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很長(zhǎng)一段時(shí)間以來科學(xué)家都認(rèn)為注意力首先是一種大腦皮層現(xiàn)象。1984年，第一次有人提出了不同意見。
弗朗西斯·克里克認(rèn)為，感覺丘腦不僅是一個(gè)中繼站，它會(huì)堵住一些數(shù)據(jù)流，以此在某種程度上集中注意力。
對(duì)小鼠的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，如果小鼠需要優(yōu)先接收聽覺信息，前額皮質(zhì)會(huì)告訴視覺抑制區(qū)增強(qiáng)其活動(dòng)，以抑制視覺丘腦，剝離無(wú)關(guān)的視覺數(shù)據(jù)。
我們能在充滿了人聲和各種雜音的房間里交談；能在茫茫多的雜物里找到一把鑰匙；能發(fā)現(xiàn)一只突然沖到車前的小動(dòng)物。即便感官同時(shí)接收著大量信息，我們依然能通過某種方式集中注意力，做好重要的事。
注意過程是大腦對(duì)相關(guān)刺激打上探照燈，并過濾其他內(nèi)容的方式。為了確定瞄準(zhǔn)和驅(qū)動(dòng)這一探照燈的神經(jīng)回路，過去數(shù)十年來，研究主要集中在大腦皮層這一結(jié)構(gòu)進(jìn)行，它包裹著大腦，通常與智力和高階認(rèn)知有關(guān)。大腦皮層的活動(dòng)會(huì)促進(jìn)感覺處理，從而提高相關(guān)表現(xiàn)。
一直以來，人們認(rèn)為注意過程是大腦對(duì)相關(guān)刺激打上探照燈，并過濾其他內(nèi)容的方式 | Pixabay
但現(xiàn)在，一些研究者試圖換個(gè)方向，研究大腦會(huì)如何抑制信息，而不是增強(qiáng)信息。更重要的點(diǎn)或許在于，他們發(fā)現(xiàn)這一過程會(huì)牽涉到大腦更深處的古老區(qū)域——在研究注意力時(shí)通常并不會(huì)被納入考量的區(qū)域。
不僅是中繼站，還是看門人
由于注意力似乎與意識(shí)和其他的復(fù)雜功能關(guān)系緊密，很長(zhǎng)一段時(shí)間以來科學(xué)家都認(rèn)為它首先是一種大腦皮層現(xiàn)象。1984年，第一次有人提出了不同意見。當(dāng)時(shí)以研究DNA結(jié)構(gòu)聞名的弗朗西斯·克里克（Francis Crick）提出，注意力探照燈是由大腦深處一個(gè)被稱為丘腦的部分控制的，它的某些部分負(fù)責(zé)從感覺區(qū)接收信息，然后傳遞給大腦皮層。
他認(rèn)為感覺丘腦不僅是一個(gè)中繼站，而且還是一個(gè)看門人——不僅是一座橋，還是一個(gè)篩子——它會(huì)堵住一些數(shù)據(jù)流，以此在某種程度上集中注意力。
但幾十年過去了，科學(xué)家尋找確切機(jī)制的嘗試并沒有得到多少回報(bào)——尤其是要建立方法在實(shí)驗(yàn)室動(dòng)物身上研究注意力，特別困難。
注意力探照燈是由大腦深處一個(gè)被稱為丘腦的部分控制的，它的某些部分負(fù)責(zé)從感覺區(qū)接收信息，然后傳遞給大腦皮層 | Pixabay
不過，這并沒有阻止麻省理工學(xué)院麥戈文大腦研究所的神經(jīng)科學(xué)家邁克爾·哈拉薩（Michael Halassa）。他想確定感官輸入的信息在到達(dá)大腦皮層之前是如何被過濾的，由此來確定克里克的研究所提出過的那個(gè)神經(jīng)回路。
一層薄薄的抑制性神經(jīng)元吸引了他的注意，這層神經(jīng)元被稱為丘腦網(wǎng)狀核（TRN），它像殼一樣包裹著丘腦的其余部分。當(dāng)哈拉薩還是博士后的時(shí)候，他已經(jīng)在這一大腦區(qū)域發(fā)現(xiàn)了一個(gè)粗略的閥門：TRN似乎會(huì)在動(dòng)物清醒并關(guān)注周圍環(huán)境時(shí)讓感覺輸入信息通過，但會(huì)在動(dòng)物睡著時(shí)抑制它們。
在2015年，哈拉薩和同事們發(fā)現(xiàn)了另一個(gè)更精細(xì)的閥門，它能進(jìn)一步顯示TRN屬于那個(gè)克里克長(zhǎng)期尋找的回路——這一次的研究中，他們測(cè)試了當(dāng)動(dòng)物的注意力分散在不同感官上時(shí)，動(dòng)物會(huì)如何選擇注意的對(duì)象。
在這項(xiàng)研究中，研究人員們訓(xùn)練小鼠，讓它們跟隨閃爍的燈光和大范圍音頻的指示奔跑。然后，同時(shí)用燈光和聲音向動(dòng)物們發(fā)出相互沖突的命令，但也同時(shí)提示它們應(yīng)該忽略哪些信號(hào)。小鼠的反應(yīng)表明了它們會(huì)如何有效集中注意力。在整個(gè)任務(wù)過程中，研究人員使用成熟的技術(shù)來切斷大腦不同區(qū)域的活動(dòng)，看看是什么干擾了動(dòng)物的表現(xiàn)。
研究人員們訓(xùn)練小鼠，讓它們跟隨閃爍的燈光和大范圍音頻的指示奔跑 | Pixabay
與料想的一致，向大腦其他部分發(fā)出高階指令的前額葉皮層十分重要。但研究小組還觀察到，如果某項(xiàng)試驗(yàn)需要小鼠注意視覺，那么視覺TRN中被激活的神經(jīng)元就會(huì)干擾它們的表現(xiàn)。當(dāng)這些神經(jīng)元被壓制時(shí)，老鼠更不容易在聲音上集中注意力。
實(shí)際上，這套神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)會(huì)將旋鈕轉(zhuǎn)到抑制過程，而不是激活過程。TRN會(huì)抑制那些被前額葉皮層視為干擾的信息。如果小鼠需要優(yōu)先接收聽覺信息，前額皮質(zhì)會(huì)告訴視覺抑制區(qū)增強(qiáng)其活動(dòng)，以抑制視覺丘腦——?jiǎng)冸x無(wú)關(guān)的視覺數(shù)據(jù)。
注意力探照燈的比喻與之相反：大腦并沒有照亮相關(guān)的刺激物；它降低了所有其他東西的亮度。
盡管研究取得了成功，研究人員還是發(fā)現(xiàn)了一個(gè)問題。他們證實(shí)了克里克的直覺：前額葉皮層控制著丘腦中那個(gè)感覺信息輸入的過濾器。但前額皮質(zhì)與TRN的感官部分沒有任何直接聯(lián)系。回路的某個(gè)部分缺失了。
而現(xiàn)在，哈拉薩和同事們終于補(bǔ)完了剩下的部分。
研究小組采取的方式與他們?cè)?015年所做的研究類似，他們探索大腦不同區(qū)域之間的功能影響，以及它們之間的神經(jīng)元連接。
大腦并沒有照亮相關(guān)的刺激物；它降低了所有其他東西的亮度 | Pixabay
結(jié)果發(fā)現(xiàn)，整個(gè)回路從前額皮質(zhì)一直連接到更深層的基底核（通常與運(yùn)動(dòng)控制和許多其他功能相關(guān)），然后再到TRN和丘腦，最后回到高層的大腦皮層區(qū)域。例如，當(dāng)視覺信息從眼睛傳遞到視丘時(shí)，如果它與給定的任務(wù)無(wú)關(guān)，那它幾乎可以被立即截獲。基底核可以介入并激活視覺TRN，屏蔽外部刺激，與前額皮質(zhì)的指令保持一致。
“我認(rèn)為之前并沒有人描述過這個(gè)有趣的反饋路徑，” 神經(jīng)科學(xué)家理查德·克勞茲利斯（Richard Krauzlis）說。他來自馬里蘭國(guó)家衛(wèi)生研究院的國(guó)家眼科研究所，并且沒有參與這項(xiàng)研究。
此外，研究人員發(fā)現(xiàn)，該機(jī)制不僅會(huì)為了提高對(duì)某種感覺的認(rèn)識(shí)而過濾掉另一種感覺，它還會(huì)過濾某種感覺本身中的信息。當(dāng)研究人員提示老鼠注意某些聲音時(shí)，TRN幫忙抑制了聽覺信號(hào)中不相關(guān)的背景噪音。羅徹斯特大學(xué)的神經(jīng)學(xué)家杜杰·塔丁（Duje Tadin）說道：“僅僅為了某個(gè)感覺通道而抑制整個(gè)丘腦區(qū)域是一種相當(dāng)生硬的抑制形式，”而這種感覺處理的效果“要更為精確?！?/p>
當(dāng)研究人員提示老鼠注意某些聲音時(shí)，TRN幫忙抑制了聽覺信號(hào)中不相關(guān)的背景噪音 | Pixabay
“我們經(jīng)常忽略自己是如何處理那些不那么重要的東西的，” 他補(bǔ)充道，“而通常來說，我認(rèn)為那是一種更有效的處理信息的方式?！比绻硖幰粋€(gè)嘈雜的房間，你可以試著提高嗓門讓別人聽到你，但其實(shí)也可以試試消除噪音的來源。
哈拉薩的發(fā)現(xiàn)表明，大腦會(huì)比預(yù)期中更早地將無(wú)關(guān)的感知拋到一邊?！坝腥さ氖牵逼樟炙诡D大學(xué)的認(rèn)知神經(jīng)學(xué)家伊安·菲貝爾科恩（Ian Fiebelkorn）說，“在信息到達(dá)視覺皮層之前，過濾就早已開始了?！?/p>
閃爍的“探照燈”
然而，大腦這種拋棄感官信息的策略有一個(gè)明顯的弱點(diǎn)——被拋棄的感知可能出乎意料地重要。菲貝爾科恩的研究表明，大腦有辦法規(guī)避這些風(fēng)險(xiǎn)。
菲貝爾科恩說，當(dāng)人們想象注意力探照燈時(shí)，他們想到的是一束穩(wěn)定、持續(xù)的光線，照亮了動(dòng)物應(yīng)該把認(rèn)知資源引向哪里。但“我的研究表明事情不是這樣的，”他說，“正相反，探照燈像是在閃爍。”
根據(jù)他的發(fā)現(xiàn)，注意力探照燈的聚焦大約每秒減弱四次，這估計(jì)是為了防止動(dòng)物過度專注于環(huán)境中的某個(gè)方位或某種刺激。這種對(duì)重要事物的短暫抑制會(huì)間接促進(jìn)其他次要的刺激，讓大腦有機(jī)會(huì)在必要時(shí)將注意力轉(zhuǎn)移到其他事物上。“大腦似乎被設(shè)定成會(huì)周期性地被分散注意力，”他說。
注意力探照燈的聚焦大約每秒減弱四次，這估計(jì)是為了防止動(dòng)物過度專注于環(huán)境中的某個(gè)方位或某種刺激 | Pixabay
和哈拉薩的團(tuán)隊(duì)一樣，菲貝爾科恩和他的同事也期望能在大腦皮質(zhì)下區(qū)域找到這一連接的答案。目前，他們正在研究丘腦另一部分的作用，但他們也計(jì)劃在將來研究基底核。
這些研究標(biāo)志著一個(gè)重要的轉(zhuǎn)變：科學(xué)家們?cè)J(rèn)為注意過程是獨(dú)屬于大腦皮層的領(lǐng)域。但是根據(jù)克勞茲里斯的說法，在過去的五年里，“有一點(diǎn)變得更明顯了，大腦皮層下有事在發(fā)生?！?/p>
“大多數(shù)人希望大腦皮層為我們承擔(dān)所有的重?fù)?dān)，但我認(rèn)為這是不現(xiàn)實(shí)的，” 芝加哥大學(xué)的神經(jīng)生物學(xué)家約翰·曼塞爾（John Maunsell）說。
事實(shí)上，哈拉薩發(fā)現(xiàn)的基底核在注意力中所起的作用特別迷人。一部分原因是它是大腦中一個(gè)非常古老的區(qū)域，而且人們通常不認(rèn)為它屬于選擇性注意的一部分。“魚就有這個(gè)，”克勞茲利斯說，“這能一直追溯到最早的脊椎動(dòng)物，比如七鰓鰻，它沒有顎，”——而且也沒有新皮質(zhì)——“它們大體上只有簡(jiǎn)單的基底核和一部分類似的神經(jīng)回路。這種魚的回路可能會(huì)提供注意力進(jìn)化的線索。
注意力和基底核之間的聯(lián)系可能會(huì)揭示像注意力缺陷多動(dòng)障礙和自閉癥等病癥的病因 | Pixabay
注意力和基底核之間的聯(lián)系可能會(huì)揭示像注意力缺陷多動(dòng)障礙和自閉癥等病癥的病因，這些病癥通常表現(xiàn)為對(duì)某些輸入信號(hào)過于敏感，哈拉薩對(duì)此特別感興趣。
但或許，牽涉到基底核之所以有趣，在于這一結(jié)構(gòu)通常與運(yùn)動(dòng)控制有關(guān)，盡管研究也開始逐漸表明它與基于獎(jiǎng)勵(lì)的學(xué)習(xí)、決策和基于動(dòng)機(jī)的行為有關(guān)。
哈拉薩實(shí)驗(yàn)室完成了他們的工作，基底核的作用也延伸到了感覺控制。這突出了一個(gè)事實(shí)，“注意力其實(shí)就是按照正確的順序從這個(gè)排列到那個(gè)，同時(shí)確保你不會(huì)被不應(yīng)該分散注意力的事情分散了注意力，”曼塞爾說，“運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)與此相關(guān)的觀點(diǎn)……某種程度而言也是合理的——它們應(yīng)該主導(dǎo)決策流程，決定你接下來要做什么、接下來要把感官資源集中在什么上?！?/p>
這與某個(gè)新興觀點(diǎn)一致，這一觀點(diǎn)認(rèn)為，注意力過程以及整體而言的感知過程都是基于所謂的主動(dòng)推理。大腦不會(huì)被動(dòng)從環(huán)境中取樣，然后對(duì)觀察到的外部刺激做出反應(yīng)。相反的情況也會(huì)發(fā)生，像眨眼這樣微小的身體動(dòng)作也會(huì)引導(dǎo)感知。感覺系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)“不是獨(dú)立運(yùn)作的，而是共同進(jìn)化的”，菲貝爾科恩說。所以運(yùn)動(dòng)區(qū)域不僅會(huì)幫助進(jìn)行輸出（動(dòng)物的行為）;還會(huì)幫助進(jìn)行輸入。哈拉薩的發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步佐證了它在發(fā)揮更主動(dòng)的作用。
感覺系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)“不是獨(dú)立運(yùn)作的，而是共同進(jìn)化的” | Pixabay
“感知服務(wù)于行動(dòng)，因?yàn)槲覀儽仨毾瘸尸F(xiàn)出這個(gè)世界，才能在里面活動(dòng)，”阿姆斯特丹自由大學(xué)的認(rèn)知科學(xué)家海琳·斯拉格特（Heleen Slagter）說，“很大程度上，我們是通過行動(dòng)來學(xué)習(xí)如何感知周圍世界的。”與大腦皮層的高度聯(lián)系表明，即使不考慮注意力，“這些皮層下的結(jié)構(gòu)在高階認(rèn)知中發(fā)揮的作用也比通常認(rèn)為的大得多?！?/p>
而這反過來又為我們提供了看待意識(shí)的線索，這是神經(jīng)科學(xué)中最難以捉摸的課題。正如哈拉薩的研究和其他研究所證明的那樣，“當(dāng)我們觀察注意力的神經(jīng)關(guān)聯(lián)時(shí)，實(shí)際上，我們?cè)谝欢ǔ潭壬鲜窃谟^察感知的神經(jīng)關(guān)聯(lián)，”曼塞爾說，“就試圖理解大腦工作的層面而言，這屬于全局的一部分。”
斯拉格特目前正在研究基底核在意識(shí)中可能發(fā)揮的作用，“我們對(duì)世界的體驗(yàn)不僅來自于對(duì)身體的使用，也在于我們的身體本身。大腦呈現(xiàn)這個(gè)世界是為了在其中進(jìn)行有意義的活動(dòng)，”她說，“因此，我認(rèn)為意識(shí)體驗(yàn)一定是與活動(dòng)緊密相連的”，就像注意力一樣?！耙庾R(shí)應(yīng)該是活動(dòng)導(dǎo)向的。”
作者：JORDANA CEPELEWICZ, QUANTA
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