令，并以暗示的方式引導(dǎo)動(dòng)物忽略其中一種信號(hào)，而老鼠的反應(yīng)即代表它們完成注意力集中切換的效率。在整個(gè)過(guò)程中，研究人員利用完善的技術(shù)關(guān)閉大腦中各個(gè)區(qū)域的活動(dòng)，從而去觀察，到底是什么左右著動(dòng)物的行為。

與預(yù)期相符，向大腦其他部位發(fā)出高級(jí)指令的「前額葉皮層」仍然至關(guān)重要。但是研究小組也觀察到，如果在試驗(yàn)室要求小鼠關(guān)注視覺元素，那么視覺TRN就會(huì)開啟神經(jīng)元以干擾聽覺活動(dòng)。當(dāng)聽覺神經(jīng)元被屏蔽后，小鼠將很難注意到聲音方面的變化。實(shí)際上，大腦回路調(diào)整的實(shí)際是抑制過(guò)程，而非興奮過(guò)程，其中TRN負(fù)責(zé)抑制前額葉皮層不想關(guān)注的信息。如果老鼠需要區(qū)分聽覺信息的優(yōu)先級(jí)，那么前額葉皮質(zhì)會(huì)指揮視覺TRN，增強(qiáng)其抑制視覺丘腦的活動(dòng)——剝離無(wú)關(guān)的視覺數(shù)據(jù)。

事實(shí)證明，所謂集中注意力的真實(shí)過(guò)程恰恰相反：大腦并沒(méi)有聚焦至需要關(guān)注的刺激，而是降低了對(duì)其他信息的關(guān)注度。

盡管研究取得了成功，但研究人員們又發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新問(wèn)題。他們確實(shí)證明了Crick的直覺：前額葉皮層控制著對(duì)丘腦所傳入感知信息的過(guò)濾機(jī)制。但是，前額葉皮層與TRN的感知部分并沒(méi)有任何直接連接，那么過(guò)濾究竟是如何實(shí)現(xiàn)的？

但現(xiàn)在，Halassa和他的同事們找到了這塊拼圖的缺失，研究結(jié)果讓我們找到了新的注意力研究方向。

遮擋、變暗、閃爍

研究小組采用了與2015年類似的實(shí)驗(yàn)方式，研究了各個(gè)大腦區(qū)域彼此之間的功能影響，及其神經(jīng)元的連接方式。他們發(fā)現(xiàn)，腦回路從前額葉皮層接入更深層的基底神經(jīng)節(jié)（通常與運(yùn)動(dòng)控制等其他功能相關(guān)），而后進(jìn)一步接入TRN與丘腦，最后又返回更高層級(jí)的皮質(zhì)區(qū)域。例如，當(dāng)視覺信息從眼睛傳遞至視覺丘腦時(shí)，如果這部分內(nèi)容與當(dāng)前關(guān)注任務(wù)無(wú)關(guān)，則幾乎可以被立即攔截。基底神經(jīng)節(jié)能夠按照前額葉皮層的指示，快速介入并激活視覺TRN，從而過(guò)濾掉多余的信號(hào)刺激。

馬里蘭州國(guó)立衛(wèi)生研究院眼科研究所神經(jīng)科學(xué)家Richard Krauzlis表示，“這是一條有趣的反饋途徑，我之前從來(lái)沒(méi)有聽說(shuō)過(guò)。”

此外，研究人員們還發(fā)現(xiàn)，該機(jī)制不僅能夠過(guò)濾掉一種感知以提高對(duì)另一種感知的感受能力，也能夠在同一種感知之內(nèi)過(guò)濾掉某些具體的信息。例如，當(dāng)小鼠想要認(rèn)真聆聽某一種聲音時(shí)，TRN有助于抑制掉聽覺信號(hào)中與此無(wú)關(guān)的其他背景噪聲。羅徹斯特大學(xué)神經(jīng)科學(xué)家Duje Tadin表示，這對(duì)感知處理的影響“可能比針對(duì)某一種感知方式的丘腦區(qū)域抑制精確得多。相比之下，后者只是一種比較粗糙的控制方法”。

他補(bǔ)充道，“我們通常會(huì)忽略掉那些不太重要的信息，通常來(lái)講，我認(rèn)為這是一種更高效的信息處理方法。這就好比當(dāng)你身處嘈雜的房間，既可以提高想聽的聲音音量，也可以消除不想聽的聲音音量。”（Tadin研究了其他過(guò)程中的這種背景抑制作用，并發(fā)現(xiàn)這類過(guò)程比選擇性關(guān)注速度更快，且自動(dòng)程度更高。）

Halassa的發(fā)現(xiàn)表明，大腦過(guò)濾多余信號(hào)的時(shí)間點(diǎn)要比預(yù)期中早得多。普林斯頓大學(xué)認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)家Ian Fiebelkorn表示，“有趣的是，過(guò)濾甚至在信息剛剛抵達(dá)視覺皮層時(shí)就已經(jīng)開始了。”

但是，大腦采取的這種感知信息過(guò)濾策略存在著明顯的弱點(diǎn)：被忽略的感知信息中可能包含意料之外的重要內(nèi)容。Fiebelkorn的研究表明，大腦很清楚這種風(fēng)險(xiǎn)，并為其準(zhǔn)備了對(duì)應(yīng)的解決方案。

Fiebelkorn解釋道，當(dāng)人們想到集中注意力時(shí)，第一反應(yīng)總是將其理解成，把意念匯聚成穩(wěn)定的一束，并借此引導(dǎo)自己的認(rèn)知資源。但就現(xiàn)在來(lái)看，“我們的研究證明，這種想法并不靠譜。相反，這道「意念之光」似乎會(huì)不斷閃爍。”

根據(jù)他的發(fā)現(xiàn)，注意力的集中性并不強(qiáng)，每秒大約四次，以防止動(dòng)物過(guò)分關(guān)注環(huán)境中的某種單一對(duì)象或者刺激。大腦會(huì)非常短暫地抑制當(dāng)前關(guān)注對(duì)象，從而為其它刺激保留一點(diǎn)起效空間，并在必要時(shí)快速完成關(guān)注點(diǎn)切換。他解釋道，“大腦似乎會(huì)周期性地分散注意力。”

與Halassa的團(tuán)隊(duì)一樣，F(xiàn)iebelkorn和他的同事們也希望，通過(guò)皮層下的其他區(qū)域解釋這種連接機(jī)制。目前，他們?cè)谘芯壳鹉X中另一部分的作用，但后續(xù)也有計(jì)劃對(duì)基底神經(jīng)節(jié)進(jìn)行一番探索。

認(rèn)知扎根于行動(dòng)當(dāng)中

這些研究標(biāo)志著一種關(guān)鍵性的轉(zhuǎn)變：集中注意力的過(guò)程，曾經(jīng)被理解為純皮質(zhì)區(qū)域的活動(dòng)。但根據(jù)Krauzlis的說(shuō)法，過(guò)去五年，“人們逐漸意識(shí)到，皮質(zhì)之下才是注意力變化的根源位置。”

芝加哥大學(xué)神經(jīng)生物學(xué)家John Maunsell表示，“大多數(shù)人都覺得所有繁重的工作都是由大腦皮層完成的，但我認(rèn)為實(shí)際情況并非如此。”

▲ 圖：Michael Halassa主要關(guān)注多電極陣列上，他和他的同事們一直在探尋，大腦如何利用這種結(jié)構(gòu)控制負(fù)責(zé)信息過(guò)濾的神經(jīng)回路。

事實(shí)上，供職于麥戈文腦科學(xué)研究所的Michael Halassa發(fā)現(xiàn)，基底神經(jīng)節(jié)在人腦關(guān)注活動(dòng)中有著令人著迷的神奇作用。基底神經(jīng)節(jié)是大腦中的一種古老區(qū)域，以往人們一直覺得它跟選擇性關(guān)注活動(dòng)毫無(wú)關(guān)系。Krauzlis表示，“魚也擁有基底神經(jīng)節(jié)，或者說(shuō)新皮層，其最早能夠回溯到連下頜都沒(méi)有的七爪鰻。這些動(dòng)物擁有一種簡(jiǎn)單的基底神經(jīng)節(jié)形式，其中一些擁有相同的回路結(jié)構(gòu)。”魚的神經(jīng)回路也許能夠?yàn)槲覀兘议_腦部注意力機(jī)制的演變之謎。

Halassa認(rèn)為，注意力與基底神經(jīng)元之間的聯(lián)系，可能為注意力缺陷多動(dòng)障礙以及自閉癥等疾病找到可靠的解釋方式。這類病癥的常見表現(xiàn)，就是對(duì)某些類型的輸入信息特別敏感。

但基底神經(jīng)節(jié)最有趣的事實(shí)之一，在于該結(jié)構(gòu)通常與運(yùn)動(dòng)控制有關(guān)。而且近期研究也發(fā)現(xiàn)，基底神經(jīng)節(jié)確實(shí)與學(xué)習(xí)獎(jiǎng)勵(lì)、決策以及其他基于動(dòng)機(jī)的行為有所關(guān)聯(lián)。

隨著Halassa實(shí)驗(yàn)室研究成果的發(fā)布，如今基底神經(jīng)節(jié)的作用已經(jīng)正式擴(kuò)展至感知控制領(lǐng)域。Maunsell解釋道，這也凸顯出新的事實(shí)，“注意力的本質(zhì)在于按照正確的順序進(jìn)行排序，以確保大腦不會(huì)被不應(yīng)分心的事物所干擾。從某種意義上講，這也與基底神經(jīng)節(jié)的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)有著和諧的邏輯關(guān)系。基底神經(jīng)節(jié)應(yīng)該負(fù)責(zé)決定下一步要做什么，而這也涉及下一步應(yīng)該把資源集中在什么身上。”

這與基于主動(dòng)推理過(guò)程的注意力（以及整體認(rèn)知水平）提升觀點(diǎn)同樣并行不悖。大腦會(huì)主動(dòng)從環(huán)境當(dāng)中提取信息，而后對(duì)觀察到的外部刺激做出反應(yīng)。反之亦然，身體通過(guò)運(yùn)動(dòng)——包括眨眼這類微小的活動(dòng)——對(duì)感知進(jìn)行引導(dǎo)。Fiebelkorn解釋道，感知與運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)“并非彼此獨(dú)立，而是共同演進(jìn)。”因此，運(yùn)動(dòng)區(qū)域不僅有助于塑造輸出（表現(xiàn)為動(dòng)物的某種行為），同時(shí)也有助于調(diào)整輸入。Halassa的發(fā)現(xiàn)，為這種主動(dòng)作用提供了更穩(wěn)固的理論基礎(chǔ)。

阿姆斯特丹大學(xué)認(rèn)知科學(xué)家Heleen Slagter指出，“感知服務(wù)于行動(dòng)，因?yàn)槲覀冃枰紫日J(rèn)識(shí)世界，之后才能改變世界。我們通過(guò)動(dòng)作引導(dǎo)來(lái)學(xué)習(xí)如何感知周邊環(huán)境。”與皮層之間的高度互連結(jié)構(gòu)表明，即使在注意力機(jī)制之外，這些皮層下結(jié)構(gòu)在高級(jí)感知中的作用也比我們以往認(rèn)為的重要得多。

這反過(guò)來(lái)又能幫助我們探索「意識(shí)」的形成。意識(shí)是神經(jīng)科學(xué)當(dāng)中最難以捉摸的主題。Maunsell表示，正如Halassa等相關(guān)研究所得出的結(jié)論，“當(dāng)我們研究注意力與神經(jīng)之間的關(guān)聯(lián)時(shí)，實(shí)際上也是在研究注意力感知的神經(jīng)相關(guān)性。此次發(fā)現(xiàn)，有望成為大腦工作原理研究這一廣闊愿景中的重要組成部分。”

Slagter目前正在研究基底神經(jīng)節(jié)在意識(shí)當(dāng)中發(fā)揮的作用。她總結(jié)道，“我們不僅在操縱自己的身體，也通過(guò)自己的身體體驗(yàn)整個(gè)世界。大腦負(fù)責(zé)表達(dá)這個(gè)世界，以引導(dǎo)我們?cè)谄渲胁扇∮幸饬x的行動(dòng)。因此我認(rèn)為，有意識(shí)的體驗(yàn)必然與行動(dòng)緊密關(guān)聯(lián)，”集中注意力就是其中的典型表現(xiàn)。“意識(shí)，應(yīng)該以行動(dòng)為導(dǎo)向。”